专利名称：微三维结构的电火花电解组合铣削加工方法
技术领域：
本发明涉及的金属合金材料微三维结构的电火花电解加工工艺，交叉融合了微细
电火花加工和微细电解加工技术，属于微细加工领域。
背景技术：
金属合金材料的微三维结构在许多领域有广泛的应用；随着消费类电子、汽车、航 空航天等行业的发展，特别是微机电系统(MEMS)技术的发展，对于复杂三维结构微小零件 和模具的需求越来越多。这类面向工业应用的毫米级大小微三维结构的加工，需要兼顾加 工效率和加工精度两方面的要求。目前微三维结构的加工，主要有机械铣削方法，以及微细 电火花铣削，微细电解铣削，激光加工和超声加工等特种加工方法。 而特种加工方法因其特殊的加工优势，如加工多为非接触方式，加工性能与被加
工工件材料的硬度等物理性能关系不大等，成为微三维结构的主要加工手段。其中，微细电
火花加工和微细电解加工是两种可控性好、成本低、应用较广泛的特种加工技术。 微细特种加工技术中，微细电火花铣削加工的加工速度相对较高，但是加工中存
在电极损耗，特别是沿电极轴向方向，影响了蚀除效率和成型精度。传统的电极进给补偿基
于工艺实验经验数据进行，但是由于不同的加工材料和加工条件补偿的模型都不一样，这
种补偿方法缺乏灵活性，适用性较差。为实现连续的放电加工，达到具有应用价值的加工效
率，基于放电间隙伺服控制的方法被提出用来进行微细电火花扫描加工的电极损耗实时补
偿。采用伺服间隙的控制方法可以一定程度上，解决在线补偿电极损耗的问题，但是由于微
细电火花加工机理的复杂，难以实现精确的加工状态检测，造成电极损耗补偿的不完全和
每一层的加工误差，而伺服间隙的控制方法又容易造成这种分层加工误差的累积传递，特
别是在沿电极轴向方向上，从而造成成型精度不高。 微细电解加工加工电极不损耗，加工表面光滑，无内应力、毛剌和裂纹等缺陷。但 由于存在杂散电场，而且极间电流和电压对间隙的变化不敏感，目前尚难以直接以加工间 隙为对象实现电极进给的闭环伺服控制，因此，在微细加工领域，除了对电极进行侧壁绝缘 以抑制杂散腐蚀外，通常还要综合采用高频脉冲乃至超短脉冲电源、降低电压和电解液浓 度等工艺措施来保证加工精度和稳定性，目前已经展示了其微米，甚至亚微米级加工精度 的能力，但这是以降低加工效率为代价的。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于微细电火花和电解加工的组合加工工艺，实现金属 材料上的毫米级大小微三维结构的加工。本加工方法期望达到加工精度高、速度快、成本 低、表面质量好等加工效果。
本发明的特征在于 在使用计算机伺服控制系统来加工一个微半球凹模时所述方法是依照以下步骤 实现的
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步骤(1)，计算机初始化，将加工轨迹代码输入计算机； 用Pro/E软件构建的所述三维微半球凹模模型，根据微细电火花铣削加工参数、 微细电解铣削加工参数，微细电火花铣削加工余量和微细电解铣削加工余量等，生成微细 电火花、微细电解组合铣削加工时用的加工轨迹及加工轨迹代码，其中，微细电火花铣削加 工完成比设计微半球略小的微半球的快速大余量去除加工，而微细电解铣削加工完成剩余 小余量材料的去除加工； 步骤(2)，进行微细电火花间隙伺服铣削； 在纯水加工液中进行电火花窄脉冲放电加工，采用基于放电间隙伺服的闭环控制 方法，进行电极损耗的实时补偿，连续、快速地完成大部分加工余量；
步骤(3)，进行微细电解开环数控扫描铣削； 把电极更换更侧壁绝缘电极，重新进行电极端面和加工零点的对位，通过所述侧 壁绝缘电极与标准块在X/Y/Z三个方向上的电接触定位来补偿重新装夹带来的定位误差；
