CN102216015A - 透过微电火花加工以加工零件的机械及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明关于一种透过微电火花加工以加工一零件的机械，其中所述机械之中具有一改变机械配置的机构，以使得本机械能够交替且可逆地自加工配置转移至一削尖配置，其中在削尖配置之中，相同蚀刻电极的尖端及另一电极***于一电解液池之中，用以透过电化学加工执行蚀刻电极的尖端的削尖。

Description

透过微电火花加工以加工零件的机械及方法
技术领域
本发明涉及一种透过微电火花加工以加工零件的机械及方法。
背景技术
电火花加工通常还为首字母缩写EDM所知。其小型化(微EDM或μEDM)根据蚀刻电极(在此，以下将还称作一微电极)的形状具有不同的变体。这些变体如下：
-开模微电火花加工，其中一具有与待加工的形状互补的形状的微电极沉陷于该零件之中。
-线微电火花加工，其具有一通过一往复运动循环或者驱动的导电线。
-透过使用一尖端电极或一管形电极的微电火花加工钻孔。
-铣削微电火花加工，称作铣削EDM。
铣削微电火花加工不一定意味着微电极或加工零件的一旋转运动。
这里，在以下的说明书中，不管何时提到“微电火花加工”，指的是一对应于铣削微电火花加工的技术。
现在的归档文件者知道透过微电火花加工一零件的机械，这些机械具有一加工配置，其中一蚀刻电极的尖端投入至一介电液池(绝缘)之中，待加工零件的一个面浸入于介电液用以透过微电火花加工执行该零件的加工。此尖端足够小以使得能够蚀刻横跨宽度大于10微米(μm)的所述面的凹槽。
为了加工复杂形状，该电极在自零件逐渐去除材料中运行一三维路径，这将透过一排屑方法中的微铣刀执行。差别在于去除材料的初步动作不为一机械作用而是由一电弧产生的热作用。切割动作为快速的。通过蚀刻电极与待加工零件之间的电弧跨越的空间填充介电液池获得冷却。此空间称作一“间隙”。
微电火花加工能够用于制造所有的导电材料(钢，钛等)及半导体材料(硅，碳化硅等)。其特别适合于不能够由传统方法加工的硬金属的加工。实际上，在电极与待加工的零件之间没有机械接触。
微电火花加工与先前技术的称为电化学加工(ECM)的电化学腐蚀方法的区别在于：需要在蚀刻电极与待加工的零件之间产生一主要的电压差。为了产生此电压差，介电液必须填充该间隙。相反，电化学加工以蚀刻电极与待加工的零件之间的电流促使的一氧化反应为基础。为了建立此电流，蚀刻电极与待加工的零件投入于一电解液池，即一导电液池之中。电化学腐蚀能够透过蚀刻电极与待加工的零件之间的电流或者电流在这两个零件之间释放产生。在透过电化学腐蚀加工零件期间，电极的磨损通常可以忽略，这与电火花加工方法中电极磨损不可忽略的情况不一样。
在透过微电火花加工铣削的情况下，电极沿着一加工路径行进以加工一零件的表面。本方法的巨大意义在于加工路径在相对于待加工的零件的面的高度上具有几种变化或者甚至可不连续变化。当加工路径在相对于待加工的面的高度上具有几种变化时，在此叫做三维加工。三维加工透过形成其深度相对于零件的所述面在平台中变化的印痕、孔或非通孔凹槽执行。这可透过计算机辅助设计获得的数字定义直接得到，由此防止制造复杂及昂贵工具(例如对于开模微电火花加工的情况)的制造。一般而言，高形状因子(钻孔深度与钻孔直径的比率)能够透过该方法获得，典型的形状因子为大于10或100。
正如以下可以看出，电极的制造限制本方法的发展同时电平应用非常大。实际上，按照原则，微电火花铣削可能展望例如：
-工具的加工：
-用于微塑料加工的硬钢模具
-微冲压的主模具
-透过热模压印或微热模压的金属印痕
-微零件的加工：
-由极硬材料制造的微涡轮
-微热交换器
-由钛制造的医疗零件(例如微支架)
-柴油机喷嘴等。
特别地，在微纳米技术领域，铣削微电火花加工用以在很高分辨率，以及低成本的条件下加工本领域中很少使用的材料(钛，碳化硅(SiC)、钻石等)。而且，通过微技术(聚焦离子束(FIB)、活性离子蚀刻(RIE)等)的传统技术以加工具有高形状因子的半导体材料非常困难，此种情况下使用的主要技术由通过首字母缩写词LIGA(Lithografie Galvanoformung Abformung or Lithography Electroplating and Molding)表示的技术指定，其非常昂贵。甚至不可能使用这些技术执行深度连续变化的加工(光刻遮罩的数目一直在微技术中有限制)。因此，假定容易使用具有充分精细的尖端，即，小于10微米(μm)直径的电极，甚至硅加工能够自铣削微电火花加工中获得益处。
现在，在先前技术之中，透过微电火花加工以铣削的电极为具有超过20-40微米(μm)直径的线、尖端或管形，实际上，这些微电极透过机械加工(例如研磨)，透过逆电荷加工或透过循环线电极的微电火花加工制造的更好。特别地，在透过微电火花加工穿孔的情况下，原理上的实证已经制造出具有5微米(μm)的电极，但是本原理不延伸至复杂形状的加工。最后，在线微电火花加工的情况下，因为机械强度问题，线的直径实践中限制为20微米(μm)。
