微三维结构电火花铣削关键技术研究

第3期2003年9月 微细加工技术M ICROFABRICAT ION T ECH NOLOGYNo.3Sep.,2003收稿日期:2003O 05O 29基金项目:国家自然科学基金重点资助项目(59935110)作者简介:赵万生(1957-),男,黑龙江人,教授,博士生导师,主要研究方向为特种加工与机电控制技术。

文章编号:1003O 8213(2003)03O 0049O 07微三维结构电火花铣削关键技术研究赵万生,李志勇,王振龙,杨 洋,张 勇(哈尔滨工业大学特种加工研究所,哈尔滨150001)摘要:为解决电火花方法加工微三维结构时工具电极的制备、测量和损耗补偿问题,研究了块反拷法和线电极磨削法(WEDG)相配合的电极加工工艺,设计了通过4点接触感知实现的电极在线测量系统,提出了由数控系统对放电状态进行实时监测、统计并根据统计结果预测电极损耗状况的自动补偿策略。

此技术方案在计算电极加工路径时无需作任何补偿考虑,因此可选用普通金属铣削CAM 软件生成加工代码,特别适合复杂自由曲面微结构的加工。

综合采用此技术设计了专用微细电火花数控系统,制备了直径30L m,长度3mm 的工具电极,使用此电极加工出1mm @0.3mm @0.18mm 的雕塑头像。

关 键 词:微细加工;电火花加工;数控系统中图分类号:T P27 文献标识码:A1 引言在微细加工领域,电火花加工(EDM )是一种制作微小三维结构器件的有效方法。

微细EDM 可加工材料的范围比较广,可加工各种金属、单晶硅、多晶硅等导电材料;与LIGA 工艺相比,不需要昂贵的同步辐射源,设备成本低廉;若采用分层铣削技术,可以加工自由曲面。

日本东京大学的增氵尺隆久、余祖元采用EDM 方法加工了球径为<150L m 的1/8球瓣[1]、0.5mm @0.2mm @0.2mm 的汽车模具[2];比利时鲁文大学采用EDM 方法加工出带力传感器的微钳、长宽1mm 的/庙宇0结构[3];美国Sandia 国家实验室则制作出10mm @10mm @5mm 微型步进电机[4]等等。

这些研究成果显示了微细EDM 方法的重要技术价值和应用前景,为此,各国都非常重视微细EDM 技术及加工设备的开发研制,例如松下精机生产的MG-ED82W 型微细电火花机床可稳定加工直径10L m 微孔和宽度10L m 的槽,在电极直径小于50L m 时可加工孔的深径比为5B 1[5]。

EDM 方法铣削加工微小三维结构与通常情况下的宏观金属铣削有很大不同,首先电火花加工要在线制备刀具)))微细加工电极,零件的尺寸不同,所需制备的电极直径也不同;更重要的是,EDM 加工过程中微细电极损耗极其严重,必须考虑如何实时的进行补偿,而宏观金属铣削一般不需考虑实时的铣刀磨损补偿问题。

因此工具电极的制作方式以及铣削过程中的电极损耗补偿策略是微细EDM系统设计的关键。

2工具电极在线制作与测量方法无论是加工简单的轴、孔或槽缝,还是铣削微三维结构,必须首先制作微细工具电极。

考虑到电极的直径在微米尺度,国内外各种微细EDM机床和试验装置几乎全部采用了在线制作电极的方法,以防止产生二次装卡误差。

加工微细工具电极的方法有块反拷法和线电极磨削法(Wire Electro Disc harge Grind-ing,WEDG)。

二者的主要不同在于块反拷法是使用成型反拷电极块加工工具电极,而WEDG方法是使用连续移动的电极丝。

一般认为,使用WEDG方法加工时线电极与工具电极间为点接触放电,易于实现线电极与工具电极间的微能放电,可控性比较好。

由于线电极的连续移动,不需考虑线电极损耗,获得的工具电极无锥度,可以通过数控程序来加工出圆柱形、削边或棱形电极。

但是WEDG方法中,线电极和工具电极是点接触,放电面积小,加工速度不高。

加工效率偏低这一缺点将直接影响微细EDM机床实用性。

考虑到这一点,我们所研制的微细EDM 机床可以同时采用块反拷法和WEDG法两套电极制备方法。

表1是本文机床的典型电极制备工艺。

初始电极长度3mm,直径0.5 mm,采用RC电源,煤油工作液。

经过一次粗加工至约0.1mm,在距离电极底部0.5 mm处的直径测量值为0.102mm,而在距离电极底部2.5mm处的直径测量值达0.135 mm,可见电极锥度较大。

经过中规准加工至0.05mm,精规准加工至0.03mm,此时在距离电极底部0.5mm处的直径测量值为0.032m m,在距离电极底部2.5mm处的直径测量值为0.035mm,锥度已经基本消除,但精加工时间仅为14min。

此电极可直接用来加工微孔和三维结构,如果需要直径更小的电极,可采用WEDG方法进一步加工,但从表1中可以看到,加工到直径15L m时需要约170min,效率较低。

表1使用块反拷配合W EDG方式的典型工具电极制备工艺加工方法电极材料反拷材料工作液电极初始直径(mm)加工结束电极直径(自底部测量)(mm)0.51 1.5 2.5电容(pF)开路电压(V)加工时间(min)0.50.1020.1150.1240.135400009527块反拷银钨合金铜钨合金煤油约0.10.0430.0480.0510.0565*******约0.050.0320.0340.0350.0354007014W EDG铜钼合金约0.030.0150.0160.016-10065170工具电极的在线测量是微细电极制备过程中必须解决的问题,接触感知测量是一种有效的测量方法。

