一種高回轉精度微柱狀電極在線電化學制備裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種高回轉精度微柱狀電極在線電化學制備裝置。
【背景技術】
[0002]隧道掃描電鏡或原子力顯微鏡由于其極高的分辨率，被廣泛應用于表面科學、材料科學和生物科學等領域，并成為納米加工的關鍵技術。然而隧道掃描電鏡或原子力顯微鏡在應用時，需要利用一種極細的微探頭進行掃描，來得到相應的影像。所以微探針的制備，對于隧道掃描電鏡或原子力顯微鏡的使用和發展，具有重要意義。此外，在細胞手術中以及微細電火花或微細電解加工中，由于操作的尺寸和加工的尺寸較小，也必須用直徑極小的微探針和微電極(以下統稱微電極)。微細電解加工中，微電極決定了加工所能達到的尺寸和精度，微柱狀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行三維復雜型腔的銑削加工，因此微柱狀電極的制備尤其重要。
[0003]微電極由于其尺寸較小，一般在微米級，傳統的加工方法很難加工。目前微電極制備主要依靠的是特種加工方法，主要有:精密切削技術、微細研磨技術、電火花線磨削技術以及電化學刻蝕法，但目前這些方法都或多或少有些不足。
[0004]精密切削技術、微細研磨技術是基于傳統的去除材料的原理，進行微電極的加工制備的。由于加工過程中，加工應力的存在，微電極直徑尺寸受限，不易加工出很細小的微電極，而且得到的微電極內部存在加工應力。此外，這些加工方法對加工設備要求較高，設備昂貴，成本尚。
[0005]電火花線磨削技術是一種比較好的加工微電極的方法，它利用電火花放電蝕除材料，達到加工微電極的目的。由于利用火花放電去除材料，可以獲得較小尺寸的微電極，而且加工過程中，工具不與工件直接接觸，所得微電極內不存在加工應力。但由于火花蝕除速度較慢，加工效率太低。
[0006]近年來，國內外很多專家特別關注微細電解加工技術，也有不少專家學者利用電化學刻蝕法加工出微電極。電化學刻蝕法，利用電化學加工中陽極溶解的原理，在原子離子的尺寸上對工件進行加工，可以獲得直徑極微小的電極。而且工具也不與工件直接接觸，所得微電極內不存在加工應力。此外，電化學刻蝕加工過程中，材料蝕除發生在區域內，所以加工效率較電火花線磨削技術高。但是，常規的電化學刻蝕加工中，由于電解液流場以及陰陽極間的電場難以均勻控制，加工所得的電極形狀精度不高，加工過程也不穩定。
[0007]目前，利用電化學刻蝕技術加工微電極，面臨的最大問題就是電場、流場難以控制的問題。解決好這個問題，電化學刻蝕技術無疑是目前加工制備微電極的最理想方法。
[0008]南京航空航天大學的王明環探究過利用電化學刻蝕技術加工微電極。為了控制好加工電場，保證加工過程中電極周圍電場的均勻，她采用了在板狀陰極板中心打一個小孔的思路，較好的保持了電極周圍的電場均勻，加工出了直徑均勻的柱狀微電極。但在實際操作中，由于對中操作難以保證工件陽極置于陰極板小孔正中心，電極周圍的電場并不一定十分均勻，因此得到的微電極的圓柱度并不是非常高。而且在實際加工過程中，得到的加工電極差異較大，加工過程不穩定。
[0009]南京航空航天大學的曾永彬曾仿照線電火花磨削技術形式，利用線狀陰極電解加工工件陽極，通過控制工件周圍的局部電場，實現加工出多種形狀的微電極的想法。這種設計思路的優點，就在于可以加工出多種形狀的微電極。但在實際加工過程中，由于二次電解的存在，得到的微電極的形狀精度不高。
