胡滿紅,李 勇,佟 浩,馬曉宇

(清華大學精密儀器與機械學系,北京100084)

微細電火花加工技術和微細電化學加工技術都適于三維微結構的加工。微細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;而微細電解加工利用電流流過加工間隙,使金屬在電解液中以陽極離子形式溶解來蝕除金屬。兩種加工技術都是利用電能蝕除金屬材料,在加工設備上有很大的共性,都是由三維運動平臺、脈沖電源、工作液循環(huán)系統(tǒng)等組成,可方便地在一臺設備上實現(xiàn)兩種加工技術的復合或組合。

三維結構的電加工方法可分為成形電極法和簡單電極分層掃描成形法。而對于三維微結構加工來說,由于微細成形電極的制造本身就很困難,且在微細電火花加工中電極損耗相對嚴重,在微細電解加工中平衡穩(wěn)定的加工間隙難以控制,所以成形電極法在三維微結構加工中很少采用。而簡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,設計自由度大等優(yōu)點,適合三維微結構的加工。

采用微細電火花加工進行分層掃描成形加工時,由于加工電極的尺寸微小,而加工去除材料的體積相對“龐大”,電極的軸向損耗非常嚴重,在加工中電極端面在Z向的實際位置時刻在變化。因此,電極損耗的實時補償就成為保證連續(xù)放電加工以及加工效率的必要條件。相對于依靠間歇式測量和經(jīng)驗模型的電極損耗補償方法,如通過特殊路徑規(guī)劃的等損耗補償模型法(UWM:Uniform Wear Method)[1]、采用統(tǒng)計放電率方法[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電火花伺服掃描加工方法[4]結合放電率統(tǒng)計與伺服控制方法的優(yōu)勢,為解決電極損耗補償?shù)膶崟r性問題提供了有效途徑。但由于微細加工狀態(tài)不易穩(wěn)定,伺服間隙的檢測延遲、機電系統(tǒng)控制誤差等,不能完全實時準確地反映間隙狀態(tài),造成每層去除的材料厚度量存在一定的波動。當分層數(shù)多時,誤差易累積,造成加工深度方向的尺寸誤差,進而影響成形精度。

采用微細電解加工進行分層掃描成形加工時,由于電極不損耗,可精確控制其加工電極端面運行的軌跡,成為簡單數(shù)控的微細電解銑削加工。且微細電解加工具有加工表面粗糙度和質量好、無熱影響層的特點。但是,電解加工中電極側面對已加工的表面隨著加工時間的增加會產(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。微細電解加工在加工微細化的同時,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,使微細電解加工的加工產(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構的微細電火花和微細電化學組合加工工藝,利用三維伺服掃描微細電火花加工快速去除三維型腔材料和微細電解銑削加工形成高精度、高質量三維型腔輪廓表面的互補優(yōu)勢,旨在實現(xiàn)三維微結構的高效率和高精度加工。本文研究在組合加工工藝設計的基礎上,搭建組合加工實驗系統(tǒng)平臺,進行三維微結構的微細電火花和微細電化學組合加工的可行性實驗研究。

1 組合加工工藝設計

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

圖1 微細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計軟件Pro/E的CAD/CAM系統(tǒng)的強大功能,通過對三維微結構模型的處理,生成微細電火花加工和微細電解加工需要的電極運動點位坐標代碼。

首先利用Pro/E的3D建模功能,進行微半球的三維造型設計,然后利用CAM模塊進行軌跡規(guī)劃設計。組合加工中,三維伺服掃描微細電火花加工快速去除比設計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電火花和微細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:點位坐標代碼和G代碼,然后傳送給運動平臺使用,分別完成微細電火花加工和微細電解加工,最終完成組合加工。

第二步,三維伺服掃描微細電火花加工工序。

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,運動平臺將控制加工電極按微細電火花加工點位代碼文件中的XY點位坐標進行運動;Z軸采用間隙伺服的控制方法實時補償電極損耗,保證電火花加工的穩(wěn)定連續(xù)進行。三維伺服掃描微細電火花加工在純水加工液中進行,并選取較高的加工參數(shù)規(guī)準,以提高材料去除率和加工速度。

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

第三步,數(shù)控微細電解銑削加工工序。

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壁絕緣的電極,以提高微細電解加工的定域性,減少雜散腐蝕。電極的側壁絕緣膜是采用旋涂法在電極側面形成厚度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定的加工軌跡和掃描速度完成逐層掃描銑削加工,可簡化電極進給控制?？刂七\動平臺使電極按電解加工點位代碼文件的 XYZ點位坐標進行數(shù)控運動,即可實現(xiàn)三維微結構的加工。

