CN101885094A - 基于静电感应给电的微细阵列电极及阵列孔的在线卧式电火花加工方法 - Google Patents

Abstract

一种微细阵列电极及阵列孔的在线卧式加工方法，它是一种利用静电感应给电方法在微细电火花线切割机床上加工微细阵列电极后直接在线卧式加工阵列孔的新方法。方法的实施步骤包括：微细阵列电极的电火花线切割加工和微细阵列孔的在线卧式电火花加工。在加工阵列电极时，电极丝(2)接静电感应单极性脉冲电源(8)的输出端子(A)，用于加工阵列电极的方形棒料(5)接输出端子(B)，静电感应线切割加工在方形棒料上完成第一步的沟槽阵列加工后，在阵列电极专用夹具(6)上翻转90°，进行第二步的阵列电极加工。完成阵列电极加工后，保持电极在线(电极继续夹持在夹具上)。在加工阵列孔时，阵列电极接电源输出端子(A)，由专用卧式夹具(3)垂直装夹的阵列孔工件(4)接输出端子(B)，阵列电极在精密数控工作台(7)的驱动下被移动到卧式打孔的工作区域，在工件上加工出阵列孔。

Description

基于静电感应给电的微细阵列电极及阵列孔的在线卧式电火花加工方法

技术领域

本发明涉及微细阵列电极及阵列孔的加工，具体涉及利用静电感应给电方法在微细电火花线切割机床上加工微细阵列电极并且在线卧式加工微细阵列孔的加工方法。

技术背景

微细阵列电极及阵列孔一直是超精密和微细加工技术等领域备受关注的对象。随着人们对微小模具、微细喷嘴及生命医学传感器等微小器件需求的增加，微细阵列电极及阵列孔的加工能力也迫切需要加以提高。在微细加工领域，一般有LIGA、MEMS和微细电火花等加工方法，但是由于LIGA和MEMS昂贵的加工成本以及较为受限的加工对象，使得微细电火花加工方法成为了首选的加工方法。

微细电火花加工常用的电源为传统RC张弛式脉冲电源和独立式晶体管脉冲电源等，但由于分布电容决定了最小放电能量的极限，导致了其微细加工能力存在极限，因而在微细阵列电极的加工中可能加工的微细阵列电极的最小尺寸存在极限。一般加工阵列电极的方法有电火花反拷加工和电火花线切割等，在阵列电极加工完成后，一般的方法是需要把电极拆卸下来再装夹到打孔设备(如微细电火花加工机床上)上进行阵列孔的加工。由于电极本身的微细结构使得电极的重新装夹很困难，二次装夹也使其位置精度难以得到保证。此外，传统的电火花加工方式为主轴立式加工，在进行阵列孔加工时，加工间隙中的放电屑不易排出，极间加工状态不好保证，放电状态不稳定，并影响了阵列孔的加工精度和加工质量。

因此，实现高效高精度的阵列电极及阵列孔的一体化在线加工具有非常现实的重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于静电感应给电的微细阵列电极和阵列孔的在线卧式加工方法，这是一种利用静电感应给电方法在微细电火花线切割机床上加工微细阵列电极并在不需要重新安装电极的情况下直接在线卧式加工阵列孔的新方法。

根据本发明，基于静电感应给电的微细阵列电极及阵列孔的在线卧式电火花加工方法由阵列电极制备和阵列孔加工两个步骤组成，在微细电火花线切割机床上利用专用绝缘夹具将阵列孔工件竖直装夹在微细电火花线切割机床的丝架上，利用专用绝缘夹具将阵列电极方形棒料装夹在机床的工作台上，机床工作台可带动阵列电极方形棒料在电极丝的位置和阵列孔工件的位置之间移动。在制备阵列电极时，使电极丝连接静电感应单极性脉冲电源的输出端子，用于加工阵列电极的方形棒料连接输出端子，静电感应单极性脉冲电源对电极丝和阵列电极方形棒料供电，优化静电感应电源的加工参数，保证其在工作台匀速进给的情况下能够进行放电加工，阵列电极方形棒料通过工作台移动到线切割加工的工作区域，利用静电感应微细电火花线切割加工在方形棒料上完成沟槽阵列加工，之后将方形棒料在阵列电极专用绝缘夹具上翻转90°，继续利用线切割完成阵列电极加工；完成阵列电极加工后，保持加工完成的阵列电极不动，在加工阵列孔时，加工完成的阵列电极连接电源输出端子A，阵列孔工件连接输出端子B，静电感应单极性脉冲电源对阵列电极方形棒料和阵列孔工件供电，阵列电极在机床工作台的驱动下被移动到阵列孔工件的卧式打孔的工作区域，并保证微细阵列电极和阵列孔工件之间留有0.5～1mm的间隙，对工作台进行微驱动，使其以每步1μm的速度逐步向阵列孔工件靠近，同时用示波器观察微细阵列电极和阵列孔工件之间的电压波形状态，当出现放电波形时即开始利用阵列电极加工出阵列孔。

