CN106141339A - 一种多电极微细电火花成形加工方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多电极微细电火花成形加工方法和装置。该方法根据待加工的工件尺寸和微细电火花工艺的放电间隙，设计并制备用于实现由粗加工到精加工的不同尺寸的工具电极；然后使用所述不同尺寸的工具电极，按照由粗加工到精加工的顺序对待加工的工件进行微细电火花成形加工，制备出所需尺寸的工件。所述微细电火花成形加工分为粗、精两步加工过程，或者分为粗、中、精三步加工过程，或者分为更多步的加工过程。本发明根据微细电火花粗、中、精加工放电间隙的不同，设计不同尺寸工具电极，实现多电极复合加工，能够在保证加工精度的同时，提高微细电火花加工效率，满足各种复杂形状微细电火花加工要求。

Description

一种多电极微细电火花成形加工方法和装置

技术领域

本发明属于微细电火花加工技术领域，具体涉及一种多电极微细电火花成形加工方法和装置。

背景技术

微细电火花加工技术具有非接触加工，无明显宏观作用力和放电能量易于控制等特点，对于各种高硬度、高强度、高耐磨性和抗腐蚀性的难加工材料(如不锈钢，硬质合金等)，在微细轴、微细孔以及复杂三维结构的加工中发挥重要作用，弥补传统加工方法在现代制造业中的不足，被广泛应用于航空航天、电子、医疗器械和模具制造等精密加工领域。

传统的电火花成形加工是指，在使电极和工件保持适当间隙的基础上，通过在两者之间加以脉冲电压，产生间隙性火花放电，将工件表面材料不断融化蚀除，形成微小的电蚀凹坑。如此反复，工件材料不断蚀除，最终在工件上复制出电极的形状，形成腔体，从而达到成形加工的目的。电火花成形加工可以并行加工出各种复杂形状的工件，具有广阔的应用空间。

微细电火花成形加工与传统电火花成形加工类似，只不过其加工对象的尺寸为微米级，这就决定了微细加工电源的脉冲能量小，一般在10^-6～10^-7J，因此微细电火花加工通常需要较长时间。此外，电火花加工中的放电蚀除主要是工件材料热熔融的过程，故脉冲能量越高，工件蚀除的体积越大，相应的加工效率也就越高，但是这样导致工件表面的粗糙度和放电间隙也越大，加工精度难以保证。因此，对于单电极微细电火花加工来说，加工效率与精度难以兼顾。此外，与常规电火花加工相比，微细电火花加工的电极损耗更加剧烈，如果采用传统替换电极的方法进行电极补偿，不仅难以保证微细电极的形状具有一致性，而且重复装夹时的位置精度也难以保证。

发明内容

本发明针对上述问题，提出一种多电极微细电火花成形加工方法和装置，能够在保证加工精度的同时，提高微细电火花加工效率。

本发明采用的技术方案如下：

一种多电极微细电火花成形加工方法，其步骤包括：

1)根据待加工的工件尺寸和微细电火花工艺的放电间隙，设计并制备用于实现由粗加工到精加工的不同尺寸的工具电极；

2)使用所述不同尺寸的工具电极，按照由粗加工到精加工的顺序对待加工的工件进行微细电火花成形加工，制备出所需尺寸的工件。

进一步地，所述微细电火花成形加工分为粗、精两步加工过程，或者分为粗、中、精三步加工过程，或者分为更多步的加工过程；每步加工过程的工具电极的中心重合。

进一步地，所述工具电极为钨电极。

进一步地，所述钨电极利用DRIE工艺制备而成。

进一步地，同时制备不同尺寸的钨电极，将各钨电极制备在同一平面，并呈一定周期性排列，进行微细电火花成形加工时采用一次夹持，通过平移电极的间距周期来实现电极中心精确对准。

