基于高速铣削的微细电极加工方法

于同敏,黄晓超,包 成,祝思龙

(大连理工大学机械工程学院,辽宁大连116024)

微型塑料制件在MEMS领域的应用前景十分广阔,需求量不断增长。但用模具成形微型制件时的模腔加工,则一直是制约微模具制造技术发展和微型制件广泛应用的一个关键问题。由于微模具型腔尺寸微小,传统的加工方法无法满足其加工尺寸精度与表面质量要求。尽管人们先后开发出诸如LIGA及UV-LIGA等微细加工技术,但仍难以满足形状各异的微型模具型腔的加工要求。LIGA及UV-LIGA技术虽可加工具有较大深宽比的微细结构,但不能加工三维曲面型腔,且工艺过程复杂,制造成本较高,使其应用受到一定限制。与LIGA及UV-LIGA等技术相比,微细电火花加工具有工艺过程简单、不受被加工零件材料限制,且可加工复杂三维曲面等优点,在复杂微小尺寸零件加工中具有不可替代的优势[1]。然而微细电火花加工技术在应用过程中也存在亟待解决的难点问题,如微细电极的制作及放电加工中的电极损耗等。本文基于对各种微细加工方法[2-8]的深入分析,提出利用高速铣削加工技术[9]制作微细电极的方法,并以典型的圆柱阵列结构微细电极为例,通过优化加工条件和切削参数,加工出了满足尺寸与形状精度要求的微细电极。并用制得的微阵列结构电极,进行了微模具型腔的电火花加工实验,获得了较好的加工效果。为解决微细电极的高效、高精密制作,提供了可借鉴的方法。

1 实验电极及加工设备

实验电极材料为紫铜,结构尺寸为9 mm×9 mm×40 mm。电极形状见图1。电极端面带有均布的10×10微圆柱阵列,圆柱直径和高度尺寸分别为 100 μm 和 1 550 μm,微圆柱中心距离为 800 μm 。加工要求尺寸准确,外形规整,不能歪斜,表面粗糙度值 Ra＜1.6 μm,圆度误差 F ≤±3 μm。

图1 电极零件图

加工设备采用日本某公司生产的MB-56VA立式高速铣削加工中心,其主轴最高转速25 000 r/min,铣削进给速度为30 m/min,机床定位精度为±1 μm,重复定位精度为±0.2 μm。电极测量采用VTM-3020F数字式影像工具显微镜。微阵列模具型腔的放电加工选用日本某公司生产的EA8A(M)精密电火花加工机床。型腔材料选用P20模具钢,硬度为28 HRC。

2 阵列结构微细电极加工

2.1 高速铣削加工参数

根据电极材料特性及加工尺寸精度要求,加工刀具选用直径D=500 μm的圆柱立铣刀。由于刀具直径小,刚度较弱,故机床转速和切削深度不宜选择过大;但考虑到紫铜材料加工时较难断屑,且切屑易粘结在刀刃上或缠绕在刀体上,从而影响加工表面质量或引起微圆柱变形,故需适当提高切削速度和减小切削深度。因此,初步设定主轴转速nt=15 000 r/min(对应切削速度 vc=23.56 m/s)、轴向切削深度ap=0.025 mm。实际加工中,为保证加工精度,刀具行距的选择一般以小于其直径D的75%为宜,实验选用的刀具行距为0.2 mm,即40%D。为避免高速铣削时刀具发生颤振,选用顺铣方式。加工中冷却采用水溶性金属切削液,并避免冷却液直接冲击电极的微圆柱部分。由于较高的主轴转速和适当低的进给速度可获得较小的切削力,实验设定刀具径向进给速度为 vf=2 400 mm/min。

2.2 加工结果检测及分析

图2是加工后的微圆柱阵列电极。使用数字式影像工具显微镜测量得到的电极微圆柱部分侧面及端面放大见图3。对阵列中部分微圆柱进行尺寸及形状测量,所得数据见表1。

表1 微圆柱测量数据

图2 阵列电极

图3 电极微圆柱部分放大图

由图3可见,阵列中有的微圆柱发生了明显的弯曲变形,且变形方向不同。分析认为,由于紫铜材质较软,微圆柱长径比较大,刚性较差,使其在刀具径向切削分力作用下极易发生弯曲变形,尤其当刀具磨损加重时变形更大;同时加工中的切屑缠绕在刀具直径上,也会对微圆柱形成挤压力,使其表面划伤或产生弯曲变形;另外,切削液的冲击等因素也会引起微圆柱变形。受弯曲变形影响,工具显微镜下的微圆柱端面形状已发生了变化。表1的测量结果显示,其圆度误差最大达9 μm,平均值=7 μm,远超出设计要求。微圆柱直径尺寸也超差,其平均直径=103.2 μm,微圆柱直径误差的产生与刀具磨损紧密相关。同时,微圆柱高度尺寸测量值普遍大于 1 550 μm 的设计值 ,最大者超出 15 μm,平均高度超出9.6 μm。显微镜观测发现,高度尺寸超差是由于铣削过程中产生了垂直于微圆柱端面的毛刺(图4),从而使测量的高度尺寸增大。显然,这样的电极加工质量不能满足要求,因此,需对电极结构和切削加工参数进行改进与优化,以满足加工质量要求。

