專利名稱：微三維結(jié)構(gòu)的電火花電解組合銑削加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的金屬合金材料微三維結(jié)構(gòu)的電火花電解加工工藝，交叉融合了微細(xì)
電火花加工和微細(xì)電解加工技術(shù)，屬于微細(xì)加工領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
金屬合金材料的微三維結(jié)構(gòu)在許多領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用；隨著消費類電子、汽車、航 空航天等行業(yè)的發(fā)展，特別是微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的發(fā)展，對于復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)微小零件 和模具的需求越來越多。這類面向工業(yè)應(yīng)用的毫米級大小微三維結(jié)構(gòu)的加工，需要兼顧加 工效率和加工精度兩方面的要求。目前微三維結(jié)構(gòu)的加工，主要有機(jī)械銑削方法，以及微細(xì) 電火花銑削，微細(xì)電解銑削，激光加工和超聲加工等特種加工方法。 而特種加工方法因其特殊的加工優(yōu)勢，如加工多為非接觸方式，加工性能與被加
工工件材料的硬度等物理性能關(guān)系不大等，成為微三維結(jié)構(gòu)的主要加工手段。其中，微細(xì)電
火花加工和微細(xì)電解加工是兩種可控性好、成本低、應(yīng)用較廣泛的特種加工技術(shù)。 微細(xì)特種加工技術(shù)中，微細(xì)電火花銑削加工的加工速度相對較高，但是加工中存
在電極損耗，特別是沿電極軸向方向，影響了蝕除效率和成型精度。傳統(tǒng)的電極進(jìn)給補(bǔ)償基
于工藝實驗經(jīng)驗數(shù)據(jù)進(jìn)行，但是由于不同的加工材料和加工條件補(bǔ)償?shù)哪Ｐ投疾灰粯?，這
種補(bǔ)償方法缺乏靈活性，適用性較差。為實現(xiàn)連續(xù)的放電加工，達(dá)到具有應(yīng)用價值的加工效
率，基于放電間隙伺服控制的方法被提出用來進(jìn)行微細(xì)電火花掃描加工的電極損耗實時補(bǔ)
償。采用伺服間隙的控制方法可以一定程度上，解決在線補(bǔ)償電極損耗的問題，但是由于微
細(xì)電火花加工機(jī)理的復(fù)雜，難以實現(xiàn)精確的加工狀態(tài)檢測，造成電極損耗補(bǔ)償?shù)牟煌耆?br> 每一層的加工誤差，而伺服間隙的控制方法又容易造成這種分層加工誤差的累積傳遞，特
別是在沿電極軸向方向上，從而造成成型精度不高。 微細(xì)電解加工加工電極不損耗，加工表面光滑，無內(nèi)應(yīng)力、毛剌和裂紋等缺陷。但 由于存在雜散電場，而且極間電流和電壓對間隙的變化不敏感，目前尚難以直接以加工間 隙為對象實現(xiàn)電極進(jìn)給的閉環(huán)伺服控制，因此，在微細(xì)加工領(lǐng)域，除了對電極進(jìn)行側(cè)壁絕緣 以抑制雜散腐蝕外，通常還要綜合采用高頻脈沖乃至超短脈沖電源、降低電壓和電解液濃 度等工藝措施來保證加工精度和穩(wěn)定性，目前已經(jīng)展示了其微米，甚至亞微米級加工精度 的能力，但這是以降低加工效率為代價的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于微細(xì)電火花和電解加工的組合加工工藝，實現(xiàn)金屬 材料上的毫米級大小微三維結(jié)構(gòu)的加工。本加工方法期望達(dá)到加工精度高、速度快、成本 低、表面質(zhì)量好等加工效果。
本發(fā)明的特征在于 在使用計算機(jī)伺服控制系統(tǒng)來加工一個微半球凹模時所述方法是依照以下步驟 實現(xiàn)的
