專利名稱：套筒類零件內(nèi)曲面無掩膜微結(jié)構(gòu)的加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明中的套筒類零件內(nèi)曲面無掩膜微結(jié)構(gòu)的加工方法，屬于電化學(xué)加工領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
表面形貌對潤滑接觸副的摩擦性能影響已成為摩擦副工程設(shè)計和應(yīng)用中必須考 慮的問題，摩擦系數(shù)是評價潤滑接觸副摩擦性能的重要參數(shù)。摩擦副表面微細(xì)結(jié)構(gòu)的制造 引起了國內(nèi)外研究人員的普遍關(guān)注，對表面微結(jié)構(gòu)作用的認(rèn)識主要包括磨損顆粒吸收、蓄 油及流體動力學(xué)等方面。曲面摩擦副(如軸/軸承套，活塞環(huán)/缸體之間的摩擦副)作為摩擦副的一種，其表 面微結(jié)構(gòu)的加工比平面微結(jié)構(gòu)的加工要更加困難，在曲面上加工微細(xì)結(jié)構(gòu)比較有代表性的 研究方法有機(jī)床自激振動加工技術(shù)、激光珩磨技術(shù)、振動沖擊加工方法、超聲加工及陶瓷 球噴射技術(shù)等，但這幾種方法都存在表面質(zhì)量不高，加工工藝繁瑣，制造成本過高等問題。 另外，隨著表面微結(jié)構(gòu)向更小尺度、更高圖形密度延伸，激光加工等串行微結(jié)構(gòu)工藝將面臨 加工效率和加工成本的瓶頸，而且與曲面外表面微結(jié)構(gòu)的加工相比，內(nèi)表面微結(jié)構(gòu)的加工 更是限制了上述技術(shù)的應(yīng)用。比如，在孔徑0 50mm、寬度40mm的軸承內(nèi)表面加工直徑及間 距均為10mm的凹坑，則微特征數(shù)量將達(dá)到上千萬個，解決加工效率問題對串行本質(zhì)的工藝 將是一項頗具挑戰(zhàn)性的難題。微細(xì)電解加工作為加工方式的一種，其主要優(yōu)點(diǎn)包括加工工件表面不存在熱變 形、內(nèi)應(yīng)力和微裂紋等缺陷；可實現(xiàn)批量加工，成本低；與材料硬度無關(guān)等。微細(xì)電解加工 可以分為有掩膜和無掩膜兩種形式，這里的有掩模和無掩模都是針對被加工表面而言的。 無掩膜微細(xì)電解是研究各種能夠增強(qiáng)加工過程非線性效應(yīng)的技術(shù)(如非線性工作介質(zhì)、脈 沖電流、多場復(fù)合加工等)在微尺度下影響加工定域性及工藝穩(wěn)定性的機(jī)理，尋求在更小加 工尺度和加工復(fù)雜程度方面的新突破，但此方法一般都采用微細(xì)探針作為陰極，加工成本 高且效率低，嚴(yán)重限制了在工業(yè)上的應(yīng)用。本專利正是基于無掩膜微細(xì)電解加工的原理，提 出一種大面積、高效率、低成本、高質(zhì)量的套筒類零件(如軸承套)內(nèi)表面微結(jié)構(gòu)加工方案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有套筒類零件內(nèi)表面微細(xì)結(jié)構(gòu)加工技術(shù)的不足，提供一種高精 度、高效率、低成本、大面積的無掩膜微結(jié)構(gòu)加工方法。一種套筒類零件內(nèi)曲面無掩膜微結(jié)構(gòu)的電解加工方法，包括下列步驟
1)制作絕緣屏蔽膜采用兩種方式平面加工和曲面加工，平面加工絕緣屏蔽膜要求 制得的絕緣屏蔽膜必須是柔性絕緣薄膜，其柔性絕緣薄膜的表面微結(jié)構(gòu)通過刻蝕、激光加 工方法制得，將平面加工制得的柔性屏蔽膜固定于圓柱體外表面，將附著在圓柱體上的絕 緣屏蔽膜作為電解加工的圓柱體模具；曲面加工屏蔽膜通過浸漬涂膠及滾動光刻相結(jié)合的 方法在圓柱體外表面制作微結(jié)構(gòu)圖形，制得絕緣屏蔽膜，作為電解加工的圓柱體模具；2)用夾持裝置固定圓柱體模具與套筒類零件，同時控制它們之間的間隙與同軸度；
