CN108746897A - 一种螺旋微电极电化学加工系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种螺旋微电极电化学加工系统及方法，将加工电极设置于电主轴前端并校直，加工电极与阴极金属圆环分别与直流电源正负极相连接；控制电主轴带动加工电极运动，使其穿过阴极金属环至一定距离，进行对刀，使阳极工件处于金属环中心，并滴加电解液使其在金属环上形成液膜；控制电主轴旋转，带动其前端的加工电极高转速旋转；接通电源，检测电流信号，反馈给控制系统，控制直流电源的电压大小，保证电流密度在一定范围，保证电极表面出现螺旋槽，并进行电化学抛光。本发明方法工艺简单，刻蚀过程中不需要进给，螺旋沟槽一次成形。

Description

一种螺旋微电极电化学加工系统及方法

技术领域

本发明涉及一种螺旋微电极电化学加工系统及方法。

背景技术

随着对产品元件微小型化的需求，所加工微孔及微槽的尺寸越来越小，并对加工工具提出了更高的要求。螺旋柱状微电极因其尺寸较小、排屑性能好、加工效率及加工质量较高，在微细电解、微细电解电火花加工领域及PCB等机械钻孔领域得到广泛应用。

目前Φ100μm以内螺旋微电极的重要加工技术主要掌握在日本等国，国内能生产螺旋微电极的企业所使用的多为价格较昂贵的进口数控机床，因此市面上小于Φ100μm的螺旋柱状微电极价格也比较昂贵，并且以国内的加工能力，所能加工最小尺寸的螺旋微电极仅能达到Φ50μm，因此如何降低较小尺寸螺旋电极的加工难度成为重要的研究方向。

螺旋微电极的加工难点在于要将毛坯加工到较小直径并在电极表面加工出螺旋沟槽。目前螺旋微电极主要的加工方法是磨削加工，首先将棒料毛坯通过磨削加工到一定尺寸后，在磨削出工作部分尺寸，然后通过机床上的丝杆机构，在工作部分磨削出螺旋沟槽。但由于磨削加工过程中，工件承受径向磨削力，因此工件不容易加工到很小的尺寸，为了防止其变形，对机床精度、砂轮材料及形状要求较高，同时为了保证加工质量，还需要定期对砂轮进行休整。因此这种加工方法设备精度要求高、设备昂贵，加工成本高。

目前，电化学刻蚀加工微电极是一大研究热点，刻蚀加工过程中，金属材料以离子的形式蚀除，且微电极不承受径向力，不产生变形，很容易加工到极细的尺寸，同时可以控制加工参数对电极表面进行电化学抛光，提高表面质量，且设备成本低，其中液膜电化学刻蚀是一种可以加工纳米级微电极的加工方法。液膜刻蚀法基于电化学刻蚀原理，电解液被滴于金属圆环上，在液体表面张力的作用下在金属圆环上形成液膜，该液膜为电化学离子交换的场所。同时研究表明，电化学刻蚀加工电极过程中，当电极高速旋转时，电极表面流场出现螺旋涡流，使电极表面出现刻蚀速率差，出现螺旋沟槽。

中国发明专利“CN201510870824-电化学加工装置及加工方法”提出了一种制备螺旋电极的方法；但由于加工电极的柱状工件初始直径为几百微米，如果加工的电极直径较小，近液面处电极直径由几百微米突变到几十微米，该部分应力集中，在重力与离心力的作用下，应力集中处易发生断裂，因此该方法制备的螺旋电极尺寸较大。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种螺旋微电极电化学加工系统及方法，本发明将液膜刻蚀法与电极旋转相结合，利用旋转使柱状电极表面流场所形成螺旋涡流影响对加工过程中扩散层介质转换速率，使电极表面出现刻蚀速率差成形与螺旋涡相吻合的螺旋槽，利用液膜电化学刻蚀法的加工特点使电极达到较小尺寸，并对电极表面进行电化学抛光，提高电极表面质量。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种螺旋微电极电化学加工系统，包括直流电源、电主轴、微进给系统、电流检测模块、控制系统、数据采集卡以及阴极金属圆环，其中：

