電極論文談電化學(xué)加工法制備微細(xì)工具電極試驗研究

電極論文|談電化學(xué)加工法制備微細(xì)工具電極試驗研究

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摘要：微細(xì)工具電極的獲得及工藝過程控制是微細(xì)加工的關(guān)鍵。采用電化學(xué)方法制備微細(xì)探針和微圓柱體工具電極，在分析其成形機(jī)理的基礎(chǔ)上，對影響微探針和微圓柱體電極的工藝參數(shù)，如通電方式、電解液濃度、電源性質(zhì)、電極運動方式等進(jìn)行分析。實驗與分析的結(jié)果表明：采用液面下通電方式、適當(dāng)濃度的電解液可以制得性能較好的探針；脈沖電源加工能夠改善成形后微細(xì)電極的表面精度；電極的運動和脈沖電源由于破壞了腐蝕過程中的平衡，制備出的電極呈錐形。教育論文網(wǎng)專業(yè)提供發(fā)表教師論文服務(wù)。

關(guān)鍵詞：機(jī)械制造自動化；電化學(xué)加工；微細(xì)工具電極；微細(xì)加工

0引言微細(xì)加工技術(shù)是本世紀(jì)最活躍的科學(xué)研究方向之一。隨著軍用高精端設(shè)備以及民用精密儀器的要求越來越高，出現(xiàn)了各種各樣的微細(xì)加工技術(shù)，包括去除材料的加工，如電火花加工、電解加工、激光加工、離子束和電子束加工、微細(xì)車／銑削加工等；增加材料的加工，如微細(xì)電鑄、基于電鑄的LIGA技術(shù)等¨，這些加工方法構(gòu)成了微細(xì)加工技術(shù)群，承擔(dān)著不同的微細(xì)加工任務(wù)。電解加工是基于金屬電化學(xué)溶解原理基礎(chǔ)，以離子形式去除材料的。理論上，工件加工后表面精度和加工尺寸可達(dá)到微米級以下，因此，近年來以電解加工為基礎(chǔ)的微細(xì)電解加工技術(shù)，在微細(xì)加工中受到特別的關(guān)注。歐洲、日本等發(fā)達(dá)國家都在積極的進(jìn)行微細(xì)電解加工方面的研究，并取得了一定的成果。而國內(nèi)微細(xì)電解加工雖取得了顯著進(jìn)展，但與發(fā)達(dá)國家相比仍存在著差距。-H,f*h/K7h.V

微細(xì)電解加工的工藝方法和原理要求有高精度的微細(xì)工具電極，工具電極的尺度在很大程度上決定了微細(xì)電解加工所能達(dá)到的尺寸和精度。目前，國內(nèi)外對微細(xì)電極的制備方法進(jìn)行了一定的研究。

本學(xué)者利用微細(xì)電火花加工法，制得直徑尺寸，尖端100nm的微細(xì)電極?；黃燕花采用微細(xì)車削加工法，加工出直徑尺寸僅為7m的微細(xì)電極；SHYeo和cSLin采用微細(xì)電化學(xué)沉積的方法加工出直徑10m以下的微細(xì)電極；KTa．等人利用LIGA技術(shù)加工出直徑尺寸為的群電極結(jié)構(gòu)。電化學(xué)腐蝕法被證明是一種有效的制備微細(xì)工具電極的方法¨，包括微探針和微細(xì)圓柱體。微探針被安裝在掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡(AFM)上，利用掃描探針頂端和試件間的強(qiáng)電場，可進(jìn)行100nm以下的微細(xì)加工。微細(xì)圓柱電極不僅能夠加工微孔、縫、槽等簡單的形面，而且還可以像刀具一樣進(jìn)行三維復(fù)雜型腔的銑削加工?。

以往的研究表明，電化學(xué)方法制備微細(xì)針尖受多種因素的制約，如加工電壓、工件浸入溶液的深度、切斷電路的時間等¨。然而進(jìn)一步的實驗研究發(fā)現(xiàn)，電化學(xué)方法制備針尖還受到電解液濃度、通電方式、電源性質(zhì)、電極運動形式的影響。本文對影響微細(xì)電極成形的因素進(jìn)行了進(jìn)一步研究。

實驗裝置與加工原理實驗系統(tǒng)如圖1所示，包括運動控制、加工電源系統(tǒng)、電解液系統(tǒng)、加工檢測與數(shù)據(jù)處理等幾部分。,D){-o$q3?#?

