（机械电子工程专业论文）微细电火花加工装置及铣削加工技术的研究.pdfVIP

大连理工大学硕士学位论文 摘要 微机械因其具有体积小、耗能低、性能稳定等传统机械无法比拟的优点，在微电子 工业、航空航天、医疗器械、工业自动化等领域得到广泛的应用，已经成为2 1 世纪重 点发展的学科之一。作为一种三维微结构的加工手段，微细电火花三维加工技术近年来 发展很快，显示出了比其他微细三维加工技术更大的发展潜力。 本文对当前微细电火花加工技术和装备的发展状况做了详细的分析与论述，并在此 基础上研制了一套可四轴联动的微细电火花三维铣削加工装置。该装置由高精度的x y z 三维工作台、高速伺服电主轴、计算机系统、r c 脉冲电源、线电极在线磨削装置、放电 信号采集等单元组成。为进一步深入开展课题研究奠定了坚实基础。 根据微细电火花加工技术特点和对上述装置运动特性的分析，制定了针对微细电火 花三维铣削加工的伺服控制策略，开发了整套微细电火花铣削加工的数控程序，实现了 指令解释、任意直线和圆弧的插补运算、轨迹伺服控制以及短路后退、电极损耗补偿等 电火花加工所需要的独有功能。 针对微细电火花铣削加工中电极损耗影响加工精度的难点问题，本文提出了一种综 合应用均匀损耗法和线性补偿法的电极损耗补偿的新方法，并建立了相应的理论模型。 多个典型三维微结构的实验加工以及对新的电极损耗补偿方法的实验对比研究结 果证明：所研制的微细电火花加工装置能够满足三维微结构的铣削加工要求；数控软件 方便适用；新的电极损耗补偿方法效果显著，明显提高了三维微结构的表面加工质量和 加工效率。 关键字：微细电火花加工装置；数控加工程序；电极损耗补偿新方法 微细电火花加工装置及铣削加t 技术的研究 r e s e a u r c ho fm em i c r o e d me q u i p m e n ta n dm i l lm a c h m i n gt e c h n o l o g y a b s t r a c t m i c r om e c h a i l i c a ls 缸1 l 咖r e sa r eb e c o 血n gm o r ea n dm o r ep o p m a ri i ls o m ef i e l d s ，s u c h 嬲t l l em i c r oe l e c t r o i l i ci n d u s 仃y ，a e r o n a u t i c a la n d 嬲心o n a u t i c a li n d u s t 巧，m e d i c a le q u i p m e i l t i n d u s 仃ya n dm e 卸t o m a t i o ni i l d u 蚰呵c o m p a r e dw i n lm e 缸a d i t i o n a lm e c h a l l i c s ，m i c r o m e c h 锄i c sh a u sb e c o m eo n eo f l ei m p o n a ms u b j e c t si n 廿1 e2 1c e l l t u _ 巧a so n eo ft l l e m i c r 0 e d mt e d m o l o 酉e s ，t h ei i l i c r oe l e c t r i c a ld i s c h a r g em a c l l i n i n gm e t h o di sg a i l l i n gm e r c s e 觚c h e r sm o r e 锄dm o r ca t t 既t i o nr e c e n t l y ns h o w sa 伊e a tp o t 锄t i a ld c v e l o p m e l l t c o m p a r e dw i t ho t h e r1 1 1 i c r o3 dm a c m l l i n gt e c l l l l o l o 百e s b a u s eo nm a i l ya r t i c l e sa n dp a p e r sa b o u tm ed e v e l o p m e n to fm em i c r o e d mm a c m i l i n g t e d m o l o g ) ，觚di t sr e l “觚te q u i p m 饥t ，m i sp 印e rc o n s 仃u c t sas e l f d e v e l o p e di i l i 啪一e d m e q u i p m e n tt h a tc a nm o v es i m u l t a n e o u s l yw i t h4a x e s t h ee q u i p m e n ti sm a d eu po fm a n y u l l i t s ，s u c h 嬲e x a c tx y z3 dm o v i n gs t a 百e s ，m 曲一s p e e ds e r v os p i n d l e ，c 0 m p u t e rs