（精密仪器及机械专业论文）复合型微细电火花加工装置及工艺的研究.pdf

复合型微细电火花加工装置及工艺的研究 s t u d yo nh y b r i dm i c r oe d m s y s t e ma n dp r o c e s s 学科专业：精密仪器及机械 研究生：易茂斌 指导教师：房丰洲教授 天津大学精密仪器与光电子工程学院 二零零八年八月 摘要 微细电火花加工作为一种重要的微细加工方法，具有其低成本、非接触加工、 容易实现高深宽比及三维微结构的特点，使其在许多领域中具有应用前景，受到 国内外学者的广泛关注。但是其加工间隙小、排屑困难、工具电极损耗严重、电 源脉冲利用率低等特点，使其对加工参数的选择和电极伺服控制系统的性能提出 了更高要求。 首先，介绍了微细电火花加工装置的组成，并对装置的关键部件精密三维工 作台的性能做了检测和调试。对电极的伺服进给采用阈值电压控制法，调整电极 的进给速度，观测其放电波形，使其达到最佳放电状态。分别采集开路，正常放 电，短路的间隙平均电压值，设置合适的开路阂值和短路阈值通过判别放电状 态来控制电极进退获得稳定的放电间隙。并且分析了采样频率和统计频率对控制 效果的影响。 然后，从电火花的加工机理出发，以电火花微孔加工作为研究对象，研究各 加工参数对加工结果的影响规律。分别研究各参数对加工结果的影响规律，最后 得出各主要加工参数如开路电压，r c 参数等的选择原则与规律。从而可根据不 同工艺指标的要求，优化加工参数以达到高效稳定的加工。 最后，用微细柱状电极对三维微结构进行逐层扫描加工，通过c a d c a m 建模对电极扫描形进行的控制，并研究了电极的实时补偿策略，成功扫描加工出 微槽、微矩形型腔等三维微结构，验证了伺服扫描加工的可行性。分析了扫描速 度和轨迹跨度等对加工效率和精度的影响。并进一步研究了微细电极的在线制作 方法，采用电火花磨削法成功制作了直径3 0 u m 的微细电极。 除此之外，将电极换成微型铣刀可以实现微铣削的功能，这样就实现了微铣 削，微电火花加工一体化。一次安装工件便可完成微铣削，微电火花复合加工， 避免了二次安装带来的定位误差，提高了加工精度。 关键词：微细电火花加工装置阈值电压控制法电火花微孔加工伺服扫描 加工电火花磨削法微铣削 a b s t r a c t m i c r oe l e c t r i c a ld i s c h a r g em a c h i n i n g ( e d m ) ，a sa ni m p o r t a n tm i c r om a c h i n i n g t e c h n o l o g y , f o rt h es p e c i a la d v a n t a g e ss u c ha sl o w e rc o s t ，u n t o u c h e dm a c h i n i n g p r o c e s s ，h i g h e ra s p e c tr a t i oa n db e t t e rc a p a b i l i t yi nm a c h i n i n gm i c r o3 ds t r u c t u r e s ， b e c o m e sap r o m i s i n gm e t h o df o rm i c r om a c h i n i n gi nm a n yf i e l d sa n dh a sb e e np a i d i n t e n s ea t t e n t i o nt ob yd o m e s t i ca n do v e r s e a sr e s e a r c h e r s b u ti ta l s oh a ss o m e d i s a d v a n t a g e sl i k en a r r o wd i s c h a r g eg a p ，d i f f i c u l tr e m o v a l o fd i s c h a r g ed e b r i s 。s e r i o u s t 0 0 1 e l e c t r o d ew e a r , l o wa v a i l a b i l i t yo fp u l s e dp o w e rs u p p l ya n de t c ，w h i c hm a k e si t c a l l i n g f o r i m p r o v e dt e c h n i q u e s i n c h o o s i n gm a c h i n i n gp a r a m e t e r s a n dt h e p e r f o r m a n c eo fs e r v o - f e e de l e c t r o d ef o rm i c r oe d m f i r s to fa 1 1 t h es t r u c t u r eo ft h em i c r oe d ms y s t e mi si n t r o d u c e d t h e nt h ep i d t u n i n gf