一種用于電解加工平面曲折群溝槽的裝置及電解加工方法與流程

本發明涉及電解/電化學加工技術領域，特別是涉及一種用于電解加工平面曲折群溝槽的裝置及電解加工方法。

背景技術：

具有曲折微溝槽結構的表面在燃料電池雙極板、熱管、微流控芯片、活塞環的減摩降阻等場合具有廣泛的應用，這種結構使零部件在傳熱特性、流體動力學特性、能量轉換特性、化學反應特性、仿生特性、摩擦特性等方面表現出與光滑表面截然不同的特點，具有重要的發展前景和應用價值。

對于平面曲折微溝槽，目前的加工方法主要有：沖壓成形、機械加工、激光加工、電火花加工、電解加工等。沖壓成形是一種低成本快速加工微小平面溝槽的有效方法，但沖壓成形與液壓成形方法容易使板料等零件變形、產生裂紋等缺陷，需要采取先成形再整形的方法解決板料局部變形問題，且對于較厚零件上的溝槽加工，由于需要的沖壓力過大而無法實現；采用機械加工方法，加工后的溝槽表層存在殘余應力，溝槽容易變形，溝槽一般有邊角毛刺等缺陷；激光加工由于熱效應的影響，在溝槽表面存在重熔層和翻邊，在對表面質量要求嚴格的使用場合必須進行磨料氣射流或化學研磨等二次加工，且加工復雜曲折微溝槽時，對激光焦點的控制要求較高；而電火花加工微溝槽時則存在加工效率較低、工具電極易損耗而需時常更換等問題。

電解加工技術具有非接觸、與材料硬度強度無關、無切削力等優點，可以保證加工后工件無應力變形，并且電解加工時工件材料是以離子形式去除，理論上來說加工精度可以達到微米級以下，所以電解加工技術為金屬表面平面曲折微溝槽結構的高質量低成本加工提供了有效途徑。但電解加工時的電場、流場等需要認真考慮和恰當設計，否則加工的精度和效率等難以得到有效保證。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種用于電解加工平面曲折群溝槽的裝置及電解加工方法，可以在金屬工件表面高效加工出尺寸一致性好、表面質量較高的平面曲折群溝槽，并且掩模板可多次重復使用，降低了成本。

為解決上述技術問題，本發明提供一種用于電解加工平面曲折群溝槽的裝置，包括：第一腔體，嵌在所述第一腔體里的襯底，安裝在所述襯底上的工件，設置在所述工件上表面的具有蛇形流道的掩模板，以及設置在所述掩模板上表面的第二腔體；其中，

