一種線型電極曲面電解放電加工系統及方法
【專利說明】
【技術領域】
[0001]本發明涉及電加工技術領域，具體是指一種線型電極曲面電解放電加工系統及方法。
【【背景技術】】
[0002]隨著微電子技術、納米技術、微納加工技術、激光技術、微化學技術、新材料新工藝等技術的進步，微機械系統(MEMS)技術得到不斷提升和發展。微流控芯片在生物、化學和醫學等領域具有極大潛力。聚合物材料由于具有成本低、性能良好、選擇范圍廣等優點，通過模具易于實現微流控芯片的快速、低成本、大批量生產，正日益成為制作微流控芯片的主要材料(見:劉瑩.基于微流控芯片的微結構制品注塑成型工藝技術研究.大連:大連理工大學，2012)。
[0003]聚合物微流控芯片一般采用熱壓成型法、模塑法、注塑成型法、激光燒蝕法等加工方法成型(見:常宏玲.注塑成型PMMA微流控芯片熱壓鍵合研究[D].大連:大連理工大學，2012)。前三種方法利用模具制造微流控芯片，成本低、周期短、自動化程度高，是目前最常用的微流控芯片成型方法。所以，研究一種高效制備優質的金屬表面大面積微結構模具的方法和工藝是關鍵。
[0004]微流控芯片微通道的特征尺寸一般為:高50?100 μ m、寬30?200 μ m，表面質量和尺寸精度要求嚴格，在金屬模具上表現為凸起的結構，用傳統機械加工很難滿足加工要求(見:宋滿倉，于超，張建磊等.聚合物微流控芯片模具制造關鍵技術研究進展[J].模具工業，2012，(02):1-6)。聚合物微流控芯片模具的制造技術主要有:LIGA技術、UV-LIGA技術、微銑削技術、激光微加工、化學蝕刻、電火花加工技術等技術。其中與本發明最相似的方法是:化學蝕刻技術和電火花加工技術。
[0005]光刻技術(Lithography)采用X射線或紫外線為曝光源，經過曝光顯影等工序，將掩膜板上設計好的圖案轉移至附著在基底材料的光刻膠上，形成凹凸的圖案(見:陳大鵬，葉甜春.現代光刻技術[J].核技術，2004，27 (2):81-86)。首先在基底上涂覆一層抗蝕光刻膠，固化后用曝光技術通過掩膜板在透射區將抗蝕層曝光，曝光的光刻膠發生變質，再通過顯影液清洗后，去除變質的光刻膠(正性膠)或未變質的光刻膠(負性膠)，露出基底材料，形成與掩膜板上相同的圖案。
[0006]電解電火花復合加工技術(ECDM)，選擇合適電導率的工作液，該溶液具有出一定的介電性能，可以產生電火花放電，同時還具有一定的導電性能產生電化學作用(見:尹青峰，王寶瑞，張勇斌等.弱電解質溶液EDM/ECM復合加工機理研究[J].機械設計與制造，2014，(5):85-88)。工具電極接負極，工具接正極，接通電源后首先產生陽極電解作用，產生金屬離子在電場作用下向工具電極運動。在合適電壓下，當工具電極與工件的間隙進給到火花放電的臨界值時，產生電火花放電，放電產生瞬間高溫將工件材料去除，實現工件材料的加工。工具電極也會伴有一定程度的瞬間高溫蝕除，而吸附在工具電極附近的金屬離子得到電子還原反應，沉積在工具電極表面會補償電極損耗。
[0007]化學蝕刻技術(見:ZhangC，Rentsch R，Brinksmeie E.Advances in microultrasonic assisted lapping of microstructures in hard-brittle materials:abrief review and outlook[J].nternat1nal Journal of Machine Tools&Manufacture,2005，(45):881-890)是利用被加工材料在特定腐蝕溶液或氣體中發生化學反應而溶解或腐蝕的原理去除加工區的材料，由于工件表面利用光刻技術制作了一定圖案的防蝕層，蝕刻形成具有相似圖案的凹凸結構或鏤空效果。化學蝕刻包括干法蝕刻和濕法蝕刻兩種，微米級尺寸結構一般較多采用濕法蝕刻技術。濕法化學蝕刻的缺點是:腐蝕液對機床及相關零部件抗腐蝕能力要求比較高，加工過程常常因產生化學霧氣和有毒性氣體而不利于環保，化學蝕刻原理上的側腐蝕現象會導致加工尺寸不易精確控制、微通道側壁垂直性不好和截面形狀難以控制。
[0008]電火花加工技術是利用電極和工件之間高壓脈沖產生火花放電時的電蝕作用去除材料的加工方法，加工微流控芯片模具可以采用微細電火花銑削法和電火花仿形加工法。電火花仿形加工法需要預先制作微流控芯片母模作為工具電極，通過縱向進給加工出所需深度的微流控芯片模具。電火花加工技術加工表面微結構的方法有微細電火花銑削法和電火花仿形加工法，與本發明相近的是電火花仿形加工法，其缺點是:由于工具電極損耗嚴重，會影響成形精度和使用壽命，并且加工存在熱影響區，使工件表面產生變質層，微細結構易產生熱變形。
[0009]上述現有技術均存在通孔部位加工不足、加工深度不均勻的問題，由于采用中間開通孔的圓柱狀電極作為工具陰極，加工中電極不作平動，通孔位置對應的工件表面某一區域電場微弱，這一區域因加工量極少而產生的微結構深度很淺，表現出加工深度不均勻。并且該方法只能加工小面積范圍內的微結構，對于更大面積微結構的加工不適用。因為如果只是增加電極底面積，又會帶來加工電流過大或流場分布不均勻的問題。
[0010]目前電解電火花復合加工技術在掩膜工件加工微結構方面未見報道。米用微小電極進行電解電火花加工，對于大面積微通道凸起結構的加工效率很低。仿形電火花加工技術也可以大面積加工，但需要預先制作互補的模具并且電極損耗嚴重，而該方法只需要制作工件掩膜，具有成本低、周期短和工具損耗率低的優勢。濕法化學蝕刻，也使用了光刻掩膜的手段，但是蝕刻的微結構側壁垂直性很差，不能滿足微通道的垂直性要求。
[0011]另外，現有電解放電加工還存在不利于工作液更新，加工間隙不穩定，加工表面質量差等缺陷。
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【發明內容】
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[0012]本發明的目的在于克服上述現有技術中存在的不足，提供一種可以及時更新工作液，加工間隙穩定，加工質量良好的線型電極曲面電解放電加工系統。
[0013]本發明的第二目的是提供一種線型電極曲面電解放電加工方法。
[0014]本