專利名稱：采用雙極性電極的微細群坑電解加工方法及其雙極性電極的制作方法
技術領域：
本發明采用雙極性電極的微細群坑電解加工方法及其雙極性電極，屬電解加工技術 領域。
背景技術：
據測算，世界產生的能源約有30%~50%消耗在摩擦損失上，例如紡織機械干摩擦所 消耗的功率是其總功率的85%;內燃機在有潤滑油的情況下，摩擦損失功率有時也達到 總功率的3(W;近代汽車發動機的摩擦損失占其功率的20%。根據美國、英國、德國等國 家的統計，與摩擦、磨損有關方面的花費大約占國民經濟年生產總值的2%~7%。 2003年 我國國民經濟生產總值為11694億元，如果摩擦、磨損有關方面的花費按占國民經濟年 生產總值的5H十算，就損失584.7億元。由此可見，摩擦磨損造成的經濟損失是十分巨 大的。減少無用的摩擦消耗，控制和減少磨損，則減少設備維修次數和費用，可以提高 資源的利用率，對于我們這個人均資源十分貧乏的國家具有戰略意義。降低摩擦，減少 磨損是工程界長期致力于解決的重大技術難題之一。降低發動機的機械損失，特別是降低活塞/缸體、活塞環/缸體之間的摩擦是研究 者們始終追求的目標。早在上世紀中期，人們已經認識到氣缸的表面加工紋理對活塞/ 氣缸摩擦學特性的顯著作用，研究人員對金剛石、陶瓷、以及橡膠等不同表面加工工具 對表面加工紋理的影響進行了細致的研究，發現一定加工紋理的存在，能夠起到保存潤 滑油，防止活塞/缸體產生咬死和擦傷效果。目前，尺寸為數微米至數百微米的微小凹 坑和微小溝槽狀的表面織構已成功地應用于計算機硬盤、滑動軸承、以及機械動密封的 摩擦表面，取得了顯著的減小摩擦、提高承載力、以及避免表面粘附和咬死的效果。在 其工作機理的研究方面，人們通過實驗發現，合理的表面織構具有產生流體動壓效果， 能夠儲存潤滑液為表面提供潤滑、容納磨屑、以及減少表面吸附力等多種機理。日本本 田汽車株式會社的研究者利用粒徑40um陶瓷球高速噴射(v〉100m/s)方法在活塞表面加工出平均深度為0. 6um-1. 8um的微小凹坑(micro-dimple)。運行120小時以后，發動 機整體的機械損失降低了 2%-2.6%。近兩年，隨著研究的不斷深入，研究人員已形成共 識摩擦副表面的微小凹坑陣列具有極佳的抗磨減摩性能。有效的微小凹坑制造技術是該項技術工程化的重要保障。近年來，研究人員在摩擦 副表面微小凹坑陣列制造加工領域傾注了極大的研究熱情，提出了多種制造方法，試圖 解決這個制造難題。提出的方法主要有自激振動加工方法、低頻振動加工方法、數控激 光銜磨方法、電火花加工方法、超聲加工方法、松孔鍍鉻方法、腐蝕方法和電解方法等電解加工是一種利用電化學陽極溶解原理去除材料的特種加工方法。與其他加工方 法比較，具有加工范圍廣，生產效率高，表面質量好，工具無損耗等突出優點。用電解 方法加工群坑效率高，表面質量好，成本低。目前國內外使用電解加工微細群坑、群孔等相似結構的方法主要有以下幾種1) 照相電解。該方法首先經光刻工藝在工件表面形成鏤空圖案，然后通過電化學方法在工 件表面形成所需圖案。該方法加工過程繁瑣，生產效率比較低，制造成本高。2)群電 極電解加工。使用一排電極分幾次加工完成或使用群電極一次加工完成。該方法制造群 坑深度的一致性很難保證。3)固定陰極加工。這是本課題組提出的一種微細群坑加工 方法。