o rt h es e r v oc o n t r o ls y s t e mh a sb e e nc a r r i e do u tt o f i n dt h eb e s tm o t i o n p e r f o r m a n c eo f t h ep r e c i s i o n3 - a x i sw o r k s t a g e ，a st ot h ed i s c h a r g eg a pc o n t r o ls y s t e m ， t h et h r e s h o l d c o n t r o lm e t h o dh a sb e e nu s e dt of e e dt h ee l e c t r o d e i nt h i sm e t h o d ，t h e f e d e r a t eo ft h ee l e c t r o d em u s tb es u i t a b l ef o rt h eb e s td i s c h a r g ec o n d i t i o na c c o r d i n gt o t h ed i s c h a r g ew a v e f o r m h e n c e ，t h ev o l t a g eb e t w e e ne l e c t r o d ea n dw o r k p i e c ei s g a t h e r e d t h e nt h eo p e nc i r c u i tt h r e s h o l da n ds h o r tc i r c u i tt h r e s h o l da r es e tt oi d e n t i f y t h ep r e s e n td i s c h a r g ec o n d i t i o nf r o mt h r e ed i f f e r e n tt y p e sa so p e nc i r c u i t ，n o r m a l d i s c h a r g ea n ds h o r t c i r c u i t s ot h a t ，t h ee l e c t r o d ec o u l db em o v e du p w a r d so r d o w n w a r d sa c c o r d i n gt ot h ed i s c h a r g ec o n d i t i o nt ok e e pd i s c h a r g eg a ps t e a d y s u b s e q u e n t l y ，e x p e r i m e n t sh a v eb e e nm a d et os t u d yt h ee f f e c to ft h em a c h i n i n g p a r a m e t e rs u c h a st h ev o l t a g ea n dr cp a r a m e t e r st ot h em a c h i n i n gr e s u l tb y m i c r o h o l em a c h i n i n gs i t u a t i o n sb a s e do nt h ep r i n c i p l eo fe d m m e a n w h i l e ，t h e e f f i c i e n ta n ds t e a d y m a c h i n i n gp r o c e s s c a nb ed e t e r m i n e db yo p t i m i z i n gt h e m a c h i n i n gp a r a m e t e r sa c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n tm a c h i n i n gr e q u i r e m e n t s a tl a s t ，t h em i c r oc y l i n d r i c a le l e c t r o d eh a sb e e nu s e di nm i c r oe d ms c a n n i n g m a c h i n i n gl a y e rb yl a y e rd u r i n gt h i ss c a n n i n gm a c h i n i n g ，t h e e l e c t r o d ep a t hi s d e s i g n e db yu t i l i z i n gc a d c a m a n dt h er e a l - t i m ec o m p e n s a t i o no ft h ee l e c t r o d eh a s b e e ns t u d i e d i nt h i sp a r t ，m i c r o3 ds t r u c t u r e ss u c ha sm i c r os l o ta n