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微细电火花加工技术与发展趋势 于同敏 黄晓超 大连理工大学机械工程学院模具研究所 大连 116023 摘要 摘要 本文简要的介绍了微型制件及微型模具的定义和分类 并着重介绍了应用于微型模具型腔加工的微 细加工技术 微细电火花加工 总结了微细电火花的发展趋势和关键技术 关键词 关键词 微注塑模具 微细电火花 关键技术 Technology of Micro Electrical Discharge Machining and Its Development Trend YU Tongmin HUANG Xiaochao Institute of Die and Mould of School of Mechanical Engineering of Dalian University of Technology Dalian 116023 AbstractAbstract The division and definition of micro part and micro mould were introduced in this paper Emphsis was given to illustrate the micro machining technology of mould cave manufactureng Micro electrical discharge machining M EDM A conclusion of the development trend and key technology of MEDM was made in this paper KeyKey wordswords Micro injection mould Micro EDM Key technology 0 前言 为了满足塑料制件在各种工业产品中的使用要求 塑料成型技术正朝着复杂化 精密化 微小化等方向发展 例如应用于微机电系统的微马达 微小齿轮以及应用于生物工程领域 的细胞培养皿和微流控芯片等的成型 除了必须研发或引进微型和精密成型设备外 微小 且精密的塑料成型模具更是需要采用先进的模具 CAD CAE CAM 技术来设计制造 并运用 各种先进的加工手段 1 微型模具的制造主要通过微细加工 目前的微细加工方法主要有 微细切车削 铣削 和磨削等 微细特种加工如 电火花 电化学 激光 超声波 离了束和电了束等 光刻 蚀刻和 LIGA 技术 其中微细电火花加工应用最为广泛 也是近年来研究的重点方 向之一 1 微型模具 1 1 微型模具的定义 应用微细加工方法制作微型模具 再通过微型模具成形微型制件 具有生产效率高 制 件尺寸稳定性好的优点 因此 近年来关于微型模具制造技术的研究普遍受到人们的关 2 注 但到日前为止 对于微型模具 也没有统一的定义 通常人们习惯于在尺寸和制造精 度上来进行限定 即微型模具在尺寸和制造精度上可有如下儿个非约束性的特征 主要指微 型模具的成形部分 成形的制件体积可达 1mm 左右 微观尺寸从几微米到儿百微米 3 模具表面粗糙度值在 0 1m 以下 模具制造精度从 lm 到 0 lm 但随着微机械 及微细加工技术的发展 这些特征参数值在不断减小 3 1 2 精密微型模具的分类 微型模具按照成形制件的不同可分为以下儿种类型 3 1 微冲压类模具 多用于金属和塑料板材的成形 包括微冲切模具和微弯曲模具等 日本 东京大学生产技术研究所进行的微冲压加工 已在 50m 厚的聚酞胺塑料板材上冲出了宽 度为 40m 的非圆截面微孔 2 微锻造模具 微型锻造制件尺寸多在毫米量级以上 尺寸精度可以达到 IT7 IT9 级 包括热压印模具等 3 微压铸模具 用于微小金属零件的压铸成形 可成形锌 铝合金等微型压铸件 4 微注塑成形模具 