微細(xì)群線線電極在線制備方法
【專利摘要】一種微細(xì)群線線電極在線制備方法，屬精密微細(xì)電化學(xué)加工領(lǐng)域。其特征在于包括以下過程：1、將微米級鎢絲安裝在群線電極夾具上,并將陰極工具安裝在電解槽中；所述陰極工具具有與電極絲對應(yīng)的陰極孔，為由金屬層和其兩側(cè)的絕緣層組成的“三明治”對接結(jié)構(gòu)；2、電解槽中加入堿性電解液將陰極工具完全浸沒；3、工具陰極和群線電極分別接直流電源正、負(fù)極，實(shí)現(xiàn)工具陰極中金屬層陰極孔徑的擴(kuò)大，形成“內(nèi)凹”結(jié)構(gòu)；4、群線電極和工具陰極分別接直流電源正、負(fù)極，并使線電極做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)；5、更換酸性電解液，并將工具陰極替換為工件,使群線電極和工件分別接超高頻窄脈沖電源的正、負(fù)極，以實(shí)現(xiàn)微細(xì)電解線切割加工。
【專利說明】微細(xì)群線線電極在線制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種微細(xì)群線電極在線制備及微細(xì)電解線切割加工方法、裝置，屬精密微細(xì)電化學(xué)加工領(lǐng)域。
技術(shù)背景
[0002]隨著微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)品多樣性的豐富，MEMS已廣泛應(yīng)用于各工業(yè)生產(chǎn)、生活及學(xué)習(xí)各個(gè)領(lǐng)域。MEMS技術(shù)的發(fā)展進(jìn)一步促進(jìn)了 RF技術(shù)、通信技術(shù)、安全監(jiān)測預(yù)警和航空航天技術(shù)的發(fā)展。MEMS的廣泛應(yīng)用必將極大提高社會生產(chǎn)力和人民的生活質(zhì)量。微機(jī)械結(jié)構(gòu)的制造是MEMS技術(shù)的一個(gè)先決條件。MEMS的一個(gè)基本特征是其尺寸的微型化，最小可達(dá)數(shù)百微米。因此，MEMS的發(fā)展對微小尺寸機(jī)械結(jié)構(gòu)的制造、加工相應(yīng)的提出了很高的需求，如何能高效、高質(zhì)量、低成本的加工出微型三維機(jī)械結(jié)構(gòu)目前已成為制約MEMS技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸技術(shù)。
[0003]目前，MEMS結(jié)構(gòu)的制備工藝基本都借鑒了半導(dǎo)體的加工工藝方法，如光刻技術(shù)、LIGA技術(shù)、準(zhǔn)LIGA技術(shù)和聚焦離子束刻蝕(FIB)技術(shù)。以上方法加工對象主要是半導(dǎo)體材料，因此對于金屬材料的加工還需進(jìn)一步改善其工藝方法，提高了制造、維護(hù)成本。此外，以上技術(shù)主要應(yīng)用于2D及2.5D結(jié)構(gòu)的制備，很難應(yīng)用于3D結(jié)構(gòu)的制造。
[0004]微細(xì)電化學(xué)制造(EMM)是基于陽極溶解原理的減材制造工藝，加工過程以離子的形式進(jìn)行，由于金屬離子的尺寸非常微小，小于納米尺度，因此微細(xì)電化學(xué)加工方法相對于其它很多微細(xì)加工方法在原理上具有優(yōu)勢。EMM具有加工精度高、加工過程不產(chǎn)生加工應(yīng)力、再鑄層的獨(dú)特優(yōu)勢，因此，EMM加工微型結(jié)構(gòu)的一種理想技術(shù)。隨著超高頻窄脈沖電源的成功應(yīng)用，EMM的加工精度已達(dá)到亞微米級甚至納米級。EMM技術(shù)加工微型結(jié)構(gòu)的工藝主要可分為微細(xì)電化學(xué)纟先削加工、微細(xì)電化學(xué)鉆孔及微細(xì)電化學(xué)線切割加工技術(shù)。其中，微細(xì)電解線切割加工技術(shù)是一種結(jié)合了線切割和電化學(xué)加工優(yōu)點(diǎn)的新型加工技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)微縫、微槽等高深寬比結(jié)構(gòu)的加工。
