第19卷第5期 山东科学 Vol. 19 No 5 2006年10月 HANDONG SCIFNCE 0ct.2006 文章编号:10024026(2006)05-006904 电极在线加工技术 韩桂海!,于炳亮,郭钟宁2 1.山东省科学院海洋仪器仪表研究所,山东青岛2601; 2广东工业大学,广东广州510090) 摘要:在微细电加工领域,工具电极的在线制作技术可减小它的定位误差,有助于提高待加工件的加工精度 本文提出了一种新的电极在线加工的方法,在微细电解加工过程中,将工件固定在工作台或两个相互垂直 加工轴上,让工作台或两加工轴互带正、负电,通过更换加工电源的正、负极性,在三者之间实现相互加L。实 验中,分别用三种不同的加工工艺,在线加工出几种微型的工具电极。 关键词:微细加工;电极在线加工;微细电解 中图分类号:TH16 文献标识码:B 引言 在微细电加工或微细电化学加工领域,工具电极的尺寸可小至几徵米,因此,保证工具电极的形状精度 和位置精度是使其成功工作的关键因素。采用电极在线制作的方法,可在保证加工精度的前提下,有效地避 免电极二次装夹过程中产生的重复定位误差和装夹误差,最大限度降低工具电极位置精度对加工的影响。 如图1所示,电极在线制作方法主要有3种:固定块反拷加工旋转圆盘反拷加工和线电极放电磨削 法(WEDG)。其中又以日本东京大学生产技术研究所的增泽隆久等人2研制成功的线电极电火花磨削 (WEDG)技术最为著名,目前已可用WEDG加工出2.5m的微细轴,然后以该轴作工具电极,成功加工出 5/m的微细孔3。 (a)固定块磨削 (b)旋转圆盘磨削 (c) WEDG 图13种电极在线制作方法 在此基础上,我们提出了一种新的电极在线制作的方法,并据此方法研制了实验装备,进行了加工试 验,成功制作了微细电极。 2电极在线加工装备 图2(a)所示即为电极在线加工实验装备。该实验装备主要包括装备主体、加工电源、步进电机驱动器、 收稿日期:20060809
第 19卷 第 5期 2006年 10月 山 东 科 学 s】 D0NG SC匝 NCE Vo1．19 No．5 Oct．20o6 文章编号 ：1002-4026(2(KI6)05．0069—04 电极 在线加工技术 韩桂海 ，于炳亮 ，郭钟宁 (1．山东省科学院海洋仪器仪表研究所，山东 青岛 266001； 2．广东工业大学 ，广东 广州 510090) 摘要：在微细电加工领域 ，工具电极的在线制作技术可减小它的定位误差，有助于提高待加工件的加工精度。 本文提出了一种新的电极在线加工的方法，在微细电解加工过程中，将工件固定在工作台或两个相互垂直的 加工轴上，让工作台或两加工轴互带正、负电，通过更换加工电源的正、负极性 ，在三者之间实现相互加：【。实 验中，分别用三种不同的加工工艺，在线加工出几种微型的工具电极。 关键 词：微细加工 ；电极在线加工 ；微 细 电解 中图分类 号 ：TH16 文献标识 码 ：B 1 引言 在微细电加工或微细电化学加工领域 ，工具 电极的尺寸可小至几微米 ，因此 ，保证工具电极的形状精度 和位置精度是使其成功工作的关键因素 。采用电极在线制作的方法 ，可在保证加工精度的前提下 ，有效地避 免电极二次装夹过程中产生的重复定位误差和装夹误差，最大限度降低工具电极位置精度对加工的影响。 如图 1所示 ，电极在线制作方法主要有 3种…：固定块反拷加工 、旋转 圆盘反拷加 工和线 电极放 电磨削 法(WEDG)。其 中又 以 日本东 京大学 生产技术 研究所 的增泽 隆久等 人 研 制成功 的线 电极 电火花磨 削 (WEDG)技术最为著名 ，目前已可用 WEDG加工出 d92．5tma的微细轴 ，然后以该轴作工具 电极 ，成功加工 出 695／．tm的微细孔l3]。 (a)固定块磨削 (b)旋转圆盘磨削 图 1 3种 电极在 线制作方法 在此基础上 ，我们提 出了一种新的电极在线制作的方法[41，并据此方法研 制了实验装备 ，进行 了加工试 验 ，成功制作了微细电极 。 2 电极在线加工装备 图 2(a)所示即为电极在线加工实验装备。该实验装备主要包括装备主体 、加工电源 、步进 电机驱动器 、 收稿 日期 ：2006-08-09 维普资讯 http://www.cqvip.com
