金属微细群柱结构电解反拷加工方法及专用工具技术

一种金属微细群柱结构电解反拷加工方法及专用工具，属高深宽比金属微结构制造工艺方法及装置技术领域。通过工控机的控制，使带有阵列微细群孔的专用工具和工件阳极做相向运动进行电解加工，其特征在于：上述带有阵列微细群孔的专用工具为依次由金属层（１９）、绝缘层（２０）、辅助阳极层（２１）组成的三层复合结构，且金属层（１９）作为阴极，辅助阳极层（２１）与工件阳极相连；利用辅助阳极层（２１）将电力线吸引到辅助阳极表面，以有效减弱新产生群柱表面的电场强度，从而有效保护新产生的群柱不被蚀除。利用本发明专利技术，可以高效、低成本的制造出深宽比不受限制（理论上）、的金属微细群柱结构。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术的金属微细群柱结构电解反拷加工方法及专用工具，属高深宽比金属 微结构制造工艺方法及装置

技术介绍
微细阵列群孔作为一种典型的微细结构，在航空航天、精密仪器、化纤等领 域有着广泛的应用，如高速打印机喷嘴板、光纤连接器、化纤喷丝板、微过滤网 以及电子显微镜光栅等。微细电加工相对于常规钻削加工具有无机械切削力作 用，加工精度和加工效率高等优点，因此其在微细群孔结构的加工方面具有广泛 的应用前景。其中，工具电极的制作是微细电加工中一个重要的环节。目前，微 细电极的制作方法主要有电化学腐蚀法、线电极电火花磨削(WEDG)等，但上述 方法往往只能获得单个或数个微细电极，致使微细电加工的加工效率不高。目前， 国内外已开始研究使用微细群柱结构来进行微细电加工，以显著提高加工效率。 制作微细群柱结构的方法主要有① LIGA (lithographie， galvanoformung und abformung)技术,虽然釆用 LIGA技术可以获得厚度达l-2mm、深宽比高达IOO以上且侧壁陡直的微结构， 但是由于LIGA技术需要昂贵的同步辐射光源，成本高、周期长，从而限制了它 的应用范围。② 微细电火花反拷(REDM)技术，该技术先通过电火花加工制作阵列金属网 板，然后以此网板为工具电极进行微细电火化加工从而得到微细群柱结构。但此 方法的工具电极存在损耗，不能重复利用。因此，有必要研究出新的加工效率高、成本低廉的微细群柱结构加工方法。 有人尝试过像微细电火花反拷套料技术那样用金属网板作为工具进行微细电解 反拷套料UECM)加工，但是只得到了微凸台结构。这是由于新加工出的群柱底 面存在电场分布，见图2,从而导致群柱不断被蚀除造成的，见图l。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种金属微细群柱结构电解反拷加工方法及专用工 具，利用该方法及专用工具能够髙效、低成本的制作高深宽比微细群柱结构。一种微细群柱结构电解反拷加工方法，通过工控机的控制，使带有阵列微细 群孔的专用工具和工件阳极做相向运动进行电解加工，其特征在于上述带有阵列微细群孔的专用工具为依次由金属层、绝缘层、辅助阳极层组成的三层复合结 构，且金属层作为阴极，辅助阳极层与阳极相连；利用辅助阳极层将原本分布在已加工群柱表面的电力线吸引到辅助阳极层表面，以有效减弱新产生群柱表面的 电场强度，从而保护新产生的群柱不被蚀除。上述微细群柱结构电解反拷方法的专用工具，其特征为专用工具为依次由 金属层、绝缘层、辅助阳极层组成的三层复合结构，且带有阵列微细群孔。 可见，本专利技术的特点是1、 利用辅助阳极层将原本分布在已加工群柱表面的电力线吸引到辅助阳极 层表面，有效减弱新产生群柱表面的电场强度，从而有效保护新产生的群柱不被 蚀除(图6 )。图中曲线25表示直接采用金属网板作为工具时群柱表面的电场分 布，曲线26表示采用金属层19、绝缘层20、辅助阳极层21组成的三层复合结 构作为专用工具时群柱表面的电场分布。由图6可知，采用专用工具后，群柱表 面的电场强度显著降低到接近为零的程度，可以有效保护新产生的群柱结构不被 蚀除，从而得到髙深宽比的微细群柱结构。2、 工件阳极相对于专用工具做相对运动，从而加工出微细群柱结构。装置 不仅解决了电解反拷套料加工技术只能得到微凸台的问题，而且制作的专用工具 可以重复使用，大大降低了成本。因此，采用上述电解反拷加工工艺及其专用工具，能制造出高深宽比且成本 低廉的金属微细群柱结构。附图说明图1是直接釆用金属网板作为工具时电解反拷加工过程示意图。 图2是直接釆用金属网板作为工具时阴阳极间的电场分布示意图。 