三维微细电火花伺服扫描粗精加工结合工艺 【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：
Zmax=h+ΔlΣx=h+(4kbπ)(hds)Σxi]]>
其中，zmax为最大进给深度，h为分层厚度，ds为电极直径，Δl∑x为电极损耗量，kb为系数常量，xi指伺服扫描各段路径长度，即在伺服保持放电间隙时工具电极扫描加工所经过的路径长度；
(2)精加工中，当某扫描点工具电极进给深度达到zmax时，则立即停止工具电极伺服进退，直到出现极间短路时，继续进行保持放电间隙的伺服扫描加工；
(3)当工具电极停止伺服进退时，即停止保持放电间隙时，工具电极扫描路径不计入伺服扫描路径长度xi。
所述工具电极低压电接触反馈以及变速度伺服扫描补偿深度误差的方法为：在每层扫描加工前，采用工具电极低电压电接触标准块，反馈电极实际损耗量Δl，于是，在扫描加工n层后，利用主轴进给深度zn和电极损耗量Δln，可得微型腔的实际加工深度hn＝zn-Δln，将hn与理论加工深度h′n相比，即得扫描n层后深度误差δn＝hn-h′n；当|δn|达到设定值，分两种情况对加工深度进行补偿：若hn＜h′n，则增加扫描一层厚度为δn的补偿层；若hn＞h′n，则将下一层扫描厚度减少δn作为补偿层。
本发明的有益效果是：
1.本发明将微三维型腔的电火花伺服扫描加工分为粗加工和精加工两个工序进行，可以兼顾高加工精度和高加工效率，从工艺上可以解决单工序完成加工的效率和精度矛盾问题。
2.在粗加工中，以最快速去除大量型腔材料为目标，易于采用各种先进和优化后的工艺措施和工艺参数，这样可以最大程度地提高加工效率，缩短大量无谓加工时间，也可以提高加工过程的稳定性。
3.在精加工中，以提高成型精度和表面精度为目标，只留有较薄的加工余量，有利于实现高精度加工。采用提出的扫描各点工具电极伺服进给深度最大值法，保证每层内加工深度的高一致性；结合加工深度反馈和补偿工艺方法，提高最难保证的最终加工深度精度。
4.基于本发明的加工工艺长处，面向加工金属合金、硅基等导电硬脆微模具材料，其微三维型腔加工尺寸精度达到微米量级，表面精度达到百纳米最级，可以应用于微机电系统(MEMS)和微生物芯片等相关领域。因此，该工艺适应范围广、实用性好，是一种面向工业应用的微三维型腔加工工艺。
【附图说明】
图1为三维微细电火花伺服扫描粗精加工工艺流程；
图2为三维微细电火花伺服扫描粗精加工边界确定方法示意图；
图3为精加工中扫描各点工具电极伺服进给深度最大值法基本原理图；
图4为单分层厚度内扫描路径所经过的待加工典型表面示意图，图中：A-伺服扫描加工区域，B-间歇式伺服扫描加工区域，C-停止伺服走位区域；
图5为外方内半球微型腔的三维微细电火花伺服扫描粗精加工精度对比示意图，图中：h1为粗加工分层厚度，h2为精加工分层厚度。
【具体实施方式】
本发明提供了一种三维微细电火花伺服扫描粗精加工结合工艺，下面结合附图说明和具体实施方式，对本发明做进一步说明。
图1为三维微细电火花伺服扫描粗精加工工艺流程，主要包括CAD造型设计、粗精加工CAM规划、粗精加工NC代码生成、高效粗加工、成型精加工等工序过程。
为说明本发明加工工艺的优越性和实施方式，首先说明采用的三维伺服扫描加工方法。然后，重点说明粗精加工边界确定方法、精加工中提出的扫描各点工具电极伺服进给深度最大值法、精加工中提出的工具电极低压电接触反馈和补偿深度方法。最后，以外方内半球形的微三维型腔加工为例，进一步说明本发明所述的加工工艺的具体实施方式。
