本发明涉及一种抑制微细电化学加工杂散腐蚀的加工装置和方法。
背景技术：
微细电化学加工是采用电化学阳极溶解的方法，将微小零件加工成型的制造技术。由于电化学加工具有工具无损耗、加工材料范围广、加工后零件表面无变形和再铸层等优点，成为高精密工业生产中的关键技术之一。但是在精度要求很高的微细电化学加工领域中，由于电流的杂散腐蚀导致在加工区域外也会微弱腐蚀，使加工定域性变差，因此为了提高加工精度需要通过各种措施减小杂散腐蚀现象。
目前抑制杂散腐蚀有以下几种途径：选择合适的电解液、改善极间间隙流场和电场、采用高频极窄脉冲电源等。以上这些措施均是改善工件加工表面的电流密度分布情况，尽可能增大加工区和非加工区间的溶解速度差，提高加工定域性。但是，当使用圆柱状电极进行电化学铣削微型腔时，型腔上表面仍不可避免的会受到杂散腐蚀的影响，导致表面质量恶化。若采用在工具电极侧壁涂覆绝缘层的方法，又会影响到型腔铣削时的侧壁加工。
技术实现要素：
本发明的主要目的在于针对现有电化学微铣削加工中的上表面杂散腐蚀、工具电极侧壁绝缘处理不具有实用性等问题，提供一种抑制微细电化学加工杂散腐蚀的加工装置和方法，既可抑制型腔表面的杂散腐蚀，也可避免固定绝缘层对铣削侧壁加工的影响。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种抑制微细电化学加工杂散腐蚀的加工装置，包括：
储液槽，用于放置电化学加工过程中使用的电解液，待腐蚀金属件安放在储液池中，被所述电解液浸没；
微细加工电极，所述微细加工电极与所述待腐蚀金属件相对安置；
高频脉冲电源，用于在所述微细加工电极和所述待腐蚀金属件之间加载高频脉冲电信号，使得所述电解液在所述待腐蚀金属件上加工；
垂直位移台，用于带动所述微细加工电极实现加工所需的垂直进给运动；
绝缘罩，所述绝缘罩包围在所述微细加工电极的外围；
三维位移台，用于带动所述绝缘罩和所述垂直位移台实现水平的xy向以及垂直的z向运动；
其中所述绝缘罩的垂直位置由所述三维位移台的z向运动控制，所述微细加工电极的垂直进给运动由所述垂直位移台控制，所述微细加工电极的平面扫描运动由所述三维位移台的xy向运动控制。
进一步地：
所述微细加工电极的尖端的圆角半径为10～500nm。
所述微细加工电极为钨、铂或金制作的针状或圆柱状电极。
所述电解溶液为硝酸盐或氯化物或碱电解溶液。
所述绝缘罩的内径比所述微细加工电极外径大1-2μm。
所述绝缘罩与所述微细加工电极同心定位。
所述高频脉冲电源参数包括电压幅值为1～5V，频率为1～500MHz，脉冲宽度为0.5ns～500ns，加工电流密度值为2～10mA/cm2。
一种使用所述装置的微细电化学加工方法，包括：
所述三维位移台z向带动所述垂直位移台和所述绝缘罩移动，使所述绝缘罩移动到所述待腐蚀金属件上侧；
在所述微细加工电极和所述待腐蚀金属件之间加载高频脉冲电信号，所述三维位移台xy向带动所述垂直位移台携所述微细加工电极按照预先制定的路径在所述待腐蚀金属件上扫描加工，所述垂直位移台z向带动所述微细加工电极相对于所述待加腐蚀金属垂直进给加工。
进一步地：
在开始水平加工之前，先使所述微细加工电极相对于所述待腐蚀金属件垂直进给，通过监测所述微细加工电极与所述待腐蚀金属件间的电流值来控制所述微细加工电极与所述待腐蚀金属件的相对进给速度，在检测到电流发生突变前按照第一速度进给，在检测到电流发生突变后按照低于所述第一速度的第二速度进给并以设定的加工电流密度进行加工，达到结构所需的加工深度。
所述第一速度为5～20μm/s，所述第二速度为1～10μm/s。
当需要进行铣削侧壁加工时，所述垂直位移台z向带动所述微细加工电极伸出于所述绝缘罩之外足够的长度，以实现铣削侧壁加工。
本发明的有益效果有：
本发明提出一种抑制微细电化学加工杂散腐蚀的加工装置，通过在加工电极外围安置绝缘罩并通过垂直位移台和三维位移台进行加工控制的设计，既可抑制型腔表面的杂散腐蚀，有效提高微细加工电极的加工精度，也可避免以往在电极侧壁采用固定绝缘层对铣削侧壁加工带来的不良影响。一方面，绝缘罩使加工电极周围的电流密度重新分布，主要集中在加工区域，减小电极侧壁的电流密度，抑制非加工区域腐蚀，提高了加工精度，经测试加工完成后可获得的最小加工线宽可达100nm，高于采用相同参数的普通加工设备的得到的加工线宽。另一方面，加工电极相对于绝缘罩在垂直方向可活动的设计，能够避免绝缘罩对铣削侧壁加工造成影响。同时，实现该装置的结构简单，且加工中无需进行电极侧壁绝缘等工艺处理，加工操作简单，可应用于普通平面结构和三维结构的电化学加工中，具有广泛的适用性。
附图说明
图1是本发明一种实施例的抑制微细电化学加工杂散腐蚀的加工装置结构示意图。
具体实施方式
以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
