CN101085483A - 微阵列轴孔的组合加工方法 - Google Patents

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Abstract

微阵列轴孔的组合加工方法，它涉及以电解加工、微细电火花加工和超声复合等技术交叉融合的金属合金材料的微细阵列轴孔的组合加工工艺，为了解决现有微阵列轴孔加工工艺加工精度难以保证、加工效率低、形状复杂加工困难的问题。本发明首先通过电解加工制作单个微细电极，然后利用电解的方法使单个微细电极在平板电极上加工出微阵列母孔，该母孔是为了制作微阵列轴准备的，用微阵列母孔在圆柱电极上通过电火花反拷并复合有超声振动加工制作微细阵列轴，最后利用微细阵列轴和电解方法加工微阵列轴孔。本发明的微阵列轴孔的组合加工方法具有加工精度高、加工效率高、加工方便的优点。

Description

微阵列轴孔的组合加工方法
技术领域
本发明涉及以电解加工、微细电火花加工和超声复合等技术交叉融合的金属合金材料的微细阵列轴孔的组合加工方法。
背景技术
合金材料的微阵列轴孔在许多领域中有广泛的应用。在生命科学领域中，微阵列轴可以记录大脑皮层神经细胞活动，破解大脑行为指令，帮助治疗脑损伤疾病，对生命科学和人类健康的发展起了巨大的推动作用。更加重要的是，微阵列轴可以通过微细电加工的方法来加工微细阵列孔，微阵列孔同样有着广泛的应用。如打印机喷墨孔阵列、筛网结构、喷丝板及MEMS(微型机电系统)中微喷、微泵等微细结构。
采用精密机械加工工艺制造微阵列轴孔，存在加工精度难以保证、加工效率低、形状复杂加工困难等缺点，特别是微阵列轴不适合用精密机械加工工艺进行加工。在特种加工中，电子束和离子束加工需要在真空条件下进行，加工设备昂贵，在实际应用上有局限性；激光加工的形状精度和表面光洁度通常较差；LIGA加工需要同步光源，价格昂贵，工艺复杂。表面光洁度通常较差；电火花加工的加工效率较低，且加工精度受电极损耗的影响，不适于阵列微细型孔的批量制作；电化学加工在加工机理上具有达到精密和微细加工的可能性，但传统的电化学加工工艺包括光刻电解加工工艺，由于电场的发散和电极侧壁的杂散腐蚀等，在电解蚀除过程中尺寸精度不易精密控制，应用于微细加工尚待解决关键的工艺问题。
发明内容
为了解决现有微阵列轴孔加工工艺加工精度难以保证、加工效率低、形状复杂加工困难的问题，本发明提供了一种微细阵列轴孔组合加工方法。
本发明由下列步骤完成：
步骤一：将工件电极安装在机床主轴上，工件电极为阳极，加工工具为阴极，工件电极与加工工具设置在机床的工作平台上的电解液槽内的电解液中，采用脉冲电源供电，工件电极与加工工具进行相对靠近的移动，通过电压电流检测装置对电压进行检测，当两极间电压为零，工件电极和加工工具完成接触感知，设置加工初始距离，主轴带动工件电极作绕轴心的旋转运动，通过电解加工工艺过程将工件电极制作成微细电极；
步骤二：用平板电极替换加工工具，交换脉冲电源的正负极，则平板电极为阳极，上述步骤加工后的工件电极为阴极，所述的平板电极通过超声波发生装置的换能器支撑水平放置在电解液槽内的电解液中，工件电极与平板电极进行相对靠近的移动，通过电压电流检测装置对电压进行检测，当两极间电压为零，工件电极和平板电极完成接触感知，设置加工初始距离，主轴带动工件电极作三轴运动，通过电解加工工艺过程在平板电极上加工微阵列母孔，并在加工过程中通过超声波发生装置的换能器进行复合超声振动；
步骤三：用圆柱电极替换已加工成微细电极的工件电极，交换脉冲电源的正负极，则圆柱电极为阳极，带有微阵列母孔的平板电极为阴极，用带有微阵列母孔的平板电极通过电火花加工将圆柱电极制作成微细阵列轴，并在加工过程中通过超声波发生装置的换能器进行复合超声振动；
步骤四：用不锈钢薄片替换带有微阵列母孔的平板电极，交换脉冲电源的正负极，则不锈钢薄片为阳极，已加工成微阵列轴的圆柱电极为阴极，用已加工成微阵列轴的圆柱电极在不锈钢薄片上采用与步骤二相同的电解方法加工微阵列孔。
本发明充分利用了微细电火花和电解加工的优势，摒弃了它们的缺点，提高了微细阵列轴孔加工的质量和效率，本发明的微阵列轴孔的组合加工方法具有加工精度高、加工效率高、加工方便的优点。
