微细电极在线制备专利技术的现状和趋势分析

郭 帅

（国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心，广东广州 510000）

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随着微细加工技术的发展，在航空、医疗机械、传感器等各个方面对微细精密零部件的需求越来越大，而这些精密零部件的实现离不开微细加工，更离不开微细工具电极，由于微细加工对精度的要求，要最大限度降低微细工具电极位置精度对微细加工的不利影响，也就要求微细工具电极能够实现在线制备；而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[1]。

本文通过中国国家知识产权局专利检索系统（简称S系统），在中国专利文摘数据库（CNABS）、VEN数据库、TWABS数据库中对微细电极在线制备技术进行了检索，主要检索了2014年12月30日前公开的专利申请，根据检索到的专利文献，对微细电极在线制备技术进行了归类分析。

1 微细电极在线加工技术的专利概述

根据检索到微细电极在线加工技术的专利，将微细电极加工技术主要分三大类：一类是基于放电原理的加工方法；一类是基于电化学原理的加工方法；一类是复合加工方法。

1.1 基于放电原理的微细电极在线制备技术专利概述

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，工具和工件之间不接触，而是靠工具和工件之间不间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[2]，根据工件和工具间接触面积的大小，分为电火花反拷块法和线电极放电磨削法等。

电火花反拷块法，工件和工具间为间接的面接触，间接的接触面积大，加工效率高，但是加工精度难以保证。

谈渊智等[3]通过电极丝靠近反拷模块，反拷块作为放电加工的负极端，电极丝作为放电加工的正极端，反拷块与主轴对应配合，能够加工出需要精度的电极丝。谈渊智等[4]通过摄像检测模块可用于对微细电极加工状态的检测；谈渊智[5]还发明了可用于对微细电极加工的反拷块加工的工作液槽。王玉魁等[6]对电极毛坯的块电极电火花在线磨削加工；然后工具电极侧壁的微弧氧化在线绝缘设备在工具电极毛坯的外表面氧化一层绝缘陶瓷膜，实现微弧氧化的侧壁绝缘微细电极的在线制备。郭钟宁等[7]在多功能微机床上附加了电火花反拷块模块，对于微细加工的工具微细电极能够通过电火花反拷模块进行加工或修整，大大的提高了整个装备的加工精度和性能。庄殷等[8]首先用传统的加工方法加工出群电极，然后将电极通过模板上的空洞，通过电火花反拷，加工出不同形状的电极，电极的形状不局限圆柱形，可以为三角柱、锥形等三维形状。许朝阳等[9]包括反极性电极修整系统，其包括电流方向切换机制，能够令原本有电极朝工件流动之电流流向，转换为由工件朝电极流动之相反电流流向，先在块上钻孔，然后转换电极的极性，通过钻好的孔来修整电极。李丹等[10]根据外螺旋结构的外轮廓参数加工工具电极；用工具电极在板材上加工出板状材料螺旋孔电极；采用电火花成型方式根据板状材料螺旋孔电极反拷出电极的外螺旋结构。靳世海等[11]电极通过粗加工、半精加工、精加工三次反拷加工的方式，加工成形工具电极。

线电极放电磨削法，简称WEDG（wire elec⁃tro-discharge grinding），工件和工具间为间接的点接触，间接的接触面积最小，加工精度高，但是加工效率低。

