复合电极清洗掩膜电解加工装置的制作方法

本实用新型涉及微小坑电解加工技术领域，尤其涉及一种复合电极清洗掩膜电解加工装置。

背景技术：

随着现代化进程的不断推进，高科技产品层出不穷，越来越多的工业产品都存在各种各样的摩擦副。某种特定情况下，带有摩擦副的零件能提高机械系统的工作性能和运行效率。近几年，随着研究的不断深入，研究人员已形成共识摩擦副表面的微小凹坑阵列具有极佳的抗磨减摩性能。然而，掩膜电解加工在微小坑加工领域备受关注。

电解加工是利用阳极溶解原理，将零件加工成形的一种制造技术。掩膜电解加工具有良好的定域性、加工精度高、模板可重复使用等优点。加工时掩膜板贴合在阳极工件上，通电后在电解液的作用下，工件上对应通孔逐渐被溶解去除，最终得到微小坑阵列。其中，小间隙加工和工具阴极表面质量是获得高精度微小坑的两个重要因素。

为保证小间隙加工，南京航空航天大学曲宁松、张西方提出了阴阳极同时接触光刻胶膜的方法进行微坑电解加工(接触式电解加工阵列微小凹坑的方法，专利号CN104001997A)。该方法采用将工件阳极浸入到电解液中，工具阴极与工件阳极上的光刻胶膜接触，接通电源进行电解加工。工具阴极与工件阳极上的光刻胶膜接触，显著提高阵列微小凹坑的加工定域性。但由于电解液是静液，易出现间隙液体呈死区状态、电解产物难以排出、阳离子聚集阴极表面等现象，降低了加工精度。电解加工中常用提高间隙电解液流速的方法，来冲刷电解产物和消除阴极表面离子杂质。但流速过快，又容易产生流动紊乱，局部区域发生火花短路，或产生纹流等问题。群微小坑阵列在工程中有着更多的应用需求，对于群微小坑阵列掩膜电解加工带来的一些问题，有必要探讨新的掩膜电解加工装置。

技术实现要素：

为了克服现有技术存在的缺陷，本实用新型提供了一种复合电极清洗掩膜电解加工装置，以解决现有掩膜电解加工技术在群阵列微小凹坑加工中，容易出现加工间隙产物难以排出、阴极表面“离子粘附”等问题。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种复合电极清洗掩膜电解加工装置，包括工具阴极、回收装置、气液清洗装置、用于烘干从气液清洗装置出来的工具阴极的烘干器和掩膜板，所述工具阴极呈带状，由四个滚轮同步带动；所述回收装置包括导流管和废液处理槽，所述气液清洗装置内设有液体腔、气体管、混合腔和气液出口，所述液体腔和气体管位于所述混合腔的上方，所述混合腔与所述液体腔连通，所述液体腔通过进液口连接液体槽，所述气体管伸入到液体腔内，所述气体管内设有气体腔，所述气体腔与液体腔连通，所述气体腔通过进气口外接空气压缩机，气体腔内的气体与液体腔内的液体在混合腔内混合，所述气液出口通过所述导流管与所述废液处理槽连接；所述工具阴极的上部穿插过所述气液清洗装置的混合腔，所述烘干器贴近所述工具阴极的上部，所述掩膜板上设置有阵列通孔且贴合于阳极工件上表面上，所述工具阴极的下部与所述掩膜板之间设有加工间隙，所述工具阴极连接电源负极，所述阳极工件连接电源正极；电解液从加工间隙的左侧向右高速冲液。

进一步，所述工具阴极是由基体强力锦纶带、导电粉及铜金属层形成的复合结构。

再进一步，所述液体槽内的液体为丙酮溶液，所述空气压缩机压出的气体为高压气体。

再进一步，所述气液清洗装置供液压力为0.5～0.6MPa，供气压力为0.4～0.5MPa，气液两相混合后的压力为0.4～0.5MPa。

再进一步，所述加工间隙为0.1～1mm。

更进一步，所述四个滚轮形状大小一致，且均为金属材料制成，滚轮上的滚齿与强力棉纶带啮合，所述滚轮为顺时针匀速旋转，所述工具阴极会逆时针匀速旋转。

本实用新型的有益效果主要表现在：

1、本实用新型中气液清洗装置中丙酮溶液混入气体后，使较低的液体进口压力得到更高的流速，气液的高速冲刷及强烈扰动，可以有效地消除阴极电极上粘附的Na⁺、H⁺、Fe²⁺等阳离子，减少浓度极化，进而使加工电流密度分布趋于均匀，有利于提高电解复制精度；

2、电解液和工具阴极的相向运动，减少液体分子粘性摩擦，使间隙流体流动更加活跃，微坑内产生的电解加工产物快速流离加工区域，降低了加工间隙内的电导率，抑制了电场边缘效应对群微坑阵列加工尺寸的影响，保证了群微坑加工的尺寸均匀。