[0005]在微細(xì)電解線切割加工技術(shù)中，線電極的直徑直接決定著加工縫寬的大小。對于加工特征尺寸較小的縫陣列結(jié)構(gòu)，需要微米尺度的群線電極。雖然微細(xì)線電極的在線制備工藝較為成熟，但是采用先制備微細(xì)線電極，然后再組裝的方法，在裝夾及定位方面困難較大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于針對微細(xì)電解線切割中亞微米線電極裝夾困難，提出了亞微米線電極在線制備方法，使亞微米線電極的制作和后續(xù)加工在同一工藝系統(tǒng)中連續(xù)完成，并消除了由于線電極裝夾誤差所弓I起的加工誤差。
[0007]一種微細(xì)群線線電極在線制備方法，其特征在于包括以下過程:
步驟1、將微米級的電極絲安裝于工件夾具上，工件夾具安裝于Z軸精密移動(dòng)平臺；將陰極工具安裝在電解槽中；電解槽安裝于X-Y軸精密移動(dòng)平臺；所述陰極工具具有與電極絲對應(yīng)的陰極孔；所述陰極工具由金屬層和位于金屬層兩側(cè)的絕緣層組成；
步驟2、在電解槽中加堿性電解液，使陰極工具完全浸沒于堿性電解液中；
步驟3、將工具陰極接直流電源的正極，電極絲接直流電源負(fù)極，實(shí)現(xiàn)了將工具陰極上的金屬層陰極孔的孔徑的擴(kuò)大，形成“內(nèi)凹”的結(jié)構(gòu)，使得金屬層孔徑半徑比絕緣層孔徑半徑大2_4mm;
步驟4、將電極絲接直流電源正極，工具陰極接直流電源的負(fù)極，實(shí)現(xiàn)了對電極絲的電解刻蝕加工，加工過程中電極絲在Z軸方向進(jìn)行直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而將直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)幅值范圍內(nèi)的電極絲加工至亞微米尺度。
[0008]步驟5、將電解槽中堿性電解液更換為酸性電解液，將工具陰極替換為待加工工件，將待加工工件安裝到電解槽中并接到超高頻窄脈沖電源的正極，電極絲接超高頻窄脈沖電源的負(fù)極，進(jìn)行微細(xì)電解線切割加工。
[0009]本方法是基于電化學(xué)刻蝕加工的方法，使線電極的直徑逐漸變小達(dá)到亞微米尺度?；陔娀瘜W(xué)加工的特點(diǎn)，采用合適的工具陰極可實(shí)現(xiàn)同時(shí)對多個(gè)線電極進(jìn)行加工，提高加工效率。采用上下表面絕緣電極且圓孔直徑“內(nèi)凹”的工具陰極可有效的減小電化學(xué)反應(yīng)中的雜散腐蝕現(xiàn)象，增強(qiáng)電化學(xué)加工的定域性以及加工過程的可控性。在加工過程中，多絲電極夾具帶動(dòng)線電極在Z軸方向做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)電化學(xué)刻蝕加工區(qū)域不斷地、周期性的變換，經(jīng)過若干加工時(shí)間后，在加工區(qū)域內(nèi)的鎢絲直徑不斷減小，最終可加工出具有一定長度的亞微米尺度的群絲電極；在加工過程中，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測加工電流的變化實(shí)現(xiàn)電極絲直徑的預(yù)測，增強(qiáng)了加工過程的可控性。加工過程中通過電流傳感器和數(shù)據(jù)采集卡檢測采集加工過程中電流的變化，預(yù)測線電極的直徑變化，當(dāng)達(dá)到預(yù)定值時(shí)即停止加工。由此可見，本專利所發(fā)明工藝方法具有工藝連貫性好，操作簡單，精度高，可實(shí)施性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。
