空气中微细电火花沉积的工艺规律研究——金柏冬曹国辉王振龙等 空气中微细电火花沉积的工艺规律研究 金柏冬曹国辉王振龙肖凯赵万生 哈尔滨工业大学,哈尔滨,150001 摘要:论述了一种新的电火花加工方法,它通过合理选择工艺条件在空气中将金属材料 电沉积在工件上。对电火花沉积加工的基本原理进行了分析,预测了实现条件,使用通用的电 火花成形加工杋床和常见的电极材料黄铜,在空气介质中,通过大量实验对微细电火花沉积进 行了系统研究,得出各工艺参数的影响规律。在高速钢工件表面沉积出直径为0.19mm、高度 为7.35mm的微小圆柱体。对沉积材料的测试表明,沉积材料致密,与基体结合紧密,威分取 决于工具电极材料,同时基体硬度得到提高 关键词:微细加工;电火花加工;电火花沉积;工艺参数 中图分类号:TG661文章编号:1004-132X(2006)02—0111-05 Research on Processing Law of Micro-EDD in Air Jin Baidong Cao Guohui Wang Zhenlong Xiao Kai Zhao Wansheng Harbin Institute of Technology, Harbin, 150001 new micro lectrical discharge machining technology(micro-EDM)was discussed With proper processing conditions metal material can be deposited on workpiece by pulse discharge be tween polarities in air. First, basic principle of electrical discharge deposition(EDD) was analyzed and realization conditions were predicted. Then with ordinary EDM shaping machine and ordinary brass e lectrode, a large number of experiments were carried out in air to obtain the effect of different process- ing parameters on micro-EDD. Experiments show that micro-cylinder with 0. 19 mm in diameter and 7. 35mm in height is formed on high-speed steel surface. Measurements show that the deposited ma- terial is compact, whose component depends on tool electrode material, and the base hardness is Key words: micro-machining; electrical discharge machining(EDM); electrical discharge depo sition (EDD); processing parameter 引言 1电火花沉积的实现条件 微细电火花加工方法可以实现纳米级的去除 加工,通过合理选择工艺条件也可以将金属材料 电火花沉积是从电火花加工发展起来的,是 沉积在工件上。Iiro等1999年率先开展了电通过工具电极在x轴方向进给,两极间脉冲放电, 火花沉积方面的研究,用直径0.1mm的钢电极电极材料在放电能量作用下熔化、气化,在重力和 成功地在钢工件表面沉积出直径约0.14mm、高电场力等共同作用下被带到工件上冷却形成沉积 2.2mm的微小柱体。该方法只需要简单的反转物的,只有少部分熔融物当作废屑排出。传统的 极性,就可以对生成的沉积材料进行选择性的去电火花加工通常在液体介质中进行。为了避免油 除加工,被称之为可逆加工。哈尔滨工业大学率液加工中碳吸附的影响,以及加工液的汽化、膨胀 先在国内开展了这方面研究。在通用电火花成形导致工件熔融部分的去除,电火花沉积加工选择 机床上,用直径0.2mm的铜电极在钢工件表面在空气中进行 沉积出直径约0.19mm、高7.35mm的微圆柱体, 从能量的角度考虑,微细电火花沉积加工中 并进行了选择性的去除加工。 应使用小电流;从极性效应考虑,应使工具电极为 正极,通过减小脉冲宽度来增加工具电极材料的 收稿日期:2005-03-29 蚀除和减少工件材料的蚀除,从而有利于沉积物 基金项目:国家自然科学基金资助项目(50275038 的生成;从能量分配角度看,正极消耗的功率应使
