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CN105537703A - 一种三维微电极叠层拟合制备方法 - Google Patents

一种三维微电极叠层拟合制备方法 Download PDF

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CN105537703A
CN105537703A CN201610037155.1A CN201610037155A CN105537703A CN 105537703 A CN105537703 A CN 105537703A CN 201610037155 A CN201610037155 A CN 201610037155A CN 105537703 A CN105537703 A CN 105537703A
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electrode
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model
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伍晓宇
徐斌
雷建国
梁雄
阮双琛
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Shenzhen University
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Shenzhen University
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Abstract

本发明提出了一种三维微电极叠层拟合制备方法，通过制作零件模型、建立三维微电极模型、建立薄片电极数据模型、设置三维微电极参数、加工三维微电极、热扩散焊三维微电极步骤后，形成三维叠层微电极轮廓。并可通过进一步的磨削步骤提高加工精度。本发明解决了三维微电极难以制备的技术难题，通过单纯的上、下往返式的加工便可获得三维微结构，加工过程简单、效率高；同时，经过电火花成形磨削，三维叠层微电极的台阶被有效地消除，提高了加工件的表面质量。

Description

一种三维微电极叠层拟合制备方法
技术领域
本发明涉及的是用于微细电火花加工或微细电解加工的三维微电极的加工方法。
背景技术
一般地，微结构定义为：至少在两维尺度上，具有亚毫米或微米级微特征结构的制件称为微(结构)零件。
通过微细电极的微细电火花加工或微细电解加工是制备三维微结构的主流加工手段。该工艺过程具体为：
通过各种加工方法制作直径细小的二维半圆柱形微电极，然后通过微电极的层层扫描放电加工或电解加工从而获得三维微结构。但是，由于圆柱形微电极直径尺寸相对于扫描面积十分微细，使得加工效率很低。并且在微电极的层层扫描放电加工的过程中，微电极损耗十分严重，难以长时间正常工作。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是弥补上述现有技术存在的缺陷，提供一种用于微细电火花加工或微细电解加工的三维微电极的成形方法。
本发明的技术问题通过以下技术方案予以解决：
一种三维微电极叠层拟合制备方法，其包括以下步骤：
步骤一：制作零件模型；绘制待制备零件的三维微结构几何模型；
步骤二：建立三维微电极模型；根据所述三维微结构几何模型，建立电火花加工该模型的三维微电极几何模型，并将所述三维微电极几何模型进行离散切片，得到离散切片几何模型；
步骤三：建立薄片电极数据模型；将所述离散切片几何模型转化为一组相互平行的薄片电极数据模型；所述薄片电极数据模型中的薄片电极数量与所述离散切片几何模型中的切片数量N相等，所述薄片电极的厚度与所述切片的厚度H相等；
步骤四：设置三维微电极参数；根据所述切片数量N、厚度H、薄片电极的轨迹数据设置三维微电极的层数、层厚与轮廓数据；
