CN107486601B - 一种利用异形电极刀具进行电化学加工的方法 - Google Patents

一种利用异形电极刀具进行电化学加工的方法 Download PDF

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Abstract

一种利用异形电极刀具进行电化学加工的方法，涉及微纳米加工领域。方法是：根据需要加工的特定形貌结构，设计制作异形电极刀具；将异形电极刀具固定于夹具上，再将夹具固定于多维操纵装置的Z方向位移台上；将被加工工件固定于电解池底部，向电解池注入电解液，控制异形电极刀具逼近被加工工件，并利用多维操纵装置的XY方向位移台调整异形电极刀具与被加工工件相对位置；将辅助电极和参比电极浸入电解液中，电化学工作站的工作电极线连接异形电极刀具，启动电化学工作站，产生电化学电流；控制C方向转台使被加工工件进行旋转运动，同时加工进行；加工结束后，被加工工件表面产生要求的形貌结构。本发明用于对工件进行电化学加工。

Description

一种利用异形电极刀具进行电化学加工的方法
技术领域
本发明涉及微纳米加工领域，尤其涉及一种利用异形电极刀具进行电化学加工的方法。
背景技术
随着高新技术的发展，电化学微纳加工发挥着越来越重要的作用。对于具有纳米精度的特定表面形貌结构加工，电化学微纳加工一般采用模板复制的方法，例如采用光刻和微电铸技术、电化学纳米压印技术、约束刻蚀剂层技术等制造特定周期性微纳结构。另外也有采用基于扫描探针原理的直写技术进行电化学微纳加工，如扫描电化学显微镜(SECM)、超快电势脉冲技术(USVP)、扫描微电解池技术(SECCM)等。
基于模板复制的电化学微纳加工方法由于电场分布及物质扩散等原因，对于大面积加工较难进行均一性控制。而由于逐点加工的原因，基于扫描探针技术的加工方法进行大面积加工时效率很低。
对于特定圆形三维形貌加工，往往使用点电极进行逐点扫描加工，该方法效率极低。另外也可以制作圆形三维形貌电极刀具，使用模板复制的方法加工。但是三维模板加工工艺复杂，且大面积刀具由于电场及溶液内物质传递不均一，模板刀具的三维形状无法精确的复制到被加工基底上，需要根据加工出的三维结构形貌数据修改电极刀具的三维形貌，进行刀具仿形，过程复杂，且不可控。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用异形电极刀具进行电化学加工的方法，对于加工特定表面形貌结构，设计特殊形状的电极刀具，从而避免电场分布及物质扩散不均匀，并结合刀具旋转运动对基底材料进行高效率加工，最终在被加工工件表面形成特定表面形貌的结构。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种利用异形电极刀具进行电化学加工的方法，所述的方法包括以下步骤：
步骤(1)：根据需要加工的特定形貌结构，设计并制作异形电极刀具，所述的异形电极刀具表面进行研磨抛光处理，使得表面质量符合要求；
步骤(2)：将异形电极刀具固定于夹具上，再将所述的夹具固定于多维操纵装置的Z方向位移台上；
步骤(3)：将被加工工件固定于电解池底部，向所述的电解池中注入电解液，并使电解液没过被加工工件；
步骤(4)：控制异形电极刀具逼近被加工工件，并利用多维操纵装置的X-Y方向位移台调整异形电极刀具与被加工工件相对位置；
步骤(5)：将辅助电极和参比电极浸入电解液中，电化学工作站的工作电极线连接异形电极刀具，启动电化学工作站，对异形电极刀具施加-2～2V恒电位，产生电化学电流；
步骤(6)：控制C轴旋转台使被加工工件进行旋转运动，同时加工进行；
步骤(7)：控制加工时间在5-1000min之间，加工结束后，异形电极刀具远离被加工工件，加工完成，被加工工件表面产生要求的形貌结构。
本发明相对于现有技术的有益效果是：
