CN111360345B - 一种在工件表面形成微结构的加工方法及控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明所涉及的在工件表面形成微结构的加工方法，包括：S1、提供浸入至电解液中的金属材料作为阴极，阴极上形成有贯通该阴极的贯通微结构；S2、提供工件作为阳极，依据阴极上的贯通微结构通过激光‑电解复合加工工件，以在工件的表面形成所需要的微结构。在阴极上形成有贯通该阴极的贯通微结构，有效提高了激光‑电解复合加工以在工件的表面形成所需要的微结构过程中激光能场和电化学能场的耦合率，从而实现采用低能量密度的激光束便可有效促进材料的电化学溶解速度，以在几乎不影响加工定域性和加工表面质量的同时，提高微细电解加工的加工效率和加工稳定性，且易于实现大面积微结构的柔性制备。

Description

一种在工件表面形成微结构的加工方法及控制系统

技术领域

本发明涉及一种在工件表面形成微结构的加工方法及控制系统。

背景技术

随着现代科技的不断进步，精密化、微型化已成为工业、民用以及军用产品的主流发展方向，而微细加工技术是实现产品精密/微型化的支撑技术，因此受到了广泛的关注。微细电解加工技术(ECMM)是一种基于电化学阳极溶解原理对金属材料进行减材加工的微细制造方法。与其他微细加工方法相比(机械加工、激光加工、电火花加工等)，ECMM具有其独特的优势，包括：工具阴极无损耗(可重复使用)、加工表面质量高(无应力和变质层、无飞边和毛刺等)、加工过程与材料的机械性能无关(可加工几乎所有的金属材料)、可达到亚微米尺度的加工定域性(采用超短脉冲电源)等。ECMM已成为目前微细制造领域最具发展潜力的加工方法之一。但是，ECMM也具有其不足之处，其中最为突出的是其加工效率相对较低(加工速度一般为1.0～8.0μm/s，甚至更小)，尤其是当采用超短脉冲电源进行微细电解加工时，虽然其加工定域性得到大幅提高，但加工速度却受到极大的限制，通常仅为0.1～0.5μm/s。因此，如何提高ECMM的加工效率，对于ECMM进一步发展及广泛应用具有重要的意义。

近年来，研究人员提出了激光-电解复合加工技术，如激光-电解射流加工技术、激光辅助电解加工技术等。这些加工技术虽然提高了电解加工的效率，但其扔存在一些缺点，包括：

(1)所能加工微结构的特征尺寸相对较大(数十至数百微米)；

(2)由于加工过程中，所需的激光能量很大，加工表面不可避免的会出现热影响区甚至是熔渣，因此，与传统微细电解加工相比，激光-电解复合加工方法还存在加工表面质量较低的缺点；

(3)所用阴极的结构尺寸通常为激光束尺寸的数十倍甚至百倍，这导致激光能场和电化学能场的耦合率较低，无法采用超短脉冲电源进行加工，因此很难实现数微米至亚微米尺度的加工定域性；

(4)上述方法对于微结构阵列的加工需对每个微结构特征逐个加工，加工效率较低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在工件表面形成微结构的加工方法，以解决加工表面质量较低、加工效率低和定域性难实现的问题，从而提高微细电解加工的加工效率和加工稳定性。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种在工件表面形成微结构的加工方法，所述方法包括：

S1、提供浸入至电解液中的金属材料作为阴极，所述阴极上形成有贯通该阴极的贯通微结构；

S2、提供工件作为阳极，依据所述阴极上的贯通微结构通过激光-电解复合加工所述工件，以在所述工件的表面形成所需要的微结构。

进一步地，所述贯通微结构的加工方法：通过激光原位加工所述金属材料以在所述金属材料上形成所述贯通微结构。

进一步地，所述贯通微结构为微孔、微槽及微孔阵列中的一个。

进一步地，所述工件表面的微结构为多微孔、微孔阵列、直线式微槽、曲线式微槽、直线式微槽阵列、曲线式微槽阵列中的一个。

进一步地，所述金属材料为金属薄板，在“激光原位加工”中，所述金属薄板弯曲形成具有曲面的底部，激光的焦点聚焦在所述底部的上表面的中心。

进一步地，所述金属薄板的厚度为0.03～0.05mm。

进一步地，所述金属材料为微细金属丝或微细金属棒，所述微细金属丝或微细金属棒具有通过削边形成的削边线电极，在“激光原位加工”中，激光的焦点聚焦在所述削边线电极的上表面。

进一步地，所述微细金属丝或微细金属棒的直径为0.03～0.1mm。

本发明还提供一种实现在工件表面形成微结构的控制系统，采用所述的在工件表面形成微结构的加工方法，用以对设置在电解液中作为阳极的工件进行加工，所述控制系统包括用以设置在电解液中的阴极、分别与所述阴极和所述工件电连接的供电装置、以及提供激光的激光系统，所述供电装置与所述阴极、所述工件构成回路，其中，所述阴极为具有贯通微结构的金属材料。

