專利名稱：三維微細電火花伺服掃描粗精加工結(jié)合工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微細特種加工技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及面向毫米級尺寸以內(nèi)的金屬合金和
導電硅基材料的三維微細電火花伺服掃描粗精加工結(jié)合工藝。
背景技術(shù)：
微三維型腔在微機電系統(tǒng)(MEMS)和微納米技術(shù)相關(guān)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
基于非接觸式放電原理，采用簡單形狀工具電極逐層掃描(銑削)的三維微細電火花加工
技術(shù)，具有較低成本、設(shè)計自由度大、易于排屑、工具電極制備費用低廉等工藝優(yōu)點。 但放電過程的極間能量分配決定了電極損耗的必然性，電極損耗實時補償技術(shù)是
保證三維掃描加工過程有效進行的關(guān)鍵。常規(guī)的電極損耗補償技術(shù)歸納起來主要包括數(shù)字
成像、依靠經(jīng)驗?zāi)Ｐ突蜷g歇式補償。但由于三維微細電火花掃描加工過程復雜、微細電極和
微型腔尺寸小、電介質(zhì)折射光線等原因，常規(guī)電極損耗補償技術(shù)的實時性和適應(yīng)性差?；?br> 于放電間隙伺服控制，實現(xiàn)電極損耗實時補償?shù)娜S微細電火花伺服掃描加工方法，克服
了依靠經(jīng)驗?zāi)Ｐ突蜷g歇式補償?shù)谋锥?，為電極損耗實時在線補償提供了一有效途徑。其原
理是通過反饋放電狀態(tài)電信號伺服控制電極保持放電間隙，電極軸向損耗可以實時自動補
償，使工具電極逐層掃描加工微三維型腔。其實質(zhì)是將電極損耗實時補償與工件聯(lián)動定位
進行分離控制，并利用正反掃描軌跡均化電極端部變形，使每層掃描加工深度符合一致性。 然而，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)雖然三維伺服掃描加工方法解決了電極損耗在線實時自動
進給補償問題，但若要實現(xiàn)高精、高效地加工出微三維型腔，還需要解決精度局限性問題，
以及高精度和高效率矛盾問題。 首先，闡述加工深度精度局限性問題。分析可知三維伺服掃描加工方法的優(yōu)勢在 于不必測量電極損耗的具體量值，電極損耗即可以自動補償，深度精度由每層掃描一致性 厚度疊加保證。但實際加工深度并沒有閉環(huán)反饋，加工深度誤差可達到3% 10%，這樣的 精度還沒有達到微結(jié)構(gòu)高精度加工需要。 其次，闡述高精度和高效率矛盾問題。相對于被加工三維微型腔而言，微細電極端 部放電面積較小，導致微三維型腔的加工時間過長。采用增加放電能量、提高有效放電率、 增大工具電極直徑等措施，可以提高加工效率，但同時也使每層的掃描深度(分層厚度)增 大，造成三維曲面的階梯形狀誤差。并且，提高放電能量將會使加工微結(jié)構(gòu)表面精度變差； 增大電極直徑將會引入電極端部損耗變形的不利影響，也無法加工內(nèi)棱角和窄槽等更微細 的結(jié)構(gòu)。事實上，微三維型腔的大部分去除材料與成型精度無關(guān)，若要高精度加工微型腔將 會犧牲大量無謂加工時間，而且時間過長也使加工穩(wěn)定性變差，甚至造成加工過程失敗。

發(fā)明內(nèi)容
為解決微三維型腔的微細電火花伺服掃描加工深度精度局限性問題，以及高精度 和高效率矛盾問題，本發(fā)明提供一種三維微細電火花伺服掃描粗精加工結(jié)合工藝，其特征 在于，包括以下步驟
