一种冰掩膜激光刻蚀复合电解加工方法与装置

1.本发明涉及电解加工技术领域，具体为一种冰掩膜激光刻蚀复合电解加工方法与装置。


背景技术：

2.随着科技的不断发展，微槽类结构出现越来越多，被大量应用于军工、医疗、传热、燃料电池等领域关键设备的生产与制造当中。例如燃料电池中重要的组件双极板，两侧具有沟槽结构，以保证反应气体的均匀分布以及及时散出热量，因此对沟槽截面形貌及沿程的均匀性有较高要求。在生物医学领域，研究者通过在钛类植入物的表面加工微细阵列沟槽，可以用于存储抗菌肽，从而提高植入体的抗菌性和细胞相容性。根据仿生学研究，v型微槽阵列结构可以降低流体在材料表面的粘滞阻力，获得显著的减阻效果，除此之外，微槽在例如材料等领域也有重要应用价值，因此，对阵列微槽结构的精确、高质量加工具有重要意义(王国乾.金属阵列结构模板电解加工关键技术研究.南京航空航天大学,2018)。
3.近年来国内外学者针对为槽结构开展了激光加工、磨料气射流加工、电火花加工、射流电解加工以及掩膜电解加工等加工方法的研究。其中射流电解加工和掩膜电解加工是基于阳极电化学溶解的微槽制造方法，该方法有着加工效率高、表面质量好、无刀具损耗、无加工残余应力等诸多优点，在微槽的生产制造当中具有独特的加工优势。
4.然而射流电解加工和掩膜电解加工在进行微槽加工时也有着难以解决的问题。在射流电解加工中，管电极相对工件做平移移动，其扫略的部位将会加工出沟槽形状，加工时高速的射流还可以快速带走产物、热量，保障了加工部位的加工质量，但由于电场的连续性以及杂散电流的存在，射流电解加工加工的槽口部位往往呈现喇叭口，很难获得锐利的边缘；其次，在其扫略过后，已加工表面会被暴露在电场环境中，杂散电流会将已加工沟槽表面破坏，降低表面质量，尤其是在进行钛合金等材料加工时该现象尤为明显。而掩膜电解加工使用中通过使用掩膜覆盖工件表面，保护非加工部位，而仅对掩膜开口缝隙部位进行腐蚀加工，通过制作不同形状的掩膜开口缝隙，可以对不同形状缝隙进行加工，通过使用柔性材料掩膜，还可以对复杂曲面进行掩膜电解刻蚀(陈晓磊.基于厚层模板的微坑阵列微细电解加工技术研究.南京航空航天大学,2016.)。然而，掩膜电解加工也存在一定问题。首先，掩膜存在一定厚度，电解液不易对开口缝隙内进行冲刷，这对产物的排除非常不利，这使得各部位加工尺寸难以保证一致，也难以保证加工质量；其次，掩膜并不灵活，只适合固定尺寸形状沟槽加工，对于小批量产品并不友好。
5.上述因素限制了电解加工在沟槽类零件的生产与制造，基于此，本发明设计了一种冰掩膜激光刻蚀复合电解加工方法与装置以解决上述问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种冰掩膜激光刻蚀复合电解加工方法与装置，以解决上述背景技术中提出的问题。
7.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种冰掩膜激光刻蚀复合电解加工装置，包括管电极射流装置、激光器、低温装置、去离子水喷淋装置；
8.管电极射流装置由管电极夹持主体、管电极、密封垫、激光透镜与引电块共同组成。
9.优选的，其中管电极夹持主体呈“t”型结构，“t”型两侧为对称进液口，保证电解液流场的均匀性；中间上方部位有开口，该部位安装激光透镜，二者之间由密封垫保证电解液不外泄；在管电极夹持主体下方中间部位为管电极夹持结构，对管电极进行夹持，管电极夹持后的安装精度以及电解液进行密封。
10.优选的，管电极夹持主体外壁安装有引电块，用于将电流引入，将管电极和电源负极联通。
11.优选的，激光器固定于管电极射流装置上方，激光束正对于激光透镜，需保证激光束在透过激光透镜后能顺利进入管电极并进入加工区；设置激光器功率，需满足快速融化冰层而又不能过高，避免融化范围过大或烧伤工件。
12.优选的，低温装置持续产生恒定温度的低温气体，生成的气体在泵和管路的作用下按照一定速率通到工件正下方，使得工件本体保持一个相对恒定的低温，该温度需保证在工件表面能快速结冰。
13.优选的，去离子水喷淋装置需保证可对工件表面均匀喷淋去离子水，确保工件表面在加工前结出均匀厚度的冰。
14.一种冰掩膜激光刻蚀复合电解加工方法，包括以下步骤：
15.步骤1、设置安装管电极射流装置，以保证电流顺利从引电结构流入加工区；
16.步骤2、安装激光器，快速融化冰层而又不能过高，避免融化范围过大或烧伤工件；
17.步骤3、设置安装低温装置，保证在工件表面能快速结冰；
18.步骤4、设置去离子水喷淋装置，在加工前结出均匀厚度的冰层；
19.步骤5、接通加工电流，保护住非加工区域材料表面，避免了杂散腐蚀的发生；
20.步骤6、管电极与工件做相对运动，使得已加工表面得到保护，避免的二次腐蚀，为获得高质量表面提供了保障；
