微細電極在線制備專利技術的現狀和趨勢分析

郭 帥

（國家知識產權局專利局專利審查協作廣東中心，廣東廣州 510000）

0 前言

隨著微細加工技術的發展，在航空、醫療機械、傳感器等各個方面對微細精密零部件的需求越來越大，而這些精密零部件的實現離不開微細加工，更離不開微細工具電極，由于微細加工對精度的要求，要最大限度降低微細工具電極位置精度對微細加工的不利影響，也就要求微細工具電極能夠實現在線制備；而微細電極能否實現在線制備已經成為實現許多微細加工方法的前提和重要的關鍵技術之一[1]。

本文通過中國國家知識產權局專利檢索系統（簡稱S系統），在中國專利文摘數據庫（CNABS）、VEN數據庫、TWABS數據庫中對微細電極在線制備技術進行了檢索，主要檢索了2014年12月30日前公開的專利申請，根據檢索到的專利文獻，對微細電極在線制備技術進行了歸類分析。

1 微細電極在線加工技術的專利概述

根據檢索到微細電極在線加工技術的專利，將微細電極加工技術主要分三大類：一類是基于放電原理的加工方法；一類是基于電化學原理的加工方法；一類是復合加工方法。

1.1 基于放電原理的微細電極在線制備技術專利概述

電火花加工是一種直接利用電能和熱能進行加工的特種工藝。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生局部、瞬時的高溫把金屬材料逐步蝕除掉[2]，根據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極端，電極絲作為放電加工的正極端，反拷塊與主軸對應配合，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電極加工狀態的檢測；談淵智[5]還發明了可用于對微細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；然后工具電極側壁的微弧氧化在線絕緣設備在工具電極毛坯的外表面氧化一層絕緣陶瓷膜，實現微弧氧化的側壁絕緣微細電極的在線制備。郭鐘寧等[7]在多功能微機床上附加了電火花反拷塊模塊，對于微細加工的工具微細電極能夠通過電火花反拷模塊進行加工或修整，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，其包括電流方向切換機制，能夠令原本有電極朝工件流動之電流流向，轉換為由工件朝電極流動之相反電流流向，先在塊上鉆孔，然后轉換電極的極性，通過鉆好的孔來修整電極。李丹等[10]根據外螺旋結構的外輪廓參數加工工具電極；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板狀材料螺旋孔電極反拷出電極的外螺旋結構。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帶動主軸及工具電極做旋轉運動，工具電極反拷系統沿垂直與主軸軸線方向進給，加工出工具電極，工具電極反拷系統為WEDG電極放電磨削法。郭鐘寧等[7]在多功能微機床上增加了WEDG線電極放電磨削模塊，對于工具微細電極能夠通過線電極放電磨削模塊進行加工或修整。松下電子工業有限公司[13]微細電極通過作為工具的導向電極來去除，微細電極通過軸承的支撐邊旋轉邊上下移動，導向電極繞自己的軸靠近微細電極移動，加工微細電極。東陶機器株式會社[14]通過微細工具制備裝置通過線電極放電磨削能夠用來加工微細電極，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電極，將微細電極加工出理想的尺寸。財團法人工業技術研究院[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方法加工微孔。財團法人工業技術研究院[16]通過導引裝置，其中導引裝置包括有一導引座，導引座上設有一導引件，導引件包括有一加工表面，加工表面上設有復數個線槽，一模輪單元包括有位于導引座兩側復數個模輪，模輪上設有復數個輪溝槽，其中導引件的復數個線槽至少包括有一個以上的線槽繞設有導線，用以對待加工件進行微細放電加工。財團法人工業技術研究院[17]主要對導線槽進行改造，導線可以先經有供電元件之底端，再由導線支撐座上所設導槽之一端進入后由另一端穿出，再經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槽之設計，令導線可以穩定的在該導線支撐座上所設置之導槽內滑移。財團法人工業技術研究院[18]進行Z軸與X軸尋邊零動作后，逐次進行多道程式放電加工程序，各電極間會產生高熱之電弧放電而熔融，再對該加工電極進行線上總體直徑兩側，配合一放電加工程序，使該加工電極達到目標設置范圍內。瑞山精密有限公司（韓國）[19]通過調整對電路的控制來驅動主軸和線電極放電磨削模塊，精密的加工微細電極。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y1，相反的一面定義為坐標y2，通過相對坐標來決定初始位置。首爾國立大學工業基金會[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，張力發生變化時，懸臂的移動改變了二者間的光線，根據二者之間光線的變化來調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給傳動系統包括線電極、線電極導向板、主動外導論、從動外導論和兩組內導論，可以實現多種形狀微型沖頭和凹模的高質量原位加工。白基成[23]使用線電極放電磨削微細電極，實現運絲平穩，放電輪處電極絲跳動量很小，且運行速度很低的微細電火花在線制作電極裝置，送絲模塊采用步進電機主動供絲設計，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，該裝置具有壓簧結構，能實現預先設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的保持預設值；保證平穩走絲，實現較好的加工精度。林伯型[25]采用線放電研磨系統，具有一導電輪，用以支撐一移動的研磨線極，使其與一放電加工機之微電極接近，上述導電輪其系在以導電軸上依軸芯相對固定一上導輪及一下導輪，該上導輪及下導輪各以其相對面之圓周上所預設的斜面相交構成一內角夾角角度至少為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床及應用該機床進行在線加工的方法，通過二維工作臺驅動線電火花磨削機構運動完成微電極的在線制作，實現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，電極絲由出絲輪導出后，經過中間的過渡裝置，最后由收絲輪收絲完成整個過程，實現裝置的小型化與輕便化，提供工作臺的動態特性，既能滿足陣列式微細電極的加工需求，又能滿足非陣列微細電極的加工需求，顯著拓展了微細電加工系統的功能。