用以执行微电火花加工的蚀刻电极非常小。这些电极在微电火花加工期间变得磨损。因此它们需要频繁地替换。因为这些电极的小尺寸及脆性，这些电极的替换工作为一复杂的任务。举例而言，在每一加工操作之后，这些电极的替换透过手动执行。因此，替换这些电极的困难操作限制使用微电火花加工的当前加工工具的生产率。
发明内容
本发明通过提出一种具有小于10微米(μm)分辨率及提高生产率的加工机械，用以减少先前技术的缺陷。
因此本发明的一目的为一种微电火花加工的机械，其中所述机械之中具有一改变机械配置的机构，以使得本机械能够交替且可逆地自加工配置转移至一削尖配置，在削尖配置之中，相同蚀刻电极的尖端及另一电极***于一电解液池之中，用以透过电化学加工执行蚀刻电极的尖端的削尖。
在以上机械之中，因为电极不需要自微电火花加工机械上卸下，因此所述电极以较少频率替换。因此本特征限制替换蚀刻电极的操作，因而增加了该机械的生产率。
而且，通过电化学加工削尖使得尖端具有的直径范围自10纳米(nm)至10微米(μm)，通常为自100纳米(nm)至1微米(μm)。因此，可能实现具有小于10微米(μm)的分辨率的加工。
此机械的实施例可包含一个或多个以下特征：
-所述机械具有一容纳介电液池的第一容器以及一容纳电解液池的第二容器，以及所述机构能够在第一容器与第二容器之间传输蚀刻电极，用以将加工配置转移至削尖配置且反之亦然；
-所述机械具有一容纳介电液池的第一容器以及一容纳电解液池的第二容器，以及所述机构能够相对于蚀刻电极移位第一容器及第二容器，用以将加工配置转移至所述削尖配置且反之亦然；
-所述机械具有一同时容纳介电液及电解液的池的同一容器，这些池具有不同的质量密度且不可混溶以使得这些池能够重叠，一个位于另一个之上；
-所述机械包含有一驱动器，在加工配置中，驱动器能够垂直于零件的待加工面移位蚀刻电极，用以调节此电极的尖端与待加工面之间的一间隙的宽度，并且所述同一驱动器在削尖配置中，能够垂直于电解液池的表面移位蚀刻电极；
-所述机械包含有：
-一可控驱动器，其在加工配置之中，能够移动垂直于零件的待加工面移位蚀刻电极，用以调节本电极的尖端与待加工面之间的一间隙的宽度，
-一此尖端的形状的传感器，以及
-一控制单元，其能够：
自形状传感器的测量确定尖端的磨损，以及
作为确定磨损的一功能，指挥驱动器以调节所述间隙的所述宽度。
微电火花加工工具的这些实施例具有以下优点：
-使用一在介电液池与电解液池之间传输蚀刻电极的机构，使得能够以简单的方式改变所述机械的配置，
-相对于电极移位介电液池及电解液池，使得还可能以简单的方式改变机械的配置，
-在同一容器中，彼此一个放于另一个之上的介电液及电解液池，简化所述机构自加工配置转向削尖配置且反之亦然，
-使用同一驱动器，用以在加工期间调节间隙的宽度且相对于电解液池的表面移位电极，可减少机械的制造成本，
-使得间隙宽度适应于电极尖端的磨损，以提高三维加工的精确度。
本发明的另一目的还关于一种利用微电火花加工的可配置机械，透过微电火花加工零件的方法，此方法包含在以下两者之间交替且可逆地改变一机械配置的一机构的动作：
-一加工配置，其中一蚀刻电极的尖端投入至一介电液池之中，此介电液浸入有一待加工面，用以透过电火花加工执行本零件的一加工，所述尖端足够小以能够蚀刻横跨宽度小于10微米(μm)的面中的凹槽，以及
-一削尖配置，其中相同蚀刻电极的尖端及另一电极***于一电解液池之中，用以透过电化学加工执行尖端的削尖。
本方法的实施例可包含有一个或多个以下特征：
-本方法包含：
-测量尖端的形状，
-自这些测量中确定尖端的磨损，以及
-只要确定的磨损越过一预定临限值，执行自加工配置至削尖配置的自动传输。
-在转移至加工配置之前，该方法包含：
-测量尖端的形状，
-将测量形状与一预定模板相比较，以及
-如果所述形状包含于预定模板之中，允许转移至加工配置，并且，如果没有包含于预定模板之中，则禁止转移至加工配置。
-本方法包含：
-测量尖端的形状，
-自其形状的测量确定尖端的磨损，以及
-作为确定磨损的一功能，调节尖端与待加工面之间的一间隙的宽度。
此种微电火花加工方法的实施例此外还具有以下优点：
-在加工过程期间至少检验一次电极的磨损，有利地，执行几次该检验防止在加工一零件时使用有缺陷的电极。
-作为尖端的确定的磨损的一功能，启动电极的尖端的削尖，使得仅当需要时实现尖端的削尖，
-只要当尖端的形状位于一预定模板中时，运行通向加工配置，用以防止使用有缺陷的电极加工零件。
附图说明
图1为本发明一用于微电火花加工的机械的透视图；
图2为通过利用图1中的机械的一微电火花加工方法的流程图；
图3至图8为在图1的机械的一蚀刻电极的削尖之中，不同阶段的示意图；
图9为利用图1的机械执行一三维加工的示意图；
图10为本发明的另一实施例的用于微电火花加工的机械的局部示意图。
其中，附图标记说明如下：
Figure BPA00001372845200061
Figure BPA00001372845200071
具体实施方式
附图之中，相同标号表示相同的元件。