空气中微细电火花沉积的工艺规律研 究—— 金柏冬 曹国辉 王振龙 等 空气 中微细 电火花沉积 的工艺规律研究 金柏冬 曹国辉 王振龙 肖 凯 赵 万生 哈 尔滨工业大学 ，哈 尔滨 ，150001 摘 要 ：论 述 了一种 新 的 电火花加 工方 法 ，它通 过合 理选择 工 艺条件 在 空 气 中将金 属 材料 放 电沉 积在 工件 上 。对 电 火花 沉积 加 工的基 本原理 进行 了分 析 ，预 测 了实现 条件 ，使 用通 用 的 电 火花成形加工机床和常见的电极材料黄铜 ，在空气介质 中，通过大量实验对微细电火花沉积进 行 了系统研 究，得 出各工艺参数的影响规律。在高速钢工件表 面沉积 出直径为 0．19mm、高度 为 7．35mm 的微小圆柱体。对沉积材料的测试表明，沉积材料致 密，与基体结合 紧密，成分取 决于 工具 电极 材料 ，同时基体硬 度 得到提 高。 关键 词 ：微细加 工 ；电火 花加 工 ；电火花沉 积 ；工艺参 数 中图分类 号 ：TG661 文章 编号 ：1OO4— 132X(2006)O2 O111一 O5 Research on ProcessingLaw ofM icr0一 EDD in Air JinBaidong CaoGuohui WangZhenlong XiaoKai ZhaoW ansheng H arbin InstituteOfTechnology，H arbin，150001 Abstract：A new micro— electricaldischargemachining technology(micro— EDM )wasdiscussed． W ithproperprocessingconditionsmetalmaterialcanbedepositedonworkpiecebypulsedischargebe— tweenpolaritiesinair．First，basicprincipleofelectricaldischargedeposition(EDD)wasanalyzedand realization conditionswerepredicted．Then with ordinaryEDM shapingm achineand ordinarybrasse— lectrode，alargenum berofexperim entsw erecarriedoutin airto obtaintheeffectofdifferentprocess— ing parametersonm icro EDD． Experim entsshow thatmicro— cylinderwith 0．19mm indiameterand 7．35mm inheightisformed on high— speed steelsurface．M easurem entsshow thatthedeposited ma terialis compact，whose com ponent depends on toolelectrode m ateria1， and the base hardness is increased． Key words：micro— m achining；electricaldischargemachining (EDM )；electricaldischargedepo— sition (EDD)；processing parameter 0 引 言 微 细 电火花 加工 方法 可 以实现 纳米级 的 去除 加工 ，通 过合 理选 择 工 艺 条 件 也 可 以将 金 属 材 料 沉积在工件上。hiro等 I¨1999年率先 开展了电 火花 沉 积 方 面 的 研 究 ，用 直 径 0．1mm 的钢 电极 成功地在钢工件表 面沉积 出直径约 0．14mm、高 2．2ram的微小柱体 。该方 法只需要简单 的反转 极性 ，就可 以对生 成 的沉 积 材 料 进行 选 择 性 的 去 除加工 ，被称 之 为 可 逆 加 工 。哈 尔滨 工 业 大 学 率 先在 国内开展 了这方 面研究 。在 通用 电火花 成形 机床上 ，用直径 0．2ram 的铜 电极在钢工件 表面 沉积 出直径 约 0．19mm、高 7．35mm 的微 圆柱体 ， 并进行 了选择 性 的去 除加 工 。 收稿 日期 ：2oo5一o3 29 基金项 目 国家 自然科学基金资助项 目(50275038) 电火花沉积的实现条件 电火 花沉积 是 从 电火 花 加 工 发 展起 来 的 ，是 通过 工具 电极在 轴方 向进 给 ，两极 问脉 冲放 电 ， 电极 材料 在放 电能量 作用 下熔 化 、气 化 ，在 重力 和 电场力等共同作用下被带到工件 上冷却形成沉积 物的，只有少部分熔融物 当作废屑排出。传统的 电火花加工通常在液体介质中进行 。为了避免油 液加 工 中碳吸 附的影 响 ，以及 加工 液 的汽 化 、膨 胀 导致工件熔融部分 的去除 ，电火花沉积加工选择 在空 气 中进行 。 从 能 量的角 度 考 虑 ，微 细 电火 花 沉积 加 工 中 应使用 小 电流 ；从 极性 效应 考 虑 ，应 使 工具 电极 为 正极 ，通过 减小 脉 冲 宽 度来 增 加 工 具 电极 材 料 的 蚀除和减少工件材料 的蚀除 ，从 而有利于沉积物 的生成；从能量分配角度看 ，正极消耗的功率应使 · 111 · 维普资讯 http://www.cqvip.com
