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微細電火花製備（bèi）大長徑比微細電極的（de）工藝研究術

2017-1-3 來源：哈爾濱工業大學機電工程（chéng）學院作者：孟潔，白基成，李強，曹剡

摘要：針對電火（huǒ）花塊電極磨削效率高和線電極磨削精（jīng）度高的優點，采（cǎi）用塊電極（jí）磨削為微細電極的粗磨（mó）削、線電極磨削為微細（xì）電極的中、精磨削方式（shì），對大長徑比微細（xì）電極的製作技術進（jìn）行研究。通過分析微細電火（huǒ）花加工大長徑（jìng）比（bǐ）微細電極的影響因素（sù），對影響大長徑比微細電（diàn）極製作的加工參數進行了大量的（de）工藝試驗，得到各參（cān）數對微細電極製作的影響規律，優選得到相關（guān）的大長徑比微細電極的加工參（cān）數，並進行了實驗驗證。

關鍵詞：微細（xì）電火花；微細電（diàn）極；塊電極磨削；線（xiàn）電極磨削；大長徑比

O. 引言

隨著微機電係統的發展，對微型結（jié）構的零部件需求量越來（lái）越大。目前（qián），加工微型結構的方法很多，其中微細（xì）電火花銑削加工技術以其非接觸式（shì）加工、不受（shòu）材料硬度限製等優勢（shì）成為加工微型結構的一種重要方法。采用微細電火花銑（xǐ）削（xuē）技術加工（gōng）具有微（wēi）型腔、微小孑L以及階梯孔等微型結構的零（líng）部（bù）件，需要製（zhì）備直徑很小的微細電極（jí）；另一方麵，在微細電火花銑削加工中，微細電極的（de）損耗非常嚴（yán）重，微細電極的長度在很大程度上影響了銑削的（de）加工效率，而且微細電極的精（jīng）度也會（huì）影響型腔或者孔（kǒng）的精度，因此需要製備大長徑比微細電極。

目前國內（nèi）外很多學者對微細電（diàn）極的製作有相關（guān）的研究。日本學（xué）者增澤隆久采用（yòng）線電極磨削裝置加工出直（zhí）徑為2．軋m的微細軸?。韓國首爾大學（xué）的Se HyunAhn等人利用微細電解方法加工出（chū）直徑為3mm，長度為4mm的微細電（diàn）極舊J。美國學者Ra’a A，Said在cu．S04·5H：O溶液中用玻璃（lí）絕緣鉑電極的側壁加工出直徑為2軋m，長為6．5mm的銅微（wēi）細電極‘3』，但是加工效率低，表麵質量不理想。哈爾濱（bīn）工業大學李（lǐ）剛通過采用塊電極粗加工，刃口電極精加工（gōng）相結合的方法，加工出直徑3．5肛m，長度為60燦m的微細電極，但刃口電極的製作和安裝限製了其發展H J。S．H．Choi等人采用電火花（huā）光刻法通過光致抗蝕劑掩模成功加（jiā）工電極直徑為軋m，長度為3mm，帶有O．2。錐度的大（dà）長徑比微細電極。

由於存在二次安裝誤差，采（cǎi）用電解或者（zhě）光刻法等方法加工的微細電極，無法作為微細電火（huǒ）花銑削加工用的（de）工（gōng）具電極。因此，對（duì）於研（yán）究采用微細電火花技術（shù）在線（xiàn）製作高精度的大長徑比微細電極的技術具有重要意義。

1.微細電極的製（zhì）作方法

目前微細（xì）電極的（de）製作方法總體分為離線製作和在線（xiàn）製（zhì）作兩種。離線製作方（fāng）法有通過冷拔得到金（jīn）屬細絲，或者（zhě）通過切削、磨（mó）削等方法哺]。通過冷拔得到的金（jīn）屬絲會（huì）出現直徑不一致等缺陷，而通過切削（xuē）或磨（mó）削得到（dào）的電極精度會受到很（hěn）明顯的切削力影響。另（lìng）外（wài），離線製作的電極再次安裝（zhuāng）時會產生二次安裝誤差，重複定位誤差o¨等（děng）問（wèn）題，使（shǐ）經過二次安裝的微細電極無（wú）法用於微細電火花（huā）銑削加（jiā）工。在線製作（zuò）微細電極的方法有電火花塊電（diàn）極磨削（xuē）(Block Electrical Discha略e Grind—ing，簡稱BEDG)、線電極磨削(wire Electrical Discha昭e Grinding，簡（jiǎn）稱wEDG)、塊（kuài）電極磨削和線電極磨削相結合的方式(BEDG-wEDG)，刃口電極電火花磨削方法等。

