基于高速銑削的微細(xì)電極加工方法

于同敏,黃曉超,包 成,祝思龍

(大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,遼寧大連116024)

微型塑料制件在MEMS領(lǐng)域的應(yīng)用前景十分廣闊,需求量不斷增長。但用模具成形微型制件時(shí)的模腔加工,則一直是制約微模具制造技術(shù)發(fā)展和微型制件廣泛應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵問題。由于微模具型腔尺寸微小,傳統(tǒng)的加工方法無法滿足其加工尺寸精度與表面質(zhì)量要求。盡管人們先后開發(fā)出諸如LIGA及UV-LIGA等微細(xì)加工技術(shù),但仍難以滿足形狀各異的微型模具型腔的加工要求。LIGA及UV-LIGA技術(shù)雖可加工具有較大深寬比的微細(xì)結(jié)構(gòu),但不能加工三維曲面型腔,且工藝過程復(fù)雜,制造成本較高,使其應(yīng)用受到一定限制。與LIGA及UV-LIGA等技術(shù)相比,微細(xì)電火花加工具有工藝過程簡單、不受被加工零件材料限制,且可加工復(fù)雜三維曲面等優(yōu)點(diǎn),在復(fù)雜微小尺寸零件加工中具有不可替代的優(yōu)勢(shì)[1]。然而微細(xì)電火花加工技術(shù)在應(yīng)用過程中也存在亟待解決的難點(diǎn)問題,如微細(xì)電極的制作及放電加工中的電極損耗等。本文基于對(duì)各種微細(xì)加工方法[2-8]的深入分析,提出利用高速銑削加工技術(shù)[9]制作微細(xì)電極的方法,并以典型的圓柱陣列結(jié)構(gòu)微細(xì)電極為例,通過優(yōu)化加工條件和切削參數(shù),加工出了滿足尺寸與形狀精度要求的微細(xì)電極。并用制得的微陣列結(jié)構(gòu)電極,進(jìn)行了微模具型腔的電火花加工實(shí)驗(yàn),獲得了較好的加工效果。為解決微細(xì)電極的高效、高精密制作,提供了可借鑒的方法。

1 實(shí)驗(yàn)電極及加工設(shè)備

實(shí)驗(yàn)電極材料為紫銅,結(jié)構(gòu)尺寸為9 mm×9 mm×40 mm。電極形狀見圖1。電極端面帶有均布的10×10微圓柱陣列,圓柱直徑和高度尺寸分別為 100 μm 和 1 550 μm,微圓柱中心距離為 800 μm 。加工要求尺寸準(zhǔn)確,外形規(guī)整,不能歪斜,表面粗糙度值 Ra＜1.6 μm,圓度誤差 F ≤±3 μm。

圖1 電極零件圖

加工設(shè)備采用日本某公司生產(chǎn)的MB-56VA立式高速銑削加工中心,其主軸最高轉(zhuǎn)速25 000 r/min,銑削進(jìn)給速度為30 m/min,機(jī)床定位精度為±1 μm,重復(fù)定位精度為±0.2 μm。電極測(cè)量采用VTM-3020F數(shù)字式影像工具顯微鏡。微陣列模具型腔的放電加工選用日本某公司生產(chǎn)的EA8A(M)精密電火花加工機(jī)床。型腔材料選用P20模具鋼,硬度為28 HRC。

2 陣列結(jié)構(gòu)微細(xì)電極加工

2.1 高速銑削加工參數(shù)

根據(jù)電極材料特性及加工尺寸精度要求,加工刀具選用直徑D=500 μm的圓柱立銑刀。由于刀具直徑小,剛度較弱,故機(jī)床轉(zhuǎn)速和切削深度不宜選擇過大;但考慮到紫銅材料加工時(shí)較難斷屑,且切屑易粘結(jié)在刀刃上或纏繞在刀體上,從而影響加工表面質(zhì)量或引起微圓柱變形,故需適當(dāng)提高切削速度和減小切削深度。因此,初步設(shè)定主軸轉(zhuǎn)速nt=15 000 r/min(對(duì)應(yīng)切削速度 vc=23.56 m/s)、軸向切削深度ap=0.025 mm。實(shí)際加工中,為保證加工精度,刀具行距的選擇一般以小于其直徑D的75%為宜,實(shí)驗(yàn)選用的刀具行距為0.2 mm,即40%D。為避免高速銑削時(shí)刀具發(fā)生顫振,選用順銑方式。加工中冷卻采用水溶性金屬切削液,并避免冷卻液直接沖擊電極的微圓柱部分。由于較高的主軸轉(zhuǎn)速和適當(dāng)?shù)偷倪M(jìn)給速度可獲得較小的切削力,實(shí)驗(yàn)設(shè)定刀具徑向進(jìn)給速度為 vf=2 400 mm/min。