dm i c r or e c t a n g l e c a v i t yh a v eb e e nc o m p l e t e dt ov a l i d a t et h ea b i l i t yo f t h es e r v os c a n n i n gm i c r oe d m a n dt h ei n f l u e n c eo ft h es c a n n i n gv e l o c i t ya n dt h et r a c ks p a no nt h em a c h i n i n g e f f i c i e n c ya n da c c u r a c yh a sb e e nd i s c u s s e dd e t a i l e d l y i nt h ee n d ，t h eo n l i n em e t h o d o fm a c h i n i n gt h em i c r oe l e c t r o d eh a sb e e ns t u d i e d ，a n dam i c r oe l e c t r o d eo fq 0 3 0 i t m h a sb e e na c c o m p l i s h e db ye l e c t r i c a ld i s c h a r g eg r i n d i n g f u r t h e m o r e ，i ft h ee l e c t r o d ei sr e p l a c e db ym i c r om i l l i n gt o o l ，m i c r om i l l i n g m a c h i n i n gc a nb er e a l i z e d ，t h e nm i c r om i l l i n ga n dm i c r oe d m c o u l db ei n t e g r a t e ( io n as i n g l em a c h i n et 0 0 1 a sar e s u l t ，t h ew o r k p i e c ea r ea b l et ob em a c h i n e d b y m l c r o m i l l i n ga n dm i c r oe d mw i t hf i x i n go n l yo n c e t h e r e f o r e ，t h em a c h i n i n g a c c u r a c y c o u l db ei m p r o v e db ye l i m i n a t i n gt h ep o s i t i o n i n g e r r o ri n d u c e db yf i x i n gt h e w o r k p i e c e t w i c e k e y w o r d s ： m i c r oe d m m a c h i n i n g ，s e r v os c a n n i n gm i c r o s y s t e m 。t h r e s h o l d c o n t r o l m e t h o d ，m i c r o 。h o l e e d m ，e l e c t r i c a ld i s c h a r g eg r i n d i n g ，m i c r om i l l i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤盗本堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：易掷甙 签字日期：加。g 年 7 月五日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤壅盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：勃教斌导师签名：扇丰 签字日期：矽旧8 年 铂z 日 签字日期：2 一口2 年7 月日 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 现代制造技术的发展呈现两大趋势：一是现代制造系统的自动化技术；另一 个就是寻求固有制造技术的自身微细加工极限。微型机械中，特别是其中的敏感 元件、控制仪表、动力系统、执行机构等关键器件要使用大量的微制造技术，如 微型机器人，微型工具，微型飞机等。这些微型机械的需求对现代制造技术提出 了新的挑战。解决这一制造难题的主要途径有两条，一方面是采用微机电系统技 术，另一方面是采用微细特种加工技术。 从世界范围的微细加工技术的发展应用而言，欧美等国倾向于硅微结构的制 作，即微细电子机械领域；而日本则更注重用传统的加工方法和特种加工方法从 宏观尺寸零件的加工向微观尺度的零件加工逼近( 如：微小齿轮，微小模具，微 细轴，孔等) 。 微机电系统技术是基于半导体平面工艺的一种加工方法。适合于将微传感 器、微执行器、信息处理器件集成一个微小单元。从工艺角度看有集成度高，便 于大批量生产等优点。