微小回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)微細(xì)電火花線切割加工工藝研究

趙旭輝，陳 祥，王玉魁，王振龍（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)微系統(tǒng)與微結(jié)構(gòu)制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱150001；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001）

微小回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)微細(xì)電火花線切割加工工藝研究

趙旭輝，陳 祥，王玉魁，王振龍
（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)微系統(tǒng)與微結(jié)構(gòu)制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱150001；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001）

在分析微細(xì)電火花線切割加工回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)所需工藝條件的基礎(chǔ)上，搭建了循環(huán)往復(fù)走絲微細(xì)電火花線切割回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)加工系統(tǒng)，進(jìn)行了方電極和微細(xì)金字塔陣列結(jié)構(gòu)的微細(xì)電火花線切割加工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)。在加工過程中，根據(jù)切割厚度對微細(xì)金字塔陣列結(jié)構(gòu)加工精度的影響，設(shè)計(jì)加工了階梯型工件進(jìn)行分析驗(yàn)證，總結(jié)了切割厚度對放電間隙補(bǔ)償?shù)挠绊懸?guī)律。

微細(xì)電火花線切割加工；回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)；放電間隙補(bǔ)償

復(fù)雜回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)在微模具、微刀具等多個(gè)領(lǐng)域有著很大的應(yīng)用空間，而如何穩(wěn)定高效地加工復(fù)雜回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，尤其是微細(xì)回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)仍是當(dāng)前工業(yè)界的難題。微細(xì)電火花線切割加工具有高效靈活性，并以其無宏觀切削作用力、以柔克剛的特點(diǎn)在回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)加工領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢[1-3]。

20世紀(jì)80年代中期，增澤隆久發(fā)明了線電極電火花磨削技術(shù)，解決了微細(xì)電極在線制作與安裝的問題，并提出利用簡單電極進(jìn)行微三維結(jié)構(gòu)加工的方法[4]，極大地推動(dòng)了微細(xì)電加工技術(shù)的實(shí)用化進(jìn)程。本世紀(jì)初，Qu Jun等提出了圓柱線電極電火花車削的方法[5]，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的加工。在此基礎(chǔ)上，國內(nèi)外學(xué)者相繼做了許多研究工作[6-10]。

本文對微細(xì)電火花線切割加工回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，分析加工所需的工藝條件。在實(shí)驗(yàn)室的微細(xì)電火花線切割機(jī)床上搭建集成電火花磨削和循環(huán)走絲微細(xì)電火花線切割的回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)加工系統(tǒng)，對微小回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的加工工藝進(jìn)行分析，通過基礎(chǔ)工藝實(shí)驗(yàn)研究，分析了變切割厚度對微細(xì)電火花線切割加工的影響規(guī)律，提高微細(xì)陣列結(jié)構(gòu)的加工精度。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)在哈爾濱工業(yè)大學(xué)特種加工研究所自行研制的單向走絲微細(xì)電火花線切割機(jī)床（圖1）上進(jìn)行。該機(jī)床主要由微能可控脈沖電源、加工狀態(tài)檢測與控制系統(tǒng)、基于壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的精密伺服控制系統(tǒng)、恒張力循環(huán)走絲機(jī)構(gòu)和工作液循環(huán)過濾系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)構(gòu)成，采用模塊化設(shè)計(jì)，性能優(yōu)良，加工穩(wěn)定可靠。機(jī)床可使用直徑為30、50 μm的鎢絲，主要面向微小復(fù)雜零件的加工和制造。循環(huán)走絲系統(tǒng)可提高電極絲的利用率，并將電極絲的損耗均勻分配，提高加工精度。在水平運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)上搭建旋轉(zhuǎn)A軸系統(tǒng)，拓展原有線切割工藝的加工能力，使其具有加工復(fù)雜回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的能力。在實(shí)際加工過程中，電極絲位置保持不變，將工件電極水平裝夾在A軸上，采用工件電極轉(zhuǎn)動(dòng)和平動(dòng)相結(jié)合的運(yùn)動(dòng)方式加工微小回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。

