CN104511669B - 大长径比盘状阵列群电极的电化学加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种盘状阵列群电极的电化学加工方法，包括：1）在金属材料的一个端面加工方形截面阵列结构，得到方形截面阵列电极；2）利用方形截面阵列电极在一金属板表面电解加工方形截面群孔；3）群孔加工完毕后，采用电化学腐蚀方法对方形截面阵列电极进行腐蚀，使阵列截面被腐蚀成圆形；4）利用圆形截面阵列电极在一金属板表面电解加工圆形截面群孔，并使得圆形截面群孔穿透金属板；5）使圆形截面阵列电极的端部超出圆形群孔所在的金属板底面一定距离，采用电化学腐蚀方法对圆形阵列电极进行腐蚀，最终圆形截面阵列电极被反拷成为盘状阵列群电极。本发明所述盘状阵列群电极制备工艺过程简单、易掌握，投资小、加工效率高。
Description
(一)技术领域
本发明涉及微细电解加工中使用的大长径比盘状阵列群电极的电火花、电化学加工工艺，属特种加工技术领域。
(二)背景技术
随着微机电系统的发展，对微结构零件的加工制造需求不断提高，在各种微结构零件中对微孔类零件，特别是航空、医疗器械、纺织、印刷、微电子技术中过滤、喷丝、喷墨、喷油等部件上的大量精密微孔有制造需求，这些微孔孔径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。
电解加工技术是以离子形式对材料进行去除的、加工过程中刀具与工件间不存在力的作用、无刀具损耗、加工中不存在热变形，加工效率高，因此电解加工技术可应用于微细群孔加工。目前针对薄壁件表面的群孔加工，研究人员开发出了照相电解加工(CN91111431.9)、活动模板电解加工技术，这些加工方法由于掩模板的存在，加工间隙狭小，电解液更新困难，不能应用于深径比较大(>5)的微孔加工。管电极电解加工(CN102198549A)可以加工深径比较大的小孔，但由于电极尺寸的限制，孔径尺寸大于几百微米。因此直径尺寸更小的微细群电极将在微细群孔电解加工中发挥优势。
电解加工技术是利用工具电极反拷的方式将工件加工成形的，工具电极的尺寸形状决定了所加工型孔的尺寸精度，因此要加工直径小、深径比大的微细群孔需要直径尺寸更小的微细群电极。目前在微细群电极微细电解微孔加工中，电极形状多为圆柱形，由于加工中电场的存在，不可避免的存在杂散腐蚀，加工后的孔多为锥孔。虽然通过采用高频窄脉冲电源可以较好的控制加工定域性，提高加工精度，加工出无锥度的孔，但加工效率很低，不适合于工业生产。因此，有必要研究一种结构合适、加工高效的微细群孔加工用微细群电极及其制备方法。
(三)发明内容
本发明旨在设计并制造出一种大长径比盘状阵列群电极，以解决目前微细电解加工在大深径比群孔加工中所面临的技术难题。
本发明采用的技术方案如下：
一种盘状阵列群电极的电化学加工方法，包括如下步骤：
1)在金属材料的一个端面加工方形截面阵列结构，得到方形截面阵列电极；
2)利用方形截面阵列电极在一金属板表面电解加工方形截面群孔，由于电场在方形截面阵列电极棱角处电场强度较大，此处所对应金属板材料溶解迅速并最终成圆弧倒角，随着电解进行，得到具有圆弧倒角的方形截面群孔；
3)群孔加工完毕后，保持方形截面阵列电极与加工得到的群孔的相对位置不变，使方形截面阵列电极接电源正极，金属板接电源负极，采用电化学腐蚀方法对方形截面阵列电极进行腐蚀，由于电极棱角处电场集中，材料最先溶解，随着腐蚀的进行，使阵列截面被腐蚀成圆形；
4)利用步骤3)制备出的圆形截面阵列电极在一金属板表面电解加工圆形截面群孔，并使得圆形截面群孔穿透金属板；
5)圆形截面群孔加工完毕后，保持圆形截面阵列电极与圆形截面群孔的平面相对位置不变，但使圆形截面阵列电极的端部超出圆形群孔所在的金属板底面一定距离，使圆形截面阵列电极接电源正极，金属板接电源负极，采用电化学腐蚀方法对圆形阵列电极进行腐蚀，同时使圆形截面阵列电极作平面内圆周运动，最终圆形截面阵列电极被反拷成为盘状阵列群电极。
本发明中，金属材料和金属板材料可以是所有的导电金属材料。
本发明步骤1)中，方形截面阵列电极可采用电火花线切割方法、微细铣削等加工方法获得，本领域技术人员可以根据需要设定方形截面的大小和柱体的高度。