3)用恒流泵控制電解液流動，使電解液充滿圓柱體模具與套筒類零件之間的間隙，并 能夠均勻地流動于圓柱體模具與套筒類零件之間的間隙；
4)將圓柱體模具作為電解陰極，套筒類零件作為電解陽極，分別與高頻窄脈沖電源連 接，通電實施電解；
5)電解結(jié)束時，先斷電，然后停止電解液的流動，從套筒類零件中退出圓柱體模具，并 從夾持裝置上卸下套筒類零件，完成加工。在圓柱體表面形成的絕緣屏蔽膜微結(jié)構(gòu)的截面形狀為方形、圓形、菱形，尺寸大小 可從微米級到毫米級。圓柱體模具與套筒類零件間隙的大小控制在100微米以內(nèi)，同軸度誤差控制在5 微米以內(nèi)。在套筒外部上面設(shè)置四個周向均布的出液孔同時出液，下面設(shè)置四個周向均布 的進(jìn)液孔同時進(jìn)液，進(jìn)液孔與出液孔在周向相差45°。采用高頻窄脈沖電源以高頻窄脈沖周期性的間歇供電代替?zhèn)鹘y(tǒng)的連續(xù)直流供電 方式。作為陽極的套筒類零件其表面無掩模，作為陰極的圓柱體模具可多次使用。采用 平面柔性絕緣屏蔽膜或浸漬涂膠及滾動光刻相結(jié)合的方法，能在圓柱體外表面制作形成具 有微細(xì)結(jié)構(gòu)圖形的絕緣屏蔽膜，利用高頻窄脈沖微細(xì)電解加工的方式，最終能在無掩模的 內(nèi)曲面表面制造出微結(jié)構(gòu)，更重要的是附著有電解屏蔽膜的圓柱體可作為模具，能夠多次 重復(fù)利用，從而大大降低了加工成本?？梢姡景l(fā)明的特點(diǎn)是①本發(fā)明采用微細(xì)電解加工方法，作為陽極的加工件表
面無掩膜，有絕緣屏蔽膜的圓柱體可作為模具，持續(xù)多次使用，提高了加工效率，降低了加
工成本。②本發(fā)明采用浸漬涂膠及滾動光刻的方式，使圓柱體表面圖形化，或者采用平面
柔性絕緣屏蔽膜，并將其固定于圓柱體表面，這種方法解決了圓柱體模具外表面具有復(fù)雜 精細(xì)微結(jié)構(gòu)的電解屏蔽膜的制造難題，能形成大面積的曲面微結(jié)構(gòu)，特別是具有復(fù)雜圖形
及小尺寸的微結(jié)構(gòu)。③圓柱體模具與套筒類零件對電極之間間隙控制與同軸度要求高，以 形成均勻穩(wěn)定的電場，有利于提高加工精度與微結(jié)構(gòu)的一致性。 陰極圓柱體與陽極軸承
套對電極的固定采用端面定位與同軸控制相結(jié)合的方式。@電解液的流動采用恒流泵驅(qū)
動供液的方式，為了使間隙內(nèi)電解液流動均勻，在軸承套外部上面加工四個周向均布的工 藝孔同時出液，下面加工四個周向均布的工藝孔進(jìn)液，進(jìn)液孔與出液孔在周向相差45°。
本發(fā)明采用高頻窄脈沖電源電解加工，以高頻周期性的間歇供電代替?zhèn)鹘y(tǒng)的連續(xù)直流
供電，該方法極大改善了加工間隙的理、化特性，對去除材料的陽極過程可以提高其溶解過
4程的集中蝕除能力，從而提高了圖形的定域性。Θ微結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)在于截面形狀可為方形、
圓形、菱形等任意形狀，尺寸數(shù)十到數(shù)百微米，高度數(shù)百個納米到數(shù)十微米。 利用本發(fā)明
所加工的零件曲面內(nèi)表面微細(xì)結(jié)構(gòu)具有加工表面質(zhì)量好，生產(chǎn)效率高，工具不損耗，無殘余 應(yīng)力，加工后不變形，加工面積大，加工精度高的優(yōu)點(diǎn)，且操作簡單，效率高，加工成本低。