在以下的描述中，将不详细描述本领域的技术人员所知悉的特征及功能。
图1表示一用于微电火花加工一零件4的机械2的示意图。机械2为可配置。其能够自一加工配置通向一削尖配置且反之亦然。在加工配置之中，该机械能够用以加工零件4。在削尖配置之中，机械2能够用以削尖一蚀刻电极。在本实施例之中，为了自加工配置转向削尖配置，一蚀刻电极能够自一加工位置转移至一削尖位置。在图1之中，该机械表示处于其加工配置。
这里，零件4为一由半导体或导电材料制造的平行六面体基板。举例而言，此半导体材料可为硅或磷化铟(indium phosphide，InP)等。导电材料可为钢、碳化硅、钛等。
零件4具有一待加工的水平顶部面5。
零件4以没有任何自由的程度附加于一可移动基板保持件10。举例而言，零件4夹持于停止件6与8之间，停止件6及8用以将零件保持于基板保持件10之上。
基板保持件10能够相对于一水平操作面12水平移位。为此，机械2具有多个平移运动马达，例如，压电驱动器14及16，其能够在两个方向X及Y，即水平及垂直方向上分别移动基板保持件10。这些压电驱动器14及16为可控制。这里，压电驱动器14及16具有小于或等于3纳米(nm)的分辨率。它们具有一位置传感器，用以将基板保持件10的绝对位置控制在6纳米(nm)之内。
为了简化说明，我们的主要实例为堆叠或不堆叠有机械放大器的压电陶瓷的压电驱动器。这些压电驱动器例如在厂商Physik Instruments(http://www.physikinstrumente.com/)的技术资料的中有描述。
零件4投入于一容器18中容纳的介电液的池19(图9)之中。容器18的垂直壁包围零件4以使得面5浸入于池19之中。在图1之中，为了零件4可见，仅表示出零件4之后的容器18的垂直壁。
容器18之中容纳的介电液为一绝缘液体，即，其电阻率必须大。“大电阻率”指定为大于0.1MΩ.cm且较佳大于1MΩ.cm的电阻率。举例而言，这里的介电液为以下文章描述的大于1MΩ.cm的电阻率的去离子水：
Do Kwan Chung，Bo Hyun Kim与Chong Nam Chu，“Micro-electrical Discharge Milling using Deionized Water as a Dielectric Fluid”，微观力学及微工程学期刊vol 17(2007)867-874.
较佳地，介电液的电阻率将尽可能大。实际上，电阻率越大，一蚀刻电极与面5之间的间隙越小且加工越精确。
机械2具有一蚀刻的电极20，电极20在其自由端一侧具有一尖端22.
当机械2如图1所示处于其加工配置时，尖端22的端部透过宽度为L的间隙与零件4的面5相分离。此间隙应该宽至电绝缘面5的尖端22。此间隙还应该足够小，以使得当一电压差提供于电极20与零件4之间时，此间隙中能够产生一电弧。电极20在这里透过在面5中的电火花加工用以执行三维加工。为此，电极20沿着面5之上的长划线24表示的加工路径行进。
图1还表示一利用电极20在面5之中已经蚀刻的槽26。此槽的高度可具有连续或不连续的变化。图9表示高度的连续变化。该路径还可具有不连续的变化，例如在加工槽26之后，能够添加的一可能在零件的另一面上展现的垂直孔。
尖端22具有一高形状因子，即，大于10的形状因子。这里用语“形状因子”指定为尖端22的长度与其自由端附近的宽度之间的比率。长度为自尖端22的远端开始朝向相对一端测量的长度。长度测量允许在尖端直径10％变化之中。通常，形状因子的范围自10至100。尖端的高形状因子还能够使得待蚀刻的零件4具有带有高形状因子的图案。在10％的变化标准之内包含的全部长度能够用作加工。
这里，电极20设计为能够在零件4之中蚀刻凹槽，其交叉的厚度范围自10纳米(nm)至10微米(μm)，通常为自100纳米(nm)至1微米(μm)之间。待蚀刻的最小凹槽的宽度决定尖端22的直径。实际上，此直径必须比待蚀刻的最小凹槽的横跨宽度更小。
这里，电极20的与尖端相对的部分通常为圆柱形。举例而言，该部分的直径位于100至500微米(μm)的范围内，通常为250微米(μm)，以使得全部尖端具有充分的机械价值。显然，当自此部分朝向削尖部分移动时，电极的直径减少，具有一既不用作削尖也不用作加工的过渡带。举例而言，电极20的总长度为1厘米(cm)。
理想地，尖端22的端部具有仅几个原子的厚度。为此，使用图3至图8描述的方法。作为削尖方法的更多的信息，可参考以下属于较远技术领域，即，原子力显微镜或扫描隧道显微镜的文件：
J.P.Ibe，J.P.P.Bey，S.L.Brandow，R.A.Brizzolara，N.A.Burnham，D.P.，DiLella，K.P.Lee，C.R.K.Marrian，以及R.J.Colton，″On the electrochemical etching of tips for scanning tunneling microscopy，″真空科学与技术期刊A：真空、表面、以及薄膜vol.8，pp.3570-3575，1990.
