CN101890545A - 基于静电感应给电的微细阵列电极及阵列孔的在线卧式电火花加工装置 - Google Patents

Abstract

一种基于静电感应给电的微细阵列电极及阵列孔的在线卧式电火花加工装置，其包括静电感应单极脉冲电源(1)、专用卧式夹具(3)、阵列电极专用夹具(4)、精密数控工作台(5)、机床丝架(6)和机床电极丝(7)，机床工作台(5)和机床丝架(6)分别安装固定在大理石水平基座上，阵列电极专用夹具(4)固定在机床工作台(5)上并与其绝缘，阵列电极专用夹具(4)用于固定阵列电极方形棒料(9)；阵列孔工件专用夹具(3)固定在机床丝架(6)前端并与其绝缘，阵列孔工件专用夹具(3)用于固定阵列孔工件(8)，电极丝(7)连接在机床丝架(6)上，用于加工阵列电极，阵列电极专用夹具(4)在工作台(5)的驱动下可以在机床电极丝(7)和阵列孔工件(8)附近作水平或垂直移动，静电感应单极脉冲电源(1)对阵列电极及阵列孔的加工提供工作电源。

Description

基于静电感应给电的微细阵列电极及阵列孔的在线卧式电火花加工装置

技术领域

本发明涉及微细阵列电极及阵列孔的加工装置，具体地是一种利用静电感应给电方法加工微细阵列电极并且在线卧式加工微细阵列孔的加工装置。

技术背景

微细阵列电极及阵列孔一直是超精密和微细加工技术等领域备受关注的对象。随着人们对微小模具、微细喷嘴及生命医学传感器等微小器件需求的增加，微细阵列电极及阵列孔的加工能力也迫切需要加以提高。在微细加工领域，一般有LIGA、MEMS和微细电火花等加工方法，但是由于LIGA和MEMS昂贵的加工成本以及较为受限的加工对象，使得微细电火花加工方法成为了首选的加工方法。

一般微细电火花加工装置的电源多为传统RC张弛式脉冲电源和独立式晶体管脉冲电源等，但由于分布电容决定了最小放电能量的极限，导致了其微细加工能力存在极限，因而在微细阵列电极的加工中可能加工的微细阵列电极的最小尺寸存在极限。一般加工阵列电极的方法有电火花反拷加工和电火花线切割等，在阵列电极加工完成后，一般的方法是需要把电极拆卸下来再装夹到专用的电火花打孔装置(如微细电火花加工机床上)上进行阵列孔的加工。由于电极本身的微细结构使得电极的重新装夹很困难，二次装夹也使其位置精度难以得到保证。此外，传统的电火花加工装置为主轴立式加工，在进行阵列孔加工时，加工间隙中的放电屑不易排出，极间加工状态不好保证，放电状态不稳定，并影响了阵列孔的加工精度和加工质量。

发明内容

本发明的目的是在于克服上述现有装置的不足，从而提供了一种微细阵列电极及阵列孔的一体式在线卧式电火花加工装置。加工装置的总体思路是在微细电火花线切割机床上增加电火花卧式打孔的功能，微细阵列电极的电火花线切割加工和微细阵列孔的电火花加工都在此装置上完成，并采用基于静电感应给电的新型脉冲电源。

本发明涉及一种基于静电感应给电的微细阵列电极及阵列孔的在线卧式电火花加工装置，具体为利用静电感应给电方法在微细电火花线切割机床上加工微细阵列电极并在不需要重新安装电极的情况下直接在线卧式加工阵列孔的新型电火花加工装置。

本发明的基于静电感应给电的微细阵列电极及阵列孔的在线卧式电火花加工装置包括静电感应单极脉冲电源、专用卧式夹具、阵列电极专用夹具、精密数控工作台、机床丝架和机床电极丝，机床工作台和机床丝架分别安装固定在大理石水平基座上，阵列电极专用夹具固定在机床工作台上并与其绝缘，阵列电极专用夹具用于固定阵列电极方形棒料；阵列孔工件专用夹具固定在机床丝架前端并与其绝缘，阵列孔工件专用夹具用于固定阵列孔工件，电极丝连接在机床丝架上，用于加工阵列电极，阵列电极专用夹具在工作台的驱动下可以在机床电极丝和阵列孔工件附近作水平或垂直移动，静电感应单极脉冲电源对阵列电极及阵列孔的加工提供工作电源，静电感应单极性脉冲电源包括两个输出端子A，B，在加工阵列电极时，电极丝连接静电感应单极性脉冲电源的输出端子A，用于加工阵列电极的方形棒料连接输出端子B；在加工阵列孔时，阵列电极连接电源输出端子A，薄片工件连接输出端子B。

