CN206550456U - 一种电射流掩膜加工系统及其喷头 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电射流掩膜加工用喷头，包括筒形喷头主体，喷头主体的一侧壁上沿其延伸方向均匀设有N个进水口，喷头主体的另一侧壁上沿其延伸方向均匀设有2N个出水口，出水口的延伸方向可垂直于待加工区域，并且每一个进水口可投影于对应的两个出水口中间。本实用新型所提供的电射流掩膜加工用喷头，可以保证同时加工出来的微结构有较好的一致性，保证同时加工而成的微结构具有相同的加工形貌，降低检测难度，并且，该喷头可以同时加工出多个区域，能够有效的提高加工效率。本实用新型还公开了一种包括上述电射流掩膜加工用喷头的电射流掩膜加工系统。

Description

一种电射流掩膜加工系统及其喷头

技术领域

本实用新型涉及电射流掩膜加工领域，特别是涉及一种电射流掩膜加工用喷头。此外，本实用新型还涉及一种包括上述电射流掩膜加工用喷头的电射流掩膜加工系统。

背景技术

电射流掩膜加工是一种基于金属在电解液中发生“阳极溶解”原理的，用于印制表面功能微织构的新工艺，电射流掩膜加工具有无加工应力，无工具电极损耗、加工效率高、结构表面光滑、对工件表面不会产生变形及热影响区、材料以离子尺度去除等优点，因此非常适合微细结构的加工，并在航空航天、汽车、机械等领域得到越来越广泛的应用。

电射流掩膜加工系统主要包含：阴极喷嘴子系统、阳极夹具子系统、电解液循环子系统及简单的数控平台。与常见电解加工不同的是：电射流掩膜加工结合了光刻工艺与电液束工艺，通过在待加工工件表面镀上一层掩膜，工件表面上被掩膜覆盖的区域不会被加工，裸露部分将会被加工，实现了图形的高精度复制。

在电射流掩膜加工平台中，阳极夹具系统、电解液循环系统以及数控运动平台的构建都相对简单并且对加工效果的影响并不大。但是，阴极喷嘴系统的出现避免了传统电解加工中，微电极制造、装配的困难，使制造大规模密集表面织构成为可能，电射流掩膜加工以其对加工工件无加工应力、无工具电极损耗、加工效率高、能高精度实现图形复制等优点，在制造大规模表面织构方面具有广阔的发展前景。

现有技术中，阴极喷嘴系统一般包括以下几种，毛细管电极，毛细管排电极和基于电射流掩膜加工的单喷嘴喷头。

上述几种形式的阴极喷嘴系统，在一定程度上和在加工效率要求不高的条件下，能够有效地完成电解加工。然而，对于毛细管电极而言，毛细管做工具阴极需要外加一个耐腐蚀的夹具并且毛细管较脆不容易装夹，在装夹过程中也很难保证毛细管端部与工件阳极表面垂直，影响加工效果，此外，受微细毛细管制造、装配困难的影响，采用毛细管电极进行电液束加工，无法加工出微细表面织构并且加工效率较低；同时，对于毛细管排电极夹具设计复杂且不容易装夹，较难保证排电极的端部在同一水平线且垂直工件阳极表面；另外，由于毛细管较脆，受力容易碎裂，因此装配、夹紧困难并且较难保证毛细管端部垂直工件阳极表面及多个毛细管端部保持在同一个水平面上，影响加工效果；基于电射流掩膜加工的单喷嘴喷头采用光刻工艺与电液束工艺相结合的方法，将电解液直接喷射在镀了掩膜的工件阳极表面，利用数控运动平台，采用分多路扫，每次扫一路的加工方法来回扫工件表面。

同时，采用单喷嘴喷头进行加工，存在对刀不方便、容易受束流的影响，使走刀路径发生偏移，导致同一路的微坑加工状态不一致、加工效率低并且在加工路径的两端存在换向时间差，使得同一路加工出来的微坑，在深度、宽度及加工形貌上有较大的波动，无法保证加工的一致性，降低了加工精度。