中国机械工程第17卷第2期2006年1月下半月 电极的温度超过材料的沸点,负极消耗的功率应稳定的前提下,峰值电流的减小有助于表面质量 使工件的温度介于材料的熔点与沸点之间,沉积的提高 加工才能够实现23;从电蚀产物的排除、工件和 沉积比的规律与沉积速度相似。沉积比先随 工具的冷却,以及正极熔化的金属与工件的结合着峰值电流的增大而增大,但峰值电流增大到」 来考虑,应使用大的脉冲间隔。 定值时,火花越来越剧烈,电极材料的飞溅比较明 本实验选择在 显。在高温下电极氧化和烧伤的部分逐渐增多 普通电火花成形机 沉积中的材料有效利用率降低,虽然沉积速度有 床上进行。电极材 料采用常见的黄铜装夹工具 可能增大,但沉积比下降。由于沉积材料四周的 组织相对硫松,沉积材料体积有可能大于电极损 电极丝,直径 耗体积,故沉积比有可能大于100% 0.2mm,接正极, 电火花 2.2脉冲宽度的影响 工件材料为普通高 工件 作台 用单因素实验法,采用的参数如表2所示,脉 速钢,接负极。实 冲宽度和沉积速度、沉积比之间的关系如图3所 验装置如图1 图1实验装置示意图 所示 表2脉冲宽度沉积实验的加工参数 2工艺参数对微细电火花沉积的影响 开路电压U嶂值电流脉冲间隔t抬刀高度抬刀频率 (档) 2.1峰值电流的影响 微细电火花加工要求单个脉冲放电能量的微 小化,单个脉冲放电能量约在10-7~10-6J量 级4。微细电火花沉积加工是微细电火花去除加 工的逆过程,其所需能量相似。定义单位时间内 生成的沉积材料体积为沉积速度v,沉积材料体 积和电极损耗体积之比为沉积比s,用百分数表 脉冲宽度L/μs 示。用单因素实验法,采用的参数如表1所示,峰 1.沉积速度2.沉积比 值电流和沉积速度、沉积比之间的关系如图2 图3脉冲宽度与沉积速度及沉积比关系图 所示。 脉冲宽度对单个脉冲放电能量的影响也比较 衰1峰值电流沉积实验的加工参数 显著,因而对沉积的影响也很明显,影响规律与峰 开路电压U脉冲宽度t脉冲间隔抬刀高度抬刀频率 值电流类似。脉冲宽度增大,单个脉冲放电能量 (档) 增大,沉积速度和沉积比均增大。但脉冲宽度增 大到一定值时,极间空气消电离时间相对变短,放 电状态逐渐变差,短路和拉弧增多,易烧伤电极, 使沉积速度变慢,沉积比下降,直至不能沉积。不 过由于所用机床脉冲宽度档位较少,幅度变化较 大,实验中没有采集到沉积比增大部分 2.3脉冲间隔的影响 用单因素实验法,采用的参数如表3所示,脉 1,沉积速度2.沉积比 冲间隔和沉积速度、沉积比之间的关系如图4 图2峰值电流与沉积速度及沉积比关系图 所示 电流对单个脉冲放电能量的影响比较显著 表3脉冲间隔沉积实验的加工参数 因而对沉积的影响也很明显。随着峰值电流的增 加,单个脉冲放电能量增大,火花逐渐变大,电极 开路电压U T, ns at mwsirkTmnx wmni 电流 脉冲 材料熔融、气化和抛出的速度增快,相应地沉积颗 (档) (档) 粒也增大,沉积速度也增快。但峰值电流增大到 定值时,单个脉冲放电能量过大,易烧伤电极 脉冲间隔对单个脉冲放电能量没有直接影 沉积速度反而下降,直至不能沉积。在保证加工响,但影响脉冲放电频率和消电离过程。脉冲间
中国机械工程 第 17卷第 2期 2006年 1月下半 月 电极 的温度 超过 材 料 的 沸 点 ，负 极 消耗 的功 率 应 使工件的温度介于材料的熔点与沸点之间 ，沉积 加 工才 能够 实现 。；从 电蚀 产 物 的排 除 、工 件 和 工具的冷却 ，以及 正极熔化 的金属与工件 的结合 来考虑 ，应使用大 的脉冲间隔。 本 实验 选择 在 普 通 电火花 成形 机 床 上 进行 。电极 材 料采用常见的黄铜 电 极 丝 ， 直 径 0．2mm，接 正 极 。 工件材料为普通高 速 钢 ，接 负 极 。实 验 装 置 如 图 1 所示 。 图 l 实验装置示意囤 2 工 艺参数对微 细电火花 沉积 的影响 2．1 峰值 电流 的 影响 微细电火花加工要求单个脉冲放电能量的微 小 化 ，单 个 脉 冲 放 电 能 量 约 在 1O一 ～ 1O J量 级¨4]。微细 电火 花沉 积加 工是 微细 电火 花去 除 加 工 的逆过 程 ，其 所 需 能量 相 似 。定 义 单 位 时 问 内 生成的沉积材料 体积 为沉积 速度 ，沉积材 料体 积 和 电 极损 耗 体 积 之 比为 沉 积 比 s，用 百 分 数 表 示 。用单因素实验法 ，采用的参数如表 1所示 ，峰 值电流 和沉积 速度 、沉 积 比之 间的关 系如 图 2 所 示 。 表 1 峰值电流沉积实验的加工参数 开路电压 u 脉 冲宽度 t 脉冲间隔 t。 抬刀高度 抬刀频率 (V) (us) (us) (档 ) (档 ) 100 4 30 4 4 { 萼 l8O 120 丑 6。蹙 O 电流 』／A 1．沉 积 速 度 2．沉 积 比 图 2 峰值 电流与沉 积速度及 沉积比关系图 电流对单个脉冲放电能量 的影响 比较显著 ， 因而 对沉积 的影 响也很 明显 。随着 峰值 电流 的增 加 ，单个 脉 冲放 电能 量 增 大 ，火 花逐 渐 变 大 ，电极 材料 熔融 、气 化和 抛 出的速度 增 快 ，相 应地 沉 积颗 粒 也增大 ，沉 积 速 度 也增 快 。但 峰值 电 流增 大 到 一 定 值 时 ，单 个 脉 冲放 电能 量 过 大 ，易烧 伤 电极 ， 沉积速度反而下降 ，直至不 能沉积 。在保证加T · 】】2 · 稳定的前提下，峰值电流 的减小有助于表 面质量 的提 高 。 沉 积 比的规 律 与沉积 速度 相似 。沉 积 比先 随 着 峰值 电流 的增 大而 增 大 ，但 峰值 电流增 大 到一 定值时 ，火花越来越剧烈 ，电极材料 的飞溅比较明 显。在高温下电极氧化 和烧伤 的部分逐渐 增多 ， 沉积中的材料有效利用率降低 ，虽然沉积 速度有 可能增大 ，但沉积 比下 降。