高精度微細(xì)電火花加工系統(tǒng)的研制

　　1 微細(xì)電火花加工的特點(diǎn)

　　微細(xì)電火花加工的原理與普通電火花加工并無(wú)本質(zhì)區(qū)別。其加工的表面質(zhì)量主要取決于電蝕凹坑的大小和深度,即單個(gè)放電脈沖的能量;而其加工精度則與放電間隙、工藝系統(tǒng)穩(wěn)定性、電極損耗等因素密切相關(guān)。

　　微細(xì)電火花加工也是利用脈沖電源,將高頻放電能量輸向放電間隙,靠產(chǎn)生的高溫?zé)嵝?yīng)等綜合效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的去除,從而達(dá)到對(duì)工件加工的目的。但由于被加工的孔徑細(xì)微,一般在5～100μm之間,因此要達(dá)到加工的尺寸精度和表面質(zhì)量要求,還有一些特殊的要求。微細(xì)電火花加工具有以下一些特點(diǎn):

　　(1) 放電面積很小

　　微細(xì)電火花加工的電極一般在5～100μm 之間,對(duì)于一個(gè)5 μm 的電極來(lái)說(shuō),放電面積不到20μm2 ,在這樣小的面積上放電,放電點(diǎn)的分布范圍十分有限,極易造成放電位置和時(shí)間上的集中,增大了放電過程的不穩(wěn)定,使微細(xì)電火花加工變得困難。

　　(2) 單個(gè)脈沖放電能量很小

　　為適應(yīng)放電面積極小的電火花放電狀況要求,保證加工的尺寸精度和表面質(zhì)量,每個(gè)脈沖的去除量應(yīng)控制在0. 10～0. 01μm 的范圍內(nèi),因此必須將每個(gè)放電脈沖的能量控制在10 - 6～10 - 7 J 之間,甚至更小。

　　(3) 放電間隙很小

　　由于電火花加工是非接觸加工,工具與工件之間有一定的加工間隙。該放電間隙的大小隨加工條件的變化而變化,數(shù)值從數(shù)微米到數(shù)百微米不等。放電間隙的控制與變化規(guī)律直接影響加工質(zhì)量、加工穩(wěn)定性和加工效率。特別是微細(xì)電火花加工中,微孔的加工占大部分,放電間隙的大小與穩(wěn)定程度更是微孔加工得以成功的關(guān)鍵。

　　(4) 工具電極制備困難

　　要加工出尺寸很小的微小孔和微細(xì)型腔,必須先獲得比其更小的微細(xì)工具電極。在以往的微細(xì)電火花加工中,微細(xì)工具電極一般采用專門加工后,二次安裝到機(jī)床主軸頭上的方法,此時(shí)明顯存在著微細(xì)電極的安裝誤差及變形誤差等,難以保證工具電極與工作臺(tái)面的垂直度以及電極與回轉(zhuǎn)主軸的同軸度等。線電極電火花磨削(WEDG) 出現(xiàn)以前,微細(xì)電極的制造與安裝一直是制約微細(xì)電火花加工技術(shù)發(fā)展的瓶頸問題。由于微細(xì)電極安裝過程中存在的問題,采用離線方式進(jìn)行電極的檢測(cè)顯然是不可取的。從目前的應(yīng)用情況來(lái)看,采用WEDG技術(shù)能很好地解決微細(xì)工具電極的制備問題。為了獲得極細(xì)的工具電極,要求具有高精度的WEDG系統(tǒng),同時(shí)還要求電火花加工系統(tǒng)的主軸回轉(zhuǎn)精度達(dá)到極高的水準(zhǔn),一般應(yīng)控制在1μm 以內(nèi)。

　　(5) 排屑困難,不易獲得穩(wěn)定火花放電狀態(tài)

　　由于微孔加工時(shí)放電面積、放電間隙很小,極易造成短路,因此欲獲得穩(wěn)定的火花放電狀態(tài),其進(jìn)給伺服控制系統(tǒng)必須有足夠的靈敏度,在非正常放電時(shí)能快速地回退,消除間隙的異常狀態(tài),提高脈沖利用率,保護(hù)電極不受損壞。

　　2 　微細(xì)電火花加工系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)

　　根據(jù)以上微細(xì)電火花加工的特點(diǎn)分析,在參閱大量國(guó)內(nèi)外有關(guān)微細(xì)電火花加工及相關(guān)的技術(shù)研究成果基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)并研制了一臺(tái)微細(xì)電火花加工系統(tǒng)原理樣機(jī)。該系統(tǒng)分為機(jī)械和電氣兩大部分,機(jī)械部分主要由4 個(gè)部分組成:橫軸布局旋轉(zhuǎn)主軸、步進(jìn)電機(jī)及壓電陶瓷伺服進(jìn)給裝置、制作微細(xì)電極的反拷系統(tǒng)和讀數(shù)顯微鏡,其構(gòu)成框圖如圖1 所示。

　　圖1 微細(xì)電火花加工系統(tǒng)機(jī)械構(gòu)成示意圖

　　2. 1 橫軸布局陶瓷V型支承旋轉(zhuǎn)主軸系統(tǒng)

