采用双极性电极的微细群坑电解加工方法及其双极性电极

摘要

本发明采用双极性电极的微细群坑电解加工方法及其双极性电极，属电解加工技术领域。该方法，其特征在于包括下列步骤：(a)制作带有贯穿群孔结构，且依次由辅助阳极(7)、绝缘层(6)和工具阴极(5)组成的双极性电极(1)；(b)将双极性电极上的辅助阳极(7)与工件阳极(2)紧密贴合；(c)工件阳极(2)、工具阴极(5)分别与电源(3)正负极连接；(d)向工具阴极(5)表面喷射电解液(4)，使电解液通过双极性电极(1)上的贯穿群孔到达工件阳极表面(2)；(e)接通电源(3)进行电解加工。利用本发明可以显著提高电解加工的定域性和微细尺度加工能力。

说明书

技术领域

本发明采用双极性电极的微细群坑电解加工方法及其双极性电极，属电解加工技术领域。

背景技术

据测算，世界产生的能源约有30％～50％消耗在摩擦损失上，例如纺织机械干摩擦所消耗的功率是其总功率的85％；内燃机在有润滑油的情况下，摩擦损失功率有时也达到总功率的30％；近代汽车发动机的摩擦损失占其功率的20％。根据美国、英国、德国等国家的统计，与摩擦、磨损有关方面的花费大约占国民经济年生产总值的2％～7％。2003年我国国民经济生产总值为11694亿元，如果摩擦、磨损有关方面的花费按占国民经济年生产总值的5％计算，就损失584.7亿元。由此可见，摩擦磨损造成的经济损失是十分巨大的。减少无用的摩擦消耗，控制和减少磨损，则减少设备维修次数和费用，可以提高资源的利用率，对于我们这个人均资源十分贫乏的国家具有战略意义。降低摩擦，减少磨损是工程界长期致力于解决的重大技术难题之一。

降低发动机的机械损失，特别是降低活塞/缸体、活塞环/缸体之间的摩擦是研究者们始终追求的目标。早在上世纪中期，人们已经认识到气缸的表面加工纹理对活塞/气缸摩擦学特性的显著作用，研究人员对金刚石、陶瓷、以及橡胶等不同表面加工工具对表面加工纹理的影响进行了细致的研究，发现一定加工纹理的存在，能够起到保存润滑油，防止活塞/缸体产生咬死和擦伤效果。目前，尺寸为数微米至数百微米的微小凹坑和微小沟槽状的表面织构已成功地应用于计算机硬盘、滑动轴承、以及机械动密封的摩擦表面，取得了显著的减小摩擦、提高承载力、以及避免表面粘附和咬死的效果。在其工作机理的研究方面，人们通过实验发现，合理的表面织构具有产生流体动压效果，能够储存润滑液为表面提供润滑、容纳磨屑、以及减少表面吸附力等多种机理。日本本田汽车株式会社的研究者利用粒径40um陶瓷球高速喷射(v＞100m/s)方法在活塞表面加工出平均深度为0.6um-1.8um的微小凹坑(micro-dimple)。运行120小时以后，发动机整体的机械损失降低了2％-2.6％。近两年，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。

有效的微小凹坑制造技术是该项技术工程化的重要保障。近年来，研究人员在摩擦副表面微小凹坑阵列制造加工领域倾注了极大的研究热情，提出了多种制造方法，试图解决这个制造难题。提出的方法主要有自激振动加工方法、低频振动加工方法、数控激光珩磨方法、电火花加工方法、超声加工方法、松孔镀铬方法、腐蚀方法和电解方法等

电解加工是一种利用电化学阳极溶解原理去除材料的特种加工方法。与其他加工方法比较，具有加工范围广，生产效率高，表面质量好，工具无损耗等突出优点。用电解方法加工群坑效率高，表面质量好，成本低。

目前国内外使用电解加工微细群坑、群孔等相似结构的方法主要有以下几种：1)照相电解。该方法首先经光刻工艺在工件表面形成镂空图案，然后通过电化学方法在工件表面形成所需图案。该方法加工过程繁琐，生产效率比较低，制造成本高。2)群电极电解加工。使用一排电极分几次加工完成或使用群电极一次加工完成。该方法制造群坑深度的一致性很难保证。3)固定阴极加工。这是本课题组提出的一种微细群坑加工方法。将一个带有贯穿群孔结构、表面附有绝缘层的工具阴极直接与工件紧密贴合(中间的绝缘层同时起屏蔽和绝缘的作用)，阴阳极接通电源后进行电解加工，在工件表面得到群坑结构。该方法加工效率高，成本低廉。以上三种群坑电解加工方法都存在杂散腐蚀现象比较严重的问题，使得微坑在纵向去除的同时，侧向也有很大量的去除。这对于尺度非常微小的微坑加工是非常不利的，甚至导致尺度非常微小的微坑采用以上方法无法加工实现。

