微型模具的微細(xì)電火花加工技術(shù)

發(fā)布日期:2011-11-25    蘭生客服中心    瀏覽:1993

    隨著納米技術(shù)的進(jìn)步,產(chǎn)品不斷向微型化方向發(fā)展,特征尺寸為微米級的微機電系統(tǒng)越來越受到人們的高度重視。
    微機電系統(tǒng)(MEMS, Micro-Electro-Machanical Systems)包括微型機構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器和相應(yīng)的處理電路等幾部分,MEMS已相繼應(yīng)用于精密機械、光電通訊、影像傳輸、生化醫(yī)療和信息儲存等領(lǐng)域,如微齒輪、插頭式光纖連接器、醫(yī)學(xué)用微量泵、導(dǎo)光板、微透鏡、內(nèi)窺鏡零件、微流控芯片、細(xì)胞培養(yǎng)用微型容器,以及旋轉(zhuǎn)傳感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(fā)展,中國的MEMS市場增速也將加快,據(jù)有關(guān)資料預(yù)測,至2011年我國MEMS的增速有望達(dá)到29.2%。
    所謂微型模具,如果從尺寸和制造精度上加以限定,則微型模具具有以下特征:成形制件尺寸微小,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,模具的制造精度≤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(jié)構(gòu)特征的部分,這一部分也可稱作微型模具,這種模具結(jié)構(gòu)的微小型腔部分,可在一個小體積的模塊上加工,然后把小模塊作為一個模塊嵌入大模具中,這不僅便于微小模具的微細(xì)加工,而且可以進(jìn)行鑲塊更換,以提高整體模具的壽命。
    微型模具的制造難點在于微小型腔或微小凹凸結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)尺寸的微型模具,而且尺寸精度和表面粗糙度都達(dá)不到微型模具的要求,特別是機械加工的應(yīng)力對微型模具加工影響較大。雖然目前已開發(fā)了微細(xì)車削機床、微細(xì)銑削機床和微細(xì)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(shù),包括光制作技術(shù)、微細(xì)電火花加工技術(shù)等。近年來發(fā)展的新型光制作技術(shù)——LIGA技術(shù),是深度X射線刻蝕、電鑄成型和塑料鑄模等技術(shù)的結(jié)合,是一種高精度微結(jié)構(gòu)的零件加工技術(shù),但LIGA只能加工柱狀的微結(jié)構(gòu),作為微型模具的加工手段也有一定的局限性。
微細(xì)電火花加工在微細(xì)加工領(lǐng)域被廣泛采用,已成為微型模具加工方面一個重要的發(fā)展方向。微細(xì)電火花加工微型模具具有一系列優(yōu)點:
(1)低應(yīng)力。這一點對微型模具及微細(xì)結(jié)構(gòu)件加工特別重要,由于微細(xì)電火花加工是用微脈沖能量加工,所以比一般電火花加工的應(yīng)力更小,更適合于微型模具加工。
(2)能加工高硬材料。這一點具有特殊的優(yōu)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)能加工復(fù)雜微型腔模具。加工復(fù)雜微型腔取決于電極形狀,不像LIGA只能加工柱狀微結(jié)構(gòu)件,微細(xì)車削只適合加工回轉(zhuǎn)類微零件,微細(xì)磨削只適合加工溝槽類微結(jié)構(gòu)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(xì)電火花加工目前已有相當(dāng)高的技術(shù)水平,微能量脈沖電源、微進(jìn)給系統(tǒng)、伺服控制系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)等都在電火花微孔加工中得到開發(fā)應(yīng)用。微細(xì)電火花加工的表面粗糙度Ra可達(dá)0.05μm,在微型腔或微型結(jié)構(gòu)件的加工中,其加工精度可以達(dá)到≤1μm,可以滿足微型模具的加工要求。
    但微細(xì)電火花加工的一個關(guān)鍵問題是微型電極的制作。到目前為止,日本東京大學(xué)增澤隆久教授開發(fā)的線電極電火花磨削法(WEDG)迄今還是制作微細(xì)電極的有效方法,它是建立在電火花反拷貝加工基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種微型電極制作方法。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(guān),因此圓柱體工件只需單軸數(shù)控,利用2軸或3軸數(shù)控可以加工多種復(fù)雜形狀。②由于線電極是回轉(zhuǎn)的(移動的)加工量又很小,故線電極損耗極小,有利于提高加工精度;而加工精度主要取決于成形運動精度。③放電部位為點區(qū)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,并能達(dá)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(xì)圓柱工件為例,應(yīng)用WEDG方法可以加工?70μm的銅、?20μm及?13μm的鎢,甚至可以進(jìn)行更小直徑的加工。

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