CN101665238B

CN101665238B - 一种微纳放电加工微三维结构的方法和系统

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Publication number: CN101665238B
Application number: CN2009103070132A
Authority: CN
Inventors: 房丰洲; 徐宗伟; 王庆袆; 胡小唐
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2009-09-15
Filing date: 2009-09-15
Publication date: 2012-02-15
Anticipated expiration: 2029-09-15
Also published as: CN101665238A

Abstract

本发明属于微纳制造技术领域，涉及一种微纳放电加工微三维结构的方法：(1)将导电性的纳米线或纳米管固定到导电材料制成的探针针尖上作为电极；(2)将电极夹持装置置于位移台上，并通过多轴运动控制器对位移台的移动进行控制；(3)将导电材料工件置于X/Y精密位移台上，由多轴运动控制器控制X/Y精密位移台的移动；(4)将脉冲电源的负极接到探针上，其正极接到工件上；(5)利用工控机向多轴运动控制卡发送指令，控制放置有电极夹持装置的位移台，由脉冲电源提供放电加工的工作电压，并由间隙电压检测装置采集放电间隙电压，工控机则根据间隙电压控制电极进给位移台的移动。本发明使放电加工的尺寸达到微米、纳米级，同时解决了加工过程的排屑问题。

Description

一种微纳放电加工微三维结构的方法和系统

技术领域

本发明属于微纳制造技术领域，涉及一种放电加工微纳三维结构的方法和系统。

背景技术

放电加工作为特种加工技术之一在工业中有着广泛的应用。随着产品微细化，微纳三维结构的加工技术及方法的研究已经成为制造领域的主要课题之一。按加工原理的不同，微纳三维结构的加工分为两大类：传统机械加工和特种加工。传统机械加工中由于存在宏观的切削力，加工过程中存在应力、发热等现象，在微、纳米级加工中，不易控制材料的加工精度。由于存在着表面应力，加工后零件的表面完整性受到影响。同时，传统机械加工易受材料硬度及加工零件类型的限制。特种加工不存在宏观的切削力，广泛用于难切削材料、硬脆材料和复杂型面的加工中。在特种加工中，电化学加工精度较低，加工复杂型腔和型面时，工具的制造费用高，且电解液对设备有一定的腐蚀作用，电解时产生的气体对环境有一定的污染；激光加工的形状精度和表面粗糙度差；电子束和离子束加工需要真空环境，实际应用中具有局限性；放电加工因加工过程无接触应力，能实现低硬度工具加工高硬度工件，同时通过控制电极尺寸就可实现相应尺度的微纳三维结构加工。

传统放电加工异形曲面时要使用与所需型面相应的异形电极，需要同等精度的用于精加工的成型电极和用于粗加工的异形电极，使得放电加工的成本增加。使用分层扫描的加工方法，只需要柱状电极就可完成所需型面的加工。与放电传统成形加工相比，分层扫描加工方法还具有一下优势：可加工传统成型加工有困难、甚至无法加工的工件；采用简单电极加工，简化了工艺；采用简单电极加工，电极和工件之间的间隙大，排屑容易；使用简单电极，可以在保持相对加工面积较小的情况下进行加工，从而有效的减小电容效应，获得更低的表面粗糙度。在放电扫描加工过程中，通过合理设计加工路径和分层厚度可以使用同一根电极进行初加工和精加工。一些文献([1]宋馨来.微细电火花加工中的CAD/CAM技术研究[D].南京航空航天大学.[2]杨样，王振龙，赵万生.微细电火花铣削CAD/CAM方法研究[J].机械工程学报.)给出了电火花扫描加工中电极路径的设计和电极损耗补偿的方法。

上述方法中，电火花加工用电极直径限制了微纳三维结构的加工尺寸。电极的微细化能够增强电火花加工微纳三维结构的能力，拓宽电火花加工的应用范围。同时，由于被加工结构的尺寸太小，利用外部冲液的方式，很难进行排屑，使得放电加工过程中排屑问题显得更加突出，从而制约了微细结构尺寸的进一步缩小。

如果利用某些具有良好的导电性能和导热性能的纳米线、纳米管，作为电火花加工用电极材料，那么就可以解决微纳级放电加工的电极制备困难的问题。例如，目前碳纳米管的加工技术已十分完善，现有技术能制备直径几个纳米到一百纳米的纳米管，碳纳米管束的直径也可达到几微米，非常适合用于微纳放电加工。