根据本发明，还包括为阵列电极和阵列孔的加工输送工作液的工作液油管。

根据本发明，在加工阵列电极时由专用夹具装夹阵列电极方形棒料，以实现方形阵列电极的加工；在加工阵列孔时采用专用卧式夹具装夹阵列孔工件以实现阵列孔的卧式加工。

根据本发明，机床电极丝选用直径30μm的钨丝。

根据本发明，机床工作台为压电陶瓷驱动，工作台分辨率为0.1μm。

本加工装置与现有的微细阵列电极和微细阵列孔加工装置相比具有以下优点：

(1)采用新型的静电感应给电电源，可以实现更为微细化的加工，可以实现稳定的加工，明显提高加工精度；

(2)首次实现了在微细电火花线切割机床上的微细阵列电极及阵列孔的一体加工，并采用阵列孔的在线卧式电火花加工，具有微细化加工能力强、加工稳定、精度高、可行性强、易于推广的特点；

(3)并且，电极损耗后可回到线切割加工区域进行在线实时修复，可提高阵列电极的利用率和阵列孔的加工精度；

(4)本装置的拓展性强，可集成微细电火花线切割、电火花在线卧式加工微细阵列孔、电火花卧式加工微小轴孔的加工，为微细电火花复合加工机床的开发提供了一种很好的解决方案。

附图说明

图1加工装置总体结构正视图；

图2加工装置总体结构三视图；

图3阵列电极及阵列孔加工区域三维图；

图4静电感应微细电火花线切割加工原理图；

图5a沟槽阵列加工方法示意图；

图5b方形阵列电极加工方法示意图；

图65×5微细阵列电极的加工实例；

图75×5微细阵列孔的加工实例。

具体实施方式

本发明的基于静电感应给电的微细阵列电极及阵列孔的在线卧式电火花加工装置总体结构如图1和图2所示，其中机床工作台5和机床丝架6都安装固定在大理石水平基座上，工作台5和丝架6保持很高的位置精度，机床工作台5为压电陶瓷驱动，工作台分辨率为0.1μm；阵列电极专用夹具4固定在机床工作台5上，阵列电极专用夹具4与机床工作台5绝缘，阵列电极方形棒料9固定在阵列电极专用夹具4上，并找正定位；阵列孔工件专用夹具3固定在机床丝架6前端，阵列孔工件专用夹具3与机床丝架6绝缘，阵列孔工件8固定在阵列孔工件专用夹具3上，并找正定位；电极丝7连接在机床丝架6上，静电感应电源1对阵列电极和阵列孔的加工提供工作电源，可以根据选择分别对对电极丝7和阵列电极方形棒料9或者阵列电极方形棒料9和阵列孔工件8供电；工作液油管2为阵列电极和阵列孔的加工输送工作液；机床电极丝7选用直径30μm的钨丝。

所述阵列孔工件专用夹具3与机床工作台5的X轴有足够的垂直度，与Y轴有足够的平行度。

由图3所示，所述阵列电极专用夹具4在工作台5的驱动下可以在机床电极丝7和阵列孔工件8附近作水平和垂直(X、Y方向)移动。

以微细电火花线切割加工微细阵列电极为例，其放电加工原理如图4所示。图中，C₁为给电电极和电极丝之间形成的电容，C₂为电极丝和工件之间形成的电容。具有一定脉冲宽度的脉冲电压V加载在进给电极和工件两端，并且在进给电极和电极丝之间要保证一定的距离以防它们之间出现放电和短路。在一个脉冲周期内，图4中的①③为静电感应充电过程，②④为放电过程。

本装置的具体实施包括两部分：微细阵列电极的制备和微细阵列孔的加工。

一、微细阵列电极的加工步骤

步骤1：在加工微细阵列电极前，如图1所示，电极丝7接电源输出端子A，阵列电极方形棒料9接电源输出端子B，构成正极性放电加工；

步骤2：阵列电极方形棒料9由工作台5移动到线切割加工的工作区域；

步骤3：机床按编好的程序利用静电感应微细电火花线切割在方形棒料9上进行第一步的沟槽阵列加工(如图5a所示)；

步骤4：阵列沟槽加工完成后，将棒料方形9在阵列电极专用夹具4上翻转90°后固定夹紧，进行第二步的阵列电极加工(如图5b所示)，至此完成阵列电极的加工。

微细阵列电极加工完成后继续保留在阵列电极专用夹具4上，以备微细阵列孔加工使用。

二、微细阵列孔的加工步骤

步骤1：在加工微细阵列孔前，如图1所示，阵列电极方形棒料9接电源输出端子A，阵列孔工件8接电源输出端子B，也构成正极性放电加工；

步骤2：手动将装夹微细阵列电极的工作台5移动到阵列孔工件8附近并保证微细阵列电极和阵列孔工件8之间留有0.5～1mm的间隙，由于加工的阵列电极非常微细，所以用工作台5的微驱动以每步1μm的速度逐步向阵列孔工件8靠近，同时用示波器观察微细阵列电极和阵列孔工件8之间的电压波形状态，当出现放电波形时即开始进行阵列孔的加工；