圖1是平面柔性絕緣屏蔽膜表面微結(jié)構(gòu)主視圖2是通過浸漬涂膠與滾動曝光相結(jié)合的方法制作電解絕緣屏蔽膜示意圖；圖3是顯影或固定柔性絕緣屏蔽膜后圓柱體模具表面附著電解絕緣屏蔽膜結(jié)構(gòu)示意
圖4是采用套筒與圓柱對電極實施電解的結(jié)構(gòu)剖視圖。圖1一4中標(biāo)號名稱1、掩模板，2、圓柱體模具(陰極)，3、電解屏蔽膜(即未曝光區(qū) 域)，4、曝光區(qū)域，5、圓柱體模具夾持裝置，6、出液孔一45度方向均布4個，7、電解陽極(套 筒類零件)，8、套筒類零件底部定位密封裝置，9、進(jìn)液孔一90度方向均布4個，10、套筒類零 件頂部密封裝置，11、進(jìn)給裝置。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。參照圖1所示，在圓柱體表面形成的絕緣屏蔽膜微結(jié)構(gòu)的截面形狀可為方形、圓 形、菱形等任意形狀，尺寸大小可從微米級到毫米級。參照圖2所示，通過采用浸漬涂膠與滾動光刻相結(jié)合的方法制作絕緣屏蔽膜，對 涂有光刻膠的圓柱體2通過紫外光曝光復(fù)制掩模板1上的微結(jié)構(gòu)圖形，即曝光區(qū)域4，顯影 后剩下未曝光區(qū)域3，從而使得絕緣屏蔽膜與圓柱體緊密貼合，作為圓柱體模具，有利于電 解加工。參照圖3所示，通過采用浸漬涂膠與滾動光刻相結(jié)合的方法制作絕緣屏蔽膜3，或 者將平面加工柔性絕緣屏蔽膜固定于圓柱體外曲面，作為圓柱體模具，加工精度高，且能加 工大面積的微機(jī)構(gòu)。參照圖4所示，電解加工時，通過密封裝置8和10進(jìn)行密封，通過進(jìn)給裝置11控 制圓柱體模具的位置，關(guān)鍵在于嚴(yán)格控制圓柱體模具2與套筒7的同軸度與間隙大小，以套 筒類零件7為電解陽極，圓柱體模具2為陰極分別與高頻窄脈沖電源連接實施電解，以實現(xiàn) 微結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定均勻加工。軸承套及活塞等圓柱體表面的微小凹槽能夠起到磨損顆粒吸收、蓄油等作用，從 而能夠減小摩擦磨損。一種軸承套內(nèi)曲面微結(jié)構(gòu)的制造方法，即在軸承套內(nèi)曲面上制造出 微結(jié)構(gòu)陣列，在電解加工過程中，僅采用一次電解成形即可在軸承套內(nèi)曲面表面得到所需 的微結(jié)構(gòu)。結(jié)合圖1-4，具體的加工實施過程依次經(jīng)過以下步驟
(1)、制作絕緣屏蔽膜。屏蔽膜的制作通過平面加工和曲面加工兩種方式。平面加工的 屏蔽膜是柔性絕緣薄膜，表面微結(jié)構(gòu)的制作通過激光加工的方法加工。得到圖1的結(jié)構(gòu)。曲面屏蔽膜通過浸入涂膠和滾動光刻的方法，在圓柱體模具(2)外表面制作微結(jié)構(gòu)圖形(3)；
(2)、將平面柔性屏蔽膜固定于圓柱體外表面作為圓柱體模具，若采用浸入涂膠和滾動 光刻的方法，則無此步驟；
(3)、采用電解加工結(jié)構(gòu)中的進(jìn)給裝置(11)使圓柱體模具與工作臺表面接觸，并利用夾 持裝置(5)固定圓柱體模具與軸承套(7)，控制它們之間的間隙，間隙的大小控制在100微 米以內(nèi)，同軸度誤差控制在5微米以內(nèi)；
(4)、用恒流泵控制電解液流動，使電解液充滿圓柱體模具與軸承套之間的間隙，并能 夠均勻地流動于圓柱體模具與軸承套之間的間隙；
(5)、將圓柱體模具作為電解陰極，軸承套作為陽極，分別與高頻窄脈沖電源連接，控制 時間通電實施電解；
(6)、電解結(jié)束時，先斷電，然后停止電解液的流動，從軸承套中退出圓柱體模具，并從 夾持裝置上卸下軸承套零件，完成加工。
權(quán)利要求
