微細(xì)電極在線制備專利技術(shù)的現(xiàn)狀和趨勢分析

郭 帥

（國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作廣東中心，廣東廣州 510000）

0 前言

隨著微細(xì)加工技術(shù)的發(fā)展，在航空、醫(yī)療機(jī)械、傳感器等各個方面對微細(xì)精密零部件的需求越來越大，而這些精密零部件的實(shí)現(xiàn)離不開微細(xì)加工，更離不開微細(xì)工具電極，由于微細(xì)加工對精度的要求，要最大限度降低微細(xì)工具電極位置精度對微細(xì)加工的不利影響，也就要求微細(xì)工具電極能夠?qū)崿F(xiàn)在線制備；而微細(xì)電極能否實(shí)現(xiàn)在線制備已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)許多微細(xì)加工方法的前提和重要的關(guān)鍵技術(shù)之一[1]。

本文通過中國國家知識產(chǎn)權(quán)局專利檢索系統(tǒng)（簡稱S系統(tǒng)），在中國專利文摘數(shù)據(jù)庫（CNABS）、VEN數(shù)據(jù)庫、TWABS數(shù)據(jù)庫中對微細(xì)電極在線制備技術(shù)進(jìn)行了檢索，主要檢索了2014年12月30日前公開的專利申請，根據(jù)檢索到的專利文獻(xiàn)，對微細(xì)電極在線制備技術(shù)進(jìn)行了歸類分析。

1 微細(xì)電極在線加工技術(shù)的專利概述

根據(jù)檢索到微細(xì)電極在線加工技術(shù)的專利，將微細(xì)電極加工技術(shù)主要分三大類：一類是基于放電原理的加工方法；一類是基于電化學(xué)原理的加工方法；一類是復(fù)合加工方法。

1.1 基于放電原理的微細(xì)電極在線制備技術(shù)專利概述

電火花加工是一種直接利用電能和熱能進(jìn)行加工的特種工藝。在加工過程中，工具和工件之間不接觸，而是靠工具和工件之間不間斷的脈沖性火花放電產(chǎn)生局部、瞬時的高溫把金屬材料逐步蝕除掉[2]，根據(jù)工件和工具間接觸面積的大小，分為電火花反拷塊法和線電極放電磨削法等。

電火花反拷塊法，工件和工具間為間接的面接觸，間接的接觸面積大，加工效率高，但是加工精度難以保證。

談淵智等[3]通過電極絲靠近反拷模塊，反拷塊作為放電加工的負(fù)極端，電極絲作為放電加工的正極端，反拷塊與主軸對應(yīng)配合，能夠加工出需要精度的電極絲。談淵智等[4]通過攝像檢測模塊可用于對微細(xì)電極加工狀態(tài)的檢測；談淵智[5]還發(fā)明了可用于對微細(xì)電極加工的反拷塊加工的工作液槽。王玉魁等[6]對電極毛坯的塊電極電火花在線磨削加工；然后工具電極側(cè)壁的微弧氧化在線絕緣設(shè)備在工具電極毛坯的外表面氧化一層絕緣陶瓷膜，實(shí)現(xiàn)微弧氧化的側(cè)壁絕緣微細(xì)電極的在線制備。郭鐘寧等[7]在多功能微機(jī)床上附加了電火花反拷塊模塊，對于微細(xì)加工的工具微細(xì)電極能夠通過電火花反拷模塊進(jìn)行加工或修整，大大的提高了整個裝備的加工精度和性能。莊殷等[8]首先用傳統(tǒng)的加工方法加工出群電極，然后將電極通過模板上的空洞，通過電火花反拷，加工出不同形狀的電極，電極的形狀不局限圓柱形，可以為三角柱、錐形等三維形狀。許朝陽等[9]包括反極性電極修整系統(tǒng)，其包括電流方向切換機(jī)制，能夠令原本有電極朝工件流動之電流流向，轉(zhuǎn)換為由工件朝電極流動之相反電流流向，先在塊上鉆孔，然后轉(zhuǎn)換電極的極性，通過鉆好的孔來修整電極。李丹等[10]根據(jù)外螺旋結(jié)構(gòu)的外輪廓參數(shù)加工工具電極；用工具電極在板材上加工出板狀材料螺旋孔電極；采用電火花成型方式根據(jù)板狀材料螺旋孔電極反拷出電極的外螺旋結(jié)構(gòu)。靳世海等[11]電極通過粗加工、半精加工、精加工三次反拷加工的方式，加工成形工具電極。