(1)本发明的方法仅需要多维操纵装置、电化学工作站及相关附属设施即可完成特定三维形貌加工，与模板复制方法相比，该方法能够有效解决电场分布及物质扩散不均一的问题，适用于大面积加工。
(2)本发明的方法与直写技术相比，在同等条件下，工作效率高10-100倍。
(3)本发明由于是电化学诱导加工，加工过程在溶液中进行，环境温和，被加工工件可以避免表层和亚表层损伤。
(4)本发明的方法在加工过程中，异形电极刀具与被加工工件无接触，电极刀具无磨损，并且被加工工件可以避免机械损伤，另外对被加工工件性质无特殊要求，可以加工硬脆性材料。
(5)该方法属于一次成型，从而大大减少加工复杂度，提高了加工效率。
附图说明
图1为本发明的方法中所使用的多维操纵装置的结构示意图；
图中各元件符号说明如下：
X-Y方向位移台1-1；Z方向位移台1-2；C轴旋转台2；被加工工件3；电解池4；异形电极刀具5；夹具6；辅助电极7；参比电极8；运动控制器9；电化学工作站10；工控机11；
图2为采用扇形电极刀具进行特殊形貌电化学加工示意图；
图中各元件符号说明如下：
被加工工件3；异形电极刀具5；异形电极刀具5相对于被加工工件3旋转运动轴线12；
图3为本发明的加工步骤示意图；
图4为扇形电极刀具示意图；
图5为扇环形电极刀具的扇环面示意图；
图6为近似于扇形电极刀具的近似于扇形面示意图；
图7为扇形刀具加工过程中刀具线速度及附近溶液流场分布示意图；
图8为实施例1中圆心角为60°的扇形电极刀具加工砷化镓表面光学图片；
图9为实施例1中圆心角为60°的扇形电极刀具加工砷化镓表面中心截线轮廓仪检测轮廓曲线；
图10为实施例1中圆心角为60°的扇形电极刀具加工砷化镓表面加工区域轮廓仪检测粗糙度曲线；
图11为实施例2中圆心角为15°的扇形电极刀具加工砷化镓表面后的光学图；
图12为实施例2中圆心角为15°的扇形电极刀具加工砷化镓表面后的中心截线轮廓仪检测轮廓曲线；
图13为实施例2中圆心角为15°的扇形电极刀具加工砷化镓表面后的加工区域轮廓仪检测粗糙度曲线；
图14为实施例3中圆心角为5°的扇形电极刀具对砷化镓表面加工的有限元仿真模拟表面效果图；
图15为实施例3中圆心角为5°的扇形电极刀具对砷化镓表面加工的有限元仿真模拟表面中心截线轮廓曲线；
图16为实施例4中扇环形电极刀具对砷化镓表面加工的有限元仿真模拟表面效果图；
图17为实施例4中扇环形电极刀具对砷化镓表面加工的有限元仿真模拟表面中心截线轮廓曲线；
图18为实施例5中砷化镓表面加工的有限元仿真模拟表面效果图；
图19为实施例5中砷化镓表面加工的有限元仿真模拟表面中心截线轮廓曲线。
具体实施方式
为了更好的理解本发明专利的方案，结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
具体实施方式一：如图1-图3所示，本实施方式披露了一种利用异形电极刀具进行电化学加工的方法，所述的方法包括以下步骤：
步骤(1)：根据需要加工的特定形貌结构，设计并制作异形电极刀具5，所述的异形电极刀具5表面进行研磨抛光处理，使得表面质量符合要求(粗糙度大于100nm，面型精度不大于1μm)；
步骤(2)：将异形电极刀具5固定于夹具6上，再将所述的夹具6固定于多维操纵装置的Z方向位移台1-2上；
步骤(3)：将被加工工件3固定于电解池4底部，向所述的电解池4中注入电解液，并使电解液没过被加工工件3；
步骤(4)：控制异形电极刀具5逼近被加工工件3，并利用多维操纵装置的X-Y方向位移台1-1调整异形电极刀具5与被加工工件3相对位置；
步骤(5)：将辅助电极7和参比电极8浸入电解液中，电化学工作站10的工作电极线连接异形电极刀具5，启动电化学工作站10，对异形电极刀具5施加-2～2V恒电位，产生电化学电流；
步骤(6)：控制C轴旋转台2使被加工工件3进行旋转运动，同时加工进行；
步骤(7)：控制加工时间在5-1000min之间，加工结束后，异形电极刀具5远离被加工工件3，加工完成，被加工工件3表面产生要求的(三维)形貌结构。