一种多电极微细电火花成形加工装置，包括不同尺寸的工具电极，通过所述不同尺寸的工具电极实现由粗到精的加工过程。

进一步地，所述工具电极为钨电极。

进一步地，所述钨电极利用DRIE工艺同时制备而成，不同尺寸的钨电极制备在同一平面，并呈一定周期性排列，进行微细电火花成形加工时采用一次夹持，通过平移电极的间距周期来实现电极中心精确对准。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1.本发明根据微细电火花粗、中、精加工放电间隙的不同，设计不同尺寸工具电极，实现多电极复合加工。与单电极粗加工相比，该方法加工精度高；与单电极精加工相比，该方法加工速度快。因此，多电极微细电火花加工在保证加工精度的同时，提高加工速度，降低制造成本。

2.由于微细电火花加工放电间隙小，蚀除产物较难排出。因此，与单电极加工相比，本发明的多电极加工方法在精加工前大量工件材料已被蚀除，避免电蚀产物在放电间隙过多积累，从而减少异常放电的发生，提高加工质量。

3.微细电火花加工过程，不但工件材料被蚀除，工具电极也存在损耗，尤其电极边角处损耗明显，呈现一定的圆角。因此，本发明通过多电极加工的修正，可尽量减小工件圆角的存在，提高加工精度。

4.本发明可以将多电极同时制备，通过一次夹持，主轴平移实现电极中心精确对准，避免传统更换电极方式所带来的对准误差；

5.本发明方法不仅仅局限于粗精两步加工过程，可以根据实际的加工需求，设计粗精两电极以及多步多电极加工，满足各种复杂形状微细电火花加工要求。

附图说明

图1是微细电火花粗中精加工工具电极与放电间隙示意图。

图2是微细电火花成形加工示意图。

图3是粗加工、中加工和精加工后的工件图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面通过具体实施例和附图，对本发明做进一步说明。

本实施例根据工件尺寸和微细电火花粗、中、精加工所对应的放电间隙，设计粗、中、精三种工具电极。图1是微细电火花粗中精加工工具电极与放电间隙示意图。其中中间带阴影的圆圈表示工具电极；D1为粗加工对应的工具电极直径；Δ1为粗加工放电间隙；D2为中加工对应的工具电极直径；Δ2为中加工放电间隙；D3为精加工对应的工具电极直径；Δ3为精加工放电间隙；D4为加工后的工件直径；T为多电极的间距周期(即加工过程机床主轴每次的平移量)。

具体来说，例如加工直径100μm，深度为100μm的圆孔，而微细电火花粗、中、精加工的单边放电间隙分别为20、15和10μm，则设计工具电极直径分别为40μm(粗加工)、60(中加工)和80μm(精加工)。对于微细电火花粗加工，其速率为3.2*10⁶μm³/min，对应的工件表面粗糙度为1.56μm，加工直径100μm，深度为100μm的圆孔理论耗时约为15s；对于微细电火花精加工，其速率为2.0*10⁵μm³/min，对应的工件表面粗糙度为93nm，加工同样圆孔理论耗时约为240s。由此可见，微细电火花精加工表面质量远优于粗加工，但加工时间却是粗加工的16倍左右，尤其在复杂阵列图形大面积微细电火花加工情况下，这种粗精加工的时间差异更为明显，以加工10*10阵列的上述圆孔为例，粗加工时长为25min，而精加工时长为400min。

图2是微细电火花成形加工示意图。其中1为工具电极，2为工件；Δ为微细电火花成形加工放电间隙；D为微细电火花成形加工的工具电极尺寸；W为微细电火花成形加工的工件尺寸。将制备的工具电极固定在电火花机床主轴的夹具上，首先利用直径为40μm的电极进行微细电火花粗加工，由于其放电能量大，加工速度快，可快速蚀除工件材料；然后利用直径为60μm的电极进行微细电火花中加工，作为粗精加工的过渡；最后利用直径为80μm的电极进行微细电火花精加工，得到直径100μm，深度100μm的圆孔。图3中(a)、(b)、(c)分别为粗加工、中加工和精加工后的工件图。