1、本发明在粗精加工中采用的三维伺服扫描(铣削)加工方法
基本原理：每层扫描加工中电参数不变时，单次火花放电能量为恒定值WM，存在确定的放电间隙范围SB∈(Smin，Smax)。若保持放电间隙SB，则放电频率fe符合统计规律恒定，即单位时间地放电能量WT＝WMfe恒定，则单位时间的工件材料去除量即去除率VT＝kaWT(ka为系数常量)恒定。根据此推论，若设定伺服扫描速度vs和扫描宽度ds，实时伺服保持放电间隙SB，每层伺服扫描加工深度hT具有一致性(如式1所示)，称为伺服扫描加工深度一致性原理。
hT=VTvsds=kaWMfevsds]]>(式1)
根据上述原理分析，保持放电间隙SB，虽然工具电极逐渐损耗从Δl1到Δl2，但电极放电端部和工件之间的相对位置不变，即电极轴向损耗自动实时在线补偿，加工深度hs具有一致性，并且保持放电间隙有利于稳定高效放电。并按照从1到4顺序正负两个方向轨迹扫描，均化电极端面损耗。
2、粗精加工边界确定方法
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。确定粗精加工边界如图2所示，取粗加工外边界时，设置理想(理论)加工余量为δ1，δ1应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应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只需略大于粗加工的最大欠加工误差，即可保证粗加工余量能够全部去除。
3、精加工中扫描各点工具电极伺服进给深度最大值法
从图2粗精加工边界确定可以看出：在精加工分层厚度的内边界和粗加工边界之间必然存在无材料的凹陷边界区，若在此区域仍然采用实时保持放电间隙的伺服扫描加工方法，将造成加工到下面分层材料的严重过加工不利现象。因此，本发明提出采用扫描各点工具电极伺服进给深度最大值法，保证精加工每层内加工深度的高精度一致性。
其基本原理如图3所示，假设伺服扫描精加工平整且材料均匀的理想分层。设定常量为：分层厚度为h，扫描速度vS，电极直径ds。设定变量为：伺服扫描路径长度为x，电极损耗为Δlx。则当伺服扫描路径长度为x时，扫描层内工具电极进给深度应为：h+Δlx。根据伺服扫描加工深度一致性原理(式1)可知：加工深度h符合一致性且为定值。已知：工具电极损耗体积π(ds/2)2Δlx与去除材料体积dshx成正比(线性比kb)关系，即π(ds/2)2Δlx＝kb(dshx)，其中kb为系数常量。则此时的电极损耗量Δlx如下式所示：
Δlx=(4kdπ)(hds)x]]>(式2)
那么，在扫描路径长度为x时，工具电极进给深度zx如下式所示：
Zx=h+Δlx=h+(4kbπ)(hds)x]]>(式3)
利用上述原理，在扫描精加工分层厚度内任意表面时，提出采用扫描各点工具电极伺服进给深度最大值法，该算法满足约束条件：
(1)扫描各点工具电极伺服进给深度最大值用下式表示：
Zmax=h+ΔlΣx=h+(4kbπ)(hds)Σxi]]>(式4)
(2)xi指伺服扫描各段路径长度，即在伺服保持放电间隙时工具电极扫描加工所经过的路径长度。
(3)精加工中，当某扫描点工具电极进给深度达到zmax时，则立即停止工具电极伺服进退，直到出现极间短路时，继续进行保持放电间隙的伺服扫描加工。
(4)当工具电极停止伺服进退时，即停止保持放电间隙时，工具电极扫描路径(空走位路径)不计入伺服扫描路径长度xi。
从上述约束条件可知：由于xi特指伺服扫描各段路径长度，所以∑xi即满足了图3的连续伺服扫描加工路径条件，则电极损耗满足式2。