所述阴极金属圆环套设于加工电极外侧，所述加工电极固定于电主轴上；所述微进给系统包括控制卡和受其控制的直线位移平台，所述电主轴带动加工电极保持高速旋转，直流电源在两极施电压，电流检测模块检测加工电流，数据采集卡将电流信号反馈给控制系统，控制系统根据电流信号大小调节直流电源的输出电压；

控制电流密度于设定范围内，以及阴极金属圆环上滴加的电解液流量，使得电解液在阴极金属圆环上形成的液膜，随着电主轴的旋转，加工电极表面形成流动漩涡区域环状螺旋上升的螺旋涡流，以实现电极表面螺旋槽的成形加工。

进一步的，所述直线位移平台在X、Y与Z向运动使加工电极处于阴极金属圆环的中心。

进一步的，所述加工电极为阳极工件，具体为柱状钨丝，加工前需要校直。

进一步的，所述阴极金属环的材料为钨丝，圆环的直径为3-6mm。

进一步的，所述阴极金属环水平夹持在支架上，支架位于电主轴的下端。

进一步的，所述电主轴下端设置有电极接收器，以接收掉落的被刻蚀部分。

一种螺旋微电极电化学加工方法，具体步骤包括：

将加工电极设置于电主轴前端并校直，加工电极与阴极金属圆环分别与直流电源正负极相连接；

控制电主轴带动加工电极运动，使其穿过阴极金属环至一定距离，进行对刀，使阳极工件处于金属环中心，并滴加电解液使其在金属环上形成液膜；

控制电主轴旋转，带动其前端的加工电极高转速旋转；

接通电源，检测电流信号，反馈给控制系统，控制直流电源的电压大小，将电流密度控制在一定范围，保证电极表面出现螺旋槽，并使电极表面发生电化学抛光。

进一步的，所述电主轴带动加工电极的转速为2000～5000rpm。

通过控制电主轴转速与旋转方向来控制所加工螺旋柱状微电极的螺距与旋向，一般规律为：在一定转速范围内，转速越高，螺旋槽数目越多，螺距越小。

进一步的，电流密度是影响电极表面螺旋沟槽成形的重要参数，加工过程中电流密度较小或较大时，电极表面各部分的蚀除速率差较小，螺旋沟槽较浅甚至无法成形，因此需要根据加工环境，确定合适范围的电流密度，保证电极表面成形螺旋槽，使电极表面发生电化学抛光。

进一步的，当加工电极的转速突破一定极限时，在离心力的作用下，电极表面附近的流体形成螺旋涡流，螺旋涡流的流动漩涡区域是环状螺旋上升的，电极扩散层的分布与螺旋涡流的流动区域相吻合。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明方法工艺简单，刻蚀过程中不需要进给，螺旋沟槽一次成形。

2、通过反馈的电流信号控制电流密度，保证电极表面螺旋沟槽成形的同时使其表面发生电化学抛光，电极表面质量较好。

3、本发明方法在液膜刻蚀法基础上施加高速旋转制备螺旋微电极，加工的螺旋电极直径为Φ1～100μm，且电极旋向可通过改变加工旋转方向改变。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为微细电解加工机床结构示意图。

图2(a)和图2(b)为液膜刻蚀法制备螺旋微电极过程中电极表面扩散层分布示意图。

图3为液膜刻蚀法制备螺旋微电极结束时刻示意图。

其中，1是电子计算机，2是电极接收器，3是阳极钨丝，4是电解液液膜，5是阴极钨丝环，6是支架，7是高频电流探头，8是螺旋涡分布的扩散层，9是螺旋电极末端；

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。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，将阴极钨丝环5水平装夹在支架6的夹具上，并将其放置在高速电主轴的正下方；截取适当长度的钨丝3，用弹性夹头装夹在高速电主轴前端，高速旋转，将其校直后停止旋转；通过电子计算机1控制Z轴运动，使阳极钨丝3穿过阴极金属环5中心一段距离；向钨丝环5上滴加碱性电解液，使电解液在钨丝环上形成液膜；高速电主轴带动阳极钨丝3高速旋转，接通直流电源，施加一定的输出电压，利用高频电流探头7测量电路中的电流，通过数据采集卡传输到计算机1后，将传输的电信号进行分析处理后，反馈控制直流电源调节输出电压，保证电流密度达到电极表面螺旋槽成形及发生电化学抛光所必须的范围。

