基于阴极优化的阵列微细群电极制备方法及装置制造方法
【专利摘要】一种基于阴极优化的阵列群电极制备方法，包括以下步骤：(1)阵列电极毛坯制作；(2)群电极夹具表面涂覆一层环氧树脂绝缘胶，所述阵列群电极毛坯裸露；(3)根据毛坯结构尺寸，设计阵列群电极电化学加工间隙电场物理模型，设定加工电压U、电解液电导率参数κ；根据设定参数制备侧面圆柱面阴极和球面阴极；(4)侧面圆柱面阴极和阵列电极毛坯一起浸没入电解液，基于模拟分析参数进行实验加工，通过调节加工电压实现工具电极轴向直径尺寸一致性控制，实现所需尺寸阵列微细群电极电化学制备。以及提供一种基于阴极优化的阵列群电极制备装置。本发明拓宽可加工材料、工艺简单、加工效率较高、成本低。
【专利说明】基于阴极优化的阵列微细群电极制备方法及装置
【技术领域】
[0001]本发明属于微细加工、特种加工【技术领域】，尤其是一种微细群电极制备方法及装置。
【背景技术】
[0002]随着航空航天、电子工业、精密仪器及现代医疗器械的发展，有阵列微小孔结构的零部件在许多领域有着重要的应用前景，如航空发动机空气导管阻尼套、光纤连接器、精密过滤器、化纤喷丝板、打印机喷嘴、印刷电路板等，这些孔的孔径尺寸通常为几十至几百微米、深几十微米至几毫米、数量几十至几千个不等。针对此类结构的加工是实现其在工业应用的关键。微细电火花加工技术和微细电解加工技术以其自身的加工特点，可进行微细阵列孔的加工。然而，微细阵列电极的制备是实现该两种方法的关键环节。
[0003]微细阵列电极制备方法包括:LIGA技术、U V-LIGA技术、电火花线切割法、电火花反拷法、电化学腐蚀法等。LIGA技术由于需要使用昂贵的同步X射线发生器作为光源，所以成本非常高;U V-LIGA技术虽然成本较LIGA技术有所降低，但其工艺过程仍然复杂，且LIGA技术和UV-LIGA技术主要加工铜/镍及其合金材料，不能加工耐高温高硬度钨材料；电火花线切割技术只能加工方形结构；电火花反拷法工序较多，设备复杂，加工效率低，且中间电极存在着严重的损耗；平板+半圆柱阴极电化学腐蚀法只能加工排状群电极，对于阵列电极则不适用。
[0004]电化学方法是基于阳极溶解的原理将材料去除的，加工中材料去除以离子的形式进行，原理上可实现原子级别去除，加工精度较高；且加工中不存在力的作用，加工后微细工具电极不存在变形；因此电化学方法可用于微细工具电极的制备，以往电化学腐蚀法制备微细电极研究方法[CN100544874C]，可实现排状群电极加工，然而对于阵列微细电极制备方法鲜有报导。
[0005]本发明基于实验研究基础上产生，前期研究实验发现，当采用平行板工具阴极加工排状群电极时(图1)，电极表面电流密度分布如图2所示。
【发明内容】
[0006]为了克服已有微细群电极制备方法及装置的可加工材料受限、工艺复杂、加工效率较低、成本高的不足，本发明提供一种拓宽可加工材料、工艺简单、加工效率较高、成本低的基于阴极优化的阵列微细群电极制备方法及装置。
[0007]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
[0008]一种基于阴极优化的阵列群电极制备方法，所述制备方法包括以下步骤:
[0009](I)阵列电极毛坯制作:将金属材料切割成正多边形截面的阵列结构，其截面边长尺寸为a，电极长度L和间距d ；
[0010](2)群电极夹具表面涂覆一层环氧树脂绝缘胶，所述阵列群电极毛坯裸露；
