微细电加工应用技术研究
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在微 细 电 化 学 加 工 研 究 方 面 , 2000 年 德 国 Fritz2Haber 研究所提出了新颖的利用超短脉冲的微 细电化学加工方法[3] ,使微细电化学加工以材料去 除的加工方式 ,达到加工出微米尺寸的微细结构的
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
国家高 技 术 研 究 发 展 计 划 资 助 项 目 ( 2007AA04Z346 , 2006AA04 Z317) 作者简介 : 李勇 , 男 , 1962 年生 , 教授 。
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得到微小尺寸的电极轴且易保证较高的尺寸和形状 精度 ,使微细电火花加工的最小加工特征尺寸达到 微米量级 。持续的研究开发也已使微细电火花加工 对象由简单的圆截面微小轴 、孔拓展到复杂的微小 三维结构 。1997 年日本东京大学研究出选择工具 电极端部放电 ,利用简单形状电极进行扫描加工的 方法 ,使三维微小结构的电火花加工成为可能[2] 。
设计·研究 《电加工与模具》2009 年增刊
技术水平 。 理论上 ,微细电加工具有加工方法灵活 、加工装
备成本较低 、适用加工材料范围广 、对加工环境要求 不甚苛刻 、具有向微纳制造发展的潜力以及可迅速 投入应用等优点 。但在实际上 ,考虑到工业应用中 对高精度和高效率加工的同步要求 ,微细电加工尚 需在进一步研究开发中弥补或克服自身原理上的先 天缺陷 ,形成具有实用价值的微细加工手段 。
对于微细电火花加工 ,从原理上可认为是近电 场作用 ,微小放电间来自百度文库有助于实现加工精度的控制 , 但在加工过程中电极的损耗往往使预期的形状加工 精度难以实现 。线电极放电磨削 ( WED G) 工艺解决 了微细电极在线制作的问题 ,但在实际加工应用中 , 电极的损耗导致微细电极的反复修整 ,加工效率过 低 。另外 ,在三维微小结构的微细电火花扫描加工 过程中 ,相对电极的微细截面 ,工件需蚀除的材料面 积和体积较大 ,电极损耗更为严重 。电极损耗使在 加工过程中电极与工件的间隙随横向扫描时刻在增 大 ,超出放电加工间隙后 ,加工过程将难以为继 。
通常的微细电火花扫描加工过程如图 4 所示 。 在图 4a 中 ,电极纵向进给接近工件表面 ,设定加工 层厚 ,电极纵向定位 。之后电极以速度 v x 横向移 动进行扫描加工 。由于存在电极损耗 ,电极与工件 之间间隙增大 ,加工作用逐渐减弱 ,直至超出放电加 工间隙 ,放电加工停止 。在这种无电极损耗补偿的 情况下 ,微细电火花扫描加工无法正常进行 。而基 于工艺实验经验数据 ,在电极损耗速率已知的情况 下 ,在横向扫描加工的同时 ,使电极以一定速度 vz 纵向进给 ,如图 4b 所示 ,可达到电极损耗补偿的效 果 ,保持持续的放电加工状态 ,但缺乏自动加工的柔 性 。图 4c 所示为我们研究开发的基于放电间隙伺 服控制进行电极损耗实时补偿的三维微小结构的微 细电火花扫描加工方法 。在横向扫描加工的同时 , 实时检测电极端面放电的开路 、短路和正常加工状 态 ,通过电极的纵向伺服进给 ,使加工放电间隙始终 保持在正常放电范围 。从而在该扫描加工层 ,均匀 地蚀除掉每一处的被加工材料 。 在微细电火花伺服扫描加工中 ,设定不同的横 向扫描速度 ,在多次实验中发现伺服扫描加工过程
图 2 微细电极丝导向器
通过配置微细电极丝进给补偿机构模块 ,结合 高频脉冲放电电源 、加工状态检测及电极伺服进给 控制等系列关键技术的开发应用 ,构建出了精密微 细孔电火花加工系统 。
微细孔电火花加工机床采用机电模块化设计 , 具有 X Y 数控工作台适用于单件微细孔和阵列微 细孔的加工 ,最小孔径尺寸 0. 1 mm ,深径比 10∶1 。 加 工尺寸精度可达 ±2μm ,表面粗糙度 R a 0. 2～ 0. 4μm 。
但由于电极截面细微 ,电极损耗问题相对突出 , 因此多工件连续加工的进给和电极损耗自动补偿机 构成为关键 。
