[发明专利]阵列微坑电解加工方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种阵列微坑电解加工方法及系统，属电解加工技术领域。

背景技术

机械零件的表面磨损是机械零件失效的主要形式之一，不仅浪费大量能源与资源，而且导致部件频繁更换与维修，加快了设备的报废，间接和直接地造成了大量的经济损失，极大地影响了国民经济的发展。据测算，纺织机械干摩擦所消耗的功率是其总功率的85％；汽车的功率消耗中，摩擦损失占48％，远高于用于保持巡航的17％和用于加速的35％。据统计，2003年我国国民经济生产总值为11694亿元，摩擦磨损有关方面的花费按占国民经济年生产总值的5％，其损失为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。减少摩擦磨损，降低设备维修次数和费用，从而提高资源的利用率，对于我们这个人均资源十分贫乏的国家具有战略意义。其收益包括以下几个方面：(1)减少能源消耗；(2)提高机器的功率输出；(3)减少润滑油的消耗；(4)减少有害气体的排放；(5)提高机器及其零部件的使用寿命和可靠性；(5)减少对维护的需求，节省经济成本。

改善机械系统的摩擦性能对提高机器的承载能力和使用寿命有着重要作用。工程实践表明，通过改变润滑油的化学成分以及降低润滑油粘度可以减少润滑油中硫、磷含量，降低环境污染；另一种合理的方法是对摩擦副工作表面进行精加工，如表面抛光、研磨等，从而达到减小摩擦副之间的摩擦损耗的目的，但受材料性质和加工精度的影响，粗糙度的提高已经达到了极限水平。表面工程技术的进步为更好地控制材料的摩擦学行为提供了多种有效的解决方法，其中表面织构技术作为精确表面工程在提高摩擦副承载能力以及抗磨减摩性能方面有着明显的改善效果。大量的理论研究和工程实践发现，合理的表面织构能够产生流体动压，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效果。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)的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。

近年来，国内外研究人员在摩擦副表面微坑阵列的制造领域倾注了极大地热情。目前的表面微坑制造技术主要有自激振动加工方法、低频振动冲击加工方法、数控激光珩磨方法、电火花放电加工方法、超声加工方法、松孔镀铬方法、微研磨方法和电解加工方法。

电解加工是一种基于阳极电化学溶解原理去除金属材料的制造技术，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。用电解方法加工摩擦副表面微坑阵列效率高，而且表面质量好。根据国内外研究现状，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)活动模板电解加工。活动模板是由绝缘层和金属层构成，并带有贯穿的群孔结构。加工过程中，金属层作为工具阴极提供电场。该方法加工效率高，成本低廉，但是由于阴极侧壁提供电场，所以杂散腐蚀比较大。2)双极性电极电解加工。双极性电极是在活动模板的绝缘层一侧增加辅助阳极层，从而可以有效地减小杂散腐蚀，提高加工精度。但是辅助阳极层增加了模板的厚度，不利于电解产物的及时排出，而且，在多次加工后，辅助阳极层容易剥落，导致双极性电极的重复利用率降低。3)群电极电解加工。群电极电解加工是使用一排电极分几次加工阵列图形或使用阵列群电极进行一次加工。该方法电极制作过程复杂，电极尺寸以及加工后阵列微坑尺寸的一致性很难保证。4)电液束加工。电液束加工属于单点或单排加工，加工效率比较低。5)绝缘板掩模电解。绝缘板掩模电解是将带图案的绝缘板通过夹紧装置与阳极贴紧后进行电解加工的一门特种加工工艺，加工效率高，可以一次同时在金属基体表面加工数千到数万个直径几十微米到几百微米，深度为几微米到几十微米的微小凹坑，加工所需时间仅为几秒钟到几分钟。该方法工艺过程简单，成本低廉，加工效率高。在以上多种电解微坑的方法中，绝缘板掩模电解加工中绝缘模板制作流程最简易，可一次制作，多次使用，降低了加工成本，而且极大地提高了加工效率。