線電極放電磨削法，簡稱WEDG（wire elec?tro-discharge grinding），工件和工具間為間接的點(diǎn)接觸，間接的接觸面積最小，加工精度高，但是加工效率低。

于云霞[12]以陶瓷V型軸承為支撐通過直流電機(jī)帶動主軸及工具電極做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，工具電極反拷系統(tǒng)沿垂直與主軸軸線方向進(jìn)給，加工出工具電極，工具電極反拷系統(tǒng)為WEDG電極放電磨削法。郭鐘寧等[7]在多功能微機(jī)床上增加了WEDG線電極放電磨削模塊，對于工具微細(xì)電極能夠通過線電極放電磨削模塊進(jìn)行加工或修整。松下電子工業(yè)有限公司[13]微細(xì)電極通過作為工具的導(dǎo)向電極來去除，微細(xì)電極通過軸承的支撐邊旋轉(zhuǎn)邊上下移動，導(dǎo)向電極繞自己的軸靠近微細(xì)電極移動，加工微細(xì)電極。東陶機(jī)器株式會社[14]通過微細(xì)工具制備裝置通過線電極放電磨削能夠用來加工微細(xì)電極，通過一個夾具張緊一根電極絲，通過電極絲靠近要加工的微細(xì)電極，將微細(xì)電極加工出理想的尺寸。財團(tuán)法人工業(yè)技術(shù)研究院[15]通過線電極放電磨削加工探針，然后利用探針在電路板上通過電化學(xué)方法加工微孔。財團(tuán)法人工業(yè)技術(shù)研究院[16]通過導(dǎo)引裝置，其中導(dǎo)引裝置包括有一導(dǎo)引座，導(dǎo)引座上設(shè)有一導(dǎo)引件，導(dǎo)引件包括有一加工表面，加工表面上設(shè)有復(fù)數(shù)個線槽，一模輪單元包括有位于導(dǎo)引座兩側(cè)復(fù)數(shù)個模輪，模輪上設(shè)有復(fù)數(shù)個輪溝槽，其中導(dǎo)引件的復(fù)數(shù)個線槽至少包括有一個以上的線槽繞設(shè)有導(dǎo)線，用以對待加工件進(jìn)行微細(xì)放電加工。財團(tuán)法人工業(yè)技術(shù)研究院[17]主要對導(dǎo)線槽進(jìn)行改造，導(dǎo)線可以先經(jīng)有供電元件之底端，再由導(dǎo)線支撐座上所設(shè)導(dǎo)槽之一端進(jìn)入后由另一端穿出，再經(jīng)由另一供電元件之底端送出，利用供電元件所提供之壓制力配合導(dǎo)槽之設(shè)計，令導(dǎo)線可以穩(wěn)定的在該導(dǎo)線支撐座上所設(shè)置之導(dǎo)槽內(nèi)滑移。財團(tuán)法人工業(yè)技術(shù)研究院[18]進(jìn)行Z軸與X軸尋邊零動作后，逐次進(jìn)行多道程式放電加工程序，各電極間會產(chǎn)生高熱之電弧放電而熔融，再對該加工電極進(jìn)行線上總體直徑兩側(cè)，配合一放電加工程序，使該加工電極達(dá)到目標(biāo)設(shè)置范圍內(nèi)。瑞山精密有限公司（韓國）[19]通過調(diào)整對電路的控制來驅(qū)動主軸和線電極放電磨削模塊，精密的加工微細(xì)電極。日本三豐株式會社[20]在線電極放電磨削中，通過線電極與帶磨削的電極的接觸位置定義為坐標(biāo)y1，相反的一面定義為坐標(biāo)y2，通過相對坐標(biāo)來決定初始位置。