所述第二腔體的底面作為陰極塊；

所述陰極塊的本體貫穿有輔助供液孔。

優選地，在本發明實施例提供的上述用于電解加工平面曲折群溝槽的裝置中，所述輔助供液孔在所述襯底上的正投影位于所述蛇形流道在所述襯底上的正投影所在區域內。

優選地，在本發明實施例提供的上述用于電解加工平面曲折群溝槽的裝置中，所述輔助供液孔的位置與所述蛇形流道的拐彎處的位置相互對應。

優選地，在本發明實施例提供的上述用于電解加工平面曲折群溝槽的裝置中，所述輔助供液孔的孔徑比所述蛇形流道的流場寬度小。

優選地，在本發明實施例提供的上述用于電解加工平面曲折群溝槽的裝置中，所述工件的上表面與所述掩模板的下表面緊密貼合；

所述陰極塊的下表面與所述掩模板的上表面緊密貼合。

優選地，在本發明實施例提供的上述用于電解加工平面曲折群溝槽的裝置中，還包括：直流電源；

所述直流電源的正極與所述工件電性連接；負極與所述陰極塊的外壁電性連接。

優選地，在本發明實施例提供的上述用于電解加工平面曲折群溝槽的裝置中，還包括：第一水泵，第二水泵，水槽和夾具；

所述第一水泵的一端與所述水槽連接，所述第一水泵的另一端與所述夾具的入液口連接；所述夾具的入液口與所述掩模板連接，所述夾具的出液口與所述水槽連接；

所述第二水泵的一端與所述水槽連接，所述第二水泵的另一端與第二腔體的入液口連接。

優選地，在本發明實施例提供的上述用于電解加工平面曲折群溝槽的裝置中，所述第二腔體的材料為導電材料。

本發明實施例還提供了一種平面曲折群溝槽的電解加工方法，包括：

在第一水泵和/或第二水泵的作用下將電解液從水槽中抽出；

所述電解液流入夾具的入液口和/或第二腔體的入液口后，流入掩模板上的蛇形流道；

所述電解液從所述夾具的出液口流回所述水槽。

優選地，在本發明實施例提供的上述電解加工方法中，所述掩模板的蛇形流道圖形通過3D打印工藝或微銑削工藝形成。

本發明所提供的一種用于電解加工平面曲折群溝槽的裝置及電解加工方法，包括：第一腔體，嵌在第一腔體里的襯底，安裝在襯底上的工件，設置在工件上表面的具有蛇形流道的掩模板，以及設置在掩模板上表面的第二腔體；其中，第二腔體的底面作為陰極塊；陰極塊的本體貫穿有輔助供液孔。由于本發明的掩模板采用表面層層壓緊的方式固定，形成微小的走液流道進行電解加工，同時在陰極塊的本體增設有輔助供液孔，用于改善蛇形流道的拐彎處流場不均勻的問題，并且該輔助供液孔提供新鮮電解液，使整個加工區電解液的電導率保持在相對穩定的水平，從而在金屬工件表面高效加工出尺寸一致性好、表面質量較高的平面曲折微溝槽，并且掩模板可多次重復使用，降低了成本。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發明實施例提供的用于電解加工平面曲折群溝槽的裝置的結構示意圖；

圖2為本發明實施例提供的具有輔助供液孔的陰極塊底面孔布置示意圖；

圖3為本發明實施例提供的平面曲折群溝槽加工區的結構示意圖；

圖4為本發明實施例提供的陰極塊內部增設有輔助供液孔的平面曲折群溝槽電解加工方法電場圖；

圖5a和圖5b分別為現有技術中陰極塊內部未增設輔助供液孔時流場速度云圖；

圖6a和圖6b分別為本發明實施例提供的陰極塊內部增設輔助供液孔時流場速度云圖；

圖7為本發明實施例提供的平面曲折群溝槽的電解加工方法流程圖。

具體實施方式

為了使本技術領域的人員更好地理解本發明中的技術方案，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都應當屬于本發明保護的范圍。

其中，附圖中各結構的大小和形狀不反映用于電解加工平面曲折群溝槽的裝置的真實比例，目的只是示意說明本發明內容。

本發明提供一種用于電解加工平面曲折群溝槽的裝置，如圖1至圖3所示，包括：第一腔體1，嵌在第一腔體1里的襯底2，安裝在襯底2上的工件3，設置在工件3上表面的具有蛇形流道的掩模板4，以及設置在掩模板4上表面的第二腔體5；其中，

第二腔體5的底面作為陰極塊6；

陰極塊6的本體貫穿有輔助供液孔7。

需要說明的是，第一腔體為主供液腔，第二腔體為輔助供液腔，兩個腔體供液相互獨立，壓力均可調。第二腔體位于掩模板上表面上，依靠掩模板的蛇形流道和輔助供液孔，與第一腔體相連。

在本發明實施例提供的上述用于電解加工平面曲折群溝槽的裝置中，第二腔體的底面作為陰極塊；陰極塊的本體貫穿有輔助供液孔。由于本發明的掩模板采用表面層層壓緊的方式固定，形成微小的走液流道進行電解加工，同時在陰極塊的本體增設有輔助供液孔，用于改善蛇形流道的拐彎處流場不均勻的問題，并在同時補充新鮮電解液，以使整個加工區電解液的電導率等電化學特性保持在相對穩定的水平，從而在金屬工件表面高效加工出尺寸一致性好、表面質量較高的平面曲折微溝槽，并且掩模板可多次重復使用，降低了成本。

在具體實施時，在本發明實施例提供的上述用于電解加工平面曲折群溝槽的裝置中，如圖2所示，輔助供液孔7在襯底上的正投影位于蛇形流道在襯底上的正投影所在區域內，這樣可以針對蛇形流道的相對應位置處進行輔助供液。