基于蠕动运动机理 ,所设计的电极丝损耗补偿 进给机构原理如图 1 所示[4] 。机构受 Z 向伺服进 给驱动 ,主要由常开式 、常闭式夹丝机构和电极丝导 向器构成 (图 1a) 。在正常加工进给过程中 ,常开式 夹丝机构处于松开状态 ,常闭式夹丝机构夹紧电极 丝 ,在 Z 向伺服进给驱动下 ,沿轴向进给电极丝进 行加工 (图 1b) 。当一个工位的进给加工完成后 , Z 向伺服进给驱动常闭式夹丝机构反向快速回退 ,由 于电极丝长度方向的加工损耗 ,为保持每一次加工 状态一致 ,将电极丝前端调至初始位置 ,此时由常开 式夹丝机构夹紧电极丝 ,常闭式夹丝机构松开 (图 1c) 。 Z 向伺服驱动继续反向回退至初始位置 ,再使 常闭式夹丝机构夹紧电极丝 ,常开式夹丝机构处于 松开状态 (图 1d) ,即回到图 1a 所示的状态 。循环 往复上述过程 ,可实现电极丝的的多工件连续加工 进给和电极损耗自动补偿 。 当然 ,该机构通过多次循环进给 ,也可应用于超
《电加工与模具》2009 年增刊 设计·研究
微细电加工应用技术研究
李 勇
( 清华大学制造工程研究所 ,北京 100084 )
摘要 : 微细电加工要达到工业应用的目的 ,需兼顾加工效率和加工精度两方面的要求 。以微 细孔 、微细三维结构的加工为目标 ,进行了微细孔电火花加工 、三维微细结构电火花伺服扫描加工 及微细电化学加工技术的研究开发 。设计出微细电极的损耗补偿进给和导向机构 ,开发出三维微 细结构的电火花伺服扫描加工工艺 ,研究了采用阵列微细电极的微细电化学加工方法 。微细孔电 火花加工可连续加工直径小至 100μm 的孔 。伺服扫描电火花加工可便捷地在小于 1 mm2 区域内 加工出三维微细结构 。提出的微细电化学加工技术路线拟将微细电解加工应用于阵列微细孔和三 维微细结构的加工 。
对于微细电化学加工 ,从原理上说电场能在工 作液中远距离作用 ,直接利用阳极溶解或阴极沉积 , 加工尺寸精度容易失控 。现实上 ,尽管电铸加工材 料种类很有限 ,阴极沉积材料的电铸加工与光刻技 术的结合保证了微细图形结构的复制精度 。相对而 言 ,尽管电解加工从基本原理上是离子的交换蚀除 , 且加工材料范围广 ,但电解加工尺寸精度的提高一 直是一亟待解决的问题 。利用超短脉冲的微细电化 学加工方法令人耳目一新[3] ,但在加工效率和实用 性上尚有较大距离 ,需进一步的研究开发 。
图 3 所示分别为在硬质合金工件上加工出的直 径为 120 μm 的微小单孔和在黄铜合金材料工件上 加工出的直径为 100μm 的 16 ×16 阵列微细孔 。采 用实心钨丝电极 、电加工油作为工作液进行正极性 加工 。所用加工电压为 100 V ,脉冲宽度和脉冲间 隔分别为 5μs 和 10μs。
图 3 微细孔加工样件
为实现连续的放电加工 ,达到具有应用价值的 加工效率 ,我们提出了基于放电间隙伺服控制进行 电极损耗实时补偿的微细电火花扫描加工方法[5] 。 通过高速实时采集放电间隙的状态量作为反馈信 号 ,与正常加工的设定状态量进行比较产生控制信 息 ,利用比较控制信息对放电间隙进行闭环控制 ,使 放电间隙始终保持在正常放电加工状态 。
着眼于微细电加工技术的特点 ,立足于工业应 用背景 ,近年来我们相继进行了微细孔电火花加工 、
三维微细结构电火花伺服扫描加工及微细电化学加 工技术的理论研究和技术开发 ;形成了一些技术思 路和阶段性的技术成果 ,在此做一简要介绍 。
1 微细孔电火花加工
在微细孔电火花加工的工业应用中 ,从加工效 率考虑 ,相对于线电极放电磨削 ( WED G) 在线制作 微细电极 ,采用拉拔出的具有一定长度的微细电极 丝直接作为工具电极依然具有优势 。它在一次装夹 后能连续加工一批工件 ,大大减少电极更换次数 ,节 省辅助时间 。
关键词 : 微细电火花加工 ;微细电化学加工 ;电极损耗 ;伺服进给 ;伺服扫描 中图分类号 : T G66
Micro Electro Machining Technologies f or Industrial Application