(1)利用CAD/CAM軟件對微三維型腔進行模型設(shè)計，在預留足夠精加工余量的前提下，分別進行粗精加工的電極尺寸、分層厚度、軌跡規(guī)劃的參數(shù)設(shè)置，并分別生成粗精加工NC代碼； (2)采用三維伺服掃描加工方法，對微三維型腔進行粗加工，快速去除大量型腔材料；為保證微三維型腔的最后精加工成型精度，使粗加工所剩下的加工余量能夠全部去除，采用粗精加工去除材料體積有機結(jié)合和重疊的方法取粗加工外邊界時，設(shè)置理想加工余量為、大于粗加工的最大過加工誤差，保證足夠的精加工余量，且、小于精加工分
層厚度的5倍，以提高精加工效率；取精加工內(nèi)邊界時，設(shè)置去除材料體積重疊余量為S 2，S 2大于粗加工的最大欠加工誤差，保證粗加工余量能夠全部去除； (3)繼續(xù)采用三維伺服掃描加工方法，針對粗加工殘余不規(guī)則邊界，對微三維型腔進行精加工，采用掃描各點工具電極伺服進給深度最大值法，避免欠加工和過加工，保證每層內(nèi)加工深度的一致性；結(jié)合工具電極低壓電接觸閉環(huán)反饋加工深度，采用變速度伺服掃描補償深度誤差；并使用細工具電極，設(shè)置低放電能量和薄分層厚度參數(shù)，最終完成表面精度和尺寸精度的成型精加工。 所述三維伺服掃描加工方法，即實時伺服控制放電間隙方法，實現(xiàn)電極軸向損耗的實時在線補償。 所述粗加工和精加工中，分別采用各自的工藝措施和參數(shù)，以解決加工效率和加工精度的矛盾問題。 所述精加工中的掃描各點工具電極伺服進給深度最大值法滿足以下約束條件
(1)掃描各點工具電極伺服進給深度最大值用下式表示 Zmax = /z + A/￡x = /z + )》, 其中，z^為最大進給深度，h為分層厚度，4為電極直徑，Al^為電極損耗量，kb為系數(shù)常量，Xi指伺服掃描各段路徑長度，即在伺服保持放電間隙時工具電極掃描加工所經(jīng)過的路徑長度； (2)精加工中，當某掃描點工具電極進給深度達到zmax時，則立即停止工具電極伺服進退，直到出現(xiàn)極間短路時，繼續(xù)進行保持放電間隙的伺服掃描加工； (3)當工具電極停止伺服進退時，即停止保持放電間隙時，工具電極掃描路徑不計入伺服掃描路徑長度Xi。 所述工具電極低壓電接觸反饋以及變速度伺服掃描補償深度誤差的方法為在每層掃描加工前，采用工具電極低電壓電接觸標準塊，反饋電極實際損耗量Al，于是，在掃描加工n層后，利用主軸進給深度Zn和電極損耗量A ln，可得微型腔的實際加工深度hn =
Zn-Aln，將hn與理論加工深度h'n相比，即得掃描II層后深度誤差S n = hn_h ' ;當|5」
達到設(shè)定值，分兩種情況對加工深度進行補償若hn < h' n，則增加掃描一層厚度為S n的
補償層；若hn〉h'n，則將下一層掃描厚度減少、作為補償層。 本發(fā)明的有益效果是 1.本發(fā)明將微三維型腔的電火花伺服掃描加工分為粗加工和精加工兩個工序進行，可以兼顧高加工精度和高加工效率，從工藝上可以解決單工序完成加工的效率和精度矛盾問題。
2.在粗加工中，以最快速去除大量型腔材料為目標，易于采用各種先進和優(yōu)化后的工藝措施和工藝參數(shù)，這樣可以最大程度地提高加工效率，縮短大量無謂加工時間，也可以提高加工過程的穩(wěn)定性。 3.在精加工中，以提高成型精度和表面精度為目標，只留有較薄的加工余量，有利于實現(xiàn)高精度加工。采用提出的掃描各點工具電極伺服進給深度最大值法，保證每層內(nèi)加工深度的高一致性；結(jié)合加工深度反饋和補償工藝方法，提高最難保證的最終加工深度精度。 4.基于本發(fā)明的加工工藝長處，面向加工金屬合金、硅基等導電硬脆微模具材料，其微三維型腔加工尺寸精度達到微米量級，表面精度達到百納米最級，可以應(yīng)用于微機電系統(tǒng)(MEMS)和微生物芯片等相關(guān)領(lǐng)域。因此，該工藝適應(yīng)范圍廣、實用性好，是一種面向工業(yè)應(yīng)用的微三維型腔加工工藝。


