[发明专利]三维微细电火花伺服扫描粗精加工结合工艺

说明书

技术领域

本发明属于微细特种加工技术领域，特别涉及面向毫米级尺寸以内的金属合金和导电硅基材料的三维微细电火花伺服扫描粗精加工结合工艺。

背景技术

微三维型腔在微机电系统(MEMS)和微纳米技术相关领域具有广泛的应用前景。基于非接触式放电原理，采用简单形状工具电极逐层扫描(铣削)的三维微细电火花加工技术，具有较低成本、设计自由度大、易于排屑、工具电极制备费用低廉等工艺优点。

但放电过程的极间能量分配决定了电极损耗的必然性，电极损耗实时补偿技术是保证三维扫描加工过程有效进行的关键。常规的电极损耗补偿技术归纳起来主要包括数字成像、依靠经验模型或间歇式补偿。但由于三维微细电火花扫描加工过程复杂、微细电极和微型腔尺寸小、电介质折射光线等原因，常规电极损耗补偿技术的实时性和适应性差。基于放电间隙伺服控制，实现电极损耗实时补偿的三维微细电火花伺服扫描加工方法，克服了依靠经验模型或间歇式补偿的弊端，为电极损耗实时在线补偿提供了一有效途径。其原理是通过反馈放电状态电信号伺服控制电极保持放电间隙，电极轴向损耗可以实时自动补偿，使工具电极逐层扫描加工微三维型腔。其实质是将电极损耗实时补偿与工件联动定位进行分离控制，并利用正反扫描轨迹均化电极端部变形，使每层扫描加工深度符合一致性。

然而，研究结果发现：虽然三维伺服扫描加工方法解决了电极损耗在线实时自动进给补偿问题，但若要实现高精、高效地加工出微三维型腔，还需要解决精度局限性问题，以及高精度和高效率矛盾问题。

首先，阐述加工深度精度局限性问题。分析可知：三维伺服扫描加工方法的优势在于不必测量电极损耗的具体量值，电极损耗即可以自动补偿，深度精度由每层扫描一致性厚度叠加保证。但实际加工深度并没有闭环反馈，加工深度误差可达到3％～10％，这样的精度还没有达到微结构高精度加工需要。

其次，阐述高精度和高效率矛盾问题。相对于被加工三维微型腔而言，微细电极端部放电面积较小，导致微三维型腔的加工时间过长。采用增加放电能量、提高有效放电率、增大工具电极直径等措施，可以提高加工效率，但同时也使每层的扫描深度(分层厚度)增大，造成三维曲面的阶梯形状误差。并且，提高放电能量将会使加工微结构表面精度变差；增大电极直径将会引入电极端部损耗变形的不利影响，也无法加工内棱角和窄槽等更微细的结构。事实上，微三维型腔的大部分去除材料与成型精度无关，若要高精度加工微型腔将会牺牲大量无谓加工时间，而且时间过长也使加工稳定性变差，甚至造成加工过程失败。

发明内容

为解决微三维型腔的微细电火花伺服扫描加工深度精度局限性问题，以及高精度和高效率矛盾问题，本发明提供一种三维微细电火花伺服扫描粗精加工结合工艺，其特征在于，包括以下步骤：

(1)利用CAD/CAM软件对微三维型腔进行模型设计，在预留足够精加工余量的前提下，分别进行粗精加工的电极尺寸、分层厚度、轨迹规划的参数设置，并分别生成粗精加工NC代码；

(2)采用三维伺服扫描加工方法，对微三维型腔进行粗加工，快速去除大量型腔材料；为保证微三维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够全部去除，采用粗精加工去除材料体积有机结合和重叠的方法：取粗加工外边界时，设置理想加工余量为δ₁，δ₁大于粗加工的最大过加工误差，保证足够的精加工余量，且δ₁小于精加工分层厚度的5倍，以提高精加工效率；取精加工内边界时，设置去除材料体积重叠余量为δ₂，δ₂大于粗加工的最大欠加工误差，保证粗加工余量能够全部去除；

(3)继续采用三维伺服扫描加工方法，针对粗加工残余不规则边界，对微三维型腔进行精加工，采用扫描各点工具电极伺服进给深度最大值法，避免欠加工和过加工，保证每层内加工深度的一致性；结合工具电极低压电接触闭环反馈加工深度，采用变速度伺服扫描补偿深度误差；并使用细工具电极，设置低放电能量和薄分层厚度参数，最终完成表面精度和尺寸精度的成型精加工。

所述三维伺服扫描加工方法，即实时伺服控制放电间隙方法，实现电极轴向损耗的实时在线补偿。

所述粗加工和精加工中，分别采用各自的工艺措施和参数，以解决加工效率和加工精度的矛盾问题。

所述精加工中的扫描各点工具电极伺服进给深度最大值法满足以下约束条件：

(1)扫描各点工具电极伺服进给深度最大值用下式表示：