上述加工过程需保证每步的工具电极中心重合，而传统电火花利用夹具更换电极的方法很难保证在微米量级上的对准，因此不适合微细电火花加工。这里工具电极是利用DRIE工艺制备的钨电极，尺寸可以精确控制，粗中精三电极同时制备且在同一平面，是具有一定周期性的整体，然后采用一次夹持，校平后通过平移电极的间距周期来实现其中心对准，因此微细电火花机床主轴的平移误差决定多电极的对准精度，对准误差可达1μm左右，由于粗、中电极尺寸设计时留有一定余量，该对准误差不影响加工结果。另外，由于粗加工已蚀除大量工件材料，精加工过程虽然放电能量小，但待加工量小，加工时间短，同时，精加工可以保证工件最终的表面质量，满足精度要求。对于粗中精三步加工10*10直径100μm，深度为100μm的阵列圆孔，总加工时长约为80min，是单独精加工时间的五分之一，在大面积加工时，这种加工效率的提高尤为明显。

如上所述，本发明优选采用钨电极。金属钨的熔点达3422℃，是熔点最高的金属，其高温强度在常用金属中也是最高的。此外，在常用电极材料中，金属钨的抗损耗系数也是最高的。因此，在微细电火花加工中，钨电极的损耗和形变都很小，是理想的工具电极材料。钨电极可以利用DRIE工艺制备，其方法是：1)在钨基片表面溅射硬掩膜，硬掩膜可以采用Al、AlN，Cr，Ni，Cu，Ti等材质的硬掩膜；2)在硬掩膜上涂覆光刻胶，并对光刻胶进行曝光和显影，完成光刻胶的图形化；3)将光刻胶作为掩膜，对硬掩膜进行干法刻蚀，实现掩膜图形化的转移；4)去除硬掩膜上的光刻胶，采用等离子体深刻蚀方法(DRIE)进行钨电极的深刻蚀；5)去除硬掩膜，得到钨电极。采用上述方法可以制备单个钨电极，也可以如上所述，将多个电极，如粗中精三电极，同时制备出来。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims (8)

1.一种多电极微细电火花成形加工方法，其步骤包括：

1)根据待加工的工件尺寸和微细电火花工艺的放电间隙，设计并制备用于实现由粗加工到精加工的不同尺寸的工具电极；

2)使用所述不同尺寸的工具电极，按照由粗加工到精加工的顺序对待加工的工件进行微细电火花成形加工，制备出所需尺寸的工件。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述微细电火花成形加工分为粗、精两步加工过程，或者分为粗、中、精三步加工过程，或者分为更多步的加工过程；每步加工过程的工具电极的中心重合。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述工具电极为钨电极。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：所述钨电极利用DRIE工艺制备而成，具体方法是：1)在钨基片表面溅射硬掩膜；2)在硬掩膜上涂覆光刻胶，并对光刻胶进行曝光和显影，完成光刻胶的图形化；3)将光刻胶作为掩膜，对硬掩膜进行干法刻蚀，实现掩膜图形化的转移；4)去除硬掩膜上的光刻胶，采用DRIE刻蚀方法进行钨电极的深刻蚀；5)去除硬掩膜，得到钨电极。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：同时制备不同尺寸的钨电极，将各钨电极制备在同一平面，并呈一定周期性排列，进行微细电火花成形加工时采用一次夹持，通过平移电极的间距周期来实现电极中心精确对准。

6.一种多电极微细电火花成形加工装置，其特征在于，包括不同尺寸的工具电极，通过所述不同尺寸的工具电极实现由粗到精的加工过程。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于：所述工具电极为钨电极。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于：所述钨电极利用DRIE工艺同时制备而成，不同尺寸的钨电极制备在同一平面，并呈一定周期性排列，进行微细电火花成形加工时采用一次夹持，通过平移电极的间距周期来实现电极中心精确对准。