但是这种方法难以加工出三维曲面形状，也难以处理各种 性能卓越的金属材料，特别是一些极限作业环境下所要求的高强度、高韧性、高 耐磨、耐高温、耐冲击、抗疲劳等性能，一般单一的半导体材料是很难达到的， 因此其应用范围受到了一定限制。国外目前采取了微机电系统与微加工并重的策 略，以充分发挥各种加工方法的优点。 由于传统的机械加工过程存在着宏观的切削力，因此在加工微小零件，特别 是微米尺度零件时，容易产生变形、发热等问题，精度控制较为困难。另外，表 面容易产生应力而影响产品的使用性能。特种加工方法采用各种物理的，化学的 能量及各种理化效应，直接去除或增加材料以达到加工的目的。特种加工多属于 非接触加工，一般没有宏观的切削力作用，因此在微小尺度零件的加工中有着不 可替代的优越性。 作为一种低成本的微细特种加工技术，微细电火花加工在微细加工中具有独 特的工艺优势：无宏观加工力的非接触加工方式，使低硬度材料工具可加工高硬 度工件；可加工各种金属，合金等导电材料，以及硅等半导体材料【l 】；加工单位 只取决于单个脉冲放电能量，可实现微纳米级的微细加工。因此，微细电火花加 工技术已成为微细加工的有效手段之一，在高性能材料和高深宽比的微结构加工 天津大学硕士学位论文第一章绪论 方面尤显强势1 2 圳。 微细加工技术的需求很大程度上体现在三维微细结构的制作上峰j ，根据 c a d c a m 系统设计的加工轨迹代码，结合微细棒状工具电极底端放电的三维扫 描加工方法，微细电火花加工可实现三维微结构的加工睁8 | 。 目前，尽管微细电火花加工的微细轴和微孔直径可以达到5 1 0 p m ，扫描加 工方法可以加工出微米级的三维微型腔【9 】o 然而，由于微细电火花加工工艺及加 工系统的控制精度和可靠性还不完善，使三维微结构的加工精度和效率难以保 证，三维微细电火花加工技术仍然无法实际应用【3 ，9 】。 1 2 国内外微细电火花加工技术的进展 最早将电火花加工用于微细加工领域的是瑞士的电火花机床厂商，为了解决 当时化纤工业中喷丝板上的微细孔加工难题，他们于2 0 世纪6 0 年代研究出第一 台微细孔专用加工机床。2 0 世纪6 0 年代末，荷- - “ - p h i l i p s 研究所利用微细电火花 加工技术，成功地加工出直径3 0 9 i n 精度为0 5 “m 的微孔【l o ，1 1 1 。从此，国内外许 多研究机构在微细电火花加工技术上进行了许多方面的研究工作。作为一种实用 的微细特种加工技术，微细电火花加工具有设备简单、可实施性强等特点，其在微 细轴、孔加工及三维微结构制作方面已经显示出了相当大的发展潜力，正受到世 界各国学者的普遍关注。 1 2 1 线电极磨削工艺的进展 1 9 8 4 年，东京大学增泽隆久教授等人成功研制了线电极电火花磨削工艺 ( w e d g ) 如图1 1 ( a ) 所示，为微细电火花加工技术的微细工具电极制作开辟 了一可行途径【l2 1 。w e d g 技术的出现，圆满地解决了微细工具电极的在线制作 与安装这一长期制约微细加工技术发展的瓶颈问题。它的出现与发展不仅促进了 微细电火花加工技术的实用化，而且极大地带动了相关微细加工技术的发展。利 用w e d g 技术，日本东京大学加工出直径4 1 a m 微孔和直径2 5 p m 的微细轴如图 1 1 ( b ) 所示1 1 引，代表了当前这一领域的技术前沿。w e d g 已经成为微细高精度 电极在线制作的有效手段。可以说目前的微细电火花加工与w e d g 是密不可分 的。 国内方面，1 9 9 7 年南京航空航天大学加工出直径2 0 t a m 长2 0 0 1 t m 微细轴和孔 径2 5 p , m 长1 5 0 “m 的微孔1 1 4 ；1 9 9 8 年，清华大学制作出直径2 5 9 m 深宽比超过 2 0 的微细轴和孔径4 0 “m 深宽比超过1 0 的微孔1 1 5 , 1 q ；2 0 0 0 年，哈尔滨工业大学 将反拷块工艺与w e d g 技术相结合，实现了微细电极高效和高精度的在线制作 2 天津大学硕士学位论文 第章绪论 n 又于2 0 0 4 年开发出具有横轴布局v 型陶瓷导向旋转主轴的微细电火花加工系 统，加工出直径小于4 5 “m 微细轴和直径小于8 m 的微孔m 。 剽曩鬻 a ) w e d g 原理图( b ) 4 , a m 微孔和直径25 u m 的微细轴 图i - i 线电极电火花磨削( w e d g ) 原理图与应用实例 1 2 2 微细电火花m d - t - 装置的进展 目前国内外对于微细电火花加工装置的研究主要有两大趋势：一是加工装置 本身的微小型化，二是针对微小型零件的加工而进行的新型机床开发。 由于在电火花加工中，工具电极与工什之间没有宏观作用力，这使得采用电极 直接驱动装置实现电火花加工装置的微型化成为可能。并且这种微型装置可匕王安 装在机器人手臂上从而实现在特殊空间上的加工。高精度的微进给机构是实现 电火花加工的前提和保证。2 0 世纪9 0 年代后，日本东京大学的通口俊郎、古谷 克司和丰田工业大学的毛利尚武等人利用压电陶瓷的逆压电效应先后研制出了 蠕动式、冲击式和椭圆驱动式三种电极直接驱动的微型电火花加工装置t8 “如图 1 2 所示。