具体实施方式二：如图2所示，本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，步骤(1)中，所述的异形电极刀具5为扇形电极刀具，所述的扇形电极刀具的扇形面半径为5-100mm，扇形电极刀具的扇形面的圆心角为5°～60°。
具体实施方式三：如图1、图2所示，本实施方式是对具体实施方式二作出的进一步说明，所述的扇形电极刀具圆心与被加工工件3的旋转轴心重合。
具体实施方式四：如图5所示，本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述的异形电极刀具5为扇环形电极刀具，设所述的扇环形电极刀具的扇环面外环半径为a，扇环形电极刀具的内环半径为b，则a与b之差在5-100mm范围内(其中b的范围为5-50mm，a的范围为10-150mm)，扇环形电极刀具的扇环面的圆心角为5°～60°。
具体实施方式五：如图6所示，本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述的异形电极刀具5为近似于扇形电极刀具，所述的近似于扇形电极刀具的近似于扇形面的两条边线均为内凹的圆弧线，所述的近似于扇形面的圆弧段方程为αr0(α∈[-α0,α0])，另外两条边线的方程为和其中r和α分别为极坐标系的半径坐标和角坐标变量，近似于扇形面的圆心角取值范围在10°-60°之间，r0的范围为5-100mm，r0和α0分别为刀具的半径和扇形圆心角。
具体实施方式六：如图1所示，本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，步骤(4)中，所述的异形电极刀具5与被加工工件3间的距离为1-200μm。本实施方式可以根据加工化学体系、被加工工件的材料选择及加工要求旋转合适的异形电极刀具5与被加工工件3间的距离。
具体实施方式七：如图1所示，本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，步骤(6)中，所述的旋转运动的速度为0.1～100°/s。本实施方式可以根据加工化学体系、被加工工件3的材料选择及加工要求选择合适的旋转运动速度。
具体实施方式八：如图1所示，本实施方式是对具体实施方式五作出的进一步说明，所述的近似于扇形电极刀具圆心与被加工工件3的旋转轴心重合。
具体实施方式九：如图4所示，本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明。图中的异形电极刀具5为扇形电极刀具。首先，将厚度为0.5mm的金属铂片用线切割工艺加工成特定角度的扇形，图中三个扇形电极刀具的圆心角分别是60°、30°和15°，半径为9mm。将加工好的铂片反面固定金属连接线，并固定于酚醛树脂柱上。之后分别用1200目和2000目砂纸研磨，并分别用1μm、0.3μm和0.05μm的氧化铝抛光粉进行抛光。抛光完成后经过轮廓仪检测器检测表面粗糙度为10-50nm，面型精度为0.1-1μm。经过处理后的扇形电极刀具的圆心与被加工工件3旋转轴心重合，可以加工出底面平整的圆形凹槽。
具体实施方式十：铂片按照具体实施方式九类似的加工方式制作出近似于扇形电极刀具，然后采用具体实施方式一的加工方法，近似于扇形电极刀具圆心与被加工工件3旋转轴心重合，可以加工出底面方程为凹槽，其中k为常数，取值范围为0.01-10。z表示底面高度，r表示极坐标系的半径坐标(距离旋转轴心的距离)。k为曲面方程参数，具体值与实施加工的化学体系、被加工材料及加工参数有关。
具体实施方式十一：如图5所示，本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明。图中为异形电极刀具5底部形状为扇环形。外环半径为20mm，内环半径为5mm，圆心角为30°。铂片按照与具体实施方式九类似的加工方式制作出扇环形电极刀具，然后采用具体实施方式一的加工方法，扇环形电极刀具圆心与被加工工件3旋转轴心重合，可以加工出底面平整的环形凹槽。