附图说明
图1是步骤一的结构示意图，图2是步骤二的结构示意图，图3是步骤三的结构示意图，图4是步骤四的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1、图2、图3和图4具体说明本实施方式，本实施方式中由下列步骤完成：
步骤一：将工件电极5安装在机床主轴1上，工件电极5为阳极，加工工具6为阴极，工件电极5与加工工具6设置在机床的工作平台上的电解液槽2内的电解液中，采用脉冲电源3供电，工件电极5与加工工具6进行相对靠近的移动，通过电压电流检测装置4对电压进行检测，当两极间电压为零，工件电极5和加工工具6完成接触感知，设置加工初始距离，主轴1带动工件电极5作绕轴心的旋转运动，通过电解加工工艺过程将工件电极5制作成微细电极。机床的运动精度一般均为0.1微米，本实施方式所使用的机床为汉川机床厂研制的精密数控电火花成型机HCD400K；电解液成分是影响加工电极形状和表面质量的主要因素；采用非钝化电解液进行加工能够克服使用钝化电解液的弊病，去除电极表面氧化膜的形成，提高加工速度；非钝化电解液除可进行电极成型加工外，对于电极表面具有光整作用；非钝化电解液加工电极时电流效率平稳，杂散腐蚀性小，不会出现腐蚀和化学腐蚀，适用参数范围广，加工电极表面质量稳定，加工出的电极表面具有较低的粗糙度和良好的光泽度；本步骤中根据电极材料选用了一定浓度的NaOH溶液作为电解液；
步骤二：用平板电极7替换加工工具6，交换脉冲电源3的正负极，则平板电极7为阳极，上述步骤加工后的工件电极5为阴极，所述的平板电极7通过超声波发生装置11的换能器10支撑水平放置在电解液槽2内的电解液中，工件电极5与平板电极7进行相对靠近的移动，通过电压电流检测装置4对电压进行检测，当两极间电压为零，工件电极5和平板电极7完成接触感知，设置加工初始距离，主轴1带动工件电极5作三轴运动，通过电解加工工艺过程在平板电极7上加工微阵列母孔，并在加工过程中通过超声波发生装置11的换能器10进行复合超声振动。电化学微细孔加工无再铸层、无电极损耗、多孔加工时效率高，利用上述步骤加工的微细电极首先进行微细孔的加工，在加工微细孔时，电解液通常采用中性溶液，由于是微细加工，因此多选择钝化电解液，如Na2CO3。在微孔电解加工中，一般多采用较低的电压加工，工作电压的选择取决于工件材料和所用的电解液，工作电压一般为3～8V，频率为1MHz，脉冲宽度500ns。
步骤三：用圆柱电极8替换已加工成微细电极的工件电极5，交换脉冲电源3的正负极，则圆柱电极8为阳极，带有微阵列母孔的平板电极7为阴极，用带有微阵列母孔的平板电极7通过电火花加工将圆柱电极8制作成微细阵列轴，并在加工过程中通过超声波发生装置11的换能器10进行复合超声振动。微细电火花加工通过浸没在绝缘工作液中的工具和工件之间不断产生脉冲性的火花放电，把材料逐次微量蚀除下来，进而将工具的形状反向复制到工件上；微细电火花加工的反拷原理提供了一个制作微阵列轴的新思路，即微阵列轴可以通过把微细群孔反向复制到一个较粗的工具电极上得到。微阵列轴的电火花反拷加工与普通微细电火花加工不同。在反拷过程中，圆柱电极不能旋转，容易造成拉弧和短路，从而使加工状态不稳定，有时候甚至不能加工，所以有必要在在加工中复合超声振动，以改善放电状态，尽快排除蚀除物，使得加工稳定进行，同时由于微细电火花加工属于窄脉冲精加工，正极的蚀除速度大于负极的蚀除速度，所以带有微阵列母孔的平板电极应为阴极，圆柱电极为阳极，以提高加工速度，减小微阵列母孔电极的损耗，提高加工效率。
步骤四：用不锈钢薄片9替换带有微阵列母孔的平板电极7，交换脉冲电源3的正负极，则不锈钢薄片9为阳极，已加工成微阵列轴的圆柱电极8为阴极，用已加工成微阵列轴的圆柱电极8在不锈钢薄片9上采用与步骤二相同的电解方法加工微阵列孔。用上述步骤加工好的微阵列轴加工微阵列孔，所有参数不用改变，只是把工件和工具的阴阳极交换，微阵列电极作阴极，不锈钢薄片作工件阳极，主轴固定不动，设置好合理的电参数后就可以进行电解加工；在加工过程中要进行短路检测，如果发现有短路现象发生，则工具电极回退一定距离后，再继续加工；如果没发生短路现象，则工具电极不断进给，直到完成设置的加工任务。

