CN105312692B - 一种高回转精度微柱状电极在线电化学制备装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高回转精度微柱状电极在线电化学制备装置及方法，阴极板为带有小孔的金属板，设置于电解液槽中，控制系统控制电解加工机床做x、y和z向运动，使夹持在电解加工机床夹头的工件位于阴极板小孔中心，且浸入电解液中，电解加工机床上的电主轴带动工件旋转，霍尔电流传感器检测直流脉冲电源电流，电流信号传递给控制系统，控制系统根据电流信号的大小，动态小幅调整直流脉冲电源的电压幅值，从而加工得到高回转精度的柱状电极。本发明通过控制加工过程中电场流场均匀，保证加工电极的高回转精度，并提高了加工的稳定性和精度；同时反馈控制加工的电流，从而保证加工的电极形状为圆柱状。

Description

一种高回转精度微柱状电极在线电化学制备装置及方法

技术领域

本发明涉及一种高回转精度微柱状电极在线电化学制备装置及方法。

背景技术

隧道扫描电镜或原子力显微镜由于其极高的分辨率，被广泛应用于表面科学、材料科学和生物科学等领域，并成为纳米加工的关键技术。然而隧道扫描电镜或原子力显微镜在应用时，需要利用一种极细的微探头进行扫描，来得到相应的影像。所以微探针的制备，对于隧道扫描电镜或原子力显微镜的使用和发展，具有重要意义。此外，在细胞手术中以及微细电火花或微细电解加工中，由于操作的尺寸和加工的尺寸较小，也必须用直径极小的微探针和微电极(以下统称微电极)。微细电解加工中，微电极决定了加工所能达到的尺寸和精度，微柱状电极不仅能够加工微孔、缝、槽等简单的形面，而且还可以像刀具一样进行三维复杂型腔的铣削加工，因此微柱状电极的制备尤其重要。

微电极由于其尺寸较小，一般在微米级，传统的加工方法很难加工。目前微电极制备主要依靠的是特种加工方法，主要有：精密切削技术、微细研磨技术、电火花线磨削技术以及电化学刻蚀法，但目前这些方法都或多或少有些不足。

精密切削技术、微细研磨技术是基于传统的去除材料的原理，进行微电极的加工制备的。由于加工过程中，加工应力的存在，微电极直径尺寸受限，不易加工出很细小的微电极，而且得到的微电极内部存在加工应力。此外，这些加工方法对加工设备要求较高，设备昂贵，成本高。

电火花线磨削技术是一种比较好的加工微电极的方法，它利用电火花放电蚀除材料，达到加工微电极的目的。由于利用火花放电去除材料，可以获得较小尺寸的微电极，而且加工过程中，工具不与工件直接接触，所得微电极内不存在加工应力。但由于火花蚀除速度较慢，加工效率太低。

近年来，国内外很多专家特别关注微细电解加工技术，也有不少专家学者利用电化学刻蚀法加工出微电极。电化学刻蚀法，利用电化学加工中阳极溶解的原理，在原子离子的尺寸上对工件进行加工，可以获得直径极微小的电极。而且工具也不与工件直接接触，所得微电极内不存在加工应力。此外，电化学刻蚀加工过程中，材料蚀除发生在区域内，所以加工效率较电火花线磨削技术高。但是，常规的电化学刻蚀加工中，由于电解液流场以及阴阳极间的电场难以均匀控制，加工所得的电极形状精度不高，加工过程也不稳定。

目前，利用电化学刻蚀技术加工微电极，面临的最大问题就是电场、流场难以控制的问题。解决好这个问题，电化学刻蚀技术无疑是目前加工制备微电极的最理想方法。

南京航空航天大学的王明环探究过利用电化学刻蚀技术加工微电极。为了控制好加工电场，保证加工过程中电极周围电场的均匀，她采用了在板状阴极板中心打一个小孔的思路，较好的保持了电极周围的电场均匀，加工出了直径均匀的柱状微电极。但在实际操作中，由于对中操作难以保证工件阳极置于阴极板小孔正中心，电极周围的电场并不一定十分均匀，因此得到的微电极的圆柱度并不是非常高。而且在实际加工过程中，得到的加工电极差异较大，加工过程不稳定。

南京航空航天大学的曾永彬曾仿照线电火花磨削技术形式，利用线状阴极电解加工工件阳极，通过控制工件周围的局部电场，实现加工出多种形状的微电极的想法。这种设计思路的优点，就在于可以加工出多种形状的微电极。但在实际加工过程中，由于二次电解的存在，得到的微电极的形状精度不高。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种高回转精度微柱状电极在线电化学制备装置及方法，该发明采用中心带小孔的金属板作阴极，阳极工件放置于小孔中心，并使工件不停旋转的方法，来加工微电极，保证了加工时工件电极周围的电场、流场均匀，提高了加工电极的回转精度；再利用霍尔电流传感器测量直流脉冲电源电流，并利用数据采集卡采集这个电流信号，作为系统反馈控制信号，有利于控制加工过程中的电流随时间按理论规律变化，保证加工得到的电极为圆柱状。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种高回转精度微柱状电极在线电化学制备装置，包括直流脉冲电源、电解加工机床、控制系统和霍尔电流传感器，其中，阴极板为带有小孔的金属板，设置于电解液槽中，控制系统控制电解加工机床做x、y和z向运动，使夹持在电解加工机床夹头的工件位于阴极板小孔中心，且浸入电解液中，电解加工机床的电主轴使工件保持旋转，以工件为阳极，阴极板为阴极，利用直流脉冲电源给工件和阴极板施加电压，霍尔电流传感器检测加工电流，并通过数据采集单元将电流信号传递给控制系统，控制系统根据电流信号的大小，动态小幅调整直流脉冲电源的电压幅值，使加工的电流随时间按理论规律变化。