塊電極磨削電極時，塊電（diàn）極與微（wēi）細電極之間的放電麵積（jī）大，加工效率比較高。但是塊電極的工作麵（miàn）與工（gōng）作台（tái）台麵存在垂直（zhí）度誤差和（hé）塊電極本身存在平麵度（dù）誤差，導致加工的電極產生錐度，尺（chǐ）寸不易控製，所以僅采用塊電極磨削電極很難達到大長徑比的目的。線電極製作微細電極（jí）時，待製作電極與線電極（jí）之間是點放電，每次放電（diàn）點（diǎn）比較（jiào）集中（zhōng），且脈衝能量小，蝕除的工

件（jiàn）材料很少（shǎo），使加（jiā）工效率比較低（dī），但加工精度高。因此將（jiāng）BEDG和wEDG相結合作為大長徑比微細電極的（de）製作方法。

另外，影響大長徑比微（wēi）細電極在（zài）線製（zhì）作（zuò）的因素有很多，主要包括：

(1)電極材料

采用電火花加工技術在線製作（zuò）微（wēi）細電極（jí）時，待製作的微細電極材料應該具有導電性、自身較小的損耗、不易（yì）加工成形以及高熔點（diǎn）等特征。鎢熔點很高，且化學性質較穩定，目前微細（xì）電極的材料趨向於鎢材料，有利於大長徑比（bǐ）微細電極的（de）製作。

(2)工作液

工作液主要起冷卻、排屑、形成放電（diàn）通道以及壓縮放電通道等作用。煤油的絕緣性比去離子水（shuǐ）好，有利於提高加工精度，但煤油中分解的含碳化合（hé）物會產生二次放電（diàn），使加工狀態不穩定，且煤（méi）油的傳熱性能以及排屑（xiè）功能差。相（xiàng）比於煤油，去（qù）離子水流動性和傳熱性好，有利於排屑和散熱一1；且去（qù）離子水可（kě）使加工效（xiào）率高，加工工件的表麵形貌好，所以去離子水更有利於大長徑比微細電（diàn）極的製作。

(3)加工極性（xìng）

由於待加工微細電極直徑較小，所需脈衝能量小，脈寬很窄，頻率很高。當（dāng）加工工件接正極時，加工工（gōng）件的蝕除量遠遠大於工具電極的蝕（shí）除量，有利於提高加工效率和降低工（gōng）具電極的損耗。

(4)脈衝電源

製作大長徑比微細電極時，因為電極尺寸微小，磨削量較大，同時需要保（bǎo）證磨削的（de）加工效率，因此（cǐ）作為微細（xì）電火花加工重要部分的脈衝電源，需要能（néng）夠同時實現具有微小能量和大能量相結合的多功能脈衝電源，同時脈衝電源的不（bú）同參數對微（wēi）細（xì）電火花銑削加工具有較大的影響。

常用的微能脈衝電源的電源模式主要有可控電容電源（yuán）模式(簡稱（chēng）TC電源模（mó）式)，RC電源模式（shì）以及可控電阻電源（yuán）模式(簡稱TR電（diàn）源模式)。TR電源模式能夠提供很高的脈衝頻率（lǜ），加工效（xiào）率較高；Rc電源模式工（gōng）作可靠，結構簡單，且加工效率比TR的高；而TC電源模式下電流波動較大，材料蝕除不均（jun1）勻，使電極表麵質（zhì）量和直徑一致性比較差，但是加工效（xiào）率比前兩者都高。所以在塊電（diàn）極粗磨削時采用Tc電（diàn）源模式，線電極中磨削時采用RC電源模式，精磨削時采（cǎi）用TR電源（yuán）模（mó）式（shì）。

