專利名稱：金屬微細群柱結(jié)構(gòu)電解反拷加工方法及專用工具的制作方法
技術領域：
本發(fā)明的金屬微細群柱結(jié)構(gòu)電解反拷加工方法及專用工具，屬高深寬比金屬 微結(jié)構(gòu)制造工藝方法及裝置技術領域。
背景技術：
微細陣列群孔作為一種典型的微細結(jié)構(gòu)，在航空航天、精密儀器、化纖等領 域有著廣泛的應用，如高速打印機噴嘴板、光纖連接器、化纖噴絲板、微過濾網(wǎng) 以及電子顯微鏡光柵等。微細電加工相對于常規(guī)鉆削加工具有無機械切削力作 用，加工精度和加工效率高等優(yōu)點，因此其在微細群孔結(jié)構(gòu)的加工方面具有廣泛 的應用前景。其中，工具電極的制作是微細電加工中一個重要的環(huán)節(jié)。目前，微 細電極的制作方法主要有電化學腐蝕法、線電極電火花磨削(WEDG)等，但上述 方法往往只能獲得單個或數(shù)個微細電極，致使微細電加工的加工效率不高。目前， 國內(nèi)外已開始研究使用微細群柱結(jié)構(gòu)來進行微細電加工，以顯著提高加工效率。 制作微細群柱結(jié)構(gòu)的方法主要有
① LIGA (lithographie， galvanoformung und abformung)技術,雖然釆用 LIGA技術可以獲得厚度達l-2mm、深寬比高達IOO以上且側(cè)壁陡直的微結(jié)構(gòu)， 但是由于LIGA技術需要昂貴的同步輻射光源，成本高、周期長，從而限制了它 的應用范圍。
② 微細電火花反拷(REDM)技術，該技術先通過電火花加工制作陣列金屬網(wǎng) 板，然后以此網(wǎng)板為工具電極進行微細電火化加工從而得到微細群柱結(jié)構(gòu)。但此 方法的工具電極存在損耗，不能重復利用。
因此，有必要研究出新的加工效率高、成本低廉的微細群柱結(jié)構(gòu)加工方法。 有人嘗試過像微細電火花反拷套料技術那樣用金屬網(wǎng)板作為工具進行微細電解 反拷套料UECM)加工，但是只得到了微凸臺結(jié)構(gòu)。這是由于新加工出的群柱底 面存在電場分布，見圖2,從而導致群柱不斷被蝕除造成的，見圖l。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種金屬微細群柱結(jié)構(gòu)電解反拷加工方法及專用工 具，利用該方法及專用工具能夠髙效、低成本的制作高深寬比微細群柱結(jié)構(gòu)。
一種微細群柱結(jié)構(gòu)電解反拷加工方法，通過工控機的控制，使帶有陣列微細 群孔的專用工具和工件陽極做相向運動進行電解加工，其特征在于上述帶有陣
列微細群孔的專用工具為依次由金屬層、絕緣層、輔助陽極層組成的三層復合結(jié) 構(gòu)，且金屬層作為陰極，輔助陽極層與陽極相連；利用輔助陽極層將原本分布在
已加工群柱表面的電力線吸引到輔助陽極層表面，以有效減弱新產(chǎn)生群柱表面的 電場強度，從而保護新產(chǎn)生的群柱不被蝕除。
上述微細群柱結(jié)構(gòu)電解反拷方法的專用工具，其特征為專用工具為依次由 金屬層、絕緣層、輔助陽極層組成的三層復合結(jié)構(gòu)，且?guī)в嘘嚵形⒓毴嚎住?可見，本發(fā)明的特點是