在电解加工中，只要阴阳极间充满电解液，就会发生阳极溶解现象，这意味着有些已加工部位或不需要加工部位也可能会出现材料去除，这种现象通常称为杂散腐蚀。目前，要彻底消除杂散腐蚀是不可能的。减小杂散腐蚀一直是电解加工研究的一项重要课题，已经从多个方面进行了探索和尝试。减小杂散腐蚀的方法主要有：1)改进电解液。采用低浓度电解液，可以减少杂散腐蚀，但是加工效率低；2)采用混气电解加工方法，在电解液进入加工区前混入大量压缩空气，使电解液成为气液混合两相流(气泡流)，在侧面间隙区域电解液在流动方向上的压力迅速减低，气泡体积因此会急剧增大，从而局部电解液电导率会显著降低，侧面间隙区域溶解速度降低，从而抑制了杂散腐蚀。但是混气法由于装置复杂，加工效率低，使用不多；3)小间隙电解加工方法，突出部位的去除速度将大大高于低凹处，提高整平效果。采用小间隙加工，对提高加工精度、提高生产率都是有利的。但是间隙愈小，对液流的阻力愈大，间隙内电解液温升快、温度高，间隙过小容易引起短路。以上方法对于微坑加工均不大合适，因此，有必要探索新的加工效率高、成本低廉、杂散腐蚀小的微细群坑电解加工方法。

发明内容

本发明的目的是针对目前电解加工微坑定域性差的缺点，提出了一种采用双极性电极的微细群坑电解加工方法及其双极性电极。利用本发明方法可以显著提高电解加工的定域性和微细尺度加工能力。

一种采用双极性电极的微细群坑电解加工方法，其特征在于包括下列步骤：

(a)、制作带有贯穿群孔结构，且依次由辅助阳极、绝缘层和工具阴极组成的双极性电极；

(b)、将双极性电极上的辅助阳极与工件阳极紧密贴合；

(c)、工件阳极、工具阴极分别与电源正负极连接

(d)、向工具阴极表面喷射电解液，使电解液通过双极性电极上的贯穿群孔到达工件阳极表面；

(e)、接通电源进行电解加工。

上述加工方法的双极性电极，其特征是：该双极性电极由三层结构组成，依次为辅助阳极、绝缘层和工具阴极，且该双极性电极上具有贯穿以上三层结构的贯穿群孔。

可见该发明的特点是使用具有辅助阳极、绝缘层和工具阴极的双极性电极，双极性电极上的微孔贯穿辅助阳极，绝缘层和工具阴极。利用电场有限元技术的计算分析，在电解加工间隙电场中，电位等位面密的区域，电力线也密，即电场强度高，材料去除的速度快、数量多。在固定阴极加工方式中，在加工区域周围电力线分布很密，工件在深度方向去除的同时，横向方向也有去除(见图3(a))。而在本发明方法中，由于辅助阳极和工件阳极在加工过程中始终保持紧密贴合，辅助阳极和工件阳极电位相同。与未使用双极性电极进行加工时的加工区域电场等位面分布(见图4(a))相比，使用双极性电极进行加工时的加工区域电场等位面(见图4(b))在加工区域周围分布稀疏，电场强度得到明显减弱，由于电流密度和电场强度的关系为

ι＝κ·E

其中ι——电流密度；

    κ——媒质的电导率；

    E——电场强度

由此可见，加工区域周围的杂散电流密度得到了抑制，从而有效地减弱了加工区域周围的杂散腐蚀，提高了微坑加工的定域性和微细尺度加工能力。工件在深度方向去除的同时，横向方向仅有少量去除甚至没有去除(见图3(b))。

附图说明

图1是采用双极性电极的微细群坑电解加工方法示意图

图2是双极性电极示意图。图2(a)和图2(b)分别是主视图和剖视图。

图3是不采用双极性电极和采用双极性电极的电解加工微坑结果示意图比较。图3(a)是不采用双极性电极的电解加工微坑结果示意图；图3(b)是采用双极性电极的电解微坑加工结果示意图。

图4是不采用双极性电极和采用双极性电极的电解加工微坑时，加工区域电场等位面分布示意图比较。图4(a)是不采用双极性电极的电解加工微坑时，电场区域电场等位面分布示意图；图4(b)采用双极性电极的电解加工微坑时，电场区域电场等位面分布示意图。

图1中标号名称：1.双极性电极，2.工件阳极，3.电源，4.电解液。

图2中标号名称：5.工件阴极，6.绝缘层，7.辅助阳极。

具体实施方式

下面结合图1、图2具体说明实施本发明——“采用双极性电极的微细群坑电解加工方法”

(a)在由辅助阳极(辅助阳极材料一般采用惰性金属，例如铂金)、绝缘层、工件阴极组成的三层结构上钻出微小群孔，得到双极性电极1；

(b)通过夹持工具，将双极性电极1上辅助阳极7与工件阳极2加工表面紧密贴合；

(c)分别将工件阳极2、工具阴极5与电源3的正负极相连接；

(d)电解液4冲入双极性电极1中的微小孔，到达工件阳极2的加工表面

(e)接通电源，进行电解加工。