專利名稱：線電極電化學磨削微細工具在線制備系統(tǒng)及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種線電極電化學磨削在線制備微細工具的方法與系統(tǒng)，屬微細電 化學加工領域。
背景技術：
微細電化學加工是基于電化學離子去除原理來微量溶解工件的技術，理論上可 以達到納米級的加工精度。微細電化學加工是非接觸加工，加工表面質(zhì)量好，無工具損 耗，是理想的微細加工方法，目前國外已經(jīng)實現(xiàn)了微米級去除量的微細電化學加工。近十余年來，西方工業(yè)發(fā)達國家對于微細電化學制造技術給予高度重視，進行 了大量的研究投入，取得了長足的進步。德國馬普研究所的KSchuster，V.Kirchner等人 采用脈沖寬度為納秒級的超短脈沖電流進行電化學微細加工，成功得到了數(shù)微米尺寸的 微細零件，加工精度可達幾百納米。美國的Trimmer與Schuster等合作采取離子束刻蝕 技術加工出復雜圖形的平面成形電極，再利用超短脈沖微細電解加工技術得到了線寬僅 為90nm的圖形，其加工的微細程度比目前制作集成電路芯片的光刻工藝還要高。韓國國 立漢城大學研究人員，先用微細電火花制作前端為盤形的電極，然后用微細電解加工出 了微細結構，微棱柱為2(^111\4(^111\85口111，微隔板厚10 μ m，高80μιη。采用直徑 10 μ m的鉬絲作線電極，切割出了寬20 μ m的高深寬比微槽陣列等結構。國內(nèi)研究機構 也開展了微細電解加工的研究。哈爾濱工業(yè)大學通過微細電火花線電極磨削制作出鎢絲 電極，采用微細電解銑削的方式，加工出了微曲懸臂梁等結構。南京航空航天大學在超 短脈沖電解加工的基礎上，采用數(shù)微米的鎢絲作電極，在鎳板上成功加工出的微細槳葉 和微細五角星等復雜幾何輪廓。高精度的微細電化學加工需要微米尺度甚至亞微米尺度的電極。在微細加工中 微細電極的制備一直是一個重要的研究課題，微細電極的尺度在很大程度上決定了微加 工所能達到的尺寸和精度，因此，微細電極的制備非常關鍵。另外隨著微細電解加工效 率要求不斷提高，對微細群電極制備方法的研究有著重要的意義。如果直接選用成品金 屬針和金屬絲作電極，必將使微細電化學加工尺度向更微細的方向發(fā)展受到限制。能購 買到的其他細金屬電極不但尺寸受到限制，而且其表面會有很難去除的氧化層，也不適 合直接用來做微細電化學加工的線電極。目前，制備探針的研究方法有多種，如機械成型法、離子束銑削法、電子束沉 積法、場致蒸發(fā)法等，但是，這些方法都存在各自的局限性。采用電極在線制作的方 法，可在保證加工精度的前提下，有效地避免電極二次裝夾過程中產(chǎn)生的重復定位誤差 和裝夾誤差，最大限度降低工具電極位置精度對加工的影響。電極在線制作方法主要有3 種固定塊反拷加工、旋轉圓盤反拷加工和線電極放電磨削法(WEDG)。其中又以日本 東京大學生產(chǎn)技術研究所的增澤隆久等人研制成功的線電極電火花磨削(WEDG)技術最 為著名，但是用此方法來制作微細電極，加工效率低，并且加工過程中線電極會損耗， 需要走絲進行補償，因而裝置復雜，成本高。南京航空航天大學朱荻教授等提出一種電化學腐蝕法制備微米尺度線電極的方法，成功制備得到直徑為2 μ m的鎢絲線電極。試驗 中將鎢絲定位在盛有NaOH溶液的不銹鋼圓筒的中心線上，作為陰極的不銹鋼圓筒保證 了線電極徑向的電場是均勻的，加工時線電極在徑向發(fā)生均勻腐蝕，因此，該方法只能 制備圓柱狀線電極。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種可以加工多種截面形狀微細工具電極的新方法線 電極電化學磨削微細工具在線制備系統(tǒng)及方法?！