CN103962658B - 微细射流电极电火花加工装置 - Google Patents
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Abstract
微细射流电极电火花加工装置，涉及电火花加工设备。脉冲信号发生器正极接工件，负极与金属针头相接；溶液注射器固定在注射泵上；金属针头与注射器连接，金属针头通过夹持装置竖直固定在进给调节装置上；进给调节装置设有丝杆和滑块，丝杆与Z轴驱动电机输出轴连接，滑块与丝杆螺纹配合，放电状态检测装置的检测端与金属针头和待加工工件连接；放电状态检测装置的信号输出端与控制器相接，进给调节装置固定在底座上；X‑Y运动平台固定在底座上，X‑Y运动平台用于待加工工件装夹，X轴驱动电机输出轴与X‑Y运动平台X轴方向连接，Y轴驱动电机的输出轴与X‑Y运动平台Y轴方向连接，控制器输出端分别与Z轴、X轴和Y轴驱动电机电连接。
Description
技术领域
本发明涉及电火花加工设备，尤其是涉及一种微细射流电极电火花加工装置。
技术背景
随着现代科技的不断发展，微机电系统和大面积柔性薄膜器件需求出现爆炸式增长。微加工中制作微细图案一般采用光刻工艺、电子束加工和微细电火花加工等，但对于仅需简单图案(如矩形或直线)的小规模试验研究而言,光刻工艺需要掩模板、光刻胶、曝光机等，电子束则需要真空环境，十分耗时，而且成本高。微细电火花加工宏观受力小、环境要求不高，但其存在微电极加工耗时、电极难以达到微纳米级别和电蚀导致电极直径变化影响加工精度等问题。中国专利CN1290583公开了一种基于数控技术的电火花加工电极补偿方法，该方法是先利用现有的CAD/CAM软件生成加工电极的数控刀轨，然后根据电火花成型加工中电极的摇动方式和摇动量，采用相应的算法对数控刀轨进行补偿，具有实施简单可靠的特点，但仍存在电极难加工、成本昂贵等问题。文献(T.Masuzwa,M.Fujino,K.Kobayashi.WireElectro-Discharge Grinding for Micro-Maching.Annals of the CIRP.1985,43(1):431-434)报道了日本东京大学生产技术研究所増泽隆久等人研制成功线电极电火花磨削(WEDG)技术。该技术成功解决了微细电火花加工中微细电极制作难的问题，但该技术仍存在着加工效率低下、设备复杂、成本昂贵等缺点。因此寻求一种新的低成本、技术简单且制作线宽小的微加工技术是微纳领域研究人员的追求目标。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中微细电火花加工中电极难加工、电极材料电蚀损耗快、加工图形尺寸大于金属加工电极等缺点，提供具有低成本、技术简单且制作线宽小的一种微细射流电极电火花加工装置。
本发明设有脉冲信号发生器、金属针头、溶液注射器、注射泵、软导管、Z轴驱动电机、进给调节装置、夹持装置、装置支架、底座、放电状态检测装置、X-Y运动平台、X轴驱动电机、Y轴驱动电机和控制器；
所述脉冲信号发生器正极与待加工工件连接，脉冲信号发生器负极与金属针头相接并接地；溶液注射器固定在注射泵上；金属针头通过软导管与注射器连接，金属针头通过夹持装置竖直固定在进给调节装置上；进给调节装置设有丝杆和滑块，丝杆与Z轴驱动电机输出轴连接，滑块与丝杆螺纹配合，放电状态检测装置的检测端与金属针头和待加工工件连接；放电状态检测装置的信号输出端与控制器相接，进给调节装置通过装置支架固定在底座上；X-Y运动平台固定在底座上，X-Y运动平台用于待加工工件装夹，X轴驱动电机输出轴与X-Y运动平台X轴方向连接，Y轴驱动电机的输出轴与X-Y运动平台Y轴方向连接，控制器输出端分别与Z轴驱动电机、X轴驱动电机和Y轴驱动电机电连接。
所述脉冲信号发生器采用发出的脉冲信号电压为0.5～5kV的脉冲信号发生器。
与现有技术比较，本发明的有益效果如下：