y s t e m ，r c p u l s eg e i l e r a t o r ，w e d g ，d i s c h a r g es i 印a 1d e t e c t i n gu i l i t 舢l m a th a v eb e e i ld o n ea b o v e p r o v i d ea s o l i db a s ef 0 r 触e rr e s e a r c h a c c o r d i n gt o6 h a r a c t 甜s t i c so fm i c r o - e d mm a c b j 疵n gt ec _ h n 0 1 0 西e s 锄dm ea i l a l y s i sf o r e q u i p m e i l tm o 讥n ga b i l i t i e s ，t l l i sp 印c rm a d e t h es e r v oc o m r o ls 仃a t e g yf o r3 dm i l lm a c h i i l i n g t e c h n o l o 西e sa 1 1 dd e v e l o p e dm ew h 0 1 em a c h i i l i n gc o n t r o ls o f t w a r c s o m eu 血q u e 如n c t i o n so f t l l em i c r o e d mh a v eb e e nr e a l i z e d ，s u c h 嬲m a c h i n i n gc o d e si n t e 印r e t a t i o i l ，c a l c u l a t i o nf o r a i l yl i n ea i l da r ci n t 即0 1 a t i o no n 俩o d i m e l l s i o n a l 咖也c e ，m ec o n 仃o lf o rm a c b j i l i n gp a t ha n d b 2 u c k w a r dm o v 锄tw h e i ls i 髓a ld e t e c t i n gi ss h o r tc i r c u i t ，e l e c 乜o d ew e a rc o m p e n s a t i o na n d s o0 1 1 f o rt l l ef 撕t h a te l e c 怕d ew e a rc 趾a f f e c tm em a c h i n i n gp r e c i s i o ni 1 1 t h e3 dm i l l m a 出n i n g ，t h i sp 印c rp r o p o s e san e w m e t h o dt 1 1 a tc o m b i n et h e 叫f o mw e a rm e t h o da 1 1 d l i n e a rc o m l ) e n s a t i o nm e m o d i i la d d i t i o n ，i t st h e o r e t i c a lm o d e li sa l s od e v e l o p c di 1 1t l l i sp 印e r s e v e r a l3 dm i c r oc a 啊t i e sm a th a v e b e e nm a c l l i n l 耐a n dc o m p a r a t i v ee x p 耐m e n t sf o rt l l e n e we l e c 仃o d ew e a rc o i n p e i l s a t i o nm e m o dh a v ep r o v e dt h em i c r o3 d e d me q u i p m e n tc a n m e e tt 1 1 er e q u i r e m 朗t so fm i c r o e d m ，m a c l l i l l i n gc o n t r o ls o r w a r ei se a s yf o rl l s e ，a n dt h e n e we l e c t r o d ew e a rc o m p e i l s a t i o nm 甜l o dc a ni m p r o v et 1 1 e 跚r f a c eq u a l i 够a n dm a c h i i l i n g e 伍c i 吼c ye v i d n y k e yw o r d s ：e q u i p m e n t 0 fm i c r o - e d m ：m a c h i n i n gs o f t v v a r e ：n e wm e t h o df o re i e c t r o d e w e a rc o m p e n s a “0 n l i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：邀麴电盘垄扭三装量丞鱼直拉王垫盔的砑究 作 者签名 ：殓益一 日期：斗年卫月豆日 人连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目：一数细虫史盔丑! 