于云霞[12]以陶瓷V型轴承为支撑通过直流电机带动主轴及工具电极做旋转运动，工具电极反拷系统沿垂直与主轴轴线方向进给，加工出工具电极，工具电极反拷系统为WEDG电极放电磨削法。郭钟宁等[7]在多功能微机床上增加了WEDG线电极放电磨削模块，对于工具微细电极能够通过线电极放电磨削模块进行加工或修整。松下电子工业有限公司[13]微细电极通过作为工具的导向电极来去除，微细电极通过轴承的支撑边旋转边上下移动，导向电极绕自己的轴靠近微细电极移动，加工微细电极。东陶机器株式会社[14]通过微细工具制备装置通过线电极放电磨削能够用来加工微细电极，通过一个夹具张紧一根电极丝，通过电极丝靠近要加工的微细电极，将微细电极加工出理想的尺寸。财团法人工业技术研究院[15]通过线电极放电磨削加工探针，然后利用探针在电路板上通过电化学方法加工微孔。财团法人工业技术研究院[16]通过导引装置，其中导引装置包括有一导引座，导引座上设有一导引件，导引件包括有一加工表面，加工表面上设有复数个线槽，一模轮单元包括有位于导引座两侧复数个模轮，模轮上设有复数个轮沟槽，其中导引件的复数个线槽至少包括有一个以上的线槽绕设有导线，用以对待加工件进行微细放电加工。财团法人工业技术研究院[17]主要对导线槽进行改造，导线可以先经有供电元件之底端，再由导线支撑座上所设导槽之一端进入后由另一端穿出，再经由另一供电元件之底端送出，利用供电元件所提供之压制力配合导槽之设计，令导线可以稳定的在该导线支撑座上所设置之导槽内滑移。财团法人工业技术研究院[18]进行Z轴与X轴寻边零动作后，逐次进行多道程式放电加工程序，各电极间会产生高热之电弧放电而熔融，再对该加工电极进行线上总体直径两侧，配合一放电加工程序，使该加工电极达到目标设置范围内。瑞山精密有限公司（韩国）[19]通过调整对电路的控制来驱动主轴和线电极放电磨削模块，精密的加工微细电极。日本三丰株式会社[20]在线电极放电磨削中，通过线电极与带磨削的电极的接触位置定义为坐标y1，相反的一面定义为坐标y2，通过相对坐标来决定初始位置。首尔国立大学工业基金会[21]通过R-D单元和R-F单元对微电极加工装置中张力的控制，在R-D单元和R-F单元之间有个空隙，二者之间有个悬臂，其能够遮挡二者之间的光线，张力发生变化时，悬臂的移动改变了二者间的光线，根据二者之间光线的变化来调整线电极放电磨削中的张力。徐杰等[22]基于线电极放电磨削的微成型模具原位制造装置，解决在微型模具加工过程中块电极重复使用，微小放电间隙难以精确控制。原位制造装置中的线电极及进给传动系统包括线电极、线电极导向板、主动外导论、从动外导论和两组内导论，可以实现多种形状微型冲头和凹模的高质量原位加工。白基成[23]使用线电极放电磨削微细电极，实现运丝平稳，放电轮处电极丝跳动量很小，且运行速度很低的微细电火花在线制作电极装置，送丝模块采用步进电机主动供丝设计，均速的提供铜丝，采用皮带磁制动压轮的方式为铜丝提供恒定的张力。裴景玉等[24]使用线电极磨削装置，该装置具有压簧结构，能实现预先设定放丝所需的牵引力，浮动轮能够保证电极丝的张力自适应的保持预设值；保证平稳走丝，实现较好的加工精度。林伯型[25]采用线放电研磨系统，具有一导电轮，用以支撑一移动的研磨线极，使其与一放电加工机之微电极接近，上述导电轮其系在以导电轴上依轴芯相对固定一上导轮及一下导轮，该上导轮及下导轮各以其相对面之圆周上所预设的斜面相交构成一内角夹角角度至少为90°的沟槽，该沟槽用于接收该研磨线极。张鸿海等[26]用一种卧式微电火花机床及应用该机床进行在线加工的方法，通过二维工作台驱动线电火花磨削机构运动完成微电极的在线制作，实现微米级电极高效率高精度制作。张勇斌等[27]使用一种小型化双功能线电极磨削装置，电极丝由出丝轮导出后，经过中间的过渡装置，最后由收丝轮收丝完成整个过程，实现装置的小型化与轻便化，提供工作台的动态特性，既能满足阵列式微细电极的加工需求，又能满足非阵列微细电极的加工需求，显著拓展了微细电加工系统的功能。

由此可见，从申请人来看，除了广东工业大学、华中科技大学、哈尔滨工业大学等高校外，例如台湾、日本、中国、韩国等地企业也进入了相关研究，随着精密加工技术的成熟，在市场上与此相关的产品竞争也会日趋激烈。从专利的公布时间来看，国外的企业和研究单位起步早，掌握了部分原始专利，但是国内有关单位在后期作出了大量的创新，也形成了有力的竞争。

1.2 基于电化学原理的微细电极在线制备技术专利概述

基于电化学原理加工微细工作电极，主要作为阳极的微细电极在溶液中不断的溶解来满足加工的尺寸。由于微细电极在溶液中是离子级的去除，电极的表面加工质量好、无飞边、毛刺、残余应力。根据辅助阴极的不同，将电化学原理的在线制备技术分为电化学腐蚀法、电化学反拷法和刃口电极电化学磨削法等。

