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微细电火花加工技术


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第2卷 第3期 2007 年 3 月

微细电火花加工技术
余祖元,郭东明,贾振元
(大连理工大学机械工程学院,大连 116024) 摘 要:微细电火花加工(Micro Electrical Discharge

Machining, Micro EDM)作为微细加工技术的一种,可以 在任何导电材料上加工高精度、大深宽比微细三维型腔,以满足日益增长的产品微小型化需求。针对微细电火 花加工中的一些关键问题,如微细电极损耗与补偿、大深径比微孔加工,本文着重介绍部分研究结果,以期在 微细电火花加工技术的应用中,提供解决对策。 关键词:微细电火花加工; 工具损耗补; CAD/CAM; 大深径比微孔; 电极摇动 中图分类号:TH16 文献标识码:A 文章编号:1673-7180(2007)03-0214-7

0 引言 产品的小型化和微型化已经成为发展的必然趋 势。这不仅可以在有限的空间増 加产品的功能,也 可以减少对日益枯竭的自然资源,如材料和能源的 消耗。这一发展趋势对微加工技术的应用和开发提 出了迫切的需求。大多数微加工技术是以硅片为基 础的半导体加工技术,如刻蚀和电镀。由于这种加 工方式属于批量生产,可以降低生产成本,并且, 半导体加工技术已经广泛应用于大规模集成电路的 加工,技术成熟,宜于与电子控制系统集成,因而 获得学术界和企业界的关注,被应用于加工微小机 电系统(Micro Electromechanical System, MEMS)的 加工。这种方法也有局限性,如可选材料有限,并 且深宽比小等,限制了产品的功能和应用范围。另 一方面,具有耐磨,耐热和耐蚀性能的各种合金材 料和工程材料在航天航空领域,医学,生化,通讯 等领域广泛应用。然而,对这些材料进行微米加工 尚缺乏有效的手段。因此,精密微细加工技术越来 越获得学术界和企业的重视,成为先进制造技术和 设备的研究和开发的一个重要方向。 作为微细加工技术的其中之一的微细电火花加 工,可用于加工所有导电材料,而不考虑材料的硬 度等机械性能。由于加工过程中不存在工具与工件 的机械接触,因此可采用硬度较低的导电材料作为
通讯作者:E-mail: zyu@dlut.edu.cn

工具材料。微细电火花加工技术广泛应用于微孔、 微小零部件和微型模具的加工。本文将介绍微细电 火花加工技术的基本原理、微细电极制备方法、三 维微细电火花加工、异型截面微沉孔和大深径比微 孔加工技术。 1 微细电火花加工的基本原理 电火花加工过程如图 1 所示。电极和工件都置 于绝缘介质中;当电脉冲加载工件和电极时(图 1 (a),电子和离子分别向阴极和阳极移动,导致电 ) 极和工件间的绝缘层击穿,形成过程放电通道(图 1 (b);具有几千度高温的放电通道溶化和部分汽化 ) 其两端连接电极和工件的部分,并汽化周围的绝缘 介质,形成气泡(图 1(c);当电脉冲结束时,周 ) 围的低温绝缘液与电极和工件溶化的部分接触,产 生爆炸,工件溶化的部分被吹入绝缘介质中,形成 加工屑,在其表面留有一个浅坑,完成材料去除; 同理,电极部分的浅坑表明加工过程存在工具损耗 (图 1(d)。 )