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

1.2 基于電化學原理的微細電極在線制備技術專利概述

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

電化學腐蝕法是最常見的一種依據電化學原理加工微細電極的方法，將通電的微細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控旋轉主軸上，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關系反映腐蝕過程中鎢絲尺寸的變化，從而精確控制微細工具電極的尺寸。朱荻等[29]先用電化學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強度，及整個碳納米管工具電極的電導率。朱荻等[30]在凹槽內涂環氧樹脂，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；涂在凹槽內的環氧樹脂膠不易脫落，加工過程穩定性好，顯著降低了工具電極修復次數。王明環等[31]先陣列電極毛坯制作，群電極夾具表面涂覆一層環氧樹脂絕緣膠，設定側面圓柱面陰極和球面陰極，側面圓柱面陰極和陣列電極毛坯一起浸沒入電解液，實現所需尺寸陣列微細群電極電化學制備。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，最后實現電極的在線加工。

電化學反拷法與電火花反拷法相類似，將微孔或板作為工具電極，通過電化學加工的方法對電極進行電化學去除加工，從而電化學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群孔，通過微孔和工件之間相對運動進行電解加工。曾永彬等[34]先通過線電極將工具陰極上的孔徑擴大，形成內凹結構，群線電極和工具陰極分別接直流電源正、負極，并使線電極做直線往復運動，將電極絲加工至亞微米尺度。

刃口電極電化學磨削法，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]通過刃口電極進行逐層電解磨削去除微細電極材料，加工出微細電極。

由此可見，基于電化學原理的微細電極制備方法，從申請人來看主要集中在國內高校科研單位，尤其是南京航空航天大學；并未見相關的企業申請相關專利。

1.3 基于復合加工的微細電極在線制備技術專利概述

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

郭鐘寧[7]在多功能微機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電極進行粗加工，然后使用線電極放電磨削對微細電極進行精加工，充分了結合了二者的優勢。遲關心等[36]先使用電解加工制作單個微細電極，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合有超聲振動加工微細群電極。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，機床主軸帶動工具電極進入電解液，在電化學、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在線制作直徑約10 mm的微細電極，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對電極進一步加工，可以加工出直徑小于10 mm的微細電極。

2 結束語

從專利的角度簡要分析了微細電極在線加工技術現狀，并簡要介紹了國內外有關高校、企業的有關專利技術，供個人、企業、科研單位參考。隨著微細加工技術市場的成熟，微細電極在線制備核心專利技術也會成為各方競爭的焦點，作為市場主體的各方要不斷強化知識產權意識，提高在知識產權方面的投入，爭取早點在微細電極加工技術有關專利方面進行布局。

［1］郭帥，羅紅平，郭鐘寧.微細電極在線制備技術的研究進展［J］.制造技術與機床，2011（8）：73-78.

［2］趙萬生，劉晉春.實用電加工技術［M］.北京：機械工業出版社，2002.

［3］無錫微研有限公司.超細微放電加工機床的電極絲反拷模塊［P］.中國，2010102090983.2010-11-24.