本发明步骤2)以方形截面阵列电极作为工具电极在金属板上电解加工方形截面群孔，具体可按照如下操作：保持金属板表面与方形截面阵列电极端面平行，方形截面阵列电极接电源负极，金属板接电源正极，将金属板表面浸没于电解液中，使方形截面阵列电极沿轴向向金属板做进给运动，在金属板上电解加工得到对应的群孔。根据金属板材料的不同，可选取不同的电解液，如NaCl、NaNO3、NaClO3等电解加工所使用的电解液，质量浓度一般在15％以内，加工电源为直流或脉冲电源，加工电压5～15V。
本发明步骤3)中，以方形截面群孔板作为工具电极，对方形截面阵列电极进行电化学腐蚀，电解液根据方形截面阵列电极材料采用酸性或碱性电解液，浓度0.5％～5％。加工电源采用脉冲或直流电源，施加电压2～5V。同时加工中采用冲液方式，及时对电解液进行更新，加工过程中根据所加工电极长度主轴保持静止或带动方形阵列电极作Z轴往复运动，随着反应进行，方形阵列(边长a)逐渐被腐蚀成直径尺寸d的圆柱状截面阵列。
本发明步骤4)中，利用步骤3)制备出的圆形截面阵列电极作为工具电极在金属板表面电解加工圆形截面群孔，具体可按照如下操作：使金属板表面与圆形截面阵列电极的端面平行，圆形截面阵列电极接电源负极，金属板接电源正极，将金属板表面浸没于电解液中，使圆形截面阵列电极向金属板做进给运动，在金属板上加工得到对应的圆形群孔，并使圆形群孔穿透金属板。根据金属板材料的不同，可选取不同的电解液，如NaCl、NaNO3、NaClO3等电解加工所使用的电解液，质量浓度一般在15％以内，加工电源为直流或脉冲电源，加工电压5～15V。
本发明步骤5)中，以圆形截面群孔板作为工具电极，对圆形截面阵列电极进行电化学腐蚀，电解液根据圆形截面阵列电极材料采用酸性或碱性电解液，浓度0.5％～5％。加工电源为直流或脉冲电源，加工电压5～15V。圆形截面阵列电极在机床主轴带动下在平面内作圆周运动，实现工具电极(圆形截面群孔板)与工件(群圆柱体阵列)间保持较小的加工间隙，提高加工精度，随着圆柱体侧壁材料被反拷蚀除，直径由d变化为d1，端部被加工成盘状结构，盘状结构的厚度可由圆形截面群孔板与圆形截面阵列电极相对距离决定；此外，随着圆形截面阵列电极作圆周运动，群圆柱体与群孔间的加工间隙发生变化，有助于电解液的更新。
本发明最终制备出的端部具有盘状结构的群电极，直径可达十微米，长径比可达1～30，可以直接作为工具电极在群孔加工中使用，无需进行侧壁绝缘处理，可有效降低电解加工后孔的锥度，改善加工尺寸精度。
与现有加工技术相比较，本发明具有以下优点：
(1)采用电火花/切削加工制备毛坯，电解加工与电化学腐蚀相结合的方法，可以制备出大长径比微细阵列电极，可加工深径比>5的微细阵列孔。
(2)所加工的阵列电极端部为盘状，可用于电解加工中阵列群孔加工，无需侧壁绝缘，即能有效降低孔的锥度。
(3)电极制备过程中一次性装夹，制备出的盘状阵列工具电极可直接用于群孔的加工，无需重新装夹，避免了重复定位所带来的误差。
综上分析，本发明所述大长径比盘状阵列群电极制备工艺过程简单、易掌握，投资小、加工效率高。
(四)附图说明
图1是方形截面阵列电极毛坯示意图。
图2是利用方形截面阵列电极电解加工方面截面群孔示意图。
图3是电化学腐蚀法加工圆柱状截面阵列电极示意图。
图4是电化学腐蚀后制备出的圆柱状截面阵列电极示意图。
图5是利用圆形截面阵列电极进行圆形截面群孔电解加工示意图。
图6是圆形截面群孔电解反拷盘状阵列群电极示意图。
图7是制备出的盘状阵列群电极结构示意图。
图1中标号名称：1、方形截面阵列电极。
图2中标号名称：2a、不锈钢金属板，2b、具有圆弧倒角的方形截面群孔，3、直流电源，其为电解加工用电源，4、电极进给方向。
图3中标号名称：5、微秒脉冲电源，其即电化学腐蚀加工用脉冲电源。
图4中标号名称：6、圆形截面阵列电极。
图5中标号名称：7、圆形截面群孔。
图6中标号名称：8、圆形截面阵列电极在平面内作圆周运动。
图7中标号名称：9、圆形截面群孔7孔径，10、工具电极，11、运动轨迹，12、加工间隙
图8中标号名称：13、盘状阵列群电极。
(五)具体实施方式
下面以具体实施例来进一步阐述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不限于此：
