三维微结构微细电火花和电解组合加工实验研究

胡满红,李 勇,佟 浩,马晓宇

(清华大学精密仪器与机械学系,北京100084)

微细电火花加工技术和微细电化学加工技术都适于三维微结构的加工。微细电火花加工依靠电能在放电间隙放电产生的热能熔化蚀除金属;而微细电解加工利用电流流过加工间隙,使金属在电解液中以阳极离子形式溶解来蚀除金属。两种加工技术都是利用电能蚀除金属材料,在加工设备上有很大的共性,都是由三维运动平台、脉冲电源、工作液循环系统等组成,可方便地在一台设备上实现两种加工技术的复合或组合。

三维结构的电加工方法可分为成形电极法和简单电极分层扫描成形法。而对于三维微结构加工来说,由于微细成形电极的制造本身就很困难,且在微细电火花加工中电极损耗相对严重,在微细电解加工中平衡稳定的加工间隙难以控制,所以成形电极法在三维微结构加工中很少采用。而简单电极分层扫描成形法因其具有加工电极截面单一,制造容易,电极与工件间的加工状态较易控制,并可集成现代CAD/CAM技术,设计自由度大等优点,适合三维微结构的加工。

采用微细电火花加工进行分层扫描成形加工时,由于加工电极的尺寸微小,而加工去除材料的体积相对“庞大”,电极的轴向损耗非常严重,在加工中电极端面在Z向的实际位置时刻在变化。因此,电极损耗的实时补偿就成为保证连续放电加工以及加工效率的必要条件。相对于依靠间歇式测量和经验模型的电极损耗补偿方法,如通过特殊路径规划的等损耗补偿模型法(UWM:Uniform Wear Method)[1]、采用统计放电率方法[2]、采用工具电极电接触[3]等,基于放电间隙伺服控制的三维微细电火花伺服扫描加工方法[4]结合放电率统计与伺服控制方法的优势,为解决电极损耗补偿的实时性问题提供了有效途径。但由于微细加工状态不易稳定,伺服间隙的检测延迟、机电系统控制误差等,不能完全实时准确地反映间隙状态,造成每层去除的材料厚度量存在一定的波动。当分层数多时,误差易累积,造成加工深度方向的尺寸误差,进而影响成形精度。

采用微细电解加工进行分层扫描成形加工时,由于电极不损耗,可精确控制其加工电极端面运行的轨迹,成为简单数控的微细电解铣削加工。且微细电解加工具有加工表面粗糙度和质量好、无热影响层的特点。但是,电解加工中电极侧面对已加工的表面随着加工时间的增加会产生持续的蚀除,杂散腐蚀影响电解加工的精度。适于微细电解加工的控制杂散腐蚀的方法主要有采用超短脉冲的电解加工[5～6]和采用侧壁绝缘电极的电解加工[7]。而超短脉冲电解加工的原理决定了其高的加工定域性和低的加工效率,采用侧壁绝缘电极的电解加工也将加工作用区域限制在电极端面附近。微细电解加工在加工微细化的同时,由于采用较低浓度的电解液、较低的占空比脉冲以及较小加工间隙等,在提高定域加工能力的同时,使微细电解加工的加工产物较难排出,加工效率处于较低水平。

基于上述分析,本研究提出一种三维微结构的微细电火花和微细电化学组合加工工艺,利用三维伺服扫描微细电火花加工快速去除三维型腔材料和微细电解铣削加工形成高精度、高质量三维型腔轮廓表面的互补优势,旨在实现三维微结构的高效率和高精度加工。本文研究在组合加工工艺设计的基础上,搭建组合加工实验系统平台,进行三维微结构的微细电火花和微细电化学组合加工的可行性实验研究。

1 组合加工工艺设计

三维微结构的微细电火花和微细电化学组合加工工艺设计如图1所示。组合加工工艺中,首先进行三维伺服扫描微细电火花加工,用于快速去除大部分材料;再进行三维数控电解铣削加工,去除剩余小余量的材料,形成最终三维微结构型面,达到设计要求的尺寸精度和表面质量。如图1a所示,组合加工流程主要分为3个步骤:Pro/E三维建模、加工轨迹生成,间隙伺服扫描微细电火花加工工序和数控电解铣削加工工序。下面以一个微半球结构的加工为例(图1b),介绍组合加工工艺的设计。

图1 微细电火花和电解组合加工流程和原理图

第一步,Pro/E三维建模、加工轨迹生成。

三维建模和加工轨迹生成是为了利用三维造型设计软件Pro/E的CAD/CAM系统的强大功能,通过对三维微结构模型的处理,生成微细电火花加工和微细电解加工需要的电极运动点位坐标代码。

