胡滿紅,李 勇,佟 浩,馬曉宇

(清華大學(xué)精密儀器與機(jī)械學(xué)系,北京100084)

微細(xì)電火花加工技術(shù)和微細(xì)電化學(xué)加工技術(shù)都適于三維微結(jié)構(gòu)的加工。微細(xì)電火花加工依靠電能在放電間隙放電產(chǎn)生的熱能熔化蝕除金屬;而微細(xì)電解加工利用電流流過加工間隙,使金屬在電解液中以陽(yáng)極離子形式溶解來(lái)蝕除金屬。兩種加工技術(shù)都是利用電能蝕除金屬材料,在加工設(shè)備上有很大的共性,都是由三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、脈沖電源、工作液循環(huán)系統(tǒng)等組成,可方便地在一臺(tái)設(shè)備上實(shí)現(xiàn)兩種加工技術(shù)的復(fù)合或組合。

三維結(jié)構(gòu)的電加工方法可分為成形電極法和簡(jiǎn)單電極分層掃描成形法。而對(duì)于三維微結(jié)構(gòu)加工來(lái)說(shuō),由于微細(xì)成形電極的制造本身就很困難,且在微細(xì)電火花加工中電極損耗相對(duì)嚴(yán)重,在微細(xì)電解加工中平衡穩(wěn)定的加工間隙難以控制,所以成形電極法在三維微結(jié)構(gòu)加工中很少采用。而簡(jiǎn)單電極分層掃描成形法因其具有加工電極截面單一,制造容易,電極與工件間的加工狀態(tài)較易控制,并可集成現(xiàn)代CAD/CAM技術(shù),設(shè)計(jì)自由度大等優(yōu)點(diǎn),適合三維微結(jié)構(gòu)的加工。

采用微細(xì)電火花加工進(jìn)行分層掃描成形加工時(shí),由于加工電極的尺寸微小,而加工去除材料的體積相對(duì)“龐大”,電極的軸向損耗非常嚴(yán)重,在加工中電極端面在Z向的實(shí)際位置時(shí)刻在變化。因此,電極損耗的實(shí)時(shí)補(bǔ)償就成為保證連續(xù)放電加工以及加工效率的必要條件。相對(duì)于依靠間歇式測(cè)量和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷碾姌O損耗補(bǔ)償方法,如通過特殊路徑規(guī)劃的等損耗補(bǔ)償模型法(UWM:Uniform Wear Method)[1]、采用統(tǒng)計(jì)放電率方法[2]、采用工具電極電接觸[3]等,基于放電間隙伺服控制的三維微細(xì)電火花伺服掃描加工方法[4]結(jié)合放電率統(tǒng)計(jì)與伺服控制方法的優(yōu)勢(shì),為解決電極損耗補(bǔ)償?shù)膶?shí)時(shí)性問題提供了有效途徑。但由于微細(xì)加工狀態(tài)不易穩(wěn)定,伺服間隙的檢測(cè)延遲、機(jī)電系統(tǒng)控制誤差等,不能完全實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地反映間隙狀態(tài),造成每層去除的材料厚度量存在一定的波動(dòng)。當(dāng)分層數(shù)多時(shí),誤差易累積,造成加工深度方向的尺寸誤差,進(jìn)而影響成形精度。

采用微細(xì)電解加工進(jìn)行分層掃描成形加工時(shí),由于電極不損耗,可精確控制其加工電極端面運(yùn)行的軌跡,成為簡(jiǎn)單數(shù)控的微細(xì)電解銑削加工。且微細(xì)電解加工具有加工表面粗糙度和質(zhì)量好、無(wú)熱影響層的特點(diǎn)。但是,電解加工中電極側(cè)面對(duì)已加工的表面隨著加工時(shí)間的增加會(huì)產(chǎn)生持續(xù)的蝕除,雜散腐蝕影響電解加工的精度。適于微細(xì)電解加工的控制雜散腐蝕的方法主要有采用超短脈沖的電解加工[5～6]和采用側(cè)壁絕緣電極的電解加工[7]。而超短脈沖電解加工的原理決定了其高的加工定域性和低的加工效率,采用側(cè)壁絕緣電極的電解加工也將加工作用區(qū)域限制在電極端面附近。微細(xì)電解加工在加工微細(xì)化的同時(shí),由于采用較低濃度的電解液、較低的占空比脈沖以及較小加工間隙等,在提高定域加工能力的同時(shí),使微細(xì)電解加工的加工產(chǎn)物較難排出,加工效率處于較低水平。