发明内容

本发明的目的在于，克服现有技术的不足，针对如黄铜、紫铜、铝、钢、硬质合金等导电材料，提出一种纳米放电加工微米、纳米级微纳三维结构的方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种微纳放电加工微三维结构的方法，用于在导电材料上加工微纳三维结构，包括下列步骤：

(1)采用聚焦离子束金属沉积法、微纳粘结法、微纳焊接法等技术将导电性的纳米线或纳米管固定到导电材料制成的探针针尖上，并将探针固定在电极夹持装置上；

(2)将电极夹持装置置于具有纳米级分辨率的电极进给位移台上；

(3)将导电材料工件置于X/Y精密位移台上；

(4)将脉冲电源的负极接到探针上，其正极接到工件上；

(5)利用多轴运动控制器控制放置有电极夹持装置的位移台，由脉冲电源提供放电加工的工作电压，并由放电间隙电压采集装置采集放电间隙电压，采集到的数据被送入工控机内，由工控机根据间隙电压判断当前放电加工的状态，并通过多轴运动控制器控制电极进给位移台的移动，从而实现稳定的纳米放电加工微纳三维结构过程；并工控机通过多轴运动控制器控制X/Y精密位移台的移动，实现对工件位置的调整和加工轨迹的控制。

作为优选实施方式，本发明采用聚焦离子束金属沉积法、微纳粘结法、微纳焊接法等技术将纳米管固定到导电材料制成的探针针尖上，并将探针固定在电极夹持装置上，在放电加工过程中，导入1～3Mpa压力的工作液，将加工液输入到放电加工区域，利用工作液的压力将放电过程中产生的废屑带走；所述脉冲电源的脉宽变化范围2-30微秒，电压0-120V，最大输出电流2A。工控机根据当前放电加工的状态，利用如下方法控制电极的进给：如果放电加工处于正常放电状态，则电极保持当前位置；如果放电加工处于开路状态，工控机则向多轴运动控制器发送指令，使电极进给位移台向前进给，则电极向靠近工件的方向移动，以减小放电间隙，直到放电加工从开路状态进入正常放电加工状态；如果放电加工处于短路、电弧放电状态，工控机则向多轴运动控制器发送指令，使电极进给位移台后退，则电极向远离工件的方向移动，以增大放电间隙，直到放电加工从短路、电弧状态进入正常放电加工状态。

本发明同时提供一种微纳放电加工微三维结构的系统，用于在导电材料工件上加工微纳三维结构，包括固定有能够导电的纳米线或纳米管的导电材料探针、电极夹持装置、具有纳米级分辨率的电极进给位移台、多轴运动控制器、X/Y精密位移台、脉冲电源、间隙电压检测装置、工控机。其中，电极夹持装置用于固定导电材料探针，并置于具有纳米级分辨率的电极进给位移台上，位移台的移动通过具有纳米级数控分辨的多轴运动控制器进行控制；X/Y精密位移台用于放置工件；通过具有纳米级数控分辨的多轴运动控制器分别控制电极进给位移台和X/Y精密位移台的移动；脉冲电源提供放电加工所需要的工作电压；间隙电压检测装置采集的电压数据被送入工控机，由工控机根据间隙电压判断当前放电加工的状态，通过多轴运动控制器控制电极进给位移台的移动，从而实现稳定的纳米放电加工微纳三维结构过程；并由工控机通过多轴运动控制器控制X/Y精密位移台的移动，实现对工件位置的调整和加工轨迹的控制。