圖1為三維微細電火花伺服掃描粗精加工工藝流程； 圖2為三維微細電火花伺服掃描粗精加工邊界確定方法示意圖； 圖3為精加工中掃描各點工具電極伺服進給深度最大值法基本原理圖； 圖4為單分層厚度內(nèi)掃描路徑所經(jīng)過的待加工典型表面示意圖，圖中A-伺服掃
描加工區(qū)域，B-間歇式伺服掃描加工區(qū)域，C-停止伺服走位區(qū)域； 圖5為外方內(nèi)半球微型腔的三維微細電火花伺服掃描粗精加工精度對比示意圖，圖中A為粗加工分層厚度，h2為精加工分層厚度。
具體實施例方式
本發(fā)明提供了一種三維微細電火花伺服掃描粗精加工結(jié)合工藝，下面結(jié)合

和具體實施方式
，對本發(fā)明做進一步說明。 圖1為三維微細電火花伺服掃描粗精加工工藝流程，主要包括CAD造型設(shè)計、粗精
加工CAM規(guī)劃、粗精加工NC代碼生成、高效粗加工、成型精加工等工序過程。 為說明本發(fā)明加工工藝的優(yōu)越性和實施方式，首先說明采用的三維伺服掃描加工
方法。然后，重點說明粗精加工邊界確定方法、精加工中提出的掃描各點工具電極伺服進給
深度最大值法、精加工中提出的工具電極低壓電接觸反饋和補償深度方法。最后，以外方內(nèi)
半球形的微三維型腔加工為例，進一步說明本發(fā)明所述的加工工藝的具體實施方式
。 1、本發(fā)明在粗精加工中采用的三維伺服掃描(銑削)加工方法 基本原理每層掃描加工中電參數(shù)不變時，單次火花放電能量為恒定值WM，存在確
定的放電間隙范圍Se G (Smin，SMX)。若保持放電間隙Se，則放電頻率fe符合統(tǒng)計規(guī)律恒定，
即單位時間的放電能量WT = WMf J亙定，則單位時間的工件材料去除量即去除率VT = kaWT(ka
為系數(shù)常量)恒定。根據(jù)此推論，若設(shè)定伺服掃描速度、和掃描寬度cU實時伺服保持放
電間隙SB，每層伺服掃描加工深度hT具有一致性(如式1所示)，稱為伺服掃描加工深度一
致性原理。
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根據(jù)上述原理分析，保持放電間隙Se，雖然工具電極逐漸損耗從A L到A 12，但電極放電端部和工件之間的相對位置不變，即電極軸向損耗自動實時在線補償，加工深度hs具有一致性，并且保持放電間隙有利于穩(wěn)定高效放電。并按照從1到4順序正負兩個方向軌跡掃描，均化電極端面損耗。
2、粗精加工邊界確定方法 為保證微三維型腔的最后精加工成型精度，使粗加工所剩下的加工余量能夠全部去除，采用粗精加工去除材料體積有機結(jié)合和重疊的方法。確定粗精加工邊界如圖2所示，取粗加工外邊界時，設(shè)置理想(理論)加工余量為、應(yīng)大于粗加工的最大過加工誤差，保證足夠的精加工余量，且S工應(yīng)小于精加工分層厚度的5倍，以提高精加工效率；取精加工內(nèi)邊界時，設(shè)置去除材料體積重疊余量為S2，、只需略大于粗加工的最大欠加工誤差，即可保證粗加工余量能夠全部去除。 3、精加工中掃描各點工具電極伺服進給深度最大值法 從圖2粗精加工邊界確定可以看出在精加工分層厚度的內(nèi)邊界和粗加工邊界之間必然存在無材料的凹陷邊界區(qū)，若在此區(qū)域仍然采用實時保持放電間隙的伺服掃描加工方法，將造成加工到下面分層材料的嚴重過加工不利現(xiàn)象。因此，本發(fā)明提出采用掃描各點工具電極伺服進給深度最大值法，保證精加工每層內(nèi)加工深度的高精度一致性。