(5)加（jiā）工參數

影響電極製作的加工參數很多，如伺服進給速度、進給方（fāng）式、加工方法等（děng），也會在很大程度上影響電極（jí）加工的效（xiào）率和質量（liàng）。一般情況下，所選的加（jiā）工參數需使加（jiā）工效率高、電極表麵形貌好、加工（gōng）狀態穩定。下麵主要針對電火花加工技術（shù）在線製作大長徑比微細電極的電參數進行試驗研究，以優選出適合製作大長徑比微細電極的參數（shù）。

2.試驗（yàn）方案及試驗條件

本文研究所采（cǎi）用的試驗設備是哈爾濱工業大學（xué）特種加（jiā）工及機電控製研究所自行研製的微細電（diàn）火花機床，該機床集在線製作電極、電極在線測（cè）量、微細陣列型腔銑削加工於一體。

(1)試驗方案

本（běn）文（wén）采用塊電極磨削裝置進行電極的粗磨（mó）削，旨在提高加工效率；用線電極磨削裝置進行中磨削和精磨削，中（zhōng）磨削（xuē）的目的是進一步（bù）減小電極徑向尺寸，並為精磨削作準備，精磨削主要（yào）是提高電極表麵（miàn）質量，保證加工精度。另外因塊電極加工時會產生損耗，為了（le）減小塊電極損耗對加工電（diàn）極的影（yǐng）響，一般采用塊電極進（jìn）行兩次粗磨削；為了便於根據加工後的電極直徑（jìng）、表麵質量以及加工需求（qiú）確（què）定下一工序的具體加工參數，對應的線電極在中磨削和精磨削時也進行兩次磨削。

(2)試驗條件

本文針對影響（xiǎng）塊電極粗磨削和線電極中、精磨削大長徑比電極的電參數進行多次工藝試（shì）驗，選擇出適合大長徑比微細（xì）電極製作的最佳參（cān）數，並通過（guò）實驗（yàn）驗證（zhèng）所選的加工參數，試驗過程中所使（shǐ）用的試（shì）驗條件如表1所示。

表1製作微細電極的試驗條件

biao 1

3.大長徑比微（wēi）細電極（jí）製作的工藝試（shì）驗研究

塊電極粗磨削電極時（shí）采用TC電源模式，影響電極磨削的電參數有（yǒu）開路電壓、脈衝寬度、占空比以及電容等（děng），因為塊電極磨（mó）削旨在提高加工效（xiào）率，其加工參數以表2為準，該參數是（shì）已經通過大量實驗驗證過，此處沒（méi）有必（bì）要研究。下麵主要對線電極（jí）磨削（xuē）電極進行研究（jiū）。

3．1線電極中（zhōng）磨削時（shí）的工藝（yì）試驗

線電極中磨削微細電（diàn）極（jí）主要為了進一步減小電極（jí）直徑，並具備一定的表麵質量，為精磨削做準備。此時采用RC電（diàn）源模式。通（tōng）過對開（kāi）路電壓、電容、電阻進行單因素試驗（yàn）研究，分析各個因素對（duì）微細電極（jí）直徑以及表麵形貌的影響規律，進（jìn）而確定製作大長徑比微細電極的最佳參數。

(1)開路電壓對加（jiā）工電（diàn）極的影響

以（yǐ）線電（diàn）極第一次中磨削為例，加（jiā）工（gōng）所需的脈衝能量應比粗磨削時小。加工前的（de）電（diàn）極直徑（jìng）為10咄m，電（diàn）阻、電容分（fèn）別取100Q、1000pF，電極徑向進（jìn）給（gěi）量為10燦m，而其他（tā）加（jiā）工參數（shù）不（bú）變的情況下隻改變開路電壓。在對（duì）應的每個開路電壓下，磨削長度為（wéi）10毗m，結（jié）果如圖l所示。