由于沉积材料四周的 组织相对疏松，沉积材料 体积 有可能大于电极损 耗 体积 ，故沉 积 比有 可能 大 于 100 。 2．2 脉 冲宽度 的 影响 用单因素实验法，采用的参数如表 2所示 ，脉 冲宽度 和沉 积 速 度 、沉 积 比之 间 的关 系 如 图 3所 示 。 表 2 脉 冲宽度沉积实验 的加工 参数 开路电压 U 峰值 电流 J 脉冲间隔 t。 抬刀高度 抬刀频率 (V) (A) (us) (档 ) (档 ) 10O 2．2 3o 4 4 糕 ：： 脉冲宽 度 ‘．／us 1．沉积速度 2．沉积 比 图 3 脉冲 宽度与沉积速度及沉积 比关系图 脉 冲宽度 对 单个 脉 冲放 电能量 的影 响也 比较 显著 ，因而对沉 积 的影 响也 很 明显 ，影 响规律 与峰 值 电流类似。脉 冲宽度增大 ，单个脉冲放 电能量 增大 ，沉积速度和沉积 比均增 大。但 脉冲宽度增 大 到一定 值 时 ，极 间空 气消 电离时 间相对 变 短 ，放 电状 态 逐 渐 变差 ，短路 和拉 弧增 多 ，易烧 伤 电极 ， 使沉积速度变慢 ，沉积 比下降 ，直至不能沉积 。不 过 由于所 用机 床 脉 冲宽 度 档 位 较 少 ，幅度 变 化较 大 ，实验 中没有 采 集 到沉积 比增 大部 分 。 2．3 脉 冲 间隔 的影 响 用 单 因素 实 验法 ，采用 的参 数如 表 3所示 ，脉 冲 间隔 和 沉 积 速 度 、沉 积 比 之 间 的关 系 如 图 4 所示 。 表 3 脉冲 间隔沉积实验 的加工参数 开路 电压 U 峰值 电流 脉冲间隔 t。 抬刀高度 抬刀频率 (V) (A) (us) (档) (档 ) 100 2．2 4 4 4 脉冲间隔对 单个脉 冲放 电能量没有直接影 响 ，但影 响脉 冲放 电频 率 和 消 电离 过 程 。脉 冲 间 维普资讯 http://www.cqvip.com
维香青hp/www.cqvap.con 空气中微细电火花沉积的工艺规律研究—金柏冬曹国辉王振龙等 0, 示。峰值电流2.2A,脉冲宽度2ps,脉冲间隔 0ps,加工时间3h,微圆柱体直径约为0.26mm, 高0.60mm。加工中火花微弱,沉积增长缓慢但 十分稳定。微圆柱体上下直径比较均匀,外表面 附着一些颗粒,端部附近较细小,质量较好,越往 脉冲间隔L 下颗粒越大,质量越差。微圆柱体端部呈外凸,正 1.沉积速度2.沉积比 好与电极端部的内凹相对应。工件周围的环状物 图4脉冲间隔与沉积速度及沉积比关系图 是沉积中飞溅出的大量碎屑。 隔增大,放电瞬时产生热量的散失时间增长,散失 图6a所示的沉积 热量增大,脉冲间隔越大散失的热量越多。同时实例采用峰值电流 单位时间内有效放电脉冲数减少,电极材料熔融、5.4A,脉冲宽度8,脉 气化和抛出的速度下降沉积速度下降,直至不能冲间隔120gs,加工时间 沉积。从提高沉积速度考虑,应使用较小的脉冲4h,微圆柱体直径约为 间隔。脉冲间隔对沉积比的影响规律与峰值电流 19mm,高7.35mm。 和脉冲宽度类似。脉冲间隔增大,电火花放电的随着沉积高度增大,放 消电离过程得到改善,沉积比增大。但脉冲间隔电状态一直很稳定,沉图5高060mm微圆 增大到一定值时沉积速度明显下降,火花变得微积材料质量也较好,最柱体的SEM照片 弱,沉积中的材料有效利用率降低,沉积比下降 后因电极损耗殆尽而停止加工。端面SEM照片 2.4抬刀的影响 如图6b所示。沉积材料中心部位结构致密并有 常规电加工中的工作液可以帮助电蚀产物抛金属光泽,但边缘区域却氧化多洞组织较疏松 出和排除,而本实验在空气中进行,随着加工时间 和电极损耗的增大,不利于沉积碎屑排出的因素中心部位致密是由于接近放电表面的沉积材料受 增多影响加工稳定性,使沉积速度降低,短路和到大量脉冲放电的影响反复熔化并凝固所致。 拉弧逐渐增多,严重时不能正常沉积甚至将已沉 而边缘则由于材料的飞溅和空气中的氧化而产生 积的微圆柱体碰断。由于微细电火花沉积产生的疏松 碎屑较小,在较小的抬刀高度下就能从放电间隙 中排出,为提高沉积速度,抬刀高度不宜过大,抬 刀频率可适当降低。 2.5电极端面质量的影响 理论上电极端面的凸凹不平会使放电点分布 不均匀,容易产生局部放电甚至拉弧,使沉积难以 实现。实验中将电极分别作了每次剪平、每次剪 成45°和沉积成功后端面不变继续沉积3种处理 (a)立体图 (b)端面图 结果发现,电极每次剪平和剪成45°对沉积几乎 图6高7.35mm微圆柱体的SEM照片 没有影响,而沉积成功后端面不变继续沉积的约 沉积材料特性分析 1/3沉积失败。因此,为提高沉积的稳定性,每次 加工前应将电极端面剪平或打磨 4.1组织结构分析 2.6工作介质的影响 对微圆柱体进行灌胶、打磨和腐蚀,然后用电 本实验还在电火花常用工作液煤油中进行了子扫描显微镜观察其组织结构,横剖面和纵剖面 沉积尝试,结果工件被蚀除。由此证实,微细电火的SEM照片如图7所示。沉积材料中间组织较 花沉积加工必须在气体中进行。 致密,周围相对稀疏呈环状,有层次感。这是因为 各个参数影响不是单一的,而是相互影响,相电火花沉积是周期性的脉冲放电过程,电极材料 互制约,因此要根据实际加工要求综合考虑各种也周期性地熔化、气化,一小层一小层地沉积在工 参数的影响。 件上。熔融的金属在没有完全冷却时,在重力等 作用下沿中心向两边扩散,造成中心部位的组织 3沉积加工实例 较致密,两边的相对较稀疏,从纵剖面上看呈中间 空气中微细电火花沉积加工的实例如图5所高两边低的抛物线状。从图7c根部图可以看到
