微细电火花加工及其关键技术
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标 ! 而微三维器件的加工是产品小型化的关键 % 从 %& 世纪 ’& 年代开始 ! 世界各国逐步加大对微细加工技术 的研究力度 ! 使得微细加工技术得到长足的发展 ! 出现 " ()*+,-./0+)123-/(4/5,-,.6 了一些新方法 &新技术 !如 !"#$
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要 $ 综述了微细电火花加工的基本原理及最新研究进展 % 比较了 !"#$ 技术与微细电火花加工的特点与应 用 % 简要分析了微细电火花加工的关键技术 $ 微细电极的在线制作 & 微进给装置 & 微小能量的脉冲电源 & 微小电极的运动轨迹规划 & 电极的损耗及补偿策略 % 展望了微细电火花加工在微三维结构加工中的应
工作原理可以分为以下几类 *
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以电致 ) 磁致伸缩器件为基础的微进给机构 这 类 微 进 给 机 构 的 典 型 装 置 有*蠕 动 式 )冲 击 式 )
!
微细电极的制作与装夹技术 由于微细成型电极的制作非常困难 % 目前微细三
椭圆式 $ 蠕动式微进给机构的工作原理如图 0 所示 $ 夹 紧块 1)2 和进给机构 3 以四个节拍为一个工作周期 % 按一定的顺序动作实现电极的进给和回退 $ 若采用细 分伺服系统 % 其进给分辨率可达几十纳米 % 频响可达
残留高度 $如图 !’#)% 所示 #
"
电极损耗的轴向补偿 虽然电极运动轨迹的优化可以减小由于电极损耗
而造成的加工误差 $ 但只能在一定程度上提高加工精 度 # 要实现高精度的电火花分层铣削加工 $ 就必须进行 工具电极的轴向补偿 # 在一定的加工条件下 $ 电极的损 耗率是一定的 # 根据电极的运动轨迹就可以求出电极 在运动轨迹的每个点上的损耗长度 $ 只要补偿该位置 上的电极损耗长度即可实现精确补偿 #
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基于超声马达的微进给机构 这种微进给机构的工作原理如图 ( 所示 ! 移动体
夹于两个定子之间 " 两个定子对移动体的驱动方向相 反 " 形成差动 "使移动体进给回退 ! 该机构平稳性 %直线 性较好#
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加工初始阶段 " 电极末端由于放电而变钝 " 如图 *+
:;<所示 ! 随着扫描运动的继续 "电极的末端开始出现损
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由于加工过程中电极末端形状的改变 " 我们很难 获得所期望的三维形状 ! 如果能通过某种措施使电极 端面的形状保持不变’ 电极端面各点的损耗量均匀 " 如 图 9:=< 所示 ( " 就可以通过电极的轴向补偿来获得很高 的加工精度 "得到准确的三维形状 ! 电火花分层铣削过 程中 " 电极作直线扫描运动而无轴向进给时电极损耗 的情况如图 *+ 所示 !
!
电火花分层铣削中电极轨迹的规划 在没有补偿电极损耗的情况下 $ 随着电极扫描的
进行会产生如图 !" 所示的加工误差 # 电火花分层铣削 过程中 $采用两相邻层面往复运动的方式来减小电极损 耗造成的误差 # 在水平面内 $ 工具电极的扫描路径如图
%
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机械工程师
定性较差 !
个脉冲的放电能量是提高加工精度 % 降低表面粗糙度 的有效途径 ! 微细电火花加工中 "要求最小放电能量控 制在 *+,!-*+,&. " 相应的放电脉冲的宽度要求在微秒级 至亚微秒以下量级#
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以步进电机和电致伸缩效应为基础的微进给机构 该微进给机构的工作原理如图 ! 所示 ! 步进电机
787-23/9:,.785-’ 技术 & 准 !"#$ 技术 & 光刻技术 & 蚀 刻
技术和微细电火花加工技术等 % 目前 !!"#$ 技术能够 制 作 高 宽 比 大 于 ;&&& 厚 度 近 <&&&! : & 侧 壁 平 行 度 偏 差在亚微米级的三维立体结构(
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加工斜面和自由曲面的微细三维结构 ! 难以加工真正 的三维结构 ! 而且 %&’( 技术设备昂贵
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线电极在导向器上连续移动 % 导向器沿工件的径 向作微进给 % 而工件随主轴旋转的同时作轴向进给’
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冲击式微进给机构的工作原理如图 % 所示 $ 压电 陶瓷通电后快速收缩 % 惯性体产生加速度通过压电陶 瓷冲击移动体 % 然后压电陶瓷断电快速伸长 % 冲击惯性 体和移动体 $ 通过惯性体和压电陶瓷的冲击 % 使移动体 克服摩擦力产生微位移 % 但是其进给精度和频响较差 $
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微细电火花加工 电火花加工的基本原理是基于工具和工件之间脉
微细电火花加工技术主要包括以下几个方面的关 + !’ 微细电极的制作与装夹技术 * + +’ 高精度 键技术 $ 微小进给与驱动装置 * + - ’ 微小能量的加工电源 *+ . ’