基于上述分析,本研究提出一種三維微結(jié)構(gòu)的微細(xì)電火花和微細(xì)電化學(xué)組合加工工藝,利用三維伺服掃描微細(xì)電火花加工快速去除三維型腔材料和微細(xì)電解銑削加工形成高精度、高質(zhì)量三維型腔輪廓表面的互補(bǔ)優(yōu)勢(shì),旨在實(shí)現(xiàn)三維微結(jié)構(gòu)的高效率和高精度加工。本文研究在組合加工工藝設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,搭建組合加工實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái),進(jìn)行三維微結(jié)構(gòu)的微細(xì)電火花和微細(xì)電化學(xué)組合加工的可行性實(shí)驗(yàn)研究。

1 組合加工工藝設(shè)計(jì)

三維微結(jié)構(gòu)的微細(xì)電火花和微細(xì)電化學(xué)組合加工工藝設(shè)計(jì)如圖1所示。組合加工工藝中,首先進(jìn)行三維伺服掃描微細(xì)電火花加工,用于快速去除大部分材料;再進(jìn)行三維數(shù)控電解銑削加工,去除剩余小余量的材料,形成最終三維微結(jié)構(gòu)型面,達(dá)到設(shè)計(jì)要求的尺寸精度和表面質(zhì)量。如圖1a所示,組合加工流程主要分為3個(gè)步驟:Pro/E三維建模、加工軌跡生成,間隙伺服掃描微細(xì)電火花加工工序和數(shù)控電解銑削加工工序。下面以一個(gè)微半球結(jié)構(gòu)的加工為例(圖1b),介紹組合加工工藝的設(shè)計(jì)。

圖1 微細(xì)電火花和電解組合加工流程和原理圖

第一步,Pro/E三維建模、加工軌跡生成。

三維建模和加工軌跡生成是為了利用三維造型設(shè)計(jì)軟件Pro/E的CAD/CAM系統(tǒng)的強(qiáng)大功能,通過對(duì)三維微結(jié)構(gòu)模型的處理,生成微細(xì)電火花加工和微細(xì)電解加工需要的電極運(yùn)動(dòng)點(diǎn)位坐標(biāo)代碼。

首先利用Pro/E的3D建模功能,進(jìn)行微半球的三維造型設(shè)計(jì),然后利用CAM模塊進(jìn)行軌跡規(guī)劃設(shè)計(jì)。組合加工中,三維伺服掃描微細(xì)電火花加工快速去除比設(shè)計(jì)的微半球略小的半球材料,因此加工軌跡由覆蓋其大部分面積的平行行切掃描路徑組成;而數(shù)控電解銑削加工只去除剩余的薄半球殼的材料,因此加工軌跡由逐漸逼近最終型面的圓環(huán)組成。

在Pro/E中,根據(jù)以上軌跡分別生成微細(xì)電火花和微細(xì)電解的加工通用文件,并利用NC代碼的后置處理軟件,將通用刀位文件處理為兩種數(shù)據(jù)形式的加工代碼:點(diǎn)位坐標(biāo)代碼和G代碼,然后傳送給運(yùn)動(dòng)平臺(tái)使用,分別完成微細(xì)電火花加工和微細(xì)電解加工,最終完成組合加工。

第二步,三維伺服掃描微細(xì)電火花加工工序。

本工序的目的是連續(xù)快速去除大部分加工材料。在控制策略上,運(yùn)動(dòng)平臺(tái)將控制加工電極按微細(xì)電火花加工點(diǎn)位代碼文件中的XY點(diǎn)位坐標(biāo)進(jìn)行運(yùn)動(dòng);Z軸采用間隙伺服的控制方法實(shí)時(shí)補(bǔ)償電極損耗,保證電火花加工的穩(wěn)定連續(xù)進(jìn)行。三維伺服掃描微細(xì)電火花加工在純水加工液中進(jìn)行,并選取較高的加工參數(shù)規(guī)準(zhǔn),以提高材料去除率和加工速度。