电极20例如可由铂铱(PtIr)或钨(W)制造。
在电弧出现于尖端22与面5之间的每一时间，材料的小颗粒自零件4释放。在加工过程期间，物质的小颗粒能够保持于此间隙之中。现在，这些颗粒由与零件4相同的材料制造，即，由一半导体或导体材料形成。因此其能够局部改变尖端22与面5之间的介电液的导电性。
为了减少此现象，需要更新介电液。为此，机械2具有一装置30用以将介电液注入于间隙的附近。该注入装置用以释放间隙中存在的半导体或导电颗粒。因此注入装置30能够至少部分恢复间隙中介电液的低导电率。举例而言，广泛而言，注入装置30可由一控制泵32及一管34形成，管34能够朝向间隙注入透过控制泵32抽取的介电液。
电极20的与尖端22相对的端部保持为垂直且在心轴36之中没有任何自由的程度。心轴36固定安装至一面板38。面板38能够在垂直于X及Y轴的Z方向上单独移动。为此，举例而言，面板38的一端安装为，使得以便在一垂直的结构部分42中的一垂直滑道40之中滑动。
一固定安装于结构部分42的可控制驱动器44，用以将面板38自顶部至底部移位。举例而言，驱动器44为一压电驱动器，其分辨率小于或等于3纳米(nm)。
多个驱动器39还透过分别围绕XYZ坐标系的各轴X、Y及Z旋转θX、θy、θz用以调节电极20的倾斜及定向。举例而言，这些驱动器封装于面板38与心轴36之间。
为了使得机械2自其加工配置转向其削尖配置，其具有一将电极20自其加工位置传输至削尖位置的机构，而不需要拆下此电极。而且，这里，此机构还能够使得电极传输至一计量单元。
现在为止，已经描述了加工位置。以下将描述削尖及计量单元。
用以改变机械2的配置的该机构包含有一底座45，底座45围绕一垂直轴46可旋转安装且固定安装至操作面12。结构部分42没有任何自由程度固定于底座45。而且，底座45围绕轴46的旋转透过一可控制驱动器48控制。
因此，当底座45围绕轴46枢轴转动时，电极20描述一水平的圆弧50的轮廓。圆弧50示意性表示于操作面12之中。
这里，当电极20沿着圆弧50自右向左移位时，电极20首先遇到计量位置及然后到达削尖位置。
计量位置已表示于价格位置与削尖位置之间，用以简化图1的图解。有利地，此计量位置定位于加工位置的上方，以使得单独利用驱动器44自加工位置通向计量位置且反之亦然。
计量位置包含有尖端22的位置、定位以及形状传感器。用语“形状传感器”这里指定一能够测量表示尖端的一几何特性的至少一个物理量的传感器，用以确定尖端上的磨损。有利地，形状传感器还能够测量尖端22的直径，其形状因子及过渡带的高度。定位传感器用以确定电极相对于待加工零件的XYZ坐标系的轴线以及相对于的电解液的自由表面的倾斜。位置传感器用以定位在XYZ坐标系中尖端22的最远端的位置。
这里，这三个传感器使用一具有很高分辨率的单个摄像机54制造。用语“很高分辨率”在此表示一其像素具有小于0.5微米(μm)且较佳小于0.3微米(μm)的摄像机。摄像机54具有一邻近圆弧50定位的物镜56，以使得当电极20位于计量位置内部时，其能够记录尖端22。摄像机在紧固安装于操作面12的XYZ坐标系中的位置固定且已知。因此，透过摄像机54记录的一影像的每一像素的坐标能够表示于XYZ坐标系之中。以下将结合图2更详细描述摄像机54的工作。
削尖位置使得一具有10纳米(nm)至10微米(μm)，通常为100纳米(nm)至1微米(μm)直径的电极，能够快速，即，小于30分钟之内，并且自动及低成本准备。
为此，削尖部分包含有：
-一容纳有电解液的池62的容器60，以及
-一浸入于电解液的池62之中的电极64。
举例而言，此电解液的池62为一盐水(NaCl)池。
机械2还具有一电源66，其完全可控制且为加工及削尖位置共有。举例而言，此电源66能够具有以下行为：
-在削尖配置中，作为一在可调电压范围内的直流或非直流电流发生器，以当这些电极浸入于电解液的池62中时，影响电流在电极20及64之间的电流循环，以及
-在加工配置之中，作为一在电流可调节范围内的直流或非直流电电压发生器，用以产生当电极20浸入于池19之中时，足以激发在尖端22与面5之间出现电弧的电压差。
为此，电极20及64与零件4电连接至电源66。为了简化图1，已经省去电极20与电源66之间的电连接。
电源66还能够测量电极20与零件4之间，以及或者，电极20与64之间的电压差及电流强度。
最后，机械2具有一指挥驱动器14、16、39、44以及48的控制单元70。此控制单元70还能够控制电源66且获得透过摄像机54测量的信息。为了简化图1，没有全部表示出控制单元70与不同受控零件之间的连接。