步骤五：加工三维微电极；将一组金属箔夹紧固定，所述金属箔的厚度与所述步骤四中的厚度H相同；将第一层单片金属箔固定不动，其余各层待加工金属箔在外力作用下向上弯曲，并用第一挡块挡住固定；通过线切割或激光切割工序加工为对应第一层的微电极轮廓；所述第一层微电极轮廓加工完成后，通过外力作用，使其向下弯曲，并用第二挡块挡住；
步骤六：加工三维微电极；将第二层单片金属箔固定不动，其余各层待加工金属箔在外力作用下向上弯曲，并用第一挡块挡住固定；通过线切割或激光切割工序加工为对应第二层的微电极轮廓；所述第二层微电极轮廓加工完成后，通过外力作用，使其向下弯曲，并用第二挡块挡住；依次重复本步骤，直至将各层金属箔加工为各层二维薄片微电极轮廓；
步骤七：热扩散焊三维微电极；将加工完成后、仍处于夹持状态的多层二维薄片微电极放入真空炉中，进行真空压力热扩散焊，使各层二维薄片微电极完全连接，形成三维微电极；所述真空炉的压强P≤10Pa，焊接温度T为三维电极材料熔点的0.5～0.8倍，保温时间t≥1小时，完成后随炉冷却，形成三维叠层微电极轮廓。
为了进一步提高加工精度，优选地，本发明进一步包括三维叠层微电极轮廓的磨削步骤：
步骤八：根据步骤二中设计的三维微电极几何模型，和实际制备获得的三维叠层微电极轮廓之间的差距，设计磨削曲线；将含有台阶的三维叠层微电极进行电火花放电磨削，将所述台阶磨削为平滑的曲线。
优选地，所述金属箔为铜箔或镍箔或钼箔。
所述切片的厚度可以是均匀的也可以是不均匀的，具体可以根据叠层电极的拟合精度确定。优选地，所述切片的厚度均匀，且所述切片的厚度H≤500μm；优选地，所述二维薄片微电极的层厚h≤1.0mm。
本发明与现有技术对比的有益效果是：
1)本发明首次提出通过多层二维薄片微电极叠层拟合成形三维微电极，有效解决了三维微电极难以制备的技术难题。
2)将三维微电极用于微细电火花加工或微细电解加工可以制备三维微结构。与具有简单截面形状的微细电极进行层层扫描放电加工或层层扫描电解加工三维微结构相比，三维微电极仅需进行单纯的上、下往返式的加工便可获得三维微结构，加工过程简单且加工效率高。
3)将具有台阶的三维叠层微电极直接用于微细电火花加工或微细电解加工，台阶会被复制到加工结果上，从而影响到加工结果的形状精度和表面质量。经过电火花成形磨削，三维叠层微电极的台阶被有效地消除。将经过电火花成形磨削的三维叠层微电极用于微细电火花加工或微细电解加工，可以有效地提高加工结果的形状精度和改善加工结果的表面质量。
附图说明
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作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；
图1是所需要的三维微结构的几何模型示意图；
图2是根据图1所设计的三维微电极的几何模型示意图；
图3是三维微电极的离散切片几何模型示意图；
图4是三维电极的叠层拟合成形的示意图；
图5是三维叠层微电极的电火花成形磨削原理；
图6是电火花磨削消减台阶效应的过程；
标号说明：挡块1，正在加工的铜箔2，待加工的铜箔3，夹紧端4，已完成加工的铜箔5，切割工具6，二维薄片微电极7，台阶8，磨削工具9，已磨削部分10，未磨削部分11，三维叠层电极12，磨削方向A；电极设计模型轮廓13，叠层微电极粗加工实际轮廓14，成形磨削方向B。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提出的三维微电极叠层拟合制备方法，其包括以下步骤：
步骤一：制作零件模型；绘制待制备零件的三维微结构几何模型；该步骤一般通过三维计算机软件完成；
步骤二：建立三维微电极模型；根据所述三维微结构几何模型，建立电火花加工该模型的三维微电极几何模型，并将所述三维微电极几何模型进行离散切片，得到离散切片几何模型；
步骤三：建立薄片电极数据模型；将所述离散切片几何模型转化为一组相互平行的薄片电极数据模型；所述薄片电极数据模型中的薄片电极数量与所述离散切片几何模型中的切片数量N相等，所述薄片电极的厚度与所述切片的厚度H相等；
步骤四：设置三维微电极参数；根据所述切片数量N、厚度H、薄片电极的轨迹数据设置三维微电极的层数、层厚与轮廓数据；