【實用新型內容】
[0010]本實用新型為了解決上述問題，提出了一種高回轉精度微柱狀電極在線電化學制備裝置，該實用新型采用中心帶小孔的金屬板作陰極，陽極工件放置于小孔中心，并使工件不停旋轉的方法，來加工微電極，保證了加工時工件電極周圍的電場、流場均勻，提高了加工電極的回轉精度;再利用霍爾電流傳感器測量直流脈沖電源電流，并利用數據采集卡采集這個電流信號，作為系統反饋控制信號，有利于控制加工過程中的電流隨時間按理論規律變化，保證加工得到的電極為圓柱狀。
[0011 ]為了實現上述目的，本實用新型采用如下技術方案:
[0012]—種高回轉精度微柱狀電極在線電化學制備裝置，包括直流脈沖電源、電解加工機床、控制系統和霍爾電流傳感器，其中，陰極板為帶有小孔的金屬板，設置于電解液槽中，控制系統控制電解加工機床做X、7和2向運動，使夾持在電解加工機床夾頭的工件位于陰極板小孔中心，且浸入電解液中，電解加工機床的電主軸使工件保持旋轉，以工件為陽極，陰極板為陰極，利用直流脈沖電源給工件和陰極板施加電壓，霍爾電流傳感器檢測加工電流，并通過數據采集單元將電流信號傳遞給控制系統，控制系統根據電流信號的大小，動態小幅調整直流脈沖電源的電壓幅值，使加工的電流隨時間按理論規律變化。
[0013]所述電解液槽放置于可升降平臺上。
[0014]優選的，所述電解加工機床為微細電解加工機床。
[0015]所述陰極板為中心位置設有小孔的金屬板。
[0016]所述工件為圓柱狀鎢絲，加工過程中，所述工件置于陰極板的孔中心。該鎢絲提前進行校直。
[0017]所述陰極板放置于電解液容器內，電解液浸沒陰極板上表面。
[0018]所述小孔的直徑為3-6mm。
[0019]所述金屬板為不銹鋼板。
[0020]—種基于上述裝置的制備方法，包括以下步驟:
[0021](1)制作工件，將其安裝在電解加工機床的電主軸夾頭上，陰極板水平安裝在電解液槽內夾具上，向電解液槽中添加電解液，確保電解液剛好浸沒陰極板上表面；
[0022](2)控制電解加工機床x、y和z軸方向的運動，使得工件電極位于陰極板小孔中心，直流脈沖電源正極連接工件，負極連接陰極板，接通電源；
[0023](3)控制電主軸旋轉，并帶動由其夾頭夾持的工件，使工件在電解液中不停地旋轉；
[0024](4)采用霍爾電流傳感器測量直流脈沖電源電流，并采集電流信號，作為控制系統反饋控制信號，動態小幅調整直流脈沖電源輸出電壓幅值，以保證加工電流隨時間按理論規律變化;使加工得到的微電極為均勻圓柱狀。
[0025]所述步驟(1)中，制作工件的方法為:截取鎢絲作為工件，并對其進行校直。
[0026]所述工件在加工過程中，一直處于旋轉狀態，轉速范圍為:(0，1500 ]RPM。
[0027]本實用新型的工作原理為:以帶有中心小孔的金屬板為陰極，工件為陽極，在加工過程中，使工件位于陰極小孔中心，并在機床主軸的帶動下旋轉。在加工時，陰陽極間間隙在各徑向是相等的、對稱的，因此，工件電極周圍的電場和流場均勻對稱，同時工件的旋轉，可以避免因工件對中不準而產生的電場流場不均勻的影響，從整體和動態的角度看，進一步保證了工件電極周圍的電場和流場均勻對稱。由電化學加工理論可知，工件各徑向電場流場均勻對稱，則各徑向蝕除速度相同，有利于加工出高回轉精度的電極。
[0028]其次，利用霍爾電流傳感器測量直流脈沖電源電流，并利用數據采集卡對其進行采集和處理，使其作為系統