CN114515874B - 一种移动掩膜微细电解加工装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种移动掩膜微细电解加工装置及方法，包括电极丝、电极帽、电极座、支架、电解液进/出口和掩膜板；电极丝固定在电极帽上，电极帽通过螺纹联接固定在电极座上，电极座安装在支架上，支架固定在加工机床上，电极座可以在支架内上下滑动；掩膜板固定在电极座下端面，靠电极帽和电极座的重力作用将掩膜板压紧贴合在所加工工件表面，通过电解液进/出口完成电解液循环，排出电解加工产物。本发明能够通过单孔掩膜实现复杂微结构图案的刻蚀加工，通用性高、成本低、结构简单、装配使用方便，解决了加工不同微结构需要制备大量掩膜板的难题，尤其在掩膜微细电解加工中具有重要应用价值。

Description

一种移动掩膜微细电解加工装置及方法

技术领域

本发明涉及掩膜电解加工技术领域，尤其涉及一种移动掩膜微细电解加工装置及方法。

背景技术

高科技电子机械器件的微型化和智能化是当今机电产品发展的两大主要趋势，随着机械系统向微型机器和微观领域的发展，对加工零件的尺寸、精度、表面结构和性能有了更高的要求。金属表面微细结构能够增强散热、减摩降阻、隐形降噪以及控光调色等作用，是微纳制造的主要对象之一。对金属表面微细结构的加工主要有机械微加工、光刻加工、电解微加工、激光微加工、电火花微加工等。其中掩膜微细电解加工集成了光刻技术和电解加工的工艺方法，能够以较高的加工精度和超高的加工效率完成表面微细结构的腐蚀加工，是制备金属表面微结构的重要技术之一。常规的掩膜微细电解加工需要采用光刻工艺中的涂胶、曝光、显影的复杂步骤来制备掩膜，在加工完成后掩膜必须要清除掉，不可重复使用，因此加工成本较高。对此，研究人员提出了活动掩膜电解加工的方法。利用绝缘材料加工出具有一定形状的掩膜板，掩膜板采用挤压贴合的方式固定在工件表面上，能够反复拆装使用，使加工成本大幅降低。活动掩膜电解加工的方法通过制作掩膜板的方式降低加工成本，但是同一张掩膜板只能加工固定形状的微结构，对于不同间距、孔径的微孔，微槽以及异性形状微结构的加工，需要重新制备大量掩膜板，通用性较差，不适于小批量或单件产品的生产加工。

发明内容

本发明的目的在于提供一种移动掩膜微细电解加工装置及方法，可有效解决膜电解加工成本高、通用性差等问题。

本发明采用的技术方案如下：

本发明所提出的一种移动掩膜微细电解加工装置，包括电极丝、电极帽、电极座、支架、电解液进口、电解液出口和掩膜板；所述电极丝固定在电极帽上；所述电极帽通过螺纹联接固定在电极座上；所述电极座安装在支架内；所述支架固定在加工机床上；所述电极座可在支架内上下滑动；所述掩膜板固定在电极座下端面；所述电极座下端靠近掩膜板处设有电解液进口，电解液进口对侧靠上位置设有电解液出口；加工时，工件接电源正极为阳极，电极丝接电源负极为阴极，电极丝下端浸没在电解液中，完成对掩膜板上裸露工件的微细电解加工；通过阳极工件在水平面内的移动，实现特定尺寸、形状微结构的移动掩膜微细电解加工。

进一步的，所述电极丝为钨或石墨等惰性材料制成的惰性电极；所述电极丝直径尺寸为0.1-0.5mm；在进行微细尺寸工件加工时，电极丝靠近掩膜板的一端加工成阶梯状电极，其尖端尺寸小于5μm，距掩膜板距离小于0.1mm。

进一步的，所述电极帽由金属材料制成，中心设有通孔用于穿过电极丝，侧边加工径向螺纹孔，通过顶丝将电极丝固定在电极帽上，便于调整电极丝伸入长度；所述电极帽的下端通过螺纹与电极座上端联接。

进一步的，所述电极座为塑料或纤维制成的固体绝缘材料；电极座上端通过螺纹与电极帽联接，下端固定连接掩膜板。

进一步的，所述支架外侧固定在电解加工机床上，内侧与电极座外侧采用小间隙配合，配合长度不小于电极座长度的一半；所述电极座可在支架内上下滑动，支架下移时，支架上端与电极座上端分离，掩膜板靠电极帽和电极座的重力作用压紧贴合在所加工工件表面；支架抬起时，支架上端与电极座上端贴合，带动掩膜板上移，实现掩膜板与工件的分离。

