[發明專利]納米線或納米管放電加工微納三維結構的方法和系統

有效

• 申請號: 200910069561.6
• 申請日: 2009-07-03
• 公開（公告）號: CN101638217A
• 公開（公告）日: 2010-02-03
• 發明（設計）人: 房豐洲;王慶祎;徐宗偉;胡小唐
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: B82B3/00
• 分類號: B82B3/00;B81C1/00;B81C5/00
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所
• 代理人: 程毓英

技術領域

本發明屬于微納制造技術領域，涉及一種放電加工微納三維結構的方法和系統。

背景技術

放電加工作為特種加工技術之一在工業中有著廣泛的應用。隨著產品微細化，微納 三維結構的加工技術及方法的研究已經成為制造領域的主要課題之一。按加工原理的不 同，微納三維結構的加工分為兩大類：傳統機械加工和特種加工。傳統機械加工中由于 存在宏觀的切削力，加工過程中存在應力、發熱等現象，在微、納米級加工中，不易控 制材料的加工精度。由于存在著表面應力，加工后零件的表面完整性受到影響。同時， 傳統機械加工易受材料硬度及加工零件類型的限制。特種加工不存在宏觀的切削力，廣 泛用于難切削材料、硬脆材料和復雜型面的加工中。在特種加工中，電化學加工精度較 低，加工復雜型腔和型面時，工具的制造費用高，且電解液對設備有一定的腐蝕作用， 電解時產生的氣體對環境有一定的污染；激光加工的形狀精度和表面粗糙度差；電子束 和離子束加工需要真空環境，實際應用中具有局限性；放電加工因加工過程無接觸應力， 能實現低硬度工具加工高硬度工件，同時通過控制電極尺寸就可實現相應尺度的微納三 維結構加工。

傳統放電加工異形曲面時要使用與所需型面相應的異形電極，需要同等精度的用于 精加工的成型電極和用于粗加工的異形電極，使得放電加工的成本增加。使用分層掃描 的加工方法，只需要柱狀電極就可完成所需型面的加工。與放電傳統成形加工相比，分 層掃描加工方法還具有一下優勢：可加工傳統成型加工有困難、甚至無法加工的工件； 采用簡單電極加工，簡化了工藝；采用簡單電極加工，電極和工件之間的間隙大，排屑 容易；使用簡單電極，可以在保持相對加工面積較小的情況下進行加工，從而有效的減 小電容效應，獲得更低的表面粗糙度。在放電掃描加工過程中，通過合理設計加工路徑 和分層厚度可以使用同一根電極進行初加工和精加工。一些文獻([1]宋馨來.微細電火 花加工中的CAD/CAM技術研究[D].南京航空航天大學.[2]楊樣，王振龍，趙萬生.微細電 火花銑削CAD/CAM方法研究[J].機械工程學報.)給出了電火花掃描加工中電極路徑的設 計和電極損耗補償的方法。

上述方法中，電火花加工用電極直徑限制了微納三維結構的加工尺寸。電極的微細 化能夠增強電火花加工微納三維結構的能力，拓寬電火花加工的應用范圍。同時，由于 被加工結構的尺寸太小，利用外部沖液的方式，很難進行排屑，使得放電加工過程中排 屑問題顯得更加突出，從而制約了微細結構尺寸的進一步縮小。

如果利用某些具有良好的導電性能和導熱性能的納米線、納米管，作為電火花加工 用電極材料，那么就可以解決微納級放電加工的電極制備困難的問題。例如，目前碳納 米管的加工技術已十分完善，現有技術能制備直徑幾個納米到一百納米的納米管，碳納 米管束的直徑也可達到幾微米，非常適合用于微納放電加工。

發明內容

本發明的目的在于，克服現有技術的不足，針對如黃銅、紫銅、鋁、鋼、硬質合金 等導電材料，提出一種納米放電加工微米、納米級微納三維結構的方法。

為實現上述目的，本發明采取的技術方案如下：

一種納米線或納米管放電加工微納三維結構的方法，用于在導電材料上加工微納三 維結構，包括下列步驟：

(1)采用鉑沉積法，利用聚焦離子束加工技術將導電性的納米線或納米管粘接到鎢針 尖上，并將鎢針尖固定在電極夾持裝置上；

(2)將電極夾持裝置置于具有納米級分辨率的電極進給位移臺上；

(3)將導電材料工件置于X/Y精密位移臺上；

(4)將脈沖電源的負極接到鎢針尖上，其正極接到工件上；

利用多軸運動控制器控制放置有電極夾持裝置的位移臺，由脈沖電源提供放電加工 的工作電壓，并由放電間隙電壓采集裝置采集放電間隙電壓，采集到的數據被送入工控 機內，由工控機根據間隙電壓判斷當前放電加工的狀態，并通過多軸運動控制器控制電 極進給位移臺的移動，從而實現穩定的納米放電加工微納三維結構過程；并工控機通過 多軸運動控制器控制X/Y精密位移臺的移動，實現對工件位置的調整和加工軌跡的控制。