作为优选实施方式，所述脉冲电源的脉宽变化范围2-30微秒，电压0-120V，最大输出电流2A。

本发明使放电加工的尺寸达到微米、纳米级，同时解决了加工过程的排屑问题，从而能够实现具有微米、纳米级复杂三维结构的加工，丰富了微纳加工领域的技术方法。

附图说明

图1纳米线、纳米管电极制备显微图。

图2本发明采用的纳米放电加工系统框图。

具体实施方式

本发明使用纳米线、纳米管作为纳米放电加工用电极进行微米、纳米级复杂三维结构的加工，而作为电极的纳米线、纳米管需要具备下述条件：

纳米线、纳米管需要具备良好的导电、导热性能和力学性能。例如，碳纳米管的熔点是目前已知材料中最高的，在放电加工中不易被热腐蚀；其次，碳纳米管分子结构稳定，具有很高的热稳定性；第三，碳纳米管的结构与石墨的片层结构相同，因而具有良好的电学性能，同时碳纳米管沿管轴方向上热交换性很高，加工中利于散热；最后，碳纳米管具有良好的力学性能，其抗拉强度达到50～200GPa，是钢的100倍，可加工出长径比接近1000的微轴，同时还具有较高的径向刚性。碳纳米管的上述特性，使得碳纳米管作为放电加工用电极，能满足微细放电加工过程中所需的低损耗率和抗变形能力。

此外，纳米管做电极进行放电加工，可利用其中空结构的特点，导入一定压力的绝缘介质，将带有一定压力的加工液输入到放电加工区域，利用工作液的压力将放电过程中产生的碎屑带走，从而解决微纳放电加工的排屑问题。

如图1所示，采用金属沉积法，利用FIB(聚焦离子束加工技术)将碳纳米管粘接到钨探针针尖上，那么电压就可通过钨探针针尖导至碳纳米管。

如图2所示，纳米放电加工系统由电极进给控制系统、纳米放电加工电源、间隙电压检测装置、放电间隙控制算法、X/Y精密位移台以及工控机构成。

下面详细介绍本发明的纳米放电加工微米、纳米级复杂三维结构的方法。

1、纳米放电加工电极制备

采用聚焦离子束金属沉积法、微纳粘结法、微纳焊接法等技术将纳米管固定到导电材料制成的探针针尖上。如图1所示为采用金属沉积法，利用FIB(聚焦离子束加工技术)将碳纳米管2粘接到钨探针针尖1上。此外，碳纳米管2做电极进行放电加工，可利用其中空结构的特点，导入1～3Mpa压力的工作液，如煤油、电火花加工油、去离子水等等，将带有一定压力的工作液输入到放电加工区域，利用工作液的压力将放电过程中产生的碎屑带走，从而解决微纳放电加工中的排屑问题。

2、电极进给控制系统

构建一个适合纳米放电加工的高精度电极进给控制系统，包括具有纳米级分辨率的位移台和纳米级数控分辨的多轴运动控制器。电极进给位移台配备高精密光栅，作为位移台移动的位置反馈装置，向多轴运动控制器提供位置反馈信息，多轴运动控制器则根据位置反馈信号对电极进给位移台的移动进行控制，以此构成位置全闭环控制，从而实现电极的纳米级高精度进给。

3、纳米放电加工电源

构建一个适合纳米放电加工的高品质脉冲电源，电源的脉宽变化范围2-30微秒，电压0-120V，最大输出电流2A。加工采用负极性，即电极接负极，工件接正极。

4、间隙电压检测装置

构建一个高采样率的电压采集系统，对纳米放电加工过程的纳米线、纳米管与工件之间的放电间隙电压进行采集。通过高频数据采集卡实现放电电压采集，其最高采样频率可达5MHz。首先采用分压电路将放电电压调整到0到5V，然后将电压输入数据采集卡，对电压进行采集，进而实时采集当前放电间隙电压，最后将放电间隙电压采样值传输给工控机进行间隙电压的运算处理，作为控制电极进给的依据。

5、放电间隙控制算法

编制放电间隙控制算法，算法可对间隙电压检测装置采集到的间隙电压进行运算处理。工控机则根据运算处理得到的电压波形判断当前放电加工的状态。如果放电加工处于正常放电状态，工控机则稳定电极当前位置；如果放电加工处于正常放电状态，则电极保持当前位置；如果放电加工处于开路状态，工控机则向多轴运动控制器发送指令，使电极进给位移台向前进给，则电极向靠近工件的方向移动，以减小放电间隙，直到放电加工从开路状态进入正常放电加工状态；如果放电加工处于短路、电弧放电状态，工控机则向多轴运动控制器发送指令，使电极进给位移台后退，则电极向远离工件的方向移动，以增大放电间隙，直到放电加工从短路、电弧状态进入正常放电加工状态。

