專利名稱：高深寬比微細(xì)金屬群柱結(jié)構(gòu)的電化學(xué)加工方法及專用工具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的高深寬比微細(xì)金屬群柱結(jié)構(gòu)的電化學(xué)加工方法及專用工具，屬高深 寬比金屬微結(jié)構(gòu)制造工藝方法及裝置技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
微細(xì)陣列群孔作為一種典型的微細(xì)結(jié)構(gòu)，在航空航天、精密儀器、化纖等領(lǐng) 域有著廣泛的應(yīng)用，如高速打印機(jī)噴嘴板、光纖連接器、化纖噴絲板、微過(guò)濾網(wǎng) 以及電子顯微鏡光柵等。微細(xì)電加工相對(duì)于常規(guī)鉆削加工具有無(wú)機(jī)械切削力作 用，加工精度和加工效率高等優(yōu)點(diǎn)，因此其在微細(xì)群孔結(jié)構(gòu)的加工方面具有廣泛 的應(yīng)用前景。其中，工具電極的制作是微細(xì)電加工中一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。目前，微 細(xì)電極的制作方法主要有電化學(xué)腐蝕法、線電極電火花磨削(WEDG)等，但上述 方法往往只能獲得單個(gè)或數(shù)個(gè)微細(xì)電極，致使微細(xì)電加工的加工效率不高。目前， 國(guó)內(nèi)外已開(kāi)始研究使用陣列微細(xì)柱狀電極來(lái)進(jìn)行微細(xì)電加工，以顯著提高加工效 率。制作微細(xì)金屬群柱結(jié)構(gòu)的方法主要有① LIGA (1 i thographie, galvanoformung und abformung)技術(shù)，雖然采用 LIGA技術(shù)可以獲得厚度達(dá)1 ~ 2mm、深寬比高達(dá)100以上且側(cè)壁陡直的微結(jié)構(gòu)， 但是由于LIGA技術(shù)需要昂貴的同步輻射光源，成本高、周期長(zhǎng)，從而限制了它 的應(yīng)用范圍。② 微細(xì)電火花反拷(REDM)技術(shù)，該技術(shù)先通過(guò)電火花加工制作陣列金屬網(wǎng) 板，然后以此網(wǎng)板為工具電極進(jìn)行微細(xì)電火化加工從而得到微細(xì)結(jié)構(gòu)陣列。但此 方法的工具電極存在損耗，費(fèi)用高。因此，有必要研究出新的加工效率高、成本低廉的微細(xì)群柱結(jié)構(gòu)加工方法。 有人嘗試過(guò)像微細(xì)電解反拷套料技術(shù)那樣用金屬網(wǎng)板作為工具進(jìn)行微細(xì)電解反 拷套料(RECM)加工，但是只得到了微凸臺(tái)結(jié)構(gòu)。這是由于新加工出的群柱表面 存在很強(qiáng)的電場(chǎng)分布，見(jiàn)圖2,產(chǎn)生雜散腐蝕，從而導(dǎo)致群柱不斷被蝕除造成的，見(jiàn)圖1。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種高深寬比微細(xì)金屬群柱結(jié)構(gòu)的電化學(xué)加工方法 及專用工具，利用該方法及專用工具電極能夠高效、低成本的制作高深寬比微細(xì) 金屬群柱結(jié)構(gòu)。一種高深寬比微細(xì)金屬群柱結(jié)構(gòu)的電化學(xué)加工方法，利用金屬網(wǎng)板作為專用 工具。通過(guò)工控機(jī)的控制，使專用工具和工件陽(yáng)極做相向運(yùn)動(dòng)進(jìn)行電解加工，其 特征在于所述的作為專用工具的金屬網(wǎng)板，其群孔側(cè)壁和網(wǎng)板背面均沉積有絕 緣層；利用該絕緣層屏蔽金屬網(wǎng)板的群孔側(cè)壁、背面與新生成群柱表面的電場(chǎng)，保護(hù)新生成的群柱結(jié)構(gòu)不被蝕除。上述的高深寬比微細(xì)金屬群柱結(jié)構(gòu)的電化學(xué)加工方法的專用工具，其特征為專用工具為群孔側(cè)壁和背面均沉積有絕緣層的金屬網(wǎng)板。 