　　通常情況下電火花加工機(jī)床主軸是立式的,因而在加工孔時(shí),蝕除物的排除比較困難,通過放電間隙從孔的底部克服重力移至孔的頂部排出,在微、深孔加工時(shí)情況則更加嚴(yán)重。因?yàn)槲⒓?xì)電火花加工時(shí),放電能量小,火花的爆炸力小,放電間隙也小(間隙可以控制在1μm 以下) ,放電自身的動(dòng)力難以將放電蝕除產(chǎn)物排出。由于排屑困難,放電不易穩(wěn)定,短路增加,從而導(dǎo)致加工效率下降,加工質(zhì)量惡化。

　　為了改善微細(xì)電火花加工條件,本系統(tǒng)采用了日本東京大學(xué)增澤隆久教授等人原創(chuàng)的橫軸布局方案,即主軸水平布局的臥式加工方法,蝕除物不必克服重力,甚至可利用其自重排出,排屑效果好。實(shí)驗(yàn)證明,用橫軸布局方式進(jìn)行微孔加工,深徑比可達(dá)到10∶1 以上。電極旋轉(zhuǎn)不僅有利于提高孔加工的圓度,而且可提高加工效率2～5 倍[2 ] 。同時(shí),主軸旋轉(zhuǎn)也是用線電極磨削法在線制作微細(xì)電極的需要。

　　在常規(guī)的電火花加工機(jī)床上,一般是將C 軸(旋轉(zhuǎn)軸) 安裝在Z 軸移動(dòng)部件上,帶動(dòng)電極完成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的。因此C 軸與Z 軸之間不可避免地存在平行度誤差。為了克服上述設(shè)計(jì)上的缺陷,微細(xì)電火花加工系統(tǒng)主軸采用高精度V 型陶瓷支承,由直流電機(jī)通過皮帶帶動(dòng)主軸作平穩(wěn)的高精度回轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)C 軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng);由壓電陶瓷復(fù)合步進(jìn)電機(jī)作進(jìn)給伺服機(jī)構(gòu), 推動(dòng)主軸在V 型支承上滑動(dòng), 實(shí)現(xiàn)Z軸的運(yùn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)了C 軸與Z 軸的合二而一。微細(xì)電火花加工要求主軸的回轉(zhuǎn)精度應(yīng)在1 μm 以內(nèi),因此主軸系統(tǒng)的科學(xué)合理設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的。本系統(tǒng)的主軸采用高精度雙V 型塊支承,易實(shí)現(xiàn)高回轉(zhuǎn)精度,且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,經(jīng)濟(jì)性也好,實(shí)測(cè)回轉(zhuǎn)精度可達(dá)0. 75μm。如采用軸承結(jié)構(gòu)或其他方式設(shè)計(jì)主軸系統(tǒng),不僅實(shí)現(xiàn)起來(lái)較困難,而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積較大,系統(tǒng)慣性較大,伺服困難。另外,采用陶瓷V型塊支承,還可實(shí)現(xiàn)主軸與床身的電氣絕緣,有助于減小電火花加工時(shí)的寄生電容,從而進(jìn)一步提高加工精度。

　　2. 2 帶有壓電陶瓷的宏微伺服進(jìn)給系統(tǒng)

　　步進(jìn)電機(jī)及壓電陶瓷伺服進(jìn)給系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1 所示。單片機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)以微步距旋轉(zhuǎn),再通過絲杠和螺母產(chǎn)生微進(jìn)給,在0～5 mm 范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)主軸分辯率為0. 6 μm 的宏進(jìn)給,由單片機(jī)控制的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器可在0～14μm 的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)分辨率為3. 42 nm 的微進(jìn)給。由于壓電陶瓷的響應(yīng)速度快,進(jìn)給分辨率高,可很好地滿足微細(xì)電火花加工的高精度進(jìn)給和短路時(shí)快速回退的要求。當(dāng)工件和電極在加工中發(fā)生短路時(shí),由單片機(jī)發(fā)出指令,令壓電陶瓷控制電極作快速回退,短路消除后,恢復(fù)正常的加工進(jìn)給速度。因此,由步進(jìn)電機(jī)和壓電陶瓷復(fù)合組成的電火花加工主軸伺服進(jìn)給系統(tǒng),不僅可實(shí)現(xiàn)較大行程的電火花加工,而且可實(shí)現(xiàn)很高的進(jìn)給分辨率和定位精度,并能快速響應(yīng),實(shí)現(xiàn)電火花高效穩(wěn)定加工。

　　2. 3 工具電極反拷系統(tǒng)

