微细圆柱群电极电化学腐蚀加工方法技术

本发明专利技术涉及一种微细圆柱群电极电化学腐蚀加工方法，属电解加工领域。该方法包括以下步骤：（１）采用电火花线切割或微铣削工艺制作带有多个单电极的群电极毛坯；（２）采用有限元法，设计、制作电化学腐蚀工具阴极；（３）群电极毛坯作为电化学腐蚀阳极，浸入电解液中，使得毛坯上各单个柱体完全处于液面以下；将电化学腐蚀阴、阳极相向竖直平行放置；（４）通电，对群电极毛坯进行电化学腐蚀加工，采用恒压加工和电荷法分别控制群电极的形状和加工尺寸。本发明专利技术的方法具有加工设备和控制方式简单，加工效率、加工质量高，制造成本低的特点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术的，属电解加工

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。对于微细群孔结构的加工而言，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，可在薄壁、弹性件等低刚度工件上加工等优点，因此其在微细群孔结构的加工发面具有广泛的应用前景。微细圆柱群电极的加工是实现群孔结构微细电加工的关键环节。微细圆柱群电极是指由尺寸在微米至纳米级的多个圆柱电极组合在一起所形成的整体电极，可作为微细电火花、微细电解加工中的工具电极；同时微细群圆柱类零件也是微型机械和微机电系统的重要组成部件。常用金属微细圆柱群电极的加工方法包括LIGA和准LIGA技术、微细电火花反拷加工法、多孔氧化铝模板法等。采用LIGA技术制作微细群电极的工艺流程主要包括涂胶-X射线深度光刻-显影-微电铸成型-去胶等步骤，制作的微细群电极具有精度高、深宽比大等优点，但由于LIGA技术采用电铸工艺，不能制备钨、硬质合金材料的电极，同时该技术需要同步辐射光源和特制的掩膜板，成本极高；采用微细电火花反拷法加工微细群电极的原理是，首先利用线电极电火花磨削(WEDG)技术加工出简单的单圆柱电极；然后控制电极的运动轨迹，对易加工的中间电极(金属薄板)进行微细电火花穿孔加工，在加工过程中，使圆柱电极一面旋转，一面进给加工，使用较小的放电能量，以便能进行稳定的放电加工，从而在中间电极上加工出阵列微孔结构；最后利用中间电极作工具电极，在块电极上反拷加工出微细群电极，但电火花反拷法设备复杂、加工效率低，加工存在热影响区，加工表面易产生变质层和微裂纹；氧化铝模板法利用多孔氧化铝为样模，利用直流电沉积金属制备群电极，此方法主要涉及纳米尺寸群电极的加工，只适用于固体电化学动力学参数测定以及痕量物质检测，难以作为工具电极应用于微细加工中。电解加工是利用金属在电解液中的电化学阳极溶解来将工件加工成形的。在电解加工过程中，工件阳极金属不断失去电子成为离子而进入到溶液当中，工件材料的减少过程是以离子形式进行的，由于金属离子的尺寸非常微小，因此电解加工的这种微溶解去除方式非常适合微细结构的加工。同时电解加工还具有不受材料力学性能限制，加工速度快，可达到较好的表面粗糙度，不存在内应力、变形和飞边毛刺，阴极工具无损耗等优点，因此利用电解加工制备微细圆柱群电极对实现微细群孔结构的高效率、高精度的稳定加工具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对目前微细群电极制作方法中存在的工艺流程复杂、制造成本高、加工质量低等不足，提供一种高加工效率、低制造成本，具有较高深宽比微细群电极的加工方法。一种微细群电极电化学腐蚀加工方法，其特征在于包括以下步骤(1)、根据所需的单排微细圆柱群电极尺寸参数，R(群电极上单个圆柱电极直径)、L(群电极长度)、D(单个电极间距)、h0(单个电极高度)，设计群电极毛坯尺寸参数，群电极毛坯上单个电极截面形状均为四边形，边长为d(d≥2～3R)，群电极毛坯长度、单个电极间距和单个电极高度为L、D和h0；(2)按上步要求加工单电极的群电极毛坯；(3)工具阴极呈平板状，一侧表面带有半圆柱凸台，工具阴极主要参数阴极长度S、阴极上半圆柱凸台半径R、阴阳极间距f是采用电化学腐蚀加工电场的有限元分析方法优化设计得到的，确保电化学腐蚀工件阳极上的电流密度均匀分布；(4)制作电化学工具阴极；(5)将群电极毛坯作为电化学腐蚀工件阳极，电化学腐蚀加工时，在电解槽中将工具阴极安装固定在定位夹具上，通过数控工作台调节两极之间的位置f，使得阴阳极相向竖直平行放置，通过机床主轴的进给，将群电极毛坯浸入电解液中深度为h0，使得毛坯上各单个柱体完全处于液面以下；(6)通电，对群电极毛坯进行电化学腐蚀加工，采用恒压加工控制群电极成形的形状，而群电极毛坯的尺寸不同，使群电极成形为圆柱形的加工电压值也发生变化，对于单个电极边长在500μm以下的群电极毛坯，使之成形为圆柱形的电压通常在2～8V范围内，通过多次试验法可确定此电压值试验初始采用较小的电压，当电压较小时，电极呈根部粗端部细的圆锥状，后逐步升高电压值，电极的锥度将逐渐减小，而电压过高时，电极呈根部细端部粗的纺锤状，可以最终确定圆柱形电极的加工电压；(7)采用电荷法控制群电极加工尺寸，加工一定直径的微细圆柱群电极所需的电量通为Q0=10k(d2-14πR2)h0+2hl3(d-R),]]>加工过程中，通过数据采集卡采集加工电流，通过采集的电流值计算加工过程中所通过的电量，即Q=Σi=0nIiΔt,]]>当Q＝Q0时，进行断电抬刀，加工完成，其中k为材料的体积电化学当量。