可見(jiàn)，本發(fā)明的特點(diǎn)是1、 將絕緣層沉積在金屬網(wǎng)板的微細(xì)群孔側(cè)壁和背面后，絕緣層將屏蔽金屬 網(wǎng)板的微細(xì)群孔側(cè)壁、背面與新生成群柱表面之間的電場(chǎng)(圖6),從而保護(hù)新 產(chǎn)生的群柱結(jié)構(gòu)不被蝕除。圖6中，曲線23表示直接采用金屬網(wǎng)板作為工具電 極時(shí)群柱表面22的電場(chǎng)分布，曲線24表示使用專用工具后群柱表面22的電場(chǎng) 分布，由圖6可知，陣列金屬網(wǎng)板側(cè)壁和背面沉積絕緣層后，可有效減弱群柱表 面的電場(chǎng)強(qiáng)度，使新生成的群柱表面的電場(chǎng)強(qiáng)度降低到接近零的程度，這樣就可 以有效保護(hù)新產(chǎn)生的群柱結(jié)構(gòu)不被蝕除，從而得到高深寬比微細(xì)群柱結(jié)構(gòu)。2、 工件陽(yáng)極相對(duì)于專用工具做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而加工出微細(xì)金屬群柱結(jié)構(gòu)。 裝置不僅解決了電解反拷技術(shù)只能得到微凸臺(tái)的問(wèn)題，而且制作的專用工具可以 重復(fù)使用，大大降低了成本。因此，釆用上述電解加工工藝及其裝置，能制造出側(cè)壁陡直、任意深寬比且 成本低廉的微細(xì)金屬群柱結(jié)構(gòu)。


圖1是直接采用金屬網(wǎng)板作為工具陰極時(shí)電解拷加工過(guò)程示意圖。圖2是直接采用金屬網(wǎng)板作為工具陰極時(shí)陰陽(yáng)極間的電場(chǎng)分布示意圖。圖3是本發(fā)明給出的專用工具電解反拷加工工藝裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖。 圖4是本發(fā)明給出的采用側(cè)壁和背面絕緣方式制作的專用工具結(jié)構(gòu)示意圖。 圖5是采用用工具進(jìn)行電解反拷加工的過(guò)程示意圖。圖6是釆用專用工具與直接采用金屬網(wǎng)板作為工具陰極時(shí)群柱表面的電場(chǎng) 強(qiáng)度對(duì)比曲線。圖中標(biāo)號(hào)名稱1、步進(jìn)電機(jī)，2、 Z軸，3、工控機(jī)，4、電源，5、壓力表， 6、流量計(jì)，7調(diào)節(jié)閥，8、過(guò)濾網(wǎng)，9、泵，10、儲(chǔ)液槽，11、機(jī)床本體，12、 電解液槽，13、噴頭，14、專用工具，15、陰極夾具，16、工件陽(yáng)極，17、陽(yáng)極 夾具。18、絕緣層，19、金屬網(wǎng)板，20、微細(xì)群柱結(jié)構(gòu)，21、群凸臺(tái)結(jié)構(gòu)，22、 新生成的群柱表面，23、直接釆用金屬網(wǎng)板作為工具陰極電解加工時(shí)群柱表面的 電場(chǎng)分布曲線，24、采用專用工具電解加工時(shí)群柱表面的電場(chǎng)分布曲線。
具體實(shí)施方式
實(shí)施本發(fā)明的裝置，如圖3所示，其裝置包括步進(jìn)電機(jī)l、電源4、壓力表5、 流量計(jì)6、調(diào)解閥7、過(guò)濾網(wǎng)8、泵9、儲(chǔ)液槽IO、機(jī)床本體ll、電解液槽12。 其特點(diǎn)是工件陽(yáng)極16通過(guò)陽(yáng)極夾具17與Z軸2相連，帶有微細(xì)群孔結(jié)構(gòu)的專用 工具14通過(guò)陰極夾具安裝在電解液槽中，工控機(jī)3控制Z軸2做豎直向下的運(yùn) 動(dòng)，以此帶動(dòng)工件陽(yáng)極16和專用工具14做相對(duì)運(yùn)動(dòng)同時(shí)伴以電化學(xué)蝕除過(guò)程， 從而得到高深寬比微細(xì)金屬群柱結(jié)構(gòu)。本發(fā)明專利原理當(dāng)直接釆用金屬網(wǎng)板作為工具陰極進(jìn)行微細(xì)電解反拷 (RECM)加工時(shí)，只能得到微凸臺(tái)結(jié)構(gòu)。這是由于新生成的群柱表面分布的電場(chǎng) 強(qiáng)度很大，見(jiàn)圖2,在群柱表面產(chǎn)生雜散腐蝕，從而導(dǎo)致群柱不斷被蝕除造成的， 見(jiàn)圖l。