使用浓度在0. 5mol/L以下的钝化非线性硝酸钠电解液，采用微秒或纳秒脉宽的 脉冲电源、3V IOV之间的低加工电压进行微细电解铣削小余量去除加工。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性的技术效果 本发明采用微细电火花和微细电解加工的组合，充分发挥微细电火花扫描工序加 工速度快和微细电解加工工序成型精度高、表面质量好的优势，可实现金属合金等导电材 料的高效和高精度三维微加工。电火花扫描工序中遗留的误差可由电解工序修正。在电解 加工中，极间电流/电压等物理量对间隙的变化不敏感，目前尚难以直接以间隙大小或间 隙内电参数为对象实现电极进给的闭环伺服控制。考虑到电解加工中工具电极不损耗，在 本发明中，电解铣削工序中依照预定的加工轨迹和扫描速度完成逐层铣削，采用开环控制 方法，对电流电压等间隙状态不做闭环伺服控制，仅在发生短路时将电极回退一层的高度 重新修整，大大降低了电极进给的控制难度。这种控制方法造成电解扫描工序的蚀除速度 相对较低，但由于电解扫描工序的工序余量很小，其工序时间对整个工艺流程的加工效率 影响可以忽略。 水基电解液是最常用、性价比最高的电解加工工作介质，因此在本发明中的电火 花铣削工序中选用纯水作为工作液。与电加工油等油基介质相比，纯水与水基电解液的组 分和性质更接近，可共用工作液循环系统(包括泵、阀门、滤清部件和连接管路等)，工序切 换过程中的工件和工作台清洗也比较容易，并可望进一步实现电火花加工机床和电解加工 机床的集成设计制造，大大简化工艺设备和操作流程、降低生产成本。与油基介质相比，在 纯水中进行电火花加工的成型精度较低但速度较快，这一特性也更适合在本发明的工艺流 程中电火花铣削作为粗加工工序的需要。
图1为微三维结构的电火花电解组合加工流程示意图； 图2为微细电火花铣削加工的电极损耗和间隙伺服方法示意图；a未进行间
隙伺服的电火花加工示意图，b进行间隙伺服的电火花加工示意图；
图3为微细电解铣削加工示意图； 图4为微半球的电火花电解组合加工的工艺流程图；a微半球结构建模和轨迹规划，b微细电火花间隙伺服铣削加工，c微细电解数控铣削加工，d加工完成的微半球结构。
图1 4中，各标号的意义如下1-电火花加工电极；2-电解加工电极；3_加工工 件；4-电火花铣削加工余量；5-电解铣削加工余量；6-纯水加工液；7_电解加工液
具体实施例方式
本发明是通过以下技术方案实现的 1)首先使用CAD/CAM软件进行微三维结构建模，工序余量分配，轨迹规划，最后分 别生 成微细电火花和微细电解加工工序的加工代码； 2)然后采用间隙伺服扫描的闭环控制方法，在纯水加工介质中，按照预定的加工 轨迹，采用较大的放电加工参数，连续、快速地完成大工序余量的微细电火花铣削加工；
3)将加工液更换为低浓度电解液，将加工电极更换为侧壁绝缘电极，依照预定的 加工轨迹和扫描速度完成逐层电解铣削，采用开环控制方法，对电流电压等间隙状态不作 闭环伺服控制，仅在发生短路时将电极回退一层的高度重新修整，完成剩余的微小加工余 量，最终完成微三维结构的成型。电极侧壁绝缘处理有助于将电场约束在端面附近，提高加 工的定域性和成型精度。 本发明借鉴了分层铣削原理，提出采用微细电火花铣削加工和微细电解铣削加工
组合的加工工艺，期望达到高效、高质量的微三维结构加工效果。 如图1 4所示，结合本发明方法的内容提供以下实施例。 该加工工艺，如图1所示，大致可以分为三个步骤 1)微三维结构建模和轨迹规划设计 首先，采用Pro/E或其他商业的CAD软件进行微三维结构的建模设计。然后，根据 所建模型，使用的微细电极形状、大小，以及微细电火花、电解加工参数等，分配微细电火花 加工和微细电解加工的工序余量，完成加工轨迹规划和加工NC代码生成。
2)进行微细电火花间隙伺服铣削 在纯水加工液中，采用间隙伺服的控制方法，以及较大的放电加工参数，进行微细 电火花窄脉冲放电加工。 图2显示了采用间隙伺服方法的电火花扫描加工原理。图2(a)所示的是，是未进 行间隙伺服补偿时，由于电火花加工电极会由于损耗逐渐变短变尖，从而加工间隙变大，加 工量变小，甚至不加工，造成加工不连续，加工层厚度的不均匀。图2(b)所示的是，采用基 于放电间隙的伺服控制方法进行电极损耗实时补偿，可达到或接近基本均匀、连续的放电 加工。 3)进行微细电解数控铣削 更换加工液为电解质的水溶液；加工电极更换为侧壁绝缘的电极，电极侧面的绝 缘减小电解蚀除加工过程中的侧向杂散腐蚀，有利于保证自由曲面或高深宽比结构的加工 成型精度。 重新定位加工零点，依照预定的加工轨迹和扫描速度完成逐层铣削，每层的加工 效果如图3所示，采用开环控制方法，对电流电压等间隙状态不作闭环伺服控制，仅在发生 短路时将电极回退一层的高度重新扫描，从而大大降低了电极进给的控制难度。
