CN109648165A - 一种铜微细电解射流加工的电解液及其配制和使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铜微细电解射流加工的电解液及其配制和使用方法，所述的电解液包括以下体积百分比的组分：磷酸80％‑90％；乙醇6％‑12％；乳酸4％‑8％。本发明中提出的电解液中，磷酸能够稳定去除铜金属表面，同时可以有效缓解铜金属表面的钝化膜的生长，并在狭小的电极间隙中溶解加工产生的氢氧化物，保证加工区域稳定且高效的电导率，同时避免了生成物对加工表面粗糙度有恶化影响。本发明中提出的电解液能够进一步降低电解加工表面的粗糙度，同时使得加工性能更加稳定，加工微结构的尺寸精度更高。本发明提出的方法能够使得电解液保持良好的活性，同时保证加工性能的稳定性，从而使得加工微结构尺寸精度进一步提高。

Description

一种铜微细电解射流加工的电解液及其配制和使用方法
技术领域
本发明属于电化学加工领域，特别涉及一种铜微细电解射流加工的电解液及其配制和使用方法。
背景技术
金属铜材料具有良好的导电性和导热性，因而被广泛应用于航空航天、电子工业、军工产品、仪表仪器等领域的微细结构器件产品中。这些微细结构器件的尺寸精度要求已从微米量级、亚微米量级发展到纳米量级。由于微细结构的表面质量和结构精度会直接影响器件的性能，因此发展高精度高表面质量的微细结构加工技术具有十分重要的意义。目前的微细精密加工方法大致分为传统机械微细加工和微细特种加工。传统的机械加工不可避免地会出现晶格结构变化、力变形、热变形和毛刺飞边等问题。微细特种加工，如电火花加工、超声振动加工、高能束流加工等等，虽然能够实现高效的微结构加工，但由于材料以高温熔融、研磨或冲击的方式去除，表面粗糙度普遍在亚微米量级，表层材料的力学特性和本体材料也有很大差异，不能满足对表面粗糙度和材料性能有较高要求零件的加工需求。
目前国内外对铜金属的电化学性能已经开始了初步探究，电解加工以电化学阳极溶解的方式去除材料，无接触应力，不会出现再凝固层、热影响区或应***化现象，并且可以解决铜金属加工过程表面粗糙度恶化的难题，具有重要意义。电解射流加工是传统电解加工的重要变体，电化学射流加工能有效地利用多维机械运动来制造复杂的结构。其基本加工原理是在阴极(喷嘴)和阳极(工件)上施加电压的同时，从喷嘴向工件喷射电解质射流束。射流加工正是通过具有一定电流密度分布规律的射流束来实现材料去除的。由于其灵活性和方便性等优势，更是被广泛研究与应用。
电解加工以电化学阳极溶解的方式去除材料，无接触应力，不会出现再凝固层、热影响区或应***化现象，并且可以解决铜金属加工过程表面粗糙度恶化的难题。文献研究表明，铜材料的电解射流加工常用的电解液一般为中性电解液，如一定浓度的NaCl、NaNO3溶液，其具有加工效率较高、溶液制备简便、材料成本较低等优点。但是铜在这些中性电解液中进行电化学射流加工时，加工产物繁多且粘附力较强，加工表面粗糙度较差，加工***易发生局部短路，加工稳定性较差，使得加工得到的孔槽尺寸误差较大。因此，探寻一种能够使得加工表面粗糙度以及加工***稳定性进一步提高的电化学射流加工电解液对高精密电化学射流加工研究具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种获得能够使得加工表面粗糙度以及加工稳定性进一步优化的铜微细电解射流加工的电解液及其配制和使用方法。
一种铜微细电解射流加工的电解液，包括以下体积百分比的组分：磷酸80％-90％；乙醇6％-12％；乳酸4％-8％；还包括以下添加剂：苯并三氮唑5-7g/L，乙酸铵2-4g/L；所述的添加剂的用量按磷酸、乙醇和乳酸混合后的总体积添加。
进一步地，所述的组分和添加剂的纯度要求如下：磷酸的质量含量为85％，分析纯；乙醇的质量含量为99.7％，分析纯；乳酸的质量含量为85％-90％，分析纯；苯并三氮唑的质量含量为99％，分析纯；乙酸铵的质量含量为98％，分析纯。
