本发明涉及一种利用竖直液膜在线制备大长径比微米尺度工具电极方法及装置，属于电化学加工领域。其特征在于：利用液体的表面张力，在金属圆环上形成竖直液膜，将阳极金属丝水平穿过竖直液膜的正中心。利用夹具调整金属圆环使竖直液膜与阳极金属丝相垂直，通过机床运动带动阳极金属丝在竖直液膜内做水平往复运动。直流或脉冲电源的正负极分别与阳极金属丝和金属圆环相连，接通电源可在线制备左右对称的大长径比小锥度微米尺度工具电极。制备完成后拆除液膜及金属圆环，将已制备好的工具电极旋转为竖直状态，即可移动到电解线切割槽内进行电解线切割加工。
1.一种竖直液膜在线制备大长径比微米尺度工具电极方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1、将金属圆环（2）竖直放置，用滴管将电解液滴在金属圆环上，由于液体存在表面张力，电解液悬挂在金属圆环（2）上形成竖直液膜（4），并在重力作用下自然下垂；
步骤2、将阳极金属丝（24）水平穿过竖直液膜（4）的正中心，微调金属圆环（2）使竖直液膜（4）在金属圆环（2）两侧均匀对称分布，并保证竖直液膜（4）与阳极金属丝（24）相互垂直；
步骤3、直流或脉冲电源（1）的正负极分别与阳极金属丝（24）和金属圆环（2）相连，根据电化学加工原理，阳极金属丝（24）表面被逐层蚀除；阴极产出的氢气泡（3）向上运动，阳极加工产物（6）受重力作用向下运动，使加工产物（6）远离阳极金属丝（24）表面，从而消除扩散层的影响，扩大可加工区域；
在加工过程中，阳极金属丝（24）在竖直液膜（4）内做水平往复运动；通过改变阳极金属丝(24)水平往复运动幅值来延长刻蚀加工的长度，实现了大长径比小锥度微米尺度工具电极的制备；
同时，由于竖直液膜（4）在金属圆环（2）左右两侧悬挂状态一致，被加工段阳极金属丝（24）左右两端加工环境相同，保证加工出的微米尺度工具电极左右对称。
2.根据权利要求1所述的竖直液膜在线制备大长径比微米尺度工具电极方法，其特征在于还包括以下步骤：步骤4、制备完成后，拆除竖直液膜（4）和金属圆环（2），通过阳极旋转机构（9），将已制备好的工具电极（5）由水平状态变为竖直状态，即可移动到电解线切割槽（13）中进行电解线切割加工。
3.根据权利要求1所述的竖直液膜在线制备大长径比微米尺度工具电极方法，其特征在于：
上述阳极金属丝（24）的直径为20μm-300μm，金属圆环（2）的直径为3mm-6mm，阳极金属丝（24）的运幅度为100μm-500μm，运动速度为1-100μm/s。
4.实现权利要求1所述的竖直液膜在线制备大长径比微米尺度工具电极方法的装置，其特征在于：
该装置包括阳极旋转机构（9）、阳极固定机构（10）、液膜生成及调整机构（11）；
阳极旋转机构（9）安装于机床轴（7）可随机床轴（7）在X,Y,Z三个方向运动；阳极金属丝（24）安装于阳极固定机构（10）；上述阳极固定机构（10）安装于阳极旋转机构（9）上,可以通过阳极旋转机构（9）实现阳极金属丝（24）水平状态与竖直状态之间的转换；