圖（tú）1線電極中磨削時開（kāi）路電（diàn）壓對加工電極的影響

從圖la可明（míng）顯地看出，在所選試驗條件（jiàn）範（fàn）圍內，線電極中磨（mó）削時，當開路電壓小於55V時，脈衝能（néng）量比較小，加工時易出現短（duǎn）路（lù），導致電極直徑減小；當開路（lù）電壓（yā）大於55V時，微細（xì）電極的直（zhí）徑隨著（zhe）開路電壓的增（zēng）大而（ér）減小。但（dàn）脈衝能（néng）量（liàng）增大，蝕除凹坑（kēng）變大，表（biǎo）麵質量變差，如圖1b所示。綜合加工效率和表麵質量（liàng），優選60V作為中磨削的開路電壓。

(2)電阻對加工電極的（de）影響

以線電極第一次中磨削為例，加工前的電極直徑為8毗m，在開路電壓為60V，電容為1000pF，電極徑向進給軋m而其（qí）他加工參數不變的情況下隻改（gǎi）變（biàn）電阻（zǔ）。在對應的每個電阻下，磨削長度為15毗（pí）m，結果如圖2所（suǒ）示。

從圖2可以看出，在所選的電阻條件範圍內，電阻值大時，電流小，蝕除的工件材（cái）料較少，電極直徑變（biàn）化小，但蝕（shí）除凹坑小，電極表麵質量好。當（dāng）電阻為100Q時，加工狀（zhuàng）態不穩定，易發生短路現象。所以選（xuǎn）擇510n為中磨削（xuē）的電阻值。

圖2線電極中磨削時電阻對加工電極的影響

(3)電容對加工的影響

以線電極第（dì）二（èr）次中磨削為例（lì），加（jiā）工前的電極直徑為3軋（zhá）m，當開路電壓取60V，電阻取510Q，電（diàn）極徑向進給靴m而在其（qí）他加工參數不變的情況下隻改變電容。在對應的每個電容檔下，磨削長度為12毗m，結果如圖3昕示。

圖3線電極中磨削時電容對電極的（de）影響

從圖（tú）3可以看出，在（zài）所選電容條件（jiàn）範圍（wéi）內，除了57000pF點，電極（jí）直徑隨電容數值（zhí）的減小而增大（dà），其主要（yào）因為電容減小，脈衝能量減小，單位（wèi）時間內蝕除的材料（liào）減少，且放電（diàn）間隙減小，廢屑不（bú）能及時排出，使電極直徑增大，而電容在（zài）57000pF和4700pF下加工的電極表麵形貌差。所以在中磨削時優選1000pF為（wéi）電（diàn）容參數。

3．2線電極精磨削時的（de）工藝試驗

經過（guò）線電（diàn）極第一次精磨削後，電極尺寸已經很（hěn）接近目標尺（chǐ）寸（cùn），為了進一步提高電極表麵質（zhì）量，提高加工精度，進行線電極第二次精磨削。此（cǐ）時采用加工電極徑向“零進給”¨0|，線電極“零運絲速度”以及主軸“非伺（sì）服運動”等加工策略。在線電極（jí）精磨削電極時采（cǎi）用的是TR電源模式（shì），主要（yào）是精修電（diàn）極的表麵質量（liàng），所以所需能量很小。以下主要對（duì）開路電壓、電阻以及脈寬和占空比進行工（gōng）藝實驗，分別研究它們（men）對電極直徑和電極表麵形貌的影響。

(1)電阻對加（jiā）工的影響

以線電極第一次精磨削為例，所需的脈（mò）衝能量很（hěn）小，且加（jiā）工時徑向進給量很小，重在提高表麵質量。當加工前的電極直徑為4軋m，開路電壓為28V，脈寬為3200 ns，占空比為1：3，電極徑向進給釓（gá）m而其他加工參數不變的（de）情況下隻改變電阻，在對應的每個電阻下磨削長度為12毗m，結果如圖4所示。從（cóng）圖4可以看（kàn）出，在試驗所選數據範圍內，電極直徑（jìng）隨電阻值的（de）減小而（ér）減小，因電阻減小（xiǎo），電流增大，單位時間內蝕除的工件材料就增（zēng）加，電極直徑變小，但蝕除凹坑會變大，導致加工質量變差。所以優選1000Q為精磨削的電阻參數。

