[发明专利]场致射流微细放电加工方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种微纳特种加工领域的方法，具体是一种利用极微细的间歇性场致射流作为工具电极进行微细放电加工的加工方法。

背景技术

放电加工（Electrical Discharge Machining，EDM）是一种非接触式加工方法，具有不受工件材料强度、硬度等机械性能限制及宏观加工力小等优点，因而能够加工各种性能特殊的导电材料和各种表面形貌复杂的工件，在微细加工领域占有重要的地位。它可以通过控制微小的放电能量来获得最小的加工去除单位，具备纳米尺度加工的潜力。

目前，国内外学者已对纳米放电加工的可能性、工艺及机理等进行了多方面的探索。美国内布拉斯加-林肯大学的K.P.Rajurkar等用钨探针在原子力显微镜（AFM）上分别对置于空气、去离子水和油等不同介质中的金和铜涂层进行了放电加工试验，观察到了一系列现象，如在空气中探针经过工件表面会引起金原子的堆积，而在去离子水和油中则引起材料的去除。此外还研究了AFM扫描力对涂层表面的影响。美国阿肯色大学的A.P.Malshe以STM为加工平台，绝缘油（正葵烷）为工作介质，使用尖端半径为35nm的铂铱合金探针或钨探针作为工具电极，在金试样表面加工出直径约为10nm的小坑。上海交通大学陈寅等以纳米尺度放电加工为对象，采用粒子模拟方法，结合蒙特卡罗碰撞模型和二次电子发射模型，对纳米尺度等离子体放电通道击穿过程的粒子运动、电磁场变化等进行了仿真模拟，探索了纳米尺度下放电加工的机理，并对纳米尺度的加工特征进行理论预测。虽然纳米放电加工的机理还未获得很好的解释，但K.P.Rajurkar和A.P.Malshe均认为这种纳米尺度材料去除的机理应该是以放电加工为主，而没有微机械加工或电化学加工的证据。

放电加工是在一定介质中，利用工具和工件（正、负电极）之间脉冲性火花放电时所产生的局部、瞬时高温的电腐蚀现象将材料蚀除下来，因此放电加工过程中不可避免地存在着工具电极损耗。在微细电火花加工过程中，由于工具电极本身尺寸微小及加工规准微细化，使得电极的损耗变得非常严重，从而对工件最终的尺寸精度和表面质量产生不良影响。因此必须对工具电极的损耗进行有效的补偿，以获得较高的加工精度，但由于很难在线测量微细电极的实际损耗量，故微细电极损耗补偿一直是微细电火花加工的难题之一。目前纳米放电加工一般采用扫面探针显微镜作为实验平台，以具有纳米尺度的探针尖端作为工具，放电过程使电极尖端迅速损耗，这也是制约纳米放电加工走向实用化的一个重要障碍。

电流体动力学（Electrohydrodynamics，EHD）是流体力学的一个分支，它考虑了电场对流体介质的作用；同时，它也可以被看作是在运动电介质中的电动力学。在流体中，介质运动对电场的影响，及电场对运动流体的作用，两者相互作用会出现很多有趣的电流体现象。研究发现毛细管管口的带电液滴在强电场力作用下形成液体锥，即所谓的泰勒锥（Taylor cone，理论锥顶角为98.6°），并在锥顶端产生一股极细的溶液射流。

毛细管管口的带电液滴在高压电场作用下，同时受到表面张力和电场力的作用。电势差不高时，液滴只受到有限静电拉力；随着电场强度增大，溶液中的同性电荷聚集在液滴表面，表面电荷产生的电场引起液滴变形并最终形成泰勒锥；当达到临界电场强度，电场力与表面张力平衡被打破，锥顶端溶液破裂形成一股极细的射流，即为场致射流。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN1694812公开日2005-11-09，公开了一种“静电吸引式流体喷射装置”，该技术将通过施加电压而带电的流体在静电吸引下以液滴的状态从由绝缘材料构成的喷嘴的流体排出孔排出，所述喷嘴的流体排出孔的直径设定在8μm以下。但该技术所用装置需要在喷嘴上制作极为微细的流体排出孔，且装置只能用于排出液滴，而无法产生连续的射流。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种场致射流微细放电加工方法，利用高压电场作用下喷口尖端电解液所形成动态场致射流作为微细的工具电极，实现微米级甚至更小尺度的微细放电蚀除加工。因此，不需要在线制作微细电极，且场致射流在放电过程中崩溃后，会在下一个周期动态生成，这一过程循环往复，不存在常规的微细电火花加工所固有的电极损耗及补偿问题。