［4］無錫微研有限公司.超細微電火花加工機床的CCD攝像 監 測 模 塊 ［P］.中 國 ，2010102091064.2012-05-09.

［5］無錫微研有限公司.超細微放電加工機床的工作液槽［P］.中國，2010102090964［P］.2010-11-10.

［6］哈爾濱工業大學.一種基于微弧氧化的側壁絕緣微細電極的在線制備方法［P］.中國，201410445570［P］.2014-09-03.

［7］廣東工業大學.一種多功能微機床［P］.中國，201210173029.2014-09-03.

［8］財團法人金屬工業研究發展中心.用于微細加工之工具組及其制造方法、及微細加工之方法［P］.臺灣，093135887.1994-03-08.

［9］安陽精密工業有限公司.細孔放電加工機之反極性電極修整系統［P］.臺灣，97109049.2009-09-16.

［10］北京航星機器制造有限公司.一種外螺旋結構電火花成型加工方法［P］.中國，201310087097X.2013-09-18.

［11］北京航星機器制造有限公司.一種內螺旋結構電火花成型加工的裝置［P］.中國，2011204875450.2012-10-03.

［12］于云霞.微細電火花加工機床［P］.中國，022563407.2003-12-03.

［13］松下電子工業有限公司.用于微細電極的電火花加工裝置和方法［P］.EP，881145437.1988-09-06.

［14］東陶機器株式會社.微細工具制備裝置［P］.JP，2002-281346.2003-11-25.

［15］財團法人工業技術研究院.一種加工探針的方法［P］.US，09/336742.2000-12-05.

［16］財團法人工業技術研究院.微細電極放電加工成形裝置［P］.中國，2009102119828.2011-06-15.

［17］財團法人工業技術研究院.微細電極放電加工成形裝置［P］.臺灣，92136945.2005-02-01.

［18］財團法人工業技術研究院.用以成型一微細導電元件之放電加工法及其成型裝置［P］.臺灣，92112240.2005-04-11.

［19］瑞山精密有限公司.三維微電火花加工方式在工件上加工微孔的方法［P］.韓國，10-2004-0039288.2005-12-05.

［20］日本三豐株式會社.電火花中加工位置的判斷［P］.日本，11-56130.2000-09-12.

［21］首爾國立大學工業基金會.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［P］.韓國，10-2009-0120699.2011-06-15.

［22］哈爾濱工業大學.基于線電極放電磨削的微成型模具原位制造裝置［P］.中國，2012105044308.2013-03-20.

［23］哈爾濱工業大學.一種微細電火花在線制作電極的線電極磨削裝置［P］.中國，2013107352793.2014-03-26.

［24］上海交通大學.線電極磨削裝置［P］.中國，201310215400X.2013-08-28.

［25］歐群科技股份有限公司.線放電研磨系統［P］.臺灣，96220679.2008-08-11.

［26］華中科技大學.一種臥式微電火花機床及應用該機床進行在線加工的方法［P］.中國，2010105029525.2011-01-26.

［27］中國工程物理研究院機械制造工藝研究所.一種小型化雙功能線電極磨削裝置［P］.中國，2012101144631.2012-07-25.

［28］南京航空航天大學.線電極電化學磨削微細工具在線制備系統及其方法［P］.中國，201010286892.2011-04-20.

［29］南京航空航天大學.微細電解加工碳納米管工具電極制備方法及多功能工作槽［P］.中國，2012105444669.2013-04-24.

［30］南京航空航天大學.肋化深小孔電解加工方法及專用工具陰極［P］.中國，2006100968501.2007-04-11.

［31］浙江工業大學.基于陰極優化的陣列微細群電極制備方法及裝置［P］.中國，2014101926394.2014-08-27.

［32］廣東工業大學.三維微細展成電解加工方法及加工裝置［P］.中國，200410026681.2005-03-31.

［33］南京航空航天大學.金屬微細群柱結構電解反拷加工方法及專用工具［P］.中國，2008100223288.2009-02-18.

［34］南京航空航天大學.微細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.基于刃口電極微細電解磨削的微細電極在線制造方法［P］.中國，200610027966X.2006-06-22.

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

［37］哈爾濱工業大學.一種微細電極的電火花電化學復合加工方法［P］.中國，201210059835.2013-08-28.

［38］清華大學.一種非導電材料的電解電火花復合加工方法及裝置［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.一種微細電極在線制作方法［P］.中國，2014101157950.2014-06-25.