从上述分析可知：在精加工中，即使单分层厚度内扫描路径所经过的待加工表面(如图4所示)，采用扫描各点工具电极伺服进给深度最大值法控制加工深度，可以针对不同表面实现全伺服扫描加工、间歇式伺服扫描加工、停止伺服扫描空走位，从而避免和减少欠加工和过切加工，保证每层加工深度的高一致性。
4、精加工中工具电极低压电接触反馈及变速度伺服扫描补偿深度误差方法
工具电极低压电接触反馈以及变速度伺服扫描补偿深度误差的方法为：在每层扫描加工前，采用工具电极低电压电接触标准块，反馈电极实际损耗量Δl，于是，在扫描加工n层后，利用主轴进给深度zn和电极损耗量Δln，可得微型腔的实际加工深度hn＝zn-Δln，将hn与理论加工深度h′n相比，即得扫描n层后深度误差δn＝hn-h′n；当|δn|达到设定值，分两种情况对加工深度进行补偿：若hn＜h′n，则增加扫描一层厚度为δn的补偿层；若hn＞h′n，则将下一层扫描厚度减少δn作为补偿层。根据三维伺服扫描加工基本原理(公式1)可知，仅改变扫描速度即可实现变化量为δn的补偿层加工。
5、以外方内半球形的微三维型腔加工为例，说明本发明所述的工艺。
(1)CAD造型设计
根据加工微三维型腔尺寸和形状要求，利用Pro/Engineer(Pro/E)、UniGraphics(UG)等三维CAD/CAM软件进行三维模型设计。本例采用Pro/E设计的外方内半球形的三维模型，外方型腔边长为1.6mm、深为0.3mm，内半球直径为1mm。
(2)粗精加工CAM规划
将设计模型作为参考模型，分别规划粗精加工的工具电极尺寸、分层厚度、轨迹规划等相关的制造参数，这些参数要根据具体情况进行设定，并且粗加工要为精加工预留足够的加工余量。根据本发明提出的工艺，粗加工中采用大直径工具电极和厚分层厚度，最大程度地提高加工效率，精加工中采用更细工具电极和更薄分层厚度，提高加工精度。
本例中粗加工参数为：工具电极直径为0.2mm，粗加工分层厚度h1为0.02mm，轨迹跨度为0.08mm，扫描类型为螺旋，预留精加工余量为0.02。
本例中精加工参数为：工具电极直径为0.08mm，精加工分层厚度h2为0.004mm，轨迹跨度为0.03mm，扫描类型为螺旋。
如图5所示，仅当精加工分层厚度为粗加工的1/5，且加工余量为粗加工分层厚度时，粗加工去除大量型腔材料，大幅度提高加工效率；精加工明显减小微三维曲面加工的阶梯误差，显著提高曲面成型精度。
显然，从分析曲面阶梯误差变化趋势可知，利用变分层厚度方法可以减小阶梯误差，但增加了曲面CAM算法复杂性，也难于提高加工效率。
(3)粗精加工NC代码生成
当CAM规划满足要求，利用Pro/E可生成通用刀位文件(扩展名为.ncl)。将通用刀位文件后置处理为适合三维微细电火花伺服扫描加工的NC代码(点位坐标或G代码)。
(4)高效粗加工
在高效粗加工中，采用0.2mm直径工具电极、较大放电能量(工件为掺杂硅，峰值电流10A，脉宽1μs，脉间5μs)、0.02mm分层厚度的工艺措施，最大程度地提高加工效率。
粗加工可以快速去除大量型腔材料，但曲面上存在较大阶梯误差，外方型腔的圆角误差也较大。
(5)成型精加工
在成型精加工中，采用低放电能量(为粗加工的1/5)提高表面精度，0.004mm的分层厚度提高曲面成型精度，直径为0.08mm的工具电极清除棱角。采用扫描各点工具电极伺服进给深度最大值法，保证每层内加工深度的高一致性；结合工具电极低压电接触闭环反馈各层深度和变速度伺服扫描加工方式，进一步补偿加工深度误差。精加工加工余量很小，明显可以提高三维曲面和棱角的成型精度。