[0010]所述微米級電極絲可以為直徑為5(T300 u m的鎢絲。
[0011]所述陰極工具可以為拼合結(jié)構(gòu)，即在陰極孔處分割成兩部分后拼合組裝而成，有利于群線電極夾具的安裝和拆卸，保證了微細(xì)群線電極在線制備和后續(xù)加工過程的工藝連續(xù)性。微細(xì)群線電極在微細(xì)電解線切割加工中的使用可進(jìn)一步的提高其加工精度。此外，目前微細(xì)電解線切割效率較低，本專利在微細(xì)電解線切割加工過程中采用群線電極，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)微結(jié)構(gòu)的同步加工，進(jìn)一步提高了其加工效率。所述電極絲可以為多線電極絲，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)微結(jié)構(gòu)的同步加工，進(jìn)一步提高了其加工效率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1是微細(xì)群線電極在線制備裝置整體整體結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是微細(xì)群線電極夾具裝置結(jié)構(gòu)示意圖及亞微米群線電極制備原理示意圖；
圖3是陰極工具機(jī)構(gòu)意圖；
圖4是利用群線電極進(jìn)行微細(xì)電解線切割加工示意圖；
圖中標(biāo)號名稱:1、主動(dòng)隔振平臺，2、X-Y軸精密移動(dòng)平臺，3、Z軸精密移動(dòng)平臺，4、工件夾具，5、PCI運(yùn)動(dòng)控制卡，6、數(shù)據(jù)采集卡，7、電流傳感器，8、陰極工具，9、群線電極夾具，10，電解槽，11、(XD，12、視頻采集卡，13、工控機(jī)，14、直流電源，15、薄金屬鎳板，16、環(huán)氧樹脂板，17、群絲線電極夾具主體，18、翼型螺釘，19、銅棒線電極夾具，20、陰極工具部分1，21、陰極工具部分2，22、鎢絲，23、超高頻窄脈沖電源，24、加工工件?！揪唧w實(shí)施方式】
[0013]根據(jù)圖1所示，本發(fā)明的微細(xì)群線電極在線制備及裝置主要包括PCI運(yùn)動(dòng)控制卡
5、工控機(jī)13 ;還包括主動(dòng)隔振平臺1，位于主動(dòng)隔振平臺I上的X-Y軸精密移動(dòng)平臺2、機(jī)床立柱以及位于機(jī)床立柱上的Z軸精密移動(dòng)平臺3，群線安裝夾具9安裝在位于Z軸精密移動(dòng)平臺3上的工件夾具4上；水平安裝在電解槽10里面的陰極工具8，直流電源14的正負(fù)極分別連接到群線安裝夾具9和陰極工具8上的群線電極上，通過電流傳感器7測量、監(jiān)控加工中的電流值得變化；此外，還包括CXDll和視頻采集卡12。
[0014]圖2所示為微細(xì)群線電極夾具示意圖，電極絲位于工具陰極的圓孔的中心，并且是群絲電極夾具9在Z軸方向做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
[0015]圖3所示為工具陰極示意圖，主要由兩部分20和21所裝配組成，每一部分又包括三層結(jié)構(gòu)，即位于中間層的薄金屬鎳板15和兩側(cè)的環(huán)氧樹脂絕緣板16，采用陰極在半徑方向“內(nèi)縮”結(jié)構(gòu)，即使陰極孔徑大于絕緣板的孔徑。
[0016]圖4所示為利用所制備群絲電極進(jìn)行微細(xì)電解線切割加工原理示意圖，將工具陰極8卸掉，并將工件24安裝到電解槽10中，分別接到超高頻窄短脈沖電源的負(fù)極和正極。