進一步地，在具體實施時，在本發明實施例提供的上述用于電解加工平面曲折群溝槽的裝置中，如圖2所示，輔助供液孔7的位置與蛇形流道的拐彎處的位置相互對應，也可以理解為輔助供液孔均勻布置在蛇形流道的拐彎處相應的位置上，這樣輔助供液孔位置在流場不均勻處，當第二腔體通液時，對加工區進行輔助供液，可以改善溝槽各段流場均勻性，同時也為后半段流程提供新鮮電解液，使整個加工區電解液電導率保持在一個相對穩定的水平，保證前后段加工尺寸的均勻性。

在具體實施時，在本發明實施例提供的上述用于電解加工平面曲折群溝槽的裝置中，輔助供液孔的孔徑比蛇形流道的流場寬度小。

在具體實施時，在本發明實施例提供的上述用于電解加工平面曲折群溝槽的裝置中，如圖1和圖3所示，工件3的上表面與掩模板4的下表面緊密貼合；陰極塊6的下表面與掩模板4的上表面緊密貼合，這樣掩模板與工件、陰極塊緊貼，加工間隙為掩模板厚度，使電解液只從蛇形流道流過，將連通左右兩側的流場約束在掩模板狹小的蛇形流道中，形成狹小蛇形流場域，將電場和流場同時約束在狹小流場域，電解液高速流過，帶走不溶性電解產物、氣泡和加工中產生的熱量，使加工定域性更好、電解液流速提升、排屑能力更好。需要說明的是，這里的緊密貼合的方式可以具體為將第二腔體直接蓋在掩模板上，在陰極塊上施加壓力，使掩模板靠機械力貼合，改變以往靠膠貼或者直接在工件/陰極塊上光刻制備掩膜的方法，并且掩模板可以根據加工不用溝槽尺寸要求而做更換。如圖4所示，電場得到約束，即電場線集中垂直于工件3表面，最大限定地可以防止電場發散導致側向腐蝕，提高復制精度，使電解加工精度大大提高。

在具體實施時，在本發明實施例提供的上述用于電解加工平面曲折群溝槽的裝置中，在供電方面，如圖1所示，還可以包括：直流電源8；直流電源8的正極與工件3電性連接；負極與陰極塊6的外壁電性連接。

在具體實施時，在本發明實施例提供的上述用于電解加工平面曲折群溝槽的裝置中，如圖1所示，還可以包括：第一水泵9，第二水泵10，水槽11和夾具12；第一水泵9的一端與水槽11連接，第一水泵9的另一端與夾具12的入液口連接；夾具12的入液口與掩模板4連接，夾具12的出液口與水槽11連接；第二水泵10的一端與水槽11連接，第二水泵10的另一端與第二腔體5的入液口連接。

需要說明的是，兩個水泵為不同腔體供液，即第一腔體和第二腔體用不同的泵充液，可以根據實際加工情況調節第二腔體的壓力，以獲得更好的表面加工質量。具體地，在電解液循環方面，在第一腔體1中，在第一水泵9的作用下將電解液從水槽11中抽出，流入夾具12左端的入液口，進而流入掩模板4的蛇形流道，最后從夾具12右端的出液口流回水槽11；在第二腔體5中，在第二水泵10的作用下將電解液從水槽11中抽出，流入夾具中間的入液口，進而通過第二腔體5下端的微小輔助供液孔流入掩模板4的蛇形流道，最后從夾具12右端的出液口流回水槽11。

在具體實施時，在本發明實施例提供的上述用于電解加工平面曲折群溝槽的裝置中，第二腔體的材料為導電材料，這樣第二腔體可以將電流傳遞到其下端，流場和電場同時接通，隨著加工的進行，最終加工出曲折微溝槽。

本發明還利用仿真軟件對未增設有輔助供液孔和增設有輔助供液孔的裝置進行了測試，結果如下：

如圖5a和5b所示，在電極塊上不加輔助供液孔時，利用仿真軟件進行流場仿真，選用的物理場為湍流穩態場，仿真條件為：入口壓力0.4MPa(左邊入液口邊界)，出口壓力為0Pa(右邊出液口邊界)，加工區流場寬度1.5mm，流場高度1mm。可以清晰發現流道中流場在拐彎處流速不均勻，呈現內側流速高，外側流速底的情形，主要是因為液體是沿流程最小的方向運動。這種流場的不均勻在電解加工中會使內外兩側加工量不同，體現為內側電解產物排出順利，電解量大，外側容易形成電解產物堆積，電解量小，影響槽底面加工精度。

