基于单脉冲放电的钨微细电极快速成形方法及其应用研究

在传统电火花加工的基础上,通过单脉冲放电方式,在钨细线电极的端部瞬时成形出一个微米级的微细电极。运用试验研究详尽分析了各主要加工参数,如电极材料、加工极性、工作液介质、放电持续时间和峰值电流等对微细电极的成形影响,得出了微细电极瞬时成形的基本规律。此外,在试验的基础上对微细电极成形的机理进行了初步探讨,并对成形后的电极进行了能谱分析。通过本方法可以在直径0.125 mm的钨丝端部瞬间得到长350 μm,直径30 μm左右的微细电极,用该电极成功地完成了多个微米级微细孔的加工。微细电极的尖端半径约为100 nm,可作为扫描仪器和检测仪器的微细探针。极大地提高了微细电极或探针的成形效率,有望成为微细电极和微细探针制备的有力手段之一。     

电火花微细孔加工电极损耗实验研究

用实验的方法研究电火花微细加工中放电能量在极间的分配和对电极损耗的影响，并研究式具电极材料和工件材料对电极损耗的影响，实验表明，从减小电极损耗，增加有用功率出发，电火花微细加工应使用微能窄脉冲电源。     

自成型微细电极制备技术研究

以目前微细电火花加工中微细电极常用的制备技术为基础。提出了自成型微细电极制备技术。通过研究,掌握了自成型微细电极制备技术工艺关键。并与传统制备方法的反拷块法进行了实验对比。获得了较为理想外形尺寸精度、长径比的电极。     

微细电极制备方法研究

微细工具电极在电火花和电解加工中起到关键作用。对微细工具电极的制备方法:反拷法、线电极电火花磨削法以及电化学腐蚀法进行了分析,同时研究了不同方法在异形微细电极制备过程中的应用,在此基础上总结了微细工具电极绝缘层制备方法。通过对电极和绝缘层制备方法的研究,为新式异形工具电极的设计和制备提供技术借鉴,对微细工具电极的结构创新及更高精度的微孔加工具有重要意义。     

微细电解加工用中空电极的制备

为了改进加工间隙内电解产物的排出条件和加速电解液的更新,提出了一种嵌套式微细中空电极的精确可控焊接制备工艺。仿真分析了电极的过流特性,优化了电极长度,并进行了性能测试及加工实验。通过穿丝、黏结、嵌套尺寸及位置调整和焊接工序,制备出加工段内径为65μm、外径为130μm、长3.25mm左右,后段便于装夹和连通的嵌套式中空电极。在供液压力为1.15 MPa时,其出口流速可达10m/s左右。利用制备的中空电极,开展微细孔电解加工实验,在0.5mm厚不锈钢片上加工出最小入口孔径约为157μm,出口孔径约为133μm的微细孔,并将其延伸应用于微结构加工中,铣削出了长554μm、宽160μm、深224μm的微细T型槽。实验结果表明:制备的微细中空电极有效提高了加工间隙内电解液的流动特性,且连/导通可靠、装夹方便,适用于高深宽比微结构的电解加工。     

微细电火花加工中电极损耗机理的研究

微细电火花加工中,因电极损耗引起的电极尺寸和形状的变化严重影响被加工工件的尺寸精度和形状精度。在实验基础上分析了电极损耗的变化过程,并借助有限元方法和电磁理论研究了产生电极损耗的机理。研究表明：电场集中是棱边损耗的根本原因,一定阶段后电极形状趋于稳定;击穿放电产生的超高频电流使电极横截面上的电流在边缘的集中是发生二次放电的主要根源。     

微细电火花加工中微细电极的制作与检测技术研究

分析了微细电火花加工技术中各种微细电极制作方法的特点,提出了一种加工效率与尺寸精度相兼顾的微细电极在线制作方法.充分利用微细电火花加工机床的数控和接触感知功能,探索并提出了一种微细电极的在线检测方法,并对检测误差进行了分析.实验表明,该方法具有广泛的实用性.     