计算机将三维微结构几何模型的厚度除以微电极的层厚得到切片数量N(即层数)，从而获得二维薄片微电极的层数、层厚。由于二维薄片微电极是通过对三维微电极几何模型进行离散切片获得的，故其切片中包含了二维薄片微电极的轮廓数据，是加工二维薄片电极的依据。
步骤五：加工三维微电极；将一组金属箔夹紧固定，所述金属箔的厚度与所述步骤四中的厚度H相同；将第一层单片金属箔固定不动，其余各层待加工金属箔在外力作用下向上弯曲，并用第一挡块挡住固定；通过线切割或激光切割工序加工为对应第一层的微电极轮廓；所述第一层微电极轮廓加工完成后，通过外力作用，使其向下弯曲，并用第二挡块挡住；
步骤六：加工三维微电极；将第二层单片金属箔固定不动，其余各层待加工金属箔在外力作用下向上弯曲，并用第一挡块挡住固定；通过线切割或激光切割工序加工为对应第二层的微电极轮廓；所述第二层微电极轮廓加工完成后，通过外力作用，使其向下弯曲，并用第二挡块挡住；依次重复本步骤，直至将各层金属箔加工为各层二维薄片微电极轮廓；
经过步骤六得到的初步叠层的三维微电极，其各层二维薄片微电极之间并没有真正连接，因此需在真空炉中进行真空压力热扩散焊，从而完成各层二维薄片微电极的完全连接，具体步骤如下：
步骤七：热扩散焊三维微电极；将加工完成后、仍处于夹持状态的多层二维薄片微电极放入真空炉中，进行真空压力热扩散焊，使各层二维薄片微电极完全连接，形成三维微电极；所述真空炉的压强P≤10Pa，焊接温度T为三维电极材料熔点的0.5～0.8倍，保温时间t≥1小时，完成后随炉冷却，形成三维叠层微电极轮廓。
根据上述步骤加工获得的三维叠层微电极，其初始轮廓由细微的水平线段和垂直线段构成(这些线段也构成了三维叠层微电极的台阶)，这些台阶叠加拟合成三维叠层微电极初始的设计轮廓。三维叠层微电极的台阶会对叠层电极的形状精度产生影响，可通过成形磨削予以消除。故本发明可进一步包括磨削步骤：
步骤八：根据步骤二中设计的三维微电极几何模型，和实际制备获得的三维叠层微电极轮廓之间的差距，设计磨削曲线；将含有台阶的三维叠层微电极进行电火花放电磨削，将所述台阶磨削为平滑的曲线；其具体过程如下：
1)开始成形磨削时，三维叠层微电极的台阶为折线，台阶包含凹点和凸点。对含有台阶的三维叠层微电极进行电火花放电磨削，在电极集肤效应的影响下，凸点损耗最快，而向着两端凹点的方向上，损耗则逐渐变慢，凹点处损耗最小；2)随着电火花成形磨削的逐渐进行，台阶被逐渐磨削为平滑的曲线，此时三维叠层微电极的凸点由90°的尖角逐渐变地较为平滑。由于台阶的轮廓逐渐变为较平滑的曲线，因此台阶的磨削损耗速度逐渐变慢，并且此时凸点顶端与其它位置的损耗速度差别逐渐减小；3)随着成形磨削的继续进行，三维微电极的台阶继续被磨削，并最终使三维叠层微电极轮廓尽可能地逼近电极设计模型轮廓。
所述切片的厚度可以是均匀的也可以是不均匀的，具体要以叠层电极的拟合精度确定，切片的厚度应小于等于500μm。优选地，所述二维薄片微电极的层厚h≤1.0mm。
实施例1：本实施例采用的电极薄片材料是0.1mm厚的铜箔。
具体制作工艺包括以下步骤：
一、给需要制备的三维微结构建立几何模型，如图1所示。
二、根据三维微结构的几何模型建立三维微细电火花电极的几何模型，如图2所示，并将该三维微电极进行离散切片，得到离散切片几何模型，如图3所示。
三、根据上述数据，三维微电极的叠层拟合成形过程如下：(1)将一组铜箔的一端夹紧固定，为夹紧端4。铜箔分已加工完成的铜箔5、正在加工的铜箔2和待加工铜箔3，如图4所示；(2)待加工铜箔3的另一端需要向上弹性弯曲并用第一挡块1挡住，正在加工的铜箔2的另一端通过夹具固定，并由线6切割加工该层的二维薄片微电极7，已加工完成的铜箔5需要向下弹性弯曲并用第二挡块1挡住；(3)重复上述过程，直至完成各层二维薄片微电极7的加工。这些二维薄片微电极7通过叠加拟合从而获得初步叠层的三维微电极；(4)初步叠层的三维微电极其各层二维薄片微电极并没有真正连接，因此需将一端仍保持夹紧状态、初步叠层的三维微电极放入真空炉中，对其进行真空压力热扩散焊，从而完成各层二维薄片微电极的完全连接。真空炉的大气压强为0.1Pa，焊接温度为850℃，保温时间为10h，随炉冷却。