2.2 加工結(jié)果檢測(cè)及分析

圖2是加工后的微圓柱陣列電極。使用數(shù)字式影像工具顯微鏡測(cè)量得到的電極微圓柱部分側(cè)面及端面放大見圖3。對(duì)陣列中部分微圓柱進(jìn)行尺寸及形狀測(cè)量,所得數(shù)據(jù)見表1。

表1 微圓柱測(cè)量數(shù)據(jù)

圖2 陣列電極

圖3 電極微圓柱部分放大圖

由圖3可見,陣列中有的微圓柱發(fā)生了明顯的彎曲變形,且變形方向不同。分析認(rèn)為,由于紫銅材質(zhì)較軟,微圓柱長徑比較大,剛性較差,使其在刀具徑向切削分力作用下極易發(fā)生彎曲變形,尤其當(dāng)?shù)毒吣p加重時(shí)變形更大;同時(shí)加工中的切屑纏繞在刀具直徑上,也會(huì)對(duì)微圓柱形成擠壓力,使其表面劃傷或產(chǎn)生彎曲變形;另外,切削液的沖擊等因素也會(huì)引起微圓柱變形。受彎曲變形影響,工具顯微鏡下的微圓柱端面形狀已發(fā)生了變化。表1的測(cè)量結(jié)果顯示,其圓度誤差最大達(dá)9 μm,平均值=7 μm,遠(yuǎn)超出設(shè)計(jì)要求。微圓柱直徑尺寸也超差,其平均直徑=103.2 μm,微圓柱直徑誤差的產(chǎn)生與刀具磨損緊密相關(guān)。同時(shí),微圓柱高度尺寸測(cè)量值普遍大于 1 550 μm 的設(shè)計(jì)值 ,最大者超出 15 μm,平均高度超出9.6 μm。顯微鏡觀測(cè)發(fā)現(xiàn),高度尺寸超差是由于銑削過程中產(chǎn)生了垂直于微圓柱端面的毛刺(圖4),從而使測(cè)量的高度尺寸增大。顯然,這樣的電極加工質(zhì)量不能滿足要求,因此,需對(duì)電極結(jié)構(gòu)和切削加工參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化,以滿足加工質(zhì)量要求。

圖4 微圓柱端面毛刺

2.3 高速銑削加工參數(shù)優(yōu)化分析

為提高電極自身的結(jié)構(gòu)剛性,避免在銑削加工中變形,首先對(duì)電極尺寸和形狀進(jìn)行調(diào)整:將微圓柱高度減低至1 000 μm,并將其根部設(shè)計(jì)為帶有20°錐角的圓錐臺(tái)結(jié)構(gòu),上端圓柱部分直徑100 μm、高度 600 μm,根部錐臺(tái)高度 400 μm 。

而對(duì)高速銑削加工參數(shù),則主要從主軸轉(zhuǎn)速nt、徑向切削進(jìn)給速度vf和軸向切深ap等方面進(jìn)行分析和優(yōu)化。

(1)已有研究表明,在高速切削加工范圍內(nèi),提高切削速度,可有效減小切削力,平均可減少30%以上,這有利于對(duì)剛性較差和薄壁零件的切削加工[10]。此外,提高切削速度還可提高切削效率,改善加工表面粗糙度。因此,實(shí)驗(yàn)將主軸轉(zhuǎn)速nt提高到20 000 r/min(對(duì)應(yīng)的切削速度vc=31.42 m/s)。

(2)高速銑削時(shí),適當(dāng)提高 nt,減小 vf和ap[11],雖可降低表面粗糙度值,但在一定的 nt下,隨著vf的增大,軸向切削力和徑向切削力都有增大的趨勢(shì)。為了在增大nt的同時(shí)不使徑向切削分力過大,實(shí)驗(yàn)將 vf值從2 400 mm/min降低到1 500 mm/min,以兼顧加工效率和質(zhì)量。

(3)ap的確定直接影響微圓柱的形狀精度。ap值過大也會(huì)產(chǎn)生較大的切削力,由于這種切削力不是恒定的,高速切削時(shí)不斷變化的切削力將嚴(yán)重影響加工系統(tǒng)的穩(wěn)定性,并引起振動(dòng)。其中徑向切削力的增大還會(huì)導(dǎo)致微圓柱及刀具的彎曲變形。為此實(shí)驗(yàn)將ap值由0.025 mm減少到0.015 mm。

(4)根據(jù)微細(xì)陣列電極的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),為避免采用一次走刀切出一個(gè)完整微圓柱的加工方式,產(chǎn)生集中切削熱導(dǎo)致微圓柱變形,實(shí)驗(yàn)中采用多次走刀、分層切削的刀具路徑方式,且在切入切出微圓柱時(shí),采用圖5所示的圓弧過渡刀具路徑。

圖5 刀具路徑平順化

2.4 加工結(jié)果檢測(cè)