如圖6a和6b所示，在電極塊上增設輔助供液孔時，利用仿真軟件進行流場仿真，選用的物理場為湍流穩態場，仿真條件為：入口1壓力0.4MPa(左邊入液口邊界)，入口2壓力0.2MPa(中間輔助入液口邊界)，出口壓力為0Pa(右邊出液口邊界)，流場寬度1.5mm，流場高度1mm，輔助供液孔孔徑為1mm。根據仿真結果(改進前的流場在拐角處內外側一直處于不均勻狀態，改進后的流場在第一個拐角和第二個拐角后半段能有效均勻流場)，認為增設輔助供液孔后流場的改善體現為：1、通常電解液在流道內流動過程中會造成沿程壓力損失，輔助供液孔供液可以補償壓力損失；2、通常電解液流動過程中在拐彎處形成流場的不均勻，輔助供液孔的合理布置能降低不均勻程度；3、未加輔助供液孔供液時，入口處為新鮮電解液使加工表面質量較好，但在出口處電解產物聚集使加工表面較差；而增設輔助供液孔后，新鮮電解液補充在加工區后段使流速提升，有利于電解液更新和電解產物的排除，進而得到較好的加工表面。

基于同一發明構思，本發明實施例還提供了一種平面曲折群溝槽的電解加工方法，如圖7所示，具體包括以下步驟：

S701、在第一水泵和/或第二水泵的作用下將電解液從水槽中抽出；

S702、電解液流入夾具的入液口和/或第二腔體的入液口后，流入掩模板上的蛇形流道；

S703、電解液從夾具的出液口流回水槽。

在本發明實施例提供的上述平面曲折群溝槽的電解加工方法中，具體地，在電解液循環方面，在第一腔體中，在第一水泵的作用下將電解液從水槽中抽出，流入夾具左端的入液口，進而流入蛇形流道加工區，最后從夾具右端的出液口流回水槽；在第二腔體中，在第二水泵的作用下將電解液從水槽中抽出，流入第二腔體的入液口，進而通過第二腔體下端的微小輔助供液孔流入蛇形流道，最后從夾具右端的出液口流回水槽。這樣輔助供液孔在流場不均勻處(即蛇形流道的拐角處)進行輔助供液，可以使曲折微溝道在電解加工時的各段電解液流場基本均勻，改善溝槽各段流場均勻性，另外電解液流速大大提升，有利于排出電解產物，使加工順利進行，在流程中段可以提供新鮮電解液，以維持電導率穩定，使加工精度提升。

在具體實施時，在本發明實施例提供的上述平面曲折群溝槽的電解加工方法中，掩模板的加工區主流道和輔助供液流道的圖形可以通過3D打印工藝或微銑削工藝形成，這樣具有工藝周期短、可反復使用、可制備復雜流道、設計靈活性大等特點。

本發明實施例提供的一種用于電解加工平面曲折群溝槽的裝置及電解加工方法，包括：第一腔體，嵌在第一腔體里的襯底，安裝在襯底上的工件，設置在工件上表面的具有蛇形流道的掩模板，以及設置在掩模板上表面的第二腔體；其中，第二腔體的底面作為陰極塊；陰極塊的本體貫穿有輔助供液孔。由于本發明的掩模板采用表面層層壓緊的方式固定，形成微小的走液流道進行電解加工，同時在陰極塊的本體增設有輔助供液孔，用于改善蛇形流道的拐彎處流場不均勻的問題，并且該輔助供液孔提供新鮮電解液，使整個加工區電解液的電導率保持在相對穩定的水平，從而在金屬工件表面高效加工出尺寸一致性好、表面質量較高的平面曲折微溝槽，并且掩模板可多次重復使用，降低了成本。

為了使本技術領域的人員更好地理解本發明方案，下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步的詳細說明。

以上對本發明所提供的用于電解加工平面曲折群溝槽的裝置及電解加工方法進行了詳細介紹。本文中應用了具體個例對本發明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發明的方法及其核心思想。應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以對本發明進行若干改進和修飾，這些改進和修飾也落入本發明權利要求的保護范圍內。