圖1 微細(xì)電火花線切割機(jī)床

2 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)

2.1 方電極的加工

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)加工尺寸為0.5 mm×0.5 mm×2 mm的方電極。方電極是最簡單的回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)之一，研究方形電極的微細(xì)電火花線切割加工工藝問題將為復(fù)雜回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的微細(xì)電火花線切割加工提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)選用直徑1 mm的鎢鋼圓柱電極，工作液為煤油，電極絲為直徑50 μm的鎢絲。實(shí)際加工中，利用UG NX8.0的CAD模塊進(jìn)行零件建模，然后將模型導(dǎo)入線切割CAM模塊中，根據(jù)實(shí)驗(yàn)的工藝要求設(shè)置工藝控制選項(xiàng)和參數(shù)編輯選項(xiàng)，即可生成方形電極的加工軌跡，最后利用UG NX8.0的數(shù)控線切割模塊中的后處理器自動(dòng)生成數(shù)控加工代碼，導(dǎo)入微細(xì)電火花線切割機(jī)床中進(jìn)行加工。

方電極微細(xì)電火花線切割加工工序見圖2。具體加工工藝流程如下：首先，將直徑1 mm的圓柱形工件安裝在回轉(zhuǎn)分度結(jié)構(gòu)加工輔助裝置旋轉(zhuǎn)A軸上；其次，設(shè)置加工參數(shù)，按加工程序進(jìn)行工序1的加工；然后，將圓柱電極旋轉(zhuǎn)90°，按上一步驟進(jìn)行工序2的加工；最終完成方電極的制作。

圖2 方電極加工工序

實(shí)驗(yàn)采用一次性加工。裝夾好工具電極后，對加工裝置上電，利用接觸感知確定加工初始位置。使用20 V電壓進(jìn)行接觸感知，減少感知放電對工件尺寸的影響，監(jiān)測到短路后退出感知，機(jī)床記錄此時(shí)工作臺(tái)的位置為加工起始位置，最后調(diào)整沖液位置并開始加工。實(shí)驗(yàn)加工條件見表1。

表1 加工條件

圖3是微細(xì)電火花線切割加工方電極的掃描電鏡圖?？梢?，方電極表面質(zhì)量均一，無裂紋、熔滴等明顯缺陷，端面4個(gè)直角的一致性也很好，具有較好的形狀精度，為微細(xì)電火花線切割加工復(fù)雜回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)提供了工藝基礎(chǔ)。

圖3 方電極加工SEM圖

2.2 微細(xì)金字塔陣列結(jié)構(gòu)的加工

傳統(tǒng)的微細(xì)陣列結(jié)構(gòu)常采用電火花反拷加工技術(shù)完成，如微細(xì)陣列電極的制作就是采用單電極制作陣列電極反拷模塊，再進(jìn)行陣列電極的電火花反拷成形。該方法一方面效率較低，加工流程頻繁；另一方面，單電極在加工反拷模板的過程中，徑向存在一定的損耗，會(huì)使陣列孔的尺寸一致性出現(xiàn)較大偏差。A軸的分度功能能很好地解決反拷技術(shù)加工微細(xì)陣列時(shí)效率低和加工精度差的問題。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)在直徑1 mm的鎢鋼電極端面內(nèi)接正方形內(nèi)加工6×6的微細(xì)金字塔陣列結(jié)構(gòu)，加工工序見圖4。具體加工工藝流程如下：首先，將直徑1 mm的圓柱形工件安裝在旋轉(zhuǎn)A軸上；其次，設(shè)置加工參數(shù)，按加工程序進(jìn)行工序1的加工；然后，將圓柱電極旋轉(zhuǎn)90°，按上一步驟進(jìn)行工序2的加工；最終完成微細(xì)金字塔陣列結(jié)構(gòu)的制作。