[0011](3)根据毛坯结构尺寸，设计阵列群电极电化学加工间隙电场物理模型，设定加工电压U、电解液电导率参数K ;侧面圆柱面阴极的圆柱面半径R，轴线距离阵列电极侧面距离D1，旋转角α ;球面阴极的球面半径ΦΙ阴极球心距离阵列毛坯中心电极距离D2，球面辐射角β根据设定参数制备侧面圆柱面阴极和球面阴极；
[0012](4)所述群电极夹具的四周安装四块侧面圆柱面阴极，在所述群电极夹具的上方布置球面阴极，所述阵列微细群电极毛坯的中心与所述球面阴极的中心位于同一铅垂线上；侧面圆柱面阴极和阵列电极毛坯一起浸没入电解液，基于模拟分析参数进行实验加工，通过调节加工电压实现工具电极轴向直径尺寸一致性控制，实现所需尺寸阵列微细群电极电化学制备。
[0013]进一步，所述步骤(4)中，结合在线显微镜观察并测量工具电极直径变化，实现所需尺寸阵列微细群电极电化学制备。
[0014]更进一步,所述步骤(3)中，圆柱面工具阴极内表面、球面阴极内表面涂覆一层绝缘胶。
[0015]所述步骤(3)中，采用有限元优化方法设计阴极结构:设置目标函数Function为阳极表面各电极电流密度差最小，在设定尺寸OR、D2和球面辐射角β前提下，优化分析得到侧面工具阴极圆柱面半径R，轴线距离阵列电极侧面距离D1，旋转角α ;基于优化分析得到的R、D1和α，再次优化得到阴极球面半径OR，阴极球心距离阵列毛坯中心电极距离D2，球面辐射角β ;根据优化结果制备工具阴极。
[0016]一种基于阴极优化的阵列微细群电极制备装置，包括机床、电解槽和加工电源，所述电解槽的内腔底部设有用于放置待加工阵列微细群电极毛坯的群电极夹具，所述群电极夹具的四周安装四块侧面圆柱面阴极，在所述群电极夹具的上方布置球面阴极，所述阵列微细群电极毛坯的中心与所述球面阴极的中心位于同一铅垂线上，所述球面阴极安装在所述机床上，所述球面阴极、侧面圆柱面阴极与所述加工电源的负极连接，所述待加工阵列微细群电极毛坯与所述加工电源的阳极连接。
[0017]进一步,在所述圆柱面工具阴极内表面、球面阴极内表面、群电极夹具涂覆一层绝缘月父层。
[0018]更进一步，所述装置还包括在线显微镜，所述在线显微镜位于所述电解槽的侧面，所述电解槽的侧面设有观察窗。
[0019]与现有加工技术相比较，本发明具有以下优点:
[0020]I)可加工直径尺寸一致的阵列微细群电极，群电极材料可为钨、硬质合金等以往加工方法无法加工的材料；
[0021]2)群电极直径方便控制，可加工大长径比电极，受加工设备限制小。
[0022]3)加工效率高，无需特殊模板，一次性可成形多个电极；
[0023]因此，该发明方法工艺过程简单，可实现性和可操纵性好，成本低。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1是现有的平行板阴极电化学加工排状群电极原理图。
[0025]图2是图1加工时电极表面电流密度分布趋势图。
[0026]图3是本发明的基于阴极优化的阵列微细群电极制备的结构示意图。
[0027]图4是阴极优化阵列微细群电极结构图。[0028]图5是阵列微细群电极制备方法的流程图。
[0029]图6是群电极直径随着加工时间变化的规律图。
[0030]图7是加工后的阵列微细群电极结构图。
[0031]图8是各种不同截面的阵列群电极的毛坯截面图。
【具体实施方式】
[0032]下面结合附图对本发明作进一步描述。
[0033]参照图3?图8，一种基于阴极优化的阵列群电极制备方法，包括以下步骤:
[0034](I)阵列电极毛坯制作:将金属材料切割成正多边形截面陈列结构，其截面边长尺寸为a，电极长度L，间距d。
[0035](2)群电极基座表面涂覆一层环氧树脂绝缘胶，保持正多边形截面陈列群电极毛还裸露。
