本發(fā)明涉及一種抑制微細(xì)電化學(xué)加工雜散腐蝕的加工裝置和方法。
背景技術(shù)：
微細(xì)電化學(xué)加工是采用電化學(xué)陽(yáng)極溶解的方法，將微小零件加工成型的制造技術(shù)。由于電化學(xué)加工具有工具無(wú)損耗、加工材料范圍廣、加工后零件表面無(wú)變形和再鑄層等優(yōu)點(diǎn)，成為高精密工業(yè)生產(chǎn)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。但是在精度要求很高的微細(xì)電化學(xué)加工領(lǐng)域中，由于電流的雜散腐蝕導(dǎo)致在加工區(qū)域外也會(huì)微弱腐蝕，使加工定域性變差，因此為了提高加工精度需要通過各種措施減小雜散腐蝕現(xiàn)象。
目前抑制雜散腐蝕有以下幾種途徑：選擇合適的電解液、改善極間間隙流場(chǎng)和電場(chǎng)、采用高頻極窄脈沖電源等。以上這些措施均是改善工件加工表面的電流密度分布情況，盡可能增大加工區(qū)和非加工區(qū)間的溶解速度差，提高加工定域性。但是，當(dāng)使用圓柱狀電極進(jìn)行電化學(xué)銑削微型腔時(shí)，型腔上表面仍不可避免的會(huì)受到雜散腐蝕的影響，導(dǎo)致表面質(zhì)量惡化。若采用在工具電極側(cè)壁涂覆絕緣層的方法，又會(huì)影響到型腔銑削時(shí)的側(cè)壁加工。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的主要目的在于針對(duì)現(xiàn)有電化學(xué)微銑削加工中的上表面雜散腐蝕、工具電極側(cè)壁絕緣處理不具有實(shí)用性等問題，提供一種抑制微細(xì)電化學(xué)加工雜散腐蝕的加工裝置和方法，既可抑制型腔表面的雜散腐蝕，也可避免固定絕緣層對(duì)銑削側(cè)壁加工的影響。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
一種抑制微細(xì)電化學(xué)加工雜散腐蝕的加工裝置，包括：
儲(chǔ)液槽，用于放置電化學(xué)加工過程中使用的電解液，待腐蝕金屬件安放在儲(chǔ)液池中，被所述電解液浸沒；
微細(xì)加工電極，所述微細(xì)加工電極與所述待腐蝕金屬件相對(duì)安置；
高頻脈沖電源，用于在所述微細(xì)加工電極和所述待腐蝕金屬件之間加載高頻脈沖電信號(hào)，使得所述電解液在所述待腐蝕金屬件上加工；
垂直位移臺(tái)，用于帶動(dòng)所述微細(xì)加工電極實(shí)現(xiàn)加工所需的垂直進(jìn)給運(yùn)動(dòng)；
絕緣罩，所述絕緣罩包圍在所述微細(xì)加工電極的外圍；
三維位移臺(tái)，用于帶動(dòng)所述絕緣罩和所述垂直位移臺(tái)實(shí)現(xiàn)水平的xy向以及垂直的z向運(yùn)動(dòng)；
其中所述絕緣罩的垂直位置由所述三維位移臺(tái)的z向運(yùn)動(dòng)控制，所述微細(xì)加工電極的垂直進(jìn)給運(yùn)動(dòng)由所述垂直位移臺(tái)控制，所述微細(xì)加工電極的平面掃描運(yùn)動(dòng)由所述三維位移臺(tái)的xy向運(yùn)動(dòng)控制。
進(jìn)一步地：
所述微細(xì)加工電極的尖端的圓角半徑為10～500nm。
所述微細(xì)加工電極為鎢、鉑或金制作的針狀或圓柱狀電極。
所述電解溶液為硝酸鹽或氯化物或堿電解溶液。
所述絕緣罩的內(nèi)徑比所述微細(xì)加工電極外徑大1-2μm。
所述絕緣罩與所述微細(xì)加工電極同心定位。
所述高頻脈沖電源參數(shù)包括電壓幅值為1～5V，頻率為1～500MHz，脈沖寬度為0.5ns～500ns，加工電流密度值為2～10mA/cm2。
一種使用所述裝置的微細(xì)電化學(xué)加工方法，包括：