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步驟(1)，計算機(jī)初始化，將加工軌跡代碼輸入計算機(jī)； 用Pro/E軟件構(gòu)建的所述三維微半球凹模模型，根據(jù)微細(xì)電火花銑削加工參數(shù)、 微細(xì)電解銑削加工參數(shù)，微細(xì)電火花銑削加工余量和微細(xì)電解銑削加工余量等，生成微細(xì) 電火花、微細(xì)電解組合銑削加工時用的加工軌跡及加工軌跡代碼，其中，微細(xì)電火花銑削加 工完成比設(shè)計微半球略小的微半球的快速大余量去除加工，而微細(xì)電解銑削加工完成剩余 小余量材料的去除加工； 步驟(2)，進(jìn)行微細(xì)電火花間隙伺服銑削； 在純水加工液中進(jìn)行電火花窄脈沖放電加工，采用基于放電間隙伺服的閉環(huán)控制 方法，進(jìn)行電極損耗的實時補(bǔ)償，連續(xù)、快速地完成大部分加工余量；
步驟(3)，進(jìn)行微細(xì)電解開環(huán)數(shù)控掃描銑削； 把電極更換更側(cè)壁絕緣電極，重新進(jìn)行電極端面和加工零點的對位，通過所述側(cè) 壁絕緣電極與標(biāo)準(zhǔn)塊在X/Y/Z三個方向上的電接觸定位來補(bǔ)償重新裝夾帶來的定位誤差；
使用濃度在0. 5mol/L以下的鈍化非線性硝酸鈉電解液，采用微秒或納秒脈寬的 脈沖電源、3V IOV之間的低加工電壓進(jìn)行微細(xì)電解銑削小余量去除加工。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點及突出性的技術(shù)效果 本發(fā)明采用微細(xì)電火花和微細(xì)電解加工的組合，充分發(fā)揮微細(xì)電火花掃描工序加 工速度快和微細(xì)電解加工工序成型精度高、表面質(zhì)量好的優(yōu)勢，可實現(xiàn)金屬合金等導(dǎo)電材 料的高效和高精度三維微加工。電火花掃描工序中遺留的誤差可由電解工序修正。在電解 加工中，極間電流/電壓等物理量對間隙的變化不敏感，目前尚難以直接以間隙大小或間 隙內(nèi)電參數(shù)為對象實現(xiàn)電極進(jìn)給的閉環(huán)伺服控制?？紤]到電解加工中工具電極不損耗，在 本發(fā)明中，電解銑削工序中依照預(yù)定的加工軌跡和掃描速度完成逐層銑削，采用開環(huán)控制 方法，對電流電壓等間隙狀態(tài)不做閉環(huán)伺服控制，僅在發(fā)生短路時將電極回退一層的高度 重新修整，大大降低了電極進(jìn)給的控制難度。這種控制方法造成電解掃描工序的蝕除速度 相對較低，但由于電解掃描工序的工序余量很小，其工序時間對整個工藝流程的加工效率 影響可以忽略。 水基電解液是最常用、性價比最高的電解加工工作介質(zhì)，因此在本發(fā)明中的電火 花銑削工序中選用純水作為工作液。與電加工油等油基介質(zhì)相比，純水與水基電解液的組 分和性質(zhì)更接近，可共用工作液循環(huán)系統(tǒng)(包括泵、閥門、濾清部件和連接管路等)，工序切 換過程中的工件和工作臺清洗也比較容易，并可望進(jìn)一步實現(xiàn)電火花加工機(jī)床和電解加工 機(jī)床的集成設(shè)計制造，大大簡化工藝設(shè)備和操作流程、降低生產(chǎn)成本。與油基介質(zhì)相比，在 純水中進(jìn)行電火花加工的成型精度較低但速度較快，這一特性也更適合在本發(fā)明的工藝流 程中電火花銑削作為粗加工工序的需要。


圖1為微三維結(jié)構(gòu)的電火花電解組合加工流程示意圖； 圖2為微細(xì)電火花銑削加工的電極損耗和間隙伺服方法示意圖；a未進(jìn)行間
隙伺服的電火花加工示意圖，b進(jìn)行間隙伺服的電火花加工示意圖；
圖3為微細(xì)電解銑削加工示意圖； 圖4為微半球的電火花電解組合加工的工藝流程圖；a微半球結(jié)構(gòu)建模和軌跡規(guī)劃，b微細(xì)電火花間隙伺服銑削加工，c微細(xì)電解數(shù)控銑削加工，d加工完成的微半球結(jié)構(gòu)。
圖1 4中，各標(biāo)號的意義如下1-電火花加工電極；2-電解加工電極；3_加工工 件；4-電火花銑削加工余量；5-電解銑削加工余量；6-純水加工液；7_電解加工液
具體實施例方式
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的 1)首先使用CAD/CAM軟件進(jìn)行微三維結(jié)構(gòu)建模，工序余量分配，軌跡規(guī)劃，最后分 別生 成微細(xì)電火花和微細(xì)電解加工工序的加工代碼； 2)然后采用間隙伺服掃描的閉環(huán)控制方法，在純水加工介質(zhì)中，按照預(yù)定的加工 軌跡，采用較大的放電加工參數(shù)，連續(xù)、快速地完成大工序余量的微細(xì)電火花銑削加工；