进一步的，所述掩膜板由半导体或绝缘材料制成，其厚度为5-10μm。

一种移动掩膜微细电解加工方法，所述方法包括以下步骤：

S1、截取直径尺寸为0.1-0.5mm的电极丝，并将其尖端尺寸加工至小于5μm；

S2、电极丝安装在电极帽中心通孔处，并将电极帽装配在电极座上，通过电极帽上的顶丝调整电极丝尖端位置；

S3、将掩膜板粘贴在电极座下端面，完成电极装置的安装；

S4、安装工件阳极，并将支架固定在加工机床Z轴上；

S5、连接电解液进出口，Z轴下移，将掩膜板贴合在阳极表面，完成加工对刀；

S6、调整工艺参数，打开电解液循环系统，接通电源，通过机床对阳极的运动控制，完成特定微结构图案的掩膜电解加工。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、掩膜板可以更换重复使用，降低加工成本；

2、能够实现连续移动掩膜电解加工，通过单孔掩膜即可加工出复杂的微结构图案；

3本发明装置结构简单、装配使用方便、成本低。

附图说明

图1为本发明所提出的一种移动掩膜微细电解加工装置的整体结构示意图。

其中，附图标记：1-电极丝；2-电极帽；3-电极座；4-支架；5-电解液出口；6-掩膜板；7-工件；8-电解液进口。

具体实施方式

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做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“顶部”、“底部”、“一侧”、“另一侧”、“左”、“右”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作。

参见附图1，给出了本发明所提出的一种移动掩膜微细电解加工装置的一个实施例的具体结构，所述装置包括电极丝1、电极帽2、电极座3、支架4、电解液出口5、掩膜板6和电解液进口8。所述电极丝1固定在电极帽上，电极丝1装配在电极帽2的中心孔内，二者形成间隙配合；所述电极帽2由金属材料制成，中心设有通孔用于穿过电极丝1，侧边加工径向螺纹孔，通过顶丝将电极丝1固定在电极帽2上，便于调整电极丝1伸入长度；所述电极帽2的下端通过螺纹与电极座3上端同轴联接。所述电极丝1下部延伸至电极座3内，并可在电极帽2中心通孔孔内上下滑动，用于控制电极丝1下端部与掩膜板6的间隙，其长度调整完毕后可通过电极帽2侧面螺纹孔用顶丝固定。

所述电极帽2通过螺纹联接固定在电极座3上；所述电极座3对应安装在支架4内，所述电极座3和支架4均为上部区域直径大、下部区域直径小的结构；所述支架4外侧固定在电解加工机床上，内侧包裹再电极座3的外侧，与电极座3外侧采用小间隙配合，配合长度不小于电极座长度的一半；所述电极座3可在支架4内上下滑动一定距离；所述支架4下移时，支架4上端与电极座3上端分离，掩膜板6靠电极帽2和电极座3的重力作用压紧贴合在所加工工件7表面；所述支架4抬起时，支架4上端与电极座3上端的直径收紧处相互贴合，带动掩膜板6上移，实现掩膜板6与工件7的分离。所述电极座3的下部区域为中空的薄壁结构；所述掩膜板6通过粘接或热熔焊接的方式固定在电极座3下端面；所述电极座3下端靠近掩膜板6处的一侧设有电解液进口8，电解液进口8对侧靠上位置设有电解液出口5，分别用于电解液循环及加工产物的排出；加工时，工件7接电源正极为阳极，电极丝1接电源负极为阴极，电极丝1下端浸没在电解液中，完成对掩膜板6上裸露工件的微细电解加工；通过阳极工件7在水平面内的移动，实现特定尺寸、形状微结构的移动掩膜微细电解加工。

所述电极丝1为钨或石墨等惰性材料制成的惰性电极；所述电极丝1的直径尺寸为0.1-0.5mm；在进行微细尺寸工件加工时，电极丝1靠近掩膜板6的一端加工成阶梯状电极，其尖端尺寸小于5μm，距掩膜板6距离小于0.1mm。

