一種表面織構(gòu)微細(xì)電解加工用陰極的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及表面織構(gòu)加工技術(shù)，特別適用于制造電解加工曲面表面織構(gòu)用柔性陰 極。
【背景技術(shù)】
[0002] 研宄表明，表面織構(gòu)技術(shù)是改善摩擦副表面摩擦學(xué)特性的有效手段。目前，表面 織構(gòu)已經(jīng)在缸套、滑動(dòng)軸承和機(jī)械密封等工程技術(shù)領(lǐng)域中獲得了成功的應(yīng)用。因此，低成 本、高效率、高精度的表面織構(gòu)加工技術(shù)已成為制造領(lǐng)域的研宄熱點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外研宄學(xué)者提出 了多種表面織構(gòu)加工手段。電解加工（Electrochemical Machining, ECM)是利用金屬在電 解液中發(fā)生陽(yáng)極溶解的原理將工件加工成形的一種特種加工方法，具有加工范圍廣、生產(chǎn) 率高、表面質(zhì)量好、工具陰極無(wú)損耗等顯著優(yōu)點(diǎn)，尤其適合于難加工材料和復(fù)雜形狀零件的 加工，具有諸多優(yōu)點(diǎn)，如：與工件材料的硬度無(wú)關(guān)，加工表面無(wú)熱影響層等。由于電解加 工過(guò)程中，工件材料的減少過(guò)程以離子的形式進(jìn)行，因此這種溶解去除方式使電解加工技 術(shù)在微細(xì)制造領(lǐng)域有著巨大的發(fā)展?jié)摿Α?br>
【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明提出了一種解決曲面表面織構(gòu)加工的方法：1.首先制備出一種摻雜了有 機(jī)金屬?gòu)?fù)合物催化型活化劑的軟性聚合物材料，在聚焦激光束的輻射下可以發(fā)生物理化學(xué) 反應(yīng)，形成活性催化中心。再通過(guò)化學(xué)鍍銅工藝，制作出精細(xì)表面織構(gòu)銅層圖案。把表面具 有導(dǎo)電織構(gòu)圖案的軟性薄膜貼合到待加工的工件表面上，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)谋骋r處理，精確復(fù)制 工件表面的幾何形狀，實(shí)現(xiàn)適用于曲面表面織構(gòu)電解加工工具陰極的快速制造。2.采用這 種方法制備的工具電極，電極表面的導(dǎo)電部分將高出絕緣基體，因此可以預(yù)期在更小的加 工間隙條件下，獲得更佳的排除電解產(chǎn)物的能力，提高電解加工復(fù)制精度和加工效率。該項(xiàng) 技術(shù)的突出優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在，隨著對(duì)表面織構(gòu)功能性機(jī)理研宄的不斷深入，更多變幻莫測(cè)的表 面織構(gòu)形狀將不斷出現(xiàn)，將對(duì)加工制造技術(shù)提出嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，該方法可以實(shí)現(xiàn)把制造電解 加工曲面表面織構(gòu)用陰極的過(guò)程轉(zhuǎn)化為二維加工（陰極表面激光直寫），極大降低了工具 電極制造的復(fù)雜程度，具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。
【附圖說(shuō)明】
[0004] 圖1含金屬?gòu)?fù)合物的I3U漿料制備流程圖；
[0005] 圖2柔性PU基LDS材料；
[0006] 圖3激光加工系統(tǒng)示意圖；
[0007] 圖4不同功率作用時(shí)基體表面形貌：（a)未經(jīng)活化區(qū)域（b)激光功率為4w(c)激 光功率為8w ;
[0008] 圖5表面粗糙度隨激光功率的變化；
[0009] 圖6活化層EDS能譜分析；
[0010] 圖7基體表面激光活化前（1)和活化后（2)Cu2p的XPS譜圖；
[0011] 圖8激光活化后基體表面Cu LMM的Auger譜圖；
[0012] 圖9基于LDS技術(shù)的柔性電極制作流程圖；
[0013] 圖10柔性陰極電解加工示意圖；
[0014] 圖11軸瓦表面織構(gòu)電解加工實(shí)例加工。
【具體實(shí)施方式】：
[0015] 實(shí)施例1 :
[0016] 1.材料制備