空气 中微细 电火花沉积 的工艺规律研究——金柏冬 曹国辉 王振龙 等 0． 委jo 。． js 1．沉 积速 度 2．沉 积 比 图 4 脉冲间隔与沉积速度及沉积 比关 系图 隔增 大 ，放 电瞬 时产 生热 量 的散失 时 间增 长 ，散失 热量增大 ，脉冲间隔越大散失的热量越多。同时 单位时间内有效放电脉冲数减少，电极材料熔融、 气化 和抛 出的速 度下 降 ，沉 积 速度下 降 ，直至 不能 沉积 。从提高沉 积速度考虑 ，应使用较小 的脉 冲 间隔。脉冲间隔对沉积比的影响规律与峰值电流 和脉冲宽度类似。脉 冲间隔增大，电火花放 电的 消电离过程得到改善，沉积比增大 。但脉 冲间隔 增大 到一定 值 时 ，沉 积速 度 明显 下 降 ，火 花变得 微 弱，沉积中的材料有效利用率降低 ，沉积比下降。 2．4 抬 刀的影 响 常规电加工 中的工作液可以帮助电蚀产物抛 出和排 除 ，而 本 实验在 空 气 中进 行 ，随着加 工 时间 和 电极 损耗 的增 大 ，不 利 于 沉 积 碎 屑排 出 的 因素 增多 ，影响加工稳定性 ，使沉积速度降低 ，短路和 拉弧逐 渐增 多 ，严重 时不 能 正 常 沉积 甚 至 将 已沉 积的微 圆柱体碰断。由于微细电火花沉积产生的 碎屑较 小 ，在较 小 的抬 刀 高 度 下 就 能从 放 电间 隙 中排出，为提高沉积速度 ，抬刀高度不宜过大，抬 刀频率可适当降低。 2．5 电极端 面质 量 的影 响 理论上电极端面的凸凹不平会使放电点分布 不均匀 ，容 易产 生局部 放 电甚至拉 弧 ，使沉 积难 以 实现。实验中将 电极分别作 了每次剪平、每次剪 成 45。和沉 积成 功后 端面 不变继 续沉 积 3种 处理 。 结果发 现 ，电极 每 次 剪 平 和剪 成 45。对 沉 积 几乎 没有影 响 ，而 沉 积成 功 后 端 面 不变 继 续 沉 积 的 约 1／3沉积失败。因此 ，为提高沉积的稳定性，每次 加工前 应将 电极端 面剪 平或 打磨 。 2．6 工作 介质 的影响 本实验还在电火花常用工作液煤油中进行了 沉积尝 试 ，结 果工 件被蚀 除 。由此 证实 ，微 细 电火 花沉积 加工 必须 在气体 中进 行 。 各个参数影响不是单一的，而是相互影响，相 互制约 ，因此 要 根据 实 际 加 工 要求 综 合 考 虑 各种 参数 的影 响 。 3 沉 积 加 工 实例 空气中微细电火花沉积加工的实例如图 5所 示 。峰 值 电 流 2．2A，脉 冲 宽 度 2 s，脉 冲 间 隔 30 s，加 工 时 间 3h，微 圆柱 体 直 径 约 为 0．26mm， 高 0．60mm。加工 中火 花 微 弱 ，沉 积 增 长 缓 慢 但 十分稳 定 。微 圆柱 体 上 下 直 径 比较 均 匀 ，外 表 面 附着一些颗粒 ，端部附近较细小 ，质量较好，越往 下 颗粒 越 大 ，质量 越 差 。微 圆柱体 端部 呈外 凸 ，正 好与电极端部的内凹相对应。工件周围的环状物 是沉积 中飞溅出的大量碎屑 。 (a)立 体 图 (b)端 而图 图 6 高 7．35ram 微圆柱体 的 SEM 照片 4 沉积材料特 性分 析 4．1 组 织结构 分析 对微圆柱体进行灌胶 、打磨和腐蚀 ，然后用电 子扫描显微镜观察其组织结构 ，横剖面和纵剖面 的 SEM 照 片如 图 7所 示 。沉 积 材 料 中间 组 织 较 致密 ，周 围相对 稀疏 呈环 状 ，有 层 次感 。这 是 因为 电火花 沉 积是周 期 性 的脉 冲 放 电过 程 ，电极 材料 也周期 性 地熔化 、气化 ，一 小 层一 小层 地沉积 在工 件上 。熔融的金 属在没有完全冷却时 ，在重力等 作用 下沿 中心 向 两边 扩 散 ，造 成 中心 部 位 的 组 织 较致 密 ，两 边 的相对 较稀 疏 ，从 纵 剖 面上看呈 中间 高两边 低 的抛 物 线 状 。从 图 7c根 部 图 可 以看 到 · 113 · 维普资讯 http://www.cqvip.com
中国机楲工程第17卷第2期2006年1月下半月 微圆柱体到基体内20m处,硬度值单调增加,甚 至高于原始基体硬度,深度再增加时逐渐与原始 基体硬度相同。这是因为在微细电火花沉积初 期,电极材料瞬间被熔化、气化和抛出,并在极短 的时间内冷凝在高速钢基体上,使这部分高速钢 (a)横剖面整体背反图 基体同样经历了瞬间升温和瞬间冷却的过程。沉 积材料的冷却率大约是10~105K/s,超过了A3 钢的转变点,快得足以形成马氏体,因此工件基 体的硬度在一定深度内得到提高。 b)纵剖面 (c)纵剖面根部 背反图 于反图 图7微圆柱体的剖面图 0-20-30 深度h/pm 微圆柱体与工件基体结合紧密,无明显分界 ,电极b.微圆柱体c工件原始基体 4.2能谱分析 图9电极、微圆柱体和工件基体不同深度的硬度对比图 微圆柱体的能谱图如图8所示,可以看出其 材料成分与黄铜工具电极材料成分相同。在空气5结论与展望 中进行电火花沉积加工时,没有发现超出电极材 (1)在通用电火花加工机床上实现微细电火 料成分的其他化学成分。分别在微圆柱体的上 花沉积加工是可行的。 中和下取三点测其能谱,相互间的差值在误差允 (2)众多工艺参数对微细电火花沉积有影响 许范围内。