实施例1
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0.5mm×0.5mm、间距1mm、高3mm、4×4阵列形式，如图1所示。
接下来，将4×4阵列安装于机床主轴上，调整方形截面阵列电极1端面与机床工作台平行，选择一厚度1mm的不锈钢金属板2a安装于电解槽内，并调整其与阵列电极1端面平行，将一直流电源3正极接通不锈钢金属板2a，负极接通方形截面阵列电极1，选择浓度10％的NaNO3溶液作为电解液，电解液泵将电解液由储液槽输送至电解槽内，并浸没不锈钢金属板2a，机床主轴带动方形截面阵列电极1向不锈钢金属板2a作进给运动，进给方向如4所示，并始终保持50μm加工间隙，设置加工电压10V，进给速度0.1mm/min，加工10分钟后，不锈钢金属板上形成具有圆弧倒角的方形截面群孔2b，如图2所示。
此时，保持机床主轴与工件相对位置不变，更换电解液为浓度4％的NaOH溶液，加工电源更换为微秒脉冲电源5(如图3所示)，电源正极接方形截面阵列电极1，负极接带有具有圆弧倒角的方形截面群孔2b的不锈钢金属板2a，电压设置5V，脉宽50us，占空比0.5，电源接通后5分钟，方形阵列电极截面腐蚀成圆形，直径尺寸0.3mm，长度2.5mm，如图4所示。需要说明的是，加工过程中主轴带动方形阵列电极作Z轴往复运动。
接下来，圆形截面阵列电极6在机床主轴带动下沿Z轴后退，选择一不锈钢金属板安装于电解槽内，加工电源(直流电源3)的正极连接不锈钢板，负极连接圆形截面阵列电极6，机床主轴带动圆形截面阵列电极6向不锈钢作运动，电解液为10％的NaNO3溶液，并保持50μm加工间隙，设置加工电压10V，进给速度0.1mm/min，加工10分钟后，不锈钢金属板上形成直径尺寸0.5mm的圆形截面群孔7，如图5所示。
接下来，机床主轴调整圆形截面阵列电极6与圆形截面群孔7的Z向相对位置，圆形截面阵列电极6端部超出金属板底面0.2mm，电极极性对调、电解液更换为浓度10％的NaOH溶液、加工电压不变，圆形截面阵列电极6在机床主轴带动下在平面内作直径为Ф1的圆周运动(如图6所示)，运动轨迹为11，此时电极工件间加工间隙12为Δ(如图7所示)，其值小于1/2(Ф-d)，10分钟后圆形截面阵列电极6侧壁被反拷为直径0.2mm，制备出大长径比盘状阵列群电极13，如图8所示。
Claims (3)
1.一种盘状阵列群电极的电化学加工方法，包括：
1）在金属材料的一个端面加工方形截面阵列结构，得到方形截面阵列电极；
2）利用方形截面阵列电极在一金属板表面电解加工方形截面群孔；
3）群孔加工完毕后，保持方形截面阵列电极与加工得到的方形截面群孔的相对位置不变，使方形截面阵列电极接电源正极，金属板接电源负极，采用电化学腐蚀方法对方形截面阵列电极进行腐蚀，使阵列截面被腐蚀成圆形；
4）利用步骤3）制备出的圆形截面阵列电极在一金属板表面电解加工圆形截面群孔，并使得圆形截面群孔穿透金属板；
5）圆形截面群孔加工完毕后，保持圆形截面阵列电极与圆形截面群孔的平面相对位置不变，但使圆形截面阵列电极的端部超出圆形群孔所在的金属板底面一定距离，使圆形阵列电极接电源正极，金属板接电源负极，采用电化学腐蚀方法对圆形阵列电极进行腐蚀，同时使圆形阵列电极作平面内圆周运动，最终圆形截面阵列电极被反拷成为盘状阵列群电极。
2.如权利要求1所述的盘状阵列群电极的电化学加工方法，其特征在于所述步骤2）按照如下操作：保持金属板表面与方形截面阵列电极的端面平行，方形截面阵列电极接电源负极，金属板接电源正极，将金属板表面浸没于电解液中，使方形截面阵列电极向金属板做进给运动，在金属板上电解加工得到对应的方形截面群孔。
3.如权利要求1所述的盘状阵列群电极的电化学加工方法，其特征在于所述步骤4）按照如下操作：使金属板表面与圆形截面阵列电极的端面平行，圆形截面阵列电极接电源负极，金属板接电源正极，将金属板表面浸没于电解液中，使圆形截面阵列电极向金属板做进给运动，在金属板上加工得到对应的圆形截面群孔，并使圆形群孔穿透金属板。
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