我国的南京航空航天大学研制出了电磁冲击式”清华大学研制出了 蠕动式的微型电火花加工装置”l ，哈尔滨工业大学研制出了蠕动式和超声直接 驱动式”。这些屯极直接驱动的微小型电火花加工装置，有效地降低了进给驱动 系统的惯性对于充分发挥电火花加工的技术特点无疑是十分有利的。但值得注 意的是上述装置主要是解决了电极的轴向驱动系统的微型化问题淌未形成一个 包括带动电极高精度同转运动在内的完整的微细电火花加工系统。其可以预见的 应用将主要是异型孔加工、多孔加工发特殊空间上的孔加工等。针对微小零件的 加丁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。 一台能够满足微细电火花加工要求的机床应具备以下特征】) 具备微细电极 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 的在线制作手段，如具有w e d g 装置；2 ) 具有微能放电脉冲电源。为满足微米级 的加工单脉冲放电能量应小于1 0 4j ：3 ) 灵敏可靠的高精度伺服和微进给系统； 4 ) 微细电极和微细加工过程的在线监测系统；5 ) 高精度、高速主轴系统；6 ) 具有3 轴以上的数控加工能力。由于目前该粪机床一般均可列特种材料零件完成 微米级加工周此发达国家一般将其列为对我国的禁运产品，在我国应加大该类 产品的开发力度。 理| 鼻翠专蓊 aj 蠕动式 ( b ) 冲击式 ( c ) 椭圆式 圈i - 2 = 种电极直接驱动的微型电火花加工装置 1 3 微结构器件加工的进展 2 0 世纪9 0 年代厉，微细电火花加工技术进入了实用化研究阶段。先进数控 系统和多功能微细电源的发展改善了微细电火花加工精度，微细电火花加工技术 得到了长足的发展，并逐渐应用于生产和生活领域。一些研究机构开展了m e m s 传感器、执行器零部件的微细电火花加工研究。 如图i 一3 n 示，日本三菱公司利用微细电火花加工技术成功制造出直径为 0l m m 的内心轴构成的、最深部的加工尺寸为2 7 0 m 的齿轮铸模。如图i 一4 是比 利时鲁汶大学利用微细电火花加工技术在硅材料上加工出的s 型粱和微型钳口“。 如图1 5 是美国桑迪亚国家实验室利用微细电火花技术制造的尺寸为1 0 m m x 1 0 r a m 5 m m 的微型步进电机组件 2 5 】。 麟黼 图i - 3 日本三菱电机制作的微小肯轮横县图】5 微型步进电机组件 蔗 。 蠹 天津大学硕士学位论文第一章绪论 圈1 4硅上加工的s 形粱和微型钳 1 4 三维微细电火花扫描加工的现状与分析 国内外持续的研究开发己使微细电火花加工对象由简单的图截面微细轴、微 孔拓展到三维微结构。由于电极损耗和制作复杂形状电极的高费用，利用成型电 极成型加工复杂三维微结构具有较大的难度【”“。 1 9 9 7 年，日本东京大学采用电极端部放电，利用简单形状工具电极进行逐层 扫描的微细电火花加工方法加t 出05 岫02 r a m 02 m m 的微型汽车模具口 ( 如图1 6 所示) ：内布拇斯加林肯大学利用微细电火花扫描加工出球径为 中1 5 0u m 的l 8 微型球瓣h ”( 如图1 7 所示) ：哈尔滨t ? l k 大学采用自己设计的 微细电火花数控系统，制备了直径3 0 9 i n 长度3 m m 的工具电极，并用此电极加工出 l 衄03 珊01 8 叫的雕塑头像( 如图1 8 所示) 等等。这些研究成果显示了 微细e d m 方法的重要技术价值和应用前景。 函 图i6撒刊慢七蚺。 赣蓬 参黧 圈1 71 8 微型球瓣 e = = ：二= 。一一二= = 二 曙i 8 微型雕塑头像 天津大学硕士学位论文第一章绪论 三维微细电火花扫描加工是在数控系统控制下，工具电极按照一定轨迹扫描 加工三维结构的方法。与穿孔成型加工方法相比，三维微细电火花扫描加工方法 具有工艺流程简化、设计自由度大、易于排屑、电极制备费用低、可加工自由曲 面的三维微结构等优点，而且可以利用迅速发展的c a d c a m 技术推动其实用 化进程。 然而，微细电火花扫描加工需要进行轨迹编程和工艺编程，尽管利用先进的 数控系统和高自动化加工机床，目前仍然缺乏c a m 工具来适应三维扫描加工。 这主要是因为现有的用于铣削加工的c a m 系统很难产生具有电极损耗补偿的微 细电火花加工路径【9 1 。 由于电火花加工过程的极间能量分配决定了工具电极损耗的必然性，在微细 电火花加工过程中工具电极损耗必须得到有效的补偿，否则将影响微细电火花加 工精度和效率，甚至造成加工无法继续进行的后果。针对微细电火花微孔加工和 三维微细电火花扫描加工方式的不同，工具电极损耗补偿的方法和难度也有所不 同。微通孔加工通常通过伺服补偿放电间隙的方法实现电极损耗的自动补偿，但 这种方法因补偿的长度和加工深度不能实时确定，因此加工盲孔的深度很难控 制【们。三维微细电火花扫描加工的工具电极损耗相对严重，这是因为去除材料体 积和电极损耗的体积成正比，而工具电极截面积相对于去除工件的面积较小，工 具电极长度上损耗比较严重，而且电极损耗随加工深度逐层积累。工具电极损耗 严重影响微加工效率和加工精度1 8 , 9 , 2 6 , 3 0 】。