1、 利用輔助陽極層將原本分布在已加工群柱表面的電力線吸引到輔助陽極 層表面，有效減弱新產(chǎn)生群柱表面的電場強度，從而有效保護新產(chǎn)生的群柱不被 蝕除(圖6 )。圖中曲線25表示直接采用金屬網(wǎng)板作為工具時群柱表面的電場分 布，曲線26表示采用金屬層19、絕緣層20、輔助陽極層21組成的三層復合結(jié) 構(gòu)作為專用工具時群柱表面的電場分布。由圖6可知，采用專用工具后，群柱表 面的電場強度顯著降低到接近為零的程度，可以有效保護新產(chǎn)生的群柱結(jié)構(gòu)不被 蝕除，從而得到髙深寬比的微細群柱結(jié)構(gòu)。
2、 工件陽極相對于專用工具做相對運動，從而加工出微細群柱結(jié)構(gòu)。裝置 不僅解決了電解反拷套料加工技術只能得到微凸臺的問題，而且制作的專用工具 可以重復使用，大大降低了成本。
因此，采用上述電解反拷加工工藝及其專用工具，能制造出高深寬比且成本 低廉的金屬微細群柱結(jié)構(gòu)。


圖1是直接釆用金屬網(wǎng)板作為工具時電解反拷加工過程示意圖。 圖2是直接釆用金屬網(wǎng)板作為工具時陰陽極間的電場分布示意圖。 圖3是本發(fā)明給出的電解反拷加工工藝裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是本發(fā)明給出的采用金屬層、絕緣層、輔助陽極層組成的三層復合結(jié)構(gòu) 制作的專用工具示意圖。
圖5是釆用金屬層、絕緣層、輔助陽極層組成的三層復合結(jié)構(gòu)制作的專用工 具進行電解反拷加工的過程示意圖。
圖6是采用金屬層、絕緣層、輔助陽極層組成的三層復合結(jié)構(gòu)作為專用工具 與直接采用金屬網(wǎng)板作為工具時群柱表面的電場強度對比曲線。
圖中標號名稱1、步進電機，2、 Z軸，3、工控機，4、電源，5、壓力表， 6、流量計，7調(diào)節(jié)閥，8、過濾網(wǎng)，9、泵，10、儲液槽，11、機床本體，12、 電解液槽，13、噴頭，14、專用工具，15、陰極夾具，16、工件陽極，17、陽極 夾具。18、金屬網(wǎng)板，19、金屬層，20、絕緣層，21、輔助陽極層，22、微細群 柱電極，23、群凸臺結(jié)構(gòu)，24、新生成的群柱表面，25、直接采用金屬網(wǎng)板作為 工具時群柱表面的電場分布曲線，26、釆用金屬層(19)、絕緣層(20)、輔助陽極 層(21)組成的三層復合結(jié)構(gòu)作為專用工具時群柱表面的電場分布曲線。
具體實施例方式
實施本發(fā)明的裝置，如圖3所示，其裝置包括步進電機l、電源4、壓力表5、 流量計6、調(diào)解閩7、過濾網(wǎng)8、泵9、儲液槽IO、機床本體ll、電解液槽12。 其特點是工件陽極16通過陽極夾具17與Z軸2相連，帶有微細群孔結(jié)構(gòu)的專用 工具14通過陰極夾具安裝在電解液槽中，工控機3控制Z軸2做豎直向下的運 動，以此帶動工件陽極16和專用工具14做相對運動，同時伴以電化學蝕除過程， 從而得到髙深寬比微細群柱結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明專利原理當直接采用金屬網(wǎng)板作為工具進行微細電解反拷(RECM) 加工時，只能得到微凸臺結(jié)構(gòu)。這是由于新加工出的群柱表面存在電場分布，有 較密集的電力線，這表明電場強度較大，見圖2，從而導致群柱不斷被蝕除造成 的，見圖l。采用金屬層、絕緣層、輔助陽極層組成的三層復合結(jié)構(gòu)作為專用工 具，利用輔助陽極層將電力線吸引到輔助陽極層表面，有效減弱新產(chǎn)生群柱表面 的電場強度，從而有效保護新產(chǎn)生的群柱不被蝕除(圖4)。圖6中曲線25表示 直接釆用金屬網(wǎng)板作為工具電極時群柱表面的電場分布，曲線26表示采用金屬 層19、絕緣層20、輔助陽極層21組成的三層復合結(jié)構(gòu)作為專用工具時群柱表面