利用小直径电极的电火花微细轮廓加工

近年来,随着微细加工技术的发展,开发出各种不同的加工方法。有的有希望用来制造微型机器和医疗器械用的零件。就亚微米尺寸加工而言,目前,虽然溅射和蚀剂等加工方法在半导体制造方面占主流,但不适于复杂3维形状的加工。在此之前,电火花微孔加工已显示出高精度加工的效果。以往还曾利用圆柱形电极在低损耗条件下进行过轮廓加工。然而,当采用微小直径电极加工时,由于电极损耗大幅度增加,使电极瑞部棱角产生圆弧R,因而不能实现高精度加工。与上述情况相比,日本三菱公司却积极地利用电极损耗来保持加工底面的棱角,以谋求实现高精度微细形状的加工。一、简单电极轮廓加工原理微细轮廓电火花加工,主要采用微小直径的管状电极,使其在旋转状态下进行加工,以实现所要求的加工轮廓(图1)。在以往,主要是借助于圆柱状电极的侧面来进行轮廓加工见,如图2(a)所示,而微细轮廓加工则利用电极的底面,边反     

微细电火花加工的微细电极在线检测

设计了微细电极在线检测系统。系统由卤素灯光源、变焦显微镜头、CCD摄像机和6自由度支架组成,具有1.61 μm的分辨率和113~729的放大率。在Linux平台下,基于V4L2 API开发了图像采集程序,使用mmap()内存映射方法获取图像数据。实现了IplImage数据结构和QImage类的转换,使图像既可以基于OpenCV进行处理,又可以基于Qt进行显示,通过Canny边缘检测算法提取了微细电极的边缘轮廓。实现了电极在线观测的G代码功能,进行了块状电极电火花磨削微细轴的实验。实验结果表明系统可以在线观察电极状态和在线测量电极尺寸,在线测量值与扫描电镜离线测量值的相对误差在5%以内, 解决了微细电火花加工的微细电极在线制造和检测等难题。     

微细电解加工中空电极侧壁绝缘层的制备工艺研究

针对孔径100～200μm高深宽比微细孔电解加工中,电极侧壁绝缘层在电解液冲击和气泡撕裂中易损伤/脱落等问题,本文提出一种丙烯酸环氧树脂电泳法的中空电极侧壁绝缘制备工艺。通过优化工艺参数并开展加工实验,比较加工孔尺寸及形貌、加工后电极表面形态,结果表明丙烯酸环氧树脂电泳法制备的中空电极侧壁绝缘层,具有较高的致密性、均匀性、耐久性和一致性。最后,在500μm厚304不锈钢片上加工出入口180.6μm、出口173.8μm、深宽比约为3的微细阵列孔,其锥度比非侧壁绝缘电极加工的孔减少了约70%以上,基本为直孔,可满足实际需求,进而验证了本方法的应用可行性。     

RESEARCH OF MICRO ELECTRO DISCHARGE MACHINING EQUIPMENT AND PROCESS TECHNIQUES

Micro electro discharge machining (micro EDM) is a feasible way to manufacture micro structures and has potential application in advanced industrial fields. For the realization of micro EDM, it is necessary to pay careful attention to its equipment design and the development of process techniques. The present status of research and development of micro EDM equipment and process techniques is overviewed. A micro electro discharge machine incorporated with an inchworm type of micro feed mechanism is introduced, and a micro electro discharge machine for drilling micro holes suitable to industrial use is also introduced. Some of the machining experiments carried out on the micro EDM prototypes are shown and the feasibility of the micro EDM technology to practical use is discussed.     

电火花线切割加工中线电极的动态特性仿真与实验研究

研究慢走丝电火花线切割加工中电极振动对加工状态的过程的影响。应用计算机仿真技术,分析连续放电力作用下线的振动模态以及对放电点转移和分布的作用。结果表明,加工工艺参数明显影响放电点的转移与分布,适当地选择工艺参数可获得最佳的放电分布率。该研究对提高慢走丝加工稳定性,防止断丝的发生提供了相应理论依据。     

半导体硅电极多通道放电机理研究

为了实现电火花加工同一时刻形成多个放电通道蚀除工件,克服现有放电加工理论中同一时刻仅有一个放电通道蚀除工件的限制,提出了采用半导体材料作为电极进行放电加工的新方法。首先,通过试验证明以半导体硅为电极加工金属可以形成多通道放电;其次,建立了半导体电极单通道放电等效电路模型,发现半导体电极在放电加工时不是一个等势体,并进行了电势差分布试验,验证了多通道放电形成的原因是远离放电点处的电势较高,可以同时形成击穿产生放电;最后,进行了半导体硅电极单脉冲放电试验及成型加工试验。试验结果显示,半导体硅电极通过1次脉冲放电同时形成多个放电通道,有效地分散放电能量,相较于金属电极,每个放电坑的直径和深度都显著减小。在相同放电参数下,对比钢电极,用硅电极进行电火花加工的表面粗糙度值下降71.7%。     

