酈 羽,白基成,王燕青,李浩洲

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150001;2.江蘇冬慶數(shù)控機(jī)床有限公司,江蘇 泰州 225300)

以微細(xì)陣列孔為關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的零部件在電子、紡織、光導(dǎo)纖維、生命科學(xué)、液壓元件、印刷、醫(yī)療器械等工業(yè)領(lǐng)域的使用越來越多,對微細(xì)孔的尺寸精度、圓度和一致性要求也越來越高,因此對微細(xì)孔的加工提出了更高的要求。微細(xì)電火花加工作為微細(xì)陣列孔加工的一種主要加工方法,在國外已達(dá)到工業(yè)應(yīng)用水平,如日本松下精機(jī)、瑞士夏米爾、美國麥威廉斯等公司都有成熟的產(chǎn)品。其中以日本松下精機(jī)的產(chǎn)品性能最優(yōu),能穩(wěn)定加工出直徑 5μm 的小孔[1],代表著微細(xì)電火花加工領(lǐng)域的前沿。但國外產(chǎn)品價(jià)格昂貴,且對我國禁運(yùn)。因此,對微細(xì)電火花加工機(jī)床的研究就顯得非常迫切。

電極的在線制作一直是電火花微細(xì)陣列孔加工技術(shù)的難點(diǎn)所在,制作出長徑比大、一致性高的微細(xì)電極是實(shí)現(xiàn)微細(xì)陣列孔加工的關(guān)鍵。自1984年增澤隆久教授發(fā)明線電極電火花磨削法(WEDG)[2]以來,微細(xì)電火花加工技術(shù)取得了長足的進(jìn)步。但線電極磨削方法制作電極效率低,制備工具電極的時(shí)間在整個(gè)工件加工時(shí)間中占極大比重,因此工具電極的在線高效、穩(wěn)定制作技術(shù)已成為影響電火花在微細(xì)制造技術(shù)中實(shí)用化的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文將對電極在線制作的效率和穩(wěn)定性進(jìn)行研究。

1 電極在線制作

1.1 試驗(yàn)方法

微細(xì)電火花加工中電極在線制作的常用方法主要有兩種:塊電極磨削(圖1)和線電極磨削(圖2)。兩種電極在線制作方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

(1)采用塊電極加工時(shí),加工過程中電極全長同時(shí)參與放電,加工效率高,但塊電極磨削面和電極軸軸線之間有平行度誤差,導(dǎo)致用塊電極磨削出來的微細(xì)軸有一定錐度[3];且在塊電極磨削時(shí),隨著電極徑向進(jìn)給的不斷深入,排屑將變得不通暢,加工廢屑堆積在塊電極與加工電極的間隙之間,造成二次放電,使加工出的電極直徑一致性差;同時(shí),由于參與的放電面積大及塊電極自身損耗等因素,很難做到電極軸加工表面質(zhì)量和直徑一致性的精確控制。

(2)電火花線電極磨削方法(WEDG)實(shí)現(xiàn)了線電極與電極軸之間的點(diǎn)放電[4],加工過程中可實(shí)現(xiàn)微能放電;同時(shí),加工過程中電極絲沿著導(dǎo)向裝置向一個(gè)方向連續(xù)移動(dòng),電極絲的損耗可忽略不計(jì)。因此,該方法可用來加工一致性高和尺寸可控的微細(xì)電極。但由于WEDG為點(diǎn)放電加工,加工效率低,不適合大磨削量加工。

針對兩種電極制作方法的優(yōu)缺點(diǎn)和實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中高效、高精的需求,本文采用兩種電極在線制作方法相結(jié)合的工藝,先用塊電極磨削粗加工出毛坯,再用線電極磨削進(jìn)行精磨削。通過這樣的工藝安排做到微細(xì)電極在線制作加工效率和加工精度兩者的兼顧。

1.2 試驗(yàn)條件

與煤油相比,去離子水具有加工無污染、不易燃燒、流動(dòng)性好、材料蝕除速度快、加工效率高等優(yōu)點(diǎn)[4]。試驗(yàn)表明,使用去離子水作為工作液加工微細(xì)孔,電極損耗遠(yuǎn)低于煤油,大大提高了電極使用率,故本試驗(yàn)使用去離子水作為工作液。