如图1所示，在一种实施例中，一种抑制微细电化学加工杂散腐蚀的加工装置，包括储液槽1、高频脉冲电源3、微细加工电极4、垂直位移台5、三维位移台6、绝缘罩7，其中，储液槽1用于放置电化学加工过程中使用的电解液2，待腐蚀金属件8安放在储液池中，被所述电解液2浸没；微细加工电极4与所述待腐蚀金属件8相对安置；高频脉冲电源3用于在所述微细加工电极4和所述待腐蚀金属件8之间加载高频脉冲电信号，使得所述电解液2在所述待腐蚀金属件8上加工；垂直位移台5用于带动所述微细加工电极4实现加工所需的垂直进给运动，实现所需的垂直位移；绝缘罩7包围在所述微细加工电极4的外围；三维位移台6用于带动所述绝缘罩7和所述垂直位移台5实现水平的xy向以及垂直的z向运动；其中所述绝缘罩7的垂直位置由所述三维位移台6的z向运动控制，所述微细加工电极4的垂直进给运动由所述垂直位移台5控制，所述微细加工电极4的平面扫描运动由所述三维位移台6的xy向运动控制。
其中电解液2、微细加工电极4、待腐蚀金属件8构成电化学体系，待腐蚀金属件8构成电化学体系的阳极，所述微细加工电极4构成电化学体系的阴极；工作时，高频脉冲电源3在所述微细加工电极4和所述待腐蚀金属件8之间加载高频脉冲电信号，使得所述电解液在所述待腐蚀金属件上加工。所述待腐蚀金属件是可导电材料的镍或硅。所述储液槽1还可以用于电化学加工过程中回收并循环使用电解液。
绝缘罩7可以采用空心玻璃绝缘罩。绝缘罩7起到微细加工电极4的外围绝缘作用，改善加工区域的电流分布。绝缘罩7能够随三维位移台6垂直移动，调整到所需位置。绝缘罩7也可以为其他的非导电材料，其需要根据所述加工电极定制，
在优选的实施例中，所述微细加工电极4的尖端的圆角半径为10～500nm。
在优选的实施例中，所述微细加工电极4为钨、铂或金制作的针状或圆柱状电极4。
在优选的实施例中，所述电解溶液为硝酸盐或氯化物或碱电解溶液。
在优选的实施例中，所述绝缘罩7的内径比所述微细加工电极4外径大1-2μm。
在优选的实施例中，所述绝缘罩7与所述微细加工电极4同心定位。
在优选的实施例中，所述高频脉冲电源3参数包括电压幅值为1～5V，频率为1～500MHz，脉冲宽度为0.5ns～500ns，加工电流密度值为2～10mA/cm2。
一种使用所述装置的微细电化学加工方法，包括：
所述三维位移台6z向带动所述垂直位移台5和所述绝缘罩7移动，使所述绝缘罩7移动到所述待腐蚀金属件8上侧；优选地，与待腐蚀金属件上侧的间隙为1-2μm；
在所述微细加工电极4和所述待腐蚀金属件8之间加载高频脉冲电信号，所述三维位移台6于xy向带动所述垂直位移台5携所述微细加工电极4按照预先制定的路径在所述待腐蚀金属件8上扫描加工，所述垂直位移台5于z向带动所述微细加工电极4相对于所述待加腐蚀金属垂直进给加工。
进一步地：
在开始水平加工之前，先使所述微细加工电极4相对于所述待腐蚀金属件8垂直进给，通过监测所述微细加工电极4与所述待腐蚀金属件8间的电流值来控制所述微细加工电极4与所述待腐蚀金属件8的相对进给速度，在检测到电流发生突变前按照第一速度进给，在检测到电流发生突变后按照低于所述第一速度的第二速度进给并以设定的加工电流密度进行加工，达到结构所需的加工深度。
所述第一速度为5～20μm/s，所述第二速度的速度为1～10μm/s。
当需要进行铣削侧壁加工时，所述垂直位移台5z向带动所述微细加工电极4伸出于所述绝缘罩7之外足够的长度，以实现铣削侧壁加工。
以下进一步描述具体实施例的工作原理和工作过程。
玻璃绝缘罩安装于三维位移台，所述三维位移台能够实现xyz三向运动，所述垂直位移台安装定位在上面，进而带动所述绝缘罩和所述加工电极运动。所述三维位移台和垂直位移台分别控制，垂直位移台可以独立带动微细加工电极垂直进给。所述绝缘罩的垂直位置由三维位移台的z方向控制，所述加工电极的进给运动由垂直位移台控制，所述加工电极的平面扫描运动由所述三维位移台的xy方向控制，两者搭配实现所述工具电极在所述待腐蚀金属件上位移，加工全程所述加工电极被所述绝缘罩保护，起到侧壁绝缘作用，提高加工精度。
使用上述抑制杂散腐蚀装置进行加工时，先控制三维位移台的z轴带动所述绝缘罩运动到所述待腐蚀金属件上侧，两者间隙为1-2μm，构成加工区域，该区域能够重新分布电流密度，使电流密度主要集中在所述绝缘罩内径附近，达到抑制杂散腐蚀的目的，加工过程中可保持两者相对位置不变。在所述微细加工电极和所述待腐蚀金属件之间加载高频脉冲电信号，所述三维位移台和垂直位移台驱动所述微细加工电极按照预先制定的路径在所述待腐蚀金属件上进行水平扫描和垂直进给加工。
较佳地，在开始水平加工电解之前，先使所述微细加工电极相对于所述待加腐蚀金属垂直进给，通过监测所述微细加工电极与所述待腐蚀金属件间的电流值来控制所述微细加工电极与所述待腐蚀金属件的相对进给速度，在检测到电流发生突变前按照第一速度进给，在检测到电流发生突变后按照低于所述第一速度的第二速度进给并以设定的加工电流密度进行加工，达到结构所需的加工深度。更优地，所述第一速度设置为5～20um/s，所述第二速度设置为1～10μm/s。
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。