基于陰極優(yōu)化的陣列微細群電極制備方法及裝置制造方法
【專利摘要】一種基于陰極優(yōu)化的陣列群電極制備方法，包括以下步驟：(1)陣列電極毛坯制作；(2)群電極夾具表面涂覆一層環(huán)氧樹脂絕緣膠，所述陣列群電極毛坯裸露；(3)根據(jù)毛坯結(jié)構(gòu)尺寸，設(shè)計陣列群電極電化學(xué)加工間隙電場物理模型，設(shè)定加工電壓U、電解液電導(dǎo)率參數(shù)κ；根據(jù)設(shè)定參數(shù)制備側(cè)面圓柱面陰極和球面陰極；(4)側(cè)面圓柱面陰極和陣列電極毛坯一起浸沒入電解液，基于模擬分析參數(shù)進行實驗加工，通過調(diào)節(jié)加工電壓實現(xiàn)工具電極軸向直徑尺寸一致性控制，實現(xiàn)所需尺寸陣列微細群電極電化學(xué)制備。以及提供一種基于陰極優(yōu)化的陣列群電極制備裝置。本發(fā)明拓寬可加工材料、工藝簡單、加工效率較高、成本低。
【專利說明】基于陰極優(yōu)化的陣列微細群電極制備方法及裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微細加工、特種加工【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是一種微細群電極制備方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著航空航天、電子工業(yè)、精密儀器及現(xiàn)代醫(yī)療器械的發(fā)展，有陣列微小孔結(jié)構(gòu)的零部件在許多領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用前景，如航空發(fā)動機空氣導(dǎo)管阻尼套、光纖連接器、精密過濾器、化纖噴絲板、打印機噴嘴、印刷電路板等，這些孔的孔徑尺寸通常為幾十至幾百微米、深幾十微米至幾毫米、數(shù)量幾十至幾千個不等。針對此類結(jié)構(gòu)的加工是實現(xiàn)其在工業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵。微細電火花加工技術(shù)和微細電解加工技術(shù)以其自身的加工特點，可進行微細陣列孔的加工。然而，微細陣列電極的制備是實現(xiàn)該兩種方法的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
[0003]微細陣列電極制備方法包括:LIGA技術(shù)、U V-LIGA技術(shù)、電火花線切割法、電火花反拷法、電化學(xué)腐蝕法等。LIGA技術(shù)由于需要使用昂貴的同步X射線發(fā)生器作為光源，所以成本非常高;U V-LIGA技術(shù)雖然成本較LIGA技術(shù)有所降低，但其工藝過程仍然復(fù)雜，且LIGA技術(shù)和UV-LIGA技術(shù)主要加工銅/鎳及其合金材料，不能加工耐高溫高硬度鎢材料；電火花線切割技術(shù)只能加工方形結(jié)構(gòu)；電火花反拷法工序較多，設(shè)備復(fù)雜，加工效率低，且中間電極存在著嚴重的損耗；平板+半圓柱陰極電化學(xué)腐蝕法只能加工排狀群電極，對于陣列電極則不適用。
[0004]電化學(xué)方法是基于陽極溶解的原理將材料去除的，加工中材料去除以離子的形式進行，原理上可實現(xiàn)原子級別去除，加工精度較高；且加工中不存在力的作用，加工后微細工具電極不存在變形；因此電化學(xué)方法可用于微細工具電極的制備，以往電化學(xué)腐蝕法制備微細電極研究方法[CN100544874C]，可實現(xiàn)排狀群電極加工，然而對于陣列微細電極制備方法鮮有報導(dǎo)。