加工原理1.群电极形状控制电化学腐蚀加工是利用金属在电解液中的电化学阳极溶解来将工件加工成形的。以加工钨材料群电极为例说明电极成型过程，如图5所示。接通直流电源，开始电化学腐蚀加工阳极金属不断变成离子进入溶液中而逐渐溶解，同时阴极上有气体析出，其电化学反应方程式如下阴极阳极阳极的初始几何形状和反应中阳极表面形成的扩散层都会影响阳极最终成型的形状，分别称之为几何效应和扩散层效应。阳极溶解过程中，几何效应使得阳极曲率较大处的金属溶解速度较快，从而造成群电极端部的溶解速度比根部快，因此使群电极有呈根部粗端部细的圆锥状的趋势；扩散层效应是由阳极金属溶解所形成的WO42-(16)离子的迁移和扩散运动所引起的，表面聚集的WO42-(16)离子在重力的作用下沿着阳极表面向下移动，从而形成一层上薄下厚的扩散层(15)，扩散层厚的部分产生的WO42-离子越难以扩散到溶液中去，造成该部位电化学反应速度变慢，因此扩散层效应有使群电极呈根部细端部粗的纺锤状的趋势。在群电极制备中，正确控制加工参数，使得阳极溶解的几何效应同扩散层效应的影响相互平衡，即可制备出直径均匀的圆柱群电极。群电极的形状可通过控制加工电压和电流的方式实现。随着电化学腐蚀的进行，阳极金属不断溶解，加工面积逐渐减小，而加工过程中的加工尺寸测量非常困难，因此采用通过直接控制加工电流来维持恒定电流密度的方式难以实现；采用恒压加工方式时，加工面积不断减小的同时，阴、阳极之间的电流随着加工的进行也不断减小，而加工电压本身就决定了电极反应速度和扩散层的形成，一定的加工电压对应着特定的扩散层厚度。因此，本方法采用控制加工电压的方式实现对电极形状的控制。2.群电极尺寸控制电化学腐蚀过程中阳极溶解的物质的体积Δv与通过的电量Q成正比，通过控制阴、阳极之间流过的电量，就可以控制电化学反应中阳极金属的蚀除量，从而实现对群电极加工尺寸的控制。群电极体积蚀除量计算模型如图6所示。群电极毛坯垂直浸入液面的深度h0，由于表面张力作用，电解液会沿着电极表面上升一定的高度h(通过试验测得，当群电极毛坯浸入电解液一定深度时，电解液沿电极表面上升的高度是一定的)，此部分在加工时将会被腐蚀成抛物线型，其体积蚀除量Δv包括液面以下电极溶解的体积量Δv1和液面以上电极溶解的体积量Δv2两部分，由此可在恒压加工条件下，微细圆柱群电极加工尺寸同电量Q的关系为(公本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微细圆柱群电极电化学腐蚀加工方法，其特征在于包括以下步骤：（１）、根据所需的单排微细圆柱群电极设计群电极毛坯尺寸参数，群电极毛坯上单个电极截面形状均为四边形，其中群电极毛坯边长ｄ≥２～３Ｒ，长度Ｌ、单个电极间距Ｄ和单个电极高度ｈ ↓［０］与所需的单排微细圆柱群电极尺寸参数一致；（２）、按上步要求加工单电极的群电极毛坯；（３）、工具阴极呈平板状，一侧表面带有半圆柱凸台，工具阴极主要参数阴极长度Ｓ、阴极上半圆柱凸台半径Ｒ、阴阳极间距ｆ是采用电化学腐蚀加工 电场的有限元分析方法优化设计得到的，确保电化学腐蚀工件阳极上的电流密度均匀分布；（４）、制作电化学工具阴极（４）；（５）、将群电极毛坯作为电化学腐蚀工件阳极（５），电化学腐蚀加工时，在电解槽中将工具阴极安装固定在定位夹具（７ ）上，通过数控工作台（１）调节两极之间的位置，使得阴阳极相向竖直平行放置间距为ｆ，通过机床主轴（６）的进给，将群电极毛坯浸入电解液（３）中深度为ｈ↓［０］，使得毛坯上各单个柱体完全处于液面以下；（６）通电，对群电极毛坯进行电化学腐蚀 加工，采用恒压加工控制群电极成形的形状，而群电极毛坯的尺寸不同，使群电极成形为圆柱形的加工电压值也发生变化，对于单个电极边长在５００μｍ以下的群电极毛坯，使之成形为圆柱形的电压通常在２～８Ｖ范围内，通过多次试验法可确定此电压值：试验初始采用较小的电压，当电压较小时，电极呈根部粗端部细的圆锥状，后逐步升高电压值，电极的锥度将逐渐减小，而电压过高时，电极呈根部细端部粗的纺锤状，可以最终确定圆柱形电极的加工电压；（７）采用电荷法控制群电极加工尺寸，加工一定直径的微细圆柱群电 极所需的电量通为Ｑ↓［０］＝１０／ｋ（ｄ↑［２］－１／４πＲ↑［２］）ｈ↓［０］＋２ｈｌ／３（ｄ－Ｒ），加工过程中，通过数据采集卡（８）采集加工电流，通过采集的电流值计算加工过程中所通过的电量，即Ｑ＝＊Ｉ↓［ｉ］△ｔ，当Ｑ＝Ｑ↓［０］时，进行断电抬刀，加工完成，其中ｋ为材料的体积电化学当量。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：朱荻，王磊，曲宁松，王明环，
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]