进一步地，所述控制系统还包括驱动所述工件相对所述阴极移动的运动平台。

本发明的有益效果在于：本发明所提供的在工件表面形成微结构的加工方法在阴极上形成有贯通该阴极的贯通微结构，有效提高了激光-电解复合加工以在工件的表面形成所需要的微结构过程中激光能场和电化学能场的耦合率，从而实现采用低能量密度的激光束便可有效促进材料的电化学溶解速度，以在几乎不影响加工定域性和加工表面质量的同时，提高微细电解加工的加工效率和加工稳定性，且易于实现大面积微结构的柔性制备。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1为本发明第一实施例所示的工件表面形成微结构的加工方法的加工的流程图；

图2为图1中区域A的放大图；

图3为图1中区域B的放大图；

图4为本发明第二实施例所示的工件表面形成微结构的加工方法的加工的流程图；

图5为三种不同的阴极的贯通微结构和工件的微结构的结构示意图，其中a为阴极的贯通微结构、b和c工件的微结构，由a可以得到b和c；

图6为本发明第一实施例所示的实现在工件表面形成微结构的控制系统的结构示意图；

图7为本发明第二实施例所示的制备削边线电极的控制系统的结构示意图；

图8为本发明第二实施例所示的实现在工件表面形成微结构的控制系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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做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。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

请参见图6至图8，本发明提供了一种实现在工件9表面形成微结构10的控制系统，采用在工件9表面形成微结构10的加工方法，用以对设置在电解液6中作为阳极的工件9进行加工，控制系统包括用以设置在电解液6中的阴极1、分别与阴极1和工件9电连接的供电装置8、竖直升降平台14、提供激光4的激光系统、驱动阴极9移动第一个三维精密运动平台13、驱动工件9相对阴极1移动的运动平台21、以及控制第一个三维精密运动平台13和运动平台21的计算机19。供电装置8与阴极1以及工件9构成回路，在回路中，供电装置8为超短脉冲电源8。其中，阴极1为金属材料，具体的，阴极1上形成有贯通该阴极1的贯通微结构5。阴极1固定在第一个三维精密运动平台13上，并可在XYZ三个方向上移动，以此将阴极1移动到所需的位置处，此外，运动平台21为第二个三维精密运动平台21，二个三维精密运动平台21除了驱动工件9相对阴极1移动，还用以将工件9移动到所需位置并。在该控制系统中，电解液6放置在电解液槽7内，电解液槽7放置在竖直升降平台14上，该竖直升降平台14可以在上下方向上调节电解液槽7的位置。激光系统包括用以发射激光4的激光器15、用以反射激光4的第一全反镜16和第二全反镜17、以及激光扫描阵镜18，激光器15发出的紫外激光4并被第一全反镜16和第二全反镜17沿竖直方向抬升，并入射到激光扫描阵镜18中，通过扫描阵镜18内部装置的作用后，激光4被沿竖直方向聚焦，焦点20处光斑的直径约为10μm。

上述控制系统用以实现在工件9表面形成微结构10的加工方法，该方法包括：

S1、提供浸入至电解液9中的金属材料1作为阴极1，阴极1上形成有贯通该阴极1的贯通微结构5；

S2、提供工件9作为阳极，依据阴极1上的贯通微结构5通过激光-电解复合加工工件9，以在工件9的表面形成所需要的微结构10。

本发明中，金属材料1可以为金属薄板1，请参见图1至图3，在“激光原位加工”中，金属薄板1弯曲形成具有曲面的底部，激光4的焦点20聚焦在底部的上表面的中心得到贯通微结构5，并将弯曲的金属薄板1底部部分和工件7放置在电解液6中，激光-电解复合加工得到具有微结构10的工件9，其中，金属薄板1的厚度为0.03～0.05mm，将弯曲的金属薄板1底部部分放置在电解液6中，浸入电解液6的阴极1面积较少，激光能场和电化学能场的耦合率高，因而可采用现有的超短脉冲电源8进行加工，有效克服了其可输出最大功率低的问题。

请参见图4，金属材料1为微细金属丝1或微细金属棒1，微细金属丝1或微细金属棒1具有通过在线削边形成的削边线电极1，在“激光原位加工”中，激光4的焦点20聚焦在削边线电极1的上表面，其中，微细金属丝1或微细金属棒1的直径为0.03～0.1mm，激光4的焦点20的光斑直径为0.001～0.02mm，将微细金属丝1或微细金属棒1制备成削边线电极1的目的是为了增加激光原位加工的成功率，激光4的焦点20的光斑具有一定直径，具有曲面的微细金属丝1或微细金属棒1很难在光斑下形成贯通其的贯通微结构，反而容易将微细金属丝1或微细金属棒1熔断，但是先将微细金属丝1或微细金属棒1制备出一平面，并将激光4的焦点20的光斑设置在该平面上，则大大增加激光原位加工的成功率。