图1

放电加工过程

用于电火花的脉冲发生器有两种:方波脉冲发

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生器(开关电路)和RC脉冲发生器,如图 2 所示。 传统电火花加工机床采用开关电路(图 2, ) (a),其 最小脉冲能量为 1μJ(放电电流=0.5A,脉宽=0.1 微秒) 。这个级别电脉冲能量在微细电火花加工只适 用于粗加工或半径加工。为了降低电脉冲能量,必 须采用纳秒级电源,进一步缩短电脉冲脉宽 (on-time)。然而,击穿电极与工件之间的绝缘层需要 一定的能量(电压) ,实现高电压窄脉宽的能量输出 具有一定的困难。 另一种脉冲电源是基于RC电路 (图 2(b) 。可以很方便地通过调节电容大小,控制脉 ) 宽,从而降低电脉冲能量。比如,采用 2pF电容和电 压 60V时,放电能量为 3.5nJ。这种脉冲发生器结构 简单、经济实用,被广泛应用于微细电火花加工设 备或实验装置上[1]。

维微细形状的加工。微细轮廓加工是采用单纯形状 电极,如圆形或方形电极,通过控制其加工轨迹, 完成微细形状的加工。

图3

微细齿轮零件[2]

图2

电火花的脉冲电源类型 图4 LIGA电极和被加工的齿轮[2]

目前,微细电火花加工技术根据电极形式,可 分为微细线切割、微细成型和微细轮廓加工三种方 式。 微细线切割采用 20μm 或 30 μm 的钨丝或其合金, 从金属薄板上加工切割微细零件,如图 3 所示。这 种方式优点是以少量的材料去除,直接加工微细零 件。缺点是被加工形状的最小半径受细线的直径限 制;加工中空形状时,细线穿孔难度大;为保障加 工中不产生断裂,对细线的张力和加工状态控制要 求很高。微细成型电火花加工是采用微细成型电极 在微细电火花加工机床上,通过检测加工状态,调 整电极与工件之间的间隙,将微细成型电极的形状 拷贝在工件上。这种方法的关键点是微细成型电极 的制备。通常是采用 LIGA 技术或类似的方法。图 4 是 LIGA 电极和加工的微细齿轮。这种方法可以一 次性加工多个微细性形状。然而,成型电极的制备 和在机床上的校准是一项挑战,也不适用于任意三

2 微细电极的制备方法 被加工的微细形状可分为凹形和凸形。凸形微 细形状的加工可以采用大尺寸的工具。微细凹形则 必须采用微细工具加工。 微细电极的制备方法有多种多样,可以采用磨 轮磨削方法、电化学加工方法和放电加工方法。磨 轮磨削通常是离线制备,这就涉及到在微细电火花 加工机床上微细工具校准问题。电化学加工微细工 具有离线和在线制备两种。由于电化学加工的间隙 不易精确控制,加工的电极达到设定值比较困难。 电火花加工间隙与放电脉冲能量关系紧密,因此是 制备微细轴或微细电极的经常使用方法。 目前,电火花制备微细电极的方法是线电极放 电 磨 削 法 (Wire Electrical Discharge Grinding,

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WEDG),其工作原理如图 5 所示[3]。在制备过程中, 微细电极或微细轴作为工件,电极线为电极。电极 线沿著导轮或支撑轮移动,使得电极线在加工过程 中的损耗部分离开加工区,保证了放电间隙的不变; 支撑轮可以避免电极线在移动中的振动,从而实现 高精度微细轴的加工。采用这一方法,可以加工直 径小于 5 微米的轴[4]。 6 是根据这一方法加工的各 图 种形状截面的电极以及加工的微细通孔。

层加工后,使由于损耗而变形的工具回复其原先的 形状。为了实现电极均匀损耗,微细电极的加工轨 迹的设计原则如下:(a) 层状加工;(b) 往复扫描加 工;(c) 加工轨迹的重叠;(d) 加工面的内部与边缘 的交互加工。图 8 是根据这一原理加工的方形凹腔, 图 9 是加工后的电极。从图中可以看出,凹腔具有 锐边和锐角,加工后的方形电极形状保持不变 [5]。 图 10 是加工的微细长槽。