運動控制部分由一臺計算機(jī)作為操作平臺，發(fā)出指控儀尖錐形微探針圓柱形電極圖1微細(xì)電極制備系統(tǒng)原理圖．令給運動控制卡，控制卡控制電機(jī)驅(qū)動器，帶動電機(jī)旋轉(zhuǎn)從而實現(xiàn)主軸運動。運動控制卡兼有數(shù)據(jù)采集的功能，它將采集到的數(shù)據(jù)傳給計算機(jī)，計算機(jī)對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理等一系列操作。加工檢測部分通過一精密的電流傳感器實現(xiàn)對加工電路中電信號的檢測，并將檢測到的信號傳給計算機(jī)。電源系統(tǒng)串聯(lián)在電路中，由電子開關(guān)控制其加工過程中的自動通斷，實現(xiàn)加工過程中的短路保護(hù)。電解液系統(tǒng)提供實驗所需電解液介質(zhì)，溫度由溫控儀控制。

選取具有良好電傳導(dǎo)性和耐腐蝕的鎢絲作為電極材料，并裝夾在機(jī)床主軸上。+W6U+i*Q#{

針對探針和微細(xì)圓柱體電極的制備，實驗采用不同形狀的陰極：制備探針時，陰極為中間被加工成一圓孔的不銹鋼板；制備微圓柱體時，陰極為不銹鋼圓筒，如圖1所示。

連接電源通電后，鎢絲在電化學(xué)腐蝕作用下溶解，生成WO：一離子并放出氫氣，WO一離子沿著鎢絲表面向下移動，在鎢絲表面形成包裹層，稱為擴(kuò)散層，擴(kuò)散層厚度及形狀影響著鎢絲的最終成形，因為擴(kuò)散層阻礙了周圍溶液中的OH一離子到達(dá)鎢絲的表面參加反應(yīng)，鎢絲的反應(yīng)速度與擴(kuò)散層厚度成反比。.M

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微細(xì)電極成形實驗研究與分析．

1微探針成形實驗研究．0o0c!p2Z0J3W)L"M0q0G

1．1通電方式對探針成形的影響在微探針成形過程中，探針成形機(jī)理是依靠鎢絲的拉斷成形的，因此在鎢絲拉斷的瞬間及時切斷電路尤為必要。然而，基于目前硬件設(shè)備的限制，鎢絲拉斷的瞬間電路不能及時切斷，電路中暫存的瞬間電流最終影響了探針的成形質(zhì)量。實驗中嘗試采用不同的通電方式進(jìn)行探針的制備。!g$Q*d$[4?;_9x

采取液面以上對鎢絲裸露部分進(jìn)行接觸式通電方式；利用一細(xì)鉑絲在液面以下對鎢絲進(jìn)行非接觸式通電，鉑絲與鎢絲接觸點間保持較小距離，通電時鉑絲尖端與鎢絲表面之間就會形成一通路，如圖2(b)局部放大部分所示。加之鉑絲具有很強(qiáng)的抗氧化性，因此可以保證在反應(yīng)過程中鉑絲不被溶解，只有鎢絲電極被腐蝕。實驗后采用日本三豐MFUA型號的光學(xué)顯微鏡測得斷裂后的探針如圖3所示，其中：圖3(a)為接觸式通電情況下腐蝕出的探針端部結(jié)構(gòu)；為采用非接觸通電情況下腐蝕出的探針端部結(jié)構(gòu)。中可以看出，采用非接觸式通電方法加工出的探針尖端較采用接觸式通電的探針尖端曲率半徑要小，針尖尺寸

