CN105537709A - 一种基于双向三维特征叠加的三维微结构加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于双向三维特征叠加的三维微结构加工方法，包括如下步骤：步骤一：建立零件几何模型；步骤二：根据所述三维微结构几何模型上的不同方向，分别建立三维电极模型；步骤三：建立薄片电极数据模型；步骤四：加工微电极薄片；步骤五：连接各层微电极薄片；步骤六：电加工三维微结构。这种根据不同加工方向采用不同微电极的加工方式，加工出的工件不会出现台阶，可有效地提高加工结果的形状和改善加工结果的表面质量。

Description

一种基于双向三维特征叠加的三维微结构加工方法

技术领域

本发明涉及的是用于微细加工领域，尤其是利用三维微电极加工工件斜平面的方法。

背景技术

通过三维微电极的微细电火花加工或微细电解加工可以获得三维微结构。现有的三维微电极一般是通过多层二维微结构叠加拟合而成。三维微电极的三维特征分为两个方向(或称为一个平面和一个方向)，一个方向(平面)上的三维特征可以直接获得，另一方向上的三维特征则需要通过多层二维微结构叠加拟合获得，因此该方向上的三维特征存在台阶效应。将三维微电极用于微细电火花加工或者微细电解加工，台阶效应会对三维微结构的形状精度产生不利影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是消除台阶效应对三维微结构形状精度的不利影响，提供一种可以加工具有较高形状精度的三维微结构方法，尤其是适用于三维斜平面的电加工成型。

本发明的技术问题通过以下技术方案予以解决：

一种基于双向三维特征叠加的三维微结构加工方法，其包括以下步骤：

步骤一：建立零件几何模型；绘制待制备零件的三维微结构几何模型；

步骤二：建立三维电极模型；根据所述三维微结构几何模型上的不同方向，分别建立电火花加工该平面的XZ方向微电极几何模型和YZ方向微电极几何模型；并将所述XZ方向微电极几何模型和YZ方向微电极几何模型进行离散切片，分别得到离散切片几何模型；

步骤三：建立薄片电极数据模型；分别将所述离散切片几何模型转化为两组相互平行的XZ薄片电极数据模型和YZ薄片电极数据模型；所述薄片电极数据模型中的薄片电极数量与所述离散切片几何模型中的切片数量N相等，所述薄片电极的厚度h与所述切片的厚度H相等；

步骤四：加工微电极薄片；根据所述XZ薄片电极数据模型和YZ薄片电极数据模型，在一组金属箔上分别加工出ZX方向上的二维薄片微电极和YZ方向上的二维薄片微电极，所述两个电极之间的距离为δ；

步骤五：连接各层微电极薄片；将所述金属箔进行真空压力热扩散焊，用于散焊的真空炉压强P≤10Pa，焊接温度T为三维电极材料熔点的0.5～0.8倍，保温时间t≥1小时，完成后随炉冷却，形成XZ薄片电极和YZ薄片电极的三维叠层微电极阵列；

步骤六：电加工三维微结构；将具有XZ薄片电极和YZ薄片电极的电极阵列用于加工三维微结构：1)用三维叠层微电极轮廓的XZ方向对准备工件的第一平面，并进行XZ方向上的上下往返式加工，从而使工件获得XZ方向上的三维特征；2)移动工件或金属箔，使三维叠层微电极轮廓的YZ方向对准所述工件的第一平面；同时，旋转工件或金属箔，对工件进行YZ方向上的上下往返式加工，从而使工件获得YZ方向上的三维特征；

根据上述方法加工出的工件不会出现台阶，可有效地提高加工结果的形状和改善加工结果的表面质量。

优选地，具有所述三维叠层微电极轮廓的电极阵列，其上的XZ薄片电极和YZ薄片电极为旋转对称；所述步骤六中的旋转工件或金属箔的角度为90°。

优选地，所述切片的厚度H≤500μm。

优选地，所述金属箔为铜箔或镍箔或钼箔。

优选地，所述二维薄片微电极的厚度h≤1.0mm。

本发明与现有技术对比的有益效果是：

现有的三维叠层微电极由于在加工过程中具有台阶，直接用于微细电火花加工或微细电解加工时，台阶会被复制到加工结果上，从而影响到加工结果的形状精度和表面质量。而本发明将三维微电极XZ方向和YZ方向分别进行离散和叠加，可有效避免三维叠层微电极的台阶效应。将具有三维微电极XZ方向和三维微电极YZ方向的电极阵列用于微细电火花加工或者微细电解加工，可以有效地提高加工结果的形状精度和改善加工结果的表面质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；