圖4 微型金字塔陣列結(jié)構(gòu)加工工序

利用UG NX8.0得到的加工軌跡見圖5，尖角位置采用圓弧過渡的方式。實(shí)驗(yàn)加工條件同表1。

圖5 金字塔陣列結(jié)構(gòu)加工軌跡示意圖

圖6 是微細(xì)電火花線切割加工微細(xì)金字塔陣列結(jié)構(gòu)的掃描電鏡圖。觀察圖6a可知，工件電極旋轉(zhuǎn)90°后，端面的一側(cè)出現(xiàn)了過切的情況，微細(xì)金字塔的底部輪廓不是設(shè)計(jì)的正方形；局部放大圖顯示部分微小金字塔底部輪廓變成了長方形，降低了微細(xì)金字塔陣列結(jié)構(gòu)的加工精度，每個(gè)小金字塔的一致性不好（圖6b）。分析原因是由于圓柱電極在裝夾過程中與主軸的同軸度不好，導(dǎo)致過切現(xiàn)象的發(fā)生；同時(shí)，工件在旋轉(zhuǎn)90°后，由于工序1已完成了部分材料的去除，在工序2的加工過程中，電極絲切割面積與工序1相比存在很大差異，導(dǎo)致放電間隙發(fā)生改變。而在實(shí)驗(yàn)過程中，工件在旋轉(zhuǎn)90°前后放電間隙補(bǔ)償值保持不變，導(dǎo)致加工的微細(xì)金字塔底部輪廓變成了長方形。

圖6 微細(xì)金字塔陣列結(jié)構(gòu)SEM圖

3 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

在微細(xì)電火花線切割加工過程中，切縫寬度主要受電極絲直徑、電極絲振動(dòng)幅度和擊穿間隙的影響（圖7）。在進(jìn)行單邊去除時(shí)，電極絲振動(dòng)和擊穿間隙會(huì)影響加工尺寸精度。在利用UG數(shù)控線切割加工模塊生成軌跡時(shí)，通過設(shè)置線切割幾何體的加工余量，將單側(cè)的振動(dòng)幅度和擊穿間隙補(bǔ)償在微細(xì)電火花線切割的加工軌跡中，最終可獲得加工間隙補(bǔ)償?shù)募庸ぼ壽E。由圖7可知，切縫寬度的表達(dá)式為：

式中：B為切縫寬度，μm；D為電極絲直徑，μm；A為電極絲振動(dòng)幅度，μm；S為擊穿間隙，μm。

圖7 加工間隙形成示意圖

則可推導(dǎo)出加工間隙的表達(dá)式為：

為了研究切割圓柱時(shí)截面面積的變化對微細(xì)電火花線切割加工工藝的影響，本文設(shè)計(jì)加工一個(gè)階梯型工件進(jìn)行切縫研究。以切縫寬度作為表征，電極絲切割方式如圖8所示。

為了研究切割面積對放電間隙的影響，在階梯型工件上每隔100 μm切割一個(gè)深度為100 μm的槽。通過掃描電鏡圖片測量切縫寬度，并計(jì)算相應(yīng)的放電間隙值，得到的關(guān)系曲線見圖9?？煽闯?，當(dāng)切割面積較小時(shí)，電極絲上分布的放電能量較集中，導(dǎo)致電極絲振動(dòng)增加，進(jìn)而使放電間隙增大；隨著切割面積的增大，工作液對加工區(qū)域的作用效果變差，加工區(qū)域內(nèi)的熱量逐漸增多，且電蝕產(chǎn)物的排出效果逐漸惡化，導(dǎo)致放電間隙逐漸變大。因此，在金字塔陣列結(jié)構(gòu)的加工過程中，應(yīng)對工件旋轉(zhuǎn)90°前后的數(shù)控程序進(jìn)行修正，對比每列切割厚度并在關(guān)系曲線上查找放電間隙值，調(diào)整加工補(bǔ)償值，以消除相同放電能量下由于切割面積不同而導(dǎo)致的陣列結(jié)構(gòu)尺寸誤差。