三塑显丛也查l 鱼星盥土塑丛鱼 一 作者签名： 丞鱼堕日期：迎2 年_ 上l 月过日 导师签名：猛结 日期：出年l 月堂 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 。1 课题的研究背景 制造业是我国国民经济的支柱产业，其增加值约占我国国内生产总值的( g d p ) 的 4 0 以上，振兴制造业是推动我国经济发展的重要力量。2 0 世纪8 0 年代，为了加强制造 业的竞争力和促进国民经济的增长，很多国家开始重视先进制造业，纷纷加大科研投资 力度。先进制造业主要有两个发展的方向：一是自动化，包括设计、制造和管理的自动 化，它不仅是提高生产效率和改善劳动条件的重要手段，而且是保证产品质量的有效措 施；二是微细化，它追求的是加工精度和表面质量的极限。自动化和微细化是密切联系 的，具有全局性和决定性的作用，是先进制造技术的支柱f 1 】。 近年来，随着微机电系统( m i c r 0e 1 e c t r om e c h 锄i c a ls y s t e m ，m e m s ) 的快速发展， 精密的微型机械已经广泛应用于医疗、生物工程、信息、航天航空、半导体工业、军事、 汽车等领域，成为2 1 世纪重点发展的学科之一【2 】。社会对微机械的广泛需求也促进了微 细加工技术的极大发展。一般规定认为微机械的加工尺度从亚毫米到亚微米量级。传统 的微细加工技术是指以硅片为基础的半导体加工技术，如刻蚀，沉积，电镀等。但是， 随着科学技术的发展，人们对产品的性能提出了越来越苛刻的要求；同时大量新材料， 新工艺的不断涌现使这些微细加工技术已经远远不能满足发展的需要。从世界范围来 看，以德国为代表的l i g a 技术，以及以日本为代表的由传统切削加工和特种加工方法 衍生而来的微细加工技术，同以美国为代表的硅平面加工技术成为当前微细加工技术的 三大主流发展方向【引。 微细电火花加工和传统的电火花加工原理相似，在绝缘介质中，通过工具电极和工 件之间不断产生的脉冲性火花放电所产生的局部、瞬时高温去除金属材料，以达到一定 的形状尺寸和表面粗糙度要求。其加工的显著特点是能够加工任何高硬度、高韧性的导 电材料，能够实现复杂型面的零件加工；另外，该加工方法属于非接触加工，在加工过 程中不存在接触力，因此能够加工薄壁件、窄槽、异形孔和微细孔等零件。基于电火花 加工的优点，因此电火花加工技术一经问世，就受到制造业的广泛重视，并在难加工材 料，复杂曲面，精密表面加工等方面取得了广泛的应用。实现精密、微细加工的一种重 要条件是加工单位尽可能的小，而在电火花加工过程中，其加工单位( 每次放电的蚀出 量) 只取决于单个脉冲的能量。随着现代电力电子技术的发展，电火花加工的加工精度 与表面质量得到了极大的提高，加工单位也日趋变小。微细电火花已经发展成为电火花 加工的研究热点和发展趋势之一。目前微细电火花加工技术已可稳定地得到尺寸精度高 微细电火花加工装置及铣削加工技术的研究 于o 1 i l m 【4 5 1 ，表面粗糙度r a 0 0 1 岬的加工表面【6 - 7 1 。微细电火花加工技术已成为微细 加工技术中的一个重要分支。 微细电火花加工技术起步于2 0 世纪6 0 年代。荷兰p 1 1 i l i p s 研究所的d s e n b m g g e n 等 人利用微细电火花加工技术成功加工出直径3 0 岬，精度为0 5 岬的微孔【引。由于当时 无法解决微细电极的在线制作问题，使得加工效率低，加工精度一致性较差，这一成果 没有引起人们足够的重视。1 9 8 4 年，日本东京大学生产技术研究所的增泽隆久教授研 制出线电极电火花磨削( w he l e c t c a ld i s c h a r g e ( 矾n d i n g ，w e d g ) 技术，成功地解决 了微细电极在线制作这一瓶颈问题，使得微细电火花加工技术进入了实用化阶段 9 1 。利 用w e d g 技术，日本东京大学增泽隆久等人加工出m 2 5 岬的微细轴和5um 的微细 孔，代表了这一领域的世界前沿【l0 1 。 随着微细电极的成功制作，用简单形状的微细电极进行铣削加工开始应用于微三维 结构的加工。1 9 9 8 年，东京大学的余祖元和曾泽隆久等人用均匀损耗法，成功制作了长 o 5 舢 i l 、宽o 2 m m ，、深o 2 m i i 】的微型汽车模型以及各种三维微细型腔实例【l l 】。微细电 火花铣削加工为三维自由曲面或复杂型面加工开辟一条新的有效途径，已经成为三维型 腔电火花加工的有力手段之一。随着微细电火花加工技术的进步，2 0 世纪9 0 年代后， 日本的松下技研、三菱电机、s o d i c k 、瑞士的a 西e 、c h 锄i 1 1 e s 等国际著名的电加工机 床生产厂家相继推出了商品化的微细电火花加工机床【1 2 】。 为了占据微细电火花加工技术的有力优势，西方国家将微细电火花加工机床作为重 要战略物资与技术对我国实行严格的技术禁运。