本发明中阴极1的贯通其的贯通微结构5由激光4原位加工得到，且加工完毕后激光4与贯通微结构5的相对位置保持不变，因此，在后续激光-电解复合加工中不存在激光4与贯通微结构5的定位误差的问题，可保证加工精度与重复性。

其中，贯通微结构5的加工方法：通过激光原位加工金属材料以在金属材料上形成贯通微结构5。贯通微结构5为微孔、微槽及微孔阵列中的一个。工件9表面的微结构10为多微孔、微孔阵列、直线式微槽、曲线式微槽、直线式微槽阵列、曲线式微槽阵列中的一个。请参见图5，列举了几种贯通微结构5和基于贯通微结构5得到的不同微结构10，但根据实际需要，贯通微结构5和微结构10不仅限这些，也可以为其他，在此不做具体限制。通过改变阴极1中贯通微结构5的特征和工件9与阴极1之间的相对运动路径，便可加工出不同形状、尺寸的微结构10特征，因此，本发明易于实现大面积微结构的柔性制备。

关于在工件9表面形成微结构10的加工方法，下面以具体实施例进行说明：

实施例一

步骤一、请参见图1至图3，将厚度为50μm的钼薄板1作为阴极1安装在由有机玻璃材料制成的不导电的阴极夹具2中，安装后的钼薄板1会产生一定的弯曲，并在底部形成小曲率面；将阴极1和阴极夹具2依次在酒精和去离子水中各超声清洗5分钟，除去阴极1和阴极夹具2表面的油污及其他杂质，然后用自然风将阴极1表面残留的去离子水吹干。钼薄板1弯曲固定的目的是使进入电解液中的阴极面积足够小，以此有效提高后续激光-电解复合加工过程中激光能场和电化学能场的耦合率。

步骤二、请参见图6，将阴极夹具2固定在激光-电解复合加工平台中的第一个三维精密运动平台上13上；电解液槽7安装在竖直升降平台14上，并且其中注入电解液6；由激光器15发出的紫外激光4被第一全反镜16和第二全反镜17沿竖直方向抬升，并入射到激光扫描阵镜18中，通过扫描阵镜18内部装置的作用后，紫外激光4被沿竖直方向聚焦，激光焦点处光斑的直径约为10μm；通过计算机19控制三维精密运动平台13的X-Y轴，使得从扫描阵镜18射出的紫外激光4位于阴极1弯曲底部的上表面处，接着调节Z轴，使得阴极1底部的上表面的中心位于聚焦激光4的焦点光斑处20；调节竖直升降平台14使阴极1底部的上表面浸入电解液6中，阴极1底部的上表面距离电解液的表面的距离为0.5mm，该距离可根据实际需要进行设置，在此不做具体限定；设定激光器15的输出功率为1.5W，脉冲频率为30kHz，在阴极1上加工出一个与聚焦激光光斑尺寸相近的贯通该阴极1的贯通微结构5，该贯通微结构5的尺寸约10μm，加工过程中，电解液6中不断流动，以带走激光加工过程中产生的热量及熔渣等产物，提高所加工贯通微结构5的表面质量和精度。贯通微结构5加工完毕后，保持阴极1的位置不动。诚然，贯通微结构5也可以是多个贯通该阴极1的微结构，并不仅限于一个，可根据实际需要进行设置，在此不做限制。

步骤三、将钛合金作为工件9，并通过工件夹具11将工件9安装在第二个三维精密运动平台21上(处于图6中的位置a)；通过计算机19将工件9的上表面移动至阴极1的下方，并控制他们之间的间隙为2.0μm作为加工间隙12(处于图6中的位置b)，诚然，加工间隙12的数值也可以为其他，加工间隙12的范围为1-5μm，故，可根据实际确定加工间隙12的数值，在此不做限定；将超短脉冲电源8的正极与工件9相连，负极与阴极1相连，并设定其输出电压为10V，脉冲频率为1MHz，脉宽为100ns；调节激光器15的输出功率为0.5W，同时开启激光器15和超短脉冲电源8，进行激光-电解复合加工，加工过程中，第二个三维精密运动平台21驱动工件9以0.1μm/s的速度沿x轴方向直线运动，运动距离为5.0mm，诚然，工件9的移动速度和移动距离可以为其他数值，可根据实际需要进行设置，在此不做具体限制；由于在超短脉冲作用下，阴极1和工件9表面产生双电层充/放电暂态效应，除激光束辐照的区域外，工件9表面其他区域内的材料的电化学溶解速度极低，可忽略不计，因而，加工结束后会在工件9表面形成宽度约为10μm的高表面质量的微结构10；最后，取出工件9，并进行超声清洗，得到具有微结构10的工件9。