所述电解液槽放置于可升降平台上。

优选的，所述电解加工机床为微细电解加工机床。

所述阴极板为中心位置设有小孔的金属板。

所述工件为圆柱状钨丝，加工过程中，所述工件置于阴极板的孔中心。该钨丝提前进行校直。

所述阴极板放置于电解液容器内，电解液浸没阴极板上表面。

所述小孔的直径为3-6mm。

所述金属板为不锈钢板。

一种基于上述装置的制备方法，包括以下步骤：

(1)制作工件，将其安装在电解加工机床的电主轴夹头上，阴极板水平安装在电解液槽内夹具上，向电解液槽中添加电解液，确保电解液刚好浸没阴极板上表面；

(2)控制电解加工机床x、y和z轴方向的运动，使得工件电极位于阴极板小孔中心，直流脉冲电源正极连接工件，负极连接阴极板，接通电源；

(3)控制电主轴旋转，并带动由其夹头夹持的工件，使工件在电解液中不停地旋转；

(4)采用霍尔电流传感器测量直流脉冲电源电流，并采集电流信号，作为控制系统反馈控制信号，动态小幅调整直流脉冲电源输出电压幅值，以保证加工电流随时间按理论规律变化；使加工得到的微电极为均匀圆柱状。

所述步骤(1)中，制作工件的方法为：截取钨丝作为工件，并对其进行校直。

所述工件在加工过程中，一直处于旋转状态，转速范围为：(0，1500]RPM。

本发明的工作原理为：以带有中心小孔的金属板为阴极，工件为阳极，在加工过程中，使工件位于阴极小孔中心，并在机床主轴的带动下旋转。在加工时，阴阳极间间隙在各径向是相等的、对称的，因此，工件电极周围的电场和流场均匀对称，同时工件的旋转，可以避免因工件对中不准而产生的电场流场不均匀的影响，从整体和动态的角度看，进一步保证了工件电极周围的电场和流场均匀对称。由电化学加工理论可知，工件各径向电场流场均匀对称，则各径向蚀除速度相同，有利于加工出高回转精度的电极。

其次，利用霍尔电流传感器测量直流脉冲电源电流，并利用数据采集卡对其进行采集和处理，使其作为系统反馈控制信号，有利于控制加工过程中的电流随时间按理论规律变化，从而保证电极周围扩散层的厚度适中，使加工得到的电极为均匀圆柱状。

本发明的有益效果为：

(1)利用本发明方法可以较好的保证工件电极周围的电场流场均匀，使工件电极在加工过程中，各径向蚀除速度相同，从而保证加工电极的高回转精度；

(2)利用电流信号反馈，控制脉冲电源电压幅值的变化使工件电极周围扩散层的厚度适中，保证加工得到的电极为圆柱状；

(3)直流脉冲电源的使用，以及阴阳极间电场、流场的均匀分布，使加工过程更稳定，加工的精度更高。

附图说明

图1是高回转精度微柱状电极在线电化学制备装置结构示意图；

图2是环形阴极板的结构示意图；

图3是阴阳极间剖面，工件各径向方向电场分布示意图；

图4是阴阳极间剖面，工件各径向方向电解液流场分布示意图；

图5是工件周围扩散层的分布示意图；

其中，1为计算机，2为霍尔电流传感器，3为工件阳极，4为阴极板，5为电解液，6为电解液槽，7为实验平台，8为流场线，9为扩散层，10为电场线。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，先截取一定长度(大约2.5cm)的加工工件3，经校直后安装在电主轴夹头中；向电解液槽6中加入适量的电解液5，确保电解液5能淹没阴极板4；调节手动升降台和电解液槽6，使工件电极浸入电解液中并位于阴极板的小孔中；通过计算机1控制X、Y轴方向电机运动，使工件电极3位于阴极板小孔的中心，实现对中；工件3接直流脉冲电源正极，阴极板4接直流脉冲电源负极，通过计算机1控制电主轴以一定转速旋转，从而带动工件电极3旋转；接通直流脉冲电源，输出电压由计算机1控制，即可开始加工；在加工过程中，利用霍尔电流传感器2检测加工电流，通过数据采集卡进行信号转换后，传到计算机1，经过数据处理运算后，输出反馈信号控制直流脉冲电源输出电压幅值，从而保证加工电流随时间按理论规律变化，保证加工的微电极形状为圆柱状，且具有高回转精度。