3)將加工液更換為低濃度電解液，將加工電極更換為側(cè)壁絕緣電極，依照預(yù)定的 加工軌跡和掃描速度完成逐層電解銑削，采用開環(huán)控制方法，對電流電壓等間隙狀態(tài)不作 閉環(huán)伺服控制，僅在發(fā)生短路時將電極回退一層的高度重新修整，完成剩余的微小加工余 量，最終完成微三維結(jié)構(gòu)的成型。電極側(cè)壁絕緣處理有助于將電場約束在端面附近，提高加 工的定域性和成型精度。 本發(fā)明借鑒了分層銑削原理，提出采用微細(xì)電火花銑削加工和微細(xì)電解銑削加工
組合的加工工藝，期望達(dá)到高效、高質(zhì)量的微三維結(jié)構(gòu)加工效果。 如圖1 4所示，結(jié)合本發(fā)明方法的內(nèi)容提供以下實施例。 該加工工藝，如圖1所示，大致可以分為三個步驟 1)微三維結(jié)構(gòu)建模和軌跡規(guī)劃設(shè)計 首先，采用Pro/E或其他商業(yè)的CAD軟件進(jìn)行微三維結(jié)構(gòu)的建模設(shè)計。然后，根據(jù) 所建模型，使用的微細(xì)電極形狀、大小，以及微細(xì)電火花、電解加工參數(shù)等，分配微細(xì)電火花 加工和微細(xì)電解加工的工序余量，完成加工軌跡規(guī)劃和加工NC代碼生成。
2)進(jìn)行微細(xì)電火花間隙伺服銑削 在純水加工液中，采用間隙伺服的控制方法，以及較大的放電加工參數(shù)，進(jìn)行微細(xì) 電火花窄脈沖放電加工。 圖2顯示了采用間隙伺服方法的電火花掃描加工原理。圖2(a)所示的是，是未進(jìn) 行間隙伺服補(bǔ)償時，由于電火花加工電極會由于損耗逐漸變短變尖，從而加工間隙變大，加 工量變小，甚至不加工，造成加工不連續(xù)，加工層厚度的不均勻。圖2(b)所示的是，采用基 于放電間隙的伺服控制方法進(jìn)行電極損耗實時補(bǔ)償，可達(dá)到或接近基本均勻、連續(xù)的放電 加工。 3)進(jìn)行微細(xì)電解數(shù)控銑削 更換加工液為電解質(zhì)的水溶液；加工電極更換為側(cè)壁絕緣的電極，電極側(cè)面的絕 緣減小電解蝕除加工過程中的側(cè)向雜散腐蝕，有利于保證自由曲面或高深寬比結(jié)構(gòu)的加工 成型精度。 重新定位加工零點，依照預(yù)定的加工軌跡和掃描速度完成逐層銑削，每層的加工 效果如圖3所示，采用開環(huán)控制方法，對電流電壓等間隙狀態(tài)不作閉環(huán)伺服控制，僅在發(fā)生 短路時將電極回退一層的高度重新掃描，從而大大降低了電極進(jìn)給的控制難度。
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經(jīng)過步驟1) 、2)和3)，就可完成微三維結(jié)構(gòu)的加工。
下面將以微半球凹模結(jié)構(gòu)為例，介紹本發(fā)明的組合加工工藝。
微半球的電火花電解組合加工工藝流程如圖4所示，
D三維建模設(shè)計和軌跡規(guī)劃設(shè)計 可采用Pro/E軟件，進(jìn)行組合加工的模型設(shè)計、工序余量分配和軌跡規(guī)劃；然后， 再通過Pro/E軟件直接完成G代碼和NC代碼生成，并可進(jìn)行加工軌跡模擬仿真，驗證生成 軌跡的有效性。圖4(a)所示的分別為微半球的三維建模、電火花加工余量、電解加工加工 余量及分層加工的剖面示意圖，微細(xì)電火花銑削加工完成比設(shè)計微半球略小的微半球的快 速去除加工，微細(xì)電解銑削加工完成剩余小余量薄層材料的加工。
2)進(jìn)行微細(xì)電火花間隙伺服銑削 在純水加工液中，進(jìn)行電火花窄脈沖放電加工；采用基于放電間隙的伺服控制方 法進(jìn)行電極損耗實時補(bǔ)償，及較大的放電加工參數(shù)，如高放電電壓、大放電電容等，保證微 細(xì)電火花掃描加工的連續(xù)進(jìn)行，快速完成大部分加工余量，如圖4(b)所示。