因此，工具电极损耗是限制扫描加工技 术发展的瓶颈，工具电极实时补偿方法的研究具有较大的难度和重要的意义i j l | 。 国内外研究者对此开展了大量的研究工作，但尚未得到完善的解决方法。1 9 9 2 年，k a n e k o 等人将在线数字成像技术应用于工具电极损耗的测量和补偿i j 2 i ，但 由于微细电火花加工尺寸小等原因，这种方法较难应用于三维微细电火花加工的 电极损耗实时补偿；1 9 9 7 年，东京大学提出了电极等损耗补偿模型1 2 7 2 8 1 ；2 0 0 2 年，b l e y s 等人提出采用统计放电率方法进行电极损耗补偿1 30 1 ，但由于较难分析 放电监测结果和确定适当的补偿量限制了这种补偿方法的运用：2 0 0 4 年，p h a m 等人提出采用工具电极电接触的电极损耗补偿方法1 9 j 。目前，电极损耗补偿方法 的研究主要集中在以上几种方法，以及这些方法的综合运用。很多研究者都将研 究力量放在电极损耗模型建立的难题上【2 6 3 3 ，从而使加工精度很大程度上取决于 电极损耗模型的精度。 等损耗电极补偿法，是在三维微细电火花扫描加工中，引入工具电极和工件 材料的体积损耗比进行电极损耗的实时补偿。其基本原理是在一定的条件下，完 成一层加工后，使由于损耗而变形的工具回复其原先的形状。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 6 天津大学硕士学位论文第一章绪论 电极的边角部分，由于损耗而迅速变圆，如图1 - 9 ( 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1 - 9 ( b ) 所示，如果电 极的损耗是沿着轴向，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。 口日臼 图i - 9 传统电火花加工的电极损耗和电极均匀损耗【2 9 】 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。在微细电火花加工中，每一层的加工可以简化为图1 1 0 。每一层的电极进给 ( z ) 可以分为两部分：损耗长度( l e ) 和剩余电极长度( l w ) 。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 1 )。 三一 竺 r s w | s 。七、 式中，s w 为分层面的面积，s e 为电极横截面的面积。 s e 图1 1 0电极等损耗每层加工简图 目 母 几u 天津大学硕士学位论文第一章绪论 这种方法的工具电极扫描轨迹路径必须特殊设计，以确保每层加工的电极初 始形状能够恢复，而且需要设计轨迹重叠路径和非常薄的分层厚度，加工效率较 低 2 7 , 3 1 】。但该方法可以实现三维加工中电极损耗的在线实时补偿。然而，等损耗 电极补偿法是一种经验补偿方法，不能补偿随机情况的电极损耗，受到不同机床， 电极和工件材料，加工状态，放电参数，加工形貌等的限制，任何变化条件都会 引入加工误差p j 。对于自由曲面来说，若要获得所有分层面上的面积s w ，计算量相 当巨大，因此等损耗补偿模型的使用受到了一定限制，仅仅适用于有限的场合如简 单的矩形型腔、球体的加工等等。这种电极损耗补偿方法给微细电火花扫描加工 系统的设计带来了复杂性，并且缺乏通用性和可靠性。 放电率统计的电极损耗补偿方法，是在加工过程中通过统计放电率结果进行 在线估计和补偿电极损耗。即设定开路率值，当开路率大于设定值时触发工具电 极进行一次电极补偿。但补偿的必要前提是开路率的变化是连续的，不然数控系 统很难跟踪开路率的变化并确定一个合理的开路率值来触发补偿。事实上开路率 很难保证连续的，因为加工表面不能保证是没有形位公差的理想表面。实时查询 开路率，数据处理量大等不利因素，增加了软件的复杂性，并且要随时中断扫描 代码，不利于加工的连续性。另外，开路率最大值的选择影响补偿的时间间隔，如 果开路率最大值过小，补偿过于频繁将影响加工效率，而开路率最大值过大则加工 底面会出现较大的“锯齿”【2 9 1 。通常通过2 3 遍不同规准的加工并设定合理的 开路率最大值，可以获得较高的尺寸精度。这种补偿方式可以用于端面放电或是 侧面放电，对生成加工代码的c a m 软件无特殊要求，因此可以选用通用的金属铣 f fj j c a m 软件。 工具电极电接触电极损耗补偿法，是在工具电极扫描一定距离后，利用工具 电极电接触标准块定位方法确定电极损耗量进行补偿，从而保证每一层的实际加 工深度【3 4 i 。在三维微细电火花扫描加工中，每个扫描层均在基准平面上进行电极 定位补偿衔接，这样保证了每层加工的实际深度。这种方法的优点是电极损耗补 偿的可靠性得到保证，能够有效地减少过蚀除加工。主要缺点是加工效率低，且 每次电极补偿的时机难以确定，必然造成欠蚀除加工现象。 1 5 本课题的主要研究内容 1 ) 为了适应当今制造小型化的需求，本文从开发微细电火花加工机床入 手，除了让其具备常规微细加工机床的高精度系统外，还开展了一些与 微细电火花加工特点相关的研究工作，如微细电极制作技术、微能脉冲 天津大学硕士学位论文第一章绪论 电源技术，电极微量伺服进给技术、间隙状态监测技术及电极损耗补偿 技术等。 