通过对微圆柱体与工件连接处的能普通过选用合理的工艺参数沉积加工稳定可靠 (3)微细电火花沉积出的材料致密,与基体结 合紧密,其成分取决于工具电极材料,同时基体硬 度得到提高 (4)实现电火花沉积与去除的可逆加工,是对 传统电火花加工方法的一大突破。这种方法无需 专用设备,在一台设备上实现电火花沉积加工,通 能量E/kev 过改变电极和工件的极性就可以实现加工的可逆 图8微圆柱体的能谱图 性,即在加工中如果通过在线检测发现零件有部 分析,发现此处材料的化学成分是由电极材料和分缺陷,可以进行沉积生长加工,通过局部沉积金 工件材料共同构成的。其原因是在加工初期电极属材料来弥补这一缺陷。同样道理,如果发现某 工件之间反复放电,电极材料和工件材料反复局部存在欠加工,则可将其进行局部蚀除。因 熔化、相互渗透形成的。这也是微圆柱体与工件此对该技术进行更深入的研究,将有助于机械零 结合处致密无缝的主要原因 件的精密与无废品制造,同时对微三维结构的实 4.3硬度检测 现具有重要意义 分别对电极、微圆柱体和工件进行显微硬度 测试,测得电极硬度为HV196,微圆柱体硬度为参考文献: HV160。微圆柱体硬度略小于电极硬度是由于[1lioR,早川伸哉,系急川文,等微细放電加工 电极材料瞬间被熔化抛到微圆柱体上并在极短 打计力付着加工老利用L大造型法.電氣加工學 會全國大會講演論文集,1999,11:89~92 间内冷却,相当于对电极材料淬火,黄铜淬火后 [2 Mohri N, Takezawa H, Furutani K, et al. ANew 硬度降低。 Process of Additive and Removal Machining by 电极、微圆柱体和工件基体不同深度的硬度 EDM with a Thin Electrode. Annals of the CIRP 对比如图9所示,施加载荷0.25N。可以看到从 000,49(1):123~126 114
中 国机械工程第 17卷第 2期 2006年 1月下半月 一 (a)横剖面整体背反罔 一 (b)纵 剖 面 一 (c)纵 剖 面根 部 背反 图 背反图 图 7 微 圆柱体的剖面 图 微 圆柱体 与工件 基体 结合 紧密 ，无 明显 分界 。 4．2 能 谱分析 微圆柱体的能谱 图如 图 8所示 ，可以看 出其 材 料成 分与黄 铜工 具 电极 材 料成 分相 同。在 空气 中进行 电火花 沉 积 加 工 时 ，没 有 发现 超 出 电极 材 料 成分 的其 他化 学 成 分 。分 别 在 微 圆柱体 的 上 、 中和下取三点测其能谱 ，相互间的差值在误差允 许范围内。通过对微圆柱体与工件连接处 的能谱 5 4 Z 3 轻 士 2 1 0 Z 4 6 8 lO 能量 E／keY 图 8 微 圆柱体 的能谱图 分 析 ，发现 此处材 料 的化 学 成 分 是 由电极 材 料 和 工件材料共同构成的。其原因是在加工初期 电极 和工 件之 间反复 放 电 ，电极 材 料 和 工 件 材 料 反 复 熔化、相互渗透形成 的。这也是微 圆柱体 与工件 结 合处 致密无 缝 的 主要原 因 。 4．3 硬 度检 测 分别对电极、微 圆柱体和工件进行显微 硬度 测试 ，测得电极硬度为 HV196，微圆柱体硬 度为 HV160。微圆柱体硬 度略小 于电极硬度 是 由于 电极材料瞬间被熔化抛到微圆柱体上并在极短的 时间内冷却，相 当于对电极材料淬火，黄铜淬火后 硬度 降低 。 电极 、微圆柱体和工件基体不同深度的硬度 对 比如 图 9所 示 ，施 加 载 荷 0．25N。可 以 看 到 从 · 114 · 微 圆柱体到基体内 2Op．m处 ，硬度值单调增加 ，甚 至高于原始基体硬度 ，深度再增加时逐渐与原始 基体 硬 度 相 同 。这 是 因 为 在 微 细 电火 花 沉 积 初 期 ，电极材料瞬问被熔化 、气化和抛 出，并在极短 的时问内冷凝在高速钢基体上 ，使这部分高速钢 基体同样经历了瞬间升温和瞬间冷却的过程。沉 积材料的冷却率大约是 1O～10K／s，超过 了 A3 钢的转变点 ，快得足以形成马 氏体 ]，因此工件基 体的硬度在一定深度内得到提高 。 = ≥ z 雕 {j{} a．电 极 b．微 圆柱 体 c．工 件 原 始基 体 图 9 电极、微圆柱体和工件基体不同深度的硬度对比图 5 结论 与展 望 (1)在通用电火花加工机床上实现微 细电火 花沉 积加 工是 可行 的 。 (2)众 多工艺 参 数对微 细 电火 花沉 积有 影响 ， 通过 选用 合理 的工 艺参 数 ，沉 积加 工稳定 可靠 。 (3)微细电火花沉积出的材料致密 ，与基体结 合紧密 ，其成分取决于工具电极材料，同时基体硬 度 得到 提高 。 (4)实 现 电火 花 沉积 与去 除 的可逆 加工 ，是对 传统电火花加工方法的一大突破。这种方法无需 专用设备，在一台设备上实现电火花沉积加工，通 过 改变 电极 和工 件 的极性 就可 以实现加 工 的可逆 性 ，即在 加工 中如 果通 过 在线 检 测 发 现 零 件有 部 分 缺 陷 ，可 以进 行沉 积生 长加 工 ，通 过局 部沉 积金 属材料来弥补这一缺陷。同样道理，如果发现某 一 局部 存在 欠 加 工 ，则 可 将 其 进 行 局 部蚀 除 。因 此 对该 技术 进行 更 深 入 的研 究 ，将 有 助 于 机 械零 件 的精密与无废 品制造 ，同时对微三维结构的实 现 具有 重要 意义 。 参 考文献： 1-13 ItiroO R，早 川伸哉 ，系焦川 文 ，等．微细放 鼋加工 I：扫c于为付着 加工 击利 用 L允造型法．鼋 氯加 工翠 台全圆大台黹演 文集 ，1999，11；89~92 r2] MohriN，TakezawaH，FurutaniK，eta1．A New Process of Additive and Removal M achining by EDM with a Thin Electrode． Annals oftheCIRP， 2000，49(1)：123～ 126 维普资讯 http://www.cqvip.com