实施例二

步骤一、请参见图4，将直径50μm的钨丝1作为阴极1并以一定的张紧力安装在由有机玻璃材料制成的不导电的阴极夹具2中，其中，张紧力为1.0N；将阴极1和阴极夹具2清洗并吹干，该操作与实施例一中的步骤一相同，在此不再赘述。

步骤二、本实施例的该步骤与实施例一中的步骤基本相同，所使用的控制系统与实施例一的控制系统为同一套控制系统，请参见图7，不同点为：将安装有钨丝1的阴极夹具2固定在控制系统中第一个三维精密运动平台上13上；将厚度50μm的钨片3安装在工件夹具11中，并将其固定在第二个三维移动平台21，然后第二个三维移动平台21调节其至如图7中所示的位置，钨片3与阴极1的距离为2.0μm，该位置根据实际需要进行设置，并且钨片3也可以是其他金属片，在此不做具体限制；调节竖直升降平台14使电解液6浸没阴极1，阴极1上表面距离电解液的表面的距离为1.0mm，该距离可根据实际需要进行设置，在此不做具体限定；将超短脉冲电源8的正极与阴极1相连，负极与钨片3相连，进行电解加工；加工过程中，钨片3在第二个三维移动平台21的驱动下沿x方向不断快速往复运动，而阴极1在第一个三维精密运动平台13的驱动下沿+z方向并向钨片3缓慢运动，运动速度设置微0.1μm/s，运动距离设定为25μm。因此在钨片3的往复运动范围内的阴极1表面材料将逐渐溶解，加工完毕后，便得到附图4中所示形状的削边阴极1。

金属板3作快速往复运动，而阴极2缓慢向金属板运动，。

步骤三、请参见图8，本实施例的该步骤与实施例一中的步骤基本相同，不同点为：加工过程中，工件9在第二个三维精密运动平台21的驱动下沿+y方向连续运动。

综上，本发明所提供的在工件表面形成微结构的加工方法在阴极上形成有贯通该阴极的贯通微结构，有效提高了激光-电解复合加工以在工件的表面形成所需要的微结构过程中激光能场和电化学能场的耦合率，从而实现采用低能量密度的激光束便可有效促进材料的电化学溶解速度，以在几乎不影响加工定域性和加工表面质量的同时，提高微细电解加工的加工效率和加工稳定性，且易于实现大面积微结构的柔性制备。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种在工件表面形成微结构的加工方法，其特征在于，所述方法包括：

S1、提供浸入至电解液中的金属材料作为阴极，所述阴极上形成有贯通该阴极的贯通微结构，所述贯通微结构的加工方法：通过激光原位加工所述金属材料以在所述金属材料上形成所述贯通微结构，所述金属材料为金属薄板，在“激光原位加工”中，所述金属薄板弯曲形成具有曲面的底部，激光的焦点聚焦在所述底部的上表面的中心；

S2、提供工件作为阳极，依据所述阴极上的贯通微结构通过激光-电解复合加工所述工件，以在所述工件的表面形成所需要的微结构。

2.如权利要求1所述的在工件表面形成微结构的加工方法，其特征在于，所述贯通微结构为微孔、微槽及微孔阵列中的一个。

3.如权利要求1所述的在工件表面形成微结构的加工方法，其特征在于，所述工件表面的微结构为多微孔、直线式微槽、曲线式微槽、直线式微槽阵列、曲线式微槽阵列中的一个。

4.如权利要求1所述的在工件表面形成微结构的加工方法，其特征在于，所述金属薄板的厚度为0.03～0.05mm。

5.如权利要求1所述的在工件表面形成微结构的加工方法，其特征在于，所述金属材料为微细金属丝或微细金属棒，所述微细金属丝或微细金属棒具有通过削边形成的削边线电极，在“激光原位加工”中，激光的焦点聚焦在所述削边线电极的上表面。

6.如权利要求5所述的在工件表面形成微结构的加工方法，其特征在于，所述微细金属丝或微细金属棒的直径为0.03～0.1mm。

7.一种实现在工件表面形成微结构的控制系统，其特征在于，采用如权利要求1至6项中任一项所述的在工件表面形成微结构的加工方法，用以对设置在电解液中作为阳极的工件进行加工，所述控制系统包括用以设置在电解液中的阴极、分别与所述阴极和所述工件电连接的供电装置、以及提供激光的激光系统，所述供电装置与所述阴极、所述工件构成回路，其中，所述阴极为金属材料，所述阴极上形成有贯通该阴极的贯通微结构。

8.如权利要求7所述的实现在工件表面形成微结构的控制系统，其特征在于，所述控制系统还包括驱动所述工件相对所述阴极移动的运动平台。

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