控制单元70利用可编程电子计算机制造，此可编程电子计算机能够执行记录于信息存储介质上的指令。举例而言，为此，控制单元70连接与一存储器72相连接，存储器72容纳有一执行图2方法需要的不同指令。而且，这里，存储器72包含有一储存电极20的预定路径的文档，以获得零件4的期望的三维加工。
举例而言，此电子计算机在这里为一装备有一中央处理单元74及透过一屏幕76及一键盘78形成的人/机械界面的计算机。
现在将结合图2表示的方法描述该机械的工作。
我们将具有一最初直径Φ的电极的最初长度称为D。例如D＝1cm且Φ＝250um。最初，机械2进入其削尖配置。例如，在一步骤90之中，控制单元70指挥驱动器44及48将电极20向上传输至削尖位置。然后，这些驱动器控制为使得电极20的自由端浸入于池62之中，以使得电极的具有一高度为δ的第一段与电解液相接触。具有高度为δ的该段对应于电极覆盖未来尖端的部分、电极通向直径Φ的过渡带以及一安全余量。举例而言，对于未来尖端直径为1微米(μm)，高度δ数量级为50至100微米(μm)。当电极20的自由端浸入于池62之中时，机械2认为处于其削尖配置中。
一旦机械2处于其削尖配置中，机械2执行一削尖电极20的步骤92。以下，将描述称为“掉落”方法的削尖方法，如同以下特别的描述：
A.J.Melmed，“The art and science and other aspects of making sharp tips，”J.Vac.Sci.Technol.B，vol.9，pp.601-608，1991。
因此，举例而言，在一操作94期间，控制单元70命令电源66在电极64与电极20之间提供一电流。因此，电极20的细化较佳在透过围绕电极20的池62形成的弯月面96(请参阅图3至图8)出现。
在操作94期间，变细具有一高度δ的片段的不同连续阶段在图3至图8之中有表示。由于电流在电极20及64之间的循环的电化学加工在弯月面96相比较于其他地方更迅速削尖电极20。因此，电化学加工逐渐在弯月面96逐渐腐蚀电极20，直至具有一高度δ的片段的最远端自其主体分离(图8)。在分离之后，电极20的底端形成为一尖端形状。该尖端非常细且可在其远端具有仅几个原子的宽度。因此形成尖端22。
如有必要，随同操作94，在一操作98期间，指挥驱动器44以便逐渐将电极20向上移位。操作98给出一更加拉长的尖端。使得驱动器94拉长尖端22的进一步细节例如在以下的文章中给出：
S.H.Choi S.H.Ryu D.K.Choi C.N.Chu，《Fabrication of WC micro-shaft by using electromechanical etching》，Int.J.Adv.Manuf.Technol(2007)，第682-687页。
一旦完成削尖步骤92，在一步骤100，指挥驱动器44及48以将尖端22向上移动至计量位置。
当尖端22位于计量位置时，在步骤102之中，测量尖端22的形状、位置以及倾斜。举例而言，在一操作104期间，命令驱动器44及48以放置尖端22以便正确面对物镜。然后在操作104期间，摄像机拍摄尖端22，必要时使得尖端移动，以及将拍摄的影像传输至控制单元70。每一影像为尖端22的形状、位置以及定位的测量。
然后，在一操作106期间，控制单元70在命令驱动器39当中，随意纠正电极的空间定向。
在一操作107期间，确定尖端22的最远端的位置链接至心轴36的位置的空间关系。举例而言，电极20应该完全垂直，此空间关系能够减少心轴20的参考点与尖端22的最远端之间的一长度l0。在操作107期间，此长度非常精确地测量。在操作107期间，接受到的影像经过处理以确定尖端22的轮廓。也处理心轴在XYZ坐标系中的参考点的位置。参考点的位置例如自驱动器44及48的状态中获得。
然后，在一操作110期间，控制单元70将确定的尖端22轮廓与一个或多个模板相比较。如果确定的轮廓在模板之外，然后该方法转向步骤90。因为，这意味着在步骤92期间在削尖电极20中出现的一缺陷的程度使得此电极不能够精确加工零件4。此种情况下，电极例如***至电解液之中高度为δ的一另外段。因此，不需要机器操作者必须操纵电极，能够执行重新削尖操纵的D/δ操作。
如果电极的轮廓符合模板，然后该方法继续执行一步骤112用以命令驱动器44及48使得机械2进入一加工配置。在加工配置之中，尖端22浸入于加工位置的介电液的池19之中。
一旦机械位于加工配置，开始一加工步骤114.