图1示意了这种方法的原理。

此方法使用一标准圆柱定位规,假定定位规直径为D,在机床坐标系中位置为P (x P,y P),安装并调整使定位规轴线与工具电极回转轴线平行。

测量时,首先粗略估计定位规的位置为P c(x c P,y c P),使电极自点A(x A,y c P)接触感知至点B(x B,y c P),然后图1工具电极的在线测量原理50微细加工技术2003年再使电极自点D(x D,y c P)接触感知至点C(x C,y c P),那么显然有x P=x B+x C2,移动电极至点E(x P,y E),自点E接触感知至点F (x P,y F),然后再使电极自点H(x P,y H)接触感知至点G(x P,y G),由于直线EFGH过定位规圆心,那么电极直径d=y F-y G-D。

使用这种方法的测量误差D为:D=e2g+e2p+e2s(1)其中,e g表示放电间隙,在1L m以内;e p表示由于定位规的轴线不能完全与电极轴线平行而引起的误差;由于接触感知时坐标轴具有一定移动速度,当电极与定位规接触时需要一定减速距离才能停止,显然这将造成电极变形,e s表示由此引起的误差,而e s 往往是引起测量误差的主要因素。

加工不同直径的电极,误差D可以通过比较接触感知测量值和扫描电子显微镜(SEM)实测值获得,据此可标定误差曲线。

从图1可以看到,如果用手动方法来测量电极直径,步骤十分繁琐,因此设计EDM 机床数控系统时引入一条扩展G指令,此指令以定位规直径D,估计位置(x c p,y c p)等为参数可以自动完成测量。

表1中的电极直径即是采用这种方法测量得到的。

3分层铣削电极补偿与控制3.1分层铣削的加工方式与等损耗补偿普通电火花机床的加工方式是使用成型电极在工件上进行拷贝加工,但当工件的尺寸减小到毫米量级之下时,这种加工方式极难实现。

除成型电极不易制作的原因之外,电极尖角、棱边由于放电集中而变钝的现象严重影响形状精度。

借鉴各种快速原型制造方法(RPM)的逐层增材原理,EDM分层铣削的加工方法是使用简单的圆柱或方形电极分层扫描而实现逐层减材。

由于不需制作成型电极,分层铣削现在几乎成为EDM加工微三维构件的唯一方法。

为减小电极损耗对加工精度的影响,人们进行了大量的理论探索和实验研究,端面放电铣削的等损耗模型使用比较广泛[6]。

根据分层厚度的不同,EDM分层铣削时有侧面放电和端面放电两种加工方式,分别如图2a、2b所示。

侧面放电时分层数较少,分层间距大;端面放电时分层间距小于放电间隙,依靠电极底部放电蚀除材料。

图2分层铣削的放电方式端面放电加工电极的损耗仅仅表现为轴向缩短,因此损耗情况比较简单。

端面放电加工的情况如图3所示,假定放电间隙为图3端面放电时的等损耗示意图h g,分层厚度为h l,初始加工位置为位置B,随加工进行,首先电极端部棱角将被损耗倒钝,如位置C所示,如果工具电极没有轴向补偿,那么电极底部圆角将继续损耗,直至最后底部成为平面不再放电,也即发生所谓电极端面等损耗现象,如位置D、E所示。

等损耗电极补偿模型试图引入电极和工件材料的体积损耗比来实现实时的损耗补偿。

为去除厚度h w的工件材料,由于电极51第3期赵万生等:微三维结构电火花铣削关键技术研究损耗,显然有工具电极轴向总进给量H> h w,设电极损耗长度为h t,那么:H=h w+h t(2)假定已知工具电极和工件材料的体积损耗比为常数K,如果工具电极截面积为S t,工件当前加工层截面积为S w,那么有:K=h t#S th w#S w(3)进而可得到电极轴向进给量:H=(1+S w#K/S t)h w(4)于是在设计CAM软件时,对于一个给定的分层厚度h w,可以计算得到对应的Z 坐标进给量H。

在实际应用中,这种补偿策略的不足在于:(1)在不同机床、不同加工规准和不同两极材料的情况下,K显然不同,为得到一个粗略的K值,需要大量工艺实验。

(2)即使上述条件完全相同,当加工零件尺寸不同时,K亦不相同,特别在大深径比加工时,由于蚀除产物排除困难,K将随深度增加成倍增长。

在目前对电火花加工机理仍然有待继续认识的情况下,设计CAM软件时很难在生成数控代码时对K的变化作出精确预测,如果K比实际值偏大,那么Z向将过切。

(3)对于自由曲面来说,若要获得所有分层面上的面积S w,计算量相当巨大。

(4)显然,由于在CAM中需考虑电极损耗,因此不能采用通用的金属铣削CAM软件来生成微细EDM的分层铣削代码。

这在很大程度上影响微细EDM铣削的实用性。

由于以上几点,等损耗补偿模型的使用受到了一定限制,仅仅适用于有限的场合如简单的矩形型腔、球体的加工等等。

为实现一般情况下的自由曲面铣削加工,本文引入了一种基于放电状态统计的方法,来实现电极的损耗补偿。

3.2电火花铣削加工的放电状态统计规律微细EDM加工的放电状态由正常放电、短路、开路几种状态组成,由于工具电极的高速旋转,微细EDM只在深微孔加工中才会发生稳定拉弧。

若在单位时间T内,检测系统检测到正常放电状态、短路、开路次数分别为d n、d s和d o,那么可以定义开路率为:r=d od n+d s+d o@100%(5)图4是端面放电时伺服系统记录的开路率和平均进给速度变化曲线。