專利名稱：基于刃口電極微細電解磨削的微細電極在線制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種特種加工技術(shù)領(lǐng)域的方法，具體是一種基于刃口電極微細電解磨削的微細電極在線制造方法。
背景技術(shù)：
與基于平面圖形轉(zhuǎn)印技術(shù)的硅微細加工技術(shù)相比，微細電加工技術(shù)可以適應(yīng)更廣泛的加工材料，其與生俱來的三維加工能力更凸顯出這一加工技術(shù)的獨特優(yōu)勢和強大的生命力，可以滿足航天航空、微電子、光電子、生物醫(yī)學、醫(yī)療、汽車、化纖、模具、微型燃料電池、微型內(nèi)燃發(fā)動機等日益增長的微細化制造的需求。近年來微細電加工在工業(yè)應(yīng)用研究方面取得了很多突破，正因為如此，微細電加工技術(shù)又重新獲得了學術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的高度重視，在日本與歐美形成了一股新的研究熱潮。微細電極的制造是微細電加工的關(guān)鍵技術(shù)問題。
經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利號為1335659，名稱為微細電火花成形電極的制造方法，該專利自述為一種微細電火花成形電極的制造方法，其中包括如下步驟(1)在導電基底上涂上一層厚度為毫米、亞毫米量級的光刻膠；(2)置于掩模下曝光；(3)顯影，得到膠結(jié)構(gòu)；(4)在膠結(jié)構(gòu)上電鍍金屬或合金；(5)去膠，得到微細電極。中國專利號為1778505，名稱為電火花加工用的極長異形微細電極的制造方法，該專利自述為一種電火花加工用的極長異形微細電極的制造方法，其特征在于，包括如下步驟步驟1在導電基板上涂光刻膠；步驟2掩模板與導電基板對準后曝光，顯影后得到光刻膠微結(jié)構(gòu)；步驟3在光刻膠微結(jié)構(gòu)的縫隙中電鑄金屬；步驟4重復1-3步驟；步驟5去除光刻膠和導電基板后得到所需金屬電極。上述專利均采用光刻的方法離線制造微細成形電極，因此不可避免的存在兩個不足之處首先，電火花加工中嚴重的電極損耗現(xiàn)象使成形電極的形狀很快改變而無法進行高精度的加工；其次，由于電極的二次安裝不可避免的存在安裝誤差和變形誤差，難以保證電極與工作臺面的垂直度和電極與回轉(zhuǎn)主軸的同軸度，因此采用離線方式進行微細電極制作并將其二次安裝在主軸頭上的方法很難滿足微細電火花加工的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于刃口電極微細電解磨削的微細電極在線制造方法，使其取代傳統(tǒng)的制造裝置實現(xiàn)微細電極的在線制造。在線制造的方式保證了工具和工件的相對位置精度，克服了離線制造必須二次安裝的弊端，加工出的微細柱狀電極可以用于微細孔和微細三維結(jié)構(gòu)的電火花和電解加工。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，微細電極的制造首先需要高精度的加工測量平臺和高頻窄脈寬脈沖電源作為必要的硬件基礎(chǔ)，然后需要合理的加工工藝參數(shù)和工藝方法的設(shè)計。本發(fā)明具體步驟如下1、采用高精度的加工測量平臺。微細電加工平臺必須具有高精度、高實時性和強可靠性，因此采用進給分辨率為0.1μm、重復定位誤差不大于2μm的三軸直線電機運動平臺和基于Linux操作系統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)監(jiān)控平臺。為了在分層電解磨削過程中及時準確地獲取微細電極的加工狀態(tài)和特征尺寸，采用具有1.61μm的分辨率和113-729的放大率的微細電極在線檢測裝置。
2、采用高頻(KHz級)窄脈寬(μs級)脈沖電源。從加工機理上講，高頻窄脈寬脈沖電源在電解加工過程中會使加工間隙中出現(xiàn)特殊的物理化學特性，其電流能導致集中蝕除能力的加強和散蝕能力的減弱，這就使得電解加工在尺寸精度、形狀精度、表面質(zhì)量、加工效率、加工過程穩(wěn)定性方面有很大的提高。通過合理調(diào)整工藝參數(shù)(脈寬和脈間均可在300ns-50μs范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，電壓0-10V可調(diào)，電流0-2A可調(diào))，在很短的脈沖加工時間內(nèi)反應(yīng)產(chǎn)物就很少，使極間電解液在脈沖間歇時間內(nèi)極易得到更新和恢復，從而使加工精度和加工更小尺寸工件的能力有很大的提高。
3、電解液的選擇采用低濃度的電解液，如1-2％的硝酸鈉溶液或者3-4％的氯酸鈉溶液。
4、采用刃口電極進行微細電解磨削加工。電解磨削加工是一種在溶液中通電，使離子從一個電極移向另一個電極，從而將材料去除或沉積的方法；采用電解磨削加工的微細結(jié)構(gòu)表面光滑、無內(nèi)應(yīng)力、無裂紋等缺陷，因此在理論上它應(yīng)是未來微納米級加工最重要的方法之一。為了避免電解加工中出現(xiàn)火花放電現(xiàn)象，應(yīng)該控制進給速度，使進給速度0-3μm/s可調(diào)。但在實際中電解加工存在著雜散腐蝕、加工精度較差等缺點，很難勝任微納米加工的要求。針對這一特點，只要精細地控制電解發(fā)生區(qū)域，就能實現(xiàn)微細電解，即可達到對金屬表面進行去除加工的目的。刃口電極采用刃口作為加工區(qū)域，由于刃口處的尖端效應(yīng)，接近刃口處的電場強度遠大于其他區(qū)域，因此電解加工區(qū)域微小，可以有效地克服傳統(tǒng)電解加工雜散腐蝕定域性差的缺點。同時由于工具電極接脈沖電源的陰極，不會發(fā)生電化學腐蝕，理論上不會產(chǎn)生電極損耗。
