一种高精度微孔的加工方法和装置与流程

本发明属于微孔加工技术领域，涉及一种高精度微孔的加工方法，特别涉及一种基于电解原理的高精度微孔的加工方法和装置。

背景技术：

随着我国航空航天事业的飞速发展，精密零件的加工需求越来越多，对孔的加工研究日趋广泛，这是因为微孔的加工精度及能力直接影响发动机喷嘴、雾化器、气膜孔等重要部件性能指标，同时微孔还应用于精密模具、医疗器械、电子零件等领域。按照国外标准划分，孔尺寸范围在0.01～0.1mm的微孔，范围在0.001～0.012mm的次微孔，小于0.001mm的超微孔。目前国内孔的加工主要分为传统加工及特种加工两大部分，传统加工方法以机械钻削为主，特种加工方法种类较多，有超声波、电子束、化学腐蚀等。钻床钻孔是传统加工方法中最常见的加工方法，现有最小钻头直径为0.5mm。除了钻头加工孔外，还可以选用微型铣刀来冲孔，该方法刀具结构简单，可加工孔径较小，但缺点是孔不能太深，孔的长径比较小，适用于加工硬度较高的锻件和铸件。特种加工中，超声波震动加工取得良好效果，目前该方法可加工最小直径是0.135mm，主要适用于硬质合金、非金属材料、玻璃、陶瓷等非导电体材料。

以上方法中都很难达到微孔标准，而对于微孔及微孔以上标准的加工工艺主要依靠电子束打孔、激光打孔以及电火花打孔。利用电子束所含有的电子动能而产生热及电离效应对材料进行去除，从而加工出孔，由于该方法直接熔化蒸发材料，故而孔内壁光滑细致，精度好，但由于电子束能量密度大需在孔底部加入辅助材料，适用于难熔金属及陶瓷等材料，适宜加工0.08～0.9mm，长径比在5～10之间的孔。激光打孔作为一种新型加工方法被广泛研究，激光加工微孔是通过能量堆积使工件受照射位置温度升高，从而引起材料熔化、气化及电离，从而形成孔，其具有无接触、加工灵活、成本低、无需真空室、加工速度快、可加工孔径小、无需接触等优点，加工范围为0.01～0.5mm。电火花加工是通过电极与工件(正负极)之间产生电场，两极中间介质被电离击穿而产生脉冲性火花放电，随即产生电子流，利用电腐蚀来去除多余材料，以达到对工件的打孔加工要求，电火花加工方法可加工各种导电材料，不受材料本身特性影响，加工圆度好，长径比较大，但加工速度较低，加工尺寸可到0.3mm左右。已有的微孔加工方法都会产生高温对加工材料会产生大量负面影响，例如在使用电火花工艺为单晶发动机叶片打孔时需要对加工温度精准控制，否则对单晶叶片造成多晶再结晶或缺陷等不良结果，使叶片寿命大大降低。因此现存的微孔加工技术存在对原材料损伤的不良因素，对原材料的性能保障埋下隐患，需要外部冷却系统来避免加工过程过热导致以上情况发生，这使得微孔加工工艺更加复杂化，也大大提高了加工成本，加工效率也有所下降。

电解是将电流通过电解质溶液或熔融态电解质，在阴极和阳极上引起氧化还原反应的过程，电化学电池在外加直流电压时可发生电解过程，电解在正极发生的氧化反应可以对正极材料产生离子转化的过程，即电解腐蚀。

已有的微孔加工方法都会产生高温对加工材料会产生大量负面影响，例如在使用电火花工艺为单晶发动机叶片打孔时需要对加工温度精准控制，否则对单晶叶片造成多晶再结晶或缺陷等不良结果，使叶片寿命大大降低。因此现存的微孔加工技术存在对原材料损伤的不良因素，对原材料的性能保障埋下隐患，并且加工成本也随之增高，加工效率也有所下降。因此，一种常温、无损伤高精度微孔加工技术是当下微孔加工迫切解决的问题之一。本发明的打孔方式属于常温打孔，不会出现二次结晶或者开裂，而且打孔尺寸目前可以达到10μm，因此在加工损伤和加工尺度两个方面综合考虑，本发明的微孔加工技术优于电火花和激光打孔。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种常温、成本低和无损伤的高精度微孔的加工方法和装置，通过电解过程实现微孔加工，在保证微孔加工的精确性及效率的同时，避免微孔加工对材料造成的负面影响。