图3为阴阳电极在任一位置(工件深度内)极间剖面内径向电场的分布情况，由于阳极工件位于阴极板的中心，则在任一位置阴阳极间径向间距相等，则在电极周围各径向电场的分布是均匀的，如图3所示。此外，由于实际对中操作，不一定十分精确，使工件电极的轴心不一定位于阴极板的小孔中心，则实际电场并不十分均匀，所以需要使工件旋转，在旋转过程中，工件各径向的电场周期性变化，整体看电极周围的电场是均匀的。从微观角度看，电场的分布反映了电流密度大小的分布，电极周围各径向电场分布均匀，则电流密度分布均匀，故工件各径向的电解蚀除速度也是均匀的，就可以得到回转精度较高的工件。

图4同为阴阳电极在任一位置(工件深度内)极间剖面内径向流场的分布情况，由于阳极件位于阴极板的圆孔中心，且柱状工件不停的旋转，动态的看阴阳极间在各径向的情况是相同的，工件已经过校直可忽略离心力的影响，则在阴阳极间产生的流场在各径向也是相同的，从而实现了流场的均匀。流场的均匀意味着阴阳极间各径向的电解液性质是相同的，而电解液浓度是影响电解蚀除速度的重要因素之一，这样就可以进一步提高微电极的回转精度。此外电极周围电场流场的均匀分布，有利于提高加工的稳定性和加工效率。

图5为加工过程中工件电极周围的扩散层分布情况。在电解加工过程中，扩散层的形成是不可避免的，同时扩散层的存在，使工件在轴向方向的蚀除速度可能相等，相等的关键在于控制加工电压，使加工时的电流密度为某一稳定值，从而得到圆柱状电极。

采用霍尔电流传感器测量直流脉冲电源电流，并利用数据采集卡采集这个电流信号，作为系统反馈控制信号，利用这个电流信号进行反馈控制，动态小幅调整直流脉冲电源输出电压，使加工电流随时间按理论规律变化，使工件电极周围扩散层的厚度适中，从而确保加工电极的形状为圆柱状。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种高回转精度微柱状电极在线电化学制备装置，其特征是：包括直流脉冲电源、电解加工机床、控制系统和霍尔电流传感器，其中，阴极板为带有小孔的金属板，设置于电解液槽中，控制系统控制电解加工机床做x、y和z向运动，使夹持在电解加工机床夹头的工件位于阴极板小孔中心，且浸入电解液中，电解加工机床的电主轴使工件保持旋转，以工件为阳极，阴极板为阴极，利用直流脉冲电源给工件和阴极板施加电压，霍尔电流传感器检测加工电流，并通过数据采集单元将电流信号传递给控制系统，控制系统根据电流信号的大小，动态小幅调整直流脉冲电源的电压幅值，使加工的电流随时间按理论规律变化。

2.如权利要求1所述的一种高回转精度微柱状电极在线电化学制备装置，其特征是：所述电解液槽放置于可升降平台上。

3.如权利要求1所述的一种高回转精度微柱状电极在线电化学制备装置，其特征是：所述阴极板为中心位置设有小孔的金属板。

4.如权利要求1所述的一种高回转精度微柱状电极在线电化学制备装置，其特征是：所述工件为圆柱状钨丝，加工过程中，所述工件置于阴极板的孔中心。

5.如权利要求1所述的一种高回转精度微柱状电极在线电化学制备装置，其特征是：所述阴极板水平安装在电解液容器内专用夹具上，电解液浸没阴极板上表面。

6.如权利要求3所述的一种高回转精度微柱状电极在线电化学制备装置，其特征是：所述小孔的直径为3-6mm。

7.如权利要求3所述的一种高回转精度微柱状电极在线电化学制备装置，其特征是：所述金属板为不锈钢板。

8.一种基于如权利要求1-7中所述的装置的制备方法，其特征是：包括以下步骤：

(1)制作工件，将其安装在电解加工机床的电主轴夹头上，阴极板水平安装在电解液槽内专用夹具上，向电解液槽中添加电解液，确保电解液刚好浸没阴极板上表面；

(2)控制电解加工机床x、y和z轴方向的运动，使得工件电极位于阴极板小孔中心，直流脉冲电源正极连接工件，负极连接阴极板，接通电源；

(3)控制电主轴旋转，并带动由其夹头夹持的工件，使工件在电解液中不停地旋转；

(4)采用霍尔电流传感器测量直流脉冲电源电流，并采集电流信号，作为控制系统反馈控制信号，动态小幅调整直流脉冲电源输出电压幅值，保持加工电流随时间按理论规律变化。

9.如权利要求8所述的制备方法，其特征是：所述步骤(1)中，制作工件的方法为：截取钨丝作为工件，并对其进行校直。

10.如权利要求8所述的制备方法，其特征是：所述工件在加工过程中，一直处于旋转状态，转速范围为：(0，1500]RPM。