將一個帶有貫穿群孔結構、表面附有絕緣層的工具陰極直接與工件緊密貼合(中 間的絕緣層同時起屏蔽和絕緣的作用)，陰陽極接通電源后進行電解加工，在工件表面 得到群坑結構。該方法加工效率高，成本低廉。以上三種群坑電解加工方法都存在雜散 腐蝕現象比較嚴重的問題，使得微坑在縱向去除的同時，側向也有很大量的去除。這對 于尺度非常微小的微坑加工是非常不利的，甚至導致尺度非常微小的微坑采用以上方法 無法加工實現。在電解加工中，只要陰陽極間充滿電解液，就會發生陽極溶解現象，這意味著有些 已加工部位或不需要加工部位也可能會出現材料去除，這種現象通常稱為雜散腐蝕。目 前，要徹底消除雜散腐蝕是不可能的。減小雜散腐蝕一直是電解加工研究的一項重要課 題，已經從多個方面進行了探索和嘗試。減小雜散腐蝕的方法主要有1)改進電解液。 釆用低濃度電解液，可以減少雜散腐蝕，但是加工效率低；2)采用混氣電解加工方法， 在電解液進入加工區前混入大量壓縮空氣，使電解液成為氣液混合兩相流(氣泡流)，在 側面間隙區域電解液在流動方向上的壓力迅速減低，氣泡體積因此會急劇增大，從而局部電解液電導率會顯著降低，側面間隙區域溶解速度降低，從而抑制了雜散腐蝕。但是混氣法由于裝置復雜，加工效率低，使用不多；3)小間隙電解加工方法，突出部位的 去除速度將大大高于低凹處，提高整平效果。采用小間隙加工，對提高加工精度、提高 生產率都是有利的。但是間隙愈小，對液流的阻力愈大，間隙內電解液溫升快、溫度高， 間隙過小容易引起短路。以上方法對于微坑加工均不大合適，因此，有必要探索新的加 工效率高、成本低廉、雜散腐蝕小的微細群坑電解加工方法。發明內容本發明的目的是針對目前電解加工微坑定域性差的缺點，提出了一種采用雙極性電 極的微細群坑電解加工方法及其雙極性電極。利用本發明方法可以顯著提高電解加工的 定域性和微細尺度加工能力。一種釆用雙極性電極的微細群坑電解加工方法，其特征在于包括下列步驟(a) 、制作帶有貫穿群孔結構，且依次由輔助陽極、絕緣層和工具陰極組成的雙極 性電極；(b) 、將雙極性電極上的輔助陽極與工件陽極緊密貼合；(c) 、工件陽極、工具陰極分別與電源正負極連接(d) 、向工具陰極表面噴射電解液，使電解液通過雙極性電極上的貫穿群孔到達工 件陽極表面；(e) 、接通電源進行電解加工。上述加工方法的雙極性電極，其特征是該雙極性電極由三層結構組成，依次為輔 助陽極、絕緣層和工具陰極，且該雙極性電極上具有貫穿以上三層結構的貫穿群孔。可見該發明的特點是使用具有輔助陽極、絕緣層和工具陰極的雙極性電極，雙極性 電極上的微孔貫穿輔助陽極，絕緣層和工具陰極。利用電場有限元技術的計算分析，在 電解加工間隙電場中，電位等位面密的區域，電力線也密，即電場強度高，材料去除的 速度快、數量多。在固定陰極加工方式中，在加工區域周圍電力線分布很密，工件在深 度方向去除的同時，橫向方向也有去除(見圖3 (a))。而在本發明方法中，由于輔助陽 極和工件陽極在加工過程中始終保持緊密貼合，輔助陽極和工件陽極電位相同。與未使 用雙極性電極進行加工時的加工區域電場等位面分布(見圖4 (a))相比，使用雙極性電極進行加工時的加工區域電場等位面(見圖4 (b))在加工區域周圍分布稀疏，電場 強度得到明顯減弱，由于電流密度和電場強度的關系為其中z— —電流密度；/c一一媒質的電導率； 五一一電場強度由此可見，加工區域周圍的雜散電流密度得到了抑制，從而有效地減弱了加工區域 周圍的雜散腐蝕，提高了微坑加工的定域性和微細尺度加工能力。工件在深度方向去除 的同時，橫向方向僅有少量去除甚至沒有去除(見圖3 (b))。