一種套筒類零件內(nèi)曲面無掩膜微結(jié)構(gòu)的電解加工方法，其特征在于，包括下列步驟1)制作絕緣屏蔽膜采用兩種方式平面加工和曲面加工，平面加工絕緣屏蔽膜要求制得的絕緣屏蔽膜必須是柔性絕緣薄膜，其柔性絕緣薄膜的表面微結(jié)構(gòu)通過刻蝕、激光加工方法制得，將平面加工制得的柔性屏蔽膜固定于圓柱體外表面，將附著在圓柱體上的絕緣屏蔽膜作為電解加工的圓柱體模具；曲面加工屏蔽膜通過浸漬涂膠及滾動光刻相結(jié)合的方法在圓柱體外表面制作微結(jié)構(gòu)圖形，制得絕緣屏蔽膜，作為電解加工的圓柱體模具；2)用夾持裝置固定圓柱體模具與套筒類零件，同時控制它們之間的間隙與同軸度； 3)用恒流泵控制電解液流動，使電解液充滿圓柱體模具與套筒類零件之間的間隙，并能夠均勻地流動于圓柱體模具與套筒類零件之間的間隙；4)將圓柱體模具作為電解陰極，套筒類零件作為電解陽極，分別與高頻窄脈沖電源連接，通電實施電解；5)電解結(jié)束時，先斷電，然后停止電解液的流動，從套筒類零件中退出圓柱體模具，并從夾持裝置上卸下套筒類零件，完成加工。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于在圓柱體表面形成的絕緣屏蔽膜微結(jié)構(gòu) 的截面形狀為方形、圓形、菱形，尺寸大小可從微米級到毫米級。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于圓柱體模具與套筒類零件間隙的大小控 制在100微米以內(nèi)，同軸度誤差控制在5微米以內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于在套筒外部上面設(shè)置四個周向均布的 出液孔同時出液，下面設(shè)置四個周向均布的進(jìn)液孔同時進(jìn)液，進(jìn)液孔與出液孔在周向相差 45°。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于采用高頻窄脈沖電源以高頻窄脈沖周 期性的間歇供電代替?zhèn)鹘y(tǒng)的連續(xù)直流供電方式。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于作為陽極的套筒類零件其表面無掩模，作 為陰極的圓柱體模具可多次使用。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種套筒類零件內(nèi)曲面無掩膜微結(jié)構(gòu)的加工方法，屬于電化學(xué)加工領(lǐng)域。該方法采用浸漬涂膠及滾動光刻方式使圓柱體表面圖形化，或者采用激光等辦法加工平面柔性絕緣屏蔽薄膜，并將其固定于圓柱體外表面，然后將套筒類零件作為陽極，帶有絕緣屏蔽膜的圓柱體模具作為陰極，嚴(yán)格控制間隙，采用高頻窄脈沖電源進(jìn)行微細(xì)電解加工，從而在曲面內(nèi)表面形成微細(xì)結(jié)構(gòu)。這種方法解決了套筒類零件(如軸承套)內(nèi)表面具有復(fù)雜精細(xì)微結(jié)構(gòu)的制造難題，能加工大面積的曲面微結(jié)構(gòu)，特別是具有復(fù)雜圖形及小尺寸的微結(jié)構(gòu)。采用本發(fā)明所加工的曲面微細(xì)結(jié)構(gòu)具有加工面積大，加工精度高，可加工復(fù)雜小尺寸微細(xì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，且操作簡單，效率高，加工成本低。
文檔編號B23H3/00GK101804488SQ20101015292
公開日2010年8月18日 申請日期2010年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月22日
發(fā)明者丁玉成, 王權(quán)岱, 王莉, 郝秀清, 郭方亮 申請人:西安交通大學(xué)