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机械工程师
电火花分层铣削中电极损耗及其补偿 ! " !# 电火花分 层铣削中电极轨迹的规划 $
前
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达到对零件的尺寸&形状及表面质量预定的加工要求(
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产品的小型化 & 微型化是人们长期以来追求的目
电火花加工的表面质量主要取决于电蚀凹坑的大小和 深度 ! 即单个放电脉冲的能量 * 而其加工精度与电极损 耗 & 电极制造与安装精度 & 伺服稳定性等因素密切相 关 % 理论上讲 ! 只要精确地控制单个脉冲放电能量并配 合精密微量进给就可实现极微细的金属材料的去除! 可加工微细轴 &孔 & 窄缝 & 平面以及曲面三维结构等 % 近 年来 !微细电火花加工技术取得了很大的进展 % 应用这 一技术 ! !SST 年 T 月 ! 日本东京大学增泽隆久 & 余祖元 等人利用简单形状的微细电极 ! 制作出了长 #O" :: & 宽
维结构主要用简单形状的电极通过分层铣削的方法进 行加工 $ 因此微细电极的制作与装夹成为微细三维结 构加工的关键 $ 离线制作的微细电极经过二次装夹 %其 定位精度难以满足微细加工的要求 $ "#$% 年 %日本东京 工业大学的增泽隆久等人发明了线电极电火花磨削 " &’() & 技术 % 其工作原理见图 "$
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! 加工行程的计算机控制次序如图 ’ 所示 !
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电火花分层铣削中电极损耗 影响电火花加工精度的因素很多 " 如电极损耗 % 电
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解质的特性和工作台运动等 ! 其中 " 对微细电火花加工 精度影响最大的就是电极损耗 ! 截面为方形的电极的 末端比圆柱形电极的末端更容易损耗 " 所以方形截面的 电极损耗对加工精度的影响更为明显 "如图 9:;<所示#
( +)
花加工设备造价低廉 & 适应性广 ! 可以加工复杂的三维 曲面微细结构 % 正是由于以上优点 ! 微细电火花加工有 可能成为微三维结构器件的主要加工技术之一 %
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冲性火花放电时的电腐蚀现象来蚀除多余的 金 属 !以
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李 刚! 赵万生 " 哈尔滨工业大学 机电学院 ! 黑龙江 哈尔滨 !"###!# 摘 用前景 % 关键词 $ 微细电火花加工$ %&’($ 微三维结构 中图分类号 $)’**! 文献标识码 $( 文章编号 $!##+,+--- "+##.’#+,###-,#"
微细电火花加工及其关键技术
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耗 " 倒 钝 圆 角 逐 步 减 小’ 如 图 *+:=< 所 示 ( 直 至 消 失#
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微小能量脉冲电源技术 脉冲电源的作用是提供击穿间隙中加工介质所需
的电压 " 并在击穿后提供能量以蚀除工件材料 ! 减小单
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机械工程师
! 如图 !"#$% 所示 " # 电火花分层铣削及电极损耗等概念的提出 $ 大大 简化了电火花分层铣削过程中电极损耗的补偿策略$ 具有很强的实用性 #
% 但是 %&’( 技术难以 % 而微细电火
#O+ :: & 深 #O+ :: 的微型汽车模具 ! 并用此制作出了微
型汽车模型(
.)
% !SSS 年 E日本庆应义塾大学谷村尚等人
利用微细电火花加工技术加工出了直径为 !"#! : & 尖 端部半径为 +O"! : 的扫描探针 E 并用其完成了三维表 面的轮廓测量等(
的步距等于若干个小行程 " 每个小行程由 "#$% 器件 构成的执行件完成 " 在执行件达到量程后 " 让它快速返 回到起始位置 " 由步进电机驱动下层工作台作一相同 距离的大步距进给 " 整个加工行程由两种进给方式交 替进行#
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! 微小能量脉冲电源主要有两种
形式 & 独立式晶体管脉冲电源和弛张式 /0 脉冲电源 ! 晶体管微小能量脉冲电源多采用 12%345 管做开关器 件 " 它 具 有 开 关 速 度 高 %%26 高 % 无 温 漂 以 及 无 热 击 穿 故障的优点 ! 晶体管电源脉冲频率高 % 脉冲参数容易调 节 %脉 冲 波 形 好 %容 易 实 现 多 回 路 和 自 适 应 控 制 "因 此 应用范围比较广泛 ! 弛张式 70 脉冲电源是利用电容器 充电储存电能 " 而后瞬时放出的原理工作的 ! 70 脉冲 电源结构简单 %易于调节单脉冲放电能量#