因此，我国发展微细电火花加工技术的 唯一选择就是坚持自主开发、研制出拥有自主知识产权的加工设备。基于此背景，本文 就微细电火花加工装置和铣削技术展开研究。 1 2 微细电火花的加工原理及特点 1 2 1 微细电火花加工的原理 微细电火花加工和电火花加工的原理类似，都是基于工具和工件之间脉冲性火花放 电时的电腐蚀现象来蚀除多余的金属，以达到对零件尺寸、形状及表面质量预定的加工 要求。为使工具和工件之间不断产生火花放电，进而对金属材料进行尺寸加工。 图1 1 为微细电火花加工过程中的一个放电过程。微细电火花放电去除材料的过程 是放电时电场力、磁力、热力、流体动力、电化学力及胶体化学力等综合作用的过程。 当脉冲电压施加到工具与工件电极之间时，如图1 1( a ) 所示。极间介质被击穿并形 成一个极为细小的放电通道，如图1 1 ( b ) 。由于放电通道中电子和离子受到放电时的 电磁力和周围液体介质的压缩，因此其截面积很小，通道中的电流密度极大，可达 1 0 4 l o7 c l n 2 。放电通道是由数量大体相等的带正电粒子( 正离子) 和带负电粒子( 电 2 大连理工大学硕士学位论文 子) 以及中性粒子( 原子或分子) 组成的等离子体。在极间电场作用下，通道中的正离 子与电子高速地向阴极和阳极运动并发生剧烈碰撞，从而在放电通道中产生大量的热， 同时，阳极和阴极表面分别受到电子流和离子流的高速冲击，动能也转换为热能，在电 极放电点表面产生大量的热，整个放电通道形成一个瞬时热源，其温度可达l o o o o 以 上。另外，由于火花放电时的电流产生磁场，该磁场又反过来对电子流产生向心的磁压 缩效应和周围介质惯性动力压缩效应的作用，通道瞬间扩展受到很大阻力。故而放电开 始阶段通道截面很小，而通道内由高温热膨胀形成的初始压力可达数十甚至上百个千 帕，高压高温的放电通道以及随后瞬时气化形成的气体急速扩展、产生一个强烈的冲击 波向四周传播，如图1 1 ( c ) 所示。使放电通道融化和部分汽化周围的液体介质，形成 气泡。当放电脉冲结束时，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，如图1 1 ( d ) 。因此，电火花 放电蚀除材料的过程是热效应、电磁效应、光效应、声效应及频率范围很宽的电磁辐射 和爆炸冲击的综合过程，而这一过程一般只有1 0 1 0 4 s 。 图1 1 放电过程 f i g 1 1 t h ep r o c e s s0 ft l l ee l e c t r i c a ld i s c l 脚g e 1 2 2 微细电火花加工的特点 微细电火花加工原理与普通电火花加工并无本质区别：实现微细电火花加工只需要 产生微小能量且可控制的微脉冲电源再配以高分辨率的伺服进给系统和高精度的机床 本体即可以实现。其加工对象的尺寸一般在十几微米以下，加工单位( 每次加工材料的 去除量) 只有1 0 j 1 0 之岬量级，因此可以达到较高的表面质量。此外，其加工精度还 与电极的损耗、伺服稳定性等因素密切相关。由于电火花加工是一种非接触式的、宏观 加工力很小的加工方式，减轻了工具和工件的力学负担，对于采用微细工具的微细加 工而言无疑是既具优势的。虽然在加工机理上微细电火花加工和传统的电火花加工没有 本质上的区别，但是微细电火花加工过程也有其特殊性。主要表现在一下几点【l3 】： 微细电火花加工装置及铣削加工技术的研究 ( 1 ) 放电蚀坑很小。由于电火花加工是基于放电时的热过程，因而放电之后在电 极表面所形成的放电凹坑，其形状将与放电时的等温面基本相似。如果完成微细加工并 且尺寸精度达到亚微米级，放电凹坑的尺寸也必须达到亚微米级。放电凹坑的大小还受 到热流密度、放电物理状态和电极材料的热学常数等因素影响，所以放电凹坑直径并不 完全等于放电通道的直径。但是放电能量参数，对微细电火花加工电源参数的选择是很 好的参考之一。放电凹坑的深度h 和电火花加工的表面粗糙度相关。考虑到在重复放电 的过程中，每个脉冲放电的凹坑相互重叠。其放电凹坑的实际深度一般都小于h ，但大 于h 的1 3 。 ( 2 ) 放电面积很小。微细电火花加工的电极一般在5 1 0 0 岬之间，对于一个5 p m 的电极来说，放电面积不到2 岬2 ，在这样小的面积上放电，放电点的分布范围十分有限， 极易造成放电位置和时间上的集中，增大了放电过程的不稳定，降低了火花放电的蚀除 率。电极的尖角棱边处由于放电点过度集中，而加剧了该处的损耗，从而影响了加工精 度。此外，由于工作液循环困难，电蚀产物不易排出，降低了脉冲利用率，使加工速度 变慢。 ( 3 ) 微细电火花加工对脉冲电源的要求。由于加工对象极为微小，且要达到亚微 米级的加工精度及表面粗糙度。因此，必须使单个脉冲的放电能量控制在( 1 0 由1o - 7 ) j 数量级之间。 ( 4 ) 微细工具电极的制造与安装。要实现微结构的加工，必须使用相应的微细电 极才可实现。在线电极电火花磨削装置( 舰d g ) 出现之前，微细电极一般要进行专门 加工，然后二次装央到机床的主轴上，此种方法很难保证工具电极与工作台面的垂直度 以及电极与回转主轴的同轴度等。