具体实施方式十二：如图7所示，本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明。以扇形电极刀具为例，当电极刀具相对于被加工材料进行旋转运动加工时，扇形刀具各点线速度如图中7矢量曲线所示，因此带动溶液中刀具附近溶液按相同方向流动，溶液流动促进刀具与被加工材料微区内物质传递。另外溶液流动同时耦合电化学反应，在扇形刀具的作用下完成加工。与传统逐点加工方式相比，由于作用面积较大，能明显提高加工效率。与模板复制方法相比，避免了模板电极过大造成的电场及物质分布不均一，难以精确复制三维形貌，而旋转运动引起的溶液流动能够加快物质传递，提高效率；另外，刀具形状与旋转运动共同作用加工三维结构，避免了复杂三维电极刀具加工工艺复杂的问题。
实施例1：图8给出本发明使用圆心角为60°的扇形电极刀具加工砷化镓表面光学图片。图9给出的了圆心角为60°的扇形电极刀具加工砷化镓表面中心截线轮廓仪检测轮廓曲线；图10给出了圆心角为60°的扇形电极刀具加工砷化镓表面加工区域轮廓仪检测粗糙度曲线。加工条件：采用的电解液含有0.1mol/dm3NaBr和1mol/dm3H2SO4；选择具体实施方式九中圆心角为30°的扇形电极刀具，按照具体实施方式的加工步骤，刀具及被加工工件3的位置调整通过工控机11的上位机软件控制运动控制器9完成。被加工工件3选择n型砷化镓，扇形电极刀具与被加工工件3间的距离为10μm，被加工工件3旋转运动角速度为1°/s，加工时间为2h。加工结束后得到底面平整的圆形凹槽，凹槽深度为3.5μm，其半径为9.05mm，底面面型精度为0.7165μm，表面粗糙度为165nm。
实施例2：图11给出了圆心角为15°的扇形电极刀具加工砷化镓表面后的光学图片；图12为给出了圆心角为15°的扇形电极刀具加工砷化镓表面后的中心截线轮廓仪检测轮廓曲线；图13给出了圆心角为15°的扇形电极刀具加工砷化镓表面后的加工区域轮廓仪检测粗糙度曲线。加工条件：采用的电解液含有0.1mol/dm3NaBr和1mol/dm3H2SO4；选择具体实施方式九中圆心角为30°的扇形电极刀具，按照具体实施方式一的加工步骤，被加工工件3选择n型砷化镓，扇形电极刀具与被加工工件3间的距离为5μm，被加工工件3旋转运动角速度为2°/s，加工时间为1h。加工结束后得到底面平整的圆形凹槽，其半径为9.05mm，凹槽深度为0.5μm，底面面型精度为0.7626μm，表面粗糙度为656nm。
实施例3：图14给出了圆心角为5°的扇形电极刀具对砷化镓表面加工的有限元仿真模拟表面效果图；图15给出了圆心角为5°的扇形电极刀具对砷化镓表面加工的有限元仿真模拟表面中心截线轮廓曲线。加工条件：采用的电解液含有0.1mol/dm3NaBr和1mol/dm3H2SO4；选择具体实施方式九中圆心角为5°的扇形电极刀具，其半径为22.5mm，按照具体实施方式一的加工步骤，被加工工件3选择n型砷化镓，扇形电极刀具与被加工工件3间的距离为15μm，被加工工件3旋转运动角速度为5°/s，加工时间为4h。加工结束后得到底面平整的圆形凹槽，其半径为22.58mm，凹槽深度为4.2μm。该方结果表面可以根据所需要加工的圆形凹槽的尺寸和深度选择合适角度和半径的扇形电极，并设定合适的加工参数进行加工。
实施例4：图16给出了扇环形电极刀具对砷化镓表面加工的有限元仿真模拟表面效果图；图17给出了扇环形电极刀具对砷化镓表面加工的有限元仿真模拟表面中心截线轮廓曲线。扇环形电极刀具扇环面外径为10mm，内径为5mm，圆心角为30°。加工条件：采用的电解液含有0.2mol/dm3NaBr和1mol/dm3H2SO4；被加工工件3选择n型砷化镓，扇环形电极刀具与被加工工件3间的距离为30μm，被加工工件3旋转运动角速度为10°/s，加工时间为3h。加工结束后得到底面平整的环形凹槽，其外环半径为20mm，内环半径为10mm，凹槽深度为11.54μm。