間隙伺服控制通過對(duì)加工間隙狀態(tài)的檢測(cè),采用閾值優(yōu)化控制方法,再調(diào)整閾值電壓門限,使開路率和短路率趨向相等,通過調(diào)整進(jìn)給和回退速度使放電率趨向最高,間隙趨于恒定,從而達(dá)到加工層厚度的一致,完成電極的在線損耗補(bǔ)償[8]。

第三步,數(shù)控微細(xì)電解銑削加工工序。

經(jīng)過第二步的加工,本工序只需完成剩余很少余量的半球殼材料的去除加工,形成最終的微半球型面。將加工電極更換為側(cè)壁絕緣的電極,以提高微細(xì)電解加工的定域性,減少雜散腐蝕。電極的側(cè)壁絕緣膜是采用旋涂法在電極側(cè)面形成厚度5～10 μ m的高分子材料薄膜[7]。

在控制策略上,考慮到電解加工中工具電極不損耗,電解掃描加工工序中依照預(yù)定的加工軌跡和掃描速度完成逐層掃描銑削加工,可簡(jiǎn)化電極進(jìn)給控制?？刂七\(yùn)動(dòng)平臺(tái)使電極按電解加工點(diǎn)位代碼文件的 XYZ點(diǎn)位坐標(biāo)進(jìn)行數(shù)控運(yùn)動(dòng),即可實(shí)現(xiàn)三維微結(jié)構(gòu)的加工。

2 實(shí)驗(yàn)裝置及其系統(tǒng)控制

圖2為組合加工實(shí)驗(yàn)裝置模塊示意圖。主要包括Z宏微復(fù)合主軸、X Y工作臺(tái)、電加工復(fù)合脈沖電源、工作液循環(huán)系統(tǒng)、加工狀態(tài)檢測(cè)、多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)等。實(shí)驗(yàn)裝置安裝在大理石平臺(tái)上能減少振動(dòng)對(duì)加工的影響。其中,XY軸和Z宏軸都由直線型駐波超聲電機(jī)、精密滾珠直線導(dǎo)軌和精密光柵組成,由多軸運(yùn)動(dòng)控制卡(GT-400)進(jìn)行控制;XY運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的行程是150 mm×150 mm,位移分辨率為0.1 μ m,平穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)速度范圍為 5 μ m/s～ 1 mm/s,重復(fù)定位精度小于2 μ m。Z主軸采用宏微復(fù)合的主軸實(shí)現(xiàn),Z向宏動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)行程為100 mm,位移分辨率 0.1 μ m,重復(fù)定位精度 ±3 μ m;Z 微軸采用PZT致動(dòng)器實(shí)現(xiàn),由PZT控制卡發(fā)出控制信號(hào),通過驅(qū)動(dòng)電源控制 PZT運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)行程140 μ m,頻響可達(dá)6 kHz,分辨率在5 nm。宏微復(fù)合的Z主軸可實(shí)現(xiàn)高頻響、高分辨率和大行程的運(yùn)動(dòng),以滿足微細(xì)電火花伺服加工高頻、實(shí)時(shí)進(jìn)給的要求。