举例而言，在一操作116期间，命令驱动器14、16、44以及48将尖端22定位于零件4的加工路径的开始点之上。
然后，在一操作118期间，一电压差提供于电极20与驱动器44之间。较佳地，电极20接地且一正电压提供于零件4。透过一由晶体管(具有一有限输出电阻，有利地调节以便限制及控制强度)驱动的发电机可直接获得该电压差。还能够间接利用一张弛振荡器装置中的电容器获得。还可能使用组合装置。通常，工作电压的差别实验性地在0.1与200伏特(V)之间调节。特别地，随电极的本性、尖端的直径、其精确形状(曲率半径)、间隙值、介电质本性、在加工期间如果变化时电极的导电性以及待加工的零件的本性(物理性质、导热性、热容量、导电性等)变化。举例而言，10伏特(V)的电压差可能加工具有1微米(μm)(电介质为去离子水)的钨尖硅。为了加工具有相同尖端的不锈钢，作用30至100伏特(V)的电压比较有利。
一旦电极20相对于零件4偏斜，在一操作120之中，指挥驱动器44使得尖端22逐渐更加靠近面5。由于且当尖端22靠近面5时，产生电弧。这些电弧的电特性被监视以侦测第一有效电弧用以加工零件4的面5。
当一电弧能够在该间隙附近蚀刻零件时，认为此电弧有效。具有不同的方法快速决定是否一电弧有效(在操作期间比较有利，以便不中断该方法且以便能够稳定加工)。举例而言，当在透过晶体管驱动的电源的情况下，测量该间隙的电流时，或者在电源根据电容器放电的情况下，追踪在电极下降期间的电压差时。在后一种情况下，任何电压差的突然变化通常对应于导致腐蚀的能量有力的转移。其他量能够用以限制电弧(在电弧、光能等期间产生的无线电频率等)。
为了明确，不同于非蚀刻放电的情况可对应于导致一短路(其必须命令式地侦测，以防止电极尖端的劣化)的机械接触，导致对应于电极太远离零件的开电路或者导致阻止加工的在间隙中电泄漏。
尽管如此，当侦测到第一有效电弧时，尖端22的最远端的高度z1在一操作122期间，透过一计算机记录，例如利用整合于驱动器44中的一位置传感器记录电极的位置。然后高度z1用作电极20垂直移动的起始点。
然后，在一操作124之中，开始零件4的适当加工。然后其必需：
-继续垂直推进电极，特别用以补偿由于零件的腐蚀或者可能电极的腐蚀引起的间隙增加，
-横向与/或垂直移动电极以加工零件，
-当在提供一特别电压差的同时，执行这些操作。
举例而言，当提供一电压差时，在一操作124期间，零件4在X或Y方向移位，以使得尖端22沿着预定路径加工。同时，在一操作126期间，电极20在方向Z移位以将零件加工到期望深度。这里，加工深度在操作122期间相对于位置z1确定。
为了获得准确加工，需要适应放电的产生速率、电介质的更新速率、移动速度以及电极的穿透速度及因此特别为间隙的改变。为此，本发明采取循环用以控制电压差，特别是电压差提供的持续时间以及***的静止的持续时间。持续时间通常用以在一操作128期间恢复电介质条件。在本操作之中，间隙中存在的介电液的最初介电性质可恢复。实际上，这些介电性质由于且当在每一电弧之后，加工时，导电或半导电颗粒释放于此间隙中且因此改变电极20与零件4之间的导电性而劣化。有利地，为了恢复原始介电条件，电极20制造为以几十至几百纳米的振幅自顶至底振动。同时，有利地，零件4也制造为振动。零件4的这些振动透过在其水平面中移位获得。最后且并行，介电液流利用管34注入于间隙之中，以清洗可能在本间隙中存在的导电及半导电颗粒。
定期地，执行一步骤136以命令驱动器44及48将电极20引入计量位置。然后，在步骤140之中，决定尖端22的磨损。例如，在操作142之中，尖端22的形状再次利用摄像机54测量。获得的影像传输至控制单元70。
在一操作144期间，控制单元70然后确定尖端22的最远端的位置链接至心轴36的位置的新空间关系。例如，操作144等同于操作104。在操作144的结束测量的长度标记为l’0。
然后，在一操作148期间，尖端的磨损透过以下差Δ给出：
Δ＝l0-l’0
然后，在步骤150之中，控制单元70进行一检查以决定是否所确定的损耗要求电极20重新削尖。例如，在步骤150，Δ表示尖端22的磨损相比较于一预定临限值S1，如果通过临限值S1，然后控制单元70自动激发机械2配置的改变且通向削尖配置。这对应于返回至步骤90。
如果不是这样，该方法返回步骤140以加工一新零件或者零件4的面5的一新部分。然而，在返回至步骤114之前，在步骤152之中，作为差值Δ的一功能，起始高度z1修改。例如，一新的高度起点z’1考虑到电极20的垂直位移透过以下关系定义：
z’1＝z1-Δ
因此，在加工零件4的下一操作期间，间隙的宽度L作为差值Δ的一个功能调节。这样可能不通过操作116至122直接执行操作124。
在此可注意到，当该方法返回至步骤90时，尖端22在前一高度之上的一新高度δ，浸入至池62之中。因此，再重新削尖操作期间，电化学蚀刻最终将尖端22自电极20的主体上分离，形成一全新的适用于下次加工的操作尖端。
在全部路径移动完之后加工步骤114停止。
