[发明专利]接触式电解加工阵列微小凹坑的方法

说明书

技术领域

本发明提出了一种接触式电解加工阵列微小凹坑的方法，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，而且导致零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，及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％。据资料统计，欧美国家每年在摩擦磨损方面的损失大约占整个国民生产总值的2％到7％，而我们国内在这方面的损失也在几百亿人民币。由此可见，摩擦磨损造成的损失是巨大的。因此，减少无用的摩擦损耗，控制和减小磨损，改善润滑性能可减少设备维修次数和费用，可以节约能源和提高资源的利用率。减小磨损，降低摩擦也是工程界长期致力于需要解决的重大技术挑战之一。

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明进行精加工，如表明抛光、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，储存润滑油，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40μm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0.6μm-1.8μm的微小凹坑。运行120小时后，发动机整体的机械损失降低了2％-2.6％。近年来，随着研究的不断深入，研究人员形成共识：摩擦副表面的微小凹坑阵列具有极佳的抗磨减摩性能。

有效的微小凹坑阵列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，提出了多种制造加工方法，试图解决这个制造难题。目前摩擦副表面织构制造加工方法主要有激光加工表面织构技术，磨料气射流技术，电火花加工技术，电解加工技术等。其中，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。用电解方法加工微小凹坑效率高，表面质量好，成本低。

目前国内外使用电解加工微小凹坑阵列的方法主要有：(1)、照相电解。此工艺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。此加工方法加工过程繁琐，生产效率比较低，制造成本高；(2)、群电极电解加工。该方法是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。该工艺制造群坑深度的一致性很难保证；(3)、固定阴极加工。该方法是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，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。但在加工阵列微小凹坑时，容易出现微小凹坑杂散腐蚀严重，导致加工定域性和均匀性差；(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。

发明内容

本发明的目的是针对目前电解加工阵列微坑尺度加工精度和定域性差的缺点，提出了接触式电解加工阵列微小凹坑的方法。利用本发明可以显著提高电解加工微小阵列微坑尺度定域性能力。

本发明采用的接触式电解加工阵列微小凹坑的方法，其特征在于下列步骤：

(a)、通过照相掩膜的方式在工件阳极表面制得需要电解的光刻胶膜图案；

(b)、工件阳极与工具阴极分别与电源的正负极连接；

(c)、将工件阳极浸入到电解液中；

(d)、工具阴极与工件阳极上的光刻胶膜接触；

(e)、接通电源进行电解加工。

本发明的有益特点在于：工具阴极与工件阳极上的光刻胶膜接触，利用有限元电场计算分析，在电解加工过程中，电位等位面密的区域，电力线越密，即电场强度高，材料去除的速度快。在本发明中采用工具阴极与工件阳极上的光刻胶接触电解加工微坑时，工件阳极表面加工区域边缘和中心电力线分布变得趋于一致，电场强度在整个工件加工表面趋于一致，由于电流密度和电场强度的关系为：

i＝κ·E

腐蚀速度与电流密度的关系为：

ν＝ηωi

其中：