四、将上述工艺制备的三维叠层电极进行成形磨削，如图5和图6所示，其中9为磨削工具，10为已磨削部分，11为未磨削部分，12为三维叠层电极，箭头A为磨削方向，成形磨削方向为箭头B。电火花磨削的目标是尽可能消除电极设计模型中双点划线以外的台阶8，并使所制备的叠层微电极轮廓(即单点画线部分所代表的叠层微电极粗加工实际轮廓14)即尽可能地逼近电极设计模型轮廓aesebe(即双点划线部分所代表的电极设计模型轮廓13)。台阶磨削的具体过程描述如下：(1)开始成形磨削时，三维叠层微电极的台阶a0s0b0为折线，其中a0和b0为台阶的凹点，s0为台阶的凸点。在电极集肤效应的影响下，凸点s0处损耗最快，而向着两端凹点a0、b0的方向上，损耗则逐渐变慢，凹点a0、b0处损耗最小；(2)随着成形磨削的逐渐进行，台阶a0s0b0被逐渐磨削为平滑的曲线asb，此时s0由90°的尖角逐渐变为较平滑的凸点s。由于台阶a0s0b0的轮廓逐渐变为较平滑的曲线asb，因此台阶的磨削损耗速度逐渐变慢，并且此时凸点s处与弧线asb其它位置的损耗速度差别逐渐减小；(3)随着成形磨削的继续进行，三维微电极的台阶继续被磨削，并最终使三维叠层微电极轮廓尽可能地逼近电极设计模型轮廓aesebe。
五、将上述工艺制备的三维微电极应用于微细电火花加工，通过三维微电极上下往返式的加工便可获得三维微结构，加工效率高且电极损耗小。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种三维微电极叠层拟合制备方法，其特征在于：其包括以下步骤：
步骤一：制作零件模型；绘制待制备零件的三维微结构几何模型；
步骤二：建立三维微电极模型；根据所述三维微结构几何模型，建立电火花加工该模型的三维微电极几何模型，并将所述三维微电极几何模型进行离散切片，得到离散切片几何模型；
步骤三：建立薄片电极数据模型；将所述离散切片几何模型转化为一组相互平行的薄片电极数据模型；所述薄片电极数据模型中的薄片电极数量与所述离散切片几何模型中的切片数量N相等，所述薄片电极的厚度与所述切片的厚度H相等；
步骤四：设置三维微电极参数；根据所述切片数量N、厚度H、薄片电极的轨迹数据设置三维微电极的层数、层厚与轮廓数据；
步骤五：加工三维微电极；将一组金属箔夹紧固定，所述金属箔的厚度与所述步骤四中的厚度H相同；将第一层单片金属箔固定不动，其余各层待加工金属箔在外力作用下向上弯曲，并用第一挡块挡住固定；通过线切割或激光切割工序加工为对应第一层的微电极轮廓；所述第一层微电极轮廓加工完成后，通过外力作用，使其向下弯曲，并用第二挡块挡住；
步骤六：加工三维微电极；将第二层单片金属箔固定不动，其余各层待加工金属箔在外力作用下向上弯曲，并用第一挡块挡住固定；通过线切割或激光切割工序加工为对应第二层的微电极轮廓；所述第二层微电极轮廓加工完成后，通过外力作用，使其向下弯曲，并用第二挡块挡住；依次重复本步骤，直至将各层金属箔加工为各层二维薄片微电极轮廓；
步骤七：热扩散焊三维微电极；将加工完成后、仍处于夹持状态的多层二维薄片微电极放入真空炉中，进行真空压力热扩散焊，使各层二维薄片微电极完全连接，形成三维微电极；所述真空炉的压强P≤10Pa，焊接温度T为三维电极材料熔点的0.5～0.8倍，保温时间t≥1小时，完成后随炉冷却，形成三维叠层微电极轮廓。
2.如权利要求1所述的三维微电极叠层拟合制备方法，其特征在于：其进一步包括三维叠层微电极轮廓的磨削步骤：
步骤八：根据步骤二中设计的三维微电极几何模型，和实际制备获得的三维叠层微电极轮廓之间的差距，设计磨削曲线；将含有台阶的三维叠层微电极进行电火花放电磨削，将所述台阶磨削为平滑的曲线。
3.如权利要求1所述的三维微电极叠层拟合制备方法，其特征在于：所述切片的厚度H≤500μm。
4.如权利要求1所述的三维微电极叠层拟合制备方法，其特征在于：所述金属箔为铜箔或镍箔或钼箔。
5.如权利要求1所述的三维微电极叠层拟合制备方法，其特征在于：所述二维薄片微电极的层厚h≤1.0mm。
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