一种高回转精度微柱状电极在线电化学制备装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种高回转精度微柱状电极在线电化学制备装置。
【背景技术】
[0002]隧道扫描电镜或原子力显微镜由于其极高的分辨率，被广泛应用于表面科学、材料科学和生物科学等领域，并成为纳米加工的关键技术。然而隧道扫描电镜或原子力显微镜在应用时，需要利用一种极细的微探头进行扫描，来得到相应的影像。所以微探针的制备，对于隧道扫描电镜或原子力显微镜的使用和发展，具有重要意义。此外，在细胞手术中以及微细电火花或微细电解加工中，由于操作的尺寸和加工的尺寸较小，也必须用直径极小的微探针和微电极(以下统称微电极)。微细电解加工中，微电极决定了加工所能达到的尺寸和精度，微柱状电极不仅能够加工微孔、缝、槽等简单的形面，而且还可以像刀具一样进行三维复杂型腔的铣削加工，因此微柱状电极的制备尤其重要。
[0003]微电极由于其尺寸较小，一般在微米级，传统的加工方法很难加工。目前微电极制备主要依靠的是特种加工方法，主要有:精密切削技术、微细研磨技术、电火花线磨削技术以及电化学刻蚀法，但目前这些方法都或多或少有些不足。
[0004]精密切削技术、微细研磨技术是基于传统的去除材料的原理，进行微电极的加工制备的。由于加工过程中，加工应力的存在，微电极直径尺寸受限，不易加工出很细小的微电极，而且得到的微电极内部存在加工应力。此外，这些加工方法对加工设备要求较高，设备昂贵，成本尚。
[0005]电火花线磨削技术是一种比较好的加工微电极的方法，它利用电火花放电蚀除材料，达到加工微电极的目的。由于利用火花放电去除材料，可以获得较小尺寸的微电极，而且加工过程中，工具不与工件直接接触，所得微电极内不存在加工应力。但由于火花蚀除速度较慢，加工效率太低。
[0006]近年来，国内外很多专家特别关注微细电解加工技术，也有不少专家学者利用电化学刻蚀法加工出微电极。电化学刻蚀法，利用电化学加工中阳极溶解的原理，在原子离子的尺寸上对工件进行加工，可以获得直径极微小的电极。而且工具也不与工件直接接触，所得微电极内不存在加工应力。此外，电化学刻蚀加工过程中，材料蚀除发生在区域内，所以加工效率较电火花线磨削技术高。但是，常规的电化学刻蚀加工中，由于电解液流场以及阴阳极间的电场难以均匀控制，加工所得的电极形状精度不高，加工过程也不稳定。
[0007]目前，利用电化学刻蚀技术加工微电极，面临的最大问题就是电场、流场难以控制的问题。解决好这个问题，电化学刻蚀技术无疑是目前加工制备微电极的最理想方法。
[0008]南京航空航天大学的王明环探究过利用电化学刻蚀技术加工微电极。为了控制好加工电场，保证加工过程中电极周围电场的均匀，她采用了在板状阴极板中心打一个小孔的思路，较好的保持了电极周围的电场均匀，加工出了直径均匀的柱状微电极。但在实际操作中，由于对中操作难以保证工件阳极置于阴极板小孔正中心，电极周围的电场并不一定十分均匀，因此得到的微电极的圆柱度并不是非常高。而且在实际加工过程中，得到的加工电极差异较大，加工过程不稳定。
[0009]南京航空航天大学的曾永彬曾仿照线电火花磨削技术形式，利用线状阴极电解加工工件阳极，通过控制工件周围的局部电场，实现加工出多种形状的微电极的想法。这种设计思路的优点，就在于可以加工出多种形状的微电极。但在实际加工过程中，由于二次电解的存在，得到的微电极的形状精度不高。
【实用新型内容】
[0010]本实用新型为了解决上述问题，提出了一种高回转精度微柱状电极在线电化学制备装置，该实用新型采用中心带小孔的金属板作阴极，阳极工件放置于小孔中心，并使工件不停旋转的方法，来加工微电极，保证了加工时工件电极周围的电场、流场均匀，提高了加工电极的回转精度;再利用霍尔电流传感器测量直流脉冲电源电流，并利用数据采集卡采集这个电流信号，作为系统反馈控制信号，有利于控制加工过程中的电流随时间按理论规律变化，保证加工得到的电极为圆柱状。
[0011 ]为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案:
[0012]—种高回转精度微柱状电极在线电化学制备装置，包括直流脉冲电源、电解加工机床、控制系统和霍尔电流传感器，其中，阴极板为带有小孔的金属板，设置于电解液槽中，控制系统控制电解加工机床做X、7和2向运动，使夹持在电解加工机床夹头的工件位于阴极板小孔中心，且浸入电解液中，电解加工机床的电主轴使工件保持旋转，以工件为阳极，阴极板为阴极，利用直流脉冲电源给工件和阴极板施加电压，霍尔电流传感器检测加工电流，并通过数据采集单元将电流信号传递给控制系统，控制系统根据电流信号的大小，动态小幅调整直流脉冲电源的电压幅值，使加工的电流随时间按理论规律变化。
[0013]所述电解液槽放置于可升降平台上。
[0014]优选的，所述电解加工机床为微细电解加工机床。
[0015]所述阴极板为中心位置设有小孔的金属板。
[0016]所述工件为圆柱状钨丝，加工过程中，所述工件置于阴极板的孔中心。该钨丝提前进行校直。
[0017]所述阴极板放置于电解液容器内，电解液浸没阴极板上表面。
[0018]所述小孔的直径为3-6mm。
[0019]所述金属板为不锈钢板。
[0020]—种基于上述装置的制备方法，包括以下步骤:
[0021](1)制作工件，将其安装在电解加工机床的电主轴夹头上，阴极板水平安装在电解液槽内夹具上，向电解液槽中添加电解液，确保电解液刚好浸没阴极板上表面；
[0022](2)控制电解加工机床x、y和z轴方向的运动，使得工件电极位于阴极板小孔中心，直流脉冲电源正极连接工件，负极连接阴极板，接通电源；
[0023](3)控制电主轴旋转，并带动由其夹头夹持的工件，使工件在电解液中不停地旋转；
[0024](4)采用霍尔电流传感器测量直流脉冲电源电流，并采集电流信号，作为控制系统反馈控制信号，动态小幅调整直流脉冲电源输出电压幅值，以保证加工电流随时间按理论规律变化;使加工得到的微电极为均匀圆柱状。
[0025]所述步骤(1)中，制作工件的方法为:截取钨丝作为工件，并对其进行校直。
[0026]所述工件在加工过程中，一直处于旋转状态，转速范围为:(0，1500 ]RPM。
[0027]本实用新型的工作原理为:以带有中心小孔的金属板为阴极，工件为阳极，在加工过程中，使工件位于阴极小孔中心，并在机床主轴的带动下旋转。在加工时，阴阳极间间隙在各径向是相等的、对称的，因此，工件电极周围的电场和流场均匀对称，同时工件的旋转，可以避免因工件对中不准而产生的电场流场不均匀的影响，从整体和动态的角度看，进一步保证了工件电极周围的电场和流场均匀对称。由电化学加工理论可知，工件各径向电场流场均匀对称，则各径向蚀除速度相同，有利于加工出高回转精度的电极。
[0028]其次，利用霍尔电流传感器测量直流脉冲电源电流，并利用数据采集卡对其进行采集和处理，使其作为系统