Li Yong ( Tsinghua University , Beijing 100084 , China ) Abstract : Micro elect ro machining technologies including micro2EDM and micro2ECM are devel2 oped to drill micro holes and shape 3D micro st ruct ures for indust rial purposes. An automatic feed mechanism is designed for micro EDM equipment to compensate elect rode wear and guide micro elec2 t rode. A servo scanning EDM met hod is proposed for shaping 3D micro st ruct ures , in which elect rode wear is compensated on real time by servo cont rol of discharge gap . Then a micro ECM process is also t ried to drill array micro holes. Micro holes wit h minimum diameter of 100μm can be drilled efficient2 ly in t he EDM process. 3D micro st ruct ures wit hin area of 1 mm2 square can be shaped conveniently by use of t he servo scanning EDM process. The micro ECM process proposed will be f urt her st udied and used into t he machining of array micro holes and 3D micro st ruct ures. Key words : micro EDM ; micro ECM ; elect rode erosion ; servo feed ; servo scanning
(a)
( b)
(c)
( d)
图 1 电极丝损耗补偿进给机构原理示意图
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© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
《电加工与模具》2009 年增刊 设计·研究
2 三维扫描微细电火花加工
三维微小结构的微细电火花加工是通过逐层扫 描去除材料加工的方法实现的 ,其加工过程中的突 出问题是电极纵向损耗 。迄今为保持持续的放电加 工状态 ,达到三维结构成形的目的 ,电极进给补偿主 要基于工艺实验经验数据进行 ,这种补偿方法缺乏 灵活性 ,其实用性大打折扣 。
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出一次进给行程的深孔的加工 。由于电极丝直径细 微 ,刚度不足 ,为保证微细孔的加工形状和尺寸精度 并减小机构误差对加工精度的影响 ,在进丝机构前 端设计有电极丝导向器 。微细电极丝导向器的关键 结构采用了体硅刻蚀的单晶硅 V 型导向槽 。利用 体硅异向性刻蚀工艺 ,在单晶硅片上容易刻蚀出精 密微细的 V 型槽 ,再通过 CVD 工艺在其表面沉积 二氧化硅及氮化硅薄膜 ,可得到需要的耐磨和绝缘 特性 。单晶硅 V 型导向器如图 2 所示 ,通过尺寸优 化设计 ,一种规格的 V 型导向槽可适应一定直径范 围的微细电极丝导向 ,导向器结构尺寸不必与每一直 径的电极丝一一对应 。设计可调的弹性压片将电极 丝约束在 V 型导向槽内 ,可获得高精度的导向效果。
近年来微细电加工技术的研究开发使其在加工 精度的提高和加工尺寸的微小化方面取得长足进 展 。这里所述的微细电加工包括微细电火花加工和 微细电化学加工 。
1984 年日本东京大学开发出线电极放电磨削 ( WED G) 工艺[1] ,采用微小线电极放电磨削制作 ,可