較小，這是由于在接觸式通電情況下，鎢絲斷裂瞬間，液面與鎢絲斷裂處(即探針的尖端)仍然有溶液，因此此時鎢絲仍浸沒在電解液中，此時即使電源切斷，探針尖端仍會繼續(xù)被腐蝕溶解。而在非接觸式通電情況下，實驗進(jìn)行的初始階段，鉑絲與鎢絲接2．1．2溶液濃度對探針成形的影響實驗采用濃度分別為1mol／L、1．5mol／L、／I~和2．5mol／L的KOH電解液進(jìn)行實驗，電壓取4V，浸入深度2mill，測量實驗后探針的曲率半徑和縱橫比，如圖4～5所示。從圖4曲線可以看出針尖縱橫比隨著溶液濃度的增加而減小，曲率半痙在濃度為2mol／L時最小。這是由于當(dāng)溶液濃度較高時，鎢絲腐蝕速度加快，產(chǎn)生的WOj一離子濃度升高，這些離子包裹在鎢絲周圍，增加了下部鎢絲的重力作用，使得縱橫比減小，曲率半徑增大；反之，濃度較小時，離子濃度低、反應(yīng)慢，縱橫比增大。然而，濃度太低，腐蝕時間過長，不宜采用，一觸點距離較小，在連接電路通電時陰陽兩極之間形成通路。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，處于液面處的鎢絲直徑變得越來越細(xì)。當(dāng)鎢絲最終在重力作用下發(fā)生拉斷時，陽極鎢絲與電源切斷聯(lián)系，反應(yīng)停止，從而避免了探針尖端被進(jìn)一步腐蝕，制備出尺寸更小的探針。般溶液濃度取2mol／L．對2種不同溶液濃度下制得的探針進(jìn)行檢測，如圖6所示，濃度較高時，探針縱橫比較小；而濃度較低時，制得的探針曲率半徑較小。2．2微細(xì)圓柱體電極成形實驗研究與分析．2．1電源性質(zhì)的影響在電解加工中，脈沖電源具有提高加工過程穩(wěn)定性和改善工件表面質(zhì)量的作用，因此實驗中采用脈沖電源進(jìn)行了微細(xì)電極的制備。為采用脈沖頻率5kHz、電壓5V的情況下加工出的微細(xì)電極。可看出采用脈沖電源以后，加工出的電極表面粗糙度較好，這是由于脈沖電源具有宏觀整平和微觀整平2種不同的光整作用。宏觀整平使粗糙表面凸出部分優(yōu)先溶解，這是由于在尖峰處電力線集中所致，同時由于凸出部分與陰極之間的距離相對較小，電解液阻值也小，因此電流密度較大，由法拉第定律該處溶解較快。微觀整平作用是結(jié)晶學(xué)腐蝕受表面不同晶位上原子的無序移動所抑制的結(jié)果，因此表面看起來光亮。同時，也可看出采用脈沖電源加工出的微圓柱體電極端部呈錐狀，這是由于微細(xì)電極的成形受到反應(yīng)過程中溶解所產(chǎn)生離子數(shù)量與離子向周圍擴(kuò)散數(shù)量的影響，采用脈沖電源后，由于壓力波的存在，脈沖間隔時間內(nèi)，溶解產(chǎn)生的離子較容易擴(kuò)散到周圍溶液中，破壞了電極表面的溶解平衡，在脈沖再次施加時，由于電極末端不能充分受溶解產(chǎn)物的保護(hù)，電場較集中，電力線密度大，溶解速度快，最終電極被溶解呈錐狀。所示為采用直流電源加工的微細(xì)電極照片，可看出電極表面精度沒有采用脈沖電源加工的電極表面精度高，但加工出的電極直徑較為均勻。所以，在微細(xì)電極制作過程中要充分考慮直流電源與脈沖電源的優(yōu)勢，選擇合適的電源進(jìn)行加工。5g%e!f7',b1c+J2K/v

2．2電極運動方式對微細(xì)電極成形的影響電極運動影響著電解產(chǎn)物沿著電極絲分布的位置，從而對電極絲周圍形成的擴(kuò)散層造成影響，并最終影響電極成形。實驗中采用電極勻速往復(fù)運動方式，加工后電極形狀：采用電極勻速進(jìn)給方式進(jìn)行實驗，加工后電極形狀為截面呈三角形的椎狀結(jié)構(gòu)，電極直徑不再均勻。如圖9所示，取液面下處深度范圍內(nèi)的電極進(jìn)行分析，假設(shè)電極在溶解過程中始終處于溶解平衡狀態(tài)，電極運動速度為，則出范圍內(nèi)的電極部分在整個加工過程中，參加溶解的時間￡：一．由(1)式可知，電極絲參加反應(yīng)的時間隨著浸入深度增加而增加，處于鎢絲下端的材料，其參加反應(yīng)的時間比處于上部的要長的多，由法拉第定律可知材料去除體積與施加電量成正與時間的關(guān)系式，比，同時由電量可得材料的去除體積與時間的關(guān)系式．因此，當(dāng)電極勻速運動時，最終電極被加工呈錐狀，電極直徑不均勻。'q5t*W)D3F8n

此外，沖液方式、電極材料等對微細(xì)電極的成形也有著不可忽略的影響。實驗過程中，采用沖液，可以加速電解液更新且可去除反應(yīng)過程中產(chǎn)生氣泡的影響，提高微細(xì)電極加工的速度。但在沖液作用下，加工過程不易控制，最終影響電極成形形狀，通常制備微細(xì)電極采用靜液方式。當(dāng)電極材料變化時，應(yīng)采用不同的電解液進(jìn)行加工，如對于含F(xiàn)e的電極材料，要采用酸性電解液，電極材料的選擇通常根據(jù)實驗需求來確定。

結(jié)論采用電化學(xué)加工