微电腐蚀开辟新领域

作者:Eckart Uhlmann & Markus R.hner 文章来源:弗戈工业在线 点击数:3825 发布时间:2011-04-01

功能性高硬度材料工件的微加工将同时面对切削工艺的困难、微结构生产制造的高精确度要求以及小范围部件公差等问题。微机械加工工艺的工业用途主要在生产微结构成型工具,如轧辊、热成型压铸工具和微喷铸成形件。高度耐磨损工件的微结构除了磨削和激光加工外,微电腐蚀也是一种可能的选择。它的可用性来源于热作用原理,即一个接近于无过程力的加工,与材料的机械性能无关。由于可加工任意形状而且精确度高,微电腐蚀工艺变式特别适宜于加工功能性材料,如高合金钢、硬金属和导电陶瓷等。

微加工用精细发生器

微电腐蚀的概念来源于应用电腐蚀制造微型部件和结构,并且规定了微型制造电腐蚀法变式的工艺和机械技术规范。在微电腐蚀中要加工的结构数量级清楚的低于1 mm。由于微型部件和结构的特点是部件体积非常小,加工参数必须符合部件结构的热负荷极限。所以微电腐蚀的主要特征除了使用微型化的电极外,放电能量都比惯用电腐蚀小,每次放电低于 We=100 μJ。

现代化电腐蚀机除了高压加工用的电控标准发生器外还有精细发生器,即微加工和表面精加工使用的所谓张弛发生器。这种以阴极为基础的微型发生器可在最小的工作电流Ie=0.1A、放电过程 te=50 ns时产生最小放电能量 We=0.1 μJ/每次放电。由此产生的最小电火花隙为S=1.5 μm。可能微电腐蚀对于当今所用的显微结构法是一项经济的加工工艺,而且是加工工艺一个很重要的补充。特别是在耐磨损材料生产铸模工具方面,新型微电腐蚀开辟了新的应用领域。随着新方法的不断增加和集合,微电腐蚀应用领域也在不断地增加。高度耐磨损工件的微结构除了磨削和激光加工外,微电腐蚀也是一种可能的选择产生的最小结构尺寸低于再生产要求的约15 μm。日本研究人员成功地做到了在10 μm薄的钢片上制造直径为d=5 μm的微小孔。依赖于要生产的结构,研发各种微电腐蚀工艺变式,下面详细介绍其可能性和极限。

电腐蚀切削(WEDM=Wire Electrcal Discharge Machining)是微技术当中的一种不固定工艺。通过使用直径d=20 μm以下的特细电焊丝可以产生最小的内径和低于S=40 μm的切割裂隙宽度。考虑到一个放大的切割裂隙,使用多刀工艺,可以将表面粗糙度降到Ra=0.1μm以下。为了保证足够的机械和热稳定性,一般使用钨丝或抗拉强度高于Rm=2000 N/mm2的带涂层的钢丝。电极丝的机械和热稳定性限制了重要结构部件的最高值。

工作裂隙不要同轴冲洗

用微电极腐蚀可以减少甚至完全省却同轴冲洗工作裂隙。这个措施可以防止电极丝的振动,并且防止因此产生的生产精确度和表面质量的下降。电极丝的使用范围除了初次结构化外,还包括微型技术产品,如微齿轮箱的齿轮、微创肿瘤外科用部件、特别是成形工具的结构化、微型冲头和拉模孔。

用于批量生产微型技术部件的微型压铸和热冲压工具的制造(图2),目前主要使用带结构化型材电极微沉降腐蚀。限制生产结构尺寸的往往不是沉降腐蚀过程,而是成型电极的生产,因为焊丝腐蚀、微铣或LIGA-技术从工艺角度来看非常麻烦,材料依赖性强而且很昂贵。除此之外,还很难避免型材电极在手工操作和与工件相关的定中心时出现形位偏差或工件损伤,而且很费时。

为了避开型材电极在手工操作和工件定中心时产生障碍,一个方法是要尽可能将更多的电腐蚀工艺方法集合在一台机床上。这样不仅降低了空程时间,还避免了因变压过程而产生的形位偏差。将很多电腐蚀工艺方法集成于一体的一个例子是旋转工件的电腐蚀钻孔与焊丝腐蚀组合。电腐蚀精密钻孔是用旋转的棒形电极制造旋转对称孔和端面的沉降腐蚀特例,并用于工业生产涡轮叶片上的喷油嘴和冷却孔。

在制造直径d=50 μm以下的小孔时,一般不使用普通棒形电极。取而代之的是使用电腐蚀修正的符合要求的棒形电极。除了在一个电极块上进行修正外,还可以使用焊丝腐蚀(WEDD=WireElectrcal Discharge Dressing)将棒形电极作为工件在一个集成装入沉降腐蚀设备的焊丝卸载装置上进行校正。作为棒形电极校正的补充,焊丝腐蚀还可以对旋转对称微型部件和成形工具结构化用的盘形电极进行校正。

这种新型的工艺变式(CEDG=Cylindrical Electrcal Discharge Grinding)是依赖外圆磨削动力学中在对旋转工件进行轮廓腐蚀加工时,将旋转砂轮作为工具电极的原理(图3)。在这种工艺变式基础上,两个旋转电极之间能够达到很高的相对速度,从而提高表面质量,尤其能让大体积部件很好的微结构化。

图1微型齿轮批量生产用电腐蚀制造的冲头a-冲头b-微型齿轮

图2射流组件热冲压用X23CrNi17形件a-形件b-放大的微型射流组件

多种工艺变式可供选择

另一种旋转对称部件结构化工艺变式是用旋转工件进行微焊丝腐蚀(WEDG= Wire Electrcal Discharge Grinding)。这种工艺变式(图4)或装置在有集成旋转主轴的焊丝腐蚀设备中,或装置在有集成焊丝卸载装置(图3)的沉降腐蚀设备中,类似于WEDD。第3种工艺变式是带旋转工件和固定型材电极的沉降腐蚀(EDT= Electrcal Discharge Turning)。与CEDG相比,EDT程序的工具电极能更加显著地简单结构化,便于用这种工艺变式制造形状更加复杂的微结构。典型的部件实例是微型加压浇铸模的微型化抛料销子、微型冲头、步进(taketile)测微仪和微机械驱动系统的轴。除此之外,轮廓腐蚀加工用的对称旋转的棒形或盘形电极同样也可以用上述方法进行校正或结构化(图5)。

用旋转棒形电极的轮廓腐蚀加工(ED-Milling)为沉降腐蚀提供了可以选择的工艺变式。它的特点是使用棒形电极几乎可以根据断面轮廓铣削制造任意3D形状。目前可用的棒形电极最小直径d=50μm。微型轮廓腐蚀与微型沉降腐蚀相比具有特殊的工艺优点,使其特别适用于微表面加工。通过使用适当的轮廓控制算法和磨损补偿技术可以制造出非常复杂的复合形状。工具电极的相对运动导致可比较的很好的冲洗条件,而这个条件又能对效率产生积极的作用,并且能够达到很高的表面质量。微电轮廓腐蚀的工业应用领域在于生产喷丝嘴和大面积成形工具的结构化,在这些领域里焊丝腐蚀和沉降腐蚀由于对结构大小和电极直径在机械和技术方面的要求受到了工艺方法的限制。

图3用旋转砂轮作为工具电极对旋转工件进行轮廓腐蚀加工
图4硬金属微型焊丝腐蚀的成型工具(a)带不同的微结构(b和c)
图5微型焊丝腐蚀的棒形电极