收稿日期 : 2009 - 01 - 15 基金项目 : 国家重点基础研究发展计划资助项目 (2003CB716204) ;
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
国家高 技 术 研 究 发 展 计 划 资 助 项 目 ( 2007AA04Z346 , 2006AA04 Z317) 作者简介 : 李勇 , 男 , 1962 年生 , 教授 。
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得到微小尺寸的电极轴且易保证较高的尺寸和形状 精度 ,使微细电火花加工的最小加工特征尺寸达到 微米量级 。持续的研究开发也已使微细电火花加工 对象由简单的圆截面微小轴 、孔拓展到复杂的微小 三维结构 。1997 年日本东京大学研究出选择工具 电极端部放电 ,利用简单形状电极进行扫描加工的 方法 ,使三维微小结构的电火花加工成为可能[2] 。
设计·研究 《电加工与模具》2009 年增刊
技术水平 。 理论上 ,微细电加工具有加工方法灵活 、加工装
备成本较低 、适用加工材料范围广 、对加工环境要求 不甚苛刻 、具有向微纳制造发展的潜力以及可迅速 投入应用等优点 。但在实际上 ,考虑到工业应用中 对高精度和高效率加工的同步要求 ,微细电加工尚 需在进一步研究开发中弥补或克服自身原理上的先 天缺陷 ,形成具有实用价值的微细加工手段 。
对于微细电火花加工 ,从原理上可认为是近电 场作用 ,微小放电间来自百度文库有助于实现加工精度的控制 , 但在加工过程中电极的损耗往往使预期的形状加工 精度难以实现 。线电极放电磨削 ( WED G) 工艺解决 了微细电极在线制作的问题 ,但在实际加工应用中 , 电极的损耗导致微细电极的反复修整 ,加工效率过 低 。另外 ,在三维微小结构的微细电火花扫描加工 过程中 ,相对电极的微细截面 ,工件需蚀除的材料面 积和体积较大 ,电极损耗更为严重 。电极损耗使在 加工过程中电极与工件的间隙随横向扫描时刻在增 大 ,超出放电加工间隙后 ,加工过程将难以为继 。
通常的微细电火花扫描加工过程如图 4 所示 。 在图 4a 中 ,电极纵向进给接近工件表面 ,设定加工 层厚 ,电极纵向定位 。之后电极以速度 v x 横向移 动进行扫描加工 。由于存在电极损耗 ,电极与工件 之间间隙增大 ,加工作用逐渐减弱 ,直至超出放电加 工间隙 ,放电加工停止 。在这种无电极损耗补偿的 情况下 ,微细电火花扫描加工无法正常进行 。而基 于工艺实验经验数据 ,在电极损耗速率已知的情况 下 ,在横向扫描加工的同时 ,使电极以一定速度 vz 纵向进给 ,如图 4b 所示 ,可达到电极损耗补偿的效 果 ,保持持续的放电加工状态 ,但缺乏自动加工的柔 性 。图 4c 所示为我们研究开发的基于放电间隙伺 服控制进行电极损耗实时补偿的三维微小结构的微 细电火花扫描加工方法 。在横向扫描加工的同时 , 实时检测电极端面放电的开路 、短路和正常加工状 态 ,通过电极的纵向伺服进给 ,使加工放电间隙始终 保持在正常放电范围 。从而在该扫描加工层 ,均匀 地蚀除掉每一处的被加工材料 。 在微细电火花伺服扫描加工中 ,设定不同的横 向扫描速度 ,在多次实验中发现伺服扫描加工过程
图 2 微细电极丝导向器
通过配置微细电极丝进给补偿机构模块 ,结合 高频脉冲放电电源 、加工状态检测及电极伺服进给 控制等系列关键技术的开发应用 ,构建出了精密微 细孔电火花加工系统 。
微细孔电火花加工机床采用机电模块化设计 , 具有 X Y 数控工作台适用于单件微细孔和阵列微 细孔的加工 ,最小孔径尺寸 0. 1 mm ,深径比 10∶1 。 加 工尺寸精度可达 ±2μm ,表面粗糙度 R a 0. 2～ 0. 4μm 。
但由于电极截面细微 ,电极损耗问题相对突出 , 因此多工件连续加工的进给和电极损耗自动补偿机 构成为关键 。