通过这种方法可获得直径几微米的微小电极 % 而且没 有电极的安装误差 $ +, 世纪 $, 年代末 % 增泽隆久等人 应用这一技术已加工出直径 +-!! . 的微细轴 $ 线电极电火花磨削技术不仅可以加工出圆柱状电 极 % 通过控制主轴的旋转与分度 % 还可以加工出多边 形 ) 螺旋形电极 $ 制作多边形电极的原理如图 + 所示 $ 线电极磨削时主轴不作旋转运动 % 仅作轴向进给 运动 % 通过对主轴的分度和导向器的径向进给 % 即可加 工出多边形的电极’
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椭圆式微进给机构的工作原理如图 ! 所示 $ 不同 相位的交流电作用于上下相互垂直排列的压电振子 上 %使驱动块表面产生椭圆运动轨迹 $ 电极在两个驱动 块作用下进给或回退 $ 其相应频率可达 ",,, 45 % 但稳
"
高精度微进给驱动装置 微进给机构是微小电火花加工装置中的关键技
术 % 是实现微细电火花加工的前提和保证 $ 传统的滚珠 丝杠进给机构传动链长 % 传动装置之间存在间隙 % 其精 度和频响都难以满足微细电火花加工技术的要求 $ 近 年来一些新型微进给机构的出现 % 很好地解决了微细 电火花加工中微小步距进给的难题 $ 微进给机构按其
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微细电极的制作与装夹技术 由于微细成型电极的制作非常困难 % 目前微细三
椭圆式 $ 蠕动式微进给机构的工作原理如图 0 所示 $ 夹 紧块 1)2 和进给机构 3 以四个节拍为一个工作周期 % 按一定的顺序动作实现电极的进给和回退 $ 若采用细 分伺服系统 % 其进给分辨率可达几十纳米 % 频响可达
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电极损耗的轴向补偿 虽然电极运动轨迹的优化可以减小由于电极损耗
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由于加工过程中电极末端形状的改变 " 我们很难 获得所期望的三维形状 ! 如果能通过某种措施使电极 端面的形状保持不变’ 电极端面各点的损耗量均匀 " 如 图 9:=< 所示 ( " 就可以通过电极的轴向补偿来获得很高 的加工精度 "得到准确的三维形状 ! 电火花分层铣削过 程中 " 电极作直线扫描运动而无轴向进给时电极损耗 的情况如图 *+ 所示 !
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电火花分层铣削中电极轨迹的规划 在没有补偿电极损耗的情况下 $ 随着电极扫描的
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个脉冲的放电能量是提高加工精度 % 降低表面粗糙度 的有效途径 ! 微细电火花加工中 "要求最小放电能量控 制在 *+,!-*+,&. " 相应的放电脉冲的宽度要求在微秒级 至亚微秒以下量级#
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以步进电机和电致伸缩效应为基础的微进给机构 该微进给机构的工作原理如图 ! 所示 ! 步进电机
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冲击式微进给机构的工作原理如图 % 所示 $ 压电 陶瓷通电后快速收缩 % 惯性体产生加速度通过压电陶 瓷冲击移动体 % 然后压电陶瓷断电快速伸长 % 冲击惯性 体和移动体 $ 通过惯性体和压电陶瓷的冲击 % 使移动体 克服摩擦力产生微位移 % 但是其进给精度和频响较差 $
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微细电火花加工 电火花加工的基本原理是基于工具和工件之间脉
微细电火花加工技术主要包括以下几个方面的关 + !’ 微细电极的制作与装夹技术 * + +’ 高精度 键技术 $ 微小进给与驱动装置 * + - ’ 微小能量的加工电源 *+ . ’
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利用微细电火花加工技术加工出了直径为 !"#! : & 尖 端部半径为 +O"! : 的扫描探针 E 并用其完成了三维表 面的轮廓测量等(
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通过这种方法可获得直径几微米的微小电极 % 而且没 有电极的安装误差 $ +, 世纪 $, 年代末 % 增泽隆久等人 应用这一技术已加工出直径 +-!! . 的微细轴 $ 线电极电火花磨削技术不仅可以加工出圆柱状电 极 % 通过控制主轴的旋转与分度 % 还可以加工出多边 形 ) 螺旋形电极 $ 制作多边形电极的原理如图 + 所示 $ 线电极磨削时主轴不作旋转运动 % 仅作轴向进给 运动 % 通过对主轴的分度和导向器的径向进给 % 即可加 工出多边形的电极’
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椭圆式微进给机构的工作原理如图 ! 所示 $ 不同 相位的交流电作用于上下相互垂直排列的压电振子 上 %使驱动块表面产生椭圆运动轨迹 $ 电极在两个驱动 块作用下进给或回退 $ 其相应频率可达 ",,, 45 % 但稳
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高精度微进给驱动装置 微进给机构是微小电火花加工装置中的关键技
术 % 是实现微细电火花加工的前提和保证 $ 传统的滚珠 丝杠进给机构传动链长 % 传动装置之间存在间隙 % 其精 度和频响都难以满足微细电火花加工技术的要求 $ 近 年来一些新型微进给机构的出现 % 很好地解决了微细 电火花加工中微小步距进给的难题 $ 微进给机构按其