利用放電進(jìn)行微細(xì)深孔加工

研究背景

    最近，因?yàn)殡娮蛹夹g(shù)及機(jī)械技術(shù)等的進(jìn)步，微傳輸(micron-order)的加工技術(shù)變得更形重要。特別是噴墨印刷噴嘴(inkjetprintnozzle)、光纖維(fiber)的連接器(connector)、引擎(engine)用噴嘴(nozzle)、紡系用噴嘴、醫(yī)用機(jī)械、感測(cè)器部品等的高精度深孔加工更加重要。

    一般的微細(xì)放電加工，因?yàn)槭艿郊庸ひ河坞x出來(lái)的碳(carbon)或無(wú)法完全排出之加工屑等的影響，特別是以不鋼為對(duì)象時(shí)，要進(jìn)行孔徑5倍以上深度的孔加工是非常困難的。本研究是以水為加工液，利用橫方向的放電加工來(lái)進(jìn)行不綱(SUS304)的深孔(深度為孔徑的15倍以上)加工，進(jìn)行實(shí)用可能性的檢討。

加工原理

1. 利用線割放電研削(WEDG)的電極加工

    進(jìn)行深孔加工用電極的加工時(shí)，需要能保持一定長(zhǎng)度之精度的軸。

2. 以水為加工液加工

    加工液采用高純度的水，不會(huì)生成碳及產(chǎn)生電解現(xiàn)象，同時(shí)保有絕緣性。

3. 橫方向放電加工

    為了使加工時(shí)的加工屑及氣泡等有更佳的排出效果，采用水平的加工進(jìn)行方向，同時(shí)在加工孔的入口附近沿著電極對(duì)加工液施加少許的壓力。這種方式，可以隨時(shí)供應(yīng)新的純水。

4. 利用電磁力的共振

     加工的孔深愈深，則加工液的供給及加工屑的排出都為更加困難。使工作物振動(dòng)，可以促進(jìn)加工屑及氣泡的排出。

實(shí)驗(yàn)裝置的概要

圖1 裝置的主要部份構(gòu)造圖

    圖1是加工裝置的主要部份，圖2則是純水精制裝置。加工裝置除了具有水平面X軸及Z軸(主軸)的2個(gè)自由度外，主軸也可以旋轉(zhuǎn)。X工作臺(tái)(stage)上固定著wire導(dǎo)引(guide)及工作物裝置臺(tái)，在微細(xì)電極成形後，就直接移至孔加工。主軸在旋轉(zhuǎn)電極的情形下，最多可傳送3,5OOum。兩軸都具有加工上必要的輔助傳送機(jī)能、決定位置機(jī)能、以及接觸感測(cè)機(jī)能。

    純水精制裝置則是利用含有離子交換樹脂的環(huán)(loop)來(lái)獲得導(dǎo)電率0.1uS/cm的純水。再以80Oum內(nèi)徑的不綱注射筒用力將水注入電極間及其周邊。

    加振器則是將25V的繼電器(relay)分解，以電磁石為作動(dòng)器(actuator)，將工作物裝在上面(圖3)。如圖4所示，50Hz以上時(shí)振幅較小。只有在加工狀態(tài)不安定時(shí)才進(jìn)行。短路狀態(tài)的恢復(fù)不良視為不安定狀態(tài)。加工回路采用RC回路。

圖2 純水精制裝置 圖3 電磁力的振動(dòng)器 圖4 加振器的特性

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

電極加工

    以直徑300um的鎢絲為電極素材，加工電壓=80V，在電容器(condenser)容量C=47PF進(jìn)行端面加工、C=2,2OOpF進(jìn)行側(cè)面粗加工(加工直徑120um、C=lOOpF進(jìn)行側(cè)面整修加工(加工直徑75um)。極性上，wire為(-)被加工電極為(+)。整修加工直徑75um、加工長(zhǎng)度3,2OOum時(shí)，實(shí)質(zhì)的全加工時(shí)間約為40分鐘(長(zhǎng)度/電極直徑=40)

孔加工

    加工電壓=80V，在電容器容量C=lOOPf，以大約300Orpm來(lái)旋轉(zhuǎn)電極�？椎纳疃仍�800um以上，放電狀態(tài)不安定時(shí)，利用電磁力使工作物振動(dòng)。極性上，電極為(-)、工作物為(+)。

a. 加工的進(jìn)行狀況

圖5是孔加工時(shí)的電極傳送量經(jīng)時(shí)變化。A為末加振時(shí)，B為上述加振時(shí)的加工狀況。

圖5 直徑75um電極傳送量經(jīng)時(shí)變化 圖6 間隙和加振周波數(shù)的關(guān)系

b. 加工時(shí)間

    末振動(dòng)時(shí)，如圖5-A所示，加工深度到達(dá)800um時(shí)，放電狀態(tài)不安定而無(wú)法貫通。即使能貫通，也需花費(fèi)較多的時(shí)間。圖5-B則是在放電狀態(tài)不安定時(shí)，利用加振效果，可在大約15分鐘貫穿1.5mmSUS304。

c. 電極長(zhǎng)度消耗率

    具電極消耗上，在加工而使具電極端面和工作物表面接觸，記錄其位置，加工終止後，再將其和加工孔旁邊的工作物表面接觸，由兩個(gè)位置的差來(lái)求取長(zhǎng)度消耗量。本實(shí)驗(yàn)的消耗長(zhǎng)度約為180um，消耗率約為12%。

d. 間隙(側(cè)面)

    圖6是加振周波數(shù)不同所產(chǎn)生的間隙差異。間隙值較大及有誤差的理由為，如振器的位置偏離、電極周邊集聚的加工屑產(chǎn)生間接放電、電解作用導(dǎo)致對(duì)加工面的浸蝕。如圖4所示，周波數(shù)較大而振幅減少時(shí)，也會(huì)影響特性。

e. 加工孔的形狀

    相片1、相片2是以直徑75um電極加工的加工孔相片。

相片1 加工孔入口 相片2 加工孔出口

相片3 直徑75um 電極的外觀 相片4 加工後電極的外觀

結(jié)論

    本實(shí)驗(yàn)的方法，可以貫通傳統(tǒng)加工無(wú)法加工的深孔(1.5mm)。此外，因?yàn)榧诱衿鞯木�度較差，孔徑的誤差變大。特別是深孔的時(shí)候，長(zhǎng)電極的變形等理由，會(huì)使孔徑的精度變差，所以必須針對(duì)加振器的精度及電極的撓曲進(jìn)行檢討。