维香青hp/www.cgvip.con 纳米级定位精度一维位移工作台—戴蓉谢铁邦常素萍 纳米级定位精度一维位移工作台 戴蓉12谢铁邦1常素萍 1.华中科技大学,武汉,4300742.武汉理工大学,武汉,430070 摘要:介绍了一种具有纳米级定位精度的一维位移工作台。工作台采用粗精两级定位机 构,可以实现0~6mm范围、lnm理论分辨力的快速、高精度定位;固定在工作台上的全息衍 射光栅实现了对工作台位移的高精度闭环檢测。采用 ANSYS有限元分析软件对精定位工作 台进行了静态及动态特性分析;采用双频激光干涉测长仪对工作台的定位精度进行了对比测 量。位移工作台巳用于表面三维形貌测量中,給出了对标准样板的测试结果 关键词:柔性铰链;PZT驱动;微位移工作台;有限元分析;3D形貌测量 中图分类号:TP24文章绵号:1004-132X(2006)02-0115-04 A One-dimensional Nano-positioning Stage Dai Rong Xie Tiebang Chang Suping' 1. Huazhong University of Science & Technology, Wuhan, 430074 2. Wuhan University of Technology, Wuhan, 430070 Abstract: A one dimension nano-positioning stage was described. The stage was designed to be as a set of two grades, they were coarse and fine, microfeed mechanism and was able to realize o 6mm large range of motion, lnm positioning resolution. A reflecting hologram diffraction grating was fixed to the stage to form a closed loop displacement measuring system. The finite element method was used to analyze static and modal features of the stage. The positioning precision of the stage was measured by a laser interferometer, The stage has been used to construct a three dimensional surfac Key words 0引言 前,微位移机构大多采用柔性铰链机构,以压电陶 微电子工程、计量科学与技术、精密加工、纳瓷作为驱动器。但压电陶瓷存在着非线性、迟滞 米科学与技术等领域的发展,使微位移机构得到等误差,特别是在位移量较大时,这些误差尤为突 越来越广泛的应用。实际应用中除了要求有高的出2。本文设计的微位移工作台采用了粗精两级 定位精度,同时也希望有较大的位移范围,目定位机构,以衍射光栅作为位置测量传感器,可以 实现0~6mm的位移范围、nm的定位分辨力 收稿日期:2005-05-18 该工作台已用于垂直扫描白光干涉表面三维形貌 基金项目:国家自然科学基金资助项目(50175037) 测量仪中 [3]早川伸哉, Itiro o r,系魚川文店,等,微細放電付着 ISEM XIII), Bilbao, Spain, 2001 加工仁扫计石材料堆積過程⑦觀察.電氣加工學會 (编辑周本盛) 全國大會講演論文集,2002,14:81~84 [4]李勇,王显军郭旻,等.微细电火花加工关键技术作者简介:金椭冬,男,1977年生。哈尔滨工业大学机电 研究.清华大学学报(自然科学版),199,39(8):45院博士研究生、主要研究方向为基于电火花的微细放电 发表论文1篇。鲁辉,男,1975年生。哈尔滨工业大学机电工 51 Hayakawa S, Itiro Or, Itoigawa F,etl.Fabr-程学院讲师,黑綞龙,男,1963年生。哈尔滨工业大学机电工程 tion of Microstructure Using EDM Deposition.The学院教授,有凯,男1990年生,哈尔滨工业大学机电工程学 13 Bth International Symposium for Electromachin院硕士研究生,超孑,男,1957年生,哈尔滨工业大学机电工 程学院教授、博士研究生导师 115
