一种用于制造金属喇叭形锥孔微喷嘴的电铸用芯模及方法

本发明属于微细电铸领域，特别涉及一种用于制造金属喇叭形锥孔微喷嘴的电铸用芯模及方法。

背景技术

金属锥孔微喷嘴在汽车、航空航天、医疗器械等领域的应用越来越广泛，例如发动机喷油嘴、医用水刀喷嘴等。然而，因需处于良好的流体动力学条件下工作，金属锥孔微喷嘴对其几何尺寸、形状特征、表面质量、材料性能都有特殊且严格的要求，这导致高性能金属锥孔微喷嘴的制造一直是业界难题之一。

金属锥孔微喷嘴通常可用激光加工、电火花加工、电解加工或电铸加工等方法制造。申请号CN202010331415.2的专利提供了一种激光加工锥形孔工艺。但是，激光加工的锥形孔的孔壁会不可避免有再铸层甚至微裂纹，孔壁表面较粗糙，且孔下方端口处常有积瘤。这些导致激光加工的微喷嘴往往需经过后处理工艺以去除上述热致缺陷，但实际上，深微孔内壁的光整化极具技术挑战性，且国际上尚无低成本、高效、高质量的热致缺陷去除方法。申请号CN201210392034.0的专利介绍了一种倒锥孔的电火花加工方法。然而，电火花加工是通过瞬时高温熔化、气化金属的方法来去除金属的，这与激光加工一样，会在微锥孔的孔壁残存再铸层及微裂纹缺陷，也同样需要对所加工的锥形孔进行二次抛光，增大了工艺成本，且适用范围有限。申请号为CN201110185863.7的专利公开了一种喇叭形微小孔阵列电解加工方法，以实现喇叭形孔截面群孔的一次性成形和批量化生产。然而，电解加工稳定性不高，加工精度偏低，加之其各向等速溶解的特性，极难用于高精度、大锥度微锥孔的制造。

电铸加工而成的金属锥孔微喷嘴侧壁光滑、精度高、一致性好，常用于高性能金属锥孔微喷嘴的批量生产。按成形方式分，电铸加工微喷嘴主要有复制成形法和过生长成形法。复制成形法电铸制造微喷嘴原理如图1所示。电铸层复制成形法是通过反向复制厚掩膜的结构来实现喷嘴制造的。这样，如需制备喇叭形深微锥孔的喷嘴，则复制成形锥孔所对应的厚掩膜的膜芯须为大高径比的喇叭形尖锥结构。但是，现有技术制备这样的光刻胶膜结构极有难度。因此，实际上，尚未见基于复制成形法电铸制造出大深径比喇叭形微锥孔的喷嘴的报道。过生长成形法电铸制造金属锥孔微喷嘴原理如图2所示。当电铸层的厚度超过定义图形的基底膜的厚度后，电铸层既纵向增厚又对外拓展，生长方向由原来的一维方向（垂直于基底）转变为二维方向：垂直基底增厚方向和沿基底膜表面四周拓展方向。这样，金属层生长的前沿面是上述两个生长面的矢量合成，即为弧面，且不断合围形成孔状结构，即喇叭形锥孔。由此可知，基于过生长电铸而成的微孔为典型的喇叭形锥孔而且电铸层越厚，所得微孔的直径越小，与此同时，该喷嘴的外径不断增大（外径壁面呈弧面特征）。第17届全国特种加工学术会议论文集（上册）2017年第714-724页提出超微细型单向喇叭孔阵列电铸成型仿真分析与试验研究，利用过生长成形法制造出微孔直径3μm、网片厚度35μm单向喇叭孔阵列。然而，基于上述的过生长成形法电铸制造而成的喇叭形锥孔微喷嘴的实用性和适用性都有一定的限制。主要表现在：整体尺寸偏大，不利于微小或受限空间使用场合；曲线过渡（弧面）的外径壁面增大了安装定位的难度。

对此，本专利融合复制成形法电铸和过生长成形法电铸的优点，开发出一种用于制造金属喇叭形锥孔微喷嘴的电铸用芯模及方法，以实现小外形尺寸、内外壁面均光滑的直外壁型的金属喇叭形锥孔微喷嘴的批量制造。而且，本发明的金属喇叭形锥孔微喷嘴还便于定位安装。

发明内容

针对现有技术的不足之处，本发明提供一种用于制造金属喇叭形锥孔微喷嘴的电铸用芯模及方法，本发明的技术方案如下。

本发明提供了一种电铸用芯模，该芯模是一种用于制造金属喇叭形锥孔微喷嘴的模具。

一种用于制造金属喇叭形锥孔微喷嘴的电铸用芯模，其特征在于：它包括衬底、依次紧密贴合于衬底上表面的导电层和电绝缘层、贯穿导电层和电绝缘层的规则排列的盲孔；所述的衬底为电绝缘材料；所述的盲孔的底为衬底的上表面。