6、X/Y精密位移台

多轴运动控制器可实现8轴联动精密运动控制，在实现对电极进给位移台控制的同时，控制X/Y精密位移台在X/Y平面调整工件位置。X轴和Y轴精密位移台都配备高精密光栅，作为位移台移动的位置反馈装置，向多轴运动控制器提供位置反馈信号，多轴运动控制器则根据X轴和Y轴各自的位置反馈信号分别对其移动进行控制，以此构成位置全闭环控制，从而实现工件的高精度移动控制。

7、多轴运动控制器和工控机构成的运动控制装置

多轴运动控制器和工控机构成的运动控制装置能够完成人机交互、工件位置调整、放电间隙的控制等功能。

电极进给位移台和X/Y精密位移台分别配备了高精密光栅，作为它们各自的位置反馈装置，光栅向多轴运动控制器提供位置反馈信号，多轴运动控制器则根据位置反馈信号对位移台的移动进行控制，以此构成位置全闭环控制，从而实现高精度的运动控制。

工控机装载了放电加工程序，用户可利用程序提供的接口向多轴运动控制器发送运动指令或CAM加工代码，实现对电极进给位移台和X/Y精密位移台的指令控制或代码控制，从而实现对电极和工件位置的调整；放电加工程序内部还实现了间隙电压控制算法，在进行纳米放电加工时，程序可与间隙电压检测装置进行实时通信，对放电间隙电压进行实时采集，然后通过放电间隙控制算法对放电间隙电压进行处理，判断出电极下一步的位移，最后通过向多轴运动控制器发送指令的方式，实现电极的进给。

Claims

1.一种微纳放电加工微三维结构的方法，用于在导电材料上加工微纳三维结构，其特征在于，包括下列步骤：

(1)导电性的纳米线或纳米管固定到导电材料制成的探针针尖上，并将探针固定在电极夹持装置上；

(3)将导电材料工件置于X/Y精密位移台上；

(4)将脉冲电源的负极接到探针上，其正极接到导电材料工件上；

2.根据权利要求1所述的微纳放电加工微三维结构的方法，其特征在于，将纳米管固定到导电材料制成的探针针尖上，并将探针固定在电极夹持装置上，在放电加工过程中，导入1～3Mpa压力的工作液，将工作液输入到放电加工区域，利用工作液的压力将放电过程中产生的废屑带走。

3.根据权利要求1所述的微纳放电加工微三维结构的方法，其特征在于，所述脉冲电源的脉宽变化范围2-30微秒，电压在大于0和小于120V之间，最大输出电流2A。

4.根据权利要求1所述的微纳放电加工微三维结构的方法，其特征在于，工控机根据当前放电加工的状态，利用如下方法控制电极的进给：如果放电加工处于正常放电状态，则电极保持当前位置；如果放电加工处于开路状态，工控机则向多轴运动控制器发送指令，使电极进给位移台向前进给，则电极向靠近工件的方向移动，以减小放电间隙，直到放电加工从开路状态进入正常放电加工状态；如果放电加工处于短路、电弧放电状态，工控机则向多轴运动控制器发送指令，使电极进给位移台后退，则电极向远离工件的方向移动，以增大放电间隙，直到放电加工从短路、电弧状态进入正常放电加工状态。

5.一种微纳放电加工微三维结构的系统，用于在导电材料工件上加工微纳三维结构，包括固定有能够导电的纳米线或纳米管的导电材料探针、电极夹持装置、具有纳米级分辨率的电极进给位移台、多轴运动控制器、X/Y精密位移台、脉冲电源、间隙电压检测装置和工控机，其中，电极夹持装置用于固定导电材料探针，并置于具有纳米级分辨率的电极进给位移台上，位移台的移动通过具有纳米级数控分辨的多轴运动控制器进行控制；X/Y精密位移台用于放置工件；通过具有纳米级数控分辨的多轴运动控制器分别控制电极进给位移台和X/Y精密位移台的移动；脉冲电源提供放电加工所需要的工作电压；间隙电压检测装置采集的电压数据被送入工控机，由工控机根据间隙电压判断当前放电加工的状态，通过多轴运动控制器控制电极进给位移台的移动，从而实现稳定的纳米放电加工微纳三维结构过程；并由工控机通过多轴运动控制器控制X/Y精密位移台的移动，实现对工件位置的调整和加工轨迹的控制。

6.根据权利要求5所述的微纳放电加工微三维结构的系统，所述脉冲电源的脉宽变化范围2-30微秒，电压在大于0和小于120V之间，最大输出电流2A。