為保證電極軸線與塊電極磨削面的平行度,將塊電極安裝在平行度很高的工作臺上。線電極磨削結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,是一套獨(dú)立裝置;線電極磨削時(shí),對精加工精度影響最大的因素是走絲過程中絲抖動(dòng)的問題,絲抖動(dòng)超過允許范圍時(shí),將使加工出的電極一致性達(dá)不到要求。本試驗(yàn)裝置采用的走絲方案見圖3。貯絲筒安放在磁滯動(dòng)器上,由磁滯動(dòng)器給絲運(yùn)動(dòng)提供一個(gè)阻力,在另一端通過電機(jī)帶動(dòng)摩擦輪使絲以恒定速度運(yùn)動(dòng),確保絲在恒張力作用下平穩(wěn)單向運(yùn)行,以降低絲抖動(dòng)。

1.3 試驗(yàn)方案

本工藝試驗(yàn)的目的是制作出滿足高精度微噴陣列孔加工要求的電極軸。在保證電極加工精度的前提下,盡可能提高電極的制作效率,試驗(yàn)采用塊電極粗磨削,線電極中、精磨削的工藝流程。塊電極粗磨削的目的是快速將初始直徑500μm的電極加工到線電極中、精磨削的尺寸范圍內(nèi),加工效率要求高;線電極中磨削以直徑一致性高為目標(biāo);線電極精磨削則是為了獲得好的表面質(zhì)量。試驗(yàn)所用的微噴陣列孔加工機(jī)床集成了多種模式脈沖電源:晶體管可控電阻加工電源模式(簡稱TR模式);晶體管可控電容加工電源模式(簡稱TC模式)及RC電源模式等。利用多模式電源加工電參數(shù)組合多的優(yōu)點(diǎn),通過大量工藝試驗(yàn)選擇出每個(gè)工序較優(yōu)的加工參數(shù),確保每個(gè)工序都能達(dá)到預(yù)期的加工目標(biāo),最終確定整個(gè)工藝流程的優(yōu)化工藝參數(shù)組合,并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

2 試驗(yàn)

2.1 電源模式試驗(yàn)

電火花加工中,使用不同的電源模式和電參數(shù)對加工效率及加工表面質(zhì)量影響較大。因此,若將粗、中、精磨削采用不同的電源模式和電參數(shù)加工,而不僅僅是使用一種電源模式進(jìn)行加工,將能選擇出適合于粗、中、精磨削每道加工工序的電源模式和電參數(shù)的優(yōu)化組合。為了兼顧加工效率和加工質(zhì)量,需為每一工序選擇合適的電源模式。本試驗(yàn)采用TR、TC及RC電源模式,通過塊電極磨削試驗(yàn)確定3種電源模式的加工效率。各電源模式下的試驗(yàn)參數(shù)和加工時(shí)間見表1。

表1 電源模式試驗(yàn)

表1的試驗(yàn)數(shù)據(jù)都是在加工電極長度1000μm和徑向進(jìn)給量300μm的情況下得出的。從表1可看出,TC電源模式加工用時(shí)最少,加工后直徑最小;TR電源模式加工耗時(shí)最長,加工后電極直徑最大。由以上試驗(yàn)結(jié)果可得出,TC電源模式的電極蝕除速率最快,單脈沖放電能量大,適合于粗磨削;T R電源模式的電極蝕除速率最慢,單脈沖放電能量最小,適合于精磨削;RC電源模式加工效率居中,確定為中磨削。

2.2 電參數(shù)對表面質(zhì)量的影響試驗(yàn)

電極表面質(zhì)量最終取決于線電極精磨削。在確定以TR作為精磨削的電源模式后,通過改變電壓值和電阻值來實(shí)現(xiàn)精加工脈沖能量的改變。由試驗(yàn)結(jié)果選擇合適的參數(shù),以確定一組適合于孔加工所需電極表面的線電極精磨削參數(shù)。