[0017]本發(fā)明專利“一種應(yīng)用于微細(xì)電解線切割加工的亞微米群線電極的制備方法及其裝置”原理及過程:采用價(jià)格便宜、耐高溫、硬度高、綜合機(jī)械性能優(yōu)良的鎢絲作為陽極。首先，工具陰極接直流電源的正極，電極絲接直流電源負(fù)極，實(shí)現(xiàn)了將工具陰極上孔徑的擴(kuò)大，形成“內(nèi)凹”的結(jié)構(gòu)；其次，電極絲接直流電源正極，工具陰極接直流電源的負(fù)極，實(shí)現(xiàn)了對電極絲的電解刻蝕加工，可將電極絲加工至亞微米尺度；最后，更換電解液，將待加工工件安裝到電解槽中并接到超高頻窄脈沖電源的正極，電極絲接超高頻窄脈沖電源的負(fù)極，已進(jìn)行微細(xì)電解線切割加工。在加工過程中，多絲電極夾具帶動(dòng)線電極在Z軸方向做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)電化學(xué)刻蝕加工區(qū)域不斷地、周期性的變換，經(jīng)過若干加工時(shí)間后，在加工區(qū)域內(nèi)的鎢絲直徑不斷減小，最終可加工出具有一定長度的亞微米尺度的群絲電極。加工過程中通過電流傳感器和數(shù)據(jù)采集卡檢測采集加工過程中電流的變化，預(yù)測線電極的直徑，當(dāng)達(dá)到預(yù)定值時(shí)即停止加工。
【權(quán)利要求】
1.一種微細(xì)群線線電極在線制備方法，其特征在于包括以下過程: 步驟1、將微米級的電極絲(22)安裝于工件夾具(4)上，工件夾具(4)安裝于Z軸精密移動(dòng)平臺(3);將陰極工具(8)安裝在電解槽(10)中；電解槽(10)安裝于X-Y軸精密移動(dòng)平臺(2)上；所述陰極工具(8)具有與電極絲(22)對應(yīng)的陰極孔；所述陰極工具(8)由金屬層和位于金屬層兩側(cè)的絕緣層組成； 步驟2、在電解槽(10)中加堿性電解液，使陰極工具(8)完全浸沒于堿性電解液中； 步驟3、將工具陰極(8)接直流電源的正極，電極絲(22)接直流電源負(fù)極，實(shí)現(xiàn)將工具陰極(8)上的金屬層陰極孔的孔徑的擴(kuò)大，形成“內(nèi)凹”的結(jié)構(gòu)，使得金屬層孔徑半徑比絕緣層孔徑半徑大2-4mm; 步驟4、將電極絲(22)接直流電源正極，工具陰極(8)接直流電源的負(fù)極，實(shí)現(xiàn)對電極絲的電解刻蝕加工，加工過程中電極絲(22)在Z軸方向進(jìn)行直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而將直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)幅值范圍內(nèi)的電極絲(22)加工至亞微米尺度； 步驟5、將電解槽(10)中堿性電解液更換為酸性電解液，將工具陰極(8)替換為待加工工件，將待加工工件安裝到電解槽(10)中并接到超高頻窄脈沖電源的正極，電極絲(22)接超高頻窄脈沖電源的負(fù)極，進(jìn)行微細(xì)電解線切割加工。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微細(xì)群線線電極在線制備方法，其特征在于:步驟I中所述微米級電極絲(22)為直徑為5(T300iim的鎢絲。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微細(xì)群線線電極在線制備方法，其特征在于:所述陰極工具(8)為拼合結(jié)構(gòu)，即在陰極孔中心線處分割成兩部分后拼合組裝而成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微細(xì)群線線電極在線制備方法，其特征在于:所述電極絲(22)微細(xì)群線電極。
【文檔編號】B23H7/08GK103521864SQ201310481025
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年10月15日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月15日
【發(fā)明者】曾永彬, 王玉峰, 曲寧松, 朱荻 申請人:南京航空航天大學(xué)