图5

WEDG 工作原理简图

图8

方形凹腔

图6

微细电极和微细孔 图9 加工后的电极

3 三维微细电火花加工 电火花加工中,由于其加工原理所致,不可避 免的存在著电极消耗问题。在微细电火花加工中, 由于电极尺寸小,电极损耗比传统的电火花加工中 的电极损耗率大;特别是电极的边角部分,由于损 耗而迅速变圆,如图 7(a)所示。使用尺寸与形状 在加工中都发生变化的电极是无法精确加工微细形 状。如图 7(b)所示,如果电极的损耗是沿著轴向, 而电极的形状不变,微细电极的加工与铣削加工相 同,通过对电极损耗长度的补偿,可以准确加工三 维微细形状。

图7

传统电火花加工的电极损耗和电极均匀损耗

采用均匀损耗法(又称为层状加工法)可以实 现微细电火花加工过程的电极均匀损耗,保持电极 形状不变。其基本原理是在一定的条件下,完成一

图 10

微细长槽

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图 11 每层加工简图

在微细电火花加工中,每一层的加工可以简化 为图 11。 每一层的电极进给 (ΔZ) 可以分为两部分: 损耗长度(Le)和剩余电极长度(Lw) 。假设剩余长 度为每层的平均深度,根据相对体积消耗率定义, 可以得出损耗长度的补偿公式(1) 。

图 12

微型汽车模具

车底部用的电极

(1) 式中: R是相对体积损耗率; e是电极的截面积; S Sw是该层的截面积。图 12 是根据均匀损耗法和损耗 补偿模型加工的微型汽车模具,图 13 是加工后的电 极[6]。 包括斜面和球面在内的任意三维形状可以采用 CAD/CAM系统设计, 其加工轨迹也可以根据系统内 所设计零件的几何形状和尺寸生成。由于现有的 CAD/CAM系统是用于传统机械加工, 没有考虑加工 中的工具损耗问题。因此,为了在有工具损耗情况 下加工任意三维形状,需要将均匀损耗法与 CAD/CAM集成,并对加工轨迹调整,以补偿工具长 度的损耗。图 14 是均匀消耗法与CAD/CAM集成的 结构简图。 以图 15 中的零件为例, 它由三部分构成: 3 方形形腔(480μm ×480μm ×40μm )有 45°斜面, 底径为 200μm和侧壁半径为 100μm的圆弧面,中心 的角锥尺寸为 60μm×60μm×120μm3。首先将该形腔 按每层 0.5μm分割,利用CAM模块按均匀损耗法规 则生成铣削加工轨迹。为了获得平坦底面,每层加 工轨迹按主切削角 0°和 90°生成两套轨迹。每两 层加工完成后,更换主切削角的数据,即从两套轨 迹数据中,每两层交替提取数据。每层的加工深度 则根据损耗补偿模型计算实际的电极进给深度。计 算的补偿电极长度约为 70μm。图 17 为加工的结果, 图 18 是其他的任意三维复杂微细形状的加工样例 [7,8] 。

车顶部用的电极

车轮用的电极

图 13

加工后的电极

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图 15 图 14 均匀消耗法与 CAD/CAM 集成的结构简图

由 CAD 设计的复杂形腔 (单位: ?m)

主切削角 0? 图 16 加工轨迹

主切削角 90?

图 17

加工的微细复杂形腔

图 18

任意三维微细形腔

4 微细异型截面沉孔加工 微细电火花可以在超硬合金上加工微孔、具有 锐边和锐角的窄槽和高精度复杂形腔,而优于其它 的加工方法。加工透孔与加工沉孔不同,透孔不考 虑微细电极端部的形状由于损耗而发生改变,为了 获得高精度微孔,通常加工通孔时,将电极进给深

度两倍于孔深。圆孔的加工时,电极的转动使得加 工间隙的加工屑均匀分布,从而减少非正常放电, 特别是短路的发生。加工异型截面沉孔时,由于微 细工具不转动,加工屑在间隙中是随机分布的,导 致非正常放电频繁发生。通过实验观察可以发现, 加工屑是随著加工时产生的气泡从加工间隙排出。