21.步骤7、结束加工，最终获得理想形状的沟槽结构。
22.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
23.1、通过使用冰掩膜，保护了非加工表面，避免了杂散电流的发生，提高了工件加工表面质量。
24.2、冰层的存在提升了沟槽结构开口部位加工控制能力，抑制了喇叭口的产生。
25.3、通过控制冰层厚度，可以调控沟槽内电场分布，从而调解沟槽结构，提升了加工的灵活性。
26.4、冰掩膜相较于传统掩膜加工更适合流水线，同时其成本以及后期处理也更为容易，具有极高的研究价值。
27.当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
28.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的
附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
29.图1是冰掩膜激光刻蚀复合电解加工装置系统图；
30.图2是管电极射流装置结构图；
31.图3是冰掩膜激光刻蚀复合电解加工流程图。
32.附图中，各标号所代表的部件列表如下：
33.1、电源；2、低温装置；3、激光器；4、管电极射流装置；5、去离子水喷淋装置；6、工件；7、引电块；8、密封垫；9、激光透镜；10、管电极夹持主体；11、管电极。
具体实施方式
34.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
35.请参阅图1至图3，本发明提供一种冰掩膜激光刻蚀复合电解加工方法与装置技术方案：参考图2设置安装管电极射流装置4，该装置管电极夹持主体10、管电极11、密封垫8、激光透镜9、引电块7共同组成；其中管电极夹持主体10呈“t”型结构，“t”型两侧为对称进液口，保证电解液流场的均匀性；中间上方部位有开口，该部位安装激光透镜9，二者之间由密封垫8保证电解液不外泄；在管电极夹持主体10下方中间部位为管电极夹持结构，可对管电极11进行夹持，需保证管电极11夹持后的安装精度以及电解液的良好密封；在管电极夹持主体10外壁安装有引电块7，用于将电流引入，将管电极11和电源1负极联通；管电极11为中空管状结构，材料为金属材料，其外表面涂有绝缘层抑制杂散电流的形成，在管电极11的加工端面和引电部位需保证无绝缘层，以保证电流顺利从引电结构流入加工区。
36.参考图2安装激光器3，将激光器3固定于管电极射流装置4上方，激光束正对于激光透镜9，需保证激光束在透过激光透镜9后能顺利进入管电极11并进入加工区；设置激光器3功率，需满足快速融化冰层而又不能过高，避免融化范围过大或烧伤工件。
37.参考图2设置安装低温装置2，通过该装置持续产生恒定温度的低温气体，生成的气体在泵和管路的作用下按照一定速率通到工件正下方，使得工件本体保持一个相对恒定的低温，该温度需保证在工件表面能快速结冰。
38.参考图2设置去离子水喷淋装置5，需保证可对工件表面均匀喷淋去离子水，确保工件表面在加工前结出均匀厚度的冰层。
39.参考图3接通加工电流，其中管电极射流装置4接电源1负极，而工件6接电源正极；管电极射流装置4进液口接通电解液循环系统，引入高压电解液，通过管电极11射向工件；同时启动激光器3，激光束通过激光透镜9进入管电极11，并经电解液射流引导射向工件6加工部位，在激光束的作用下将所需加工部位冰层溶解去除；去除部位被暴露出来，电解液射在暴露部位，导通电流，使得该部位材料在电化学作用下发生氧化反应，材料被去除，而而非加工部位由于冰层的存在，阻断了电流，从而保护住非加工区域材料表面，避免了杂散腐蚀的发生。
40.参考图3管电极11与工件6做相对运动，在新的加工部位重复发生步骤5的内容，持续去除材料，并形成沟槽结构；同时，已加工表面随着相对运动的进行，离开了激光束的照射，薄面残留的溶液在低温的作用下再次结冰，使得已加工表面得到保护，避免的二次腐蚀，为获得高质量表面提供了保障。
41.步骤7、结束加工，最终获得理想形状的沟槽结构。
42.本发明所提供的产品型号只是为本技术方案依据产品的结构特征进行的使用，其产品会在购买后进行调整与改造，使之更加匹配和符合本发明所属技术方案，其为本技术方案一个最佳应用的技术方案，其产品的型号可以依据其需要的技术参数进行替换和改造，其为本领域所属技术人员所熟知的，因此，本领域所属技术人员可以清楚的通过本发明所提供的技术方案得到对应的使用效果。
43.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
44.以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。