图9表示利用机械2执行的三维加工的一实例。在本实例之中，待加工本形状的三维剖面具有两个平台，分别为深度h1及h2。深度h1及h2分别相对于面5在方向Z上测量。为了加工深度h1的平台，控制单元70命令驱动器44，当尖端22位于高度z1-h1时停止加工。类似地，在高度h2的步骤，当电极20位于高度z1-h2时，透过停止蚀刻面5获得。在随后的加工操作期间，只要尖端的损耗不超出临限值S1，高度z’1代替z1使用。
图10表示一微电火花加工的机械170。为了简化图10，仅仅表示出加工及削尖位置的一部分。
机械170除了自加工配置至削尖配置且反之亦然，仅仅需要Z方向的一个垂直位移之外，与机械2相同。为此，容器18透过一容器171取代，容器171包含有一介电液的池172以及一电解液的池174。介电液的池172的质量密度与电解液的池174的质量密度不相同。而且，池172与池174不混溶使用。举例而言，在图10之中，池172的密度大于池174的密度。在这些条件中，池174定位于池172之上且与池172直接相接触。零件4且特别是零件4的面5浸入于池172之中。
机械170的操作模式与机械2相类似。更特别地，在使用电极20加工面5期间，尖端22浸入于池172之中。当尖端22需要重新削尖时，心轴36向上垂直移位且将尖端22引入至池174之中。然后能够发生透过电极20的电化学腐蚀的重现削尖。
在机械170之中，不需要结构部分42可旋转地安装于操作面之上。驱动器48能够省去。类似地，省去容器60。
还可能具有许多其他的实施例。例如，介电液可为一气体且非液体。介电液还可以为纯净水或混合有乙醇的水。介电液还可为任何其他的在电火花加工中使用的电介质，特别为一碳氢化合物。
在图10的实施例之中，介电液的密度能够比电解液的密度更小，以使得电解液池定位于介电液池之下。
尖端22的形状、位置以及定位的测量能够透过彼此独立的装置进行。这些装置可另外部分或全部整合于加工位置或削尖位置之中。因此测量能够不使用摄像机及计量位置进行且能够省去计量位置。举例而言，形状及位置能够透过尖端22与一参考面之间的机械或电接触测量。有利地，尖端22的位置及形状还能够透过将尖端22逐渐靠近于一导电参考面直至出现隧道效应测量。当隧道效应出现时，虽然尖端22不与导电面接触，但是一电流出现于这两个元件之间。电特性且特别是电流强度使得尖端相对于导电面的位置估计，不需要这两个零件之间的任何接触。较佳地，在这些后面的实施例中，电源66提供一很弱、非腐蚀与/或非削尖的电信号，使得透过电极与待加工的零件与/或电解液的表面之间的电侦测(或透过隧道效应的靠近)侦测机械接触。
一另外的具有平行于Z轴视线的摄像机还能够用以自底部拍摄尖端22。因此，如果电极20倾斜，电极的纵向平移运动透过尖端的水平位移表示。水平位移的幅度与电极20的倾斜成比例。
无接触测量测量尖端22形状的其他方法能够例如在以下文章中描述的方法中实现：
H.S.Lim，S.M.Son，Y.S.Wong，M.Rahman，《Development and Evaluation of an on-machine optical measurement device》，International Journal of Machine Tools and Manufacture 47(2007)，第1556-1562页。
也可能使用其他全部根据电化学蚀刻(使用具有不同循环比的各级电信号、斜坡、脉冲等非直流电源)的削尖方法，。
在尖端22的一个新削尖期间，还可能仅将尖端的最远端浸入，以便重新削尖。
这里描述的机械不限制于三维加工。本机械还可以特别适用于简单的加工操作，例如制造通过一面板的多个过孔。此种情况下，本机械能够简化。实际上，不再需要确定尖端的磨损且能够省略。
对于改变加工机械配置的机构具有很多其他可能的实施例。举例而言，可能相对于在XYZ坐标系中的一固定电极，移位介电液及电解液的路径。例如，在本实施例之中，容器18及60安装于围绕轴46旋转的一托盘上，且结构部分42以没有任何自由程度围绕操作面12旋转。因此，在本实施例之中，电极20不再移动，而是不同的位置，即加工位置、计量位置以及削尖位置移动。电极相对于加工及削尖位置的相对运动能够为线性且非圆形。
在另一变化实施例之中，该机械仅具有一个能够交替接收介电液及电解液的容器。为此，此容器提供有一可控制阀，阀首先排出容器中存在的现有液体且其次，利用另一池再次填充此容器。因此，在本实施例之中，在加工配置中，该容器包含有一介电液池。在削尖配置中，相同的容器包含有一电解液池。
再次，在再一实施例之中，能够使得自加工配置转移至削尖配置且反之亦然的机构将介电气体按照充分有力的方式朝向间隙注入，用以在此气体的压力状态下清洗电解液池。当气体流中断时，电解液池再次占据间隙，以使得能够发生透过电化学蚀刻的削尖。