根据本发明，在阵列电极和阵列孔的加工时均采用静电感应单极脉冲电源，并在输出端子A、B之间并联二极管。

根据本发明，在加工阵列电极时由专用夹具装夹阵列电极方形棒料，以实现方形阵列电极的加工；在加工阵列孔时采用专用卧式夹具阵列空工件以实现阵列孔的在线卧式加工。

根据本发明，卧式专用夹具被设计安装在机床丝架上，并处于电火花线切割加工工作区域的附近，可以实现阵列电极不需重新安装的情况下的阵列孔在线卧式电火花加工。

本发明利用静电感应给电方法首次实现了在微细电火花线切割机床上微细阵列电极及阵列孔的一体加工，并采用阵列孔的在线卧式电火花加工，具有微细化加工能力强、加工稳定、精度高、可行性强、易于推广的特点。并且，电极损耗后可回到线切割加工区域进行在线实时修复，可提高阵列电极的利用率和阵列孔的加工精度。另外，本方法的拓展性强，可集成微细电火花线切割、电火花在线卧式加工微细阵列孔、电火花卧式加工微小轴孔等加工方法，为微细电火花复合加工机床的开发提供了一种很好的解决方案。

附图说明

图1加工方法俯视图；

图2加工方法正视图；

图3静电感应单极性电源；

图4微细阵列电极加工示意图；

图5微细阵列电极加工实例；

图6微细阵列孔加工实例。

具体实施方式

如图1和2所示，微细阵列电极及阵列孔的加工方法是在微细电火花线切割机床上完成的。图中阵列孔工件4由专用绝缘夹具3被竖直装夹在微细电火花线切割机床的丝架1上，阵列电极方形棒料5由专用绝缘夹具6装夹在机床的工作台7上，机床工作台7可带动阵列电极方形棒料5在电极丝2的位置和阵列孔工件4的位置之间移动，静电感应单极性电源8可以有选择性的分别对电极丝2和阵列电极方形棒料5或者阵列电极方形棒料5和阵列孔工件4供电。

本发明的具体实施包括两部分：微细阵列电极的制备和微细阵列孔的加工。

一、微细阵列电极的加工步骤

步骤1：在加工微细阵列电极前，如图1所示，将图中静电感应单极性电源8的开关置于右侧，即电极丝2接电源输出端子A，阵列电极方形棒料5接电源输出端子B，构成正极性放电加工；

步骤2：优化静电感应电源8的加工参数，保证其在工作台7匀速进给的情况下放电加工能稳定进行不出现短路；

步骤3：阵列电极方形棒料5由工作台7移动到线切割加工的工作区域；

步骤4：机床按编好的程序利用静电感应微细电火花线切割在方形棒料上进行第一步的沟槽阵列加工(如图4a所示)；

步骤5：阵列沟槽加工完成后，将棒料方形5在专用绝缘夹具6上翻转90°后固定夹紧，进行第二步的阵列电极加工(如图4b所示)，至此完成阵列电极的加工。

由于本方法中微细阵列孔为在线加工，所以微细阵列电极加工完成后继续保留在专用夹具6上，以备微细阵列孔的加工使用。

二、微细阵列孔的加工步骤

步骤1：在加工微细阵列孔前，如图1所示，将图中静电感应单极性电源8的开关置于左侧，即阵列电极方形棒料5接电源输出端子A，阵列孔工件4接电源输出端子B，也构成正极性放电加工；

步骤2：手动将装夹微细阵列电极5的工作台7移动到阵列孔工件4附近并保证微细阵列电极5和阵列孔工件4之间留有0.5～1mm的间隙，由于加工的阵列电极非常微细，所以用工作台7的微驱动以每步1μm的速度逐步向阵列孔工件4靠近，同时用示波器观察微细阵列电极5和阵列孔工件4之间的电压波形状态，当出现放电波形时即开始进行阵列孔的加工；

步骤3：进行阵列加工时，根据示波器监测的极间状态手动进行伺服控制，加工中工作台以每步0.1μm的速度移动，当极间开路时，手动控制工作台7单步进给，当极间出现短路时，手动控制工作台7单步回退；

步骤4：由于在加工过程中，微细阵列电极5会出现损耗情况，所以需根据加工经验适当的将工作台7总体进给量大于阵列孔工件4厚度，这样即可完成微细阵列孔的通孔加工。

加工过程中通过示波器测量的极间电压来监测极间放电状态。在加工阵列电极时，优化放电参数，并调整工作台的进给速度，以保证工作台在自动匀速进给的情况下不发生短路，能实现持续稳定的放电加工。在加工阵列孔时，根据示波器监测的极间放电状态通过手动控制工作台的进给和回退以完成阵列孔的加工。由于静电感应电火花加工方法有利于实现稳定的放电状态，因此提高了微细阵列电极和微细阵列孔的加工效率和成功率。若进一步实现用于静电感应电火花加工的伺服控制，则有望进一步微细阵列电极和微细阵列孔的提高加工效率和加工质量。