电化学腐蚀法是最常见的一种依据电化学原理加工微细电极的方法，将通电的微细电极放在溶液中不断的蚀除，形成一定尺寸的电极。

曾永彬等[28]将微尺度线电极固定在电解液槽中，并通过微张力装置张紧，将工具电极连接到数控旋转主轴上，使电解液充满电解液槽，微尺度线和工具电极浸没在电解液中，二者之间保持一个加工间隙，接通脉宽电源，腐蚀工具电极成型，尺寸控制是通过电流传感器通采集加工回路中的电流，利用加工电流与钨丝电阻的对应关系反映腐蚀过程中钨丝尺寸的变化，从而精确控制微细工具电极的尺寸。朱荻等[29]先用电化学腐蚀法在线制备钨电极，用电压法将碳纳米管焊接于钨电极上，该方法增加了钨电极与碳纳米管的粘结强度，及整个碳纳米管工具电极的电导率。朱荻等[30]在凹槽内涂环氧树脂，缩小了阴极与阳极之间的加工间隙，提高了肋化深小孔成形精度；涂在凹槽内的环氧树脂胶不易脱落，加工过程稳定性好，显著降低了工具电极修复次数。王明环等[31]先阵列电极毛坯制作，群电极夹具表面涂覆一层环氧树脂绝缘胶，设定侧面圆柱面阴极和球面阴极，侧面圆柱面阴极和阵列电极毛坯一起浸没入电解液，实现所需尺寸阵列微细群电极电化学制备。郭钟宁等[32]通过两个电极相互加工，即通过一个电极对另一个电极的展成电解加工，或者两个电极的相互交替展成电解加工，最后实现电极的在线加工。

电化学反拷法与电火花反拷法相类似，将微孔或板作为工具电极，通过电化学加工的方法对电极进行电化学去除加工，从而电化学反拷出单个电极或群电极。

朱荻等[33]使用专用电极，专用电极带有阵列微细群孔，通过微孔和工件之间相对运动进行电解加工。曾永彬等[34]先通过线电极将工具阴极上的孔径扩大，形成内凹结构，群线电极和工具阴极分别接直流电源正、负极，并使线电极做直线往复运动，将电极丝加工至亚微米尺度。

刃口电极电化学磨削法，是利用一种类似刃口形状的工具做阴极电极，使要加工的工具电极做阳极，使工件电极上的离子移向刃口电极，从而将材料去除或沉积的方法。赵万生等[35]通过刃口电极进行逐层电解磨削去除微细电极材料，加工出微细电极。

由此可见，基于电化学原理的微细电极制备方法，从申请人来看主要集中在国内高校科研单位，尤其是南京航空航天大学；并未见相关的企业申请相关专利。

1.3 基于复合加工的微细电极在线制备技术专利概述

复合加工技术，就是利用上述加工微细电极的二种或二种以上的方法来制备微细电极。上述的各种加工方法具有不同的特点，复合加工技术能够综合利用不同的加工方法，其可以兼顾效率和加工质量，从而高速、有效的在线加工微细电极。

郭钟宁[7]在多功能微机床上附加了电火花反拷块模块和线电极放电磨削模块，先使用反拷块模块对微细电极进行粗加工，然后使用线电极放电磨削对微细电极进行精加工，充分了结合了二者的优势。迟关心等[36]先使用电解加工制作单个微细电极，然后利用电解的方法在板上加工若干母孔，利用母孔可以加工群电极。其加工过程为通过电火花反拷并复合有超声振动加工微细群电极。王玉魁等[37]先使用电火花反拷块加工电极，存在加工锥度，然后在依靠电化学法消除锥度；解决了块电极电火花磨削方法存在加工锥度误差、电极表面质量差。韩福柱等[38]电极悬在电解液的液面以上，辅助电极置于电解液中，施加电压，机床主轴带动工具电极进入电解液，在电化学、电火花的共同作用下，电解液中的铝离子以氧化铝的形式迅速附着在工具电极表面，形成绝缘膜。谢军等[39]通过线电极在线制作技术在线制作直径约10 mm的微细电极，在线电火花铣削制作圆柱形反拷块，在通过电火花反拷块技术对电极进一步加工，可以加工出直径小于10 mm的微细电极。

2 结束语

从专利的角度简要分析了微细电极在线加工技术现状，并简要介绍了国内外有关高校、企业的有关专利技术，供个人、企业、科研单位参考。随着微细加工技术市场的成熟，微细电极在线制备核心专利技术也会成为各方竞争的焦点，作为市场主体的各方要不断强化知识产权意识，提高在知识产权方面的投入，争取早点在微细电极加工技术有关专利方面进行布局。

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［35］上海交通大学.基于刃口电极微细电解磨削的微细电极在线制造方法［P］.中国，200610027966X.2006-06-22.

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