一種基於PDMS模板的溝槽陣列電解加工系統及方法與流程

2023-04-24 17:35:36 2

技術領域：

本發明涉及一種基於pdms模板的溝槽陣列電解加工系統及方法，屬於微細電解加工領域。

背景技術：
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機械裝置在運行中存在多種摩擦副，這些摩擦副的摩擦學行為影響機械系統的工作性能，嚴重時會導致零件失效。研究表明，表面織構技術是改善摩擦副表面摩擦學特性的有效手段，同時可以增加密封件的密封性能。表面織構是指在摩擦副表面通過一定的加工技術加工出具有一定尺寸和分布的凹坑、溝槽或凸包等圖案的點陣。合理的溝槽陣列結構能夠減小摩擦力。同時，摩擦副在相對運動中會產生一些磨屑，外界也會有一些微小顆粒進入摩擦副中，這些磨粒會加劇摩擦副表面的磨損，表面溝槽陣列結構在摩擦運動中可以容納微粒，降低摩擦副表面的磨損，提高摩擦副的使用壽命。溝槽陣列結構在熱能交換方面也有這重要的作用。在散熱表面上加工出溝槽陣列結構可以增加熱量交換面積，提高熱量交換效率。在噴霧冷卻中，具有溝槽陣列結構的表面，其冷卻效果比光滑表面更好。

隨著溝槽陣列技術的廣泛應用，溝槽陣列的加工技術引起了研究人員的興趣，溝槽陣列的加工技術逐漸成為一個研究的重點。光刻電解加工技術是溝槽陣列的一種有效加工方法。傳統的光刻電解加工技術採用光刻膠作為掩模，光刻膠經過旋塗、前烘、曝光、後烘、顯影等步驟形成帶有群縫圖案的模板，貼在陽極工件表面。電解加工時，通入電解液，工件表面對應的模板鏤空區域裸露在電解液中，在電場力的作用下發生電解反應被溶解去除，最終形成溝槽陣列結構。這種加工方法的光刻工藝複雜，電解加工後需要去除光刻膠，生產成本高，製作時間長。因此為提高陣列的加工效率、降低加工成本，有必要採用一種新的電解加工工藝製作溝槽陣列結構。

研究人員採用一種聚二甲基矽氧烷(pdmd)群孔模板成功製作出微坑陣列結構。pdms是一種有彈性的有機高分子聚合物，具有良好化學穩定性和絕緣性，其注模複製精度高。在微坑陣列的電解加工中，pdms模板貼合在陽極工件上，電解加工結束後可以直接從工件表面揭下。由於pdms模板可以重複使用，微坑陣列的這種加工方法具有成產成本低、效率高的優勢。但是由於pdms模板具有柔性，容易變形，直接採用pdms模板貼在陽極工件表面進行溝槽加工時，各個條狀pdms的間距難以控制，加工出的溝槽寬度不均勻。而且pdms模板與陽極工件的粘結力弱，採用條狀pdms模板進行加工時，pdms模板容易從陽極工件表面脫離，造成雜散腐蝕，影響溝槽的加工質量。

由於pdms模板在表面織構電解加工中可以重複使用，將pdms模板應用到溝槽陣列的電解加工中，可以顯著地提高溝槽陣列的加工效率，降低加工成本。針對pdms模板容易變形、與陽極工件表面結合力弱、影響溝槽加工質量等情況，需要固定條狀pdms模板的間距，保證pdms模板與工件的有效貼合。為提高溝槽陣列的加工精度，有必要改進這項技術，探討一種新的基於pdms模板的溝槽陣列電解加工系統及方法。

技術實現要素：
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本發明是為了解決上述現有技術存在的問題而提供一種基於pdms模板的溝槽陣列電解加工系統及方法，解決了電解加工中條狀pdms模板的間距不一致，pdms模板與工件貼合不牢，雜散腐蝕嚴重等問題，顯著地提高了加工精度。。