其基本原理如圖3所示，假設(shè)伺服掃描精加工平整且材料均勻的理想分層。設(shè)定常量為分層厚度為h，掃描速度VS，電極直徑ds。設(shè)定變量為伺服掃描路徑長度為X，電極損耗為Alx。則當伺服掃描路徑長度為x時，掃描層內(nèi)工具電極進給深度應(yīng)為h+Alx。根據(jù)伺服掃描加工深度一致性原理(式l)可知加工深度h符合一致性且為定值。已知工具電極損耗體積h (ds/2"Alx與去除材料體積dshx成正比(線性比kb)關(guān)系，即Ji (ds/2)2Alx=kb(dshx)，其中kb為系數(shù)常量。則此時的電極損耗量A lx如下式所示 A/x =(—-丄)(-了-)x (式2);r 《 那么，在掃描路徑長度為x時，工具電極進給深度zx如下式所示 Zx = + A/x = /7 + C(丁)x (式3)
冗 《 利用上述原理，在掃描精加工分層厚度內(nèi)任意表面時，提出采用掃描各點工具電
極伺服進給深度最大值法，該算法滿足約束條件 (1)掃描各點工具電極伺服進給深度最大值用下式表示 Z,歸=/z + = /z + (—上)(；—)Z x,(式4) (2)Xi指伺服掃描各段路徑長度，即在伺服保持放電間隙時工具電極掃描加工所經(jīng)過的路徑長度。
(3)精加工中，當某掃描點工具電極進給深度達到zmax時，則立即停止工具電極伺
服進退，直到出現(xiàn)極間短路時，繼續(xù)進行保持放電間隙的伺服掃描加工。
(4)當工具電極停止伺服進退時，即停止保持放電間隙時，工具電極掃描路徑(空
走位路徑)不計入伺服掃描路徑長度Xi。 從上述約束條件可知由于Xi特指伺服掃描各段路徑長度，所以E Xi即滿足了圖3的連續(xù)伺服掃描加工路徑條件，則電極損耗滿足式2。 從上述分析可知在精加工中，即使單分層厚度內(nèi)掃描路徑所經(jīng)過的待加工表面 (如圖4所示)，采用掃描各點工具電極伺服進給深度最大值法控制加工深度，可以針對不 同表面實現(xiàn)全伺服掃描加工、間歇式伺服掃描加工、停止伺服掃描空走位，從而避免和減少 欠加工和過切加工，保證每層加工深度的高一致性。 4、精加工中工具電極低壓電接觸反饋及變速度伺服掃描補償深度誤差方法
工具電極低壓電接觸反饋以及變速度伺服掃描補償深度誤差的方法為在每層掃
描加工前，采用工具電極低電壓電接觸標準塊，反饋電極實際損耗量Al，于是，在掃描加工 n層后，利用主軸進給深度zn和電極損耗量A ln，可得微型腔的實際加工深度hn = zn_ A ln，
將hn與理論加工深度h'n相比，即得掃描n層后深度誤差Sn = hn_h'"當IS」達到
設(shè)定值，分兩種情況對加工深度進行補償若hn < h' n，則增加掃描一層厚度為S n的補償
層；若hn〉h' n，則將下一層掃描厚度減少、作為補償層。根據(jù)三維伺服掃描加工基本 原理(公式l)可知，僅改變掃描速度即可實現(xiàn)變化量為Sn的補償層加工。 5、以外方內(nèi)半球形的微三維型腔加工為例，說明本發(fā)明所述的工藝。
(l)CAD造型設(shè)計 根據(jù)加工微三維型腔尺寸和形狀要求，利用Pro/Engineer (Pro/E)、 UniGr即hics (UG)等三維CAD/CAM軟件進行三維模型設(shè)計。本例采用Pro/E設(shè)計的外方內(nèi) 半球形的三維模型，外方型腔邊長為1. 6mm、深為0. 3mm，內(nèi)半球直徑為lmm。
