CN1943950A - 微细圆柱群电极电化学腐蚀加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微细圆柱群电极电化学腐蚀加工方法，属电解加工领域。该方法包括以下步骤：(1)采用电火花线切割或微铣削工艺制作带有多个单电极的群电极毛坯；(2)采用有限元法，设计、制作电化学腐蚀工具阴极；(3)群电极毛坯作为电化学腐蚀阳极，浸入电解液中，使得毛坯上各单个柱体完全处于液面以下；将电化学腐蚀阴、阳极相向竖直平行放置；(4)通电，对群电极毛坯进行电化学腐蚀加工，采用恒压加工和电荷法分别控制群电极的形状和加工尺寸。本发明的方法具有加工设备和控制方式简单，加工效率、加工质量高，制造成本低的特点。

Description

微细圆柱群电极电化学腐蚀加工方法

技术领域

本发明的微细圆柱群电极电化学腐蚀加工方法，属电解加工技术领域。

背景技术

微细阵列群孔作为一种典型的微细结构在航空航天、精密仪器、化纤等领域有着广泛的应用，如高速打印机喷嘴板、光纤连接器、化纤喷丝板、微过滤网以及电子显微镜光栅等。对于微细群孔结构的加工而言，微细电加工相对于常规钻削加工具有无机械切削力作用，加工精度和加工效率高，可在薄壁、弹性件等低刚度工件上加工等优点，因此其在微细群孔结构的加工发面具有广泛的应用前景。微细圆柱群电极的加工是实现群孔结构微细电加工的关键环节。微细圆柱群电极是指由尺寸在微米至纳米级的多个圆柱电极组合在一起所形成的整体电极，可作为微细电火花、微细电解加工中的工具电极；同时微细群圆柱类零件也是微型机械和微机电系统的重要组成部件。

常用金属微细圆柱群电极的加工方法包括LIGA和准LIGA技术、微细电火花反拷加工法、多孔氧化铝模板法等。采用LIGA技术制作微细群电极的工艺流程主要包括涂胶-X射线深度光刻-显影-微电铸成型-去胶等步骤，制作的微细群电极具有精度高、深宽比大等优点，但由于LIGA技术采用电铸工艺，不能制备钨、硬质合金材料的电极，同时该技术需要同步辐射光源和特制的掩膜板，成本极高；采用微细电火花反拷法加工微细群电极的原理是，首先利用线电极电火花磨削(WEDG)技术加工出简单的单圆柱电极；然后控制电极的运动轨迹，对易加工的中间电极(金属薄板)进行微细电火花穿孔加工，在加工过程中，使圆柱电极一面旋转，一面进给加工，使用较小的放电能量，以便能进行稳定的放电加工，从而在中间电极上加工出阵列微孔结构；最后利用中间电极作工具电极，在块电极上反拷加工出微细群电极，但电火花反拷法设备复杂、加工效率低，加工存在热影响区，加工表面易产生变质层和微裂纹；氧化铝模板法利用多孔氧化铝为样模，利用直流电沉积金属制备群电极，此方法主要涉及纳米尺寸群电极的加工，只适用于固体电化学动力学参数测定以及痕量物质检测，难以作为工具电极应用于微细加工中。

电解加工是利用金属在电解液中的电化学阳极溶解来将工件加工成形的。在电解加工过程中，工件阳极金属不断失去电子成为离子而进入到溶液当中，工件材料的减少过程是以离子形式进行的，由于金属离子的尺寸非常微小，因此电解加工的这种微溶解去除方式非常适合微细结构的加工。同时电解加工还具有不受材料力学性能限制，加工速度快，可达到较好的表面粗糙度，不存在内应力、变形和飞边毛刺，阴极工具无损耗等优点，因此利用电解加工制备微细圆柱群电极对实现微细群孔结构的高效率、高精度的稳定加工具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于针对目前微细群电极制作方法中存在的工艺流程复杂、制造成本高、加工质量低等不足，提供一种高加工效率、低制造成本，具有较高深宽比微细群电极的加工方法。

一种微细群电极电化学腐蚀加工方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)、根据所需的单排微细圆柱群电极尺寸参数，R(群电极上单个圆柱电极直径)、L(群电极长度)、D(单个电极间距)、h₀(单个电极高度)，设计群电极毛坯尺寸参数，群电极毛坯上单个电极截面形状均为四边形，边长为d(d≥2～3R)，群电极毛坯长度、单个电极间距和单个电极高度为L、D和h₀；