用于高分了材料的注塑成形 是目前研究与应用最为广泛的一种微 型模具 目前在德国以 LIGA 技术为基础制造的微注塑模具已可用来生产质量小于 1mg 或 者局部结构化面积只有儿平方微米的极微小型注塑制品 2 微细电火花加工技术 2 1 微细电火花加工原理 微细电火花加工同普通电火花加工的放电机理一样 在加工过程中 电极和工件不接触 利用电极和工件之间不断产生脉冲性火花放电 靠放电时局部 瞬时产生的高温把金属蚀 除 从而形成所需的加工表面 电火花加工的加工原理如图 2 1 所示 图 2 1 电火花加工原理示意图 工件与电极分别与脉冲电源的两输出端相联接 自动进给调节装置使电极和工件间经常 保持很小的放电间隙 当脉冲电压加到两极之间时 便在当时条件下相对某一间隙最小处 或绝缘强度最低处击穿介质 在该局部产生火花放电 瞬时高温使电极和工件表面都蚀除 掉小部分金属 各自形成一个小凹坑 脉冲放电结束后 经过一段间隔时间 使工作液恢 复绝缘后 第二个脉冲电压又加到两极上 又会在当时极间距离相对最近或绝缘强度最弱 处击穿放电 又电蚀出一个小凹坑 这样随着相当高的频率 连续不断地重复放电 电极 不断地向工件进给 就可将工具端面和横截面的形状复制在工件上 加工出所需要的和电 极形状阴阳相反的零件 整个加工表面由无数个小凹坑所组成 电火花加工的微观过程是电场力 磁力 热力 流体动力 电化学和胶体化学等综合作 用的过程 这一过程大致可分为以下四个连续阶段 1 极间介质的电离 击穿 形成放电通道 当脉冲电压施加于电极和工件之间时 两极 之间立即形成一个电场 电场强度与电压成正比 与距离成反比 随着极间电压的升高或 是极间距离的减小 极间电场强度也将随着增大 由于电极和工件的微观表面是凹凸不平 的 极间距离又很小 因而极间电场强度是很不均匀的 两极间离得最近的突出或尖端处 的电场强度一般为最大 由于电场强度增高和负极表面局部过热而引起大量电子发射 使 介质击穿而电阻率迅速降低 形成放电通道 2 介质热分解 电极材料熔化 气化热膨胀 极间介质一旦被电离 击穿 形成放电通 道后 脉冲电源使通道间的电子高速奔向正极 正离子奔向负极 电能变成动能 动能通 过碰撞又转变为热能 于是在通道内正极和负极表面分别成为瞬时热源 达到很高的温度 通道高温将工作液介质气化 进而热裂分解气化 正负极表面的高温使金属材料熔化甚至 沸腾气化 这些气化后的工作液和金属蒸气 瞬间体积猛增 在放电间隙内成为气泡 迅 速热膨胀 就像火药 爆竹点燃后那样具有爆炸的特性 3 电极材料的抛出 通道和正负极表面放电点瞬时高温使工作液气化和金属材料熔化 气化 热膨胀产生很高的瞬时压力 通道中心的压力最高 使气化了的气体体积不断向外 膨胀 形成一个扩张的 气泡 气泡上下 内外的瞬时压力并不相等 压力高处的熔融金 属液体和蒸气 就被排挤 抛出而进入工作液中 由于表面张力和内聚力的作用 使抛出 的材料具有最小的表面积 冷凝时凝聚成细小的圆球颗粒 实际上熔化和气化了的金属在 抛离电极表面时 向四处飞溅 除绝大部分抛入工作液中收缩成颗粒外 还有小部分飞溅 镀覆 吸附在对面的电极表面上 熔融材料抛出后 在电极表面形成放电痕 4 极间介质的消电离 随着脉冲电压的结束 脉冲电流也迅速降为零 但此后仍应有一 段间隔时间 使间隙介质消除电离 即放电通道中的正负带电粒子复合为中性粒子 恢复 本次放电通道处间隙介质的绝缘强度 以及降低电极表面温度等 以免下次总是重复在同 一处电离击穿而导致电弧放电 从而保证在别处按两极相对最近处后电阻率最小处形成下 一放电通道 由于微细电火花加工对象的尺寸通常在数十微米以下 为了达到加工的尺寸精度和表面 质量要求 对微细电火花加工还有一些特殊的要求 微细电火花加工呈现以下一些特点 1 放电面积很小 微细电火花加工的电极一般在5 100m 之间 对于一个5 m 的电极来说 放电面积不到 20m 在这样小的面积上放电 