成为当时制约微细电火花加工的技术瓶颈问题。要实 现微细电火花加工，必须有微细电极在线制作、安装和检测方法。 ( 5 ) 高分辨率的伺服进给装置。由于微细电火花加工要求单个脉冲的放电能量很 小，放电蚀除凹坑深度在1 微米左右。若要提高为微细电火花加工的效率，必须提高脉 冲的有效利用率。因此，为了保证火花放电的持续进行，进给装置的最小移动量必须在 微米级的范围内。而且要求微细电火花加工的伺服系统和执行机构具有足够高的响应速 度和控制灵敏度。 1 3 微细电火花铣削加工的关键技术 微细电火花铣削加工在刀具及其成形运动形式上类似数控铣削加工，但其本质上还 是电火花加工，还是存在电极的损耗以及工件和电极之间的放电间隙等。电火花铣削加 工机床不等于机械铣削加工与电火花成型加工的简单复合，存在以下几个关键技术。 4 大连理【大学硕十学位论文 131 微细电极的制作 用简单形状的微细电极进行微三维结构的加工已经成为当前微细电火花加工的主 流技术之一。因为复杂形状的微小成形电极本身很难以制作甚至无法制作，而且由于在 加工过程中严重电极损耗现象，将成为成形电极形状很快改变无法进行高精度的微细三 维曲面加工。因此，微细电极的精密、高效制作在微细电火花加工中占有极为重要的位 置。电极的离线制作。然后二次装夹到主轴上的方法，很难以保证回转精度而且存在与 工作台面的垂直度误差。微细电极的在线制作成一度成为微细电火花加工技术发展的瓶 颈。w e d g 技术的出现奠定了微细电火花铣削加工实用化的基础，使得制作多种形状的 微细电极成为可能，成为微细电火花加工中的一个革命性突破。w e d g 技术的基本原理 如图12 所示。在加工过程中，线电极随导向轮缓慢匀速移动，由于线电极在不断地移 动，可以忽略线电极的损耗问题，有利于电极尺寸的控制。同时点接触的放电方式使电 极的加工形状仅与成形运动轨迹有关，而且极易实现微能放电，但是加工效率较低。通 过控制电极的旋转与分度及导向器的位置，可以加工出不同形状的电极来。图l3 为根 据这一方法加工的不同截面形状的电极。 簪 i 酗1 3 不同的电极形状 f 追13 d i f 断曲t f o r n l so f e l e c 帅d o 微细电火花加t 装置及铣削加工技术的研究 线电极电火花磨削法具有如下的特点： ( 1 ) 该方法通过在线制作电极的方式，保证了微细电极和主轴回转轴线的一致性， 避免了二次装夹所带来的偏心等问题。该方法是实现微细加工的关键所在。 ( 2 ) 线电极在不断地移动，使得电极在加工过程中的损耗部分离开加工区，保证 放电间隙不变。 ( 3 ) 支撑轮可以避免线电极在移动过程中的振动，从而实现高精度微细轴的加工。 ( 4 ) 可以实现多种形状的电极的在线制作，易实现自动化。 1 3 2 微细电极的损耗检测与补偿 微细电火花和机械铣削加工有着类似的运动方式，最大的区别在与电火花加工是一 种非接触性的加工，电极和工件之间存在着放电间隙，而且在加工中存在较大的电极损 耗，直接影响加工精度。因此电极的损耗是实现微细电火花铣削加工的关键技术之一。 影响电极损耗的因素主要与电极和工件的材料，电脉冲参数，以及极间介质有关。 为了减小电极损耗对加工精度的影响，在达到在满足加工精度的条件下，可以忽略 电极的损耗。各国学者从选用损耗相对较小的电极材料、对放电波形进行调整与控制、 选用适当的放电参数以及合理地选用工作液及其供给方式等原理上入手，降低电极的损 耗。但由于电极有效放电面积与工件截面积小的多，电极损耗对精度的影响也大的多。 在损耗比相同的情况下，加工同等深度的型腔，电火花铣削加工时电极损耗的长度比采 用传统的电火花成形加工大得多。电极损耗对加工造成的影响也大的多。也可以说，在 微细电火花铣削加工中加工面积s w 与电极横截面积的s e 的比值，对电极的损耗放大了。 它加大了电极损耗对加工精度的影响。因此，在微细电火花铣削加工中仅仅靠减小电极 损耗是满足不了要求的。 为了使损耗不均匀的电极恢复原来的完整形状，常采用在线电极修正的方法，即： 工具电极在工作一定时间后，暂停加工，对电极损耗的部分进行修正，或去除，从而达 到修正电极的目的。这种修正方法常在电火花加工机床上采用反拷法或w e d g 的技术 对损坏部分进行修整或去除，以使电极始终保持所需的规则形状。也有的采用离线修整 的方式，将损耗的电极卸下，在其它数控机床上或是手工进行修复。但是，这种离线修 整对工具电极的重新装夹与定位有更高的要求，容易产生二次转配误差，会对加工精度 造成不利的影响。显然，这种方法需要“停机检测修整一检测一复位”等多个环节， 该方法效率低且精度差不适合用于微细铣削加工。 不管是减小的电极的损耗，还是电极的修整都不是解决电火花铣削加工中电极损耗 问题的最佳途径，只有在线补偿才是解决电极损耗问题的根本策略。电极损耗在线补偿 通常基于“检测一刀位补偿 的原理进行。图1 4 利用c c d 检测电极损耗的示意图。 6 大连理f t 大学硕士学位论文 在加工的一段时间后，将工具电极抬起，移动到光学测量区，从光源发出的平行光将电 极的轮廓面投影到c c d 传感器上，进行电极损耗尺寸及形状测量，根据结果进行刀位 的补偿。