(2)按上步要求加工单电极的群电极毛坯；

(3)工具阴极呈平板状，一侧表面带有半圆柱凸台，工具阴极主要参数阴极长度S、阴极上半圆柱凸台半径R、阴阳极间距f是采用电化学腐蚀加工电场的有限元分析方法优化设计得到的，确保电化学腐蚀工件阳极上的电流密度均匀分布；

(4)制作电化学工具阴极；

(5)将群电极毛坯作为电化学腐蚀工件阳极，电化学腐蚀加工时，在电解槽中将工具阴极安装固定在定位夹具上，通过数控工作台调节两极之间的位置f，使得阴阳极相向竖直平行放置，通过机床主轴的进给，将群电极毛坯浸入电解液中深度为h₀，使得毛坯上各单个柱体完全处于液面以下；

(6)通电，对群电极毛坯进行电化学腐蚀加工，采用恒压加工控制群电极成形的形状，而群电极毛坯的尺寸不同，使群电极成形为圆柱形的加工电压值也发生变化，对于单个电极边长在500μm以下的群电极毛坯，使之成形为圆柱形的电压通常在2～8V范围内，通过多次试验法可确定此电压值：试验初始采用较小的电压，当电压较小时，电极呈根部粗端部细的圆锥状，后逐步升高电压值，电极的锥度将逐渐减小，而电压过高时，电极呈根部细端部粗的纺锤状，可以最终确定圆柱形电极的加工电压；

(7)采用电荷法控制群电极加工尺寸，加工一定直径的微细圆柱群电极所需的电量通为 $Q_0=\frac{10}{k}(d^2-\frac{1}{4}{\mathrm{\πR}}^2)h_0+\frac{2\mathrm{hl}}{3}(d-R),$ 加工过程中，通过数据采集卡采集加工电流，通过采集的电流值计算加工过程中所通过的电量，即 $Q=\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{I}_i\mathrm{\Δt},$ 当Q＝Q₀时，进行断电抬刀，加工完成，其中k为材料的体积电化学当量。

加工原理

1.群电极形状控制

电化学腐蚀加工是利用金属在电解液中的电化学阳极溶解来将工件加工成形的。以加工钨材料群电极为例说明电极成型过程，如图5所示。接通直流电源，开始电化学腐蚀加工阳极金属不断变成离子进入溶液中而逐渐溶解，同时阴极上有气体析出，其电化学反应方程式如下：

阴极  

阳极  

阳极的初始几何形状和反应中阳极表面形成的扩散层都会影响阳极最终成型的形状，分别称之为几何效应和扩散层效应。阳极溶解过程中，几何效应使得阳极曲率较大处的金属溶解速度较快，从而造成群电极端部的溶解速度比根部快，因此使群电极有呈根部粗端部细的圆锥状的趋势；扩散层效应是由阳极金属溶解所形成的WO₄ ^2-(16)离子的迁移和扩散运动所引起的，表面聚集的WO₄ ^2-(16)离子在重力的作用下沿着阳极表面向下移动，从而形成一层上薄下厚的扩散层(15)，扩散层厚的部分产生的WO₄ ^2-离子越难以扩散到溶液中去，造成该部位电化学反应速度变慢，因此扩散层效应有使群电极呈根部细端部粗的纺锤状的趋势。在群电极制备中，正确控制加工参数，使得阳极溶解的几何效应同扩散层效应的影响相互平衡，即可制备出直径均匀的圆柱群电极。群电极的形状可通过控制加工电压和电流的方式实现。随着电化学腐蚀的进行，阳极金属不断溶解，加工面积逐渐减小，而加工过程中的加工尺寸测量非常困难，因此采用通过直接控制加工电流来维持恒定电流密度的方式难以实现；采用恒压加工方式时，加工面积不断减小的同时，阴、阳极之间的电流随着加工的进行也不断减小，而加工电压本身就决定了电极反应速度和扩散层的形成，一定的加工电压对应着特定的扩散层厚度。因此，本方法采用控制加工电压的方式实现对电极形状的控制。