[0005]本發(fā)明基于實驗研究基礎(chǔ)上產(chǎn)生，前期研究實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用平行板工具陰極加工排狀群電極時(圖1)，電極表面電流密度分布如圖2所示。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了克服已有微細群電極制備方法及裝置的可加工材料受限、工藝復(fù)雜、加工效率較低、成本高的不足，本發(fā)明提供一種拓寬可加工材料、工藝簡單、加工效率較高、成本低的基于陰極優(yōu)化的陣列微細群電極制備方法及裝置。
[0007]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:
[0008]一種基于陰極優(yōu)化的陣列群電極制備方法，所述制備方法包括以下步驟:
[0009](I)陣列電極毛坯制作:將金屬材料切割成正多邊形截面的陣列結(jié)構(gòu)，其截面邊長尺寸為a，電極長度L和間距d ；
[0010](2)群電極夾具表面涂覆一層環(huán)氧樹脂絕緣膠，所述陣列群電極毛坯裸露；
[0011](3)根據(jù)毛坯結(jié)構(gòu)尺寸，設(shè)計陣列群電極電化學(xué)加工間隙電場物理模型，設(shè)定加工電壓U、電解液電導(dǎo)率參數(shù)K ;側(cè)面圓柱面陰極的圓柱面半徑R，軸線距離陣列電極側(cè)面距離D1，旋轉(zhuǎn)角α ;球面陰極的球面半徑ΦΙ陰極球心距離陣列毛坯中心電極距離D2，球面輻射角β根據(jù)設(shè)定參數(shù)制備側(cè)面圓柱面陰極和球面陰極；
[0012](4)所述群電極夾具的四周安裝四塊側(cè)面圓柱面陰極，在所述群電極夾具的上方布置球面陰極，所述陣列微細群電極毛坯的中心與所述球面陰極的中心位于同一鉛垂線上；側(cè)面圓柱面陰極和陣列電極毛坯一起浸沒入電解液，基于模擬分析參數(shù)進行實驗加工，通過調(diào)節(jié)加工電壓實現(xiàn)工具電極軸向直徑尺寸一致性控制，實現(xiàn)所需尺寸陣列微細群電極電化學(xué)制備。
[0013]進一步，所述步驟(4)中，結(jié)合在線顯微鏡觀察并測量工具電極直徑變化，實現(xiàn)所需尺寸陣列微細群電極電化學(xué)制備。
[0014]更進一步,所述步驟(3)中，圓柱面工具陰極內(nèi)表面、球面陰極內(nèi)表面涂覆一層絕緣膠。
[0015]所述步驟(3)中，采用有限元優(yōu)化方法設(shè)計陰極結(jié)構(gòu):設(shè)置目標(biāo)函數(shù)Function為陽極表面各電極電流密度差最小，在設(shè)定尺寸OR、D2和球面輻射角β前提下，優(yōu)化分析得到側(cè)面工具陰極圓柱面半徑R，軸線距離陣列電極側(cè)面距離D1，旋轉(zhuǎn)角α ;基于優(yōu)化分析得到的R、D1和α，再次優(yōu)化得到陰極球面半徑OR，陰極球心距離陣列毛坯中心電極距離D2，球面輻射角β ;根據(jù)優(yōu)化結(jié)果制備工具陰極。
[0016]一種基于陰極優(yōu)化的陣列微細群電極制備裝置，包括機床、電解槽和加工電源，所述電解槽的內(nèi)腔底部設(shè)有用于放置待加工陣列微細群電極毛坯的群電極夾具，所述群電極夾具的四周安裝四塊側(cè)面圓柱面陰極，在所述群電極夾具的上方布置球面陰極，所述陣列微細群電極毛坯的中心與所述球面陰極的中心位于同一鉛垂線上，所述球面陰極安裝在所述機床上，所述球面陰極、側(cè)面圓柱面陰極與所述加工電源的負極連接，所述待加工陣列微細群電極毛坯與所述加工電源的陽極連接。