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微细电火花的加工间隙只有几个微米或十几微米, 绝缘介质的粘性阻力很大,而且,由于间隙的均匀 分布,使得气泡的排出难度增大。如果间隙非均匀 分布,根据表面张力理论,气泡将会从间隙较大处 逸出,而且大间隙的介质粘性阻力小,使得加工屑 的排出更加容易。为了降低由于在加工中加工间隙 的加工屑集中而造成的非正常放电的发生,使得电 极损耗均匀,必须设计一机构,使电极和微沉孔之 间产生非均匀分布的间隙。根据这一设想,设计的 具有电极摇动装置的微细电火花加工装置结构如图 19 所示。加工中,电极的进给与摇动工作台的运动 是相互独立的。 20 是在没有摇动和有摇动情况下, 图 加工的三角形和正方形微沉孔的加工结果。通过对 比可以看出,在有摇动情况下加工的微沉孔具有锐 边和锐角。图 21 是加工的多边形微沉孔[9]。

(a)

没有摇动

(b)有摇动

图 20 电极有无摇动加工结果对比

图 21 各种截面微沉孔

图 22

卧式微细电火花加工装置简图

图 19

电极摇动装置结构

根据同样原理也可以加工大深径比微孔。图 22 是用于加工大深径比微孔的卧式微放电加工装置结 构简图。采用纯水作为绝缘介质。首先洁净水在纯 水净化系统内循环,当纯水的导电率降至最低时, 加工开始。由于放电加工使得纯水的导电率上升, 当采用卧式加工,宜于加工区的加工液与外部的交 换,减少或避免电化学反应。纯水作为绝缘介质用 于电火花加工,与煤油基的绝缘液相比,加工中没 有碳的析出而产生的加工屑。由于纯水的导电率高 于煤油,加工间隙大,易于加工屑的排出。在立式 放电加工和煤油基绝缘液中,微孔可加工的深径比 为 5;在卧式放电加工和纯水的条件下,微孔可达的 深径比为 10[10]。采用电极摇动法,可加工的深径比 从 10 提高到 18[11]。从图 23 可以看出,没有电极摇 动时,电极进给到一定深度后,随著时间推移,微 孔的加工深度不变;而在有摇动的情况下,2.5mm 厚的不锈钢板可以钻透。图 24 和图 25 分别是加工 的微孔和加工后的电极。

图 23

大深径比微孔加工有无摇动的加工过程

图 24

深径比 18 的微孔(不锈钢 304)

图 25

加工后的电极

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微细电火花加工技术 [4] [5]

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5 结束语 针对微细电火花加工中的电极损耗问题,本文 介绍了电极均匀损耗法和电极损耗长度补偿模型, 并加工了微型汽车模具;为了实现任意三维微细形 状加工,将 CAD/CAM 与均匀损耗法集成,成功地 加工了复杂微细型腔;应用电极摇动法加工具有锐 边和锐角的非圆截面微沉孔,并将微孔的可加工深 径比从 10 提高到 18。 期望这些方法为微细电火花加 工技术的应用提供部分解决方案。 致谢:作者对于大连理工大学提供科研启动资 金表示感谢。 [参考文献]
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Yu Zuyuan, Guo Dongming, Jia Zhenyuan (College of Mechanical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian, 116024) Abstract:Micro electrical discharge machining (Micro EDM),as one of micromachining methods,can be used to generate micro features with high precision and high aspect ratio in any electrically conductive materials to meet the increasingly requirement of product minimization. This paper presents some research results of Micro EDM, attempting to provide some solutions to existing problems in Micro EDM such as tool wear,machining of micro hole with high aspect ratio and expecting their potential application in future. Key words:Micro EDM;tool wear compensation;CAD/CAM;micro hole with high aspect ratio;planetary movement of electrode


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