这种方法易于实现检测和补偿的自动化。但检测过程将增加额外的加工时间。 如果检测周期太长，由于电极损耗的累积，在沿电极运动轨迹的方向上，加工误差将呈 较大的锯齿波形分布。检测周期过短，虽可提高加工精度，但却频繁中断加工过程，使 生产率大大降低。而且需要额外的图像处理软件。因此，这种方法仅适合于加工控制点 ( 需要补偿保证加工精度的点) 较少的地方，而且其补偿指令在加工过程中才能产生i l5 1 。 图1 4 采用c c d 检测电极损耗示意图 f i g 1 4d e t e c t i n ge l e c 臼仪l ew e 甜u s i n gc c d 哈尔滨工业大学的张勇根据电火花铣削中端面放电状态的规律对电极的损耗状况 进行预测，然后结合数控机床的在线监测功能对电极轴向的损耗情况进行测量，并根据 测量结果对电极的损耗进行补偿。如图1 5 其具体方法是，首先设定一个标准参考点和 开路率触发值。在加工前，电极在标准点接触感知并记下当前坐标值，然后进入加工环 节，在加工过程中，当实时的开路率达到开路率触发值时，记下当前z 轴的坐标值，将 图1 5 电极损耗测量 f i g i 5 m e a s u r e m e n t0 fe l e c t r o d ew e a r 探知电压v + 微细电火花加工装置及铣削加工技术的研究 电极移动到标准点进行接触感知并记下感知位置，两次感知位置的差值即为电极的损耗 量，最后将电极补偿进给计算得到的电极损耗量，完成了电极损耗补偿【1 4 1 。 虽然电极的损耗非常复杂，它受许多因素影响，与加工极性、加工时间、工作介质 的种类、冲油方式、电极及工件材料、电极形状、电源类型以及电源的各项参数等都有 密切关系。但是在加工过程中，电极的损耗却有很强的规律性，通过获得电极损耗状态 并进行在线补偿的方法是可以实现的。在此方面的研究中，影响较大的是东京大学的余 祖元提出的均匀损耗法【l 。该方法用简单形状的电极进行逐层扫描去除加工，在每一层 的加工中，通过对电极路径的规划，在电极加工完一层后，电极可以恢复原来的形状， 从而简化了电极的损耗补偿策略。该方法通过获得准确的电极损耗比，可准确的计算电 极的损耗补偿值，获得了较高的加工精度。该方法是目前应用较为广泛的方法。本文将 在第五章节对该方法做详细的研究。 1 3 3 微细电火花铣削加工的c a d c 圳技术 目前，商品化的c a d c a m 系统已经成功应用于传统的机械加工中。但是，由于电 火花铣削加工中存在的电极损耗问题，现在尚未发现较成熟的具有电火花铣削加工自动 编程功能的c a d c w 软件。利用传统机械铣削的c a d c a m 系统，不能对工具电极 的损耗进行实时补偿。因此，在电火花铣削加工过程中就需要不时地停机来检测电极的 损耗量进行损耗补偿，严重影响了加工效率。国内的南京航空航天大学、哈尔滨工业大 学以及美国的林肯大学都对电火花铣削加工中的c a d c a m 技术做了大量的研究。哈尔 滨工业大学通过对a u t o c a d 进行二次开发来实现特征造型，对实体进行分层处理得到 其轮廓线，然后实现了可对工具电极损耗进行分层补偿的分层电火花铣削加工【l 引。但在 复杂三维实体的分层电火花铣削加工中，每一层的轮廓形状及加工面积是不断变化的， 无法满足电极损耗分层补偿的前提条件即完全的轨迹往复。因此，开发具有工具电极损 耗实时补偿功能的c a d c 蝴系统具有很高的应用价值，可显著提高加工精度和加工效 率。 林肯大学的余祖元将其提出的均匀损耗法和现有的c a d c 蝴系统集成，成功了加 工了复杂形状的三维结构【l6 】。首先利用现有的c a d c 舢订系统进行三维结构的造型，并 对该结构进行分层，计算并得到每层的面积数据。在c a m 中，生成每层的加工轨迹数 据。利用上述数据，根据均匀损耗法，重新生成可以进行电极损耗补偿的加工轨迹。最 后将生成数控加工代码输入到数控加工装置中，完成三维结构的加工。 1 4 电火花加工机床的研究现状 近年来，基于特种加工的微细加工技术取得了重大进展。国外的微细特种加工，特 别是微细电火花加工，已步入工业应用阶段，各种微细电火花加工机床也相继问世。针 8 大连理工大学硕士学位论文 对微小零件的加工而开发研制新型实用的微细电火花加工机床是目前国际电加工界重 要的发展方向。国际著名的电加工机床生产厂家，如日本的松下精机、三菱电机、骏河 精机、微研、瑞士夏米尔、美国麦威廉斯等均相继推出了相应的微细电火花加工机床。 瑞士a g i e 公司开发的微细电火花加工加床a g i ec o m p a c t1 主要是针对1 m m 以下 尺度的微小三维结构，数控系统可以实现x y z c 四轴联动，x y z 轴的行程为2 5 0 1 6 0 2 5 0 m m ，定位精度为1 岬，c 轴的定位精度为0 0 0 1 岬，可以装夹直径为o 2 2 o i l l m 的 电极，加工表面粗糙度为r a 0 2 岫【l 7 1 。 日本松下精机生产的m g e d 8 2 w 是一种高精度的微细电火花机床【1 8 】。