[0017]進一步,在所述圓柱面工具陰極內(nèi)表面、球面陰極內(nèi)表面、群電極夾具涂覆一層絕緣月父層。
[0018]更進一步，所述裝置還包括在線顯微鏡，所述在線顯微鏡位于所述電解槽的側(cè)面，所述電解槽的側(cè)面設(shè)有觀察窗。
[0019]與現(xiàn)有加工技術(shù)相比較，本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
[0020]I)可加工直徑尺寸一致的陣列微細群電極，群電極材料可為鎢、硬質(zhì)合金等以往加工方法無法加工的材料；
[0021]2)群電極直徑方便控制，可加工大長徑比電極，受加工設(shè)備限制小。
[0022]3)加工效率高，無需特殊模板，一次性可成形多個電極；
[0023]因此，該發(fā)明方法工藝過程簡單，可實現(xiàn)性和可操縱性好，成本低。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1是現(xiàn)有的平行板陰極電化學(xué)加工排狀群電極原理圖。
[0025]圖2是圖1加工時電極表面電流密度分布趨勢圖。
[0026]圖3是本發(fā)明的基于陰極優(yōu)化的陣列微細群電極制備的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]圖4是陰極優(yōu)化陣列微細群電極結(jié)構(gòu)圖。[0028]圖5是陣列微細群電極制備方法的流程圖。
[0029]圖6是群電極直徑隨著加工時間變化的規(guī)律圖。
[0030]圖7是加工后的陣列微細群電極結(jié)構(gòu)圖。
[0031]圖8是各種不同截面的陣列群電極的毛坯截面圖。
【具體實施方式】
[0032]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步描述。
[0033]參照圖3?圖8，一種基于陰極優(yōu)化的陣列群電極制備方法，包括以下步驟:
[0034](I)陣列電極毛坯制作:將金屬材料切割成正多邊形截面陳列結(jié)構(gòu)，其截面邊長尺寸為a，電極長度L，間距d。
[0035](2)群電極基座表面涂覆一層環(huán)氧樹脂絕緣膠，保持正多邊形截面陳列群電極毛還裸露。
[0036](3)根據(jù)毛坯結(jié)構(gòu)尺寸，設(shè)計陣列群電極電化學(xué)加工間隙電場物理模型，設(shè)定加工電壓U、電解液電導(dǎo)率參數(shù)K，采用有限元優(yōu)化方法設(shè)計陰極結(jié)構(gòu)(如圖4)，設(shè)置目標(biāo)函數(shù)Function為陽極表面各電極電流密度差最小，在設(shè)定尺寸OR、D2和球面輻射角β前提下，優(yōu)化分析得到側(cè)面圓柱面陰極的圓柱面半徑R，軸線距離陣列電極側(cè)面距離D1，旋轉(zhuǎn)角α ；基于優(yōu)化分析得到的R、Dl和α，再次優(yōu)化得到球面陰極的球面半徑ΦΙ陰極球心距離陣列毛坯中心電極距離D2，球面輻射角；
[0037](4)所述群電極夾具的四周安裝四塊側(cè)面圓柱面陰極，在所述群電極夾具的上方布置球面陰極，所述陣列微細群電極毛坯的中心與所述球面陰極的中心位于同一鉛垂線上；側(cè)面圓柱面陰極和陣列群電極毛坯一起浸沒入電解液，基于模擬分析參數(shù)進行實驗加工，通過調(diào)節(jié)加工電壓實現(xiàn)工具電極軸向直徑尺寸一致性控制，結(jié)合在線顯微鏡觀察并測量工具電極直徑變化，實現(xiàn)所需尺寸陣列微細群電極電化學(xué)制備。
[0038]本發(fā)明的陣列電極毛坯的橫截面為正方形、正三角形、正五邊形或正六邊形。如圖8所示，(a)為正三角形，(b)為正方形；(C)為正六邊形；(d)為正五邊形。