本发明提供一种高精度微孔的加工方法，包括以下步骤：

(1)调配打孔电解液，将针头及加工材料分别固定在升降平台及x-y移动平台上，通过推挤泵将电解液通入针头内，定位打孔位置；

(2)控制针头尖端的电解液形成微型液珠并与材料表面接触，通过调整针头尖端与加工材料表面的距离、微型液珠尺寸，借助显微镜测量功能，使接触面尺寸等于打孔尺寸；

(3)在针头内部与加工材料两端负载恒流电压，使接触部位与针头内部分别发生氧化反应、还原反应，微型液珠与加工材料接触部分发生电解腐蚀；

(4)随着腐蚀深度加深，控制针头尖端与不同腐蚀层面的距离保持不变，并调节推挤泵对微型液珠进行反馈补偿，使微型液珠内部浓度趋于平衡，液珠尺寸保持稳定，进而完成整个微孔加工过程。

优选的，步骤(1)中，升降平台和x-y移动平台精度保证在0.1μm，x-y移动平台受电脑及软件控制，并且可读取设计编程路径。

优选的，步骤(2)中，微型液珠呈球形，所配的电解液在加工材料上表现较弱的润湿性，进而电解液在在材料表面形成的接触面为圆形。

优选的，步骤(2)中，为了能够使加工微孔尺寸能够很好地受微型液珠尺寸控制，调整针头尖端与加工材料表面的距离等于打孔直径。

针尖的液珠可近似看作球体，而加工开始前，液珠与加工表面不接触，因此球体的直径尺寸极限为针头尖端到加工材料表面的距离，而在加工过程中，液珠与加工材料面接触，形成的接触面为液珠球体的圆切面，而切面最大直径即为球体的直径。

若针头尖端与加工材料表面的距离小于微孔直径，针头尖端的微型液珠的最大直径就会小于微孔加工直径，因此就需要比微型液珠直径还要大的接触圆面，这样的条件下不易通过控制球型液珠尺寸来控制接触面尺寸，进而造成微孔加工尺寸不精确等问题；若针头尖端与加工材料表面的距离大于微孔直径，在完成液珠尺寸大小的控制后，还需要控制液珠下降较长距离才可能与加工材料面接触，因而会造成液珠(尤其是较大液珠)在长距离下降过程中发生抖动、滴落等不稳定因素。

因此最终调整针头尖端与加工材料表面的距离应等于打孔直径，既保证了加工尺寸的精度，又避免了过多移动造成的不稳定因素。

本发明还提供一种高精度微孔的加工装置，包括升降平台、推挤泵、x-y移动平台，升降平台设置于x-y移动平台上方；

所述升降平台设有固定卡、管体、针头和封盖，管体固设于固定卡内，针头设置于管体下端，管体上端连接有封盖；

所述推挤泵通过导管与管体连通，导管穿过封盖，用于将电解液通入针头内部；

所述x-y移动平台用于放置加工材料。

进一步，加工材料具有导电性，与直流电源的正极连接，针头尖端内设有导电丝，该导电丝穿过管体从封盖处导出，与直流电源的负极连接。

进一步，针头采用超细石英玻璃拉伸制成的微纳级别玻璃针头，针头尖端尺寸可根据需要进行制作并更换。

进一步，推挤泵最小推挤量可达到纳升级别，并且可接入电脑控制，以对推挤过程进行编程控制。

随着升降平台下降，微型液珠与加工材料接触时形成圆形接触面，且随着下降距离的增加，圆形接触面的直径不断变大，同时对微型液珠尺寸进行调整，借助设备显微镜自带的测量功能，使接触面尺寸等于打孔尺寸，最终对打孔尺寸进行控制。