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经过步骤1) 、2)和3)，就可完成微三维结构的加工。
下面将以微半球凹模结构为例，介绍本发明的组合加工工艺。
微半球的电火花电解组合加工工艺流程如图4所示，
D三维建模设计和轨迹规划设计 可采用Pro/E软件，进行组合加工的模型设计、工序余量分配和轨迹规划；然后， 再通过Pro/E软件直接完成G代码和NC代码生成，并可进行加工轨迹模拟仿真，验证生成 轨迹的有效性。图4(a)所示的分别为微半球的三维建模、电火花加工余量、电解加工加工 余量及分层加工的剖面示意图，微细电火花铣削加工完成比设计微半球略小的微半球的快 速去除加工，微细电解铣削加工完成剩余小余量薄层材料的加工。
2)进行微细电火花间隙伺服铣削 在纯水加工液中，进行电火花窄脉冲放电加工；采用基于放电间隙的伺服控制方 法进行电极损耗实时补偿，及较大的放电加工参数，如高放电电压、大放电电容等，保证微 细电火花扫描加工的连续进行，快速完成大部分加工余量，如图4(b)所示。
3)进行微细电解数控扫描铣削 更换侧壁绝缘的电极，重新进行电极端面与加工零点的定位，由重新装夹带来的 定位误差，可通过与标准块在X/Y/Z三个方向的电接触定位来补偿。 使用低浓度的钝化非线性电解液，如硝酸钠(NaN03)、氯酸钠(NaC103)等，一般选 取在O. 5mol/L以下，采用微秒或纳秒脉宽的脉冲电源，低加工电压控制在3-10V之间，以达 到较高的加工定域性，精确控制电解溶解速度，获得较高的加工精度； 依照预定的加工轨迹和扫描速度完成分层电解铣削，采用开环控制方法，对电流、 电压等间隙状态不作闭环伺服控制，仅在发生短路时将电极回退一层的高度重新修整，逐 层完成剩余的微小加工余量，如图4(c)所示。
完成微半球的组合加工，如图4(d)所示。
权利要求
微三维结构的电火花电解组合铣削加工方法，其特征在于，在使用计算机伺服控制系统来加工一个微半球凹模时所述方法是依照以下步骤实现的步骤(1)，计算机初始化，将加工轨迹代码输入计算机；用Pro/E软件构建的所述三维微半球凹模模型，根据微细电火花铣削加工参数、微细电解铣削加工参数，微细电火花铣削加工余量和微细电解铣削加工余量，生成微细电火花、微细电解组合铣削加工时用的加工轨迹及加工轨迹代码，其中，微细电火花铣削加工完成比设计微半球略小的微半球的快速大余量去除加工，而微细电解铣削加工完成剩余小余量材料的去除加工；步骤(2)，进行微细电火花间隙伺服铣削；在纯水加工液中进行电火花窄脉冲放电加工，采用基于放电间隙伺服的闭环控制方法，进行电极损耗的实时补偿，连续、快速地完成大部分加工余量；步骤(3)，进行微细电解开环数控扫描铣削；把电极更换更侧壁绝缘电极，重新进行电极端面和加工零点的对位，通过所述侧壁绝缘电极与标准块在X/Y/Z三个方向上的电接触定位来补偿重新装夹带来的定位误差；使用浓度在0.5mol/L以下的钝化非线性硝酸钠电解液，采用微秒或纳秒级脉宽的脉冲电源、3V～10V之间的低加工电压进行微细电解铣削小余量去除加工。
2. 根据权利要求1所述的微三维结构的电火花电解组合铣削加工方法，其特征在于，在进行微细铣削加工时，若发生短路情况，则把所述的侧壁绝缘电极退回一层的高度，再逐层完成剩余微小加工余量。
3. 根据权利要求1所述的微三维结构的电火花电解组合铣削加工方法，其特征在于，所述的非线性硝酸钠电解液用氯酸钠电解液代替。
全文摘要
微三维结构的电火花电解组合铣削加工方法属于微细加工技术领域，其特征在于，借助分层铣削原理，采用简单电极进行微细电火花铣削和微细电解铣削的组合加工，可加工多种金属合金材料和复杂的型腔型面。组合加工分为两个步骤，1)首先，采用微细电火花闭环间隙伺服扫描铣削加工方法，快速完成绝大部分加工量；2)然后，采用微细电解分层开环数控扫描铣削加工方法去除剩余的微小余量，最终完成微三维结构成型；电解铣削中使用侧壁绝缘的加工电极，以提高加工定域性和加工精度。本发明充分利用了微细电火花伺服扫描铣削加工速度快，以及微细电解数控铣削加工电极不损耗，表面加工质量好的优势。
文档编号B23H5/00GK101693313SQ20091023637
公开日2010年4月14日 申请日期2009年10月20日 优先权日2009年10月20日
发明者佟浩, 李勇, 胡满红, 陈旭鹏 申请人:清华大学;