CN102019474B

CN102019474B - 线电极电化学磨削微细工具在线制备系统及方法

Info

Publication number: CN102019474B
Application number: CN2010102868928A
Authority: CN
Inventors: 曾永彬; 朱荻; 王少华; 曲宁松
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2010-09-16
Filing date: 2010-09-16
Publication date: 2012-01-04
Anticipated expiration: 2030-09-16
Also published as: CN102019474A

Abstract

本发明涉及一种线电极电化学磨削微细工具在线制备系统及方法，属微细电化学加工领域。微尺度线电极固定在电解液槽中，并通过微张力装置张紧，将工具电极连接到数控旋转主轴上，使电解液充满电解液槽，微尺度线和工具电极浸没在电解液中，两者之间保持一个加工间隙，接通脉宽电源，利用金属在电解液中发生电化学阳极溶解的原理，腐蚀工具电极成型。加工过程中，利用数控旋转主轴使工具电极产生一定角速度的旋转或进行分度，同时利用三轴运动平台产生Z轴方向的匀速进给，以得到所需截面形状的微细工具。尺寸控制是通过电流传感器采集加工回路中的电流，利用加工电流与钨丝电阻的对应关系反映腐蚀过程中钨丝尺寸的变化，从而进行精确控制。

Description

线电极电化学磨削微细工具在线制备系统及方法

技术领域

本发明涉及一种线电极电化学磨削在线制备微细工具的方法与系统，属微细电化学加工领域。

背景技术

微细电化学加工是基于电化学离子去除原理来微量溶解工件的技术，理论上可以达到纳米级的加工精度。微细电化学加工是非接触加工，加工表面质量好，无工具损耗，是理想的微细加工方法，目前国外已经实现了微米级去除量的微细电化学加工。

近十余年来，西方工业发达国家对于微细电化学制造技术给予高度重视，进行了大量的研究投入，取得了长足的进步。德国马普研究所的R.Schuster，V.Kirchner等人采用脉冲宽度为纳秒级的超短脉冲电流进行电化学微细加工，成功得到了数微米尺寸的微细零件，加工精度可达几百纳米。美国的Trimmer与Schuster等合作采取离子束刻蚀技术加工出复杂图形的平面成形电极，再利用超短脉冲微细电解加工技术得到了线宽仅为90nm的图形，其加工的微细程度比目前制作集成电路芯片的光刻工艺还要高。韩国国立汉城大学研究人员，先用微细电火花制作前端为盘形的电极，然后用微细电解加工出了微细结构，微棱柱为20μm×40μm×85μm，微隔板厚10μm，高80μm。采用直径10μm的铂丝作线电极，切割出了宽20μm的高深宽比微槽阵列等结构。国内研究机构也开展了微细电解加工的研究。哈尔滨工业大学通过微细电火花线电极磨削制作出钨丝电极，采用微细电解铣削的方式，加工出了微曲悬臂梁等结构。南京航空航天大学在超短脉冲电解加工的基础上，采用数微米的钨丝作电极，在镍板上成功加工出的微细桨叶和微细五角星等复杂几何轮廓。

高精度的微细电化学加工需要微米尺度甚至亚微米尺度的电极。在微细加工中微细电极的制备一直是一个重要的研究课题，微细电极的尺度在很大程度上决定了微加工所能达到的尺寸和精度，因此，微细电极的制备非常关键。另外随着微细电解加工效率要求不断提高，对微细群电极制备方法的研究有着重要的意义。如果直接选用成品金属针和金属丝作电极，必将使微细电化学加工尺度向更微细的方向发展受到限制。能购买到的其他细金属电极不但尺寸受到限制，而且其表面会有很难去除的氧化层，也不适合直接用来做微细电化学加工的线电极。