首爾國立大學(xué)工業(yè)基金會[21]通過R-D單元和R-F單元對微電極加工裝置中張力的控制，在R-D單元和R-F單元之間有個空隙，二者之間有個懸臂，其能夠遮擋二者之間的光線，張力發(fā)生變化時，懸臂的移動改變了二者間的光線，根據(jù)二者之間光線的變化來調(diào)整線電極放電磨削中的張力。徐杰等[22]基于線電極放電磨削的微成型模具原位制造裝置，解決在微型模具加工過程中塊電極重復(fù)使用，微小放電間隙難以精確控制。原位制造裝置中的線電極及進(jìn)給傳動系統(tǒng)包括線電極、線電極導(dǎo)向板、主動外導(dǎo)論、從動外導(dǎo)論和兩組內(nèi)導(dǎo)論，可以實(shí)現(xiàn)多種形狀微型沖頭和凹模的高質(zhì)量原位加工。白基成[23]使用線電極放電磨削微細(xì)電極，實(shí)現(xiàn)運(yùn)絲平穩(wěn)，放電輪處電極絲跳動量很小，且運(yùn)行速度很低的微細(xì)電火花在線制作電極裝置，送絲模塊采用步進(jìn)電機(jī)主動供絲設(shè)計，均速的提供銅絲，采用皮帶磁制動壓輪的方式為銅絲提供恒定的張力。裴景玉等[24]使用線電極磨削裝置，該裝置具有壓簧結(jié)構(gòu)，能實(shí)現(xiàn)預(yù)先設(shè)定放絲所需的牽引力，浮動輪能夠保證電極絲的張力自適應(yīng)的保持預(yù)設(shè)值；保證平穩(wěn)走絲，實(shí)現(xiàn)較好的加工精度。林伯型[25]采用線放電研磨系統(tǒng)，具有一導(dǎo)電輪，用以支撐一移動的研磨線極，使其與一放電加工機(jī)之微電極接近，上述導(dǎo)電輪其系在以導(dǎo)電軸上依軸芯相對固定一上導(dǎo)輪及一下導(dǎo)輪，該上導(dǎo)輪及下導(dǎo)輪各以其相對面之圓周上所預(yù)設(shè)的斜面相交構(gòu)成一內(nèi)角夾角角度至少為90°的溝槽，該溝槽用于接收該研磨線極。張鴻海等[26]用一種臥式微電火花機(jī)床及應(yīng)用該機(jī)床進(jìn)行在線加工的方法，通過二維工作臺驅(qū)動線電火花磨削機(jī)構(gòu)運(yùn)動完成微電極的在線制作，實(shí)現(xiàn)微米級電極高效率高精度制作。張勇斌等[27]使用一種小型化雙功能線電極磨削裝置，電極絲由出絲輪導(dǎo)出后，經(jīng)過中間的過渡裝置，最后由收絲輪收絲完成整個過程，實(shí)現(xiàn)裝置的小型化與輕便化，提供工作臺的動態(tài)特性，既能滿足陣列式微細(xì)電極的加工需求，又能滿足非陣列微細(xì)電極的加工需求，顯著拓展了微細(xì)電加工系統(tǒng)的功能。

由此可見，從申請人來看，除了廣東工業(yè)大學(xué)、華中科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等高校外，例如臺灣、日本、中國、韓國等地企業(yè)也進(jìn)入了相關(guān)研究，隨著精密加工技術(shù)的成熟，在市場上與此相關(guān)的產(chǎn)品競爭也會日趨激烈。從專利的公布時間來看，國外的企業(yè)和研究單位起步早，掌握了部分原始專利，但是國內(nèi)有關(guān)單位在后期作出了大量的創(chuàng)新，也形成了有力的競爭。