Claims (1)

1、微阵列轴孔的组合加工方法，其特征在于它由下列步骤完成：
步骤一：将工件电极(5)安装在机床主轴(1)上，工件电极(5)为阳极，加工工具(6)为阴极，工件电极(5)与加工工具(6)设置在机床的工作平台上的电解液槽(2)内的电解液中，采用脉冲电源(3)供电，工件电极(5)与加工工具(6)进行相对靠近的移动，通过电压电流检测装置(4)对电压进行检测，当两极间电压为零，工件电极(5)和加工工具(6)完成接触感知，设置加工初始距离，主轴(1)带动工件电极(5)作绕轴心的旋转运动，通过电解加工工艺过程将工件电极(5)制作成微细电极；
步骤二：用平板电极(7)替换加工工具(6)，交换脉冲电源(3)的正负极，则平板电极(7)为阳极，上述步骤加工后的工件电极(5)为阴极，所述的平板电极(7)通过超声波发生装置(11)的换能器(10)支撑水平放置在电解液槽(2)内的电解液中，工件电极(5)与平板电极(7)进行相对靠近的移动，通过电压电流检测装置(4)对电压进行检测，当两极间电压为零，工件电极(5)和平板电极(7)完成接触感知，设置加工初始距离，主轴(1)带动工件电极(5)作三轴运动，通过电解加工工艺过程在平板电极(7)上加工微阵列母孔，并在加工过程中通过超声波发生装置(11)的换能器(10)进行复合超声振动；
步骤三：用圆柱电极(8)替换已加工成微细电极的工件电极(5)，交换脉冲电源(3)的正负极，则圆柱电极(8)为阳极，带有微阵列母孔的平板电极(7)为阴极，用带有微阵列母孔的平板电极(7)通过电火花加工将圆柱电极(8)制作成微细阵列轴，并在加工过程中通过超声波发生装置(11)的换能器(10)进行复合超声振动；
步骤四：用不锈钢薄片(9)替换带有微阵列母孔的平板电极(7)，交换脉冲电源(3)的正负极，则不锈钢薄片(9)为阳极，已加工成微阵列轴的圆柱电极(8)为阴极，用已加工成微阵列轴的圆柱电极(8)在不锈钢薄片(9)上采用与步骤二相同的电解方法加工微阵列孔。
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