微型模具的微細電火花加工技術

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微型模具的微細電火花加工技術簡介
隨著納米技術的進步,產品不斷向微型化方向發展,特徵尺寸為微米級的微機電系統越來越受到人們的高度重視。 微機電系統(MEMS, Micro-Electro-Machanical Syste……
微型模具的微細電火花加工技術正文

隨著納米技術的進步,產品不斷向微型化方向發展,特徵尺寸為微米級的微機電系統越來越受到人們的高度重視。

微機電系統(MEMS, Micro-Electro-Machanical Systems)包括微型機構、微型感測器、微型執行器和相應的處理電路等幾部分,MEMS已相繼應用於精密機械、光電通訊、影像傳輸、生化醫療和信息儲存等領域,如微齒輪、插頭式光纖連接器、醫學用微量泵、導光板、微透鏡、內窺鏡零件、微流控晶元、細胞培養用微型容器,以及旋轉感測器中的衍射光柵等都需要微型模具。國際MEMS市場近年來獲得迅速發展,中國的MEMS市場增速也將加快,據有關資料預測,至2011年我國MEMS的增速有望達到29.2%。

所謂微型模具,如果從尺寸和製造精度上加以限定,則微型模具具有以下特徵:成形製件尺寸微小,一般來說體積為1mm3左右;成形的微觀尺寸從幾微米到幾百微米,模具表面粗糙度Ra≤0.1μm,模具的製造精度≤1.0μm。

微型模具不一定指體積微小的模具,在大體積的模具上有微結構特徵的部分,這一部分也可稱作微型模具,這種模具結構的微小型腔部分,可在一個小體積的模塊上加工,然後把小模塊作為一個模塊嵌入大模具中,這不僅便於微小模具的微細加工,而且可以進行鑲塊更換,以提高整體模具的壽命。

微型模具的製造難點在於微小型腔或微小凹凸結構的加工,一般機械加工方法不能加工尺寸太小的零件,也就是說很難加工微結構尺寸的微型模具,而且尺寸精度和表面粗糙度都達不到微型模具的要求,特別是機械加工的應力對微型模具加工影響較大。雖然目前已開發了微細車削機床、微細銑削機床和微細磨削機床,但都有其局限性,很難適合微型模具的微型腔加工。而適合微型模具加工的主要是特種加工技術,包括光製作技術、微細電火花加工技術等。近年來發展的新型光製作技術——LIGA技術,是深度X射線刻蝕、電鑄成型和塑料鑄模等技術的結合,是一種高精度微結構的零件加工技術,但LIGA只能加工柱狀的微結構,作為微型模具的加工手段也有一定的局限性。

微細電火花加工在微細加工領域被廣泛採用,已成為微型模具加工方面一個重要的發展方向。微細電火花加工微型模具具有一系列優點:

(1)低應力。這一點對微型模具及微細結構件加工特別重要,由於微細電火花加工是用微脈衝能量加工,所以比一般電火花加工的應力更小,更適合於微型模具加工。

(2)能加工高硬材料。這一點具有特殊的優勢,可能是其他加工方法無法比擬的,它對提高微型模具的壽命具有重要意義。

(3)能加工複雜微型腔模具。加工複雜微型腔取決於電極形狀,不像LIGA只能加工柱狀微結構件,微細車削只適合加工迴轉類微零件,微細磨削只適合加工溝槽類微結構件等。

(4)無毛刺。微型模具的微型腔不允許有毛刺,有了毛刺要去毛刺也十分困難。

微細電火花加工目前已有相當高的技術水平,微能量脈衝電源、微進給系統、伺服控制系統、數控系統等都在電火花微孔加工中得到開發應用。微細電火花加工的表面粗糙度Ra可達0.05μm,在微型腔或微型結構件的加工中,其加工精度可以達到≤1μm,可以滿足微型模具的加工要求。

但微細電火花加工的一個關鍵問題是微型電極的製作。到目前為止,日本東京大學增澤隆久教授開發的線電極電火花磨削法(WEDG)迄今還是製作微細電極的有效方法,它是建立在電火花反拷貝加工基礎上發展起來的一種微型電極製作方法。WEDG的主要特點:①線電極與工件(微型電極)為點接觸,故工件的加工形狀僅與成形運動有關,因此圓柱體工件只需單軸數控,利用2軸或3軸數控可以加工多種複雜形狀。②由於線電極是迴轉的(移動的)加工量又很小,故線電極損耗極小,有利於提高加工精度;而加工精度主要取決於成形運動精度。③放電部位為點區域,放電過程中對工件的振動或造成彎曲的影響極小,適合微型電極(工件)加工,並能達到很高的精度。④因放電是點接觸相對反拷貝而言效率較低。以加工微細圓柱工件為例,應用WEDG方法可以加工?70μm的銅、?20μm及?13μm的鎢,甚至可以進行更小直徑的加工。

 

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