在本实施例中，阳极工件为柱状钨丝，在其他实施例中可以替换为其他类型的电极。

阴极金属环的材料为Φ300μm钨丝，圆环的直径为Φ3-6mm。在其他实施例中可以替换为其他类型或其他尺寸的材质。

加工前需校直阳极钨丝，保证工件旋转时液膜能稳定存在。

阴极金属圆环与阳极工件尽量保持垂直。最好为垂直。

采用高频电流探头和数据采集卡测量反馈控制直流电源输出电压来控制电流密度。采用反馈电信号控制电流密度的方式来控制螺旋槽的深度，并使螺旋微电极发生电化学抛光，具有较好的表面质量。

当然，在其他实施例中，高频电流探头和数据采集卡可以用其他相应功能的仪器或模块进行替换，如高频电流探头可以用电流传感器等进行替换。

图2(a)是液膜刻蚀法与电极旋转相结合制备螺旋微电极的示意图，由于表面张力，电解液在金属环5上形成稳定的液膜，加工过程中电极在液膜中的部分逐渐被刻蚀形成颈缩，刻蚀部分上部分较细，下部分较粗。

图2(b)是电极刻蚀部分表面扩散层分布情况，当阳极钨丝3转速突破一定极限时，在离心力的作用下，电极表面附近的流体形成一种独特的流动方式—螺旋涡流，螺旋涡流的流动漩涡区域是环状螺旋上升的，漩涡的内部流体流动较剧烈，与扩散层外部新鲜电解液交换速率较快，所以螺旋涡8漩涡覆盖区域的电极表面材料的蚀除速率较快，每层漩涡过渡部分影响较小，材料蚀除速率较慢，这种现象使电极表面交替出现刻蚀速率差，电极在变细的同时，表面出现螺旋槽，电解产物随着螺旋涡流运动，电极扩散层的分布也变得与螺旋涡流8的流动区域8相吻合。

阳极钨丝转速为2000～5000rpm。

图3是液膜刻蚀法制备螺旋微电极结束时示意图，制备螺旋电极时，施加一定的电压，使刻蚀部分电极上部分刻蚀速率较快，电极末端9处直径最小，当其直径足够小时，在离心力和重力的作用下，电极末端9与上部分电极材料断裂，电极下半部分脱落，掉落至电极接收器2内，掉落部分带有被刻蚀部分，为所需要的螺旋微电极。

作为一种具体的方式，步骤包括：

(1)将钨丝通过弹性夹头装夹在高速电主轴前端并校直，阴极金属环水平夹持在支架上，阳极与阴极分别与直流电源正负极相连接；

(2)通过调节运动控制卡，控制机床Z轴的运动，使阳极钨丝穿过阴极金属环至一定距离，控制X-Y轴运动进行对刀，使阳极工件处于金属环中心，并滴加电解液使其在金属环上形成液膜；

(3)控制高速电主轴旋转，带动其前端的钨丝高转速旋转；

(4)接通电源，使用高频电流探头检测电流信号，通过数据采集卡反馈给控制系统，控制直流电源的电压大小，保证电流密度在一定范围，保证电极表面出现螺旋槽。

本发明工作原理为：液膜刻蚀法加工微电极时，电解液由于表面张力作用在金属环上悬浮，并形成液膜。阳极钨丝浸没在液膜中并保持高速旋转，电极表面出现螺旋涡流，螺旋涡流内部流体运动较快，加快了环状漩涡区域电解液更新，电极材料蚀除速率较快，漩涡交界处电解液更新较慢，材料蚀除速率较慢，因此随着电化学刻蚀的进行，电极表面形成螺旋槽，且直径逐渐变细形成颈缩，最后，在离心力和重力的作用下，颈缩部分断裂成上下两部分，下部分为所加工螺旋微电极。