圖4線（xiàn）電極精磨削電極時（shí）電阻對（duì）加工電極的影響

(2)開路電壓對加工的（de）影響

以線電極第二次精磨削電極為例，經過線電極第一（yī）次精磨削的修整，電極表麵有很大的改善。為進一步提高表麵質量和直（zhí）徑一致（zhì）性，進行線電極（jí）最終精（jīng）磨削。為了避免線電極振動對電極直徑一（yī）致性的影響，將運絲速度設為零，而且在檢測到有（yǒu）放電現象時，電極徑向不進給，即徑向零進給，其餘加工參數和第一次精磨削（xuē）時的相同（tóng）。如圖（tú）5所示上下分別為采用28V和24V電壓精磨削（xuē）加工的電極表麵形貌，可以明（míng）顯地看出在24V時加工的電（diàn）極表麵形貌比28V要好。所以在線電極第一次精磨削時選用28V的（de）開路電壓（yā），在提高加工效率的情況下，保證加工精度；在第二次精磨削電極時選取24V的開路電壓，以進一（yī）步提高電極（jí）表麵質量。

圖5不同電壓下（xià）精磨削的電極表麵形貌

(3)脈寬及占空比對（duì）加工的影（yǐng）響

用（yòng）線電極（jí）精磨削電極時，脈寬以及占空比也是影響微細電極製（zhì）作的（de）影響因素，以第一次精磨削為例，加工前電極直徑為10釓（gá）m，在開路電壓為28V，電阻（zǔ）為1000Q，電（diàn）極（jí）徑向進給量為軋m，以不同的脈寬和占空比做實驗，結果如圖6所示。從圖6可以看出，在試驗所選（xuǎn）條件範圍內，占空比不變時，電極直徑隨脈寬的增大反（fǎn）而增大，原（yuán）因是在脈寬為3200ns時，加工能量較小，加工時出現輕（qīng）微（wēi）短（duǎn）路現（xiàn）象，使電極直徑（jìng）更小；當脈寬（kuān）不變時，電極直徑隨著占空比的減小（xiǎo）基本（běn）呈增大趨勢。因精磨削時重在提高微細（xì）電極表（biǎo）麵質量，在保證無明顯短路（lù）的前提下，盡量使加（jiā）工能量小，蝕除凹坑小，達到表麵質量好的目的（de）。所以（yǐ）選（xuǎn）擇脈寬（kuān）為3200ns，占空比為l：3作為精磨削電極的參數。

圖6線電（diàn）極精磨削電（diàn）極（jí）時脈寬（kuān）和占空比對加（jiā）工（gōng）電（diàn）極的影響

經過多次試驗研究（jiū），總結出製作單根大長徑比微（wēi）細電極的具體加（jiā）工（gōng）工藝規劃，如表2所示。經過試驗，驗證，依據表2的加工參數，穩定地加工出直徑為4μm，長度（dù）120μm以及直徑為7μm，長度為440μm的大長徑比微細電極（jí），其長徑比高達（dá）60以上，且直徑偏（piān）差小於1μm，如圖7和圖8所示。

表2微細電極的加工工藝（yì）規劃及參數

4.結論

本（běn）文主要研究（jiū）了采用微細電火花技術製作大長徑比微細電極的方法，通過理論分析和試驗研究，得出了以下結（jié）論：

(1)根據塊電極電火花磨削和線電極電火花磨削（xuē）的特點，利（lì）用多模式微能脈衝電源，采用塊電極磨削裝置進行電極的粗磨（mó）削（xuē），線電極磨（mó）削裝置進行中磨削和精磨削的大長徑比微細電極加工方法，並分析（xī）、總結（jié）了相應（yīng）的的加工方案和（hé）加工條（tiáo）件；

(2)通過大量試驗研究（jiū）了在線電極磨削電極時開路電壓、電阻、電容、脈寬以及占（zhàn）空比等對電極直徑和電（diàn）極形（xíng）貌的影（yǐng）響規（guī）律，獲得了適合大長徑比微細（xì）電極製作的優選參數；

(3)通過（guò）實驗驗證（zhèng），使用該優選（xuǎn）參數穩定地加出了電極直徑為7μm，長度440μm以及直（zhí）徑（jìng）為（wéi）4μm，長度為120μm的大長徑比微細電極，長徑比高達60以上，且直徑偏差小於1盧m，達到了直徑小、長徑比大的預期效果。

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