目前，制备探针的研究方法有多种，如机械成型法、离子束铣削法、电子束沉积法、场致蒸发法等，但是，这些方法都存在各自的局限性。采用电极在线制作的方法，可在保证加工精度的前提下，有效地避免电极二次装夹过程中产生的重复定位误差和装夹误差，最大限度降低工具电极位置精度对加工的影响。电极在线制作方法主要有3种：固定块反拷加工、旋转圆盘反拷加工和线电极放电磨削法(WEDG)。其中又以日本东京大学生产技术研究所的增泽隆久等人研制成功的线电极电火花磨削(WEDG)技术最为著名，但是用此方法来制作微细电极，加工效率低，并且加工过程中线电极会损耗，需要走丝进行补偿，因而装置复杂，成本高。南京航空航天大学朱荻教授等提出一种电化学腐蚀法制备微米尺度线电极的方法，成功制备得到直径为2μm的钨丝线电极。试验中将钨丝定位在盛有NaOH溶液的不锈钢圆筒的中心线上，作为阴极的不锈钢圆筒保证了线电极径向的电场是均匀的，加工时线电极在径向发生均匀腐蚀，因此，该方法只能制备圆柱状线电极。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以加工多种截面形状微细工具电极的新方法：线电极电化学磨削微细工具在线制备系统及方法。

一种线电极电化学磨削微细工具在线制备系统，其特征在于：包括机床工作台、安装于机床工作台上的三轴运动平台、安装于三轴运动平台上的数控旋转主轴、通过夹头安装于数控旋转主轴上的工具电极；还包括安装于机床工作台上的XY两维数控工作台、安装于XY两维数控工作台上的电解液槽；还包括微张力装置；其中微张力装置依次包括计算机、压电伺服控制器、压电陶瓷位移轴、微拉力传感器、微尺度线电极；微张力装置还包括安装于上述电解液槽中的导向轮和电极夹具；所述微尺度线电极一端与所述微拉力传感器相连，另一端经过所述导向轮与电极夹具相连；微张力装置还包括一端与微拉力传感器相连另一端与计算机相连的信号放大器；还包括脉宽电源，电源负极连接所述微尺度线电极，电源正极连接所述工具电极；还包括一端与微尺度线电极相连另一端与计算机相连的电流传感器。

所述脉宽电源如果为高频窄脉宽电源，可输出的脉冲宽度小至皮秒级，以提高加工的定域能力。

利用所述线电极电化学磨削微细工具在线制备系统制备微细工具的方法，其特征在于包括以下过程：

(a)、压电伺服控制器接收来自计算机的控制信号，压电陶瓷位移轴接收来自压电伺服控制器输出的电压信号以产生微位移，压电陶瓷位移轴所产生的微位移通过微拉力传感器传递给微尺度线电极，使微尺度线电极得以张紧；微尺度线电极张紧力的大小由微拉力传感器通过信号放大器反馈给计算机，从而实现微拉力的闭环控制；

(b)、使电解液充满电解液槽，浸没水平放置的那部分微尺度线电极，并通过对刀调整微尺度线电极与工具电极，使两者之间保持一个加工间隙；

(c)、在加工过程中，利用数控旋转主轴使工具电极产生旋转或进行分度，同时利用三轴运动平台的Z轴带动工具电极在Z轴方向上匀速进给，以保证工具电极径向和轴向的均匀腐蚀；

(d)、在微细工具电极电化学腐蚀过程中，通过电流传感器采集加工回路中的电流，利用加工电流与电阻的对应关系反映腐蚀过程中微尺度线电极直径的变化，进而进行精确的尺寸控制；

(e)、接通脉宽电源，利用金属在电解液中发生电化学阳极溶解的原理，腐蚀工具电极成型。

所述的线电极电化学磨削微细工具在线制备方法，其特征在于：所述工具电极制备后截面形状为圆形或三角形或平行四边形或梯形。

加工过程中，微尺度线电极固定在电解液槽中，并通过微张力装置张紧，将工具电极连接到数控旋转主轴上，使电解液充满电解液槽，微尺度线和工具电极浸没在电解液中，两者之间保持一个加工间隙，使工具电极接电源正极，微尺度线电极接电源负极，接通脉宽电源，利用金属在电解液中发生电化学阳极溶解的原理，腐蚀工具电极成型。在加工过程中，利用数控旋转主轴使工具电极产生一定角速度的旋转或进行分度，同时利用三轴运动平台产生Z轴方向的匀速进给，以得到所需截面形状的微细工具。尺寸控制是通过电流传感器采集加工回路中的电流，利用加工电流与钨丝电阻的对应关系反映腐蚀过程中钨丝尺寸的变化，从而进行精确的尺寸控制。