[0017] 用于制作人造革的熱塑性PU樹脂，是聚合物二元醇與擴(kuò)鏈劑、二異氰酸酯反應(yīng)而 得，分子中含有大量的氫鍵結(jié)構(gòu)，在PU樹脂中加入溶劑和一些助劑后，形成粘稠狀的漿料， 這種漿料可刮涂在基布上烘干，待溶劑揮發(fā)后制得具有柔性特性的人造革。
[0018] 把有機(jī)金屬?gòu)?fù)合物、無(wú)機(jī)添加劑等摻雜到合成PU樹脂后，再加入一些助劑，用高 速攪拌機(jī)攪拌，使得有機(jī)金屬?gòu)?fù)合物與PU樹脂分子發(fā)生反應(yīng)，金屬原子枝接到樹脂分子 結(jié)構(gòu)中，制成含有金屬螯合物的PU漿料。漿料的配置流程如圖1所示。
[0019] 制備的PU基體漿料呈粘稠狀的液體，將其傾倒在干凈的玻璃平面，鋪平后放在通 風(fēng)口風(fēng)干1?2天，待漿料中溶劑完全揮發(fā)，自然固化后，從玻璃上剝離獲得試驗(yàn)所用的柔 性LDS材料，如圖2所示。材料質(zhì)地柔軟，與玻璃貼合的樹脂表面光整。
[0020] 實(shí)施例2 :
[0021] 2.激光活化
[0022] 2. 1激光設(shè)備
[0023] 激光加工設(shè)備主要由SPI光纖脈沖激光器、XY掃描振鏡、聚焦透鏡、工作平臺(tái)及計(jì) 算機(jī)控制系統(tǒng)幾部分組成。圖3為試驗(yàn)用激光加工系統(tǒng)示意圖。
[0024] 設(shè)備采用精密光學(xué)XY平臺(tái)和光學(xué)Z運(yùn)動(dòng)軸，采用二次影像元對(duì)光學(xué)參數(shù)進(jìn)行精確 校準(zhǔn)。系統(tǒng)準(zhǔn)直透鏡和擴(kuò)束鏡為一體，在反射鏡上安裝了全反射分光鏡，加工前用650 μπι 紅外光進(jìn)行定位，可以準(zhǔn)確定位激光輸出的位置，保證激光直寫的準(zhǔn)確度。激光器輸出的激 光束依次經(jīng)過(guò)X軸振鏡、Y軸振鏡、平面透鏡后聚焦到工件表面，通過(guò)控制X、Y軸振鏡的偏 轉(zhuǎn)，控制激光束在材料表面的X軸和Y軸方向移動(dòng)。
[0025] 2. 2激光粗化與活化
[0026] 2. 2. 1激光對(duì)基體粗化作用
[0027] 激光對(duì)材料表面輻射活化過(guò)程中，基體吸收能量后表面出現(xiàn)燒蝕現(xiàn)象，達(dá)到粗化 作用。表面粗化對(duì)提高后續(xù)的化學(xué)鍍銅層與基體的結(jié)合力至關(guān)重要，如圖4所示。未活化區(qū) 域表面光整，隨著激光功率增大，基體表面粗化作用增強(qiáng)，基體表面出現(xiàn)大量凹坑和空穴。
[0028] 采用粗糙度儀測(cè)量改性材料在不同功率作用下的表面粗糙度，結(jié)果表明：當(dāng)激 光功率增大，表面粗糙度也隨著增大，功率在1?7w時(shí)，表面粗糙度增加較快。圖5為不同 激光功率對(duì)基體表面粗糙度的影響。
[0029] 2. 2. 2激光活化區(qū)域的表征
[0030] 選擇激光模式為Mode 0,激光功率為5w。為了獲得連續(xù)、均勻的掃描線，選擇振鏡 掃描速度為3m/s，脈沖頻率為75KHz。根據(jù)所需的待加工工件表面織構(gòu)圖案，進(jìn)行激光輻射 掃描。
[0031] 通過(guò)EDS能譜分析，活化層中含有銅元素。如圖6所示。這是因?yàn)樵诩す飧吣苁?的作用下，激光和聚合物之間發(fā)生了光熱與光解反應(yīng)，基體表面因吸收了激光的能量使得 金屬元素與非金屬元素之間的共價(jià)鍵斷裂，釋放出Cu元素顆粒鑲嵌在基體表面。
[0032] 為了判斷基體活化層中Cu元素的價(jià)態(tài)，對(duì)PU改性材料表面在激光活化前后進(jìn)行 XPS分析，圖7為Cu2p的XPS譜圖。
[0033] 圖7中有兩個(gè)明顯的峰，其中Cu2p3/2特征峰位于932. 92eV，Cu2pl/2特征峰位于 951. 79eV，可以判斷活化層中Cu元素為Cutl或Cu+。
[0034] 為了進(jìn)一步確認(rèn)出Cu是0價(jià)還是1價(jià)，需要測(cè)量Cu LMM峰，如圖8。
[0035] 可知Cu LMM峰位于571. 5eV，即動(dòng)能KE位于915. leV，通過(guò)式1計(jì)算出俄歇常數(shù) α = 1848. 02eV〇
[0036] α = Cu2P3/2+(hv-CuLMM) (I)