[0039]本發(fā)明所涉及的球面陰極優(yōu)化陳列微細群電極電化學(xué)加工方法流程如圖5。
[0040]本發(fā)明中，采用圓柱面、球面形狀工具陰極，通過優(yōu)化設(shè)計圓柱面直徑、軸線距離陣列群電極側(cè)面距離、旋轉(zhuǎn)角、球面直徑、擴散角、距離群電極尖端距離，可以制備出直徑尺寸一致的陣列微細群電極結(jié)構(gòu)，以便在微細加工中得到應(yīng)用。
[0041]其次，本發(fā)明采用球面工具陰極在上，工件在下的布置方式，有效避免了工具陰極產(chǎn)生氣泡包覆在群電極表面，抑制群電極表面材料的去除，影響群電極成形形狀和表面質(zhì)量。
[0042]圓柱面工具陰極內(nèi)表面、球面陰極內(nèi)表面、群電極基座涂覆一層絕緣膠,在相同電量的情況下，可提高加工速度，同時涂覆絕緣層屏蔽了部分電場，有助于陰極優(yōu)化設(shè)計中電場分布的均勻性。
[0043]本發(fā)明采用在線顯微鏡觀察、在線測量群電極形狀變化規(guī)律及尺寸大小，可以對電極成形進行實時控制，降低群電極制備的失敗率。
[0044]參照圖3，一種基于陰極優(yōu)化的陣列微細群電極制備裝置，包括機床1、電解槽4和加工電源7，所述電解槽4的內(nèi)腔底部設(shè)有用于放置待加工陣列微細群電極毛坯的群電極夾具3，所述群電極夾具3的四周安裝四塊側(cè)面圓柱面陰極5，在所述群電極夾具3的上方布置球面陰極6，所述陣列微細群電極毛坯的中心與所述球面陰極6的中心位于同一鉛垂線上，所述球面陰極6安裝在所述機床I上，所述球面陰極6與所述加工電源7的負極連接，所述待加工陣列微細群電極毛坯與所述加工電源7的陽極連接。
[0045]進一步，所述裝置還包括在線顯微鏡8，所述在線顯微鏡8位于所述電解槽4的側(cè)面，所述電解槽4的側(cè)面設(shè)有觀察窗。
[0046]更進一步,在所述圓柱面工具陰極內(nèi)表面、球面陰極內(nèi)表面、群電極夾具涂覆一層絕緣膠層。
[0047]本實施例中，選擇鎢作為原材料，采用電火花線切割的方式，將鎢塊端部加工成截面尺寸0.5mmX0.5mm、間距1mm、高5mm、3X3陣列形式，如圖3所示群電極2結(jié)構(gòu)。接下來，將3X3陣列安裝于電解液槽內(nèi)群電極夾具上，并連接加工電源陽極，球面工具陰極安裝于機床Z軸上，連接工件陽極，機床帶動工具陰極運動，根據(jù)有限元優(yōu)化條件(優(yōu)化時設(shè)置加工電壓為6V，電解液電導(dǎo)率)，調(diào)整工具陰極與群電極間相對位置，取Dl = 33.6mm, R=30mm，α = 8.9°，D2 = 25.6mm，OR = 16.8mm，β = 37°。
[0048]電解液槽內(nèi)充滿濃度4 %的NaOH，電解液浸沒圓柱面/球面工具陰極及陣列群電極毛坯，開啟在線顯微鏡系統(tǒng)，接通并設(shè)置加工電源加工電壓為6V，顯微鏡系統(tǒng)檢測并記錄微細電極直徑尺寸及形狀變化，觀察發(fā)現(xiàn)棱邊處材料首先溶解，隨著加工進行，群電極截面形狀逐漸趨于圓形，隨后電極直徑隨加工時間進行逐漸減小，其變化規(guī)律如圖6所示。當(dāng)直徑尺寸達到所需要求時，切斷加工電源，獲得所需陣列微細群電極，結(jié)構(gòu)如圖7所示。
【權(quán)利要求】