实施例5：图18给出了砷化镓表面加工的有限元仿真模拟表面效果图；图19给出了砷化镓表面加工的有限元仿真模拟表面中心截线轮廓曲线。近似于扇形电极刀具的近似于扇形面形状见具体实施方式十一。加工条件：采用的电解液含有0.15mol/dm3NaBr和1mol/dm3H2SO4；被加工工件选择n型砷化镓，近似于扇形电极刀具与被加工工件3间的距离为10μm，被加工工件3旋转运动角速度为0.5°/s，加工时间为5h。加工结束后砷化镓表面为以圆形曲面结构，以圆心为原点，其结构方程为其中z为砷化镓表面高度，单位为μm，r为极坐标系的半径坐标，单位为mm。

Claims (8)

1.一种利用异形电极刀具进行电化学加工的方法，其特征在于：所述的方法包括以下步骤：
步骤(1)：根据需要加工的特定形貌结构，设计并制作异形电极刀具(5)，所述的异形电极刀具(5)表面进行研磨抛光处理，使得表面质量符合要求；
步骤(2)：将异形电极刀具(5)固定于夹具(6)上，再将所述的夹具(6)固定于多维操纵装置的Z方向位移台(1-2)上；
步骤(3)：将被加工工件(3)固定于电解池(4)底部，向所述的电解池(4)中注入电解液，并使电解液没过被加工工件(3)；
步骤(4)：控制异形电极刀具(5)逼近被加工工件(3)，并利用多维操纵装置的X-Y方向位移台(1-1)调整异形电极刀具(5)与被加工工件(3)相对位置；
步骤(5)：将辅助电极(7)和参比电极(8)浸入电解液中，电化学工作站(10)的工作电极线连接异形电极刀具(5)，启动电化学工作站(10)，对异形电极刀具(5)施加-2～2V恒电位，产生电化学电流；
步骤(6)：控制C轴旋转台(2)使被加工工件(3)进行旋转运动，同时加工进行；
步骤(7)：控制加工时间在5-1000min之间，加工结束后，异形电极刀具(5)远离被加工工件(3)，加工完成，被加工工件(3)表面产生要求的形貌结构。
2.根据权利要求1所述的一种利用异形电极刀具进行电化学加工的方法，其特征在于：步骤(1)中，所述的异形电极刀具(5)为扇形电极刀具，所述的扇形电极刀具的扇形面半径为5-100mm，扇形电极刀具的扇形面的圆心角为5°～60°。
3.根据权利要求2所述的一种利用异形电极刀具进行电化学加工的方法，其特征在于：所述的扇形电极刀具圆心与被加工工件(3)的旋转轴心重合。
4.根据权利要求1所述的一种利用异形电极刀具进行电化学加工的方法，其特征在于：所述的异形电极刀具(5)为扇环形电极刀具，设所述的扇环形电极刀具的扇环面外环半径为a，扇环形电极刀具的内环半径为b，则a与b之差在5-100mm范围内，扇环形电极刀具的扇环面的圆心角为5°～60°。
5.根据权利要求1所述的一种利用异形电极刀具进行电化学加工的方法，其特征在于：所述的异形电极刀具(5)为近似于扇形电极刀具，所述的近似于扇形电极刀具的近似于扇形面的两条边线均为内凹的圆弧线，所述的近似于扇形面的圆弧段方程为αr0(α∈[-α0,α0])，另外两条边线的方程为和其中r和α分别为极坐标系的半径坐标和角坐标变量，近似于扇形面的圆心角取值范围在10°-60°之间，r0的范围为5-100mm，r0和α0分别为刀具的半径和扇形圆心角。
6.根据权利要求1所述的一种利用异形电极刀具进行电化学加工的方法，其特征在于：步骤(4)中，所述的异形电极刀具(5)与被加工工件(3)间的距离为1-200μm。
7.根据权利要求1所述的一种利用异形电极刀具进行电化学加工的方法，其特征在于，步骤(6)中，所述的旋转运动的速度为0.1～100°/s。
8.根据权利要求5所述的一种利用异形电极刀具进行电化学加工的方法，其特征在于：所述的近似于扇形电极刀具圆心与被加工工件(3)的旋转轴心重合。
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