(2)粗精加工CAM規(guī)劃 將設(shè)計模型作為參考模型，分別規(guī)劃粗精加工的工具電極尺寸、分層厚度、軌跡規(guī) 劃等相關(guān)的制造參數(shù)，這些參數(shù)要根據(jù)具體情況進行設(shè)定，并且粗加工要為精加工預留足 夠的加工余量。根據(jù)本發(fā)明提出的工藝，粗加工中采用大直徑工具電極和厚分層厚度，最大 程度地提高加工效率，精加工中采用更細工具電極和更薄分層厚度，提高加工精度。
本例中粗加工參數(shù)為工具電極直徑為0. 2mm，粗加工分層厚度^為0. 02mm，軌跡 跨度為0. 08mm，掃描類型為螺旋，預留精加工余量為0. 02。 本例中精加工參數(shù)為工具電極直徑為0. 08mm，精加工分層厚度h2為0. 004mm，軌 跡跨度為0. 03mm，掃描類型為螺旋。 如圖5所示，僅當精加工分層厚度為粗加工的1/5，且加工余量為粗加工分層厚度 時，粗加工去除大量型腔材料，大幅度提高加工效率；精加工明顯減小微三維曲面加工的階 梯誤差，顯著提高曲面成型精度。 顯然，從分析曲面階梯誤差變化趨勢可知，利用變分層厚度方法可以減小階梯誤 差，但增加了曲面CAM算法復雜性，也難于提高加工效率。
(3)粗精加工NC代碼生成 當CAM規(guī)劃滿足要求，利用Pro/E可生成通用刀位文件(擴展名為.ncl)。將通用 刀位文件后置處理為適合三維微細電火花伺服掃描加工的NC代碼(點位坐標或G代碼)。
(4)高效粗加工 在高效粗加工中，采用0. 2mm直徑工具電極、較大放電能量(工件為摻雜硅，峰值 電流IOA，脈寬1 ii s，脈間5 ii s) 、0. 02mm分層厚度的工藝措施，最大程度地提高加工效率。
粗加工可以快速去除大量型腔材料，但曲面上存在較大階梯誤差，外方型腔的圓角誤差也較大。
(5)成型精加工 在成型精加工中，采用低放電能量(為粗加工的1/5)提高表面精度，O. 004mm的分 層厚度提高曲面成型精度，直徑為0. 08mm的工具電極清除棱角。采用掃描各點工具電極伺 服進給深度最大值法，保證每層內(nèi)加工深度的高一致性；結(jié)合工具電極低壓電接觸閉環(huán)反 饋各層深度和變速度伺服掃描加工方式，進一步補償加工深度誤差。精加工加工余量很小， 明顯可以提高三維曲面和棱角的成型精度。
權(quán)利要求
三維微細電火花伺服掃描粗精加工結(jié)合工藝，其特征在于，包括以下步驟(1)利用CAD/CAM軟件對微三維型腔進行模型設(shè)計，在預留足夠精加工余量的前提下，分別進行粗精加工的電極尺寸、分層厚度、軌跡規(guī)劃的參數(shù)設(shè)置，并分別生成粗精加工NC代碼；(2)采用三維伺服掃描加工方法，對微三維型腔進行粗加工，快速去除大量型腔材料；為保證微三維型腔的最后精加工成型精度，使粗加工所剩下的加工余量能夠全部去除，采用粗精加工去除材料體積有機結(jié)合和重疊的方法取粗加工外邊界時，設(shè)置理想加工余量為δ1，δ1大于粗加工的最大過加工誤差，保證足夠的精加工余量，且δ1小于精加工分層厚度的5倍，以提高精加工效率；取精加工內(nèi)邊界時，設(shè)置去除材料體積重疊余量為δ2，δ2大于粗加工的最大欠加工誤差，保證粗加工余量能夠全部去除；(3)繼續(xù)采用三維伺服掃描加工方法，針對粗加工殘余不規(guī)則邊界，對微三維型腔進行精加工，采用掃描各點工具電極伺服進給深度最大值法，避免欠加工和過加工，保證每層內(nèi)加工深度的一致性；結(jié)合工具電極低壓電接觸閉環(huán)反饋加工深度，采用變速度伺服掃描補償深度誤差；并使用細工具電極，設(shè)置放電能量和分層厚度參數(shù)，最終完成表面精度和尺寸精度的成型精加工。