纳米级定位精度一维位移工作台——戴 蓉 谢铁邦 常索萍 纳米级定位精度一维位移工作 台 戴 蓉 谢铁 1．华中科技大学，武汉，430074 邦 常素 萍 2．武汉理工大学 ，武汉 ，430070 摘要：介绍 了一种具有纳米级定位精度的一 维位移 工作 台。工作 台采 用粗精 两级定位机 构 。可以 实现 0～6mm 范 围 、1nm 理论 分辨 力 的快 速 、高精 度 定位 ；固定在 工作 台上 的全 息 衍 射光栅实现 了对工作 台位移的高精度闭环检测。采用 ANSYS有限元分析软件对精定位 工作 台进行 了静 态及 动 态特 性 分析 ；采 用双频激 光干 涉测长仪 对 工作 台的 定位 精 度进 行 了对 比测 量 。位 移 工作 台 已用于表 面三 雏形貌 测量 中，给 出了对标 准样板 的 测试 结果 。 关键词 ：柔性铰链 ；PZT驱动；微位移工作台；有限元分析 ；3D形貌测量 中图分 类号 ：TP24 文 章编 号 ：1OO4— 132X(2006)O2一 O115一 O4 A One— dimensionalNan0一 positioningStage DaiRong ’。 Xie Tiebang Chang Suping 1．HuazhongUniversityofScience& Technology，W uhan，430074 2．W uhanUniversityofTechnology，W uhan，430070 Abstract：A onedimension nano— positioning stagewasdescribed． The stagewasdesigned to be asasetOftwo grades，they werecoarse and fine，m icrofeed mechanism and wasable tO realize0～ 6m m largerangeofm otion，lnm positioningresolution．A reflecting hologram diffractiongrating was fixed to thestageto form a closed loop displacem entmeasuring system ． The finite elementmethod wasusedtOanalyzestaticandmodalfeaturesofthestage．Thepositioningprecisionofthestagewas m easuredby alaserinterferom eter．Thestagehasbeen used tO constructathreedim ensionalsurface profilometerandtheexperimentalresultsarepresented． Keywords：flexure hinge； PZT actuator； nano～ positioning stage； finite elementanalysis；3D profiler 0 引言 微电子工程、计量科学与技术、精密加工、纳 米科学与技术等领域 的发展 ，使微位移机构得到 越来越广泛的应用 。实际应用 中除了要求有高的 定位精度 ，同时也希望有较大 的位移范 围… 。目 收稿 日期 ：2005-o5-18 基金项 目：国家 自然科学基金资助项 目(50175037) 前 ，微位移机构大多采用柔性铰链机构 ，以压 电陶 瓷作为驱动器。但压电陶瓷 存在着非线性 、迟滞 等误差 ，特别是在位移量较大时，这些误差尤为突 出口]。本文设计 的微位移工作 台采用 了粗精两级 定位机构 ，以衍射光栅作为位置测量传感器 ，可以 实现 0～6mm 的位移范 围、1nm 的定位分辨力 。 该工作 台已用于垂直扫描 白光干涉表面三维形貌 测 量仪 中。 [3] [4] [5] 早川伸哉 ，ItiroO R，系角川I文废 ，等．微触放 雷付 着 加工c二拈It6材料堆 稹遇程 觏 察．窀氟 加工犟 台 全圆大宫莆演输文集 ，2002，14；81～84 李勇 ，王 显军 ，郭 曼 ，等．微 细电火 花加 工关 键技 术 研究．清华大学学报(自然科学 版)，1999，39(8)；45 ～ 48 HayakawaS，hiroO R，ItoigawaF，eta1．Fabriea— tion ofM icrostruetureUsing EDM Deposition． The 13th International Sym posium for Electromaching (ISEM XIII)，Bilbao，Spain，2001 (编 辑 周 本 盛 ) 作者简 介：金 柏奉 ，男 ，1977年生 哈尔滨 工业 大 学机 电工程 学 院博士研究生 主要研 究 方 向为基 于 电火 花 的微 细放 电沉 积 发表论文 l篇 ●圈辉，男 ，1975年生。哈尔 滨工业大 学机 电工 程学院讲师。王壤龙，男，1963年 生 。哈尔 滨工业大学 机 电工程 学院教授 肖 凯，男，1980年生 。哈尔滨 工业大学 机 电工 程学 院硕士研究生。越万生，男 ，1957年生 。哈 尔滨工 、大学机 电工 程学院教授 、博士研究生导师。 维普资讯 http://www.cqvip.com