电极丝失稳临界摩擦力及临界转速研究

微细孔电火花加工过程中,电极丝与导向器间的摩擦力控制不合理极易导致电极丝断丝和电极丝振动加剧,影响加工效率和加工精度。将电极丝简化为Euler-Bernoulli梁,建立电极丝受压失稳的临界摩擦力计算模型和电极丝固有模态计算分析模型。利用建立的通用模型进行分析,得到直径为0.19mm的钨电极丝避免断丝的临界摩擦力,并结合有限元方法分析电极丝长度及摩擦力对电极丝横向振动固有频率的影响规律,进一步确定了微量进给旋转轴的临界转速。该结论可从理论上指导电火花孔加工过程中工艺参数的选择和优化。     

一种新型卧式微电火花机床的设计与实验研究

针对微电极制作的效率问题,提出了一种快速在线微电极加工成形的方法,设计了一种新型卧式微电火花机床。该机床由金刚石砂轮超精密在线电极磨削、线电极电火花在线电极磨削共同完成微米级电极的高效精密制作,该机床组成部分还包括基于CCD的在线光学尺寸检测与测量系统、精密运动与进给系统、纳秒级独立式脉冲放电电源与放电状态检测反馈系统组成。在该机床上进行了微电极制作、微小孔加工以及微电火花铣削等实验,加工出直径为15μm微细轴和直径为50μm微小孔。     

电蚀产物对微细电火花电极形状损耗影响的实验研究

针对微细电火花加工技术特点,开展电极形状损耗形成机理的研究,设计了开放状态微细电火花加工实验方法,实现电蚀产物浓度的改变;通过实验对比不同加工状态下微细电火花加工电极形状损耗变化、工件表面微观形貌和重熔层情况,系统研究不同电蚀产物浓度作用下电极形状损耗的影响规律;分析微细电极形状损耗的影响机制,总结内凹坑形状变化与电蚀产物的内在关系。研究成果为实现微细电极的形状控制提供了一定的实验及理论依据,达到了提升微细电火花加工质量和加工稳定性的目标。     

微小型电火花加工装置连续自动送丝的研究

针对电极夹持、更换困难,辅助加工时间长等问题,提出了在微小型电火花加工装置中实现连续自动送丝的方案,采用该方案不仅可提高加工效率,同时可以消除电极重新定位所带来的误差。系统地分析了超声马达定子的驱动原理,推导出了马达的振动方程。进行了电极驱动性能的测试和实验加工,验证了连续自动送丝方案的可行性。     

Plasma channel growth and the resolidified layer in edm

An analysis for the computation of the plasma channel size, is presented as a function of pulse-on duration in edm. It has been shown that accounting for the effects of the plasma growth leads to marked improvement in analytical results obtained. The paper also suggests a method for evaluating the thickness of the resolidified layer in edm machined workpieces. The analytical values of the resolidified layer thickness agree well with published experimental data.     

Micro electro discharge machine with an inchworm type of micro feed mechanism

A micro electro discharge machine with an inchworm type of micro feed mechanism has been developed. The prototype of micro electro discharge machine is comprised of a wire electro discharge grinding unit, a rotating unit of electrode, RC circuitry for micro electro discharge generation and a subsystem detecting and controlling machining process, in addition to the inchworm mechanism. In the design of the inchworm mechanism, a novel clamp mechanism with force magnifying structure is devised to increase its thrust capability and a pair of guide sleeves together with the clamps are used to decrease yawing error. The inchworm mechanism prototype has 60 mm stroke only limited by the length of the shaft, less than 2 μm yawing error and reaches to 30N output thrust force. The machining experiments carried out on the micro EDM prototype are also described. The techniques to machine micro electrode, micro holes with high aspect ratio, micro structures on stainless steel and silicon materials are discussed. Micro electrode diameter as small as 25 μm and micro holes with minimum size of less than 50 μm are obtained. And the maximum aspect ratios of micro electrodes and micro holes exceed 20 and 10 respectively.     

多阶柱状微电极加工模型及试验研究

为实现微电极的精确控制加工,对微细电极电化学刻蚀制备技术进行深入研究。针对单阶柱状电极的不足,分析多阶柱状微电极的加工原理及制备流程。针对分阶电极加工中的三种刻蚀状况,分析各段的刻蚀变化率,并由此推导出电极尺寸与形状控制函数。通过试验证实刻蚀过程中电流密度的不变性,讨论不同电流密度对电极直径的影响规律。通过试验归纳,建立加工电压、电流密度、浸入深度三者之间对应的函数关系,验证电极直径随时间呈线性变化的正确性。基于上述两组模型函数,建立多阶柱状微电极的加工控制模型,并对某三阶柱状微电极的形状及尺寸进行加工预测,实际加工结果显示,试验值与理论值具有很好的一致性。在加工控制模型的指导下成功制备出一批精度高的多阶柱状微电极。