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維微細電火花伺服掃描粗精加工結(jié)合工藝，其特征在于，所述三維伺服掃描加工方法，即實時伺服控制放電間隙方法，實現(xiàn)電極軸向損耗的實時在線補償。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維微細電火花伺服掃描粗精加工結(jié)合工藝，其特征在于，所述粗加工和精加工中，分別采用各自的工藝措施和參數(shù)，以解決加工效率和加工精度的矛盾問題。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維微細電火花伺服掃描粗精加工結(jié)合工藝，其特征在于，所述精加工中的掃描各點工具電極伺服進給深度最大值法滿足以下約束條件(1) 掃描各點工具電極伺服進給深度最大值用下式表示<formula>formula see original document page 2</formula>其中，zmax為最大進給深度，h為分層厚度，ds為電極直徑，A 1 ￡x為電極損耗量，kb為系數(shù)常量，Xi指伺服掃描各段路徑長度，即在伺服保持放電間隙時工具電極掃描加工所經(jīng)過的路徑長度；(2) 精加工中，當某掃描點工具電極進給深度達到zmax時，則立即停止工具電極伺服進退，直到出現(xiàn)極間短路時，繼續(xù)進行保持放電間隙的伺服掃描加工；(3) 當工具電極停止伺服進退時，即停止保持放電間隙時，工具電極掃描路徑不計入伺服掃描路徑長度Xi。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維微細電火花伺服掃描粗精加工結(jié)合工藝，其特征在于，所述工具電極低壓電接觸反饋以及變速度伺服掃描補償深度誤差的方法為在每層掃描加工前，采用工具電極低電壓電接觸標準塊，反饋電極實際損耗量Al，于是，在掃描加工n層后，利用主軸進給深度、和電極損耗量A ln，可得微型腔的實際加工深度<formula>formula see original document page 2</formula>將hn與理論加工深度h' n相比，即得掃描n層后深度誤差<formula>formula see original document page 2</formula>當ISJ達到設(shè)定值，分兩種情況對加工深度進行補償若hn〈h'n，則增加掃描一層厚度為S。的補償層；若hn〉h'n，則將下一層掃描厚度減少、作為補償層(
全文摘要
三維微細電火花伺服掃描粗精加工結(jié)合工藝屬于微細特種加工技術(shù)領(lǐng)域。所述工藝面向毫米級尺寸以內(nèi)的微三維型腔加工，采用伺服控制放電間隙實現(xiàn)電極軸向損耗實時在線補償；在粗加工中，快速去除大量型腔材料；在精加工中，提出掃描各點工具電極伺服進給深度最大值法，避免和減少欠加工和過切加工，保證每層內(nèi)加工深度一致；結(jié)合工具電極低壓電接觸閉環(huán)反饋各層加工深度，提出變速度伺服掃描方法補償深度誤差；采用低放電能量和薄分層厚度，完成高表面精度和高尺寸精度的成型加工。該工藝方法為解決三維伺服掃描加工深度精度局限性問題，以及解決高精和高效矛盾問題提供途徑，為金屬合金和導電硅基材料微三維型腔的高精、高效加工提供一種工藝方法。
文檔編號B23H1/00GK101693310SQ20091023578
公開日2010年4月14日 申請日期2009年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月15日
發(fā)明者佟浩, 李勇 申請人:清華大學;