一种铜微细电解射流加工的电解液的配制方法，包括以下步骤：
A、按体积组分要求将磷酸、乙醇和乳酸加入到混合容器中；
B、按磷酸、乙醇和乳酸的总体积计算添加剂的用量，并将添加剂加入到混合容器中；
C、温度控制在30-35℃范围内，采用边超声振动边搅拌的方式将上述组分和添加剂均匀混合后备用。
一种铜微细电解射流加工的电解液的使用方法，包括以下步骤：
A、使用调平装置(7)进行平台初始调平，使用微力传感器(4)进行初始加工间隙的准确设定，间隙控制在400-600μm范围内；
B、喷头(1)选用内径φ1、外径φ3的镍金属圆管；
C、加工过程中电解液在液压循环***(2)的作用下进入喷头(1)，电解液在高频脉冲电源(5)作用下负极化后从喷头(1)射向待加工工件(6)表面，射流速度为50mL/min，脉冲频率10kHz，占空比50％，电压控制在4-5V之间；
D、控制***控制XY双向进给工作台(8)和Z向进给工作台(3)在XYZ三个方向的联动，从而实现待加工工件(6)表面的微结构的加工。
进一步地，所述的微结构包括微坑、微孔和微长槽。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明中提出的电解液中，磷酸能够稳定去除铜金属表面，同时可以有效缓解铜金属表面的钝化膜的生长，并在狭小的电极间隙中溶解加工产生的氢氧化物，保证加工区域稳定且高效的电导率，同时避免了生成物对加工表面粗糙度有恶化影响。乙醇作为良好的有机溶剂，可以增加电解液的流动性，同时促进生成气泡的快速排出，减小气蚀现象对加工表面粗糙度以及加工结构尺寸精度的恶化影响；乳酸为酸碱缓冲剂和稳定剂，维持电解液体系的稳定性；苯并三氮唑(BTA)和乙酸铵为缓蚀剂，减缓电解加工速度，使得加工表面的粗糙度进一步降低。综上，本发明中提出的电解液能够进一步降低电解加工表面的粗糙度，同时使得加工***更加稳定，加工微结构的尺寸精度更高。
2、本发明提出了一种适用于本发明中电解液的加工工艺方法，阴极选用镍材料，由于金属镍具有良好的导电性能，可以进一步提高加工区域的电流密度，提高加工效率，保证加工性能的稳定性。选取尺寸φ1外径φ3的镍圆管，电极间距控制在400-600μm范围内，同时使用高频脉冲电源，脉冲频率10kHz，占空比50％，能够降低加工过程中阴极喷头下方的散蚀影响，从而提高加工结构的尺寸精度，降低表面粗糙度。电压控制在4-5V之间，使得加工区域电流密度达到最佳去除状态，从而使得加工表面粗糙度进一步降低。电解液温度控制在30-35℃范围内，射流速度为50mL/min，使得电解液保持良好的活性，同时保证加工性能的稳定性，从而使得加工微结构尺寸精度稳定性进一步提高。
附图说明
图1是本发明的铜微细电解射流加工装置的结构示意图。
图中：1、喷头，2、液压循环***，3、Z向进给工作台，4、微力传感器，5、高频脉冲电源，6、待加工工件，7、调平装置，8、XY双向进给工作台。
具体实施方式
结合实施例对本发明技术方案及其有益效果作进一步说明。
如图1所示，本发明铜微细电解射流加工装置包括喷头1、液压循环***2、Z向进给工作台3、微力传感器4、高频脉冲电源5、调平装置7和XY双向进给工作台8。所述的调平装置7安装在XY双向进给工作台8上，所述的调平装置7上安装待加工工件6，所述的喷头1通过微力传感器4安装在Z向进给工作台3的下方并位于待加工工件6的上方，所述的高频脉冲电源5分别通过导线连接喷头1和待加工工件6；所述的液压循环***2包括电解液槽和电解液收集槽，所述的电解液槽通过输液管路与喷头1连接，所述的电解液收集槽通过回收管路与电解液槽连接。
本发明的实施例中使用的加工材料为T2紫铜，选用内径φ1外径φ3的镍金属圆管作为喷头1。
实施例1：单个微坑加工