图4 微圆柱端面毛刺

2.3 高速铣削加工参数优化分析

为提高电极自身的结构刚性,避免在铣削加工中变形,首先对电极尺寸和形状进行调整:将微圆柱高度减低至1 000 μm,并将其根部设计为带有20°锥角的圆锥台结构,上端圆柱部分直径100 μm、高度 600 μm,根部锥台高度 400 μm 。

而对高速铣削加工参数,则主要从主轴转速nt、径向切削进给速度vf和轴向切深ap等方面进行分析和优化。

(1)已有研究表明,在高速切削加工范围内,提高切削速度,可有效减小切削力,平均可减少30%以上,这有利于对刚性较差和薄壁零件的切削加工[10]。此外,提高切削速度还可提高切削效率,改善加工表面粗糙度。因此,实验将主轴转速nt提高到20 000 r/min(对应的切削速度vc=31.42 m/s)。

(2)高速铣削时,适当提高 nt,减小 vf和ap[11],虽可降低表面粗糙度值,但在一定的 nt下,随着vf的增大,轴向切削力和径向切削力都有增大的趋势。为了在增大nt的同时不使径向切削分力过大,实验将 vf值从2 400 mm/min降低到1 500 mm/min,以兼顾加工效率和质量。

(3)ap的确定直接影响微圆柱的形状精度。ap值过大也会产生较大的切削力,由于这种切削力不是恒定的,高速切削时不断变化的切削力将严重影响加工系统的稳定性,并引起振动。其中径向切削力的增大还会导致微圆柱及刀具的弯曲变形。为此实验将ap值由0.025 mm减少到0.015 mm。

(4)根据微细阵列电极的结构特点,为避免采用一次走刀切出一个完整微圆柱的加工方式,产生集中切削热导致微圆柱变形,实验中采用多次走刀、分层切削的刀具路径方式,且在切入切出微圆柱时,采用图5所示的圆弧过渡刀具路径。

图5 刀具路径平顺化

2.4 加工结果检测

改进电极结构和优化切削参数后的加工结果见图6。图7是微圆柱部分放大图。采用同样的检测方法,得到的阵列微圆柱平均高度为=1 003 μm,直 径尺寸φ=(100±2)μm,圆度误差为F ≤±3 μm,均达到要求的尺寸精度。由于改进后的电极自身刚性增强,微圆柱未发生弯曲变形;同时,由于优化后的进给速度vf与切削速度vc的综合作用,以及轴向切深ap的减小等,都对保证微圆柱的尺寸与形状精度和表面质量起到了促进作用,有效保证了微圆柱的加工质量。显微镜观测显示,微圆柱端面的毛刺也明显减小。

图6 改进后的电极加工效果

图7 微圆柱放大图

3 微模具型腔电火花加工实验

3.1 加工参数选择

利用制得的阵列电极,在EA8A(M)精密电火花机床上进行微细电火花加工实验。机床脉冲当量为0.1 μm,最大进给速度2 000 mm/min。设定微型腔加工深度为360 μm,底面积0.8 mm2。初加工和半精加工时兼顾加工质量和效率,选择PS回路(缎面加工回路,表面粗糙度 Rz≤10 μm),精加工时选择NP回路(光滑精细表面加工回路,表面粗糙度Rz≤1 μm)。当加工面积较小时,若峰值电流设定过高,电流密度过大,将导致加工不稳定,因此根据加工面积选择峰值电流档数为IP=1.2。设定加工优先度为重视电极损耗,故POL(极性切换)设置为“-”(此时电极为负极性),为减小电极边缘尖角的损耗,电极重量损耗比确定为0.1%～0.5%。依据精加工时机床推荐的电极重量损耗比和脉冲宽度的对应关系,选择脉冲宽度档数为ON=1.0。按照IP和ON确定单侧加工余量为8 μm,并选用圆形轨迹摇动加工方式,可提高加工质量,减少电极损耗,同时便于排屑。实验采用的初、半精和精加工时的加工电参数见表2。

表2 微细电火花加工实验电参数

3.2 微型腔加工结果

图8 微模具型腔(局部)

用阵列电极加工的微模具型腔见图8。由图可见,微型腔孔轮廓清晰,形状规整。实际测得的微型腔孔直径 φ、圆度误差F及型腔深度L值见表3。其中,深度值的测量通过剖开微型腔孔获得,剖开后的微孔内部形貌放大见图9。剖面图中显示的微孔边缘轮廓粗糙并有坍塌,是由于抛光剖面时造成的。

表3 部分阵列微孔测量数据

图9 典型型腔孔剖开图

由加工及检测结果可看出:①微细电火花加工的微孔阵列规整,轮廓清晰,微孔截面形状良好,平均圆度误差小于3 μm;②实际测得的微孔平均直径为 115.6 μm,设计理论值为 116 μm,平均误差小于1 μm;③设定的微孔理论加工深度为360 μm,而实际测得的平均加工深度为356 μm,平均误差为4 μm。实际值与理论值接近,满足加工质量要求。

4 结论

(1)采用高速铣削加工方法制作微细电极进行微模具型腔放电加工,与应用 LIGA、UV-LIGA等微细加工方法相比,可大大缩短加工时间,提高生产效率。

(2)通过优化加工参数和刀具路径以及合理设计电极结构,利用高速铣削加工方法,能高效加工出尺寸及形状精度满足要求的微细电极,扩展了微细电极的加工方法。

(3)合理确定与准确控制微细电火花加工规准和放电参数,能加工出轮廓清晰、形状规整、尺寸精度及表面质量满足要求的微结构模具型腔。

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