[0036](3)根据毛坯结构尺寸，设计阵列群电极电化学加工间隙电场物理模型，设定加工电压U、电解液电导率参数K，采用有限元优化方法设计阴极结构(如图4)，设置目标函数Function为阳极表面各电极电流密度差最小，在设定尺寸OR、D2和球面辐射角β前提下，优化分析得到侧面圆柱面阴极的圆柱面半径R，轴线距离阵列电极侧面距离D1，旋转角α ；基于优化分析得到的R、Dl和α，再次优化得到球面阴极的球面半径ΦΙ阴极球心距离阵列毛坯中心电极距离D2，球面辐射角；
[0037](4)所述群电极夹具的四周安装四块侧面圆柱面阴极，在所述群电极夹具的上方布置球面阴极，所述阵列微细群电极毛坯的中心与所述球面阴极的中心位于同一铅垂线上；侧面圆柱面阴极和阵列群电极毛坯一起浸没入电解液，基于模拟分析参数进行实验加工，通过调节加工电压实现工具电极轴向直径尺寸一致性控制，结合在线显微镜观察并测量工具电极直径变化，实现所需尺寸阵列微细群电极电化学制备。
[0038]本发明的阵列电极毛坯的横截面为正方形、正三角形、正五边形或正六边形。如图8所示，(a)为正三角形，(b)为正方形；(C)为正六边形；(d)为正五边形。
[0039]本发明所涉及的球面阴极优化陈列微细群电极电化学加工方法流程如图5。
[0040]本发明中，采用圆柱面、球面形状工具阴极，通过优化设计圆柱面直径、轴线距离阵列群电极侧面距离、旋转角、球面直径、扩散角、距离群电极尖端距离，可以制备出直径尺寸一致的阵列微细群电极结构，以便在微细加工中得到应用。
[0041]其次，本发明采用球面工具阴极在上，工件在下的布置方式，有效避免了工具阴极产生气泡包覆在群电极表面，抑制群电极表面材料的去除，影响群电极成形形状和表面质量。
[0042]圆柱面工具阴极内表面、球面阴极内表面、群电极基座涂覆一层绝缘胶,在相同电量的情况下，可提高加工速度，同时涂覆绝缘层屏蔽了部分电场，有助于阴极优化设计中电场分布的均匀性。
[0043]本发明采用在线显微镜观察、在线测量群电极形状变化规律及尺寸大小，可以对电极成形进行实时控制，降低群电极制备的失败率。
[0044]参照图3，一种基于阴极优化的阵列微细群电极制备装置，包括机床1、电解槽4和加工电源7，所述电解槽4的内腔底部设有用于放置待加工阵列微细群电极毛坯的群电极夹具3，所述群电极夹具3的四周安装四块侧面圆柱面阴极5，在所述群电极夹具3的上方布置球面阴极6，所述阵列微细群电极毛坯的中心与所述球面阴极6的中心位于同一铅垂线上，所述球面阴极6安装在所述机床I上，所述球面阴极6与所述加工电源7的负极连接，所述待加工阵列微细群电极毛坯与所述加工电源7的阳极连接。
[0045]进一步，所述装置还包括在线显微镜8，所述在线显微镜8位于所述电解槽4的侧面，所述电解槽4的侧面设有观察窗。
[0046]更进一步,在所述圆柱面工具阴极内表面、球面阴极内表面、群电极夹具涂覆一层绝缘胶层。
[0047]本实施例中，选择钨作为原材料，采用电火花线切割的方式，将钨块端部加工成截面尺寸0.5mmX0.5mm、间距1mm、高5mm、3X3阵列形式，如图3所示群电极2结构。接下来，将3X3阵列安装于电解液槽内群电极夹具上，并连接加工电源阳极，球面工具阴极安装于机床Z轴上，连接工件阳极，机床带动工具阴极运动，根据有限元优化条件(优化时设置加工电压为6V，电解液电导率)，调整工具阴极与群电极间相对位置，取Dl = 33.6mm, R=30mm，α = 8.9°，D2 = 25.6mm，OR = 16.8mm，β = 37°。