上述液膜生成及调整机构（11）包括金属圆环（2）、摆杆（28）和摆杆基座（35）；摆杆上端开有金属环安装槽（33）；金属圆环（2）的一端带有金属环连接杆（25），金属环连接杆（25）伸入该金属环安装槽（33）内，通过金属压片（27）紧贴在金属环安装槽（33）内的一个壁面，并通过引电螺钉（26）压紧固定；摆杆（28）通过连接螺钉（32）连接到摆杆基座上（35）；摆杆基座上安装有一对调整螺钉（29），调整螺钉（29）对准摆杆（28）两侧，用于推动摆杆（28）以连接螺钉（32）为轴心微微转动，摆杆基座（35）上还安装有一对用于固定摆杆（28）与摆杆基座（35）相对位置的锁止螺钉（31）；摆杆基座（35）通过螺钉（12）安装到电解槽（15）上。
5.根据权利要求4所述的实现竖直液膜在线制备大长径比微米尺度工具电极方法的装置，其特征在于：
上述阳极旋转机构（9）包括延长杆（8）和旋转杆（16），延长杆（8）安装于机床轴（7）上，旋转杆（16）通过旋转螺钉（17）安装在延长杆（8）上；
上述阳极固定机构（10）包括L型夹具（19）、V型压块（20）和定位铜管（22），L型夹具（19）通过固定螺钉（23）安装在旋转杆（16）上，且L型夹具（19）上开有两个V型槽（21），V型槽（21）上放置定位铜管（22），通过两个V型压块（20）和四个螺钉（18）夹紧定位铜管（22）并使两根定位铜管（22）位于同一条轴线上；定位铜管（22）是中空的，内径与阳极金属丝（24）相配合，用于将阳极金属丝（24）插入定位铜管（22）中。
6.根据权利要求4所述的实现竖直液膜在线制备大长径比微米尺度工具电极方法的装置，其特征在于：
上述液膜生成及调整机构（11）的摆杆基座（35）开有安装槽，该安装槽由一段矩形槽（30）和一段圆弧槽（34）组合而成；
上述摆杆（28）由矩形结构和圆饼结构组成；摆杆（28）的矩形结构正好嵌入摆杆基座（35）的矩形槽（30）内；摆杆（28）的圆饼结构正好嵌入摆杆基座（35）的圆弧槽（34）内；
上述安装于摆杆基座（35）的调整螺钉（29）正好伸入摆杆基座（35）的矩形槽（30）内，并对准摆杆（28）的矩形结构；安装于摆杆基座（35）的锁止螺钉（31）正好伸入摆杆基座（35）的圆弧槽（34）内，并对准摆杆（28）的圆饼结构。
竖直液膜在线制备大长径比微米尺度工具电极方法及装置
技术领域
[0001] 本发明涉及一种竖直液膜在线制备大长径比微米尺度工具电极方法及装置，属于电化学加工技术领域。
背景技术
[0002] 随着各种精密、微细技术和微机电系统MEMS）的发展，微米尺度的大长径比工具电极的制备变得越来越重要。大长径比微米尺度工具电极可广泛应用于微细加工技术、微电子技术、生物医学和航空宇航技术等前沿领域。目前大长径比微米尺度工具电极的主要准备方法有微细机械加工技术、聚焦离子束铣削技术（FIB）、线电极放电磨削技术（WEDG）、约束电化学沉积技术（LECD）、电化学刻蚀技术等。其中机械加工方法存在切削力，加工过程中容易产生挠曲变形，不利于制备微米尺寸工具电极。聚焦离子束铣削技术（FIB）技术虽然是目前微细工具制造中最精密的加工方法，但是其设备昂贵，加工时间长，使其应用收到了限制。线电极放电磨削技术（WEDG）属于热加工技术，存在重铸层和热影响区，且效率较低设备昂贵，也限制了其应用。约束电化学沉积技术（LECD）属于增材制造技术，但金属沉积时会产生内应力、气泡以及松散的沉积结构，无法实现精密制造。电化学刻蚀技术是基于阳极溶解原理去除材料的工艺，材料以离子的形式去除，与被加工材料的强度和硬度无关，加工过程中无机械力，也没有重铸层等缺陷，具有很高的加工精度，且加工成本不是很高，适合于大长径比微米尺度工具电极的制备。