2.群电极尺寸控制

电化学腐蚀过程中阳极溶解的物质的体积Δv与通过的电量Q成正比，通过控制阴、阳极之间流过的电量，就可以控制电化学反应中阳极金属的蚀除量，从而实现对群电极加工尺寸的控制。群电极体积蚀除量计算模型如图6所示。群电极毛坯垂直浸入液面的深度h₀，由于表面张力作用，电解液会沿着电极表面上升一定的高度h(通过试验测得，当群电极毛坯浸入电解液一定深度时，电解液沿电极表面上升的高度是一定的)，此部分在加工时将会被腐蚀成抛物线型，其体积蚀除量Δv包括液面以下电极溶解的体积量Δv₁和液面以上电极溶解的体积量Δv₂两部分，由此可在恒压加工条件下，微细圆柱群电极加工尺寸同电量Q的关系为：(公式适用于所有形状类似于图3所示的群电极毛坯)

$\frac{10}{k}(d^2-\frac{1}{4}{\mathrm{\πR}}^2)h_0+\frac{2\mathrm{hl}}{3}(d-R)=Q_0$

式中    k----体积电化学当量(cm³/(A·h))；

        h₀----群电极浸入电解液深度(cm)；

        h----电解液沿电表面上升高度(cm)；

        d----群电极毛坯厚度(cm)；

            R----群电极加工尺寸(cm)；

            l----群电极长度(cm)；

            Q₀---加工电量(C)。

数据采集卡11不断采集加工过程的加工电流值并送入计算机12，计算机程序根据采样时间Δt及每个采样时间内的采集的电流值I_i计算群电极加工加工过程中所通过的电量Q，即 $Q=\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{I}_i\mathrm{\Δt},$ 根据尺寸计算模型，可以计算出一定加工尺寸下，阴、阳极之间应通过的电量Q₀。当计算机根据采集的电流值得到的阴、阳极之间通过的电量达到计算值时，即Q＝Q₀时，断电抬刀，加工完成。

3.电化学腐蚀工具阴极设计

根据法拉第电解加工定律，阳极金属的溶解速度与其上的电流密度成正比。因而在群圆柱的电化学腐蚀加工过程中，群圆柱每个柱体上电流密度分布的一致性直接决定了加工后单个圆柱尺寸的一致性。为制备出直径大小一致的群圆柱，在加工过程中，应尽量使群圆柱每个柱体上的电流密度均匀分布。根据电解成形理论，电解加工阴极设计所涉及的电场问题是满足Laplace方程的恒定电场，阴极的形状设计可以通过电场中Laplace方程反边界问题求解得到。在电化学腐蚀加工中，阴、阳极之间充满了电解液，阳极表面各处电解液的电导率大致相同，这样，电化学腐蚀阴、阳两极之间的电场就可以看作导电介质中的恒定电场。在群电极电化学腐蚀加工过程中，阴极的形状和位置直接决定了阳极表面电流密度分布，从而决定了加工后群电极上单个圆柱体尺寸的一致性。根据大量的加工试验证明，如果采用圆柱阴极，则阳极表面电流密度呈中间强、两侧弱的规律分布，加工出的群电极上单个圆柱体尺寸按中间细、两侧粗的规律变化；而加工中阴极采用平板电极时，阳极表面电流密度呈中间弱、两侧强的规律分布，加工出的群电极上单个圆柱体尺寸按中间粗、两侧细的规律变化。因此将阴极设计成图4所示的形状，可使阳极表面电流密度均匀分布。将以阴、阳极边界构造出的二维封闭区域作为有限元电化学腐蚀电场分析实体模型，通过有限元分析计算群电极电化学腐蚀加工过程中的电场分布。将阴极设计成如图4所示的形状后，影响阴极形状的尺寸R和S以及阴、阳极之间的距离f是阳极表面电流密度分布一致性的决定影响因素，因此将参数R、S和f作为阴极形状优化设计问题的设计变量，将最大电流密度值与最小电流密度值之差作为目标函数，由有限元优化计算可得到使阳极表面电流密度分布一致的参数。