组分含量：磷酸90％vol，乙醇6％vol，乳酸4％vol，添加剂：苯并三氮唑5g/L，乙酸铵2g/L，均匀搅拌后作为电解液使用。高频脉冲电源5的脉冲频率10kHz，占空比50％，加工电压4V。电解液温度控制在35℃，射流速度为50mL/min，电极间隙450μm，加工时间30s，加工初始表面平整。使用美国Zygo公司的NV5000 5022S 3D表面轮廓仪对加工所得微坑进行表面形貌测量，孔深3μm，表面粗糙度Ra为15.26nm。
实施例2：2×2微坑阵列加工
组分含量：磷酸85％vol，乙醇9％vol，乳酸6％vol，添加剂：苯并三氮唑6g/L，乙酸铵3g/L，均匀搅拌后作为电解液使用。高频脉冲电源5的脉冲频率10kHz，占空比50％，加工电压4.5V。电解液温度控制在35℃，射流速度为50mL/min，加工时间30s，加工初始表面平整。使用美国CorningTropel公司的FlatMaster200平面度仪对加工所得微坑阵列进行表面形貌测量，微坑平均深度为3.5μm，深度偏差为±0.1μm，表面粗糙度Ra为6.81nm。
实施例3：微长槽加工
组分含量：磷酸80％vol，乙醇12％vol，乳酸8％vol，添加剂：苯并三氮唑7g/L，乙酸铵4g/L，均匀搅拌后作为电解液使用。高频脉冲电源5的脉冲频率10kHz，占空比50％，加工电压5V。电解液温度控制在35℃，射流速度为50mL/min，喷头1移动速度50μm/s，移动距离5000μm，加工时间100s，加工初始表面平整。对加工所得微长槽表面形貌测量，长槽平均深度7μm，深度偏差为±0.2μm，表面粗糙度Ra为9.64nm。
本发明不局限于本实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种铜微细电解射流加工的电解液，其特征在于：包括以下体积百分比的组分：磷酸80％-90％；乙醇6％-12％；乳酸4％-8％；还包括以下添加剂：苯并三氮唑5-7g/L，乙酸铵2-4g/L；所述的添加剂的用量按磷酸、乙醇和乳酸混合后的总体积添加。
2.根据权利要求1所述的一种铜微细电解射流加工的电解液，其特征在于：所述的组分和添加剂的纯度要求如下：磷酸的质量含量为85％，分析纯；乙醇的质量含量为99.7％，分析纯；乳酸的质量含量为85％-90％，分析纯；苯并三氮唑的质量含量为99％，分析纯；乙酸铵的质量含量为98％，分析纯。
3.一种如权利要求1所述的铜微细电解射流加工的电解液的配制方法，其特征在于：包括以下步骤：
A、按体积组分要求将磷酸、乙醇和乳酸加入到混合容器中；
B、按磷酸、乙醇和乳酸的总体积计算添加剂的用量，并将添加剂加入到混合容器中；
C、温度控制在30-35℃范围内，采用边超声振动边搅拌的方式将上述组分和添加剂均匀混合后备用。
4.一种如权利要求1所述的铜微细电解射流加工的电解液的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：
A、使用调平装置(7)进行平台初始调平，使用微力传感器(4)进行初始加工间隙的准确设定，间隙控制在400-600μm范围内；
B、喷头(1)选用内径φ1、外径φ3的镍金属圆管；
C、加工过程中电解液在液压循环***(2)的作用下进入喷头(1)，电解液在高频脉冲电源(5)作用下负极化后从喷头(1)射向待加工工件(6)表面，射流速度为50mL/min，脉冲频率10kHz，占空比50％，电压控制在4-5V之间；
D、控制***控制XY双向进给工作台(8)和Z向进给工作台(3)在XYZ三个方向的联动，从而实现待加工工件(6)表面的微结构的加工。
5.根据权利要求4所述的铜微细电解射流加工的电解液的使用方法，其特征在于：所述的微结构包括微坑、微孔和微长槽。
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