圖l是采用雙極性電極的微細群坑電解加工方法示意2是雙極性電極示意圖。圖2 (a)和圖2 (b)分別是主視圖和剖視圖。圖3是不釆用雙極性電極和采用雙極性電極的電解加工微坑結果示意圖比較。圖3(a)是不釆用雙極性電極的電解加工微坑結果示意圖；圖3 (b)是采用雙極性電極的電解微坑加工結果示意圖。圖4是不采用雙極性電極和采用雙極性電極的電解加工微坑時，加工區域電場等位面 分布示意圖比較。圖4 (a)是不采用雙極性電極的電解加工微坑時，電場區域電場等位 面分布示意圖；圖4 (b)采用雙極性電極的電解加工微坑時，電場區域電場等位面分布 示意圖。圖l中標號名稱l.雙極性電極，2.工件陽極，3.電源，4.電解液。 圖2中標號名稱5.工件陰極，6.絕緣層，7.輔助陽極。
具體實施方式
下面結合圖l、圖2具體說明實施本發明一一 "采用雙極性電極的微細群坑電解加工 方法"(a)在由輔助陽極(輔助陽極材料一般釆用惰性金屬，例如鉬金)、絕緣層、工件 陰極組成的三層結構上鉆出微小群孔，得到雙極性電極l;6(b)通過夾持工具，將雙極性電極1上輔助陽極7與工件陽極2加工表面緊密貼合; (C)分別將工件陽極2、工具陰極5與電源3的正負極相連接；(d) 電解液4沖入雙極性電極1中的微小孔，到達工件陽極2的加工表面(e) 接通電源，進行電解加工。
權利要求
1.一種采用雙極性電極的微細群坑電解加工方法，其特征在于包括下列步驟(a)、制作帶有貫穿群孔結構，且依次由輔助陽極(7)、絕緣層(6)和工具陰極(5)組成的雙極性電極(1)；(b)、將雙極性電極上的輔助陽極(7)與工件陽極(2)緊密貼合；(c)、工件陽極(2)、工具陰極(5)分別與電源(3)正負極連接(d)、向工具陰極(5)表面噴射電解液(4)，使電解液通過雙極性電極(1)上的貫穿群孔到達陽極表面(2)；(e)、接通電源(3)進行電解加工。
2. 根據權利要求1所述的釆用雙極性電極的微細群坑電解加工方法的雙極性電極，其 特征是該雙極性電極由三層結構組成，依次為輔助陽極(5)、絕緣層(6)和工具陰 極(7),且該雙極性電極上具有貫穿以上三層結構的貫穿群孔。
全文摘要
本發明采用雙極性電極的微細群坑電解加工方法及其雙極性電極，屬電解加工技術領域。該方法，其特征在于包括下列步驟(a)制作帶有貫穿群孔結構，且依次由輔助陽極(7)、絕緣層(6)和工具陰極(5)組成的雙極性電極(1)；(b)將雙極性電極上的輔助陽極(7)與工件陽極(2)緊密貼合；(c)工件陽極(2)、工具陰極(5)分別與電源(3)正負極連接；(d)向工具陰極(5)表面噴射電解液(4)，使電解液通過雙極性電極(1)上的貫穿群孔到達工件陽極表面(2)；(e)接通電源(3)進行電解加工。利用本發明可以顯著提高電解加工的定域性和微細尺度加工能力。
文檔編號B23H3/00GK101327535SQ20081002232
公開日2008年12月24日 申請日期2008年7月9日 優先權日2008年7月9日
發明者曲寧松, 荻 朱, 李冬林, 錢雙慶 申請人:南京航空航天大學