首先利用Pro/E的3D建模功能,进行微半球的三维造型设计,然后利用CAM模块进行轨迹规划设计。组合加工中,三维伺服扫描微细电火花加工快速去除比设计的微半球略小的半球材料,因此加工轨迹由覆盖其大部分面积的平行行切扫描路径组成;而数控电解铣削加工只去除剩余的薄半球壳的材料,因此加工轨迹由逐渐逼近最终型面的圆环组成。

在Pro/E中,根据以上轨迹分别生成微细电火花和微细电解的加工通用文件,并利用NC代码的后置处理软件,将通用刀位文件处理为两种数据形式的加工代码:点位坐标代码和G代码,然后传送给运动平台使用,分别完成微细电火花加工和微细电解加工,最终完成组合加工。

第二步,三维伺服扫描微细电火花加工工序。

本工序的目的是连续快速去除大部分加工材料。在控制策略上,运动平台将控制加工电极按微细电火花加工点位代码文件中的XY点位坐标进行运动;Z轴采用间隙伺服的控制方法实时补偿电极损耗,保证电火花加工的稳定连续进行。三维伺服扫描微细电火花加工在纯水加工液中进行,并选取较高的加工参数规准,以提高材料去除率和加工速度。

间隙伺服控制通过对加工间隙状态的检测,采用阈值优化控制方法,再调整阈值电压门限,使开路率和短路率趋向相等,通过调整进给和回退速度使放电率趋向最高,间隙趋于恒定,从而达到加工层厚度的一致,完成电极的在线损耗补偿[8]。

第三步,数控微细电解铣削加工工序。

经过第二步的加工,本工序只需完成剩余很少余量的半球壳材料的去除加工,形成最终的微半球型面。将加工电极更换为侧壁绝缘的电极,以提高微细电解加工的定域性,减少杂散腐蚀。电极的侧壁绝缘膜是采用旋涂法在电极侧面形成厚度5～10 μ m的高分子材料薄膜[7]。

在控制策略上,考虑到电解加工中工具电极不损耗,电解扫描加工工序中依照预定的加工轨迹和扫描速度完成逐层扫描铣削加工,可简化电极进给控制。控制运动平台使电极按电解加工点位代码文件的 XYZ点位坐标进行数控运动,即可实现三维微结构的加工。

2 实验装置及其系统控制

图2为组合加工实验装置模块示意图。主要包括Z宏微复合主轴、X Y工作台、电加工复合脉冲电源、工作液循环系统、加工状态检测、多轴运动控制系统等。实验装置安装在大理石平台上能减少振动对加工的影响。其中,XY轴和Z宏轴都由直线型驻波超声电机、精密滚珠直线导轨和精密光栅组成,由多轴运动控制卡(GT-400)进行控制;XY运动平台的行程是150 mm×150 mm,位移分辨率为0.1 μ m,平稳的运动速度范围为 5 μ m/s～ 1 mm/s,重复定位精度小于2 μ m。Z主轴采用宏微复合的主轴实现,Z向宏动平台的运动行程为100 mm,位移分辨率 0.1 μ m,重复定位精度 ±3 μ m;Z 微轴采用PZT致动器实现,由PZT控制卡发出控制信号,通过驱动电源控制 PZT运动,运动行程140 μ m,频响可达6 kHz,分辨率在5 nm。宏微复合的Z主轴可实现高频响、高分辨率和大行程的运动,以满足微细电火花伺服加工高频、实时进给的要求。

图2 微细电火花和微细电解组合加工装置模块示意图

图3 组合加工复合脉冲电源模块示意图

组合加工复合脉冲电源的功能模块如图3所示。微细电火花加工回路结构为MOSFET(G2)斩波的RC脉冲式;而微细电解加工回路结构为双路MOSFET(G1/G3)斩波式。数字脉冲产生驱动单元产生数字方波脉冲,控制MOSFET(G1/G2/G3)对直流模块产生的直流电压进行斩波,产生加工所需的方波脉冲,其中,电解加工回路控制MOSFET(G1/G3)的数字脉冲方波为互锁的反向方波,以消除由MOSFET开关输出电容引起的脉冲关断期间加工间隙电压不能泄放的问题,保证脉冲电解加工中脉间去极化作用,有利于提高电解加工的表面质量。微细电解加工回路中,由霍尔电流传感器采集间隙电流,并经检测处理电路作为加工过程中异常短路检测依据;而微细电火花加工回路中,由R1作为限流电阻,电流检测电阻R2将间隙电流状态通过检测电路的平滑处理后,提供给PZT控制卡作为伺服控制的依据。