现有技术中的阴极喷嘴系统，夹具设计复杂，制造、装夹困难，加工效率低、加工一致性差，难以大规模制造出一致性较好的表面微织构，且不利于对加工结构进行在线检测。

因此，如何提高电射流掩膜加工的效率，提高加工质量，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种电射流掩膜加工用喷头，该电射流掩膜加工用喷头可保证同时加工出的微结构具有相同的加工形貌，而且，加工效率高。本实用新型的另一目的是提供一种包括上述电射流掩膜加工用喷头的电射流掩膜加工系统。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种电射流掩膜加工用喷头，包括筒形喷头主体，所述喷头主体的一侧壁上沿其延伸方向均匀设有N个进水口，所述喷头主体的另一侧壁上沿其延伸方向均匀设有2N个出水口，所述出水口的延伸方向可垂直于待加工区域，并且每一个所述进水口可投影于对应的两个所述出水口中间。

优选的，所述喷头主体的内腔呈圆柱型，并且所述进水口和所述出水口分别与所述喷头主体的内腔径向两端连通。

优选的，所述进水口和所述出水口均呈圆筒型，并且各所述出水口的直径相同。

优选的，所述进水口的个数为至少2个，并且各所述进水口的内径相同。

优选的，所述进水口的直径为所述出水口的直径的1.4-1.6倍。

优选的，所述进水口和所述出水口的延伸方向平行。

优选的，所述出水口的长度大于所述进水口的长度。

本实用新型还提供一种电射流掩膜加工系统，包括阳极夹具子系统、电解液循环子系统、数控平台以及阴极喷嘴子系统，所述阴极喷嘴子系统中包括上述任意一项所述的电射流掩膜加工用喷头。

本实用新型所提供的电射流掩膜加工用喷头，包括筒形喷头主体，所述喷头主体的一侧壁上沿其延伸方向均匀设有N个进水口，所述喷头主体的另一侧壁上沿其延伸方向均匀设有2N个出水口，所述出水口的延伸方向可垂直于待加工区域，并且每一个所述进水口可投影于对应的两个所述出水口中间。该电射流掩膜加工用喷头，通过在所述喷头主体上设置所述进水口和两倍所述进水口数量的所述出水口，形成孔对孔喷头结构，并且，通过将所述进水口的位置设置为正对两个所述出水口的中间位置，可以保证该喷头在工作时，各所述出水口正对待加工区域，使得同时加工出来的微结构有较好的一致性，保证同时加工而成的微结构具有相同的加工形貌，并且，该喷头可以同时加工出多个区域，能够有效的提高加工效率。

本实用新型所提供的电射流掩膜加工系统，设有上述电射流掩膜加工用喷头，由于所述电射流掩膜加工用喷头具有上述技术效果，因此，设有该电射流掩膜加工用喷头的电射流掩膜加工系统也应当具有相应的技术效果。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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。

图1为本实用新型所提供的电射流掩膜加工用喷头一种具体实施方式的结构示意图；

其中：1-喷头主体、2-进水口、3-出水口。

具体实施方式

本实用新型的核心是提供一种电射流掩膜加工用喷头，该电射流掩膜加工用喷头可保证同时加工的微结构具有相同的加工形貌，而且，加工效率高。本实用新型的另一核心是提供一种包括上述电射流掩膜加工用喷头的电射流掩膜加工系统。

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

请参考图1，图1为本实用新型所提供的电射流掩膜加工用喷头一种具体实施方式的结构示意图。

在该实施方式中，电射流掩膜加工用喷头包括喷头主体1、进水口2和出水口3。

其中，喷头主体1呈筒形，并且其内部设有供电解液流动的腔体，其中，喷头主体1一侧的侧壁上，沿喷头主体1的侧壁延伸方向均匀设置有N个进水口2，喷头主体1的另一侧的侧壁上沿该侧壁的延伸方向均匀设有2N个出水口3，出水口3的延伸方向，即出水口3的喷水方向可垂直于待加工区域，并且每一个进水口2可投影于对应的两个出水口3中间，即每一个进水口2对应于两个出水口3，并且，为了保证出水口3处流场的均匀性，每一个进水口2可投影在两个出水口3的中间位置。