m g e d 8 2 w 的电火花放电电源采用r c 微能驰张式电源，其最小脉冲能量可达1 0 7 j ，是传统电火花 加工电源能量的1 1 0 到l 1 0 0 。机床采用陶瓷材料作主要零件减小了寄生电容对加工的 影响。其能稳定地加工出5 岬的微细轴和5 岬的微小孔，表面粗糙度达i h a ) 【o 1 岬。 该加床可以进行多种形式的电火花加工如钻削、洗削、磨削、成型加工等。 德国柏林技术大学生产技术研究中心在瑞士c h 删i l l e s 公司的r o b 0 6 l2 0 0 0 五 轴线切割机床的基础上实现了微细电火花加工中心。该机床可以实现微细线切割加工、 微细型腔加工、微细线电极磨削、微细电火花钻削和微细电火花铣削等【l9 1 。 瑞士s a r 公司推出p m 六轴( x 、y 、z 、c 、a 、b ) 微细电火花加工机床。该 机床配备电极在线制作装置，通过x y z c 等轴的联动，可以进行各种形状电极的反拷 加工。利用z c a b 等轴，可以进行复杂空间位置或多工位微小孔加工，加工直径小于 0 0 2 i m n 。通过数控多轴联动，可以进行异形孔、微小模具和微小零件的加工，如齿宽 为o 0 2 删 n 的小齿轮等。利用直径o 0 4 5 3 o r n i l l 的棒状或管状电极，可以进行微小、精 密、复杂、超硬材料模具和零件的铣削加工。加工的最佳表面粗糙度r a o 0 5 岬【2 0 1 。 国内在微细电火花加工研究方面，南京航空航天大学起步较早。上世纪九十年代宋 小中博士利用研制的以步进电机为执行件的电火花微细加工装置进行了微细孔、微细电 极、微细轴类零件的工艺试验，首次加工出了直径1 9 啪的微孔。哈尔滨工业大学特种 加工研究所也在这方面做了许多研究工作，开发了四轴联动精密微电火花加工机床。该 装置加工出了最小直径为4 5 岬的微细轴和8 岬的微细孔。另外，哈尔滨工业大学特 种加工研究所成功地研制了集微细电火花加工、微细超声加工、微细电化学加工于一体 的多功能微细特种加工系统，基于该加工平台，在国内首次用微细电火花加工技术加工 出了直径6 岬的微细孔，首次运用微细超声加工技术加工出了直径1 3 “m 的微细孔【2 1 1 。 微细电火花加t 装置及铣削加工技术的研究 1 5 课题研究内容 针对微细电火花铣削加工的特点，本文研制了一套微细电火花三维铣削加工装置， 并在此基础上对微细电火花三维铣削加工技术进行了深入的研究，主要内容如下： ( 1 ) 根据微细电火花三维铣削加工对加工装置的要求，研制了一套可四轴联动的 微细电火花三维铣削加工装置。该装置包括以下几个部分：数控装置、放电状态的检测、 伺服运动系统、工作液循环系统以及伺服主轴等。该装置为后续的电火花铣削加工技术 的研究奠定了基础。 ( 2 ) 对数控装置的软件结构进行了总体设计和各模块的功能设计，包括手动模块、 自动模块、数控程序输入输出模块、探测模块等。 ( 3 ) 实现了微细电火花铣削加工的轨迹控制，包括直线与圆弧插补模块的软件实 现和轨迹运动的伺服控制，并对轨迹的控制方法进行了实验验证。 ( 4 ) 在上述工作的基础上，针对均匀损耗法电极补偿的局限性，研究了一种新的 电极损耗补偿方法，并将该方法和现有的c a d c 舢订系统集成，进行了三维微结构的加 工以及与均匀损耗法的对比研究。 ( 5 ) 对若干个典型三维微结构进行了四轴三联动的实际加工验证，证明了上述研 究结果的有效性与实用性。 1 0 大连理工大学硕士学位论文 2 微细电火花加工装置的硬件设计 微细电火花加工靠工具和工件之间微小脉冲性火花放电来蚀除多余的金属，以达到 对零件的尺寸、形状及表面质量预定的加工要求。微细电电火花加工所具有的单个脉冲 放电能量小，放电间隙小，放电面积小，工具电极制备困难，排屑困难，不易获得稳定 火花放电状态的特点对加工装置的分辨率、定位精度、运动精度和响应速度等指标提出 了较高的要求。根据以上对微细电火花加工的特点分析，可以归纳出对微细电火花加工 装备的技术要求f 2 2 】： ( 1 ) 对脉冲电源的要求：脉冲电源的主要作用是把工频交流电转换成一定频率的 单向脉冲电流，以供给电极放电间隙蚀除金属所需要的能量。在微细电火花加工中，为 了获得尺度微小的工件和良好的表面质量，单脉冲放电能量要控制在1 0 气l o 8 j 之间， 甚至更小。此外，还要求电源产生的脉冲电源应该是单向的，没有负半波和半波很小， 这样才能最大限度地利用极性效应，提高生产率和减少工具电极的损耗。独立式晶体管 脉冲电源具有脉冲频率高、脉冲波形好、脉冲参数容易调节、易于实现多回路加工和自 适应加工等优点，但是在加工时需要一定的维持电压，因此放电电压不能过低。r c 脉 冲电源可以在超低电压( 低于火花维持电压，一般为2 o v ) 下稳定加工，但是脉冲 参数不易调节。因此，综合晶体管和r c 脉冲电源的各自优点，采用新兴的电力电子 技术和高速的电子开关元件，设计高频窄脉宽的脉冲电源应是大势所趋【l2 1 。 ( 2 ) 对伺服系统性能的要求。在微细电火花加工中，伺服进给系统的性能是系统 性能优劣的一项重要指标，是加工过程顺利进行的前提。在微细电火花加工中，为了使 火花放电维持在一个稳定的状态，伺服系统必须能够较好地跟踪微细电火花加工中微小 的放电间隙。