改進(jìn)電極結(jié)構(gòu)和優(yōu)化切削參數(shù)后的加工結(jié)果見圖6。圖7是微圓柱部分放大圖。采用同樣的檢測(cè)方法,得到的陣列微圓柱平均高度為=1 003 μm,直 徑尺寸φ=(100±2)μm,圓度誤差為F ≤±3 μm,均達(dá)到要求的尺寸精度。由于改進(jìn)后的電極自身剛性增強(qiáng),微圓柱未發(fā)生彎曲變形;同時(shí),由于優(yōu)化后的進(jìn)給速度vf與切削速度vc的綜合作用,以及軸向切深ap的減小等,都對(duì)保證微圓柱的尺寸與形狀精度和表面質(zhì)量起到了促進(jìn)作用,有效保證了微圓柱的加工質(zhì)量。顯微鏡觀測(cè)顯示,微圓柱端面的毛刺也明顯減小。

圖6 改進(jìn)后的電極加工效果

圖7 微圓柱放大圖

3 微模具型腔電火花加工實(shí)驗(yàn)

3.1 加工參數(shù)選擇

利用制得的陣列電極,在EA8A(M)精密電火花機(jī)床上進(jìn)行微細(xì)電火花加工實(shí)驗(yàn)。機(jī)床脈沖當(dāng)量為0.1 μm,最大進(jìn)給速度2 000 mm/min。設(shè)定微型腔加工深度為360 μm,底面積0.8 mm2。初加工和半精加工時(shí)兼顧加工質(zhì)量和效率,選擇PS回路(緞面加工回路,表面粗糙度 Rz≤10 μm),精加工時(shí)選擇NP回路(光滑精細(xì)表面加工回路,表面粗糙度Rz≤1 μm)。當(dāng)加工面積較小時(shí),若峰值電流設(shè)定過高,電流密度過大,將導(dǎo)致加工不穩(wěn)定,因此根據(jù)加工面積選擇峰值電流檔數(shù)為IP=1.2。設(shè)定加工優(yōu)先度為重視電極損耗,故POL(極性切換)設(shè)置為“-”(此時(shí)電極為負(fù)極性),為減小電極邊緣尖角的損耗,電極重量損耗比確定為0.1%～0.5%。依據(jù)精加工時(shí)機(jī)床推薦的電極重量損耗比和脈沖寬度的對(duì)應(yīng)關(guān)系,選擇脈沖寬度檔數(shù)為ON=1.0。按照IP和ON確定單側(cè)加工余量為8 μm,并選用圓形軌跡搖動(dòng)加工方式,可提高加工質(zhì)量,減少電極損耗,同時(shí)便于排屑。實(shí)驗(yàn)采用的初、半精和精加工時(shí)的加工電參數(shù)見表2。

表2 微細(xì)電火花加工實(shí)驗(yàn)電參數(shù)

3.2 微型腔加工結(jié)果

圖8 微模具型腔(局部)

用陣列電極加工的微模具型腔見圖8。由圖可見,微型腔孔輪廓清晰,形狀規(guī)整。實(shí)際測(cè)得的微型腔孔直徑 φ、圓度誤差F及型腔深度L值見表3。其中,深度值的測(cè)量通過剖開微型腔孔獲得,剖開后的微孔內(nèi)部形貌放大見圖9。剖面圖中顯示的微孔邊緣輪廓粗糙并有坍塌,是由于拋光剖面時(shí)造成的。

表3 部分陣列微孔測(cè)量數(shù)據(jù)

圖9 典型型腔孔剖開圖

由加工及檢測(cè)結(jié)果可看出:①微細(xì)電火花加工的微孔陣列規(guī)整,輪廓清晰,微孔截面形狀良好,平均圓度誤差小于3 μm;②實(shí)際測(cè)得的微孔平均直徑為 115.6 μm,設(shè)計(jì)理論值為 116 μm,平均誤差小于1 μm;③設(shè)定的微孔理論加工深度為360 μm,而實(shí)際測(cè)得的平均加工深度為356 μm,平均誤差為4 μm。實(shí)際值與理論值接近,滿足加工質(zhì)量要求。

4 結(jié)論

(1)采用高速銑削加工方法制作微細(xì)電極進(jìn)行微模具型腔放電加工,與應(yīng)用 LIGA、UV-LIGA等微細(xì)加工方法相比,可大大縮短加工時(shí)間,提高生產(chǎn)效率。

(2)通過優(yōu)化加工參數(shù)和刀具路徑以及合理設(shè)計(jì)電極結(jié)構(gòu),利用高速銑削加工方法,能高效加工出尺寸及形狀精度滿足要求的微細(xì)電極,擴(kuò)展了微細(xì)電極的加工方法。

(3)合理確定與準(zhǔn)確控制微細(xì)電火花加工規(guī)準(zhǔn)和放電參數(shù),能加工出輪廓清晰、形狀規(guī)整、尺寸精度及表面質(zhì)量滿足要求的微結(jié)構(gòu)模具型腔。

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