本發明採用如下技術方案：一種基於pdms模板的溝槽陣列電解加工系統，包括夾具、陽極工件、陰極工具、電源、電解液以及pdms模板，所述夾具內部為工作腔，陽極工件、pdms模板以及陰極工具均位於工作腔內，所述陽極工件和陰極工具分別連接電源的正負極，所述夾具具有進液口和出液口，進液口和出液口分別位於夾具兩側，所述陽極工件位於工作腔底部，陽極工件位於pdms模板下方，pdms模板由長方體狀的pdms構成，各個pdms模板彼此間隔開，所述陰極工具具有溝槽陣列結構，溝槽的一端貫通、另一端為非貫通結構，溝槽用於安裝pdms模板時的定位，陰極工具上的溝槽的寬度與每個pdms模板的寬度相等，陰極工具上的溝槽的長度與每個pdms模板的長度相等，陰極工具上的溝槽的深度比每個pdms模板的厚度小300μm。

進一步地，所述陰極工具上溝槽的非貫通結構的寬度為300μm。

本發明還採用如下技術方案：一種基於pdms模板的溝槽陣列電解加工方法，其特徵在於：包括如下步驟：

a、製作夾具，夾具的進液口和出液口分別位於夾具兩側，保證電解液流動方向與待加工溝槽方向一致；

b、製作陰極工具，陰極工具具有均勻溝槽陣列結構，溝槽的一端貫通、另一端為非貫通結構；

c、製作pdms模板，採用抽真空輔助的方式使pdms膠體填充模具，加熱固化後得到pdms模板，陰極工具上的溝槽的寬度與每個pdms模板的寬度相等，陰極工具上的溝槽的長度與每個pdms模板的長度相等，陰極工具上的溝槽的深度比每個pdms模板的厚度小300μm；

d、分別將各個pdms模板塞進陰極工具上的溝槽中；

e、將帶有pdms模板的陰極工具和陽極工件通過夾具裝夾在一起，pdms模板與陽極工件表面貼合；

f、陽極工件和陰極工具分別連接電源的正負極；

g、電解液通過採用側向衝液的方式從陰極工具和陽極工件之間的間隙流過；

h、接通電源，進行電解加工。

進一步地，所述電解液壓強大於0.1mpa。

本發明具有如下有益效果：採用上述基於pdms模板的溝槽陣列電解加工系統進行溝槽的電解加工，將pdms模板嵌入陰極工具的溝槽結構中，通過陰極工具固定pdms模板的位置，有利於保證各個pdms模板的間距，克服了pdms模板容易變形的缺陷，使得所加工處的溝槽具有均勻的寬度。同時，將pdms模板與陰極工具組裝在一起，pdms模板隨陰極工具一起移動，電解加工時貼在陽極工件表面，電解加工完成後可以直接將陰極工具與陽極工件分離，提高了溝槽的電解加工效率。在電解加工時對陰極工具施加壓力，可以使pdms模板緊密貼在陽極工件表面，有利於抑制電場的相互幹擾和雜散腐蝕，提高溝槽的加工精度。電解加工過程中，陰極工具、pdms模板與陽極工件之間形成高約為300μm的方形通道，電解液採用側向充液的方式從通道內流過，通道內發生電解反應，在陽極工件表面形成溝槽結構，所產生的電解產物被電解液帶走。採用壓強大於0.1mpa的電解液有利於去除電解產物，提高溝槽的加工精度。。

附圖說明：

圖1為溝槽陣列的電解加工裝置示意圖。

圖2為圖1沿線a-a的剖視圖。

圖3為圖1沿線b-b的剖視圖。

圖4為陰極工具示意圖。

圖5為pdms模板製備示意圖。

圖6為陰極工具和pdms模板組裝示意圖。

其中：

1、夾具，2、陽極工件，3、陰極工具，4、電源，5、電解液，6、pdms模板，7膠帶，8、pdms膠體，9、微群縫模具，10、制模容器，11、真空箱，12、真空泵，13、真空計。