所述的衬底的厚度为1~3mm。

所述的导电层的厚度h

所述的电绝缘层的厚度h

所述的盲孔的直径D

所述的盲孔的孔间距大于3D

所述的盲孔的直径D

所述的盲孔的直径D

本发明还提供了一种用于制造金属喇叭形锥孔微喷嘴的方法，其特征在于：它包括以下步骤：

（a）将芯模作为阴极进行电铸；

（b）当电铸金属层的厚度达到预设厚度h

（c）将带有电铸金属层的芯模经清洗干燥后，利用超精密加工装置对芯模上的电绝缘层进行减薄与整平处理，直到电铸金属层的厚度达到拟制造的金属喇叭形锥孔微喷嘴的厚度h（h>h1）；

（d）将电绝缘层、导电层与衬底分离后，溶解去除电绝缘层和导电层，即得到厚度h、内径d、外径D的金属喇叭形锥孔微喷嘴。

所述的电铸金属层在经过减薄与整平处理后会形成定位平台，定位平台用作金属喇叭形锥孔微喷嘴应用时的安装定位。

与金属锥孔微喷嘴的现有加工方法相比，本发明突出优点如下。

1、本发明电铸加工而成的金属喇叭形锥孔微喷嘴内外壁面均光滑、精度高、批量生产而成的一致性好。

2、本发明能实现外径小且大小限定的、内径壁面为流畅喇叭形微锥孔的、外径壁面为直壁的金属微锥孔喷嘴的批量化一次制造，突破了现有技术的限制，无需后处理操作，且所得的喷嘴单价成本低，解决了双微型（外形尺寸小、锥形孔直径小）喇叭形锥孔微喷嘴的制造难题。

3、芯模制备工艺兼容性好，易于实现。

附图说明

图1是复制成形法电铸制造微喷嘴原理图。

图2是过生长成形法电铸制造金属锥孔微喷嘴原理图。

图3是本发明芯模的示意图。

图4是本发明芯模上的盲孔的剖视图。

图5是本发明电铸完成后盲孔的剖视图。

图6是本发明超精密加工装置加工带有电铸金属层的盲孔的示意图。

图7是本发明金属喇叭形锥孔微喷嘴的示意图。

图8是本发明金属喇叭形锥孔微喷嘴的三维示意图。

图中： 1、厚掩膜；1-1、膜芯；2、电铸层；3、基底膜；4、喇叭形锥孔；5、衬底；6、导电层；7、电绝缘层；8、盲孔；9、芯模；10、电铸金属层；11、超精密加工装置； 12、拟制造的金属喇叭形锥孔微喷嘴；12-1、定位平台；12-2、内径壁面；12-3、外径壁面；D

具体实施方式

下面结合图3至图8，对本发明——“一种用于制造金属喇叭形锥孔微喷嘴的电铸用芯模及方法”的具体实施方式作进一步详细描述。

一种用于制造金属喇叭形锥孔微喷嘴的电铸用芯模，它包括衬底5、依次紧密贴合于衬底5上表面的导电层6和电绝缘层7、贯穿导电层6和电绝缘层7的阵列的盲孔8；盲孔8的底为衬底5的上表面，如图3和图4所示。

本案例中，拟制造的金属喇叭形锥孔微喷嘴12的外径D为800μm、拟制造的金属喇叭形锥孔微喷嘴12的内径d为100μm、拟制造的金属喇叭形锥孔微喷嘴12的厚度h为200μm，材质为镍。

根据拟制造的金属喇叭形锥孔微喷嘴12的尺寸确定各设计尺寸为：导电层6的厚度h

芯模9的制备过程如下：

（1）本案例采用硅片作为衬底5，厚度为2mm。衬底5表面溅射一层50nm的金属种子层，在金属种子层的表面电镀铜，并把铜镀层和金属种子层作为导电层6，直至导电层6的厚度h

（2）在导电层6表面覆盖电绝缘层7。本案例中，选用光刻胶作为电绝缘层7.

（3）离子刻蚀加工盲孔8，直至衬底5的上表面停止。此时得到芯模9。

一种用于制造金属喇叭形锥孔微喷嘴的方法，它包括以下步骤：

（a）将芯模9作为阴极放入氨基磺酸镍体系电铸液进行电铸，电流密度2A/dm

（b）当电铸金属层10的厚度达到预设厚度h

（c）将带有电铸金属层10的芯模9经清洗干燥后，利用超精密加工装置11对芯模9进行减薄与整平处理，直到电铸金属层10的厚度达到拟制造的金属喇叭形锥孔微喷嘴12的厚度h。此时，电铸金属层10的厚度（200μm）大于导电层6的厚度h1（20μm），如图6所示；

（d）如图7至图8，将电绝缘7、导电层6与衬底5分离后，经溶解电绝缘7、去除导电层6，即可得到内径壁面12-2为流畅喇叭形、外径壁面12-3为直壁状的拟制造的金属喇叭形锥孔微喷嘴12。拟制造的金属喇叭形锥孔微喷嘴12的外径D、内径d、厚度h分别为800μm、100μm、200μm。

电铸金属层10在经过减薄与整平处理后会形成定位平台12-1，定位平台12-1用于安装金属喇叭形锥孔微喷嘴（12）时定位。

以上描述说明了本发明的技术领域、主要技术特征、解决的技术问题、有益效果和具体实施方式。本发明不受具体附图的限制，本发明不受具体实施方式的限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化、改进和延展，这些变化、改进和延展都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护的范围由所附的权利要求书及其等效物界定。