N線電極電化學磨削微細工具在線制備系統(tǒng)，其特征在于包括機床工作 臺、安裝于機床工作臺上的三軸運動平臺、安裝于三軸運動平臺上的數(shù)控旋轉主軸、通 過夾頭安裝于數(shù)控旋轉主軸上的工具電極；還包括安裝于機床工作臺上的XY兩維數(shù)控 工作臺、安裝于XY兩維數(shù)控工作臺上的電解液槽；還包括微張力裝置；其中微張力 裝置依次包括計算機、壓電伺服控制器、壓電陶瓷位移軸、微拉力傳感器、微尺度線電 極；微張力裝置還包括安裝于上述電解液槽中的導向輪和電極夾具；所述微尺度線電極 一端與所述微拉力傳感器相連，另一端經(jīng)過所述導向輪與電極夾具相連；微張力裝置還 包括一端與微拉力傳感器相連另一端與計算機相連的信號放大器；還包括脈寬電源，電 源負極連接所述微尺度線電極，電源正極連接所述工具電極；還包括一端與微尺度線電 極相連另一端與計算機相連的電流傳感器。所述脈沖電源如果為高頻窄脈沖電源，可輸出的脈沖寬度小至皮秒級，以提高 加工的定域能力。利用所述線電極電化學磨削微細工具在線制備系統(tǒng)制備微細工具的方法，其特 征在于包括以下過程(a)、壓電伺服控制器接收來自計算機的控制信號，壓電陶瓷位移軸接收來自壓 電伺服控制器輸出的電壓信號以產(chǎn)生微位移，壓電陶瓷位移軸所產(chǎn)生的微位移通過微拉 力傳感器傳遞給微尺度線電極，使微尺度線電極得以張緊；微尺度線電極張緊力的大小 由微拉力傳感器通過信號放大器反饋給計算機，從而實現(xiàn)微拉力的閉環(huán)控制；(b)、使電解液充滿電解液槽，浸沒水平放置的那部分微尺度線電極，并通過對 刀調(diào)整微尺度線電極與工具電極，使兩者之間保持一個加工間隙；(C)、在加工過程中，利用數(shù)控旋轉主軸使工具電極產(chǎn)生旋轉或進行分度，同時 利用三軸運動平臺的Z軸帶動工具電極在Z軸方向上勻速進給，以保證工具電極徑向和軸 向的均勻腐蝕；(d)、在微細工具電極電化學腐蝕過程中，通過電流傳感器采集加工回路中的電 流，利用加工電流與電阻的對應關系反映腐蝕過程中微尺度線電極直徑的變化，進而進 行精確的尺寸控制；(e)接通脈沖電源，利用金屬在電解液中發(fā)生電化學陽極溶解的原理，腐蝕工具 電極成型。所述的線電極電化學磨削微細工具在線制備方法，其特征在于所述工具電極 制備后截面形狀為圓形或矩形或三角形或平行四邊形或梯形。加工過程中，微尺度線電極固定在電解液槽中，并通過微張力裝置張緊，將工具電極連接到數(shù)控旋轉主軸上，使電解液充滿電解液槽，微尺度線和工具電極浸沒在電 解液中，兩者之間保持一個加工間隙，使工具電極接電源正極，微尺度線電極接電源負 極，接通脈寬電源，利用金屬在電解液中發(fā)生電化學陽極溶解的原理，腐蝕工具電極成 型。在加工過程中，利用數(shù)控旋轉主軸使工具電極產(chǎn)生一定角速度的旋轉或進行分度， 同時利用三軸運動平臺產(chǎn)生Z軸方向的勻速進給，以得到所需截面形狀的微細工具。尺 寸控制是通過電流傳感器采集加工回路中的電流，利用加工電流與鎢絲電阻的對應關系 反映腐蝕過程中鎢絲尺寸的變化，從而進行精確的尺寸控制。該方法基于電化學腐蝕的原理，以離子的形式對材料進行去除，采用數(shù)十微米 的線電極，結合納秒脈沖電源，對工具電極進行腐蝕，因此加工定域能力強。并且使電 極制作和后續(xù)加工能在同一工藝系統(tǒng)中連續(xù)完成，工藝兼容性好，對于提高微細加工精 度十分有利。這種方法經(jīng)濟、方便、高效、加工參數(shù)容易控制。本發(fā)明的有益效果在于1、基于電化學腐蝕的原理，以離子的形式對材料進行去除，采用數(shù)十微米的線 電極，結合納秒脈沖電源，對工具電極進行腐蝕，因此加工定域能力強。并且使電極制 作和后續(xù)加工能在同一工藝系統(tǒng)中連續(xù)完成，工藝兼容性好，對于提高微細加工精度十 分有利。2、本發(fā)明的方法經(jīng)濟、方便、高效、加工參數(shù)容易控制。


圖1是線電極電化學磨削微細工具在線制備系統(tǒng)示意圖。圖2是微尺度線電極和工具電極安裝位置的側面示意圖。圖3是舉例可以加工的微細工具截面形狀圖。圖1、2中標號名稱1、計算機，2、高頻窄脈寬電源，3、電流傳感器，4、數(shù) 控旋轉主軸，5、三軸運動平臺，6、夾頭，7、工具電極，8、機床豎梁，9、電極夾具， 10、電解液，11、XY兩維數(shù)控工作臺，12、機床工作臺，13、微尺度線電極，14、支 架，15、導向輪，16、電解液槽，17、立柱，18、微拉力傳感器，19、連接件，20、壓 電陶瓷位移軸，21、壓電伺服控制器，22、信號放大器，23、圓形電極截面，24、矩形 電極截面，25、三角形電極截面，26、平行四邊形電極截面，27、梯形電極截面。