[0003] 此外，在微细电化学加工领域，工具阴极是微细电解加工系统的重要组成部分，随着工具阴极向工件的进给，阳极工件材料发生溶解而被去除。工具电极直接影响着微细电极加工的极限加工尺寸，加工精度和稳定性。制备出长径比大、尺寸小、表面质量好且精度高的工具电极，对微细电解加工的研究发展和应用有很大的实际意义。王玉峰等利用液膜刻蚀辅助阳极往复运动的方法制备出平均直径几百纳米，长径比70的微细工具电极（Y. Wang, N. Qu ,Y. Zeng, X. Wu and D. zhu, The fabrication of high-aspect-ratio cylindrical nano tool using ECM, International Journal of Precision Engineering and Manufacturing, 14, 2179-2186 (2013). ）。但是这种方法制备的电极存在上下端不一致，且下端电极存在较大锥度的问题。实际可用于电解线切割加工的长度只有十几微米，只能加工厚度在几微米左右的工件，限制了其使用范围。
[0004] 目前的液膜刻蚀方法虽然能够制备出亚微米甚至纳米级别的工具电极或探针，但这些方法都是采用线电极竖直放置，液膜横置的方案。随着加工的进行，电极尺寸不断减小，减小到一定程度后，受重力影响自然掉落形成尖端电极。这种加工方法会导致加工产物堆积在电极下端形成扩散层，阻碍电化刻蚀的进行。这种方法制备的电极，由于加工中扩散层的影响，所以存在较大的锥度，长径比较低，只能加工很薄的工件。如果能够制备出一种直径在几微米、长径比在几百左右、可加工较大厚度工件的电极，就可以拓展微细电解线切割技术的应用，并促进微结构制造技术，微电子技术等研究的发展。
发明内容
[0005] 针对目前传统横置液膜方法制备工具电极存在扩散层阻碍加工，且加工出的电极锥度较大，长径比较低，不能加工较大厚度的工件的问题。本发明提出了一种竖直液膜在线制备大长径比微米尺度工具电极方法及装置。
[0006] 一种竖直液膜在线制备大长径比微米尺度工具电极的方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1、将金属圆环竖直放置，用滴管将电解液滴在金属圆环上，由于液体存在表面张力，电解液悬挂在金属圆环上形成竖直液膜，并在重力作用下自然下垂；步骤2、将阳极金属丝水平穿过竖直液膜的正中心，微调金属圆环使竖直液膜在金属圆环两侧均匀对称分布，并保证竖直液膜与阳极金属丝相互垂直，从而保证竖直液膜内的流场分布对称均匀。步骤3、直流或脉冲电源的正负极分别与阳极金属丝和金属圆环相连，根据电化学加工原理，阳极金属丝表面被逐层蚀除；阴极产出的氢气泡向上运动，阳极加工产物受重力作用向下运动，使加工产物远离阳极金属丝表面，从而消除扩散层的影响，扩大可加工区域。在加工过程中，阳极金属丝在在竖直液膜内做水平往复运动；通过改变阳极金属丝水平往复运动幅值来延长刻蚀加工的长度，实现了大长径比小锥度微米尺度工具电极的制备。同时，由于竖直液膜在金属圆环左右两侧悬挂状态一致，被加工段阳极金属丝左右两端加工环境相同，保证加工出的微米尺度工具电极左右对称。
[0007] 上述大长径比微米尺度工具电极制备完成后，拆除竖直液膜和金属圆环，通过阳极旋转机构，将已制备好的工具电极由水平状态变为竖直状态，即可移动到电解线切割槽中进行电解线切割加工，避免了因二次装夹而产生的重复定位误差和装夹误差。