放电点的分布范围十分 2 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 使微细电火花加工 变得困难 2 单个脉冲放电能量很小 为适应放电面积极小的电火花放电状况要求 保证加工的 尺寸精度和表面质量 每个脉冲的去除量应控制在 0 10 0 01m 的范围内 因此必须将 每个放电脉冲的能量控制在 10 10J 之间 甚至更小 6 7 3 放电间隙很小 由于电火花加工是非接触加工 工具与工件之间有一定的加工间隙 该放电间隙的大小随加工条件的变化而变化 数值从数微米到数百微米不等 放电间隙的 控制与变化规律直接影响加工质量 加工稳定性和加工效率 4 工具电极制备困难 要加工出尺寸很小的微小孔和微细型腔 必须先获得比其更 小的微细工具电极 线电极电火花磨削 WIRE ELECTRICAL DISCHARGE GRINDING WEDG 出现以前 微细电极的制造与安装一直是制约微细电火花加工技术发展的瓶颈问 题 从目前的应用情况来看 采用 WEDG 技术能很好地解决微细工具电极的制备问题 为 了获得极细的工具电极 要求具有高精度的 WEDG 系统 同时还要求电火花加工系统的主轴 回转精度达到极高的水准 一般应控制在 1m 以内 5 排屑困难 不易获得稳定火花放电状态 由于微孔加工时放电面积 放电间隙很小 极易造成短路 因此欲获得稳定的火花放电状态 其进给伺服控制系统必须有足够的灵敏 度 在非正常放电时能快速地回退 消除间隙的异常状态 提高脉冲利用率 保护电极不 受损坏 4 2 2 微细电火花加工关键技术 随着微细加工的不断发展 微细电火花加工技术也不断的发展 近年来微细电火花加工 技术的研究使其在加工精度的提高和加工尺寸的微小化方面取得长足进展 各种新的微细 电火花加工工艺不断被采用 如将微细电火花加工和微细电化学加工 激光镭射加工结合 在一起的复合加工方法 就目前来言 国际电火花技术的发展主要有以下几大关键技术 电参数的控制等相关问题 1 加工精密微细化 表达有问题 加工微细化 对 于电火花微细加工而言 主要指尺寸小于 300m 的轴孔 沟槽 型腔等的加工 实现精 密 微细加工的一个重要条件是加工单位 即每次放电的蚀除量 尽可能小 而在电火花 加工过程中 其加工单位只取决于单个放电脉冲的能量 瑞士阿奇夏米尔公司的高精度线 切割机床具有双丝切割交换系统 可进行全自动穿丝 细丝直径为20m 可实现轮廓精 度 1 2m Ra 0 05m 的加工精度 微细电火花加工的极限能力一直是研究工作者追求的目标之一 图 2 2 是口本东京大学 生产技术研究所的增泽隆久教授加工出的5m 的微细孔和2 5m 的微细轴 代表了 当前这一领城的世界前沿水平 图 2 2 5m 微细孔和2 5m 微细轴 图 2 3 是美国 Optimation 公司使用日本松下 ED82 型微细电火花加工机床加工出的光 纤连接器 共有 81 个120m的微细孔 图 2 3 光纤连接器微细孔阵列 微细电火花加工技术不仅可加工圆孔 还可以加工各种异型孔 图 2 4 是德国 KOCH 公司加工的微方形孔 其尺寸是 25m 38m 图 2 4 微方形孔 除了微细孔和微细轴的加工外 微细电火花加工技术更深远的意义在于通过微细电火花 铣削技术制造更小的微三维结构 进而制造更小的微型机械及微型机器人 从而体现该技 术更为广泛的潜在价值和应用前景 5 日本的 T Masuzawa 等人研究了使用简单形状的微细电极进行微细电火花分层铣削加工 提出电极等损耗理论 实现了加工过程中对电极进行实时补偿 制造了球径为150m 的 1 8 球瓣 0 5mm 0 2mm 0 2mm 的汽车模具 由球形腔和锥形腔组成的复杂微 4 4 结构 如图 2 5 所示 4 图 2 5 外国学者使用微细电火花技术加工的 三维金属微结构 Fig 2 5 3D metal