具體實施例方式根據(jù)圖1所示，本發(fā)明的線電極電化學磨削微細工具在線制備裝置，由以下部 分組成(1)包含機床工作臺12、機床豎梁8、立柱17、壓電陶瓷位移軸20、壓電伺服控 制器21、三軸運動平臺5、XY兩維數(shù)控工作臺11、數(shù)控旋轉主軸4、計算機1等能實現(xiàn) 三自由度移動的數(shù)控機床；(2)電解液槽16安裝在XY兩維數(shù)控工作臺11上，電極夾具9、支架14、導向 輪15以及微尺度線電極13固定在電解液槽16中。電解液10充滿電解液槽16，浸沒微 尺度線電極13的水平放置部分；(3)微尺度線電極13—端通過電極夾具9固定在電解液槽中，另一端通過導向輪15改變方向后連接到微拉力傳感器18上，微拉力傳感器18固定在壓電陶瓷位移軸20 上，壓電陶瓷位移軸20通過連接件19固定在立柱17上。壓電陶瓷位移軸20產(chǎn)生微位 移使微尺度線電極13保持一定的張力；(4)工具電極7通過夾頭6與數(shù)控旋轉主軸4相連接，數(shù)控旋轉主軸4安裝在三 軸運動平臺5上。(5)高頻窄脈寬電源2的正極通過金屬導線和工具電極7相連；高頻窄脈寬電源 2的負極通過金屬導線和微尺度線電極13相連；(6)實現(xiàn)線電極微拉力閉環(huán)閉環(huán)控制的微拉力傳感器18通過信號放大器22與計 算機1連接；實現(xiàn)加工實時數(shù)據(jù)采集與伺服控制的電流傳感器3和計算機1連接。下面結合圖1和圖2說明本發(fā)明的方法，實施過程依次經(jīng)過以下幾個步驟1、參考圖1，首先，XY兩維數(shù)控工作臺11固定在機床工作臺12上，將電解液 槽16安裝在XY兩維數(shù)控工作臺11上，導向輪15安裝在支架14上，支架14和電極夾 具9固定在電解液槽16中，然后，將微尺度線電極13的一端通過電極夾具9固定在電解 液槽中，另一端通過導向輪15改變方向后連接到微拉力傳感器18上，微拉力傳感器18 固定到壓電陶瓷位移軸20上，壓電陶瓷位移軸20通過連接件19固定在立柱17上，計算 機1通過壓電伺服控制器21給壓電陶瓷位移軸20發(fā)出電壓指令，壓電陶瓷位移軸20產(chǎn) 生一定的微位移，使微尺度線電極13保持一定的張力，微尺度線電極13張緊力的大小由 微拉力傳感器18通過信號放大器22反饋給計算機1，從而實現(xiàn)微拉力的閉環(huán)控制。處于 水平放置的那部分微尺度線電極13就是電化學磨削加工時的有效線電極部分。2、參考圖1，工具電極7通過夾頭6與數(shù)控旋轉主軸4相連接，數(shù)控旋轉主軸4 安裝在三軸運動平臺5上，三軸運動平臺5安裝在機床豎梁8上。3、參考圖1，電解液槽16中充滿電解液10，浸沒水平放置的那部分微尺度線電 極13。4、參考圖1和圖2，將脈沖電源2設置為對刀參數(shù)，用導線將脈沖電源2的負極 與微尺度線電極13相連，將脈沖電源2的正極與夾頭6相連，夾頭6與工具電極7相導 通。驅(qū)動工具電極7運動，直到工具電極7與水平放置的那部分微尺度線電極13發(fā)生短 路現(xiàn)象，此時計算機1通過電流傳感器3采集到電流的突變，立即通過控制三軸運動平臺 5停止工具電極7的對刀運動，并且回退數(shù)微米作為電化學磨削加工的初始間隙。5、參考圖1和圖2，將脈沖電源2設置為加工參數(shù)，開啟數(shù)控旋轉主軸4，使工 具電極7進行旋轉或分度，同時，三軸運動平臺5在計算機1的控制下，使工具電極7在 Z軸方向上具有一定的微進給速度，工具電極7在電解液10中發(fā)生電化學陽極溶解，微 尺度線電極13將工具電極7加工成型。7、參考圖1，加工中的電流信號通過電流傳感器3實時采集到計算機1中，作為 工具電極7直徑控制的依據(jù)，實時判斷工具電極7的直徑。9、參考圖1和圖3，加工完成后，計算機1關斷脈沖電源2，使加工完成的工具 電極7退回初始位置，即獲得所需的微細工具，可加工圓形23、矩形24、三角形25、平 行四邊形26、梯形27等截面形狀的微工具電極。