基于蠕动运动机理 ,所设计的电极丝损耗补偿 进给机构原理如图 1 所示[4] 。机构受 Z 向伺服进 给驱动 ,主要由常开式 、常闭式夹丝机构和电极丝导 向器构成 (图 1a) 。在正常加工进给过程中 ,常开式 夹丝机构处于松开状态 ,常闭式夹丝机构夹紧电极 丝 ,在 Z 向伺服进给驱动下 ,沿轴向进给电极丝进 行加工 (图 1b) 。当一个工位的进给加工完成后 , Z 向伺服进给驱动常闭式夹丝机构反向快速回退 ,由 于电极丝长度方向的加工损耗 ,为保持每一次加工 状态一致 ,将电极丝前端调至初始位置 ,此时由常开 式夹丝机构夹紧电极丝 ,常闭式夹丝机构松开 (图 1c) 。 Z 向伺服驱动继续反向回退至初始位置 ,再使 常闭式夹丝机构夹紧电极丝 ,常开式夹丝机构处于 松开状态 (图 1d) ,即回到图 1a 所示的状态 。循环 往复上述过程 ,可实现电极丝的的多工件连续加工 进给和电极损耗自动补偿 。 当然 ,该机构通过多次循环进给 ,也可应用于超
《电加工与模具》2009 年增刊 设计·研究
微细电加工应用技术研究
李 勇
( 清华大学制造工程研究所 ,北京 100084 )
摘要 : 微细电加工要达到工业应用的目的 ,需兼顾加工效率和加工精度两方面的要求 。以微 细孔 、微细三维结构的加工为目标 ,进行了微细孔电火花加工 、三维微细结构电火花伺服扫描加工 及微细电化学加工技术的研究开发 。设计出微细电极的损耗补偿进给和导向机构 ,开发出三维微 细结构的电火花伺服扫描加工工艺 ,研究了采用阵列微细电极的微细电化学加工方法 。微细孔电 火花加工可连续加工直径小至 100μm 的孔 。伺服扫描电火花加工可便捷地在小于 1 mm2 区域内 加工出三维微细结构 。提出的微细电化学加工技术路线拟将微细电解加工应用于阵列微细孔和三 维微细结构的加工 。
对于微细电化学加工 ,从原理上说电场能在工 作液中远距离作用 ,直接利用阳极溶解或阴极沉积 , 加工尺寸精度容易失控 。现实上 ,尽管电铸加工材 料种类很有限 ,阴极沉积材料的电铸加工与光刻技 术的结合保证了微细图形结构的复制精度 。相对而 言 ,尽管电解加工从基本原理上是离子的交换蚀除 , 且加工材料范围广 ,但电解加工尺寸精度的提高一 直是一亟待解决的问题 。利用超短脉冲的微细电化 学加工方法令人耳目一新[3] ,但在加工效率和实用 性上尚有较大距离 ,需进一步的研究开发 。
图 3 所示分别为在硬质合金工件上加工出的直 径为 120 μm 的微小单孔和在黄铜合金材料工件上 加工出的直径为 100μm 的 16 ×16 阵列微细孔 。采 用实心钨丝电极 、电加工油作为工作液进行正极性 加工 。所用加工电压为 100 V ,脉冲宽度和脉冲间 隔分别为 5μs 和 10μs。
图 3 微细孔加工样件
为实现连续的放电加工 ,达到具有应用价值的 加工效率 ,我们提出了基于放电间隙伺服控制进行 电极损耗实时补偿的微细电火花扫描加工方法[5] 。 通过高速实时采集放电间隙的状态量作为反馈信 号 ,与正常加工的设定状态量进行比较产生控制信 息 ,利用比较控制信息对放电间隙进行闭环控制 ,使 放电间隙始终保持在正常放电加工状态 。
着眼于微细电加工技术的特点 ,立足于工业应 用背景 ,近年来我们相继进行了微细孔电火花加工 、
三维微细结构电火花伺服扫描加工及微细电化学加 工技术的理论研究和技术开发 ;形成了一些技术思 路和阶段性的技术成果 ,在此做一简要介绍 。
1 微细孔电火花加工
在微细孔电火花加工的工业应用中 ,从加工效 率考虑 ,相对于线电极放电磨削 ( WED G) 在线制作 微细电极 ,采用拉拔出的具有一定长度的微细电极 丝直接作为工具电极依然具有优势 。它在一次装夹 后能连续加工一批工件 ,大大减少电极更换次数 ,节 省辅助时间 。
关键词 : 微细电火花加工 ;微细电化学加工 ;电极损耗 ;伺服进给 ;伺服扫描 中图分类号 : T G66
Micro Electro Machining Technologies f or Industrial Application