3)進(jìn)行微細(xì)電解數(shù)控掃描銑削 更換側(cè)壁絕緣的電極，重新進(jìn)行電極端面與加工零點的定位，由重新裝夾帶來的 定位誤差，可通過與標(biāo)準(zhǔn)塊在X/Y/Z三個方向的電接觸定位來補(bǔ)償。 使用低濃度的鈍化非線性電解液，如硝酸鈉(NaN03)、氯酸鈉(NaC103)等，一般選 取在O. 5mol/L以下，采用微秒或納秒脈寬的脈沖電源，低加工電壓控制在3-10V之間，以達(dá) 到較高的加工定域性，精確控制電解溶解速度，獲得較高的加工精度； 依照預(yù)定的加工軌跡和掃描速度完成分層電解銑削，采用開環(huán)控制方法，對電流、 電壓等間隙狀態(tài)不作閉環(huán)伺服控制，僅在發(fā)生短路時將電極回退一層的高度重新修整，逐 層完成剩余的微小加工余量，如圖4(c)所示。
完成微半球的組合加工，如圖4(d)所示。
權(quán)利要求
微三維結(jié)構(gòu)的電火花電解組合銑削加工方法，其特征在于，在使用計算機(jī)伺服控制系統(tǒng)來加工一個微半球凹模時所述方法是依照以下步驟實現(xiàn)的步驟(1)，計算機(jī)初始化，將加工軌跡代碼輸入計算機(jī)；用Pro/E軟件構(gòu)建的所述三維微半球凹模模型，根據(jù)微細(xì)電火花銑削加工參數(shù)、微細(xì)電解銑削加工參數(shù)，微細(xì)電火花銑削加工余量和微細(xì)電解銑削加工余量，生成微細(xì)電火花、微細(xì)電解組合銑削加工時用的加工軌跡及加工軌跡代碼，其中，微細(xì)電火花銑削加工完成比設(shè)計微半球略小的微半球的快速大余量去除加工，而微細(xì)電解銑削加工完成剩余小余量材料的去除加工；步驟(2)，進(jìn)行微細(xì)電火花間隙伺服銑削；在純水加工液中進(jìn)行電火花窄脈沖放電加工，采用基于放電間隙伺服的閉環(huán)控制方法，進(jìn)行電極損耗的實時補(bǔ)償，連續(xù)、快速地完成大部分加工余量；步驟(3)，進(jìn)行微細(xì)電解開環(huán)數(shù)控掃描銑削；把電極更換更側(cè)壁絕緣電極，重新進(jìn)行電極端面和加工零點的對位，通過所述側(cè)壁絕緣電極與標(biāo)準(zhǔn)塊在X/Y/Z三個方向上的電接觸定位來補(bǔ)償重新裝夾帶來的定位誤差；使用濃度在0.5mol/L以下的鈍化非線性硝酸鈉電解液，采用微秒或納秒級脈寬的脈沖電源、3V～10V之間的低加工電壓進(jìn)行微細(xì)電解銑削小余量去除加工。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微三維結(jié)構(gòu)的電火花電解組合銑削加工方法，其特征在于，在進(jìn)行微細(xì)銑削加工時，若發(fā)生短路情況，則把所述的側(cè)壁絕緣電極退回一層的高度，再逐層完成剩余微小加工余量。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微三維結(jié)構(gòu)的電火花電解組合銑削加工方法，其特征在于，所述的非線性硝酸鈉電解液用氯酸鈉電解液代替。
全文摘要
微三維結(jié)構(gòu)的電火花電解組合銑削加工方法屬于微細(xì)加工技術(shù)領(lǐng)域，其特征在于，借助分層銑削原理，采用簡單電極進(jìn)行微細(xì)電火花銑削和微細(xì)電解銑削的組合加工，可加工多種金屬合金材料和復(fù)雜的型腔型面。組合加工分為兩個步驟，1)首先，采用微細(xì)電火花閉環(huán)間隙伺服掃描銑削加工方法，快速完成絕大部分加工量；2)然后，采用微細(xì)電解分層開環(huán)數(shù)控掃描銑削加工方法去除剩余的微小余量，最終完成微三維結(jié)構(gòu)成型；電解銑削中使用側(cè)壁絕緣的加工電極，以提高加工定域性和加工精度。本發(fā)明充分利用了微細(xì)電火花伺服掃描銑削加工速度快，以及微細(xì)電解數(shù)控銑削加工電極不損耗，表面加工質(zhì)量好的優(yōu)勢。
文檔編號B23H5/00GK101693313SQ20091023637
公開日2010年4月14日 申請日期2009年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月20日
發(fā)明者佟浩, 李勇, 胡滿紅, 陳旭鵬 申請人:清華大學(xué);