的電場分布。由圖6可知，采用輔助陽極層后，群柱表面的電場強度顯著降低到
接近為零的程度，保護新產(chǎn)生的群柱結(jié)構(gòu)不被蝕除，從而得到髙深寬比的群柱結(jié) 構(gòu)。
本發(fā)明專利過程首先制作陣列微細群孔結(jié)構(gòu)作為專用工具，然后采用微 細電解反拷(RECM)的方法一_即工件陽極相對于專用工具做相對運動，制作陣列 微細群柱結(jié)構(gòu)。其中，專用工具是通過在金屬層19、絕緣層20、輔助陽極層21 組成的三層復合結(jié)構(gòu)上加工出陣列微細群孔而獲得，如圖5。
該方法的具體步驟如下
(1) 將金屬層19、絕緣層20、輔助陽極層21三層按順序粘貼在一起。
(2) 在三層復合結(jié)構(gòu)上加工出要求的群孔微細結(jié)構(gòu)，如圓形、四邊形等。
(3) 以帶有微細群孔結(jié)構(gòu)的專用工具的金屬層作為陰極，輔助陽極層21與工 件同接正極，接通電源，噴射電解液，工件陽極16在Z軸2的帶動下相對于專 用工具做向下的相對運動，同時伴以電解加工，從而得到微細群柱結(jié)構(gòu)。
權利要求
1.一種金屬微細群柱結(jié)構(gòu)電解反拷加工方法。通過工控機的控制，使帶有陣列微細群孔的專用工具和工件陽極做相向運動進行電解加工，其特征在于上述帶有陣列微細群孔的專用工具為依次由金屬層(19)、絕緣層(20)、輔助陽極層(21)組成的三層復合結(jié)構(gòu)，且金屬層(19)作為陰極，輔助陽極層(21)與工件陽極相連；利用輔助陽極層(21)與工件電極電位相等的特點，將電力線吸引到輔助陽極表面，以有效減弱新產(chǎn)生群柱表面的電場強度，從而保護新產(chǎn)生的群柱不被蝕除。
2、 根據(jù)權利要求1所述的金屬微細群柱結(jié)構(gòu)電解反拷方法的專用工具，其 特征為專用工具為依次由金屬層(19)、絕緣層(20)、輔助陽極層(21)組成 的三層復合結(jié)構(gòu)，且?guī)в嘘嚵形⒓毴嚎住?br> 全文摘要
一種金屬微細群柱結(jié)構(gòu)電解反拷加工方法及專用工具，屬高深寬比金屬微結(jié)構(gòu)制造工藝方法及裝置技術領域。通過工控機的控制，使帶有陣列微細群孔的專用工具和工件陽極做相向運動進行電解加工，其特征在于上述帶有陣列微細群孔的專用工具為依次由金屬層(19)、絕緣層(20)、輔助陽極層(21)組成的三層復合結(jié)構(gòu)，且金屬層(19)作為陰極，輔助陽極層(21)與工件陽極相連；利用輔助陽極層(21)將電力線吸引到輔助陽極表面，以有效減弱新產(chǎn)生群柱表面的電場強度，從而有效保護新產(chǎn)生的群柱不被蝕除。利用本發(fā)明，可以高效、低成本的制造出深寬比不受限制(理論上)、的金屬微細群柱結(jié)構(gòu)。
文檔編號B23H3/00GK101367143SQ200810022328
公開日2009年2月18日 申請日期2008年7月9日 優(yōu)先權日2008年7月9日
發(fā)明者曲寧松, 荻 朱, 胡洋洋 申請人:南京航空航天大學