具體實施方式：

下面結合附圖對本發明作進一步的說明。

本發明基於pdms模板的溝槽陣列電解加工系統，包括夾具1、陽極工件2、陰極工具3、電源4、電解液5以及pdms模板6，夾具1內部為工作腔，陽極工件2、pdms模板6以及陰極工具3均位於工作腔內，陽極工件2和陰極工具3分別連接電源4的正負極，夾具1具有進液口和出液口，進液口和出液口分別位於夾具1兩側，且保證電解液流向與待加工溝槽方向一致，陽極工件2位於工作腔底部，陽極工件2位於pdms模板6下方，pdms模板6由長方體狀的pdms構成，各個pdms模板彼此間隔開。陰極工具3具有溝槽陣列結構，溝槽的一端貫通、另一端留有寬為300μm的非貫通結構，用於安裝pdms模板6時的定位，陰極工具3上的溝槽的寬度與每個長方體狀pdms模板6的寬度相等，陰極工具3上的溝槽的長度與每個長方體狀pdms模板6的長度相等，陰極工具3上的溝槽的深度比每個pdms模板6的厚度小300μm。

本發明基於pdms模板的溝槽陣列電解加工方法，包括如下步驟：

a、製作夾具1，夾具1的進液口和出液口分別位於夾具兩側，保證電解液5流動方向與待加工溝槽方向一致；

b、製作陰極工具3，陰極工具3具有均勻溝槽陣列結構，溝槽的一端貫通、另一端留有寬為300μm的非貫通結構，溝槽寬度為0.15mm，深度為0.3mm，長度為20mm，相鄰的溝槽中心間距為0.1mm，如圖4；

c、製作pdms模板6，在微群縫模具9上方貼上膠帶7放入制模容器10中，再將pdms材料和固化劑按1:1混合配製形成pdms膠體8後倒入制模容器10中，然後將制模容器10放入真空箱11內，採用抽真空輔助的方式使pdms膠體填充模具，再用乾燥箱加熱到70℃固化30min，脫模後得到pdms模板，模板寬度為0.15mm，厚度為0.6mm，長度為20mm，如圖5；

d、分別將各個pdms模板6塞進陰極工具3上的溝槽中，如圖6；

e、將帶有pdms模板6的陰極工具3和陽極工件2通過夾具1裝夾在一起，pdms模板6與陽極工件2表面貼合；

f、陽極工件2和陰極工具3分別連接電源4的正負極；

g、電解液5通過採用側向衝液的方式從陰極工具3和陽極工件2之間的間隙流過，電解液壓強為0.2mpa；

h、接通電源5，進行電解加工。

pdms模板6嵌入陰極工具3的溝槽裡，pdms模板6與陰極工具3一起移動，電解加工時對上述陰極工具3施加壓力，使pdms模板6與陽極工件2緊密接觸。採用側向衝液的電解加工方法，電解液5從上述陰極工具3、pdms模板6和陽極工件2構成的矩形通道中流過並帶走電解產物，電解液5的壓強大於0.1mpa。上述陰極工具3、pdms模板6和陽極工件2構成的矩形通道中發生電解反應，陽極工件2表面上所加工的溝槽寬度與陰極工具3上相鄰的pdms模板6的間距有關。電解加工後，陰極工具3帶動pdms模板6離開陽極工件2表面，pdms模板6可以重複使用。

採用具有溝槽結構的陰極工具3固定各個pdms模板6的位置，克服了pdms模板的易變形的缺陷，保證所加工溝槽的寬度均勻，同時採用陰極工具3輔助施加壓力，pdms模板6與陽極工件2緊密接觸，有利於提高溝槽陣列的電解加工精度。

以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於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作出若干改進，這些改進也應視為本發明的保護範圍。