该方法基于电化学腐蚀的原理，以离子的形式对材料进行去除，采用数十微米的线电极，结合纳秒脉宽电源，对工具电极进行腐蚀，因此加工定域能力强。并且使电极制作和后续加工能在同一工艺系统中连续完成，工艺兼容性好，对于提高微细加工精度十分有利。这种方法经济、方便、高效、加工参数容易控制。

本发明的有益效果在于：

1、基于电化学腐蚀的原理，以离子的形式对材料进行去除，采用数十微米的线电极，结合纳秒脉宽电源，对工具电极进行腐蚀，因此加工定域能力强。并且使电极制作和后续加工能在同一工艺系统中连续完成，工艺兼容性好，对于提高微细加工精度十分有利。

2、本发明的方法经济、方便、高效、加工参数容易控制。

附图说明

图1是线电极电化学磨削微细工具在线制备系统示意图。

图2是微尺度线电极和工具电极安装位置的侧面示意图。

图3是举例可以加工的微细工具截面形状图。

图1、2中标号名称：1、计算机，2、脉宽电源，3、电流传感器，4、数控旋转主轴，5、三轴运动平台，6、夹头，7、工具电极，8、机床竖梁，9、电极夹具，10、电解液，11、XY两维数控工作台，12、机床工作台，13、微尺度线电极，14、支架，15、导向轮，16、电解液槽，17、立柱，18、微拉力传感器，19、连接件，20、压电陶瓷位移轴，21、压电伺服控制器，22、信号放大器，23、圆形电极截面，24、矩形电极截面，25、三角形电极截面，26、平行四边形电极截面，27、梯形电极截面。

具体实施方式

根据图1所示，本发明的线电极电化学磨削微细工具在线制备装置，由以下部分组成：

(1)包含机床工作台12、机床竖梁8、立柱17、压电陶瓷位移轴20、压电伺服控制器21、三轴运动平台5、XY两维数控工作台11、数控旋转主轴4、计算机1等能实现三自由度移动的数控机床；

(2)电解液槽16安装在XY两维数控工作台11上，电极夹具9、支架14、导向轮15以及微尺度线电极13固定在电解液槽16中。电解液10充满电解液槽16，浸没微尺度线电极13的水平放置部分；

(3)微尺度线电极13一端通过电极夹具9固定在电解液槽中，另一端通过导向轮15改变方向后连接到微拉力传感器18上，微拉力传感器18固定在压电陶瓷位移轴20上，压电陶瓷位移轴20通过连接件19固定在立柱17上。压电陶瓷位移轴20产生微位移使微尺度线电极13保持一定的张力；

(4)工具电极7通过夹头6与数控旋转主轴4相连接，数控旋转主轴4安装在三轴运动平台5上。

(5)高频窄脉宽电源2的正极通过金属导线和工具电极7相连；高频窄脉宽电源2的负极通过金属导线和微尺度线电极13相连；

(6)实现线电极微拉力闭环闭环控制的微拉力传感器18通过信号放大器22与计算机1连接；实现加工实时数据采集与伺服控制的电流传感器3和计算机1连接。

下面结合图1和图2说明本发明的方法，实施过程依次经过以下几个步骤：

1、参考图1，首先，XY两维数控工作台11固定在机床工作台12上，将电解液槽16安装在XY两维数控工作台11上，导向轮15安装在支架14上，支架14和电极夹具9固定在电解液槽16中，然后，将微尺度线电极13的一端通过电极夹具9固定在电解液槽中，另一端通过导向轮15改变方向后连接到微拉力传感器18上，微拉力传感器18固定到压电陶瓷位移轴20上，压电陶瓷位移轴20通过连接件19固定在立柱17上，计算机1通过压电伺服控制器21给压电陶瓷位移轴20发出电压指令，压电陶瓷位移轴20产生一定的微位移，使微尺度线电极13保持一定的张力，微尺度线电极13张紧力的大小由微拉力传感器18通过信号放大器22反馈给计算机1，从而实现微拉力的闭环控制。处于水平放置的那部分微尺度线电极13就是电化学磨削加工时的有效线电极部分。