microstructures fabricated by foreign scholars using micro EDM 日本三菱电机利用微细电火花加工技术成功地制作出了由齿顶圆直径为1 2mm 的大齿 轮 齿顶圆直径为0 2mm 的小齿轮和直径为0 1mm 的内心轴构成的 最深部的加尺寸 为 270m的齿轮铸模 图 2 6 图 2 6 日本三菱电机制作的微小齿轮模具 瑞士联邦工业学院的研究人员开发了精密 EDM 单元 如图 2 7 所示 它的工作区城为 8mm 8mm 8mm 该 EDM 单元分拼卒为 5nm 加工精度可达到 100 nm 图 2 7 精密 EDM 单元 国内关于电火花加工微小三维结构方面的研究 终皓等人采用100m 的钨丝电极 6 在铜试件上加工出顶部边长 346m 底部边长 146m 深 202m 的正六边形凹槽结构 和最大深度 213m 眼球半径 171 m 的眼状微结构 如图 2 8 所示 图 2 8 国内学者使用微细电火花加工技术制造的三维金属微结构 Fig 2 8 3D metal microstructures fabricated by domestic scholars using micro EDM 目前 发达国家的微细电火花加工技术己进入工业应用阶段 甚至商业销售阶段 如 日本松下精机 瑞士夏米尔 美国麦威廉斯等公司都有较成熟的产品 其中日本松下精机 的产品性能最优 该产品能稳定加工出2 5m 的微细轴和5m 的微细孔 但其价格 昂贵 约需 20 万美元左右 目对我国禁运 另外 日本东京大学的增泽隆久 丰川工业大 学的毛利尚武等学者在研制开发的机床也都具有很高的水平 是该研究方向上的主要代表 7 2 多种加工方法有机结合 现在人们研究将其它的微细加工方法与微细电火花加工工 艺方法相结合 从而产生新的加工工艺 电火花与激光相结合 电火花加工有其自身的缺点 比如加工效率低下 所以对提高 电火花加工效率的研究就显得尤为重要 激光加工特点之一就是高效 所以将二者有机结 合起来 形成一种新的加工工艺是一种非常有价值的研究和发展方向 国外对此做了相关 研究 J Fleischer J Schmidt S Haupt通过加电火花加工和激光烧蚀相结合 利用各自的优点 8 形成互补 加工出了 20m 尺寸水平的三维微齿轮型腔 并提出了一种新概念的电火花 加工电极 开发了基于两种加工技术的复合加工中心 如图 2 9 所示为使用微细电火花加 工的微齿轮型腔 该齿轮型腔深度为 50m 该微结构最小的轮齿宽度约为 20m 可以 明显看出其加工的表面质量有待提高 在图中可以看出型腔底部有裂纹 且齿廓边缘不规 整有残余毛刺 图 2 9 激光烧蚀加工的微齿轮型腔结构 图 2 10 为在微细电火花加工的基础上使用聚焦皮秒脉冲激光束加工出的微齿轮型腔结 构 使用的激光功率为 20mW 波长为 355nM 对比上图可以明显看出 型腔的表光质量 得到很大改善 且齿廓边缘也变得光滑整洁 图 2 10 两种加工工艺结合后加工出的微结构 通过将两种工艺相结合 不仅加工质量得以改善 总的加工时间得以缩短 在表面粗糙 度为 Ra 0 15m 的条件下 烧蚀速率为 1 10mm s 而在表面粗糙度为 Ra 0 4 m 5 3 时 其材料去除速率可达 6 2 10 mm s 取决于电极的尺寸 因此将两种方法相结合 3 3 可使加工速率提高 600 倍 同时加工质量也得到很大改善 首先使用直径 200m 的电极 加工出型腔的大体结构然后使用激光烧蚀完成最终加工 可使总加工时间缩短 53 但是 这项技术的缺陷就是无法具体定义烧蚀的深度 所以如何将电火花加工深的和激光烧蚀的 深度相匹配将是今后研究的重点 图 2 11 和图 2 12 分别为新型工具电极原理图和基于两种加工工艺相结合的复合加工中 心 图 2 11 新型电火花工具电极原理图 图 2 12 