圖2 微細(xì)電火花和微細(xì)電解組合加工裝置模塊示意圖

圖3 組合加工復(fù)合脈沖電源模塊示意圖

組合加工復(fù)合脈沖電源的功能模塊如圖3所示。微細(xì)電火花加工回路結(jié)構(gòu)為MOSFET(G2)斬波的RC脈沖式;而微細(xì)電解加工回路結(jié)構(gòu)為雙路MOSFET(G1/G3)斬波式。數(shù)字脈沖產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)單元產(chǎn)生數(shù)字方波脈沖,控制MOSFET(G1/G2/G3)對(duì)直流模塊產(chǎn)生的直流電壓進(jìn)行斬波,產(chǎn)生加工所需的方波脈沖,其中,電解加工回路控制MOSFET(G1/G3)的數(shù)字脈沖方波為互鎖的反向方波,以消除由MOSFET開關(guān)輸出電容引起的脈沖關(guān)斷期間加工間隙電壓不能泄放的問題,保證脈沖電解加工中脈間去極化作用,有利于提高電解加工的表面質(zhì)量。微細(xì)電解加工回路中,由霍爾電流傳感器采集間隙電流,并經(jīng)檢測(cè)處理電路作為加工過程中異常短路檢測(cè)依據(jù);而微細(xì)電火花加工回路中,由R1作為限流電阻,電流檢測(cè)電阻R2將間隙電流狀態(tài)通過檢測(cè)電路的平滑處理后,提供給PZT控制卡作為伺服控制的依據(jù)。

微細(xì)電火花加工工序和微細(xì)電解加工工序共用一套三維運(yùn)動(dòng)系統(tǒng),在進(jìn)行兩種加工工序切換時(shí),只需更換加工液和復(fù)合加工電源模式即可,系統(tǒng)控制流程圖見圖4。

圖4 組合加工系統(tǒng)控制流程圖

進(jìn)行伺服掃描微細(xì)電火花加工時(shí),將加工電源切換到電火花加工回路,工作液切換到純水循環(huán)回路;GT400控制器讀取生成的微細(xì)電火花加工點(diǎn)位文件的坐標(biāo)代碼,并控制XY運(yùn)動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行相應(yīng)的點(diǎn)位運(yùn)動(dòng);在Z方向上,PZT控制卡接收加工檢測(cè)單元的間隙檢測(cè)信號(hào),通過閾值判斷控制PZT微軸進(jìn)行相應(yīng)的伺服運(yùn)動(dòng)。由于PZT的運(yùn)動(dòng)行程很小,只有140 μ m,當(dāng)PZT運(yùn)動(dòng)到行程極限時(shí),會(huì)發(fā)出 Z宏動(dòng)信號(hào),XY軸和PZT微軸運(yùn)動(dòng)停止;PZT微軸運(yùn)動(dòng)到其零點(diǎn),Z宏軸運(yùn)動(dòng)相應(yīng)的零點(diǎn)到行程極限的距離后,再繼續(xù)讀取坐標(biāo)代碼,控制 XY軸和PZT微軸進(jìn)行伺服掃描加工,快速去除材料。為了減少這種宏微切換的頻率來(lái)提高加工效率,在微動(dòng)PZT致動(dòng)器高頻伺服進(jìn)退時(shí),控制宏進(jìn)給間歇式慢速進(jìn)給來(lái)補(bǔ)償電極損耗的積累。

完成伺服掃描微細(xì)電火花加工后,將加工電極更換為側(cè)壁絕緣電極,加工電源切換到電解加工回路,工作液切換到電解液回路;GT400控制器讀取生成的微細(xì)電解加工點(diǎn)位文件的坐標(biāo)代碼,并控制XY運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和Z宏軸,按照預(yù)定的軌跡進(jìn)行相應(yīng)的點(diǎn)位運(yùn)動(dòng);僅當(dāng)間隙檢測(cè)出短路信號(hào)時(shí),停止XYZ軸運(yùn)動(dòng),控制Z宏軸回退一層,繼續(xù)讀取坐標(biāo)代碼進(jìn)行加工,直到完成三維微結(jié)構(gòu)加工。

3 工藝實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證組合加工的可行性和有效性,在厚500 μ m 鎳片上的一個(gè)四方腔(L1=950 μ m)內(nèi)進(jìn)行了設(shè)計(jì)尺寸為 400 μ m ×400 μ m ×180 μ m 四棱柱結(jié)構(gòu)的組合加工實(shí)驗(yàn)(圖6a)。微細(xì)電火花加工用電極和微細(xì)電解加工用電極分別為直徑100 μ m的鎢絲和直徑100 μ m的側(cè)壁絕緣鎢絲。在組合加工中,微細(xì)電火花加工采用純水加工液,這樣,電火花加工速度更快、電極損耗率更低[9],且可更方便地與微細(xì)電解加工用的水基電解液進(jìn)行切換;微細(xì)電解加工則采用低濃度的硝酸鈉鈍化電解液,以提高加工的定域性。實(shí)驗(yàn)加工參數(shù)見表1。