本发明中采用的静电感应电源的电路图如图3所示，其优势在于：

(1)静电感应电源可以避免机床及其放电回电路中的分布电容的不利影响，可得到更加微小的放电能量；

(2)在静电感应给电的微细电火花加工中，当一次放电完成之后，直到脉冲电源的极性变为反向之前不发生放电，该时间段可以认为是放电停歇时间，该时间段内极间温度下降，可以确保极间恢复绝缘，有利于放电状态的稳定；

(3)通过在工件和电极丝极间并联二极管可实现正极性放电，由于其充电过程不受上一次放电状态的影响，放电能量一致性很好，正极性放电除了可以减少电极丝的损耗之外，还有利于实现稳定的加工，并有利于提高加工精度。

三、加工实例

为了说明本加工方法的实际加工效果，进行了微细阵列电极和阵列孔的实例加工。

微细阵列电极的加工参数为：稳压直流电源E＝150V，电容C₁＝100pF，脉冲频率20kHz，电极丝转速1.8m/min，电极丝为钨Φ30μm，工件为截面尺寸为1×1mm、长为25mm的YG-6硬质合金方形棒料，工作台自动进给速度为0.1μm/1.5s。

微细阵列孔的加工参数为：稳压直流电源E＝150V，电容C₁＝47pF，脉冲频率20kHz，阵列孔工件为50μm厚、20mm×8mm的不锈钢钢片。

实际加工结果为：5×5微细阵列方形电极，如图5所示，单个电极长200μm，方形截面边长为11±0.1μm；5×5微细阵列通孔，如图6所示，单个方孔的平均边长为16±0.1μm。

经与其他方法加工出的微细阵列电极及阵列孔对比，发现利用本发明方法加工出的微细阵列电极及阵列孔尺寸小、精度高、一致性好、质量好。

Claims (4)

1.一种基于静电感应给电的微细阵列电极及阵列孔的在线卧式电火花加工方法，由阵列电极制备和阵列孔加工两个步骤组成，在微细电火花线切割机床上利用专用绝缘夹具(3)将阵列孔工件(4)竖直装夹在微细电火花线切割机床的丝架(1)上，利用专用绝缘夹具(6)将阵列电极方形棒料(5)装夹在机床的工作台(7)上，机床工作台(7)可带动阵列电极方形棒料(5)在电极丝(2)的位置和阵列孔工件(4)的位置之间移动，

在制备阵列电极时，使电极丝(2)连接静电感应单极性脉冲电源(8)的输出端子(A)，用于加工阵列电极的方形棒料(5)连接输出端子(B)，静电感应单极性脉冲电源(8)对电极丝(2)和阵列电极方形棒料(5)供电，优化静电感应电源(8)的加工参数，保证其在工作台(7)匀速进给的情况下能够进行放电加工，阵列电极方形棒料(5)通过工作台(7)移动到线切割加工的工作区域，利用静电感应微细电火花线切割加工在方形棒料(5)上完成沟槽阵列加工，之后将方形棒料(5)在阵列电极专用绝缘夹具(6)上翻转90°，继续利用线切割完成阵列电极加工；

完成阵列电极加工后，保持加工完成的阵列电极不动，在加工阵列孔时，加工完成的阵列电极连接电源输出端子(A)，阵列孔工件(4)连接输出端子(B)，静电感应单极性脉冲电源(8)对阵列电极方形棒料(5)和阵列孔工件(4)供电，阵列电极在机床工作台(7)的驱动下被移动到阵列孔工件(4)的卧式打孔的工作区域，并保证微细阵列电极(5)和阵列孔工件(4)之间留有0.5～1mm的间隙，对工作台(7)进行微驱动，使其以每步1μm的速度逐步向阵列孔工件(4)靠近，同时用示波器观察微细阵列电极(5)和阵列孔工件(4)之间的电压波形状态，当出现放电波形时即开始利用阵列电极加工出阵列孔。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在阵列电极和阵列孔的加工时均采用静电感应单极脉冲电源(8)，并在输出端子(A、B)之间并联二极管。

3.如权利要求1-2中的一项所述的方法，其特征在于，在加工阵列电极时由专用夹具(6)装夹阵列电极方形棒料(5)，以实现方形阵列电极的加工；在加工阵列孔时采用专用卧式夹具(3)阵列空工件(4)以实现阵列孔的在线卧式加工。

4.如权利要求1-3中的一项所述的方法，其特征在于，卧式专用夹具(3)被设计安装在机床丝架(1)上，并处于电火花线切割加工工作区域的附近，可以实现阵列电极不需重新安装的情况下的阵列孔在线卧式电火花加工。

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