图1是所需要的三维微结构的几何模型示意图；

图2是根据图1所设计的三维微电极的几何模型示意图；

图3是现有的三维微电极的离散切片几何模型示意图；

图4是本发明的微电极薄片的加工方式；

图5是本发明具有XZ方向和YZ方向三维微电极的电极阵列示意图；

图6是本发明的电极阵列加工工件XZ方向上的三维特征示意图；

图7是本发明的电极阵列加工工件YZ方向上的三维特征示意图；

标号说明：

挡块1，正在加工的铜箔2，待加工的铜箔3，夹紧端4，已完成加工的铜箔5，切割工具6，二维薄片微电极7，台阶8，工件9。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提出的三维微电极叠层拟合制备方法，其包括以下步骤：

一种基于双向三维特征叠加的三维微结构加工方法，其包括以下步骤：

步骤一：建立零件几何模型；绘制待制备零件的三维微结构几何模型；

步骤二：建立三维电极模型；根据所述三维微结构几何模型上的不同方向，分别建立电火花加工该平面的XZ方向微电极几何模型和YZ方向微电极几何模型；并将所述XZ方向微电极几何模型和YZ方向微电极几何模型进行离散切片，分别得到离散切片几何模型；

步骤三：建立薄片电极数据模型；分别将所述离散切片几何模型转化为两组相互平行的XZ薄片电极数据模型和YZ薄片电极数据模型；所述薄片电极数据模型中的薄片电极数量与所述离散切片几何模型中的切片数量N相等，所述薄片电极的厚度h与所述切片的厚度H相等；

步骤四：加工微电极薄片；根据所述XZ薄片电极数据模型和YZ薄片电极数据模型，在一组金属箔上分别加工出XZ方向上的二维薄片微电极和YZ方向上的二维薄片微电极，所述两个电极之间的距离为δ；

步骤五：连接各层微电极薄片；将所述金属箔进行真空压力热扩散焊，用于散焊的真空炉压强P≤10Pa，焊接温度T为三维电极材料熔点的0.5～0.8倍，保温时间t≥1小时，完成后随炉冷却，形成XZ薄片电极和YZ薄片电极的三维叠层微电极阵列；

步骤六：电加工三维微结构；将具有XZ薄片电极和YZ薄片电极的电极阵列用于加工三维微结构：1)用三维叠层微电极轮廓的XZ方向对准备工件9的第一平面，并进行XZ方向上的上下往返式加工，从而使工件9获得XZ方向上的三维特征；2)移动工件9或金属箔，使三维叠层微电极轮廓的YZ方向对准所述工件9的第一平面；同时，旋转工件9或金属箔，对工件9进行YZ方向上的上下往返式加工，从而使工件9获得YZ方向上的三维特征；

根据上述方法加工出的工件9不会出现台阶8，可有效地提高加工结果的形状和改善加工结果的表面质量。

其中步骤五和步骤六中的微电极薄片的加工方式和连接各层微电极的加工方式可如图2至图4所示：根据三维微结构的几何模型建立三维微细电火花电极的几何模型，将该三维微电极进行离散切片，得到离散切片几何模型；再根据上述数据，分别对三维微电极的X方向和Y方向进行叠层拟合成形，步骤如下：(1)将一组铜箔的一端夹紧固定，为夹紧端4。铜箔分已加工完成的铜箔5、正在加工的铜箔2和待加工铜箔3，如图4所示；(2)待加工铜箔3的另一端需要向上弹性弯曲并用第一挡块1挡住，正在加工的铜箔2的另一端通过夹具固定，并由切割工具6切割加工该层的二维薄片微电极7，已加工完成的铜箔5需要向下弹性弯曲并用第二挡块1挡住；(3)重复上述过程，直至完成各层二维薄片微电极7的加工。这些二维薄片微电极7通过叠加拟合从而获得初步叠层的三维微电极；(4)初步叠层的三维微电极其各层二维薄片微电极并没有真正连接，因此需将一端仍保持夹紧状态、初步叠层的三维微电极放入真空炉中，对其进行真空压力热扩散焊，从而完成各层二维薄片微电极的完全连接。真空炉的大气压强为0.1Pa，焊接温度为850℃，保温时间为10h，随炉冷却。

实施例1：本实施例采用的电极薄片材料是0.1mm厚的铜箔。

具体的制作工艺包括如下步骤：

一、给需要制备的三维微结构建立几何模型，并将微结构的三维特征分为两个方向：X方向和Y方向。

二、根据微结构X方向和Y方向上的三维特征分别建立三维微电极的几何模型。上述步骤获得两个三维微电极模型，三维微电极模型分别命名为：三维微电极_X方向和三维微电极_Y方向。三维微电极_X方向和三维微电极_Y方向分别用于加工微结构X方向和Y方向上的三维特征。对两个三维微电极进行离散切片，得到离散切片几何模型；切片的厚度可以是均匀的也可以是不均匀的，切片的厚度应小于等于500μm。这样三维微电极_X方向和三维微电极_Y方向被分别离散成多层二维薄片电极。

