微细电极在线制备技术的研究进展*

郭 帅 罗红平 郭钟宁

(广东工业大学机电工程学院，广东广州510006)

微细加工在精密模具、航空航天、精密仪器、生物医疗等众多领域具有广泛的应用。目前发展的许多微细加工方法，如微细电火花加工、微细电化学加工、微细超声加工［1］等，都需要使用微细电极来实现对微结构的加工。比如:用简单形状的微细轴电极对微孔、槽和微小三维型腔的加工［2］、使用阵列微细电极对群孔和复杂型腔的加工等［3］。为保证微细加工的尺度和精度，对所使用工具电极的尺寸、形状、位置精度和表面质量等都有相应的要求。此外，最大限度降低工具电极位置精度对微加工的不利影响也非常关键，因此需要通过在线制备的方法来避免电极因二次装夹而产生的重复定位误差和装夹误差。微细电极能否实现在线制备已经成为实现许多微细加工方法的前提和重要的关键技术之一。

一些传统的精密制造方法虽然能够制造出直径小至几微米的微细电极，如车削［4］、铣削、研磨、LIGA技术［5］等，但它们一般不能实现对工具电极的在线制备，因而难以与后续的微细加工工艺相匹配。因此，本文着重对现有若干种微细电极的在线制备方法及其最新的研究进展进行综述，主要包括反拷块法、WEDG(线电极放电磨削)法、电化学腐蚀法、EEDG(刃口电极电火花磨削)法等几种电加工方法，以期为实际进行微细加工之前有效地制备各类工具电极(包括单个微细电极、微细阵列电极等)提供有益的参考。

1 基于放电原理的制备方法

电火花加工是一种直接利用电能和热能进行加工的特种工艺。在加工过程中，工具和工件并不接触，而是靠工具和工件之间不断的脉冲性火花放电产生局部、瞬时的高温把金属材料逐步蚀除掉［6］。在电火花加工微细电极时，由于工具和工件间的相对面积可为点、线、面，造成加工效率和加工质量也各不相同。

1.1 电火花反拷块法

传统的电火花反拷块法，加工原理是逆电火花加工，如图1所示。将电极毛坯直接安装在电火花机床主轴的夹头上，主轴做上下进给运动的同时做回转运动，以反拷块为工具，直接加工出所需尺寸的电极。此外，进给方式可采取径向进给、轴向进给、切向进给、圆周摇摆进给4种方式，其中切向进给和圆周摇动进给无论在工件尺寸、形状控制方面还是在加工稳定性方面，都比其他两种方式好。径向进给方式时，微细电极的中心和主轴的中心不重合，电极表面和反拷块间的距离周期性时大时小地变化，距离过大时出现断路，过小时出现短路，通常采用欠进给策略进行加工，但这也影响了加工的效率。电火花反拷块最大特点是加工效率高、成本低、装置简单以及便于实现。但是由于反拷块工作面不断被磨损，造成反拷块与工作台平面存在垂直度误差，工件电极的尺寸不容易控制，并且接触面积大，很难做到微能放电，加工精度不高。

广东工业大学进行简单的反拷块加工，加工出φ39.8 μm的电极［7］。哈尔滨工业大学利用反拷块法加工出φ10 μm的微细电极，后来利用银钨合金块加工出φ4.5 μm的微细电极和8 μm的微孔，利用紫铜块加工出5 μm 的微细电极［8－9］。南京航天航空大学采用电火花反拷块法，工件为φ0.5 mm的不锈钢棒，电极块为紫铜，加工出 φ44 μm、长约1.5 mm、长径比34的微细电极［10］。日本 Sodick公司生产的 API/MARKZoP机床，采用反拷块法制作微细电极，能加工φ15 μm 的轴和 φ23 μm 的孔［21］。从加工效果来看，虽然也能加工出直径小至5 μm的微细电极，但是微细电极的表面质量不高，长径比不够大，由于加工效率比较高，所以比较适合粗加工。