[0008] 上述阳极金属丝的直径为20μm-300μm，金属圆环的直径为3mm-6mm，阳极金属丝的运幅度为100μm-500μm，运动速度为1-100μm/s。阳极金属丝的直径与定位铜管的内径相配合，所以可以加工不同初始直径的阳极金属丝，不受阳极金属丝初始直径的限制。金属圆环合适的直径范围为3mm-6mm，直径过于小会导致可以悬挂的电解液体积过小，不利于加工的效率及稳定性；而直径过大会导致竖直液膜直接破裂无法悬挂。阳极往复运动可以扩大刻蚀加工区域，减小锥度，提高长径比。
[0009] 实现上述竖直液膜在线制备大长径比微米尺度工具电极方法的装置，其特征在于：该装置包括阳极旋转机构、阳极固定机构、液膜生成及调整机构；阳极旋转机构安装于机床轴可随机床轴在X,Y,Z三个方向运动；阳极金属丝安装于阳极固定机构；上述阳极固定机构安装于阳极旋转机构上,可以通过阳极旋转机构实现阳极金属丝水平状态与竖直状态之间的转换，免去了电极制备完成后拆卸再重新装夹的过程，直接旋转电极为竖直状态即可进行电解线切割加工。
[0010] 上述液膜生成及调整机构包括金属圆环、摆杆和摆杆基座；摆杆上端开有金属环安装槽；金属圆环的一端带有金属环连接杆，金属环连接杆伸入该金属环安装槽内，通过金属压片紧贴在金属环安装槽内的一个壁面，并通过引电螺钉压紧固定；摆杆通过连接螺钉连接到摆杆基座上；摆杆基座上安装有一对调整螺钉，调整螺钉对准摆杆两侧，用于推动摆杆以连接螺钉为轴心微微转动，摆杆基座上还安装有一对用于固定摆杆与摆杆基座相对位置的锁止螺钉；摆杆基座通过螺钉安装到电解槽上。加工时，将电源的阴极连接到引电螺钉上。通过金属压片和引电螺钉将金属圆环固定到摆杆上的方式，不仅可以实现稳定的夹紧，保证金属圆环不会意外掉落，而且金属环连接杆与金属压片接触面积大、接触可靠，保证电流更稳定地传递。
[0011] 上述阳极旋转机构包括延长杆和旋转杆，延长杆安装于机床轴上，旋转杆通过旋转螺钉安装在延长杆上。通过旋转杆相对延长杆的旋转，实现工具电极制备完成后由水平状态变为竖直状态的转换。
[0012] 上述阳极固定机构包括L型夹具、V型压块和定位铜管，L型夹具通过固定螺钉安装在旋转杆上，且L型夹具上开有两个V型槽，V型槽上放置定位铜管，通过两个V型压块和四个螺钉夹紧定位铜管并使两根定位铜管位于同一条轴线上；定位铜管是中空的，内径与阳极金属丝相配合，用于将阳极金属丝插入定位铜管中，同时实现定位、夹紧与引电。采用V型结构进行定位，不仅有很高的定位精度，而且可以放置不同直径的定位铜管，从而固定不同初始直径的阳极金属丝。其中L型夹具为金属，加工时阳极连接到固定螺钉上，电流通过L型夹具同时传递给两根定位铜管，再通过两根定位铜管传递给阳极金属丝，保证被加工段阳极金属丝左右两端加工电流一致。
[0013] 上述液膜生成及调整机构的摆杆基座开有安装槽，该安装槽由一段矩形槽和一段圆弧槽组合而成；上述摆杆由矩形结构和圆饼结构组成；摆杆的矩形结构正好嵌入摆杆基座的矩形槽内；摆杆的圆饼结构正好嵌入摆杆基座的圆弧槽内；上述安装于摆杆基座的调整螺钉正好伸入摆杆基座的矩形槽内，并对准摆杆的矩形结构；安装于摆杆基座的锁止螺钉正好伸入摆杆基座的圆弧槽内，并对准摆杆的圆饼结构。