三、上述过程将三维微电极_X方向和三维微电极_Y方向分别离散成一组二维薄片电极，并将根据该数据得到二维薄片微电极的层数、层厚及每层二维薄片微电极的轨迹等数据。

四、根据X方向和Y方向上的二维薄片微电极数据，通过线切割对一组金属箔进行先后切割从而获得X方向和Y方向上的二维薄片电极。将这一组金属箔进行真空压力热扩散焊，真空炉的大气压强应该小于等于10Pa，焊接温度为三维电极材料熔点的0.5～0.8倍，保温时间大于等于1小时，冷却采用随炉冷却的方式，通过上述工艺完成各层二维薄片微电极的完全连接。最终，三维微电极_X方向和三维微电极_Y方向被制备在同一组金属箔上形成一组电极阵列，两个电极之间的距离为δ。三维微电极的三维特征分别被三维微电极_X方向和三维微电极_Y方向准确表达，避免了台阶效应的出现。

五、将具有三维微电极_X方向和三维微电极_Y方向的电极阵列用于微细电火花加工或者微细电解加工从而获得三维微结构。加工过程如下：(1)用三维微电极_X方向对工件9的位置A进行上下往返式加工，从而使工件9获得X方向的三维特征；(2)平台移动δ，从而使三维微电极_Y方向对准工件9的位置A；而后，经过特殊设计的三维微电极_Y方向沿其中心线旋转90°(即具有所述三维叠层微电极轮廓的金属箔，其上的XZ薄片电极和YZ薄片电极为旋转对称时，旋转工件9或金属箔的角度为90°)，使三维微电极_Y方向对准工件9Y方向；(3)三维微电极_Y方向对工件9进行上下往返式加工，从而使工件9获得Y方向的三维特征。通过上述过程，工件9X方向和Y方向上的三维特征被准确的加工出来。

本发明消除了三维电极的台阶效应对三维微结构形状精度的不利影响，提供一种可以加工具有较高形状精度的三维微结构方法。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于双向三维特征叠加的三维微结构加工方法，其特征在于：其包括以下步骤：

步骤一：建立零件几何模型；绘制待制备零件的三维微结构几何模型；

步骤二：建立三维电极模型；根据所述三维微结构几何模型上的不同方向，分别建立电火花加工该平面的XZ方向微电极几何模型和YZ方向微电极几何模型；并将所述XZ方向微电极几何模型和YZ方向微电极几何模型进行离散切片，分别得到离散切片几何模型；

步骤三：建立薄片电极数据模型；分别将所述离散切片几何模型转化为两组相互平行的XZ薄片电极数据模型和YZ薄片电极数据模型；所述薄片电极数据模型中的薄片电极数量与所述离散切片几何模型中的切片数量N相等，所述薄片电极的厚度h与所述切片的厚度H相等；

步骤四：加工微电极薄片；根据所述XZ薄片电极数据模型和YZ薄片电极数据模型，在一组金属箔上分别加工出ZX方向上的二维薄片微电极和YZ方向上的二维薄片微电极，所述两个电极之间的距离为δ；

步骤五：连接各层微电极薄片；将所述金属箔进行真空压力热扩散焊，用于散焊的真空炉压强P≤10Pa，焊接温度T为三维电极材料熔点的0.5～0.8倍，保温时间t≥1小时，完成后随炉冷却，形成XZ薄片电极和YZ薄片电极的三维叠层微电极阵列；

步骤六：电加工三维微结构；将具有XZ薄片电极和YZ薄片电极的电极阵列用于加工三维微结构：1)用三维叠层微电极轮廓的XZ方向对准备工件的第一平面，并进行XZ方向上的上下往返式加工，从而使工件获得XZ方向上的三维特征；2)移动工件或金属箔，使三维叠层微电极轮廓的YZ方向对准所述工件的第一平面；同时，旋转工件或金属箔，对工件进行YZ方向上的上下往返式加工，从而使工件获得YZ方向上的三维特征。

2.如权利要求1所述的一种基于双向三维特征叠加的三维微结构加工方法，其特征在于：具有所述三维叠层微电极轮廓的电极阵列，其上的XZ薄片电极和YZ薄片电极为旋转对称；所述步骤六中的旋转工件或金属箔的角度为90°。

3.如权利要求1所述的一种基于双向三维特征叠加的三维微结构加工方法，其特征在于：所述切片的厚度H≤500μm。

4.如权利要求1所述的一种基于双向三维特征叠加的三维微结构加工方法，其特征在于：所述金属箔为铜箔或镍箔或钼箔。

5.如权利要求1所述的一种基于双向三维特征叠加的三维微结构加工方法，其特征在于：所述二维薄片微电极的厚度h≤1.0mm。