2 ) 利用自己开发的微细电火花加工机床进行了微孔的加工实验，研究各种 加工参数，如开路电压、r c 参数、电极和工件尺寸、材料、极性、电介 质对加工效果的影响，分析它们对加工效率、电极损耗、形状精度和加 工表面质量的影响规律，为根据需要选择合理的加工参数，加工出符合 设计要求的形状提供理论依据。 3 ) 为了满足加工三维微结构的需要，我们进行三维微细电火花伺服扫描加 工方法与实验研究。研究三维伺服扫描a n t _ 的c a d c a m 方法和关键技 术，研究影响三维微结构加工的伺服扫描加工精度和效率的规律。进行 三维微细电火花伺服扫描加工工艺实验研究，以及加工形位精度和表面 质量的可控性研究。 9 天津大学硕士学位论文第二章微细电火花加工装置的组成 2 1 引言 第二章微细电火花j ot 装置的组成 目前，小型化已成为现代制造技术发展的主要趋势之一。一方面是加工工艺 的微细化，用传统的加工方法和特种加工方法从宏观尺寸零件的加工向微观尺度 的零件加工逼近( 如：微小齿轮、微小模具、微细轴、孔等) 。这在微机械，微 型传感器等领域有广泛的应用。另一方面是加工设备的小型化，在加工微小零件 方面，微型机床的诞生不仅克服了传统机床体积大、重量大、运输、安装不便， 耗能高的缺点，而且运动轴惯性小、机床定位精度更高、响应速度更快。随着集 微型车床、微型铣床、微型磨床、微型电火花等于一体的桌面工厂的出现，加快 了加工工艺流程，更加容易操作和实现自动化，节省了时间和人力。 为了适应加工小型化的需求，我们白行设计和搭建了一套微细电火花加工 装置。开发微细电火花加工装置，除了应具备常规微细加工机床的高精度系统外， 还涉及一些与微细电火花加工特点相关的特有技术，如微能脉冲电源技术、间隙 状态监测技术、电极微量伺服进给技术、微细电极制作技术及电极损耗补偿技术 等。 2 2 微细电火花装置的组成 如图2 1 ，2 2 所示，分别为自己搭建的微型电火花加工机床实物照片和系统流 程图，主要由脉冲电源、精密三维工作台及其控制卡、驱动器、伺服电机、旋转 主轴、电极制备装置、数据采集卡，计算机等组成。精密三维工作台的行程和分 辨率为x 轴：1 0 0 m m ，0 2 岬；y 轴：5 0 m m ，0 2 岬；z 轴：5 0 m m ，0 1 1 t m ，最 大速度都为1 2 m m s ，可实现电极的微量进给和短路迅速回退，并采用光栅进行 位置反馈，工作台全程绝对定位精度3 岬，双向重复定位精度1 岬。运动控制采 用p m a c ( 多轴运动控制) 卡，支持三轴联动和三轴空间任意直线、圆弧插补， 还可以根据需要扩展轴，三维结构加工能力强。 天津大学硕士学位论文第二章微细电火花加工装置的组成 图2 1 微型电火花加工机床实物照h 图2 2 微型电火花加工机床系统流程图 2 2 1 微细电火花加工脉冲电源 电火花加工脉冲电源能够把直流或工频正弦交流电流转变成一定频率的脉 冲电流，提供电火花加工所需要的放电能量。它的性能直接影响电火花加工的加 工效率、电极损耗、加工精度、表面粗糙度等工艺指标。为满足电火花加工的需 求，对电火花加工的脉冲电源有如f 要求： i 】有。定的脉冲放电能量，保证对工件材料进行放电去除。 2 ) 脉冲波形基本是单向的，有利于减小电极损耗，最大限度的利用电火花 加工的极性效应。 3 ) 脉冲电源的主要参数( 如峰值电流、脉冲宽度、脉冲间隔等) 有较宽的 调节范围。 4 j 相邻脉冲之间一般有一定的间隔时间，以使放点间隙中介质有足够的消 电离时间，避免起弧烧伤。 对于微细电火加工技术来说，减小单脉冲放电能量是关键的技术之一。因为 单个脉冲能量的大小决定了单个电火花蚀坑的大小，它不仅影响电火花加工表面 兰一 互三至鐾 天津大学硕士学位论文 第二章微细电火花加_ 装置的组成 的粗糙度它还影响着微细丁件和微细电极的几何尺寸精度，决定着微细电火花 加工的极限能力。 张弛式脉冲电源是电火花加丁中应用最早，结构最简单的脉冲电源。其基车 形式是r c 电路，其优点是加工精度较高、表面粗糙度好、工作可靠、装置简单。 缺点是加工速度低、电极损耗大。多用于特殊材料加工和精密微细加工。 独立式脉冲电源r c 脉冲电源 图13 独立式哧冲电源与r c 脉冲电源原理图 ( a ) 独立式脉冲电源放电波形图( b ) r c 脉冲电源放电波形圈 图2 4 独立式脉冲电源与r c 脉冲电源放电波形图 独立式脉冲电源与r c 脉冲电源相比，具有电压脉冲的发生与间隙物理状态 无关，放电现象仅受到直流电源和加工间隙之间的开关兀件控制，因而具有更突 出的电加工性能。然而，在微细电火花加工领域。由于要求的单个脉冲目量极小， 且要求的放电间隙也极小，对于采用开关元件的独立式脉冲电源来说，根难做到 这点。由于开关元件及相应电路的时间响应限制，使得其脉冲宽度不能被压缩得 很小，这就很难保证微细电火花，尤其是超微细电火花加工的要求。而且独立式 脉冲电灏在放电时存在着一种电火花维持电压现象，如图2 4 a ) 所示。维持电压 是由电极材料、工作液介质等因素决定的。这样独立式脉冲电源的单个脉冲放电 能量的降低就变得非常困难。