[0048]电解液槽内充满浓度4 %的NaOH，电解液浸没圆柱面/球面工具阴极及阵列群电极毛坯，开启在线显微镜系统，接通并设置加工电源加工电压为6V，显微镜系统检测并记录微细电极直径尺寸及形状变化，观察发现棱边处材料首先溶解，随着加工进行，群电极截面形状逐渐趋于圆形，随后电极直径随加工时间进行逐渐减小，其变化规律如图6所示。当直径尺寸达到所需要求时，切断加工电源，获得所需阵列微细群电极，结构如图7所示。
【权利要求】
1.一种基于阴极优化的阵列群电极制备方法，其特征在于:所述制备方法包括以下步骤: (1)阵列电极毛坯制作:将金属材料切割成正多边形截面的阵列结构，其截面边长尺寸为a，电极长度L和间距d; (2)群电极夹具表面涂覆一层环氧树脂绝缘胶，所述阵列群电极毛坯裸露； (3)根据毛坯结构尺寸，设计阵列群电极电化学加工间隙电场物理模型，设定加工电压U、电解液电导率参数K ;侧面圆柱面阴极的圆柱面半径R，轴线距离阵列电极侧面距离D1，旋转角α ;球面阴极的球面半径ΦΙ阴极球心距离阵列毛坯中心电极距离D2，球面辐射角β，根据设定参数制备侧面圆柱面阴极和球面阴极； (4)所述群电极夹具的四周安装四块侧面圆柱面阴极，在所述群电极夹具的上方布置球面阴极，所述阵列微细群电极毛坯的中心与所述球面阴极的中心位于同一铅垂线上；侧面圆柱面阴极和阵列电极毛坯一起浸没入电解液，基于模拟分析参数进行实验加工，通过调节加工电压实现工具电极轴向直径尺寸一致性控制，实现所需尺寸阵列微细群电极电化学制备。
2.如权利要求1所述的一种基于阴极优化的阵列群电极制备方法，其特征在于:所述步骤(4)中，结合在线显微镜观察并测量工具电极直径变化，实现所需尺寸阵列微细群电极电化学制备。
3.如权利要求1或2所述的一种基于阴极优化的阵列群电极制备方法，其特征在于:所述步骤(3)中，圆柱面工具阴极内表面、球面阴极内表面涂覆一层绝缘胶。
4.如权利要求1或2所述的一种基于阴极优化的阵列群电极制备方法，其特征在于:所述步骤(3)中，采用有限元优化方法设计阴极结构:设置目标函数Function为阳极表面各电极电流密度差最小，在设定尺寸OR、D2和球面辐射角β前提下，优化分析得到侧面工具阴极圆柱面半径R，轴线距离阵列电极侧面距离D1，旋转角α ;基于优化分析得到的R、D1和α，再次优化得到阴极球面半径ΦΙ阴极球心距离阵列毛坯中心电极距离D2，球面辐射角β ;根据优化结果制备工具阴极。
5.一种基于阴极优化的阵列微细群电极制备装置，包括机床、电解槽和加工电源，其特征在于:所述电解槽的内腔底部设有用于放置待加工阵列微细群电极毛坯的群电极夹具，所述群电极夹具的四周安装四块侧面圆柱面阴极，在所述群电极夹具的上方布置球面阴极，所述阵列微细群电极毛坯的中心与所述球面阴极的中心位于同一铅垂线上，所述球面阴极安装在所述机床上，所述球面阴极、侧面圆柱面阴极与所述加工电源的负极连接，所述待加工阵列微细群电极毛坯与所述加工电源的阳极连接。
6.如权利要求5所述的一种基于阴极优化的阵列微细群电极制备装置，其特征在于:在所述圆柱面工具阴极内表面、球面阴极内表面、群电极夹具涂覆一层绝缘胶层。
7.如权利要求5或6所述的一种基于阴极优化的阵列微细群电极制备装置，其特征在于:所述装置还包括在线显微镜，所述在线显微镜位于所述电解槽的侧面，所述电解槽的侧面设有观察窗。
【文档编号】B23H3/04GK104001998SQ201410192639
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年5月8日 优先权日:2014年5月8日
【发明者】王明环, 何志伟, 张力, 姚春燕, 章巧芳, 彭伟 申请人:浙江工业大学