Li Yong ( Tsinghua University , Beijing 100084 , China ) Abstract : Micro elect ro machining technologies including micro2EDM and micro2ECM are devel2 oped to drill micro holes and shape 3D micro st ruct ures for indust rial purposes. An automatic feed mechanism is designed for micro EDM equipment to compensate elect rode wear and guide micro elec2 t rode. A servo scanning EDM met hod is proposed for shaping 3D micro st ruct ures , in which elect rode wear is compensated on real time by servo cont rol of discharge gap . Then a micro ECM process is also t ried to drill array micro holes. Micro holes wit h minimum diameter of 100μm can be drilled efficient2 ly in t he EDM process. 3D micro st ruct ures wit hin area of 1 mm2 square can be shaped conveniently by use of t he servo scanning EDM process. The micro ECM process proposed will be f urt her st udied and used into t he machining of array micro holes and 3D micro st ruct ures. Key words : micro EDM ; micro ECM ; elect rode erosion ; servo feed ; servo scanning
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图 1 电极丝损耗补偿进给机构原理示意图
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© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
《电加工与模具》2009 年增刊 设计·研究
2 三维扫描微细电火花加工
三维微小结构的微细电火花加工是通过逐层扫 描去除材料加工的方法实现的 ,其加工过程中的突 出问题是电极纵向损耗 。迄今为保持持续的放电加 工状态 ,达到三维结构成形的目的 ,电极进给补偿主 要基于工艺实验经验数据进行 ,这种补偿方法缺乏 灵活性 ,其实用性大打折扣 。
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出一次进给行程的深孔的加工 。由于电极丝直径细 微 ,刚度不足 ,为保证微细孔的加工形状和尺寸精度 并减小机构误差对加工精度的影响 ,在进丝机构前 端设计有电极丝导向器 。微细电极丝导向器的关键 结构采用了体硅刻蚀的单晶硅 V 型导向槽 。利用 体硅异向性刻蚀工艺 ,在单晶硅片上容易刻蚀出精 密微细的 V 型槽 ,再通过 CVD 工艺在其表面沉积 二氧化硅及氮化硅薄膜 ,可得到需要的耐磨和绝缘 特性 。单晶硅 V 型导向器如图 2 所示 ,通过尺寸优 化设计 ,一种规格的 V 型导向槽可适应一定直径范 围的微细电极丝导向 ,导向器结构尺寸不必与每一直 径的电极丝一一对应 。设计可调的弹性压片将电极 丝约束在 V 型导向槽内 ,可获得高精度的导向效果。
近年来微细电加工技术的研究开发使其在加工 精度的提高和加工尺寸的微小化方面取得长足进 展 。这里所述的微细电加工包括微细电火花加工和 微细电化学加工 。
1984 年日本东京大学开发出线电极放电磨削 ( WED G) 工艺[1] ,采用微小线电极放电磨削制作 ,可
收稿日期 : 2009 - 01 - 15 基金项目 : 国家重点基础研究发展计划资助项目 (2003CB716204) ;