圖8 變截面電火花線切割加工示意圖

圖9 切割面積與切縫寬度的關(guān)系曲線

為了解決同軸度誤差導(dǎo)致的過切問題，在實(shí)際加工前對電極進(jìn)行預(yù)處理。具體操作如下：在工件電極裝夾后，用塊電極磨削方法對其進(jìn)行預(yù)加工，塊電極磨削加工工位與微細(xì)電火花線切割加工工位平行，只需移動(dòng)水平工作臺(tái)的位置即可完成加工，減少了二次裝夾帶來的誤差。塊電極磨削加工示意圖見圖10。

圖10 塊電極磨削加工示意圖

利用接觸感知測得塊電極磨削加工后的工件電極直徑為600 μm，在其端面內(nèi)接正方形內(nèi)設(shè)計(jì)加工3×3的微細(xì)金字塔陣列結(jié)構(gòu)，加工條件與基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)時(shí)相同。根據(jù)圖9所示曲線，對基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)加工代碼中的單邊放電間隙補(bǔ)償值進(jìn)行修正，利用修改后的數(shù)控加工代碼進(jìn)行加工，得到微細(xì)金字塔陣列結(jié)構(gòu)的加工掃描電鏡圖片（圖11）?？煽闯觯倪M(jìn)工藝后加工的微細(xì)金字塔陣列結(jié)構(gòu)的一致性有了顯著提高，每個(gè)小金字塔的底部輪廓均為正方形，說明根據(jù)切割厚度調(diào)整放電間隙的補(bǔ)償值對加工軌跡進(jìn)行調(diào)整，能有效地減少切割面積對微細(xì)電火花線切割加工微小金字塔陣列結(jié)構(gòu)的影響。

圖11 工藝改進(jìn)后的金字塔陣列結(jié)構(gòu)加工SEM圖

3 結(jié)論

在對微小回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的微細(xì)電火花線切割加工所需工藝條件進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，搭建了微小回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)加工系統(tǒng)，主要研究內(nèi)容及結(jié)論如下：

（1）進(jìn)行了方電極加工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了微細(xì)線切割對微小回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的加工能力，可應(yīng)用于微銑刀加工等領(lǐng)域。

（2）對微細(xì)電火花線切割加工間隙的組成進(jìn)行了分析，研究了工件厚度對微小金字塔陣列結(jié)構(gòu)加工精度的影響，探究了電極絲切割面積與放電間隙的關(guān)系和影響規(guī)律。

（3）對微小金字塔陣列結(jié)構(gòu)的加工軌跡進(jìn)行補(bǔ)償，加工出底部輪廓為正方形的微小金字塔陣列結(jié)構(gòu)，提高了加工精度。

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Study on Micro WEDM Processing of Micro Rotary Structures

Zhao Xuhui，Chen Xiang，Wang Yukui，Wang Zhenlong
（1.Key Laboratory of Micro-systems and Micro-structures Manufacturing，Ministry of Education，Harbin 150001，China；2.School of Mechatronics Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China）

This paper set up a hardware system rotary structure manufacturing on the basis of analyzing the process of machining rotary structures by micro WEDM.The micro WEDM fundamental experiments of machining square electrode and micro pyramid array structure are conducted.According to the influence of machining thickness on the accuracy of micro pyramid array structure，the step type workpiece is designed for analysising，the influence of machining thickness on the discharge gap is discussed.

micro WEDM；rotary structure；discharge gap compensation

TG661

A

1009－279X（2016）05－0028-04

2016-04-25

國家科技重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目（2014ZX04001111）；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51105111）；哈爾濱市科技創(chuàng)新人才項(xiàng)目（2012RFXXG038）

趙旭輝，男，1990年生，碩士研究生。