1.一種基于陰極優(yōu)化的陣列群電極制備方法，其特征在于:所述制備方法包括以下步驟: (1)陣列電極毛坯制作:將金屬材料切割成正多邊形截面的陣列結(jié)構(gòu)，其截面邊長尺寸為a，電極長度L和間距d; (2)群電極夾具表面涂覆一層環(huán)氧樹脂絕緣膠，所述陣列群電極毛坯裸露； (3)根據(jù)毛坯結(jié)構(gòu)尺寸，設(shè)計陣列群電極電化學(xué)加工間隙電場物理模型，設(shè)定加工電壓U、電解液電導(dǎo)率參數(shù)K ;側(cè)面圓柱面陰極的圓柱面半徑R，軸線距離陣列電極側(cè)面距離D1，旋轉(zhuǎn)角α ;球面陰極的球面半徑ΦΙ陰極球心距離陣列毛坯中心電極距離D2，球面輻射角β，根據(jù)設(shè)定參數(shù)制備側(cè)面圓柱面陰極和球面陰極； (4)所述群電極夾具的四周安裝四塊側(cè)面圓柱面陰極，在所述群電極夾具的上方布置球面陰極，所述陣列微細群電極毛坯的中心與所述球面陰極的中心位于同一鉛垂線上；側(cè)面圓柱面陰極和陣列電極毛坯一起浸沒入電解液，基于模擬分析參數(shù)進行實驗加工，通過調(diào)節(jié)加工電壓實現(xiàn)工具電極軸向直徑尺寸一致性控制，實現(xiàn)所需尺寸陣列微細群電極電化學(xué)制備。
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于陰極優(yōu)化的陣列群電極制備方法，其特征在于:所述步驟(4)中，結(jié)合在線顯微鏡觀察并測量工具電極直徑變化，實現(xiàn)所需尺寸陣列微細群電極電化學(xué)制備。
3.如權(quán)利要求1或2所述的一種基于陰極優(yōu)化的陣列群電極制備方法，其特征在于:所述步驟(3)中，圓柱面工具陰極內(nèi)表面、球面陰極內(nèi)表面涂覆一層絕緣膠。
4.如權(quán)利要求1或2所述的一種基于陰極優(yōu)化的陣列群電極制備方法，其特征在于:所述步驟(3)中，采用有限元優(yōu)化方法設(shè)計陰極結(jié)構(gòu):設(shè)置目標(biāo)函數(shù)Function為陽極表面各電極電流密度差最小，在設(shè)定尺寸OR、D2和球面輻射角β前提下，優(yōu)化分析得到側(cè)面工具陰極圓柱面半徑R，軸線距離陣列電極側(cè)面距離D1，旋轉(zhuǎn)角α ;基于優(yōu)化分析得到的R、D1和α，再次優(yōu)化得到陰極球面半徑ΦΙ陰極球心距離陣列毛坯中心電極距離D2，球面輻射角β ;根據(jù)優(yōu)化結(jié)果制備工具陰極。
5.一種基于陰極優(yōu)化的陣列微細群電極制備裝置，包括機床、電解槽和加工電源，其特征在于:所述電解槽的內(nèi)腔底部設(shè)有用于放置待加工陣列微細群電極毛坯的群電極夾具，所述群電極夾具的四周安裝四塊側(cè)面圓柱面陰極，在所述群電極夾具的上方布置球面陰極，所述陣列微細群電極毛坯的中心與所述球面陰極的中心位于同一鉛垂線上，所述球面陰極安裝在所述機床上，所述球面陰極、側(cè)面圓柱面陰極與所述加工電源的負極連接，所述待加工陣列微細群電極毛坯與所述加工電源的陽極連接。
6.如權(quán)利要求5所述的一種基于陰極優(yōu)化的陣列微細群電極制備裝置，其特征在于:在所述圓柱面工具陰極內(nèi)表面、球面陰極內(nèi)表面、群電極夾具涂覆一層絕緣膠層。
7.如權(quán)利要求5或6所述的一種基于陰極優(yōu)化的陣列微細群電極制備裝置，其特征在于:所述裝置還包括在線顯微鏡，所述在線顯微鏡位于所述電解槽的側(cè)面，所述電解槽的側(cè)面設(shè)有觀察窗。
【文檔編號】B23H3/04GK104001998SQ201410192639
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年5月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月8日
【發(fā)明者】王明環(huán), 何志偉, 張力, 姚春燕, 章巧芳, 彭偉 申請人:浙江工業(yè)大學(xué)