2 實驗裝置及其系統(tǒng)控制

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

圖2 微細電火花和微細電解組合加工裝置模塊示意圖

圖3 組合加工復合脈沖電源模塊示意圖

組合加工復合脈沖電源的功能模塊如圖3所示。微細電火花加工回路結構為MOSFET(G2)斬波的RC脈沖式;而微細電解加工回路結構為雙路MOSFET(G1/G3)斬波式。數(shù)字脈沖產(chǎn)生驅動單元產(chǎn)生數(shù)字方波脈沖,控制MOSFET(G1/G2/G3)對直流模塊產(chǎn)生的直流電壓進行斬波,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開關輸出電容引起的脈沖關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量。微細電解加工回路中,由霍爾電流傳感器采集間隙電流,并經(jīng)檢測處理電路作為加工過程中異常短路檢測依據(jù);而微細電火花加工回路中,由R1作為限流電阻,電流檢測電阻R2將間隙電流狀態(tài)通過檢測電路的平滑處理后,提供給PZT控制卡作為伺服控制的依據(jù)。

微細電火花加工工序和微細電解加工工序共用一套三維運動系統(tǒng),在進行兩種加工工序切換時,只需更換加工液和復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

進行伺服掃描微細電火花加工時,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電火花加工點位文件的坐標代碼,并控制XY運動平臺進行相應的點位運動;在Z方向上,PZT控制卡接收加工檢測單元的間隙檢測信號,通過閾值判斷控制PZT微軸進行相應的伺服運動。由于PZT的運動行程很小,只有140 μ m,當PZT運動到行程極限時,會發(fā)出 Z宏動信號,XY軸和PZT微軸運動停止;PZT微軸運動到其零點,Z宏軸運動相應的零點到行程極限的距離后,再繼續(xù)讀取坐標代碼,控制 XY軸和PZT微軸進行伺服掃描加工,快速去除材料。為了減少這種宏微切換的頻率來提高加工效率,在微動PZT致動器高頻伺服進退時,控制宏進給間歇式慢速進給來補償電極損耗的積累。

完成伺服掃描微細電火花加工后,將加工電極更換為側壁絕緣電極,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電解加工點位文件的坐標代碼,并控制XY運動平臺和Z宏軸,按照預定的軌跡進行相應的點位運動;僅當間隙檢測出短路信號時,停止XYZ軸運動,控制Z宏軸回退一層,繼續(xù)讀取坐標代碼進行加工,直到完成三維微結構加工。

3 工藝實驗

為驗證組合加工的可行性和有效性,在厚500 μ m 鎳片上的一個四方腔(L1=950 μ m)內進行了設計尺寸為 400 μ m ×400 μ m ×180 μ m 四棱柱結構的組合加工實驗(圖6a)。微細電火花加工用電極和微細電解加工用電極分別為直徑100 μ m的鎢絲和直徑100 μ m的側壁絕緣鎢絲。在組合加工中,微細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電解加工用的水基電解液進行切換;微細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。實驗加工參數(shù)見表1。

表1 微細電火花和微細電解組合加工實驗加工參數(shù)

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

伺服掃描微細電火花預加工的加工結果見圖6b。加工時并聯(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,加工時間為 44 min,材料去除速率為 31 182 μ m3/s;接著使用側壁絕緣電極進行電解銑削加工的結果如圖6c所示,加工后四棱柱大小為410 μ m ×406 μ m ×181 μ m3,加工時間為 102 min,微細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。且微細電解精加工后,四方腔拐角的過渡圓弧基本保持微細電火花預加工后的大小,四棱柱的過渡圓弧很小且側壁較垂直,說明側壁絕緣電極的使用有效提高了電解加工的定域性,抑制了對已加工側壁的雜散腐蝕,且與微細電火花預加工結果相比,表面粗糙度和表面質量明顯改善。

4 結論

本文提出一種三維微結構的微細電火花和微細電化學組合加工工藝,利用三維伺服掃描微細電火花加工快速去除三維型腔材料和微細電解銑削加工形成高精度、高質量三維型腔輪廓表面的互補優(yōu)勢,實現(xiàn)三維微結構的高效率和高精度加工。

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

以在四方體型腔內形成設計尺寸為400 μ m×400 μ m×180 μ m 四棱柱結構的加工為例,實驗加工出尺 寸為 410 μ m ×406 μ m ×181 μ m 的 四棱柱結構,加工材料的去除速度分別為微細電火花加工31 182 μ m3/s,微細電解加工 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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