權利要求
1.一種線電極電化學磨削微細工具在線制備系統(tǒng)，其特征在于包括機床工作臺(12)、安裝于機床工作臺上的三軸運動平臺(5)、安裝于三軸運動 平臺上的數(shù)控旋轉主軸(4)、通過夾頭(7)安裝于數(shù)控旋轉主軸上的工具電極(7)；還包括安裝于機床工作臺(12)上的XY兩維數(shù)控工作臺(11)、安裝于XY兩維數(shù)控 工作臺(11)上的電解液槽(16)；還包括微張力裝置；其中微張力裝置依次包括計算機(1)、壓電伺服控制器(21)、 壓電陶瓷位移軸(20)、微拉力傳感器(18)、微尺度線電極(13)；微張力裝置還包括安裝 于上述電解液槽(16)中的導向輪(15)和電極夾具(9)；所述微尺度線電極(13) —端與 所述微拉力傳感器(18)相連，另一端經(jīng)過所述導向輪(15)與電極夾具(9)相連；微張力 裝置還包括一端與微拉力傳感器(18)相連另一端與計算機(1)相連的信號放大器(22)；還包括脈寬電源(2)，電源負極連接所述微尺度線電極(13)，電源正極連接所述工 具電極(7)；還包括一端與微尺度線電極(13)相連另一端與計算機(1)相連的電流傳感器(3)。
2.根據(jù)權利要求1所述的線電極電化學磨削微細工具在線制備系統(tǒng)，其特征在于 所述脈沖電源(2)為高頻窄脈沖電源。
3.利用權利要求1所述線電極電化學磨削微細工具在線制備系統(tǒng)制備微細工具的方 法，其特征在于包括以下過程(a)、壓電伺服控制器(21)接收來自計算機(1)的控制信號，壓電陶瓷位移軸(20) 接收來自壓電伺服控制器(21)輸出的電壓信號以產(chǎn)生微位移，壓電陶瓷位移軸(20)所產(chǎn) 生的微位移通過微拉力傳感器(18)傳遞給微尺度線電極(13)，使微尺度線電極(13)得以 張緊；微尺度線電極(13)張緊力的大小由微拉力傳感器(18)通過信號放大器(22)反饋 給計算機(1)，從而實現(xiàn)微拉力的閉環(huán)控制；(b)、使電解液充滿電解液槽(16)，浸沒水平放置的那部分微尺度線電極(13)，并 通過對刀調(diào)整微尺度線電極(13)與工具電極(7)，使兩者之間保持一個加工間隙；(C)、在加工過程中，利用數(shù)控旋轉主軸(4)使工具電極(7)產(chǎn)生旋轉或進行分度， 同時利用三軸運動平臺(5)的Z軸帶動工具電極(7)在Z軸方向上勻速進給，以保證工具 電極徑向和軸向的均勻腐蝕；(d)、在微細工具電極電化學腐蝕過程中，通過電流傳感器(3)采集加工回路中的電 流，利用加工電流與電阻的對應關系反映腐蝕過程中微尺度線電極(13)直徑的變化，進 而進行精確的尺寸控制；(e)接通脈沖電源(2)，利用金屬在電解液中發(fā)生電化學陽極溶解的原理，腐蝕工具 電極成型。
4.根據(jù)權利要求3所述的線電極電化學磨削微細工具在線制備方法，其特征在于 所述工具電極(7)制備后截面形狀為圓形(23)或矩形(24)或三角形(25)或平行四邊形 (26)或梯形(27)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種線電極電化學磨削微細工具在線制備系統(tǒng)及方法，屬微細電化學加工領域。微尺度線電極固定在電解液槽中，并通過微張力裝置張緊，將工具電極連接到數(shù)控旋轉主軸上，使電解液充滿電解液槽，微尺度線和工具電極浸沒在電解液中，兩者之間保持一個加工間隙，接通脈寬電源，利用金屬在電解液中發(fā)生電化學陽極溶解的原理，腐蝕工具電極成型。加工過程中，利用數(shù)控旋轉主軸使工具電極產(chǎn)生一定角速度的旋轉或進行分度，同時利用三軸運動平臺產(chǎn)生Z軸方向的勻速進給，以得到所需截面形狀的微細工具。尺寸控制是通過電流傳感器采集加工回路中的電流，利用加工電流與鎢絲電阻的對應關系反映腐蝕過程中鎢絲尺寸的變化，從而進行精確控制。
文檔編號B23H9/00GK102019474SQ20101028689
公開日2011年4月20日 申請日期2010年9月16日 優(yōu)先權日2010年9月16日
發(fā)明者曲寧松, 曾永彬, 朱荻, 王少華 申請人:南京航空航天大學