步骤3：进行阵列加工时，根据示波器监测的极间状态手动进行伺服控制，加工中工作台以每步0.1μm的速度移动，当极间开路时，手动控制工作台5单步进给，当极间出现短路时，手动控制工作台5单步回退；

步骤4：由于在加工过程中，微细阵列电极会出现损耗情况，所以需根据加工经验适当的将工作台5总体进给量大于阵列孔工件8厚度，这样即可完成微细阵列孔的通孔加工。

本装置中尚未加入静电感应的伺服控制***，加工过程中通过示波器测量的极间电压来监测极间放电状态。在加工阵列电极时，优化放电参数，并调整工作台的进给速度，得到能实现持续稳定的放电加工的工作台最大匀速进给速度。在加工阵列孔时，根据示波器监测的极间放电状态通过手动控制工作台的进给和回退以完成阵列孔的加工。由于静电感应电火花加工方法有利于实现稳定的放电状态，因此提高了微细阵列电极和微细阵列孔的加工效率和成功率。若进一步实现用于静电感应电火花加工的伺服控制，则有望进一步微细阵列电极和微细阵列孔的提高加工效率和加工质量。

经对比分析，静电感应电源的优点在于：

(1)静电感应电源可以避免机床及其放电回电路中的分布电容的不利影响，可得到更加微小的放电能量；

(2)在静电感应给电的微细电火花加工中，当一次放电完成之后，直到脉冲电源的极性变为反向之前不发生放电，该时间段可以认为是放电停歇时间，该时间段内极间温度下降，可以确保极间恢复绝缘，有利于放电状态的稳定；

(3)通过在工件和电极丝极间并联二极管可实现正极性放电，这除了可以减少电极丝的损耗之外，由于其充电过程不受上一次放电状态的影响，放电能量一致性很好，有利于实现稳定的加工，并有利于提高加工精度。

Claims (5)

1.一种基于静电感应给电的微细阵列电极及阵列孔的在线卧式电火花加工装置，其包括静电感应单极脉冲电源(1)、专用卧式夹具(3)、阵列电极专用夹具(4)、精密数控工作台(5)、机床丝架(6)和机床电极丝(7)，机床工作台(5)和机床丝架(6)分别安装固定在大理石水平基座上，阵列电极专用夹具(4)固定在机床工作台(5)上并与其绝缘，阵列电极专用夹具(4)用于固定阵列电极方形棒料(9)；阵列孔工件专用夹具(3)固定在机床丝架(6)前端并与其绝缘，阵列孔工件专用夹具(3)用于固定阵列孔工件(8)，电极丝(7)连接在机床丝架(6)上，用于加工阵列电极，阵列电极专用夹具(4)在工作台(5)的驱动下可以在机床电极丝(7)和阵列孔工件(8)附近作水平或垂直移动，静电感应单极脉冲电源(1)对阵列电极及阵列孔的加工提供工作电源，静电感应单极性脉冲电源(1)包括两个输出端子(A，B)，在加工阵列电极时，电极丝(7)连接静电感应单极性脉冲电源(1)的输出端子(A)，用于加工阵列电极的方形棒料(9)连接输出端子(B)；在加工阵列孔时，阵列电极连接电源输出端子(A)，薄片工件(8)连接输出端子(B)。

2.如权利要求1所述的加工装置，其特征在于，还包括为阵列电极和阵列孔的加工输送工作液的工作液油管(2)。

3.如权利要求1-2中的一项所述的加工装置，其特征在于，在加工阵列电极时由专用夹具(4)装夹阵列电极方形棒料(9)，以实现方形阵列电极的加工；在加工阵列孔时采用专用卧式夹具(3)装夹阵列孔工件(8)以实现阵列孔的卧式加工。

4.如权利要求1-3中的一项所述的加工装置，其特征在于，机床电极丝(7)选用直径30μm的钨丝。

5.如权利要求1-4中的一项所述的加工装置，其特征在于，机床工作台(5)为压电陶瓷驱动，工作台分辨率为0.1μm。

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