將絕緣層沉積在金屬陣列微細(xì)群孔側(cè)壁和背面后，絕緣層將削弱新產(chǎn)生 群柱表面分布的電場(chǎng)強(qiáng)度，從而保護(hù)新產(chǎn)生的群柱不被蝕除(圖6)。圖6中， 曲線23表示直接釆用金屬網(wǎng)板作為工具陰極時(shí)群柱表面22的電場(chǎng)分布，曲線 24表示使用專用工具后群柱表面22的電場(chǎng)分布，由圖可知，金屬網(wǎng)板側(cè)壁和背 面沉積絕緣層后，可有效減弱金屬網(wǎng)板與新生成群柱表面之間的電場(chǎng)，使新生成 的群柱表面的電場(chǎng)強(qiáng)度降低到接近零的程度，這樣就可以有效保護(hù)新產(chǎn)生的群柱 結(jié)構(gòu)不被蝕除，從而得到高深寬比微細(xì)金屬群柱結(jié)構(gòu)。本發(fā)明專利過(guò)程首先制作陣列微細(xì)群孔結(jié)構(gòu)作為專用工具，然后采用微 細(xì)電解反拷(RECM)的方法_一即工件陽(yáng)極與專用工具做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，制作陣列微細(xì) 群柱結(jié)構(gòu)。其中，專用工具是通過(guò)將金屬陣列微細(xì)群孔網(wǎng)板的側(cè)壁和背面進(jìn)行絕 緣處理而獲得的，如圖5。該方法的具體步驟如下(1) 直接在薄金屬板上加工出要求的陣列微細(xì)群孔結(jié)構(gòu)，如圓形、四邊形等。(2) 采用薄膜工藝對(duì)群孔結(jié)構(gòu)的側(cè)壁和背面進(jìn)行絕緣層18。(3) 接通電源，噴射電解液，工件陽(yáng)極16在Z軸2的帶動(dòng)下相對(duì)于專用工具 做向下的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，得到陣列微細(xì)群柱結(jié)構(gòu)20。
權(quán)利要求
1、一種高深寬比微細(xì)金屬群柱結(jié)構(gòu)的電化學(xué)加工方法，利用金屬網(wǎng)板作為專用工具，通過(guò)工控機(jī)的控制，使專用工具和工件陽(yáng)極做相向運(yùn)動(dòng)進(jìn)行電解加工，其特征在于所述的作為專用工具的金屬網(wǎng)板，其群孔側(cè)壁和網(wǎng)板背面均沉積有絕緣層；利用該絕緣層屏蔽金屬網(wǎng)板的群孔側(cè)壁、背面與新生成群柱之間的電場(chǎng)，保護(hù)新生成群柱結(jié)構(gòu)不被蝕除。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高深寬比微細(xì)金屬群柱結(jié)構(gòu)的電化學(xué)加工方法的 專用工具，其特征為專用工具為群孔側(cè)壁和背面均沉積有絕緣層的金屬網(wǎng)板。
全文摘要
一種高深寬比微細(xì)金屬群柱結(jié)構(gòu)的電化學(xué)加工方法及專用工具，屬高深寬比金屬微結(jié)構(gòu)制造工藝方法及裝置技術(shù)領(lǐng)域。該方法是利用金屬網(wǎng)板作為專用工具，在工控機(jī)的控制下，使專用工具和工件陽(yáng)極做相向運(yùn)動(dòng)進(jìn)行電解加工，其特征在于所述的作為專用工具的金屬網(wǎng)板，其群孔的側(cè)壁和網(wǎng)板背面均沉積有絕緣層，以屏蔽金屬網(wǎng)板的群孔側(cè)壁、背面與新生成群柱表面的電場(chǎng)，保護(hù)新生成的群柱結(jié)構(gòu)不被蝕除。利用本發(fā)明，可以高效、低成本的制造出深寬比不受限制(理論上)的微細(xì)金屬群柱結(jié)構(gòu)。
文檔編號(hào)B23H3/00GK101327537SQ200810022330
公開(kāi)日2008年12月24日 申請(qǐng)日期2008年7月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月9日
發(fā)明者曲寧松, 荻 朱, 胡洋洋 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)