图3是本专利技术给出的电解反拷加工工艺装置整体结构示意图。图4是本专利技术给出的采用金属层、绝缘层、辅助阳极层组成的三层复合结构 制作的专用工具示意图。图5是釆用金属层、绝缘层、辅助阳极层组成的三层复合结构制作的专用工 具进行电解反拷加工的过程示意图。图6是采用金属层、绝缘层、辅助阳极层组成的三层复合结构作为专用工具 与直接采用金属网板作为工具时群柱表面的电场强度对比曲线。图中标号名称1、步进电机，2、 Z轴，3、工控机，4、电源，5、压力表， 6、流量计，7调节阀，8、过滤网，9、泵，10、储液槽，11、机床本体，12、 电解液槽，13、喷头，14、专用工具，15、阴极夹具，16、工件阳极，17、阳极 夹具。18、金属网板，19、金属层，20、绝缘层，21、辅助阳极层，22、微细群 柱电极，23、群凸台结构，24、新生成的群柱表面，25、直接采用金属网板作为 工具时群柱表面的电场分布曲线，26、釆用金属层(19)、绝缘层(20)、辅助阳极 层(21)组成的三层复合结构作为专用工具时群柱表面的电场分布曲线。具体实施例方式实施本专利技术的装置，如图3所示，其装置包括步进电机l、电源4、压力表5、 流量计6、调解闽7、过滤网8、泵9、储液槽IO、机床本体ll、电解液槽12。 其特点是工件阳极16通过阳极夹具17与Z轴2相连，带有微细群孔结构的专用 工具14通过阴极夹具安装在电解液槽中，工控机3控制Z轴2做竖直向下的运 动，以此带动工件阳极16和专用工具14做相对运动，同时伴以电化学蚀除过程， 从而得到髙深宽比微细群柱结构。本专利技术专利原理当直接采用金属网板作为工具进行微细电解反拷(RECM) 加工时，只能得到微凸台结构。这是由于新加工出的群柱表面存在电场分布，有 较密集的电力线，这表明电场强度较大，见图2，从而导致群柱不断被蚀除造成 的，见图l。采用金属层、绝缘层、辅助阳极层组成的三层复合结构作为专用工 具，利用辅助阳极层将电力线吸引到辅助阳极层表面，有效减弱新产生群柱表面 的电场强度，从而有效保护新产生的群柱不被蚀除(图4)。图6中曲线25表示 直接釆用金属网板作为工具电极时群柱表面的电场分布，曲线26表示采用金属 层19、绝缘层20、辅助阳极层21组成的三层复合结构作为专用工具时群柱表面的电场分布。由图6可知，采用辅助阳极层后，群柱表面的电场强度显著降低到接近为零的程度，保护新产生的群柱结构不被蚀除，从而得到髙深宽比的群柱结 构。本专利技术专利过程首先制作阵列微细群孔结构作为专用工具，然后采用微 细电解反拷(RECM)的方法一_即工件阳极相对于专用工具做相对运动，制作阵列 微细群柱结构。其中，专用工具是通过在金属层19、绝缘层20、辅助阳极层21 组成的三层复合结构上加工出阵列微细群孔而获得，如图5。该方法的具体步骤如下(1) 将金属层19、绝缘层20、辅助阳极层21三层按顺序粘贴在一起。(2) 在三层复合结构上加工出要求的群孔微细结构，如圆形、四边形等。(3) 以带有微细群孔结构的专用工具的金属层作为阴极，辅助阳极层21与工 件同接正极，接通电源，喷射电解液，工件阳极16在Z轴2的带动下相对于专 用工具做向下的相对运动，同时伴以电解加工，从而得到微细群柱结构。权利要求1.一种金属微细群柱结构电解反拷加工方法。通过工控机的控制，使带有阵列微细群孔的专用工具和工件阳极做相向运动进行电解加工，其特征在于上述带有阵列微细群孔的专用工具为依次由金属层(19)、绝缘层(20)、辅助阳极层(21)组成的三层复合结构，且金属层(19)作为阴极，辅助阳极层(21本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种金属微细群柱结构电解反拷加工方法。通过工控机的控制，使带有阵列微细群孔的专用工具和工件阳极做相向运动进行电解加工，其特征在于：上述带有阵列微细群孔的专用工具为依次由金属层（１９）、绝缘层（２０）、辅助阳极层（２１）组成的三层复合结构，且金属层（１９）作为阴极，辅助阳极层（２１）与工件阳极相连；利用辅助阳极层（２１）与工件电极电位相等的特点，将电力线吸引到辅助阳极表面，以有效减弱新产生群柱表面的电场强度，从而保护新产生的群柱不被蚀除。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：朱荻，曲宁松，胡洋洋，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]