本发明的方法具有以下特点：1、相对于LIGA、微细电火花反拷加工技术而言，本发明方法由于采用电化学腐蚀加工工艺，工艺流程大为简化，并且提高了微细群电极的加工效率和加工质量，同时本发明方法结合了微细电火花线切割的优点，易于实现高深宽比微细圆柱群电极的加工；2、电化学腐蚀加工中，阴极的形状和位置直接决定了阳极成型的形状，本发明方法采用经有限元法优化设计的阴极，大大简化了阴极设计过程，加工出直径大小分布一致的微细圆柱群电极；3、本发明方法通过控制加工电压和加工过程中累计电量来实现对群电极的形状和尺寸大小的控制，操作简单易行；4、由于采用电化学腐蚀静液加工，无需常规电解加工中的电解液循环系统，加工装置简单；5、本发明方法可加工多种金属材料，如硬质合金、钨、不锈钢等，根据不同的群电极毛坯材料，采用不同的电解液，适应性极广。

附图说明

图1是微细群电极电化学腐蚀加工机床整体结构示意图。

图2是群电极电化学腐蚀加工示意图。

图3是群群电极毛坯示意图。

图4是电化学腐蚀阴极设计示意图。

图5是群电极加工过程示意图。

图6是群电极体积蚀除量计算模型。

图7是电化学腐蚀加工后微细群电极示意图。

图8是有限元法分析法设计阴极参数的软件流程图。

图9是微细群电极电化学腐蚀加工示意图。

图1中标号名称：1、Z轴电机，2、机床本体，3、Z轴，4、阳极安装夹具，5、电解液槽，6、电解液，7、阴极安装夹具，8、工件阳极，9、工具阴极，10、电流表，11、数据采集卡，12、计算机，13、数控工作台，14、直流电源。

图2中标号名称：6、电解液，8、工件阳极，9、工具阴极。

图4中标号名称：8、工件阳极，15、扩散层，16、金属阳离子。

具体实施方式

如图1所示，微细圆柱群电极电化学腐蚀加工在包含机床本体2、数控工作台13、z轴3的能实现三自由度移动的数控机床上进行；电化学腐蚀加工系统由安装在数控工作台13上的电解液槽5，通过阴极安装夹具7固定在电解液槽中的工具阴极9，通过阳极安装夹具4浸入电解液中的工件阳极8，以及电流表10、数据采集卡11、计算机12、直流电源14组成。

通过数控工作台13的移动调整工件阳极8和工具阴极9之间的相对位置，使其达到预期设计的状态，工件阳极9浸入电解液的深度通过Z轴3的上下运动来控制，计算机12通过数据采集卡11采集加工电流值，通过特定的程序控制群电极加工尺寸大小。如图2所示，电化学腐蚀加工过程中，工件阳极8和工具阴极9相向平行放置。

图3所示的群电极毛坯是采用电火花线切割工艺加工而成，由于采用线切割工艺，其上单个电极截面形状为四边形，而在电化学腐蚀过程中，阳极尖棱尖角处电力线集中，电流密度高，蚀除较快，因而群电极毛坯最终能被腐蚀成圆柱形，如图7所示。而群电极加工过程中阳离子所形成的扩散层则影响了群电极上单个电极的圆柱度，如图5所示。

下面结合图1、图2、图3和图4说明本发明的方法，本实施例为加工钨材料群电极。实施过程依次经过以下几个步骤：

1.参考图3，采用电火花线切割工艺制作带有多个单电极的群电极毛坯。毛坯带有10个单电极，长度l为9.3mm，其上的单电极截面形状为正方形，边长d为300μm。；

2.参考图4，采用有限元法设计电化学腐蚀的工具阴极形状，影响阴极形状的尺寸R和S以及阴、阳极之间的距离f是阳极表面电流密度分布一致性的决定影响因素，因此将参数R、S和f作为阴极形状优化设计问题的设计变量。通过比较群电极毛坯单个电极尖棱尖角处节点的电流密度值来考察电流密度在阳极表面分布的均匀性，将最大电流密度值与最小电流密度值之差作为目标函数，采用ansys软件的一阶优化方法，每次迭代中改变设计变量的值，随着目标函数值的减小，则所选阳极节点的电流密度差异也就越小，电流密度在所选节点处的分布越趋于均匀。对应图3所示的群电极毛坯，其最优尺寸参数为：