所述三維位移臺(tái)z向帶動(dòng)所述垂直位移臺(tái)和所述絕緣罩移動(dòng)，使所述絕緣罩移動(dòng)到所述待腐蝕金屬件上側(cè)；
在所述微細(xì)加工電極和所述待腐蝕金屬件之間加載高頻脈沖電信號(hào)，所述三維位移臺(tái)xy向帶動(dòng)所述垂直位移臺(tái)攜所述微細(xì)加工電極按照預(yù)先制定的路徑在所述待腐蝕金屬件上掃描加工，所述垂直位移臺(tái)z向帶動(dòng)所述微細(xì)加工電極相對(duì)于所述待加腐蝕金屬垂直進(jìn)給加工。
進(jìn)一步地：
在開始水平加工之前，先使所述微細(xì)加工電極相對(duì)于所述待腐蝕金屬件垂直進(jìn)給，通過監(jiān)測(cè)所述微細(xì)加工電極與所述待腐蝕金屬件間的電流值來(lái)控制所述微細(xì)加工電極與所述待腐蝕金屬件的相對(duì)進(jìn)給速度，在檢測(cè)到電流發(fā)生突變前按照第一速度進(jìn)給，在檢測(cè)到電流發(fā)生突變后按照低于所述第一速度的第二速度進(jìn)給并以設(shè)定的加工電流密度進(jìn)行加工，達(dá)到結(jié)構(gòu)所需的加工深度。
所述第一速度為5～20μm/s，所述第二速度為1～10μm/s。
當(dāng)需要進(jìn)行銑削側(cè)壁加工時(shí)，所述垂直位移臺(tái)z向帶動(dòng)所述微細(xì)加工電極伸出于所述絕緣罩之外足夠的長(zhǎng)度，以實(shí)現(xiàn)銑削側(cè)壁加工。
本發(fā)明的有益效果有：
本發(fā)明提出一種抑制微細(xì)電化學(xué)加工雜散腐蝕的加工裝置，通過在加工電極外圍安置絕緣罩并通過垂直位移臺(tái)和三維位移臺(tái)進(jìn)行加工控制的設(shè)計(jì)，既可抑制型腔表面的雜散腐蝕，有效提高微細(xì)加工電極的加工精度，也可避免以往在電極側(cè)壁采用固定絕緣層對(duì)銑削側(cè)壁加工帶來(lái)的不良影響。一方面，絕緣罩使加工電極周圍的電流密度重新分布，主要集中在加工區(qū)域，減小電極側(cè)壁的電流密度，抑制非加工區(qū)域腐蝕，提高了加工精度，經(jīng)測(cè)試加工完成后可獲得的最小加工線寬可達(dá)100nm，高于采用相同參數(shù)的普通加工設(shè)備的得到的加工線寬。另一方面，加工電極相對(duì)于絕緣罩在垂直方向可活動(dòng)的設(shè)計(jì)，能夠避免絕緣罩對(duì)銑削側(cè)壁加工造成影響。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)該裝置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且加工中無(wú)需進(jìn)行電極側(cè)壁絕緣等工藝處理，加工操作簡(jiǎn)單，可應(yīng)用于普通平面結(jié)構(gòu)和三維結(jié)構(gòu)的電化學(xué)加工中，具有廣泛的適用性。
附圖說明
圖1是本發(fā)明一種實(shí)施例的抑制微細(xì)電化學(xué)加工雜散腐蝕的加工裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
以下對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式作詳細(xì)說明。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發(fā)明的范圍及其應(yīng)用。