1.2 WEDG(线电极放电磨削法)

WEDG原理如图2所示，线电极磨削丝缓慢沿走丝导向器上导向槽滑移，装在主轴头上的工具电极一边随主轴旋转，一边做轴向进给，工具电极的成形是通过线电极丝和被加工工具电极间的放电加工来实现的。WEDG具有如下特点:(1)电极丝和微细电极之间为点放电加工，能够实现微能放电，这是WEDG能够实现微细加工的关键所在，但是也正是由于点放电加工，WEDG的加工效率不高。(2)连续走丝方式补偿电极丝自身的放电损耗，可以忽略电极丝损耗对加工质量的影响。但是当微细电极被磨削到很细时，丝上瑕疵、毛刺会对微细电极造成破坏。(3)由于是在线制作方式，可以保证微细电极的几何轴线与回转轴线始终重合，避免二次装夹造成的偏心和倾斜等误差。

日本东京大学生产技术研究所的增泽隆久等人［11］研制成功的线电极电火花磨削(WEDG)技术，用该技术加工出φ2.5 μm的微细电极，然后以该轴作电极，成功加工出 φ5 μm 的微细孔［12］，代表这一领域的前沿。日本研制的微机床MG－ED82W，可稳定地加工出 φ5 μm 的微细电极，5 μm 的微孔，表面粗糙度0.1 μm［13］。哈尔滨工业大学研制的WEDG机构成功加工出 φ15 μm、长 600 μm，长径比为 40 的细长轴［14］，后来又加工出了 φ10 μm，长径比为 60 的微细电极［15］。清华大学利用WEDG在电压100 V，放电电容1 000 pF，煤油为工作液，加工出 φ38 μm、长为0.6 mm的微小紫铜圆轴和长、宽、高为55 μm×55 μm ×0.4 mm微小方轴［16］。南京航空航天大学研制的WEDG机构，成功加工出φ35 μm、长0.2 mm的微细电极［17］。有人研制的双WEDG方案，称为Hybrid circuit twin－WEDG(HCTW)，如图3a所示，一个大电容粗加工，一个小电容精加工，最后利用碳钨合金加工出φ5 μm，长 400 μm 的微细电极［18］，如图 3b 所示。吉林大学也对线电极放电磨削的工艺进行了研究，很好地加工出 φ80 μm的微细电极和 φ100 μm的微钻头［19］。

台湾云林科技大学通过在主轴上加振动的方式，加工不同规格的电极可以节省10% ～50%的时间［20］。瑞士Charmill公司最新研制的微细电火花加工机床EL－10采用了 WEDG技术，可以加工出 φ10～300 μm 的圆柱形、锥形、半圆形微细电极［21－22］。日本松下电器株式会社生产技术研究所研制开发的超微细电火花加工机床，应用了WEDG专利技术，可以进行最小孔径5 μm和最佳表面粗糙度0.1 μm超微细加工［22］。日本有人用φ4 μm的碳钨合金在20 V电压下利用WEDG技术加工出直径小于1 μm的微细电极，如图4所示。同时也验证了在2 V电压下也能进行电火花放电加工的事实［23］。

韩国国立首尔大学机械与航天工程学院的Chong Nam Chu教授利用WEDG加工出异形电极。材料为碳钨合金，电压100 V，电容400 pF，加工出 φ70 μm，轴颈直径为20 μm的微细电极［24］，如图5所示。

1.3 刃口电极电火花磨削法

刃口电极电火花磨削法(EEDG)原理如图6所示。高速旋转的工件在Z轴的驱动下上下往复运动，并沿垂直刃口电极侧面的方向步进式进给，利用电极的刃口磨削微细电极，工件和工具的相对面积近似为一条线，相比反拷块法接触面积比较小，其加工效率介于面接触的电火花反拷法和点接触的WEDG法之间，如果加工的微细电极没有特殊要求，此方法也是不错的选择。