微细电火花与激光烧蚀加工中心 Pun Pang Shiu George K Knopf等使用激光电火花相结合的办法加工出宽 50 m 9 高 25m 微流道的镶块其表面粗糙度仅为 Ra 400nm 如图 2 13 所示 图 2 13 微流道结构镶块 其具体过程如下 首先在一款 100m 厚度的样板上通过激光刻蚀出大致的二维轮廓形 状 然后通过电火花刻模将上步加工出的二维轮廓复制在黄铜基板上 此基板既可作为模 板直接成型塑件也可成型模具型腔 具体步骤如图 2 14 所示 图 2 14 复合加工工艺步骤 另外 Sanha Kim Bo Hyun Kim Do Kwan Chung等也在该方面做了大量研究并取得相关 10 成果 EDM 与 USM 超声加工 相结合 Jung Chou Hung Jui Kuan Lin Biing Hua Yan等将 11 微细电火花 Micro EDM 和超声振动 USM 相结合 提出一种新的加工方法 该方法首 先使用线电极电火花磨削 WEDG 微孔 然后将微细电火花与超声振动相结合来完成孔壁 的加工 使用两者相结合 HE MEDM UV 的复合电极可减小电火花加工间隙 减少深 孔加工时间 提高加工表面质量 其中超声振动加工 HE MUVF 可将粗糙度由 Rmax1 345m 显著降低到 Rmax 0 58m 显著改善表面粗糙度 其加工原理图如图 2 15 所示 图 2 15 复合加工工艺原理图 a 微细电火花加工 柱状电极 b 微细电火花与超声振动结合加工 柱状电极 c 微细电火花加工 螺旋状电极 d 微细电火花与超声振动结合加工 螺旋状电极 图 2 16 为使用普通电火花和微细电火花与超声振动相结合加工后的形状尺寸对比图 由图可知 使用复合工艺明显的改善了孔壁的粗糙度 同时也提高的孔的圆柱度 图 2 16 两种加工结果对比 电火花与电铸相结合 Chang Sheng Lin Yunn Shiuan Liao Yunn Cheng Lai等将微细 12 电火花与电铸技术相结合 成功的制作了微型传动装置与连接装置 如微小球连接和微小 轴承 众所周知 在微型机械中 微传动装置和连接装置都是机构中不可缺少的一部分 微传动 装置比如微齿轮 齿条可以通过线切割 微细电火花 MEDM 微注射成型等方法制得 相 比之下 微型机械连接装置诸如轴承和球连接 由于有装配需求将会难加工的多 所以 研究 者将微细电火花 MEDM 和电铸工艺相结合 成功的加工出微小球连接和微小轴承 首先 使用微细电火花磨削 WEDG 的办法加工出如图 2 17 所示的球头电极 a 该球头电 极由一个直径为 100m 的碳化物棒和一个直径为 290m 的由微细电火花磨削制得的半圆 球组成 图 2 17 球头碳化钨棒 而后在该球头电极上渡上一层易去除导电涂层 即牺牲层 b 然后再通过电铸工艺在球头 上铸上壳层 c 通过去除牺牲层 即获得的微型球头链接 d 其具体过程如图 2 18 所示 图 2 18 微型球头链接制作过程 最后球头链接的另一端连接上一个碳化钨棒 这样一个完整的球头链接就加工完成 该机构 的总体尺寸不大于 500m 经过如图 2 19 测试证明此链接工作良好 图 2 19 微型球头转动测试 球头固定 壳层转动 通过使用此种办法 我们可以加工出各种微型机械装置 如微型机器人 微机械手臂等等 各种方法组合加工的特点机理 背景 及问题对策等 3 电极磨损的补偿方法的研究 各种补偿方机理 微细电火花加工是微细加工领域 中的一种重要的加工方法 其有其它加工手段所不具备的特点 如在相对简单的设备条件 下可以加工极为复杂的三维曲面 然而微细电火花发展收到诸多因素的制约 如电极的制 备和电极的磨损 其中电极的磨损一直以来就是电火花加工技术发展的最大制约因素 也 是人们不断研究的重点之一 Wang Yuangang Zhao Fuling Wang Jin提出一种微细电火花加工复合电极 