运动控制卡数据采集卡以及计算机等,其结构示意图如图2(b)所示。 该装备机械部分包括X、Y、Z三个直线运动轴,U、V两个回转轴,由步进电机驱动。加工过程中,数据采 集卡采集电极间的加工电压,并将结果反馈回计算机,计算机根据电压的变化情况,判断两电极的加工间隙 变化情况,进而自适应控制电解加工的电极间隙。其控制系统流程图如图3所示。 (a)电极在线加工设备 (b)设备示意图 1,设备攴架2,XY十字工作台3、U回转轴4,工具电极或工件 5、℃C控制系统6、脉冲电源7、工件或工具电极8、V回转轴 9、Z工作台10、工具电极或工件11、工作液箱 图2在线电极加工装备 在进行电极在线加工的过程中,让相互垂直的两个电极互带正、负电,一个电极随十字工作台作XY方 向的运动,并根据情况作转动;另一个作Z方向运动和转动通过交换电极的正、负极性,让其相互交替加工, 最后得到满足要求的微细电极。然后用此电极作为工具,对零件进行加工。 控制卡 驱动器 脉冲电源 数据 采集卡 图3控制系统流程图 3电极在线加工 利用图2中所示的实验装备,采用几种不同的电极在线加工方法进行加工,均成功地在线加工出微细电 极 3.1固定块反拷加工 固定块反拷加工与图1(a)中所示的加工方法相似,在该实验装备上,可让待加工电极与工具阴极成 个角度,从而加工出一定锥度的部件。其加工示意图如图4(a)所示。 按该方法,将一个直径为Φ0.7mm的紫铜圆柱作为工件,固定块作为工具阴极,使两者倾斜一个角度 者的相对位置固定不动,紫铜圆柱作一定角速度的旋转运动,加工出如图4(b)中所示的电极
70 山 东 科 学 2006缸 运动控制卡、数据采集卡以及计算机等，其结构示意图如图2(b)所示。 该装备机械部分包括 x、Y、z三个直线运动轴 ，u、V两个 回转轴 ，由步进电机驱动。加工过程 中，数据采 集卡采集电极间的加工电压，并将结果反馈回计算机 ，计算机根据 电压的变化情况 ，判断两电极 的加工间隙 变化情况 ，进而 自适应控制电解加工 的电极间隙。其控制系统流程图如图 3所示 。 (a)电极在线 加 设备 (b)设备示意 图 1、设备史架 2、XY {J字 工作 台 3、U回转轴 4、工具 电极 或工件 5、PC控制系统 6、脉冲电源 7、工件或工具电极 8、V回转轴 9,Z工作台 1O、工具 电极或工件 11、工作液箱 图 2 在线 电极加工装 备 在进行 电极在线加工的过程中，让相互垂直的两个 电极互带正 、负电，一个电极随十字工作台作 x—Y方 向的运动 ，并根据情况作转动 ；另一个作 z方向运动和转动，通过交换 电极 的正、负极性 ，让其相互交替加工 ， 最后得到满足要求的微细电极。然后用此电极作为工具 ，对零件进行加工。 图 3 控制 系统流程图 3 电极在 线加工 利用图 2中所示 的实验装备 ，采用几种不同的电极在线加工方法进行加工，均成功地在线加工出微细 电 极 。 3．1 固定块反拷加工 固定块反拷加工与图 1(a)中所示 的加工方法相似 ，在该实验装 备上 ，可让待加工电极与工具阴极成一 个角度 ，从而加工出一定锥度的部件 。其加工示意图如图 4(a)所示。 按该方法 ，将一个直径为 ∞ ．7nun的紫铜 圆柱作为工件 ，固定块作为工具 阴极 ，使两者倾斜一个角度 ，二 者的相对位置固定不动 ，紫铜圆柱作一定角速度 的旋转运动 ，加工出如 图 4(b)中所示 的电极 。 维普资讯 http://www.cqvip.com
第5期 韩桂海,等:电极在线加工技术研究 200μm a)加a工示意图 (b)加工的电极 图4固定块反拷加工 3.2互换电极极性进行简单反拷加工 在4%的NaNO3溶液中,采用图5(a)所示的加工方法,用0.7m的钢质圆柱电极作工具阴极,在 t=1.0mm厚的紫铜板材上加工一个通孔,当孔加工结束后,交换两个电极的极性,以紫铜板材作为阴极,将 圆柱电极作为工件,圆柱电极穿过刚加工的孔,沿着孔轴线的方向,以75ms的速度来回进行加工,加工深 度为1.5mm。该情况下,加工尺寸与加工时间有关,直径随时间增加而减小。图5(b)、5(c)所示即为加工孔 以及工件图,图示电极的最小直径为39.8m。 (a)加工示意图 (b)细长轴加工孔(c)孔反拷加工工具电极 图5互换电极极性进行电极反拷加工 3.3互换电极极性进行多次交互加工 让U、Ⅴ回转轴相互旋转,并同时作直线运动,进行工具电极的加工。用这种加工方法能够进行光轴螺 纹、螺栓、柱体等回转体类零件的加工。其加工示意图见图6。 在3%的NaCO3溶液中,用直径为90.7mm的钢质电极、40.7mm的紫铜电极分别作为正、负电极,采用 图6中所示的加工方法进行加工,加工电压为6V,脉宽为28s,占空比为0.5,得到如图7中所示的工具电 极,其中图7(a)中钢电极的尖端直径为49.9m,图7(b)、7(c)中紫铜电极的尖端直径为Φ24.5m 回转轴相互加工示意图