阳极钨丝旋转方向影响螺旋微电极的旋向，顺时针旋转加工出的为右旋螺旋微电极，逆时针旋转加工出的为左旋螺旋微电极。

需要注意的是，加工过程中电流密度必须在合适范围内才能使微电极表面出现明显的螺旋沟槽，过高或过低的电流密度都会使螺旋槽深度不够明显。同时电流密度影响电化学加工质量，当电流密度达到一定程度时，会发生电化学抛光；利用高频电流探头和数据采集卡通过反馈的电流信号能精确控制电流密度，有利于电极表面螺旋槽的成形，并使加工过程中发生电化学抛光。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

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)

1.一种螺旋微电极电化学加工系统，其特征是：包括直流电源、电主轴、微进给系统、电流检测模块、控制系统、数据采集卡以及阴极金属圆环，其中：

所述阴极金属圆环套设于加工电极外侧，所述加工电极固定于电主轴上；所述微进给系统包括控制卡和受其控制的直线位移平台，所述电主轴带动加工电极保持高速旋转，直流电源在两极施电压，电流检测模块检测加工电流，数据采集卡将电流信号反馈给控制系统，控制系统根据电流信号大小调节直流电源的输出电压；

控制电流密度于设定范围内，以及阴极金属圆环上滴加的电解液流量，使得电解液在阴极金属圆环上形成的液膜，随着电主轴的旋转，加工电极表面形成流动漩涡区域环状螺旋上升的螺旋涡流，以实现电极表面螺旋槽的成形加工。

2.如权利要求1所述的一种螺旋微电极电化学加工系统，其特征是：所述直线位移平台在X、Y与Z向运动使加工电极处于阴极金属圆环的中心。

3.如权利要求1所述的一种螺旋微电极电化学加工系统，其特征是：所述加工电极为阳极工件，具体为柱状钨丝，加工前需要校直；

或，所述阴极金属环的材料为钨丝，圆环的直径为3-6mm。

4.如权利要求1所述的一种螺旋微电极电化学加工系统，其特征是：所述阴极金属环水平夹持在支架上，支架位于电主轴的下端。

5.如权利要求1所述的一种螺旋微电极电化学加工系统，其特征是：，所述电主轴下端设置有电极接收器，以接收掉落的被刻蚀部分。

6.一种螺旋微电极电化学加工方法，其特征是：包括以下步骤：

将加工电极设置于电主轴前端并校直，加工电极与阴极金属圆环分别与直流电源正负极相连接；

控制电主轴带动加工电极运动，使其穿过阴极金属环至一定距离，进行对刀，使阳极工件处于金属环中心，并滴加电解液使其在金属环上形成液膜；

控制电主轴旋转，带动其前端的加工电极高转速旋转；

接通电源，检测电流信号，反馈给控制系统，控制直流电源的电压大小，将电流密度控制在一定范围，保证电极表面出现螺旋槽，并使电极表面发生电化学抛光。

7.如权利要求6所述的一种螺旋微电极电化学加工方法，其特征是：所述电主轴带动加工电极的转速为2000～5000rpm。

8.如权利要求6所述的一种螺旋微电极电化学加工方法，其特征是：电流密度是影响电极表面螺旋沟槽成形的重要参数，加工过程中电流密度较小或较大时，电极表面各部分的蚀除速率差较小，螺旋沟槽较浅甚至无法成形，因此需要根据加工环境，确定合适范围的电流密度，保证电极表面成形螺旋槽的同时，使电极表面发生电化学抛光。

9.如权利要求6所述的一种螺旋微电极电化学加工方法，其特征是：当加工电极的转速突破一定极限时，在离心力的作用下，电极表面附近的流体形成螺旋涡流，螺旋涡流的流动漩涡区域是环状螺旋上升的，电极扩散层的分布与螺旋涡流的流动区域相吻合。

10.如权利要求6所述的一种螺旋微电极电化学加工方法，其特征是：转速范围内，转速越高，螺旋槽数目越多，螺距越小。