[0037] 參照表I中俄歇參數(shù)，可以看出，所求值與CuCl、CuCN比較接近，因此可以判斷活 化層中Cu元素以Cu +的形式構(gòu)成化合物。亞銅離子（Cu+)的存在是由于摻雜的銅基金屬化 合物為可溶性亞銅鹽。
[0038] 表1部分銅（Cu)樣品XPS參考數(shù)值
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種表面織構(gòu)微細(xì)電解加工用陰極的制作方法，其技術(shù)特征是： 首先制備出一種摻雜了有機(jī)金屬?gòu)?fù)合物催化型活化劑的軟性聚合物材料，在聚焦激光 束的輻射下可以發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，形成活性催化中心；再通過(guò)化學(xué)鍍銅工藝，制作出表面 織構(gòu)銅層圖案的柔性薄膜； 把上述具有表面織構(gòu)銅層圖案的柔性薄膜貼合在工件表面，所述柔性薄膜具有變形 性，通過(guò)背襯處理，修整加工后制備為陰極結(jié)構(gòu)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種表面織構(gòu)微細(xì)電解加工用陰極的制作方法，其特征在于 所述柔性薄膜為在PU樹脂中摻雜了金屬?gòu)?fù)合物。由聚合物二元醇與擴(kuò)鏈劑、二異氰酸酯反 應(yīng)而得，形成粘稠狀的漿料；把有機(jī)金屬?gòu)?fù)合物、無(wú)機(jī)添加劑等摻雜到合成PU樹脂后，再加 入一些助劑，使得有機(jī)金屬?gòu)?fù)合物與PU樹脂分子發(fā)生反應(yīng)，金屬原子枝接到PU樹脂分子結(jié) 構(gòu)中，制成含有金屬螯合物的PU漿料；這種漿料可刮涂在玻璃基板上烘干，待溶劑揮發(fā)后 制得具有柔性的薄膜。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種表面織構(gòu)微細(xì)電解加工用陰極的制作方法，其特征在于 所述柔性薄膜為可變形性，適用于制作對(duì)任意曲面進(jìn)行電解加工表面織構(gòu)用的陰極。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種表面織構(gòu)微細(xì)電解加工用陰極的制作方法，其特征在于 所述激光束是由激光器輸出的激光束依次經(jīng)過(guò)X軸振鏡、Y軸振鏡、平面透鏡后聚焦到工件 表面，通過(guò)控制X、Y軸振鏡的偏轉(zhuǎn)，控制激光束在材料表面的X軸和Y軸方向移動(dòng)。把三維 織構(gòu)圖案加工簡(jiǎn)化為二維掃描過(guò)程。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種表面織構(gòu)微細(xì)電解加工用陰極的制作方法，其特征在于 將工件陰極接入電源的負(fù)極，待加工工件接入正極，兩極間的間隙值控制在大約50 ym，間 隙中通過(guò)入電解液，兩極間接入脈沖直流電源，加工制作出具有表面織構(gòu)的工件。
【專利摘要】本發(fā)明提出制造表面織構(gòu)微細(xì)電解加工用陰極制造的方法，其主要是：在經(jīng)過(guò)改性后的柔性薄膜上通過(guò)LDS工藝制造出所需的表面銅質(zhì)織構(gòu)圖案，作為電解加工表面織構(gòu)用陰極；利用柔性薄膜的可變形性，制作適用于對(duì)任意曲面進(jìn)行電解加工表面織構(gòu)用的陰極。具體工藝流程為：在PU樹脂中摻雜了金屬?gòu)?fù)合物，采用SPI光纖激光器(波長(zhǎng)1064nm)對(duì)改性樹脂表面按照表面織構(gòu)圖案進(jìn)行掃描，形成活化中心；把經(jīng)過(guò)活化后的柔性薄膜放入化學(xué)鍍銅液中使活化區(qū)域沉積上銅金屬，形成導(dǎo)電的織構(gòu)圖案；把具有表面織構(gòu)導(dǎo)電圖案的薄膜覆蓋在工件表面，并經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)谋骋r處理，制成工具陰極；最后通過(guò)電解加工過(guò)程，完成工件的表面織構(gòu)制造。
【IPC分類】B23H3-04
【公開號(hào)】CN104526093
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410418242
【發(fā)明人】江開勇, 葉玉梅, 張際亮, 王霏, 顧永華
【申請(qǐng)人】華僑大學(xué)
【公開日】2015年4月22日
【申請(qǐng)日】2014年8月22日