[发明专利]一种高回转精度球头柱状电极的在线制备修整装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高回转精度球头柱状电极的在线制备修整装置及方法。

背景技术

近年来，微机电系统技术的发展，促进了产品向微型化、集成化方向发展。随之而来的，对生产这些产品的微型加工工具电极以及测量它们的超微测量工具的需求，也在日益增加。这些微细工具电极的制备，已经成为影响微机电系统技术发展的因素之一。此外，球头电极是一种尖端带有微尺寸球体的异形电极工具，其广泛应用于微测量、微电子、细胞无损检测以及航空航天等技术领域。尤其在微测量领域，微球形电极安装在三坐标测量仪中，可用于测量大深径比深小孔、复杂型腔三维结构等。同时，微球头电极的尺寸以及回转精度，对于实际测量的精度有重大影响，电极尺寸越小、回转精度越高，测量的精度也越高。因此，微球头工具电极的高效、高精度制备具有重要意义。

目前，对于微球头电极的制备，主要有线放电研磨、精车削、精磨削以及工艺组装等工艺方法，但在实际加工过程中它们都或多或少存在一些问题，使得到的微球头电极并不十分理想。

目前，制备球头电极最主要采用的还是工艺组装方法，它采用在柱状电极的端部焊接或粘结微球头的方法，获得球头电极。但是在实际操作中，工艺组装存在电极球头和柱状电极主体的结合力以及球体位置难以控制等问题，而且加工工艺过程比较复杂。此外，虽然它确实可以制备球头电极，但加工效率太低，面对微机电系统技术的快速发展，工艺组装方法将很难满足工业对球头电极的需求。

采用线放电研磨加工方法，利用电火花对工件电极进行逐层磨削，蚀除多余的材料获得所需的球头电极。但加工耗时太长，加工效率太低。同时，由于采用电火花去除材料，会在电极以及球头表面留下放电凹坑，是球头电极精度不高，不能满足对高精度的要求。

采用精车削和精磨削加工，制备球头电极。通过传统的切削加工原理，去除材料，获得所需的球头电极。由于传统加工过程中，存在加工应力，所以在获得的球头电极中也会存在残余应力，不利于电极的使用。同时，要加工高精度电极，需要更高要求的加工设备，成本太高。

电极球头的制作，目前除了以上几种方法外，还有一种新的思路，即利用单脉冲火花放电技术。单脉冲火花放电技术在加工时，注重对一个脉冲的相关参数的控制，利用一次放电的能量来实现单次加工；在放电能量较大的情况下，将产生使材料融化后气化而被蚀除，但当能量控制合适，就可以使材料只发生融化。此处，即是通过控制放电能量，在电极尖端放电，使尖端熔融，之后冷却收缩为球形。台湾的Dong-Yea Sheu等采用线电火花放电磨削和单脉冲火花放电组合工艺技术，先利用线电火花放电磨削制备柱状电极，再利用单脉冲火花放电技术获得球头，成功制备出直径最小可达10μm的微球头电极。但该方法不仅在柱状电极的表面存在放电凹坑、表面再铸层，而且获得的球头表面也会存在波浪状纹路的再铸层，并且再铸层表面还散布着微细裂痕以及气孔等缺陷，严重影响球头电极的精度。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种高回转精度球头柱状电极的在线制备修整装置及方法，该发明基于阳极溶解的加工工艺，加工过程以离子的形式对材料进行蚀除，具有加工精度高、加工过程不存在加工应力和加工后不存在再铸层等独特优势。所以，为解决球头柱状电极的制备以及球头电极基体和球头表面再铸层的消除问题，可先采用电化学加工的方法加工柱状电极，再利用单脉冲火花发电电路对柱状电极进行火花放电，得到球头电极，最后再采用电化学加工手段对获得的电极球头进行修整，即可消除以上缺陷，制备得到高回转精度的球头电极。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种高回转精度球头柱状电极的在线制备修整装置，包括脉冲电源、电解加工机床、控制系统、单脉冲火花放电系统和修整槽，其中，单脉冲火花放电系统设置于电解加工机床上，控制系统控制电解加工机床做x、y和z向运动，使夹持在电解加工机床夹头的工件浸入电解液中一定深度，阴极板设置于电解液中，电解加工机床使工件保持一定转速，脉冲电源以工件为阳极，以阴极板为阴极，施加电流，使工件形成柱状电极；控制系统控制机床作x、y、z向运动，使主轴下的柱状电极尖端对准单脉冲火花放电系统的放电尖端，并保持合适距离；同时，控制放电脉冲的电压、峰值电流和放电时间，接通放电电路，使其对柱状电极尖端放电，让电极尖端熔融后收缩得到电极球头；待电极球头冷却后，控制电解加工机床运动使电极球头位于固定在电解液中的修整槽内，脉冲电源阳极接旋转的球头电极，阴极接修整槽，接通电源，对电极球头进行电化学修整。