项目	S	R	f
				尺寸(mm)	11.24	1.97	30.8

3.参考图1，由环氧树脂制成的电化学腐蚀加工阴极夹具7安放在电解液槽5中，将工具阴极装入阴极夹具，电解液槽5固定在机床数控工作台3上。用阳极夹具4将阳极群电极毛坯8夹紧，通过Z轴3向下进给至合适的位置；

4.参考图1及图2，调整数控工作台3的X、Y轴移动，使得阴、阳极之间按规定距离相向平行放置，间距为30.8mm，将电解槽5中充满电解液，调节Z轴3的上下运动，使工件阳极9浸入电解液面以下深度达h₀，当群电极毛坯浸入2mol/LKOH电解液深度h₀为1.5mm时，试验测得电解液沿电表面上升的高度h为1.14mm；

5.参考图1、图2、3及图4，接通直流电源，开始电化学腐蚀加工对于尺寸如图3所示的群电极毛坯，当加工电压较低低于5.7V时，电极呈根部粗端部细的圆锥状，而当加工电压达到5.7V时，电极呈直径均匀的圆柱状，电压超过5.7V时，电极呈根部细端部粗的纺锤状。

6.将图3所示的群电极毛坯加工成单个电极尺寸为40μm的微细圆柱群电极，根据群电极尺寸计算模型，所要求通过的电量Q为157.63C。当计算机根据采集的电流值得到的阴、阳极之间通过的电量达到157.63C时，进行断电抬刀，群电极上个单个电极实际加工尺寸为：

理论直径μm	群电极上单个电极实际直径μm
												1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	R平均
	40	39.1	38.8	41.5	40.8	41.0	38.4	40.2	38.2	38.0	37.8												39.4

7.参考图1，松开阳极，取出工件，再安装另一个群电极毛坯，夹紧后浸入电解液中再进行加工。这样，可实现群电极的批量高效、低成本制造。

Claims (1)

1、一种微细圆柱群电极电化学腐蚀加工方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)、根据所需的单排微细圆柱群电极设计群电极毛坯尺寸参数，群电极毛坯上单个电极截面形状均为四边形，其中群电极毛坯边长d≥2～3R，长度L、单个电极间距D和单个电极高度h₀与所需的单排微细圆柱群电极尺寸参数一致；

(2)、按上步要求加工单电极的群电极毛坯；

(3)、工具阴极呈平板状，一侧表面带有半圆柱凸台，工具阴极主要参数阴极长度S、阴极上半圆柱凸台半径R、阴阳极间距f是采用电化学腐蚀加工电场的有限元分析方法优化设计得到的，确保电化学腐蚀工件阳极上的电流密度均匀分布；

(4)、制作电化学工具阴极(4)；

(5)、将群电极毛坯作为电化学腐蚀工件阳极(5)，电化学腐蚀加工时，在电解槽中将工具阴极安装固定在定位夹具(7)上，通过数控工作台(1)调节两极之间的位置，使得阴阳极相向竖直平行放置间距为f，通过机床主轴(6)的进给，将群电极毛坯浸入电解液(3)中深度为h₀，使得毛坯上各单个柱体完全处于液面以下；

(6)通电，对群电极毛坯进行电化学腐蚀加工，采用恒压加工控制群电极成形的形状，而群电极毛坯的尺寸不同，使群电极成形为圆柱形的加工电压值也发生变化，对于单个电极边长在500μm以下的群电极毛坯，使之成形为圆柱形的电压通常在2～8V范围内，通过多次试验法可确定此电压值：试验初始采用较小的电压，当电压较小时，电极呈根部粗端部细的圆锥状，后逐步升高电压值，电极的锥度将逐渐减小，而电压过高时，电极呈根部细端部粗的纺锤状，可以最终确定圆柱形电极的加工电压；

(7)采用电荷法控制群电极加工尺寸，加工一定直径的微细圆柱群电极所需的电量通为 $Q_0=\frac{10}{k}(d^2-\frac{1}{4}\mathrm{\π}{R}^2)h_0+\frac{2\mathrm{hl}}{3}(d-R),$ 加工过程中，通过数据采集卡(8)采集加工电流，通过采集的电流值计算加工过程中所通过的电量，即 $Q=\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{I}_i\mathrm{\Δt},$ 当Q＝Q₀时，进行断电抬刀，加工完成，其中k为材料的体积电化学当量。

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