代替堆叠的压电驱动器，能够设想其他的压电驱动器，例如那些根据粘滑操作的压电驱动器。实际上，这些其驱动原理根据在两个目标之间的相对滑动期间观察的急跳运动的装置，为一个在成本、移位精度以及行程之间的一个折中。当加工分辨率未达到10纳米(nm)时，特别当分辨率的范围自100纳米(nm)至1微米(μm)时，也可能具有其他的变体。例如，可能在同一平移轴之上，具有一压电驱动器及一电动马达以便将运动与获得高分辨率的行进值(通常10至100纳米(nm))的优点相结合。有利地，在一纯压电轴或一通常光学规则的情况下，采用一运动传感器，例如一电容传感器或一应变计。
尖端22与面5之间的介电液的更新能够透过其他方法获得。例如，以下的方法能够单独或相结合使用：
-例如利用一旋转心轴，使得蚀刻电极旋转，
-例如利用一压电驱动器，使得蚀刻电极振动，
-全部更新容器18中的液体。
作为示例，这些方法在以下文件中描述：
L.Bianchi and E.Rigal，″Usinage par électro-érosion，″(Electrical Discharge Machining)in Techniques de l′Ingénieur，vol.B7310.巴黎，1987，pp.24。
用以调节尖端22与面5之间的间隙宽度的确定损耗的使用，能够与自加工配置转移至削尖配置的结构无关。特别地，如此的一调节间隙的方法能够在一用于电火花加工的机械中实现，不需要改变该机械的配置的一机构。

Claims (10)

1.一种透过微电火花加工以加工零件的机械，所述机械具有一加工配置，其中一蚀刻电极的尖端投入至一介电液池之中，所述介电液浸入有所述零件待加工的一个面，用以透过电火花加工执行所述零件的加工，所述尖端足够小以能够蚀刻横跨宽度小于10微米的所述面的凹槽，
其特征在于，所述机械包含有一机构，其能够改变所述机械的配置以使得其交替且可逆地自所述加工配置转移至一削尖配置，其中在所述削尖配置之中，所述相同蚀刻电极的尖端及另一电极***于一电解液池之中，用以透过电化学加工执行所述尖端的削尖。
2.如权利要求1所述的透过微电火花加工以加工零件的机械，其中所述机械具有一容纳所述介电液池的第一容器以及一容纳所述电解液池的第二容器，以及其中所述机构能够在所述第一容器与所述第二容器之间传输所述蚀刻电极，用以将所述加工配置转移至所述削尖配置且反之亦然。
3.如权利要求1所述的透过微电火花加工以加工零件的机械，其中所述机械具有一容纳所述介电液池的第一容器以及一容纳所述电解液池的第二容器，以及其中所述机构能够相对于所述蚀刻电极移位所述第一容器及所述第二容器，用以将所述加工配置转移至所述削尖配置且反之亦然。
4.如权利要求1所述的透过微电火花加工以加工零件的机械，其中所述机械具有一同时容纳介电液及电解液的所述池的同一容器，这些池具有不同的质量密度且不可混溶以使得这些池能够重叠，一个位于另一个之上。
5.如上述权利要求任意一项所述的透过微电火花加工以加工零件的机械，其中所述机械包含有一驱动器，在所述加工配置中，所述驱动器能够垂直于所述零件的待加工面移位所述蚀刻电极，用以调节此电极的尖端与待加工面之间的一间隙的宽度，并且其中所述同一驱动器在削尖配置中，能够垂直于所述电解液池的所述表面移位所述蚀刻电极。
6.如上述权利要求任意一项所述的透过微电火花加工以加工零件的机械，其中所述机械包含有：
一可控驱动器，其在所述加工配置之中，能够移动垂直于所述零件的待加工面移位所述蚀刻电极，用以调节本电极的所述尖端与待加工面之间的一间隙的宽度，
一此尖端的形状的传感器，以及
一控制单元，其能够：
自所述形状传感器的测量确定所述尖端的磨损，以及
作为所述确定磨损的一功能，指挥所述驱动器以调节所述间隙的所述宽度。
7.一种利用微电火花加工的可配置机械，透过微电火花加工零件的方法，其特征在于，所述方法包含在以下两者之间交替且可逆地改变一机械配置的一机构的动作：
一加工配置，其中一蚀刻电极的尖端投入至一介电液池之中，所述介电液浸入有一待加工面，用以透过电火花加工执行本零件的一加工，所述尖端足够小以能够蚀刻横跨宽度小于10微米的所述面中的凹槽，以及
一削尖配置，其中所述相同蚀刻电极的尖端及另一电极***于一电解液池之中，用以透过电化学加工执行所述尖端的削尖。
8.如权利要求7所述的利用微电火花加工的可配置机械，透过微电火花加工零件的方法，其中所述方法包含：
测量所述尖端的形状，
自这些测量中确定所述尖端的磨损，以及
只要所述确定的磨损越过一预定临限值，执行自所述加工配置至所述削尖配置的自动传输。
9.如权利要求7或8所述的利用微电火花加工的可配置机械，透过微电火花加工零件的方法，其中在转移至所述加工配置之前，所述方法包含：
测量所述尖端的形状，
将所述测量形状与一预定模板相比较，以及
如果所述形状包含于所述预定模板之中，允许转移至所述加工配置，并且，如果没有包含于所述预定模板之中，则禁止转移至所述加工配置。
10.如权利要求7至9中任意一项所述的利用微电火花加工的可配置机械，透过微电火花加工零件的方法，其中所述方法包含：
测量所述尖端的形状，
自其形状的所述测量确定所述尖端的磨损，以及
作为所述确定磨损的一功能，调节所述尖端与所述待加工面之间的一间隙的所述宽度。
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