[0014] 液膜生成及调整夹具采用的特殊结构可以实现金属圆环在±3°以内进行方便可靠的调节。由于形成竖直液膜的金属圆环是手工制作的，难免会有微小的偏差。为了保证竖直液膜的左右对称，必须采用调整夹具来保证金属圆环的绝对竖直状态。否则会导致电解液在金属圆环左右两侧悬挂不均匀，从而导致电场和流场的不均匀，继而导致无法制备左右对称的工具电极甚至制备失败。
[0015] 本发明的有益效果在于：
[0016] 本发明改变了传统的液膜刻蚀加工方法中电极丝和液膜的放置姿态，将竖丝横液放置改为竖液横丝放置，从机理上改变了传统液膜加工方法。传统液膜加工方法中，只有不受扩散层影响的区域，即液膜与空气相接处才有最大刻蚀速度，受扩散层影响的区域的刻蚀速度很小，所以加工出的电极的上下端在形貌上是不一致的且存在较大锥度，长径比也很低。而采用竖液横丝放置可以使加工产物在重力作用下远离加工区而堆积不是电极丝上，从根本上消除了扩散层的影响，从而可以制备出大长径比小锥度的工具电极。不仅如此，液膜竖直放置后，液膜相对于电极丝是对称的，左右两端都可以进行刻蚀加工，在延长一倍加工区域的同时，使制备的工具电极的形貌是左右对称的。
[0017] 除了原理上的改进，在夹具上也有变化。传统的横置液膜方法采用的是电极丝上端引电的方案，这样会导致在加工后期，电极丝直径很小时会产生很大的电阻，阻碍电流流向下端电极，使沿直径方向的电流密度分布不均匀，限制了有效的加工范围，加剧了上下端电极形貌不一致的现象。而竖直液膜方法所采用的夹具主体L型夹具是金属的，可以通过两根定位铜管对阳极金属丝的两端同时引电，避免了左右端在电流密度上不一致的问题。从而可以制备出左右均匀对称的工具电极。而且在工具电极制备完成后，可以通过阳极旋转机构将制备好的工具电极旋转为竖直状态，移动到电解线切割槽中即可进行电解线切割加工，省去了电极再装夹的工序，避免了工具电极因二次装夹而产生的重复定位误差和装夹误差，减少了微细工具电极的损坏。
附图说明
[0018] 图1是竖直液膜制备大长径比工具电极方法原理图；
[0019] 图2是竖直液膜在线制备大长径比微米尺度工具电极示意图；其中（a）为整体装置图, （b）为局部放大图；
[0020] 图3是液膜生成及调整机构示意图；
[0021] 图4是阳极旋转机构工具电极制备及电解线切割示意图，其中（a）为电极制备状态示意图，（b）为电解线切割状态示意图；
[0022] 图5是在线制备电极电解线切割示意图；
[0023] 图6是竖直液膜方法制备的工具电极实物图；
[0024] 图中标号名称：1、直流或脉冲电源，2、金属圆环，3、氢气泡，4、竖直液膜，5、已制备好的工具电极，6、加工产物，7、机床轴，8、延长杆，9、阳极旋转机构，10、阳极固定机构，11、液膜生成及调整机构，12、螺钉，13、电解线切割槽，14、切割夹具，15、电解槽，16、旋转杆，17、旋转螺钉，18、螺钉，19、L型夹具，20、V型压块，21、V型槽，22、定位铜管，23、固定螺钉，
24、阳极金属丝，25、金属环连接杆，26、引电螺钉，27、金属压片，28、摆杆，29、调整螺钉，30、矩形槽，31、锁止螺钉，32、连接螺钉，33、金属环安装槽，34、圆弧槽，35、摆杆基座，36、被切材料。
具体实施方式
[0025] 根据图1所示本发明提出一种竖直液膜在线制备大长径比微米尺度工具电极方法，其主要特征在于：将金属圆环2竖直放置，利用液体的表面张力，在金属圆环2上形成竖直液膜4，工具电极5水平放置在液膜中并施加水平往复运动，接通直流或脉冲电源1进行电化学刻蚀。工具电极5的初始直径为20um-300um，金属圆环2的直径为3mm-6mm，阳极金属丝24的运幅度为100um-500um，运动速度为1-100um/s。