2、参考图1，工具电极7通过夹头6与数控旋转主轴4相连接，数控旋转主轴4安装在三轴运动平台5上，三轴运动平台5安装在机床竖梁8上。

3、参考图1，电解液槽16中充满电解液10，浸没水平放置的那部分微尺度线电极13。

4、参考图1和图2，将脉宽电源2设置为对刀参数，用导线将脉宽电源2的负极与微尺度线电极13相连，将脉宽电源2的正极与夹头6相连，夹头6与工具电极7相导通。驱动工具电极7运动，直到工具电极7与水平放置的那部分微尺度线电极13发生短路现象，此时计算机1通过电流传感器3采集到电流的突变，立即通过控制三轴运动平台5停止工具电极7的对刀运动，并且回退数微米作为电化学磨削加工的初始间隙。

5、参考图1和图2，将脉宽电源2设置为加工参数，开启数控旋转主轴4，使工具电极7进行旋转或分度，同时，三轴运动平台5在计算机1的控制下，使工具电极7在Z轴方向上具有一定的微进给速度，工具电极7在电解液10中发生电化学阳极溶解，微尺度线电极13将工具电极7加工成型。

7、参考图1，加工中的电流信号通过电流传感器3实时采集到计算机1中，作为工具电极7直径控制的依据，实时判断工具电极7的直径。

9、参考图1和图3，加工完成后，计算机1关断脉宽电源2，使加工完成的工具电极7退回初始位置，即获得所需的微细工具，可加工圆形23、矩形24、三角形25、平行四边形26、梯形27等截面形状的微工具电极。

Claims

1.一种线电极电化学磨削微细工具在线制备系统，其特征在于：

包括机床工作台(12)、安装于机床工作台上的三轴运动平台(5)、安装于三轴运动平台上的数控旋转主轴(4)、通过夹头(6)安装于数控旋转主轴上的工具电极(7)；

还包括安装于机床工作台(12)上的XY两维数控工作台(11)、安装于XY两维数控工作台(11)上的电解液槽(16)；

还包括微张力装置；其中微张力装置依次包括计算机(1)、压电伺服控制器(21)、压电陶瓷位移轴(20)、微拉力传感器(18)、微尺度线电极(13)；微张力装置还包括安装于上述电解液槽(16)中的导向轮(15)和电极夹具(9)；所述微尺度线电极(13)一端与所述微拉力传感器(18)相连，另一端经过所述导向轮(15)与电极夹具(9)相连；微张力装置还包括一端与微拉力传感器(18)相连另一端与计算机(1)相连的信号放大器(22)；

还包括脉宽电源(2)，电源负极连接所述微尺度线电极(13)，电源正极连接所述工具电极(7)；

还包括一端与微尺度线电极(13)相连另一端与计算机(1)相连的电流传感器(3)。

2.根据权利要求1所述的线电极电化学磨削微细工具在线制备系统，其特征在于：所述脉宽电源(2)为高频窄脉宽电源。

3.利用权利要求1所述线电极电化学磨削微细工具在线制备系统制备微细工具的方法，其特征在于包括以下过程：

(a)、压电伺服控制器(21)接收来自计算机(1)的控制信号，压电陶瓷位移轴(20)接收来自压电伺服控制器(21)输出的电压信号以产生微位移，压电陶瓷位移轴(20)所产生的微位移通过微拉力传感器(18)传递给微尺度线电极(13)，使微尺度线电极(13)得以张紧；微尺度线电极(13)张紧力的大小由微拉力传感器(18)通过信号放大器(22)反馈给计算机(1)，从而实现微拉力的闭环控制；

(b)、使电解液充满电解液槽(16)，浸没水平放置的那部分微尺度线电极

(13)，并通过对刀调整微尺度线电极(13)与工具电极(7)，使两者之间保持一个加工间隙；

(c)、在加工过程中，利用数控旋转主轴(4)使工具电极(7)产生旋转或进行分度，同时利用三轴运动平台(5)的Z轴带动工具电极(7)在Z轴方向上匀速进给，以保证工具电极径向和轴向的均匀腐蚀；

(d)、在微细工具电极电化学腐蚀过程中，通过电流传感器(3)采集加工回路中的电流，利用加工电流与电阻的对应关系反映腐蚀过程中微尺度线电极

(13)直径的变化，进而进行精确的尺寸控制；

(e)、接通脉宽电源(2)，利用金属在电解液中发生电化学阳极溶解的原理，腐蚀工具电极成型。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述工具电极(7)制备后截面形状为圆形(23)或三角形(25)或平行四边形(26)或梯形(27)。