接入正极端的加工材料在电场作用下发生氧化反应，由固态变为离子态溶于微型液珠的电解液中，在针头内部的导线与电解液内部离子作用发生还原反应，并且由于电解的氧化还原过程必须有流动离子，因此正极氧化反应区域被限定在微型液珠附着的圆形区域，进而能够保证按照设计尺寸进行腐蚀。

微型液珠是整个氧化还原过程中的过渡区，电解液中离子处于不断扩散移动中，并通过计算机控制推挤泵对微型液珠进行反馈补偿，使微型液珠内部浓度趋于平衡，液珠尺寸保持稳定，保证整个电解过程能够稳定进行。

电解腐蚀过程是逐层进行的，可以通过计算机控制使升降平台随着腐蚀逐层深入而不断下降，最终沿着接触表面(微孔加工尺寸)逐层腐蚀；另一方面，计算机控制的推挤泵也在此过程中不断进行反馈补偿，最终完成腐蚀贯穿形成均匀的微孔。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明的打孔方式属于常温打孔，不会出现二次结晶、开裂等问题，而且打孔尺寸目前可以达到10μm。

(2)本发明基于电解原理的高精度微孔加工方法，能够借助计算机控制完成连续定位打孔的功能，在电解过程中，电化学腐蚀是将加工材料与电解液接触，液体中离子在电场力作用下运动而产生阳极溶解的过程，在形状复杂细微零件加工上具有很大优势，孔口无多余物，平整光滑。

(3)本发明结合高精度三维移动平台及挤出系统完成微孔打印加工，通过控制微型液珠与材料表面的接触面积来控制微孔尺寸，在保证定位精度与打孔精度的同时，避免了打孔过程中对加工材料的损伤；另一方面打孔过程中只需要导电接线、电解液及低压低恒流条件，电脑控制机械化操作，大大降低了工艺成本，同时也保证了整个微孔处理工艺的效率。

附图说明

图1为本发明高精度微孔的加工装置的结构示意图。

图2为铜板腐蚀微孔加工后的微观图片。

图中：1—升降平台；2—x-y移动平台；3—固定卡；4—管体；5—玻璃针头；6—封盖；7—导管；8—加工材料；9—导电丝。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。

本实施例高精度微孔的加工装置，包括升降平台1、推挤泵、x-y移动平台2，升降平台1设置于x-y移动平台2上方；

升降平台1设有固定卡3、管体4、玻璃针头5和封盖6，管体4固设于固定卡3内，玻璃针头5设置于管体4下端，管体4上端连接有封盖6；

推挤泵通过导管7与管体4连通，导管7穿过封盖6，用于将电解液通入玻璃针头5内部；

x-y移动平台2用于放置加工材料8，加工材料具有导电性，与直流电源的正极连接，玻璃针头5尖端内设有导电丝9，该导电丝9穿过管体4从封盖6处导出，与直流电源的负极连接。

本发明提供一种高精度微孔的加工方法，包括以下步骤：

(1)调配打孔电解液(5～10wt％的硫酸铜水溶液)，将玻璃针头及铜板分别固定在升降平台及x-y移动平台上，通过推挤泵将电解液由导管通入玻璃针头内，定位打孔位置；

(2)控制针头尖端的电解液形成微型液珠并与材料表面接触，使针头尖端与铜板表面的距离应等于打孔直径；同时对微型液珠尺寸进行调整，借助显微镜测量功能，使接触面尺寸等于打孔尺寸；

(3)在针头导电丝与铜板两端负载直流恒流电压，接触部位与针头内部导电丝分别发生氧化反应、还原反应，微型液珠与铜板接触部分发生电解腐蚀；

(4)随着腐蚀深度加深，通过计算机编程控制，使针头尖端与不同腐蚀层面的距离保持不变，并调节推挤泵对微型液珠进行反馈补偿，使微型液珠内部浓度趋于平衡，液珠尺寸保持稳定，进而完成整个微孔加工过程；

(5)完成一个微孔加工后，通过编程定位新的加工位置，进而重复以上步骤完成所有微孔加工过程。

以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。