如圖1所示，在一種實(shí)施例中，一種抑制微細(xì)電化學(xué)加工雜散腐蝕的加工裝置，包括儲(chǔ)液槽1、高頻脈沖電源3、微細(xì)加工電極4、垂直位移臺(tái)5、三維位移臺(tái)6、絕緣罩7，其中，儲(chǔ)液槽1用于放置電化學(xué)加工過程中使用的電解液2，待腐蝕金屬件8安放在儲(chǔ)液池中，被所述電解液2浸沒；微細(xì)加工電極4與所述待腐蝕金屬件8相對(duì)安置；高頻脈沖電源3用于在所述微細(xì)加工電極4和所述待腐蝕金屬件8之間加載高頻脈沖電信號(hào)，使得所述電解液2在所述待腐蝕金屬件8上加工；垂直位移臺(tái)5用于帶動(dòng)所述微細(xì)加工電極4實(shí)現(xiàn)加工所需的垂直進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)所需的垂直位移；絕緣罩7包圍在所述微細(xì)加工電極4的外圍；三維位移臺(tái)6用于帶動(dòng)所述絕緣罩7和所述垂直位移臺(tái)5實(shí)現(xiàn)水平的xy向以及垂直的z向運(yùn)動(dòng)；其中所述絕緣罩7的垂直位置由所述三維位移臺(tái)6的z向運(yùn)動(dòng)控制，所述微細(xì)加工電極4的垂直進(jìn)給運(yùn)動(dòng)由所述垂直位移臺(tái)5控制，所述微細(xì)加工電極4的平面掃描運(yùn)動(dòng)由所述三維位移臺(tái)6的xy向運(yùn)動(dòng)控制。
其中電解液2、微細(xì)加工電極4、待腐蝕金屬件8構(gòu)成電化學(xué)體系，待腐蝕金屬件8構(gòu)成電化學(xué)體系的陽(yáng)極，所述微細(xì)加工電極4構(gòu)成電化學(xué)體系的陰極；工作時(shí)，高頻脈沖電源3在所述微細(xì)加工電極4和所述待腐蝕金屬件8之間加載高頻脈沖電信號(hào)，使得所述電解液在所述待腐蝕金屬件上加工。所述待腐蝕金屬件是可導(dǎo)電材料的鎳或硅。所述儲(chǔ)液槽1還可以用于電化學(xué)加工過程中回收并循環(huán)使用電解液。
絕緣罩7可以采用空心玻璃絕緣罩。絕緣罩7起到微細(xì)加工電極4的外圍絕緣作用，改善加工區(qū)域的電流分布。絕緣罩7能夠隨三維位移臺(tái)6垂直移動(dòng)，調(diào)整到所需位置。絕緣罩7也可以為其他的非導(dǎo)電材料，其需要根據(jù)所述加工電極定制，
在優(yōu)選的實(shí)施例中，所述微細(xì)加工電極4的尖端的圓角半徑為10～500nm。
在優(yōu)選的實(shí)施例中，所述微細(xì)加工電極4為鎢、鉑或金制作的針狀或圓柱狀電極4。
在優(yōu)選的實(shí)施例中，所述電解溶液為硝酸鹽或氯化物或堿電解溶液。
在優(yōu)選的實(shí)施例中，所述絕緣罩7的內(nèi)徑比所述微細(xì)加工電極4外徑大1-2μm。
在優(yōu)選的實(shí)施例中，所述絕緣罩7與所述微細(xì)加工電極4同心定位。
在優(yōu)選的實(shí)施例中，所述高頻脈沖電源3參數(shù)包括電壓幅值為1～5V，頻率為1～500MHz，脈沖寬度為0.5ns～500ns，加工電流密度值為2～10mA/cm2。
一種使用所述裝置的微細(xì)電化學(xué)加工方法，包括：
所述三維位移臺(tái)6z向帶動(dòng)所述垂直位移臺(tái)5和所述絕緣罩7移動(dòng)，使所述絕緣罩7移動(dòng)到所述待腐蝕金屬件8上側(cè)；優(yōu)選地，與待腐蝕金屬件上側(cè)的間隙為1-2μm；
在所述微細(xì)加工電極4和所述待腐蝕金屬件8之間加載高頻脈沖電信號(hào)，所述三維位移臺(tái)6于xy向帶動(dòng)所述垂直位移臺(tái)5攜所述微細(xì)加工電極4按照預(yù)先制定的路徑在所述待腐蝕金屬件8上掃描加工，所述垂直位移臺(tái)5于z向帶動(dòng)所述微細(xì)加工電極4相對(duì)于所述待加腐蝕金屬垂直進(jìn)給加工。
進(jìn)一步地：