该电射流掩膜加工用喷头，通过在喷头主体1上设置进水口2和两倍进水口2数量的出水口3，形成孔对孔喷头结构，仅需要密封和固定少量的进水口2位置，便可以获得两倍数量的出水口3，即喷嘴，并且，通过将进水口2的位置设置为正对两个出水口3的中间位置，可以保证该喷头在工作时，各出水口3正对待加工区域，使得同时加工出来的微结构有较好的一致性，保证同时加工而成的微结构具有相同的加工形貌，并且，该喷头可以同时加工出多个区域，能够有效的提高加工效率。

具体的，该喷头在使用时，以轴线方向水平放置并沿左右延伸为例，进水口2位于喷头主体1的上方，并且左右方向排列，出水口3位于喷头主体1的下方，并且左右方向排列，在竖直方向上，每一个进水口2对应两个出水口3，并且，在竖直方向上，每一个进水口2均位于对应的两个出水口3的中间位置。

上述喷头的位置关系，是在出水口3向下喷水，并且产品的待加工区域水平放置为前提的，目的是使得出水口3正对产品的待加工区域，即出水口3喷出的电解液垂直于产品的待加工区域，当然，当加工方向发生改变时，该喷头各个部分的布置方向会随之变化，但是相互的位置关系不变。

进一步，喷头主体1的内腔呈圆柱型，并且进水口2和出水口3分别与喷头主体1的内腔径向两端连通。上述设置，圆柱形腔体最有利于保证流场的均匀性。这里需要说明的是，喷头主体1的内腔形状直接影响了电解液流场的稳定性，对于喷头主体1的外部形状，能够方便夹持即可，在此不做进一步限定。

在上述各实施方式的基础上，进水口2和出水口3均呈圆筒型，并且各出水口3的直径相同。具体的，进水口2呈圆筒型，便于与管路的连接，并且方便密封，出水口3呈圆筒型可以保证电解液的均匀性，而且，各出水口3的直径相同是为了使得各个加工区域的加工一致性。

在上述各实施方式的基础上，进水口2的个数为至少2个，并且各进水口2的内径相同，同样的，进水口2的直径相同是为了保证喷头主体1内部腔体中流场的均匀性。

在上述各实施方式的基础上，进水口2的直径优选为出水口3的直径的1.4-1.6倍，使得进入腔体中的电解液的量大于流出腔体的电解液的量，进而使得喷头主体1内的腔体中形成高压环境。最优选的，进水口2的直径设置为出水口3的直径的1.5倍，当然，喷头主体1内的腔体中的压力也可以通过安装泄压阀进行调节，避免喷嘴处压力过大影响加工效果。

在上述各实施方式的基础上，为了进一步保证腔体内流场的均匀性，进水口2和出水口3的延伸方向平行设置，同时，如此设置还可以方便进水口2和出水口3的开设。

在上述各实施方式的基础上，出水口3的长度大于进水口2的长度，即用于形成出水口3的出水部的高度，高于用于形成进水口2的进水部的高度。如此设置，出水口3比进水口2高一些是为了提高电解液束流的定域性，使电解液比较集中地喷射到阳极工件的表面，有利于减小侧蚀。

在电射流掩膜加工中，将电源负极接在电射流掩膜加工用喷头上，电源正极接在待加工工件上，在该孔对孔条形喷头与待加工工件之间便形成了稳定的电场，电解液在泵的驱动作用下通过进水口2进入喷头主体1的腔体中，具体的，喷头主体1的腔体、进水口2以及出水口3的直径应当按照保证单位时间内流入喷头主体1的液体体积等于流出喷头主体1的液体体积而设计，始终能保持喷头主体1内液体的流场及电场稳定，同时达到高压的要求。