该电 13 极能够用来加工诸如硅工艺或 LIGA 工艺不能完成的超精密微细部件 其原理基于沉积层和 基体材料性能的差异通过电沉积方法改变电极侧面材料电蚀性能保证电极端面的均匀损耗 在 NAK80 钢上的微孔加工实验中发现 与常用的单一材料电极相比 Cu ZrB 复合电极在 2 所采用的加工条件下具有较好的耐损耗性能 研究结果表明该复合电极能够用来制造大深 径比微部件 在三维型腔的微细加工中有较大潜力 复合电极原理图如图 2 20 所示 图 2 20 复合电极结构图 由于表层由 Cu 和 ZrB组成 故表层和电极基体电导率相同 这有利于加工过程中热量从 2 表层到基体的传导 同时表层中的 ZrB不仅有利于铜电极微小化 也增强了表层的强度 因 2 此电极基体的磨损量将会大于表层 进而保护了电极表层底部端面在加工过程中电极磨损变形 量不大 如图 2 21 所示 图 2 21 加工微孔后的电极 G Bissacco和 Hui Lan Yu Ji Jie Luan Jian Zhong Li等也在电极磨损研究方面做了相 14 15 关工作 4 结论 随着加工工艺的不断发展 各种微细加工技术将得到进一步发展 由于各种加工方法 所适用的范围不同 所以各种加工方法需要相互配合使用 其中微细电火花加工技术的发 展呈现以下特点 1 加工趋向精密微细化 2 加工工艺复合化 微细电火花与激光相结合 微细电火花与超声相结合 微细电火花与电铸相结合 3 新的电极损耗补偿方法不断被尝试 我们应充分利用其它现代微细加工技术的相关成果 在深入研究电火花放电机理的基 础上 指导电火花加上工艺理论和控制理沦的研究 改进传统的加工工艺方法 实现其它 加工技术与电火花加工技术的有机结合 全面推动电火花加工技术更快发展 参 考 文 献 1 屈华昌 塑料成型工艺与模具设计 高等教育出版社 2007 8 2 HANEMANN T HAUSSEL J RITZHAUPT KLEISSLE Compounding micro injection moulding and characterrisation of polycarbonate nanosized alumina composites for application in microopitics J Microsystem Technologies 2009 15 3 421 427 3 于同敏 宫德海 微型模具制造技术研究与发展 J 中国机械工程 2005 1 3 179 183 4 莫顺培 大连理工大学硕士学位论文 2009 12 5 曹凤国 张勤俭 翟力军 国际电火花加工技术发展的五大趋势 J 电气制造 2006 3 21 24 6 Hao Tong Yong Li Yang Wang etal Serco 3D micro EDM based on macro micro dual feed spindle J International Journal of Machine tools Manufacture 2008 48 858 849 7 唐勇军 胡富强 等 微细电火花加工技术的最新进展 J 电加工与模具 2005 36 39 8 J Fleischer J Schmidt S Haupt Combination of electric discharge machining and laser ablation in microstructuring of hardened steels J Microsyst Technol 2006 12 697 701 9 Pun Pang Shiu George K Knopf Fabrication of metallic micromolds by laser and electric discharge micromachining J Microsyst