表1 微細(xì)電火花和微細(xì)電解組合加工實(shí)驗(yàn)加工參數(shù)

圖5顯示的是組合加工前后微細(xì)電火花加工用電極和微細(xì)電解加工用側(cè)壁絕緣電極照片。其中,圖5a、圖5c為電火花加工用電極的照片。加工后電極在軸向長(zhǎng)度方向上損耗縮短嚴(yán)重,但電極端面(圖5c)的截面形狀基本保持不變,無(wú)明顯的邊角損耗;圖5b、圖5d為電解加工用側(cè)壁絕緣電極的照片,加工前電極的高分子側(cè)壁絕緣膜為厚度約為5 μ m的透明薄膜(圖5b),加工后側(cè)壁絕緣電極(圖5d)沒有損耗,用于側(cè)壁絕緣的高分子薄膜也基本保持完整。側(cè)壁絕緣薄膜和電極端部附著的黃褐色物質(zhì)是電解加工中產(chǎn)生的加工產(chǎn)物。

伺服掃描微細(xì)電火花預(yù)加工的加工結(jié)果見圖6b。加工時(shí)并聯(lián)電容為2 200 pF,以提高電火花加工速度,加工后四棱柱大小為 497 μ m ×491 μ m ×138 μ m3,加工時(shí)間為 44 min,材料去除速率為 31 182 μ m3/s;接著使用側(cè)壁絕緣電極進(jìn)行電解銑削加工的結(jié)果如圖6c所示,加工后四棱柱大小為410 μ m ×406 μ m ×181 μ m3,加工時(shí)間為 102 min,微細(xì)電解的材料去除速率為11 017 μ m3/s。圖6b和圖6c中四方腔拐角處都有過渡圓弧,而四棱柱拐角則較小(幾乎沒有),這是由于使用的圓形加工電極掃過加工區(qū)域不同引起的。且微細(xì)電解精加工后,四方腔拐角的過渡圓弧基本保持微細(xì)電火花預(yù)加工后的大小,四棱柱的過渡圓弧很小且側(cè)壁較垂直,說(shuō)明側(cè)壁絕緣電極的使用有效提高了電解加工的定域性,抑制了對(duì)已加工側(cè)壁的雜散腐蝕,且與微細(xì)電火花預(yù)加工結(jié)果相比,表面粗糙度和表面質(zhì)量明顯改善。

4 結(jié)論

本文提出一種三維微結(jié)構(gòu)的微細(xì)電火花和微細(xì)電化學(xué)組合加工工藝,利用三維伺服掃描微細(xì)電火花加工快速去除三維型腔材料和微細(xì)電解銑削加工形成高精度、高質(zhì)量三維型腔輪廓表面的互補(bǔ)優(yōu)勢(shì),實(shí)現(xiàn)三維微結(jié)構(gòu)的高效率和高精度加工。

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了組合加工工藝的微細(xì)電加工裝置和控制策略,包括微細(xì)電火花和微細(xì)電解復(fù)合加工電源,三維伺服掃描微細(xì)電火花加工的閉環(huán)伺服控制策略和數(shù)控微細(xì)電解銑削加工的開環(huán)控制策略。

以在四方體型腔內(nèi)形成設(shè)計(jì)尺寸為400 μ m×400 μ m×180 μ m 四棱柱結(jié)構(gòu)的加工為例,實(shí)驗(yàn)加工出尺 寸為 410 μ m ×406 μ m ×181 μ m 的 四棱柱結(jié)構(gòu),加工材料的去除速度分別為微細(xì)電火花加工31 182 μ m3/s,微細(xì)電解加工 11 017 μ m3/s,得到了加工效率和加工精度的優(yōu)化組合。

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