1.2 基于電化學(xué)原理的微細(xì)電極在線制備技術(shù)專利概述

基于電化學(xué)原理加工微細(xì)工作電極，主要作為陽極的微細(xì)電極在溶液中不斷的溶解來滿足加工的尺寸。由于微細(xì)電極在溶液中是離子級的去除，電極的表面加工質(zhì)量好、無飛邊、毛刺、殘余應(yīng)力。根據(jù)輔助陰極的不同，將電化學(xué)原理的在線制備技術(shù)分為電化學(xué)腐蝕法、電化學(xué)反拷法和刃口電極電化學(xué)磨削法等。

電化學(xué)腐蝕法是最常見的一種依據(jù)電化學(xué)原理加工微細(xì)電極的方法，將通電的微細(xì)電極放在溶液中不斷的蝕除，形成一定尺寸的電極。

曾永彬等[28]將微尺度線電極固定在電解液槽中，并通過微張力裝置張緊，將工具電極連接到數(shù)控旋轉(zhuǎn)主軸上，使電解液充滿電解液槽，微尺度線和工具電極浸沒在電解液中，二者之間保持一個加工間隙，接通脈寬電源，腐蝕工具電極成型，尺寸控制是通過電流傳感器通采集加工回路中的電流，利用加工電流與鎢絲電阻的對應(yīng)關(guān)系反映腐蝕過程中鎢絲尺寸的變化，從而精確控制微細(xì)工具電極的尺寸。朱荻等[29]先用電化學(xué)腐蝕法在線制備鎢電極，用電壓法將碳納米管焊接于鎢電極上，該方法增加了鎢電極與碳納米管的粘結(jié)強(qiáng)度，及整個碳納米管工具電極的電導(dǎo)率。朱荻等[30]在凹槽內(nèi)涂環(huán)氧樹脂，縮小了陰極與陽極之間的加工間隙，提高了肋化深小孔成形精度；涂在凹槽內(nèi)的環(huán)氧樹脂膠不易脫落，加工過程穩(wěn)定性好，顯著降低了工具電極修復(fù)次數(shù)。王明環(huán)等[31]先陣列電極毛坯制作，群電極夾具表面涂覆一層環(huán)氧樹脂絕緣膠，設(shè)定側(cè)面圓柱面陰極和球面陰極，側(cè)面圓柱面陰極和陣列電極毛坯一起浸沒入電解液，實(shí)現(xiàn)所需尺寸陣列微細(xì)群電極電化學(xué)制備。郭鐘寧等[32]通過兩個電極相互加工，即通過一個電極對另一個電極的展成電解加工，或者兩個電極的相互交替展成電解加工，最后實(shí)現(xiàn)電極的在線加工。

電化學(xué)反拷法與電火花反拷法相類似，將微孔或板作為工具電極，通過電化學(xué)加工的方法對電極進(jìn)行電化學(xué)去除加工，從而電化學(xué)反拷出單個電極或群電極。

朱荻等[33]使用專用電極，專用電極帶有陣列微細(xì)群孔，通過微孔和工件之間相對運(yùn)動進(jìn)行電解加工。曾永彬等[34]先通過線電極將工具陰極上的孔徑擴(kuò)大，形成內(nèi)凹結(jié)構(gòu)，群線電極和工具陰極分別接直流電源正、負(fù)極，并使線電極做直線往復(fù)運(yùn)動，將電極絲加工至亞微米尺度。

刃口電極電化學(xué)磨削法，是利用一種類似刃口形狀的工具做陰極電極，使要加工的工具電極做陽極，使工件電極上的離子移向刃口電極，從而將材料去除或沉積的方法。趙萬生等[35]通過刃口電極進(jìn)行逐層電解磨削去除微細(xì)電極材料，加工出微細(xì)電極。