圖4是一組電壓參數(shù)試驗(yàn)的精磨削電極圖片。圖4a是VMS-3020H型影像測量儀采集的電極圖片。電極從下至上的加工開路電壓依次為45、40、35 、30、25 V,每個(gè)參數(shù)分別加工 150μm 長度。圖4b～圖4e是分段電極放大20倍的CCD采集圖片,可看出隨著電壓值減小,電極表面質(zhì)量越來越好(25 V最上端的表面缺陷為加工短路造成)。因此,為了獲得好的電極表面,在精磨削過程中應(yīng)選擇較小的開路電壓值。若開路電壓值越大,單脈沖的能量越大,電蝕除量大,電極表面質(zhì)量將變差。但精加工時(shí)所選電壓值不能過小,以免加工短路嚴(yán)重,使蝕除加工無法正常進(jìn)行。

通過改變T R電源模式的電阻值,可改變擊穿放電時(shí)的峰值電流,單位脈沖能量下蝕除凹坑的大小也隨之變化,從而改變電極表面質(zhì)量。本試驗(yàn)通過改變電阻值進(jìn)行線電極精磨削,在不同電阻值下分段加工的電極圖片見圖5。圖5a從下至上依次為0.1、1、4、0.8 kΩ阻值下磨削的電極,每個(gè)參數(shù)分別磨削200μm長度;圖 5b～圖5e是放大 20倍的CCD采集圖片,從左至右依次為電極上端至下端,可看出4 kΩ處電極磨削表面質(zhì)量最好。因此,確定線電極精磨削的電阻值為4 kΩ。

2.3 電極磨削工藝試驗(yàn)

使用上述試驗(yàn)的粗磨削和精磨削電參數(shù),優(yōu)化出一組粗、中、精磨削的參數(shù)組合(表2)。

表2 電極磨削工藝步驟

為說明粗、中、精磨削工藝的可行性,采用表2中的加工條件進(jìn)行電極磨削。將初始直徑500μm的鎢電極成功加工到平均直徑為44μm的微細(xì)電極軸(圖6),整個(gè)電極從下至上依次為650μm的精磨削電極、220μm 的中磨削電極 、220μm 的粗磨削電極。精磨削段電極的直徑偏差在1.5μm內(nèi)。

圖6 粗、中、精磨削后的電極階梯軸

使用表2的加工條件進(jìn)行大量電極磨削試驗(yàn),驗(yàn)證了該制作工藝能穩(wěn)定、高效地加工出長徑比大于16、直徑偏差在1.5μm內(nèi)且表面質(zhì)量滿足微噴孔加工要求的微細(xì)階梯軸。利用加工出的微細(xì)軸,在去離子水工作液中進(jìn)行微細(xì)陣列孔加工試驗(yàn),成功地加工出直徑小于50μm、誤差范圍在2μm 內(nèi)的2×128的兩排陣列孔。

3 結(jié)論

(1)分析塊電極和線電極磨削方法的優(yōu)缺點(diǎn),并通過工藝試驗(yàn)確定了塊電極粗磨削和線電極中、精磨削的電極制作工藝流程。

(2)將多模式脈沖電源應(yīng)用到微細(xì)電火花電極制作中,使用去離子水作為工作液,分別在塊電極和線電極上進(jìn)行電源模式試驗(yàn)和T R模式精磨削電參數(shù)試驗(yàn),并利用大量試驗(yàn)總結(jié)出的工藝參數(shù)成功地磨削出階梯軸。

(3)通過大量試驗(yàn)驗(yàn)證了本文研究的多模式電源下塊電極粗磨削和線電極中、精磨削的工藝方法已基本達(dá)到工業(yè)應(yīng)用需求,能穩(wěn)定加工出長徑比大于16、直徑偏差1.5μm之內(nèi)的微細(xì)電極,并利用此電極穩(wěn)定地一次加工出256個(gè)直徑小于50μm、直徑偏差在2μm之內(nèi)的微細(xì)陣列孔。

[1] Nebashi N,Wakabayashi K,Yamada M,et al.In-process truing/dressing of grinding wheels by WEDG and ELID[J].International Journal of Electrical Machining,1998(3):59-64.

[2] M asuzawa T,Fujino M,Kobayashi K.Wire electro-discharge g rinding for micro-machining[J].Annals of the CIRP,1985,34(1):431-434.

[3] 胡富強(qiáng),王振龍,趙萬生,等.線電極放電磨削(WEDG)技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2003,35(10):1171-1174.

[4] Lin C T,Chow H M,Yang L D,et al.Feasibility study of microslit EDM machining using pure water[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2007,34(1-2):104-110.