本發(fā)明在高精度加工測量平臺的基礎(chǔ)上，采用高頻窄脈寬脈沖電源和刃口電極進行微細電解磨削，刃口電極與待加工電極為點接觸，電解加工區(qū)域為微小刃口，可以有效地克服傳統(tǒng)電解加工雜散腐蝕定域性差的缺點。同時由于工具電極接脈沖電源的陰極，不會發(fā)生電化學腐蝕，理論上不會產(chǎn)生電極損耗，為微細電加工的微細電極提供了一種在線制造的方法。
具體實施例方式
本發(fā)明采用的微細電加工平臺具用進給分辨率為0.1μm、重復定位誤差不大于2μm，微細電極在線檢測裝置具有1.61μm的分辨率和113-729的放大率。刃口電極在機床數(shù)控系統(tǒng)的控制下，由執(zhí)行機構(gòu)帶動進行逐層電解磨削去除柱狀微細電極材料，最終得到需要的尺寸。在加工過程中，每磨削完一層，利用微細電極在線檢測裝置觀察和測量微細電極，確定下一步磨削的電參數(shù)和進給量。
實施例1被加工電極材料為銀鎢合金，刃口電極采用不銹鋼刀片，電解液采用濃度為1-2％的硝酸鈉溶液，加工電壓為6V，脈寬和脈間都是30μs，進給速度是1μm/s。
實施效果電流波形穩(wěn)定，很少發(fā)生短路和火花發(fā)電現(xiàn)象，刃口電極沒有損耗，可以穩(wěn)定的加工出微細柱狀電極，加工效率較高。
實施例2被加工電極材料為銀鎢合金，刃口電極采用不銹鋼刀片，電解液采用濃度為1-2％的硝酸鈉溶液，加工電壓為10V，脈寬和脈間都是50μs，進給速度是0.5μm/s。
實施效果電流波形比較穩(wěn)定，偶爾發(fā)生火花發(fā)電現(xiàn)象，刃口電極有少許損耗，可以加工出微細柱狀電極，加工效率較高。
實施例3被加工電極材料為銀鎢合金，刃口電極采用不銹鋼刀片，電解液采用濃度為3-4％的氯酸鈉溶液，加工電壓為6V，脈寬和脈間都是30μs，進給速度是1μm/s。
實施效果電流波形穩(wěn)定，很少發(fā)生短路和火花發(fā)電現(xiàn)象，刃口電極沒有損耗，可以穩(wěn)定的加工出微細柱狀電極，加工效率較高。
權(quán)利要求
1.一種基于刃口電極微細電解磨削的微細電極在線制造方法，其特征在于，包括如下步驟(1)采用高精度的加工測量平臺微細電加工平臺進給分辨率為0.1μm、重復定位誤差小于等于2μm，微細電極在線檢測裝置具有1.61μm的分辨率和113-729的放大率；(2)采用高頻窄脈寬脈沖電源脈沖電源集脈沖信號發(fā)生、功率放大與加工電流和加工電壓的檢測于一體，能穩(wěn)定輸出最小脈寬為300ns、電壓0-10V和電流0-2A可調(diào)的脈沖；(3)選擇低濃度的電解液；(4)微細電解磨削加工刃口電極在機床數(shù)控系統(tǒng)的控制下，由執(zhí)行機構(gòu)帶動進行逐層電解磨削去除柱狀微細電極材料，最終得到需要的尺寸，在加工過程中，每磨削完一層，利用微細電極在線檢測裝置觀察和測量微細電極，確定下一步磨削的電參數(shù)和進給量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于刃口電極微細電解磨削的微細電極在線制造方法，其特征是，所述的高頻窄脈寬脈沖電源，脈寬和脈間均在300ns-50μs范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于刃口電極微細電解磨削的微細電極在線制造方法，其特征是，所述的低濃度電解液采用1-2％的硝酸鈉溶液或者3-4％的氯酸鈉溶液。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于刃口電極微細電解磨削的微細電極在線制造方法，其特征是，所述的微細電解磨削加工，采用的進給速度是0-3μm/s。
全文摘要
一種基于刃口電極微細電解磨削的微細電極在線制造方法，屬于特種加工技術(shù)領(lǐng)域。具體為采用的微細電加工平臺進給分辨率為0.1μm、重復定位誤差不大于2μm，微細電極在線檢測裝置具有1.61μm分辨率和113－729放大率；脈沖電源集脈沖信號發(fā)生、功率放大與加工電流和加工電壓的檢測于一體，能穩(wěn)定輸出最小脈寬為300ns、電壓0－10V和電流0－2A可調(diào)的脈沖；選擇低濃度的電解液；刃口電極在機床數(shù)控系統(tǒng)的控制下，由執(zhí)行機構(gòu)帶動進行逐層電解磨削去除柱狀微細電極材料，最終得到需要的尺寸，在加工過程中，每磨削完一層，利用微細電極在線檢測裝置觀察和測量微細電極，確定下一步磨削的電參數(shù)和進給量。本發(fā)明可以有效地克服傳統(tǒng)電解加工雜散腐蝕定域性差的缺點。
文檔編號B24B1/00GK1864922SQ20061002796
公開日2006年11月22日 申請日期2006年6月22日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月22日
發(fā)明者趙萬生 申請人:上海交通大學