r c 脉冲电源不存在维持电压现象，其放电波形如 图2 4 b ) 所示。 图2 5 是一种用于超微精电火花加工的脉冲电源，它综合了独立式脉冲电源 与r c 脉冲电源的优点，工作时，脉冲控制电路p g 输出一系列的控制脉冲。当它 使晶体管导通时，情况就如r c 张弛式脉冲电源一样，小容量的电容器c ( 数十皮 法至数千皮法) 输出。群很窄的脉冲进行电火花加工。当脉冲处于停歇期使晶体 天津大学硕 学位论文笫二章微细电火花加工装置的组成 管截止时电容器c 停止放电过程，让放电间隙进行消电离，这样就可以弥补张 弛式脉冲电源充电时间必须较长的缺陷加工效率可显著提高，根据r ，c 参数 的不同配合，可进行不同程度的微细电火花加工。 图2 5 超微精电火花加工用脉冲电源 2 2 2 放电间隙状态检测 放电间隙状态检测是微细电火花加工伺服控制系统的重要环节之一。正确的 加工状态判断是提高伺服稳定性和伺服灵敏度的关键，其结果直接影响到傲细加 工的表面质量和加工效率，这一点对微细电火花加工尤为重要。电火花放电加工 过程是一个极其复杂的过程，间隙中放电状态受到各种因素的影响，如脉冲电源 参数( 电压，脉冲宽度，脉冲间隔时问，极性以及波形) 伺服进给系统参数( 饲 服参考电压，系统增益) ，工具电极与t 件材料及加工面积等。这些因素给间隙 的开路、止常放电、短路三种放电状态的判别带来极大的困难。 检测电路的目的就在于区分山上述几种加工状态情况，以便识别并采取相应 的控制对策。目前用来区分极间放电状态的方法有两种：一是设置门槛电压法， 另种是判别放电时有无高频杂波信号法。常用的是前一种方法，因为它简单实 用。其原理是根据不同放电状志所对应的极间电压平均值不同，通过实时采样， 与设置的标准门槛电压相比较，来判别相应的加工状卷。 放电加工时，将采样电阻两端电压分压至一1 0 v n l 0 v 之问，j j 采集卡对其进 行采样，采样频率为2 5 0 k h z ，然后对数据进行统计求平均值，统计周期为0l m s ， 根据短路和开路时的平均值设定门槛电压阈值 u u 2 】，将放电状态划分为短路、 正常放电、开路三种状态分别控制电极的进退，保持稳定的放电间隙。当实时采 集的电压值u 小于u 叫短路，控制电极快速回退：u 大于u 二时开路，控制电极 快速进给：l 介于u u 2 之间时为正常放电，控制电极正常进给保持放电间隙实 现稳定放电。控制电极的进退是通过计算机向p m a c 卡发送在线指令来执行的。 进给和回退的速度根据加工条件而定，采样频率和统计周期根据脉冲放电频率和 放电波形而定，还与p m a c 卡、计算机和采集卡之间的通讯速度和响应速度有关。 天津大学硕士学位论文第二章微细电火花加工装置的组成 2 2 3 电极伺服进给系统 由于电火花加工是非接触加工，电极与工件之间有一定的放电间隙。电火花 加工的放电间隙随着加工条件的变化而变化，数值从数微米到数百微米不等。电 火花加工放电间隙的大小与变化直接影响到加工质量、加工稳定性和加工效率。 特别是微细电火花加工，其放电间隙常在微米级，而放电面积亦非常小，常在数 十平方微米范围之内。在这样小的面积上放电，放电点的分散范围十分有限，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性，使得加工变得困 难。因此，微细电火花加工机床一定要具有高分辨率、高精度、高频响的电极伺 服进给系统。 本文用于反馈伺服控制电极进给的z 轴分辨率为0 1 p m ，可实现电极的微 量进给，最高速度可达1 2 m m s 。可实现短路时电极的迅速回退，并采用光栅进 行位置反馈，工作台全程绝对定位精度3 p m ，双向重复定位精度l g m 。图2 - 6 为 z 轴给定1 0 0 9 m 幅值的阶跃响应曲线，上升时间为0 0 2 7 s 。 躺瑚 nl 翮撕4 0 0 嘣jr 0 0 瓣 蝴 “ri m 艟c 】 i 僻丁懒= 0 n 2 ，# p 8 辙1 蜘j 0 1 舯穹t 蜒m 羽r r 蛸j ，5 1 叫，o 竹7 鳓甜- 1 0 咖虮产0 es 晡n 蟒1 脚e i n l 7 1 笨 2 2 4 旋转主轴头 图2 - 6z 轴阶跃响应曲线 微细电火花加工时，旋转主轴头一方面用来夹持工具电极；另一方面带动电 极高速旋转，实现微细工具电极和轴类零件的线磨削加工成形运动。在微小孔加 工时，电极旋转可使工作液循环流动，有利于改善加工状态，提高微小孔加工质 量和效率。微细电火花加工的尺寸特性，给主轴头的设计和制造带来了相当苛刻 的要求。首先是主轴头的旋转精度问题，若要加工微米级的小孔，则主轴的径向 跳动应限制在1 9 m 之内，这不是很容易实现的事情。其次，主轴头的直线运动精 度也应该控制在相同量级的水平，才能保证被加工微小孔的形状和位置精度。另 天津大学硕士学位论文第二章微细电火花加工装置的组成 外，主轴头的分布电容，体积以及重量都是设计时不容忽视的因素。本装置选用 日本n s k 公司生产的a m s 15 0 0 系列空气涡轮主轴，主轴转速町调，最高可达 i5 0 0 0 0 r p m ，重量l3 k g ，使用压力为03 至05 m p a ，主轴径向跳动精度小