具体的，本实施例以进水口2的个数为5个，出水口3的个数为10个为例进行介绍，如图1所示。

10个出水口3形成10个喷嘴，10个出水口3的直径一致且在每两个出水口3中间正上方的5个进水口2直径也一致，喷头的出水口3始终垂直待加工工件表面，所以在工件阳极表面的10个待加工区域上能形成一致性较好且稳定的流场和电场，保证同时加工出来的10个微结构具有相同的加工形貌，通过与数控运动平台连接，使基于电射流掩膜加工的孔对孔条形喷头在加工过程中实现来回运动，扩大加工区域，大大地提高了加工效率。

具体的，该喷头是通过增加出水口3数量及合理布置出水口3的位置，使得每一个出水口3正对待加工区域，又因为在每两个出水口3中间的正上方设有一个进水口2，从而使电液束的束流在经过该喷头后仍能在10个出水口3形成一致性较好且稳定的电场及流场，使其能够同时加工出10个一致性较好的微结构，有效解决了阴极喷嘴制造、装配困难，加工一致性差、加工效率低的问题，推动电射流掩膜加工向制造大规模表面织构及实现在线检测加工结构领域方向发展。

该喷头不用设计复杂的夹具且装夹方便，加工效率高，可用于制造大规模表面织构，而且，能同时加工出10个一致性较好的微结构，同时，便于检测加工结构。

该喷头只需要利用简单的连接保证喷头的密封性即可完成喷头的装夹，同时，通过增加喷头的出水口3数量，使加工效率成倍地提高，同时，由于采用该喷头进行电液束加工能保证同时加工出来的10个微结构具有相同的加工形貌，所以在检测过程中只需要测得10个微结构中的任何一个的加工形貌，就可以说明在此加工参数下的加工效果，有效地降低了检测的难度，推动电射流掩膜加工向大规模制造表面微织构及实现在线检测领域方向发展。

除了上述电射流掩膜加工用喷头以外，本实用新型还提供了一种电射流掩膜加工系统，该电射流掩膜加工系统包括阳极夹具子系统、电解液循环子系统、数控平台以及阴极喷嘴子系统，阴极喷嘴子系统中包括上述各实施方式中所介绍的电射流掩膜加工用喷头，电射流掩膜加工系统的其他结构请参考现有技术，在此不再赘述。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上对本实用新型所提供的电射流掩膜加工用喷头进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种电射流掩膜加工用喷头，其特征在于，包括筒形喷头主体(1)，所述喷头主体(1)的一侧壁上沿其延伸方向均匀设有N个进水口(2)，所述喷头主体(1)的另一侧壁上沿其延伸方向均匀设有2N个出水口(3)，所述出水口(3)的延伸方向可垂直于待加工区域，并且每一个所述进水口(2)可投影于对应的两个所述出水口(3)中间。

2.根据权利要求1所述的电射流掩膜加工用喷头，其特征在于，所述喷头主体(1)的内腔呈圆柱型，并且所述进水口(2)和所述出水口(3)分别与所述喷头主体(1)的内腔径向两端连通。

3.根据权利要求1所述的电射流掩膜加工用喷头，其特征在于，所述进水口(2)和所述出水口(3)均呈圆筒型，并且各所述出水口(3)的直径相同。

4.根据权利要求3所述的电射流掩膜加工用喷头，其特征在于，所述进水口(2)的个数为至少2个，并且各所述进水口(2)的内径相同。

5.根据权利要求3所述的电射流掩膜加工用喷头，其特征在于，所述进水口(2)的直径为所述出水口(3)的直径的1.4-1.6倍。

6.根据权利要求1所述的电射流掩膜加工用喷头，其特征在于，所述进水口(2)和所述出水口(3)的延伸方向平行。

7.根据权利要求1至6任意一项所述的电射流掩膜加工用喷头，其特征在于，所述出水口(3)的长度大于所述进水口(2)的长度。

8.一种电射流掩膜加工系统，包括阳极夹具子系统、电解液循环子系统、数控平台以及阴极喷嘴子系统，所述阴极喷嘴子系统中包括电射流掩膜加工用喷头，其特征在于，所述电射流掩膜加工用喷头为权利要求1至7任意一项所述的电射流掩膜加工用喷头。