哈尔滨工业大学先采用块反拷法粗加工，再采用EEDG作为精加工。块电极材料为铜钨合金，刃口电极材料为不锈钢，微细电极材料为银钨合金，正极性加工，煤油工作液，粗加工时开路电压U=60 V，标称电容C=5 000 pF，主轴转速7 000 r/min;精加工时开路电压U=30 V，标称电容C=0 pF，主轴转速3 000 r/min。采用这种方法加工出φ3.5 μm的微细电极，而且微细电极表面非常光滑，表面粗糙度值极小。微细电极的直径为4 μm时，长径比达30以上［25］。

1.4 自钻孔制备微细电极法

日本的Minoru Yamazaki等人［26］提出了通过自钻孔制备微细棒状电极的方法，其原理如图7所示。首先，a、b图中棒状电极作为电火花加工的负极，先在板状工件上加工一个孔后，电极返回到加工前的初始位置;将电极偏离所加工孔的中心一定距离。c、d图中改变棒状电极和工件的极性，进行电火花加工。由于工件的上端口最先放电腐蚀掉，上端口会出现漏斗形放电凹坑，随着加工的进行，放电凹坑向四周扩大，并最终扩展到下端口。这种方法的优点是加工方法简单，电极加工前不需要调整电极的位置，具有很高的加工效率、尺寸精度和形状重复精度。

哈尔滨工业大学利用钨电极在薄板上加工出母孔，然后利用母孔加工出长200 μm，φ20 μm的阵列电极，如图8 所示［27］。

1.5 电火花单脉冲放电加工微细电极

日本的Hideke Takezawa等人［28］发现了使用单脉冲放电形成针状电极的现象。在放电电流为30～50 A，单脉冲放电时间为几百微秒的加工条件下，单脉冲放电能在瞬间把直径100 μm的钨电极加工成直径20～40 μm的针状电极。图9是在直径100 μm钨电极上加工出的直径为35 μm的针状电极，电极尖端直径大约为100 nm。这种方法简单便捷，加工时间短，效率非常高，不过很难控制电极的形状和精度。

2 基于电化学原理的加工方法

2.1 电化学溶液腐蚀法

电化学溶液腐蚀法加工微细电极是利用圆柱形金属材料阳极溶解的原理进行加工的，如图10所示。在腐蚀加工的开始阶段，由于工件下部尖端的电荷高度集中，故尖端电化学溶解的速度比其他部位快，电极形状有趋于“尖锥”的趋势(称之为电极的“尖端效应”);随着反应的进行，电极周围的离子在重力作用下沿着电极下移，在工件周围形成上小下大的包裹状离子层，由于下部受离子层的保护使其溶解速度小于上部的溶解速度，于是就被溶解加工成上小下大的“纺锤”状的趋势(称之为离子层的“包裹效应”)。加工过程中，通过对实验参数进行适当的控制，使电极在溶解过程中趋于“尖锥”状和趋于“纺锤”状的趋势相互抵消，并使其达到一种溶解平衡状态，就可以有效地控制电极形状，得到直径均匀圆柱状微细电极［29－31］。电化学溶液腐蚀法在加工过程中可以通过改变电压、电流密度、电解液浓度、温度和粘度等参数来控制电极形状，而控制电流密度是最容易的。电化学溶液腐蚀法加工微细电极具有加工表面质量好，加工范围广，无尖角、无飞边、毛刺和残余应力，表面粗糙度值小，加工精度、加工效率高等优点。