[0026] 图2所示为竖直液膜在线制备大长径比微米尺度工具电极整体装置图及放大图。装置整体结构主要包括阳极旋转机构9、阳极固定机构10、液膜生成及调整机构11；阳极旋转机构9包括延长杆8、旋转杆16；其中延长杆8连接到机床7轴上；旋转杆16通过旋转螺钉17与延长杆8连接在一起；阳极固定机构10包括L型夹具19、V型压块20和定位铜管22；其中L型夹具19通过固定螺钉23连接到旋转杆16上，并且L型夹具19上开有两个V型槽21，定位铜管
22放置在V型槽21上，通过两个V型压块20和四个螺钉18夹紧，使两根定位铜管22位于同一条轴线上；定位铜管22是中空的，内径与阳极金属丝24相配合，用于将阳极金属丝24插入定位铜管22中；其中L型夹具体19为金属，可通过两根定位铜管22为阳极金属丝24两端同时引电。加工时必须始终保证竖直液膜4与水平阳极金属丝24的相互垂直关系。
[0027] 图3所示为液膜生成及调整机构示意图。上述液膜生成及调整机构包括金属圆环2、摆杆28和摆杆基座35；摆杆28上端开有金属环安装槽33；金属圆环2的一端带有金属环连接杆25，金属环连接杆25伸入该金属环安装槽33内，通过金属压片27紧贴在金属环安装槽
33内的一个壁面，并通过引电螺钉26压紧固定；摆杆28通过连接螺钉32连接到摆杆基座35上；摆杆基座35上安装有一对调整螺钉29，调整螺钉29对准摆杆28两侧，用于推动摆杆28以连接螺钉32为轴心微微转动，摆杆基座35上还安装有一对用于固定摆杆28与摆杆基座35相对位置的锁止螺钉31；摆杆基座35通过螺钉12安装到电解槽15上。
[0028] 图4所示是阳极旋转机构工具电极制备状态及电解线切割状态示意图。工具电极制备状态时，延长杆8与旋转杆16在一条水平线上，阳极金属丝24为水平状态；工具电极制备完成后，通过旋转螺钉17将旋转杆16逆时针旋转90度，使已制备好的工具电极5转换为竖直状态，进行电解线切割加工。
[0029] 图5所示是在线制备电极电解线切割示意图。将已制备好的工具电极5旋转为竖直状态后，通过机床轴1移动到电解线切割槽13内，将被切材料36装夹在切割夹具14上，进行电解线切割加工。
[0030] 图6是用竖直液膜方法制备的工具电极实物图，可以看到其形貌左右基本对称，中间有很长一段为锥度很小、长径比很大的工具电极。
[0031] 本发明“竖直液膜在线制备大长径比微米尺度工具电极方法及装置”的操作过程为：
[0032] （1）将阳极旋转机构9连接到机床轴7上，再将L型夹19具体安装在阳极旋转机构9上，并将定位铜管22放在V型槽21内，用V型压块20压紧；
[0033] （2）用金属压片27将金属圆环2压紧在摆杆28上，并用滴管将电解液滴在金属圆环2上形成稳定竖直液膜4；
[0034] （3）利用机床轴7运动，使阳极金属丝24通过定位铜管22，穿过竖直液膜4中心；
[0035] （4）将直流/脉冲电源1的正极接在固定螺钉23上，负极接在引电螺钉26上，开启机床轴7带动阳极金属丝24在竖直液膜4内做往复运动；
[0036] （5）一段时间后刻蚀到指定尺寸，关闭直流或脉冲电源1和机床运动，拆除液膜4，将加工好的工具电极5旋转为竖直状态，利用机床运动将工具电极移动到电解槽15另一侧进行电解线切割加工。