第 5期 韩桂海 ，等：电极在线加工技术研究 7l (a)加 a工示意图 — — 20011m (b)加工的电极 图 4 固定块反拷加工 3．2 互换电极极性进行简单反拷Jjn-r 在 4％的 NaNO 溶液 中，采用 图 5(a)所示 的加 工方 法 ，用 彻 ．7mm 的钢质 圆柱 电极 作工 具 阴极 ，在 t：1．0mm厚的紫铜板材上加工一个通孑L，当孔加工结束 后 ，交换两个 电极的极性 ，以紫铜板材作为 阴极 ，将 圆柱电极作为工件 ，圆柱电极穿过刚加工的孑L，沿着孑L轴线的方 向，以 7．5 s的速度来 回进行加工 ，加工深 度为 1．5mm。该情况下 ，加工尺寸与加工时间有关 ，直径随时间增加而减小。图 5(b)、5(c)所示 即为加工孑L 以及工件 图，图示 电极的最小直径为 d939．8tan。 (a)加工 示意 图 (b) 细 长轴加工 孔 (c) 孔反 拷加工工 具 电极 图 5 互换电极极性进行 电极 反拷加工 3．3 互换 电极极性进行多次交互Jjn-r 让 U、V回转轴相互旋转 ，并 同时作直线运动 ，进行工具电极的加工。用这种加工方法能够进行光轴 、螺 纹 、螺栓 、柱体等 回转体类零件的加工。其加工示意图见 图 6。 在 3％的 NaC103溶液中，用直径为 彻 ．7mm的钢质电极、彻 ．7mm的紫铜电极分别作为正、负电极 ，采用 图 6中所示的加工方法进行加工 ，加工电压为 6V，脉宽为 28t~s，占空 比为 0．5，得 到如图 7中所示 的工具 电 极 ，其中图 7(a)中钢电极 的尖端直径为 q)49．9m，图 7(b)、7(c)中紫铜电极 的尖端直径为 e924．5tma。 图 6 U、v回转轴相互加工示 意图 维普资讯 http://www.cqvip.com
72 山东科学 2006年 (a)钢电极 b)紫铜电极 (c)紫铜电极尖部 图7加工的电极 4结论 工具电极的在线加工技术以其定位准确,可减少装夹误差等优点,正在微细加工领域,得到广泛应用。 本文提出的工具电极加工方法,不但可以实现以前固定块反拷加工等三种加工方法,而且通过转换加工电源 的极性,可在工件与工具电极之间实现多次、重复加工,打破了加工领域中工具与工件的界限。以该方法为 思想设计制作的实验装备,结构简单,控制方便。通过三个加工实验,验证了该方法是切实可行的。 参考文献: [1] LIM H S, WONG Y S, RAHMAN M, et al. A Study on the Machining of High-aspect Ratio Micro-structures Using Micro-EDM[J] Journal of Materials Processing Technology, 2003, 140: 318-325 [2] MASUZAWA T, FUJINO M, KOBAYASHI. Wire Electro-discharge Grinding for Micro-machining J]. Annals of the CIRP, 1985, 34(1) 43l-434 [3]王振龙赵万生,狄土春,等.微细电火花加工技术的研究进展[J].中国机械工程,2002,13(10):894898. [4] GUO Zhong-ning, HAN Gui-hai. Three-dimensional Electrochemical Generating Micromachining[ C]/Proceeding of the 7th Intemational Conference on Progress of Machining Technology Suzhou, 2004: 312-317
72 山 东 科 学 2O06往 (a)钢电极 (b)紫铜电极 (C)紫铜电极尖部 图 7 加工的 电极 4 结论 工具电极的存线加工技术 以其定位准确，可减少装夹误差 等优点 ，正在微细加工领域 ，得到广泛应用 。 本文提出的工具电极加工方法，不但可以实现以前固定块反拷加工等三种加工方法，而且通过转换加工电源 的极性 ，可在工件与工具电极之间实现多次、重复加工 ，打破了加工领域 中工具与工件的界限。以该方法为 思想设计制作 的实验装备 ，结构简单 ，控制方便 。通过三个加工实验 ，验证 了该方法是切实可行的。 参考文献： [1]LIMHS，WONGYS，RAHMANM，eta1．AStudyO13theMachiningofHigh-aspectRatioMicro-structuresUsingMicro-EDM[J]． JournalofMaterialsProcessingTechnology．2003．14|D：3l8—325． [2]MASUZAWAT，FUJ1NOM，KOBAYASHI．wireElectro-dischargeGfin~ngforMicro-machining[J]．AnnalsoftheCIRP，1985，34(1) 43l一434． [3]王振龙 ，赵万生，狄上春，等 ．微细电火花加工技术的研究进展[J]．中国机械工程，2002，13(10)：894-898． [4]GUOZhong-ning，HANGui—hai．Three-dimensionalElectrochemicalGeneratingMicromachining[C]fProceedingofthe7thInternational ConferenceO13ProgressofMachiningTectmology ，Suzhou，2004：312—317． 维普资讯 http://www.cqvip.com