CN101327563A - 一种局部为三维微结构的金属模具的复合加工方法 - Google Patents
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Abstract
一种局部为三维微结构的金属模具的复合加工方法，本发明属于微细加工技术领域。其特征是结合准LIGA和微细电火花两种微细加工技术，解决了局部是三维，其余部分是二维的复杂微结构的金属模具的加工问题。技术方案如下：基于准LIGA工艺在金属基板上制作平面二维微结构；根据微细电火花加工方式，制作工具电极；对二维微结构上的指定位置进行微细电火花修形，得到三维微结构。本发明的效果和益处是模具上二维微结构的加工精度高、表面质量好；可以在指定区域内对二维微结构进行修形，得到斜面、阶梯和任意曲面等三维结构；模具的材料是金属，它的强度高，寿命长。
Description
技术领域
本发明属于微细加工技术领域，涉及将准LIGA工艺和微细电火花技术融合在一起，制作金属微模具的复合加工方法。
背景技术
具有三维微结构的金属模具在微机电系统(MEMS)领域中具有很好的应用前景。微细电火花技术的加工力小，适合于加工三维结构的微型器件，如杂志《上海交通大学学报》第42卷第1期2008年1月第78-82页，文中采用微细电火花铣削技术加工了直径为150μm的微小半球结构。该技术存在的问题是：由于微细电极的制作、装夹和损耗等问题，使得在加工面积较大时，加工精度不易控制，且加工面的质量较差。
准LIGA工艺适用于制作平面二维金属微结构，如杂志《中国机械工程》第16卷第17期2005年9月上半月第1505-1507页，介绍了用准LIGA工艺制作微流控芯片金属热压模具的过程。它的加工精度高，表面质量好，一次性加工面积大，但是不易加工三维结构，例如斜面或曲面。杂志《航空制造技术》2006年第1期第78-80页，介绍了用准LIGA工艺制作复杂形状的微细电极，然后用微细电火花成形技术加工了异形孔。这种组合方式中，由于微细电极是二维的，因此电火花成形加工后的结构也是二维的。
对于局部是三维，其余部分是二维微结构的金属模具的加工，单独利用上述任一种技术，均不能获得较好的效果。
发明内容
本发明提供了一种新的准LIGA和微细电火花复合加工方法，目的是加工局部是三维，其余部分是二维的复杂结构的金属微模具，同时保证较高的加工精度和加工效率。
本发明的技术方案如下：
步骤1：应用准LIGA工艺在模具基底上制作侧壁垂直的二维微结构。模具基底是金属平板，材料可以是镍、铜或合金等。准LIGA工艺过程中，旋涂的光刻胶可以是SU-8胶等；二维微结构直接电铸在模具基底上，不脱离，共同构成模具的整体；二维微结构的材料可以是镍、铜及其合金等金属。
步骤2：根据微细电火花加工方式，设计并加工工具电极。采用直接成形加工方式时，工具电极的形状应和所要获得的三维微结构的形状一致；而采用分层去除铣削加工方式时，需在线制作简单形状的微细工具电极。
步骤3：用微细电火花技术对二维微结构上的指定部位进行修形，得到三维微结构。放电加工之前，应将工具电极与二维微结构上的指定部位对准，对准可以利用机床的接触感知功能或借助显微镜来实现。
本发明充分利用了准LIGA和微细电火花加工技术的优势，它的突出效果是：模具上的二维微结构是直接用准LIGA工艺制作的，加工精度高、表面质量好；在指定的局部区域内用微细电极对二维微结构进行电火花加工修形，得到斜面、阶梯和任意曲面等三维结构；模具的材料是金属，强度高，寿命长。
附图说明
图1是本发明的工艺流程示意图。
图2是用微细电火花技术对模具上的二维微结构进行局部修形的示意图。
图中：1模具基底；2二维微结构；3三维微结构；4工具电极；5脉冲电源。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细说明本发明的具体实施方式。
本实施以聚合物微流控芯片模具的局部修形为例。
第一，应用准LIGA工艺在模具基底1上制作侧壁垂直的二维微结构2，工艺流程为：
(1)本实施中模具基底1是63mm×53mm的镍板，先精密研磨、抛光镍板的上表面，然后依次用丙酮、乙醇、去离子水清洗，最后烘干；
(2)在镍板上旋涂SU-8胶；
(3)前烘，曝光；
(4)中烘、显影，得到二维的胶模；
(5)微电铸，电铸材料是镍；
(6)研磨、抛光；
(7)去胶。
得到的二维微结构2是凸起的，其尺寸为宽70μm，高50μm，长41mm，二维微结构2的上表面粗糙度Ra小于0.1，侧壁的Ra为0.1。下面在二维微结构2的长度方向上选取1mm，用微细电火花技术对该部分修形，使侧壁倾斜一定的角度，成为三维微结构3。
第二，根据微细电火花的加工方式，制作工具电极4。
本实施过程采用直接成形加工方式，因为修形后的侧壁是倾斜一定角度的斜面，因此工具电极4的加工面也应倾斜一定的角度，因此工具电极4设计为直齿形，齿侧面是加工面，加工面的宽度为1mm。因为微细电火花加工过程中电极损耗严重，对工件的同一个部位需进行多次重复修形，所以工具电极4上应有多个齿。工具电极4的材料为紫铜，其制作过程为：先用线切割加工出直齿，再在体视显微镜下面研磨、抛光齿的侧面，使表面粗糙度Ra小于0.4。
第三，用微细电火花技术对二维微结构2上的指定部位进行修形，得到三维微结构3。
加工之前先将工具电极4与二维微结构2上的指定部位对准，对准可以利用机床的接触感知功能或借助显微镜来实现。本实施使用SODICK A50R型电火花加工机床，利用机床的接触感知功能在X、Z方向定位，使齿顶端的钝角的棱和二维微结构2上的指定部位对准。用4个齿的同侧面重复成形加工该部位的一侧，在更换电极齿时，工件运动的相对坐标值即为相邻齿的同侧面之间的距离，该值通过万能工具显微镜测得。工具电极4沿Z向进给，总进给量为30μm，每次分别为15μm、7μm、5μm、3μm。二维微结构2上该指定部位的一侧加工完后，重新定位，用电极齿的另一侧重复加工二维微结构2上该指定部位的另一侧。
本实施过程中设置的主要加工参数为：工件接负极，脉冲宽度1μs，脉冲间隔32μs，峰值电流IP00，开路电压60V，极间电容C00。
经过以上四步，获得的聚合物微流控芯片模具的特征为：抛光后的模具基底1上有微凸起结构，微凸起的指定部位是侧壁倾斜的三维结构，其它部分为侧壁垂直的二维结构。
Claims (1)
1.一种局部为三维微结构的金属模具的复合加工方法，由准LIGA工艺和微细电火花加工两种技术组成，其特征在于：所述的三维微结构(3)的形状是斜面、阶梯或曲面，工艺流程如下：
(一)应用准LIGA工艺在模具基底(1)上制作侧壁垂直的二维微结构(2)；二维微结构(2)的材料是镍、铜或合金；模具基底(1)是金属平板，材料是镍、铜或合金；准LIGA工艺过程中，旋涂的光刻胶是SU-8胶；二维微结构(2)直接电铸在模具基底上，共同构成模具的整体；
(二)应用微细电火花加工方式，制作工具电极(4)，工具电极(4)的形状和所要获得的三维微结构(3)的形状一致；
(三)用微细电火花技术对二维微结构(2)上的指定部位进行修形，得到三维微结构(3)；放电加工之前，将工具电极(4)与二维微结构上的指定部位对准。
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