由此可見，基于電化學(xué)原理的微細(xì)電極制備方法，從申請人來看主要集中在國內(nèi)高?？蒲袉挝唬绕涫悄暇┖娇蘸教齑髮W(xué)；并未見相關(guān)的企業(yè)申請相關(guān)專利。

1.3 基于復(fù)合加工的微細(xì)電極在線制備技術(shù)專利概述

復(fù)合加工技術(shù)，就是利用上述加工微細(xì)電極的二種或二種以上的方法來制備微細(xì)電極。上述的各種加工方法具有不同的特點(diǎn)，復(fù)合加工技術(shù)能夠綜合利用不同的加工方法，其可以兼顧效率和加工質(zhì)量，從而高速、有效的在線加工微細(xì)電極。

郭鐘寧[7]在多功能微機(jī)床上附加了電火花反拷塊模塊和線電極放電磨削模塊，先使用反拷塊模塊對微細(xì)電極進(jìn)行粗加工，然后使用線電極放電磨削對微細(xì)電極進(jìn)行精加工，充分了結(jié)合了二者的優(yōu)勢。遲關(guān)心等[36]先使用電解加工制作單個微細(xì)電極，然后利用電解的方法在板上加工若干母孔，利用母孔可以加工群電極。其加工過程為通過電火花反拷并復(fù)合有超聲振動加工微細(xì)群電極。王玉魁等[37]先使用電火花反拷塊加工電極，存在加工錐度，然后在依靠電化學(xué)法消除錐度；解決了塊電極電火花磨削方法存在加工錐度誤差、電極表面質(zhì)量差。韓福柱等[38]電極懸在電解液的液面以上，輔助電極置于電解液中，施加電壓，機(jī)床主軸帶動工具電極進(jìn)入電解液，在電化學(xué)、電火花的共同作用下，電解液中的鋁離子以氧化鋁的形式迅速附著在工具電極表面，形成絕緣膜。謝軍等[39]通過線電極在線制作技術(shù)在線制作直徑約10 mm的微細(xì)電極，在線電火花銑削制作圓柱形反拷塊，在通過電火花反拷塊技術(shù)對電極進(jìn)一步加工，可以加工出直徑小于10 mm的微細(xì)電極。

2 結(jié)束語

從專利的角度簡要分析了微細(xì)電極在線加工技術(shù)現(xiàn)狀，并簡要介紹了國內(nèi)外有關(guān)高校、企業(yè)的有關(guān)專利技術(shù)，供個人、企業(yè)、科研單位參考。隨著微細(xì)加工技術(shù)市場的成熟，微細(xì)電極在線制備核心專利技術(shù)也會成為各方競爭的焦點(diǎn)，作為市場主體的各方要不斷強(qiáng)化知識產(chǎn)權(quán)意識，提高在知識產(chǎn)權(quán)方面的投入，爭取早點(diǎn)在微細(xì)電極加工技術(shù)有關(guān)專利方面進(jìn)行布局。

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［34］南京航空航天大學(xué).微細(xì)群線線電極在線制備方法［P］.中國，2013104810253.2014-01-22.

［35］上海交通大學(xué).基于刃口電極微細(xì)電解磨削的微細(xì)電極在線制造方法［P］.中國，200610027966X.2006-06-22.

［36］哈爾濱工業(yè)大學(xué).微陣列軸孔的組合加工方法［P］.中國，2007100723852.2007-12-12.

［37］哈爾濱工業(yè)大學(xué).一種微細(xì)電極的電火花電化學(xué)復(fù)合加工方法［P］.中國，201210059835.2013-08-28.

［38］清華大學(xué).一種非導(dǎo)電材料的電解電火花復(fù)合加工方法及裝置［P］.中國，2013101669193.2013-08-07.

［39］中國工程物理研究院激光聚變研究中心.一種微細(xì)電極在線制作方法［P］.中國，2014101157950.2014-06-25.