由于微细电火花加工中的放电间隙一般在几个微米到几十微米之间，这就 要求伺服机构要有很高的伺服进给精度和进给分辨率( 一般为o 1 微米或更高) 。在加 工过程中，随着工件的不断蚀除，间隙不断增大，为了维持放电间隙，电极要不持续进 给。如果工具电极和工件电极之间短路，则必须使工具电极以较大的速度快速回退，以 消除短路状态。这要求伺服系统要有较高的响应速度。 ( 3 ) 微细电极在线制作功能。微细工具电极的尺寸精度和表面粗糙度是影响微细 孔、微三维结构的加工精度和表面粗糙的重要因素。微细电极的在线制作可以保证电极 与回转主轴的同轴度，电极在线制作系统已经成为微细加工装置中不可或缺的一部分。 ( 4 ) 对主轴旋转精度的要求。为了制备极细的工具电极，提高微细孔和微型腔的 加工效率和加工精度，要求微细电火花加工装备的主轴回转误差小于lum 。具有较大 微细电火花加工装置及铣削加工技术的研究 的速度调节范围，可以满足工艺试验对主轴旋转速度的要求。要加工多种形状的电极， 如方形电极，三角电极，圆锥电极等，要求主轴必须有高精度的分度功能。 基于微细电火花加工对加工装置的要求，设计了一套卧式微细电火花加工装置。该 装置主要包括数控装置，伺服驱动机构，r c 脉冲电源，工作液循环系统微细电极在 线制作，放电状态检测环节以及机床本体等。该装置的构成如图2l 所示。图22 是装 置的实物照片。 图21 微细电火花加工系统构成图 f i g2 1s h u c 缸e o f 血cm l c r me q 邺姐t 图22 加工装置实物图 f 唔22 m i c m - 皿ms ”咖i x 、y z 轴 大连理工大学硕士学位论文 2 1数控装置 数控装置即c n c 装置，是c n c 系统的核心，主要由计算机及接口组成。数控装置 是控制数控机床运动的中枢系统，它首先接受输入装置送来的电脉冲信号，通过数控装 置的逻辑电路或计算机数控的系统软件进行译码和寄存，这些指令和数据将作为控制与 运算的原始依据。数控装置中的控制器再将接受的响应指令中的数据进行运算和处理， 把它们转换成伺服系统能够接受的指令信号，然后将结果由输出装置送到各坐标控制的 伺服系统，控制机床各部分按照程序的要求实现某一操作。 随着计算机技术的发展，p c 以其良好的开放性成为开放式控制系统的基础，数控 系统p c 化已成为必然的趋势，在开发数控系统时应最大限度利用丰富的p c 软硬件资 源，享受p c 硬件与软件发展的成果，与p c 发展同步。基于p c 的开放式数控系统主要 有三种【2 3 】： ( 1 ) p c 嵌入n c 型。该类型将p c 作为专用控制器的前端接口，把p c 嵌入到n c 内部，使传统的专用n c 带有个人计算机的特点，n c 与p c 之间用专用的总线连接。该 系统的n c 作用没有改变，进行实时插补，伺服控制、电源控制以及p l c 控制等一些实 时控制：p c 执行人机界面、存储和通讯等非实时性任务。此类系统尽管也具有一定的 开放性，但由于其n c 部分仍然是传统的数控系统，其体系结构还是不开放的，不能实 现n c 内核的开放。f a 7 c1 6 0 、西门子8 4 0 、美国a b9 3 6 0 等数控系统就采用此种结 构。 ( 2 ) n c 嵌入p c 型。以p c 机作为系统的核心，n c 部分集成为运动控制卡，把运 动控制卡插入到p c 机的扩展槽中完成数控系统的功能，软件的通用性好，一般p c 机 处理各种非实时任务，运动控制卡处理实时任务。优点是可运行用户自定义的软件，成 本低，界面比传统的c n c 友好等。采用此种结构的典型数控系统有f a m7 co p e n 4 、美 国d e l t at a u 的p m a c 等。 ( 3 ) 软件( s o f t ) 型。c n c 功能基本由应用软件来实现，而硬件部分仅是计算机 与伺服驱动和外部i o 之间的标准化接口，具有最好的开放性，能实现n c 内核的开放、 用户界面的开放。但系统的实时性要求处理比较困难，系统开发难度大。我国“八五 计划开发的华中i 型数控系统就采用了这种方式。 目前的电火花加工机床数控系统虽然在控制功能、自动化、智能化，加工精度等方 面有着较强的功能，但各生成厂商提供加工机床数控系统仍然是封闭和不兼容的。很难 对专有的数控系统进行二次开发。基于以上存在的问题，本文研制的微细电火花加工系 统的数控装置采用基于n c 嵌入p c 型数控系统结构。 微细电火花加工装置及铣削加工技术的研究 p c 机运动控制卡 ：i 加工代码管理 i ：i 逻辑与数字运算 l ： ie 些型幽学堂纠厂丽磊司； ：i 插补运算 i ： ：一： ；e 亏萄；型l 盟幽； ：i 坐标显示 il：i 鱼垫茎堕望竺里 i i 一三- = = _ ：_ = = - ：_ = = _ ：- = = _ ：_ = = _ ：_ = = _ 三一； i 一一一一一一一一一一一一一一一； 图2 3 数控装置的任务分配 f i g 2 3 d i 矧b l l t j o n0 f t a s k s i l l c n c 洲锄 如图2 3 所示，p c 机作为主