附图说明

图1是本实用新型总体结构示意图。

图2是本实用新型气液清洗装置示意图。

图3是工具阴极结构示意图。

图4是工具阴极截面剖图。

图5是电解过程离子移动示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述。

参照图1～图5所示，一种复合电极清洗掩膜电解加工装置，包括工具阴极6、回收装置、气液清洗装置5、用于烘干从气液清洗装置5 出来的工具阴极6的烘干器4和掩膜板2，所述工具阴极6呈带状，由四个滚轮3同步带动；所述回收装置包括导流管8和废液处理槽9，所述气液清洗装置内设有液体腔12、气体管10、混合腔14和气液出口13，所述液体腔12和气体管10位于所述混合腔14的上方，所述混合腔14与所述液体腔12连通，所述液体腔12通过进液口连接液体槽，所述气体管 10伸入到液体腔12内，所述气体管10内设有气体腔11，所述气体腔11 与液体腔连12通，所述气体腔11通过进气口外接空气压缩机，气体腔 11内的气体与液体腔12内的液体在混合腔14内混合，所述气液出口13 通过所述导流管8与所述废液处理槽9连接；所述工具阴极6的上部穿插过所述气液清洗装置5的混合腔14，所述烘干器4贴近所述工具阴极6 的上部，所述掩膜板2上设置有阵列通孔且贴合于阳极工件1上表面上，所述工具阴极6的下部与所述掩膜板2之间设有加工间隙，所述工具阴极6连接电源负极，所述阳极工件1连接电源正极；电解液7从加工间隙的左侧向右高速冲液。

进一步，所述工具阴极6是由基体强力锦纶带61、导电粉62及铜金属层63形成的复合结构。

再进一步，所述液体槽内的液体为丙酮溶液，所述空气压缩机压出的气体为高压气体。

再进一步，所述气液清洗装置5供液压力为0.5～0.6MPa，供气压力为0.4～0.5MPa，气液两相混合后的压力为0.4～0.5MPa。

再进一步，为防止空穴现象出现，加工间隙保持在0.1～1mm。

更进一步，所述四个滚轮3形状大小一致，且均为金属材料制成，滚轮6上的滚齿与强力棉纶带61啮合良好，不考虑过载打滑，所述滚轮 6为顺时针匀速旋转，所述工具阴极6会逆时针匀速旋转，滚轮3转速可设为6～10m/s。

电解液7一般可选用NaCl、NaNO3、NaClO3溶液等，通常电解液质量分数为10～15％，电源采用直流或脉冲，加工电压设置为5～15V，加工时间则可根据所要求的尺寸及施加的电压大小，电解液7以 0.1～0.3MPa的压力从加工间隙左侧向右高速冲液，电解液7温度一般保持在20～30℃。

本实施例中，所述电解液7采用侧向流动的方式通过阴阳极缝隙高速冲液，较小的缝宽保证了阳极工件加工区域流场均匀，加工精度较好。

本实用新型中工具阴极的表面质量是电解加工的关键因素，需满足挠性好、耐磨性、传动平稳及电解加工性能等，因此制作过程尤为重要；

具体的，本实用新型中所述的成形工具阴极6按如下方法制得：选取强度高，不易松弛且厚度为1～2mm的强力锦纶带为基体，所述强力锦纶带的外表面涂敷一层50～100μm导电粉进行导电化处理。然后通过电铸技术在导电粉表面上沉积一层50～100μm的铜金属，得到由基体强力锦纶带61、导电粉62及铜金属层63形成的复合结构即为成形工具阴极。

本实用新型中工具阴极表面“离子粘附”去除按如下方法：所述液体腔内通入的液体是丙酮溶液，丙酮(acetone，CH3COCH3)是一种无色透明液体，工业上常用作稀释剂和清洗剂来清除工件表面杂质。丙酮溶液作为主流在其液体腔内流动，经截面收缩的喉部时，流速增大，压力降低，则在压差作用下气体腔引入高压气体并与丙酮溶液混合，然后气液高速喷射到所述气液清洗装置内的工具阴极表面上进行冲刷清洗，从而去除阴极表面粘附的离子杂质和电解液。

如图1～3所示，所述工具阴极6经气液冲刷掉的电解液杂质和丙酮溶液会经气液出口13及导流管8流向废液处理槽9，所述气体管10 包覆于液体腔12内；所述工具阴极6穿插过所述气液清洗装置5和贴近所述烘干器4下，所述烘干器4可以烘干工具阴极6表面残留的溶液杂质，保证进入电解液中的阴极表面干燥、无杂质。

本实用新型复合阴极清洗掩膜电解加工方法，具体步骤为：

(1)利用低温等离子表面处理机对具有群孔结构一致的柔性掩模板的表面进行处理，提高其与金属的结合强度。

(2)将处理后的掩模板2与阳极工件1的表面紧密贴合。

(3)将成形的工具阴极6安装在四个滚轮3上，并穿插过气液清洗装置5和烘干器4，工具阴极6下部与掩模板2之间形成小间隙流道，将阳极工件1和工具阴极6分别与电源正负极相连。

(4)在工具阴极6和掩模板2之间的小间隙流道内通入电解液，在气液清洗装置5内通入丙酮溶液和高压气体，打开烘干器4烘干清洗后的工具阴极6，让滚轮3顺时针匀速旋转，保证进入加工区域中的工具阴极6表面干燥、无杂质。

(5)电解过程中，阴极与掩膜孔下露出的工件阳极形成电场线，此时在电解液作用下，阳极工件1上对应通孔的区域发生电化学反应，逐渐被溶解去除，最终得到阵列微小坑。