在開始水平加工之前，先使所述微細(xì)加工電極4相對(duì)于所述待腐蝕金屬件8垂直進(jìn)給，通過監(jiān)測(cè)所述微細(xì)加工電極4與所述待腐蝕金屬件8間的電流值來(lái)控制所述微細(xì)加工電極4與所述待腐蝕金屬件8的相對(duì)進(jìn)給速度，在檢測(cè)到電流發(fā)生突變前按照第一速度進(jìn)給，在檢測(cè)到電流發(fā)生突變后按照低于所述第一速度的第二速度進(jìn)給并以設(shè)定的加工電流密度進(jìn)行加工，達(dá)到結(jié)構(gòu)所需的加工深度。
所述第一速度為5～20μm/s，所述第二速度的速度為1～10μm/s。
當(dāng)需要進(jìn)行銑削側(cè)壁加工時(shí)，所述垂直位移臺(tái)5z向帶動(dòng)所述微細(xì)加工電極4伸出于所述絕緣罩7之外足夠的長(zhǎng)度，以實(shí)現(xiàn)銑削側(cè)壁加工。
以下進(jìn)一步描述具體實(shí)施例的工作原理和工作過程。
玻璃絕緣罩安裝于三維位移臺(tái)，所述三維位移臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)xyz三向運(yùn)動(dòng)，所述垂直位移臺(tái)安裝定位在上面，進(jìn)而帶動(dòng)所述絕緣罩和所述加工電極運(yùn)動(dòng)。所述三維位移臺(tái)和垂直位移臺(tái)分別控制，垂直位移臺(tái)可以獨(dú)立帶動(dòng)微細(xì)加工電極垂直進(jìn)給。所述絕緣罩的垂直位置由三維位移臺(tái)的z方向控制，所述加工電極的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)由垂直位移臺(tái)控制，所述加工電極的平面掃描運(yùn)動(dòng)由所述三維位移臺(tái)的xy方向控制，兩者搭配實(shí)現(xiàn)所述工具電極在所述待腐蝕金屬件上位移，加工全程所述加工電極被所述絕緣罩保護(hù)，起到側(cè)壁絕緣作用，提高加工精度。
使用上述抑制雜散腐蝕裝置進(jìn)行加工時(shí)，先控制三維位移臺(tái)的z軸帶動(dòng)所述絕緣罩運(yùn)動(dòng)到所述待腐蝕金屬件上側(cè)，兩者間隙為1-2μm，構(gòu)成加工區(qū)域，該區(qū)域能夠重新分布電流密度，使電流密度主要集中在所述絕緣罩內(nèi)徑附近，達(dá)到抑制雜散腐蝕的目的，加工過程中可保持兩者相對(duì)位置不變。在所述微細(xì)加工電極和所述待腐蝕金屬件之間加載高頻脈沖電信號(hào)，所述三維位移臺(tái)和垂直位移臺(tái)驅(qū)動(dòng)所述微細(xì)加工電極按照預(yù)先制定的路徑在所述待腐蝕金屬件上進(jìn)行水平掃描和垂直進(jìn)給加工。
較佳地，在開始水平加工電解之前，先使所述微細(xì)加工電極相對(duì)于所述待加腐蝕金屬垂直進(jìn)給，通過監(jiān)測(cè)所述微細(xì)加工電極與所述待腐蝕金屬件間的電流值來(lái)控制所述微細(xì)加工電極與所述待腐蝕金屬件的相對(duì)進(jìn)給速度，在檢測(cè)到電流發(fā)生突變前按照第一速度進(jìn)給，在檢測(cè)到電流發(fā)生突變后按照低于所述第一速度的第二速度進(jìn)給并以設(shè)定的加工電流密度進(jìn)行加工，達(dá)到結(jié)構(gòu)所需的加工深度。更優(yōu)地，所述第一速度設(shè)置為5～20um/s，所述第二速度設(shè)置為1～10μm/s。
以上內(nèi)容是結(jié)合具體/優(yōu)選的實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說明。對(duì)于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，其還可以對(duì)這些已描述的實(shí)施方式做出若干替代或變型，而這些替代或變型方式都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。