微细电火花加工工序和微细电解加工工序共用一套三维运动系统,在进行两种加工工序切换时,只需更换加工液和复合加工电源模式即可,系统控制流程图见图4。

图4 组合加工系统控制流程图

进行伺服扫描微细电火花加工时,将加工电源切换到电火花加工回路,工作液切换到纯水循环回路;GT400控制器读取生成的微细电火花加工点位文件的坐标代码,并控制XY运动平台进行相应的点位运动;在Z方向上,PZT控制卡接收加工检测单元的间隙检测信号,通过阈值判断控制PZT微轴进行相应的伺服运动。由于PZT的运动行程很小,只有140 μ m,当PZT运动到行程极限时,会发出 Z宏动信号,XY轴和PZT微轴运动停止;PZT微轴运动到其零点,Z宏轴运动相应的零点到行程极限的距离后,再继续读取坐标代码,控制 XY轴和PZT微轴进行伺服扫描加工,快速去除材料。为了减少这种宏微切换的频率来提高加工效率,在微动PZT致动器高频伺服进退时,控制宏进给间歇式慢速进给来补偿电极损耗的积累。

完成伺服扫描微细电火花加工后,将加工电极更换为侧壁绝缘电极,加工电源切换到电解加工回路,工作液切换到电解液回路;GT400控制器读取生成的微细电解加工点位文件的坐标代码,并控制XY运动平台和Z宏轴,按照预定的轨迹进行相应的点位运动;仅当间隙检测出短路信号时,停止XYZ轴运动,控制Z宏轴回退一层,继续读取坐标代码进行加工,直到完成三维微结构加工。

3 工艺实验

为验证组合加工的可行性和有效性,在厚500 μ m 镍片上的一个四方腔(L1=950 μ m)内进行了设计尺寸为 400 μ m ×400 μ m ×180 μ m 四棱柱结构的组合加工实验(图6a)。微细电火花加工用电极和微细电解加工用电极分别为直径100 μ m的钨丝和直径100 μ m的侧壁绝缘钨丝。在组合加工中,微细电火花加工采用纯水加工液,这样,电火花加工速度更快、电极损耗率更低[9],且可更方便地与微细电解加工用的水基电解液进行切换;微细电解加工则采用低浓度的硝酸钠钝化电解液,以提高加工的定域性。实验加工参数见表1。

表1 微细电火花和微细电解组合加工实验加工参数

图5显示的是组合加工前后微细电火花加工用电极和微细电解加工用侧壁绝缘电极照片。其中,图5a、图5c为电火花加工用电极的照片。加工后电极在轴向长度方向上损耗缩短严重,但电极端面(图5c)的截面形状基本保持不变,无明显的边角损耗;图5b、图5d为电解加工用侧壁绝缘电极的照片,加工前电极的高分子侧壁绝缘膜为厚度约为5 μ m的透明薄膜(图5b),加工后侧壁绝缘电极(图5d)没有损耗,用于侧壁绝缘的高分子薄膜也基本保持完整。侧壁绝缘薄膜和电极端部附着的黄褐色物质是电解加工中产生的加工产物。

伺服扫描微细电火花预加工的加工结果见图6b。加工时并联电容为2 200 pF,以提高电火花加工速度,加工后四棱柱大小为 497 μ m ×491 μ m ×138 μ m3,加工时间为 44 min,材料去除速率为 31 182 μ m3/s;接着使用侧壁绝缘电极进行电解铣削加工的结果如图6c所示,加工后四棱柱大小为410 μ m ×406 μ m ×181 μ m3,加工时间为 102 min,微细电解的材料去除速率为11 017 μ m3/s。图6b和图6c中四方腔拐角处都有过渡圆弧,而四棱柱拐角则较小(几乎没有),这是由于使用的圆形加工电极扫过加工区域不同引起的。且微细电解精加工后,四方腔拐角的过渡圆弧基本保持微细电火花预加工后的大小,四棱柱的过渡圆弧很小且侧壁较垂直,说明侧壁绝缘电极的使用有效提高了电解加工的定域性,抑制了对已加工侧壁的杂散腐蚀,且与微细电火花预加工结果相比,表面粗糙度和表面质量明显改善。

4 结论

本文提出一种三维微结构的微细电火花和微细电化学组合加工工艺,利用三维伺服扫描微细电火花加工快速去除三维型腔材料和微细电解铣削加工形成高精度、高质量三维型腔轮廓表面的互补优势,实现三维微结构的高效率和高精度加工。

本文设计并实现了组合加工工艺的微细电加工装置和控制策略,包括微细电火花和微细电解复合加工电源,三维伺服扫描微细电火花加工的闭环伺服控制策略和数控微细电解铣削加工的开环控制策略。

以在四方体型腔内形成设计尺寸为400 μ m×400 μ m×180 μ m 四棱柱结构的加工为例,实验加工出尺 寸为 410 μ m ×406 μ m ×181 μ m 的 四棱柱结构,加工材料的去除速度分别为微细电火花加工31 182 μ m3/s,微细电解加工 11 017 μ m3/s,得到了加工效率和加工精度的优化组合。

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