当装置开始工作时，首先打开脉冲信号发生器和注射泵电源，保证溶液注射器内的溶液能从金属针头中匀速挤出；接着打开放电状态检测装置和进给调节装置，控制针尖至加工工件表面的间距满足预定值；由于溶液与脉冲电源负极相接，工件与正极相接，故溶液在电场的作用下拉伸形成微细射流。当针尖与待加工表面之间的距离足够近时，微射流呈竖直状态，将该竖直微射流用做加工电极。在强电场作用下，射流中积聚的负电荷同待加工工件表面薄导电层上积聚的正电荷将间隙间的空气介质击穿，形成放电通道。放电通道形成后，放电产生的高能量集中作用在阴阳极表面的放电柱区域内，由于放电柱的截面较窄，热流密度极大，正负极产生瞬时高温，从而使得电极材料和工件表面受到电蚀，并在冲击波、放电爆炸以及外界吹气的作用下，将碎屑抛出；在脉冲信号电源给出的周期性信号和进给装置的往复作用下，工作电极周期性的电蚀工件表面；最后，将提前设定好的X-Y运动轨迹程序通过计算机控制器传输给X-Y运动平台，控制工件按照需要的轨迹运动，从而实现工件表面微细图案的制作。本发明与目前的微细电火花加工装置相比具有电极无需加工制作、被加工图案线宽小而易控和加工成本低等优点。本发明是以电液驱动射流为电极的微细电火花加工装置，可用于MEMS或大面积柔性薄膜塑料等的微细图案制作工艺。
附图说明
图1为本发明实施例结构示意图。
具体实施方式
参见图1，本实施例设有脉冲信号发生器1、注射泵2、溶液注射器3、软导管4、Z轴驱动电机5、进给调节装置(包括丝杆61和滑块62)、夹持装置7、装置支架8、底座9、X-Y运动平台10、金属针头12、放电状态检测装置13、X轴驱动电机15、Y轴驱动电机16和计算机控制器14。
脉冲信号发生器1正极与待加工工件P相接，负极与金属针头12相接，并接地；所述装有高聚合物溶液的溶液注射器3安装固定在注射泵2上；所述金属针头12经过软导管4与溶液注射器3相接，可通过设置注射泵的流量来控制溶液从针头中喷射出的速度；所述金属针头12由夹持装置7中前端的阶梯孔在轴向上进行限位，并通过旋紧平头螺钉和预紧弹簧固定，夹持装置7竖直地固定在进给调节装置的滑块62上。进给调节装置通过装置支架8固定在底座9上。所述Z轴驱动电机5输出轴与进给调节装置的丝杆61相接。放电状态检测装置13检测端与金属针头12和待加工工件P相连，用于检测金属针尖和待加工工件P之间的放电状态，放电状态检测装置13输出端与控制器相接，控制器采集、处理放电状态检测装置检测出的信号后控制与Z轴相接的Z轴驱动电机5，用于控制金属针头12的针尖与待加工工件P之间的距离。X-Y运动平台10安装固定在底座9上。带加工工件P装夹在X-Y运动平台10上，X轴驱动电机15输出轴与X-Y运动平台10在X轴方向连接。Y轴驱动电机16输出轴与X-Y运动平台10在Y轴方向连接。控制器14输出端分别与Z轴驱动电机5、X轴驱动电机15和Y轴驱动电机16电连接。所述脉冲信号发生器1发出的脉冲信号电压可为4kV。
所述微细射流电极电火花加工装置工作时，启动放电状态检测装置13和脉冲信号发生器1，同时打开注射泵2进行供液。启动控制进给调节装置的Z轴驱动电机5，带动金属针尖12到达距离待加工工件3mm处，接着调节脉冲信号发生器1的电压逐渐增至3kV，此过程中放电状态检测装置13不断检测间隙间的放电情况并反馈给控制器14从而控制Z轴驱动电机5，以控制进给调节装置调节放电间隙使之满足放电要求。同时，注射泵2推射出的高聚合物溶液在高压电场的作用下拉伸形成微细射流，并将间隙间的空气介质击穿，形成放电通道，同时放出大量热用以电蚀待加工工件P。最后，通过控制器14控制各驱动电机，达到控制待加工工件P运动，实现在工件表面进行微细图案制作的工艺。
Claims (2)
1.微细射流电极电火花加工装置，其特征在于，设有脉冲信号发生器、金属针头、溶液注射器、注射泵、软导管、Z轴驱动电机、进给调节装置、夹持装置、装置支架、底座、放电状态检测装置、X-Y运动平台、X轴驱动电机、Y轴驱动电机和控制器；
脉冲信号发生器正极与待加工工件连接，脉冲信号发生器负极与金属针头相接并接地；溶液注射器固定在注射泵上；金属针头通过软导管与溶液注射器连接，金属针头通过夹持装置竖直固定在进给调节装置上；进给调节装置设有丝杆和滑块，丝杆与Z轴驱动电机输出轴连接，滑块与丝杆螺纹配合，放电状态检测装置的检测端与金属针头和待加工工件连接；放电状态检测装置的输出端与控制器连接，进给调节装置通过装置支架固定在底座上；X-Y运动平台固定在底座上，X-Y运动平台用于待加工工件装夹，X轴驱动电机输出轴与X-Y运动平台X轴方向连接，Y轴驱动电机的输出轴与X-Y运动平台Y轴方向连接，控制器输出端分别与Z轴驱动电机、X轴驱动电机和Y轴驱动电机电连接。
2.如权利要求1所述微细射流电极电火花加工装置，其特征在于，所述脉冲信号发生器采用发出的脉冲信号电压为0.5～5kV的脉冲信号发生器。
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