所述电极座3是由塑料或纤维等材料制成的固体绝缘材料；所述电极座3上端通过螺纹与电极帽2同轴联接，下端固定连接掩膜板6。

所述掩膜板6是由硅或陶瓷等半导体或绝缘材料制成，其厚度为5-10μm。

一种移动掩膜微细电解加工方法，具体包括以下步骤：

S1、截取直径尺寸为0.1-0.5mm的电极丝1，并将其尖端尺寸加工至小于5μm；

S2、电极丝1安装在电极帽2中心通孔处，并将电极帽2装配在电极座3上，通过电极帽2上的顶丝调整电极丝尖端位置；

S3、将掩膜板6粘贴固定在电极座3下端面，完成电极装置的安装；

S4、安装工件7阳极，并将支架4固定在加工机床Z轴上；

S5、连接电解液进出口，Z轴下移，将掩膜板6贴合在阳极表面，完成加工对刀；

S6、调整工艺参数，打开电解液循环系统，接通电源，通过机床对阳极的运动控制，完成特定微结构图案的掩膜电解加工。

本发明作为工具电极，通过支架4外表面固定在电解加工机床上，机床Z轴抬起时，所述支架4上升带动电极座3升高，使掩膜板6与工件7脱离，进而完成工件和电极的拆装；机床Z轴下降时，所述支架4下移使支架4上端与电极座3上端分离，靠电极帽2和电极座3的重力作用将掩膜板6压紧在工件7上，完成掩膜板的贴合对刀操作。加工时，电极丝1上端接电源负极作为阴极，工件7接电源正极作为阳极，二者通过掩膜板6上的掩膜孔中的电解液形成电化学反应回路，从而完成特定掩膜孔形状的电化学腐蚀加工。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种移动掩膜微细电解加工装置，其特征在于：所述装置包括电极丝、电极帽、电极座、支架、电解液进口、电解液出口和掩膜板；所述电极丝固定在电极帽上；所述电极帽通过螺纹联接固定在电极座上；所述电极座安装在支架内；所述支架固定在加工机床上；所述电极座可在支架内上下滑动；所述掩膜板固定在电极座下端面；所述电极座下端靠近掩膜板处设有电解液进口，电解液进口对侧靠上位置设有电解液出口；加工时，工件接电源正极为阳极，电极丝接电源负极为阴极，电极丝下端浸没在电解液中，完成对掩膜板上裸露工件的微细电解加工；通过阳极工件在水平面内的移动，实现特定尺寸、形状微结构的移动掩膜微细电解加工。

2.根据权利要求1所述的一种移动掩膜微细电解加工装置，其特征在于：所述电极丝为钨或石墨制成的惰性电极；所述电极丝直径尺寸为0.1-0.5mm；在进行微细尺寸工件加工时，电极丝靠近掩膜板的一端加工成阶梯状电极，其尖端尺寸小于5μm，距掩膜板距离小于0.1mm。

3.根据权利要求1所述的一种移动掩膜微细电解加工装置，其特征在于：所述电极帽由金属材料制成，中心设有通孔用于穿过电极丝，侧边加工径向螺纹孔，通过顶丝将电极丝固定在电极帽上，便于调整电极丝伸入长度；所述电极帽的下端通过螺纹与电极座上端联接。

4.根据权利要求1所述的一种移动掩膜微细电解加工装置，其特征在于：所述电极座为塑料或纤维制成的固体绝缘材料；电极座上端通过螺纹与电极帽联接，下端固定连接掩膜板。

5.根据权利要求1所述的一种移动掩膜微细电解加工装置，其特征在于：所述支架外侧固定在加工机床上，内侧与电极座外侧采用小间隙配合，配合长度不小于电极座长度的一半；所述电极座可在支架内上下滑动，支架下移时，支架上端与电极座上端分离，掩膜板靠电极帽和电极座的重力作用压紧贴合在工件表面；支架抬起时，支架上端与电极座上端贴合，带动掩膜板上移，实现掩膜板与工件的分离。

6.根据权利要求1所述的一种移动掩膜微细电解加工装置，其特征在于：所述掩膜板由半导体或绝缘材料制成，其厚度为5-10μm。

7.一种利用权利要求2所述装置的移动掩膜微细电解加工方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1、截取直径尺寸为0.1-0.5mm的电极丝，并将其尖端尺寸加工至小于5μm；

S2、电极丝安装在电极帽中心通孔处，并将电极帽装配在电极座上，通过电极帽上的顶丝调整电极丝尖端位置；

S3、将掩膜板粘贴在电极座下端面，完成电极装置的安装；

S4、安装阳极工件，并将支架固定在加工机床Z轴上；

S5、连接电解液进出口，Z轴下移，将掩膜板贴合在阳极表面，完成加工对刀；

S6、调整工艺参数，打开电解液循环系统，接通电源，通过机床对阳极的运动控制，完成特定微结构图案的掩膜电解加工。

Images