广东工业大学采用电化学腐蚀法成功制作出φ80 μm、长度3 000 μm 的大长径比均匀螺旋电极［32］。哈尔滨工业大学采用电压为6 V、频率为1 MHz、占空比为0.4的脉冲电流，质量浓度为40 g/L的NaOH水溶液加工出长约3.6 mm，φ35 μm，其长径比达到100的钨丝微细电极。为了获得尖端半径更小的微细探针，降低加工电压，提高电源频率，加工出φ7 μm，尖端半径50 nm的微细探针。图11a是φ4 μm的铜锌微细线电极，图11b是直径为4.5 μm的铜锌微细线电极。此外，还分别在酸性、碱性、中性电解液中成功加工出长径比大于100，锥度小于0.2 μm的微细电极，可以稳定加工出直径小于5 μm的微细电极，并且可以将微细电极的加工精度控制在1 μm之内［33］。

南京航空航天大学采用初始直径为10 μm的钨丝，加工电压为0.01 V，测量电压为0.1 V，电解液为2 Mol/l NaOH溶液，在室温下进行，制备φ5 μm左右的钨丝，如图12所示［34－35］。采用此方法加工出直径为3～30 μm的一系列微细圆柱体，图13a显示了腐蚀时间为20 min后的微圆柱体结构，测得微圆柱体的尺寸长1 180 μm，前端较细端长300 μm，φ6 μm，经显微镜测量，结果显示微圆柱体直径均匀［36－37］。此外，还开展了电化学腐蚀法制备微细群圆柱结构的工艺试验，获得了良好的效果［38］。

韩国国立首尔大学将φ200 μm的碳钨合金利用电化学溶液腐蚀法，加工成直径为 50、30、20、6、4、1 μm 的一系列微细电极［24，39］。图 14 直径 30 μm 的大长径比微细电极。图15a为 φ1 μm长20 μm 的碳钨电极，图15b为φ0.3 μm长5 μm的碳钨电极。

有人利用电化学腐蚀法制备尖端很细的微电极［40］。在电极的腐蚀过程中，由于插入腐蚀液中的电极各个部分的腐蚀速度不同，随着反应的进行，最后插入溶液中的下端会与上端分离而落下，此过程中腐蚀电流会迅速下降，必须要在电流急剧下降时将电源回路切断，阻止上端针尖继续腐蚀，从而得到尖端很细的电极。交流电腐蚀可得到尖端锥形角度较大的针尖，而直流电可得到尖端尺寸更小的电极［41］。

2.2 电化学反拷法

电化学反拷法是基于与电火花反拷块法相类似的原理，将微孔或金属网板作为工具电极，采用电化学加工的方法对块电极进行加工，从而反拷得到微细圆柱电极或微细圆柱状群电极。如果直接使用金属网板进行电化学反拷加工，却只能得到微凸台结构，这是因为受电化学加工特有的杂散腐蚀影响，发生二次加工所致。朱荻等通过采用特制的专用工具，通过电化学反拷法高效、低成本地制造出了理论上深宽比不受限制的金属微细群柱结构。如图16a，采用辅助阳极层、绝缘层和阴极金属层相互叠合的网板结构［42］;如图16b，在金属网群孔的侧壁和网板背面沉积绝缘层，以屏蔽金属网板的群孔侧面、背面与新生成群柱表面的电场，保护新生成的群柱结构不被蚀除［43］。

2.3 刃口电极电化学磨削法

电化学磨削加工是一种在溶液中通电，使离子从一个电极移向另一个电极，从而将材料去除或沉积的方法。在实际中电解加工存在着杂散腐蚀、加工精度较差等缺点。刃口电极采用刃口作为加工区域，由于刃口处的尖端效应，接近刃口处的电场强度远大于其他区域，因此电解加工区域微小，可以有效地克服传统电解杂散腐蚀定域性差的缺点。同时由于工具电极接脉冲电源的阴极，不会发生电化学腐蚀，理论上不会产生电极损耗［44］。

3 结语

基于电火花和电化学加工原理的几种微细电极在线加工方法，在电极形状、表面质量、加工效率、加工性能上有着各自不同的特点与优势，因此在对各种微细电极及微细工具电极加工时可以综合其中的若干，兼顾效率和加工质量，从而加工出理想的微细电极。

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