　　用簡(jiǎn)單形狀的微細(xì)電極進(jìn)行微細(xì)孔和微三維結(jié)構(gòu)的加工,已經(jīng)成為當(dāng)前微細(xì)電火花加工的主流技術(shù)之一。因此,微細(xì)電極的精密、高效制作在微細(xì)電火花加工中占有極為重要的地位。微細(xì)電極制作的傳統(tǒng)方法主要有兩種:一是把通過冷拔得到的細(xì)金屬絲矯直;另一種方法是用切削、磨削等方法制作。采用離線方式進(jìn)行微細(xì)電極制作,顯然很難滿足微細(xì)電火花加工的要求。這是因?yàn)殡姌O在第二次安裝過程中,將不可避免地產(chǎn)生回轉(zhuǎn)精度誤差及其與工作臺(tái)面的垂直度誤差。在精度、重復(fù)定位方面對(duì)操作人員技術(shù)的依賴性強(qiáng)。實(shí)用中,這種方式所能使用的電極直徑以ф50μm 為極限。因此采用在線方式進(jìn)行微細(xì)電極制作勢(shì)在必行。目前常用的電極在線制作方法主要有塊反拷加工和線電極電火花磨削(WEDG)兩種,本文設(shè)計(jì)的反拷電極系統(tǒng)就包括了上述兩種方法,可在線制備各種尺寸和形狀的微細(xì)電極。

　　2. 4 微細(xì)電火花加工系統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)

　　微細(xì)電火花加工系統(tǒng)的電氣控制部分采用PC機(jī)控制下的以單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng),具體包括核心控制系統(tǒng)、微能RC 脈沖電源、直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路、壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)控制電路、放電過程監(jiān)測(cè)電路和接觸感知及測(cè)量電路,其構(gòu)成如圖2所示。

　　圖2 微細(xì)電火花加工系統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)構(gòu)成

單片機(jī)作為核心計(jì)算機(jī)控制著整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)操作,其操作的指令來(lái)源于上位機(jī)的RS - 232 通訊。微能脈沖電源采用了由本文原創(chuàng)的低電壓技術(shù),單脈沖火花放電能量由通常的10 - 6～10 - 7 J 降至最小可達(dá)10 - 12 J 數(shù)量級(jí),很好地滿足了微細(xì)電火花加工的需要。放電狀態(tài)檢測(cè)電路由分壓、光電隔離、采樣保持和A/ D 轉(zhuǎn)換等幾部分組成。分壓電路的作用是將開路時(shí)的高壓通過適當(dāng)?shù)谋壤档椭罙/ D 轉(zhuǎn)換器可以轉(zhuǎn)換的范圍。電火花放電信號(hào)是一個(gè)非常復(fù)雜的干擾源,光電隔離電路的功能是用線性光耦使電火花放電間隙電路與A/ D 電路及計(jì)算機(jī)電路實(shí)現(xiàn)完全隔離,從而盡量降低火花放電對(duì)A/ D 轉(zhuǎn)換及計(jì)算機(jī)工作的干擾。A/ D 轉(zhuǎn)換器是將間隙電壓的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的數(shù)字信號(hào),使得計(jì)算機(jī)可以根據(jù)A/ D 轉(zhuǎn)換器讀值,判斷間隙放電狀態(tài), 進(jìn)而決策下一步的執(zhí)行動(dòng)作。

3 微細(xì)電火花加工系統(tǒng)的加工實(shí)驗(yàn)
　　
微細(xì)工具電極的極限加工能力是評(píng)價(jià)微細(xì)電火花系統(tǒng)性能的一項(xiàng)重要指標(biāo),也是加工相應(yīng)尺寸微小孔和型腔的前提。以微細(xì)軸的加工為例,方法是將工具電極裝在主軸上作為工件,采用塊反拷或WEDG方法,使其不斷減小至要求尺寸,或加工至系統(tǒng)極限加工能力所能達(dá)到的最小尺寸。圖3 是使用本文研制的微細(xì)電火花加工系統(tǒng)加工的微細(xì)軸實(shí)例的掃描電鏡圖片,其直徑僅為ф4. 5μm[3 ] 。



圖3 ф4. 5μm 的微細(xì)軸
　　
微小孔的尺寸也是評(píng)價(jià)樣機(jī)性能的一項(xiàng)非常重要的指標(biāo),圖4 是本系統(tǒng)加工的微小孔的實(shí)例,其直徑僅為ф8μm[3 ] 。



圖4 ф8μm 的微細(xì)孔

4 結(jié)論
　　
本文針對(duì)微細(xì)電火花加工的特點(diǎn),設(shè)計(jì)并研制了微細(xì)電火花加工系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由橫軸布局V型陶瓷結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)主軸系統(tǒng)、帶有壓電陶瓷的宏、微伺服進(jìn)給系統(tǒng)、制作微細(xì)工具的反拷系統(tǒng)和讀數(shù)顯微鏡及電氣控制部分等幾部分組成。該系統(tǒng)成功地加工出了直徑僅為ф4. 5 μm 的微細(xì)軸和直徑僅為ф8μm 的微小孔,目前已經(jīng)達(dá)到了國(guó)內(nèi)領(lǐng)先、國(guó)際先進(jìn)的水平。這標(biāo)志著我國(guó)在微細(xì)電火花加工系統(tǒng)及應(yīng)用方面取得了重大進(jìn)展,將很大程度地推動(dòng)我們?cè)谖⒓?xì)電火花加工方面研究水平的提高。

來(lái)源：慧聰網(wǎng)