微细电火花加工用微细电极丝进给导向机构

摘要

本发明属于特种微细加工技术领域，涉及一种微细电火花加工用微细电极丝进给导向机构，由微细电极丝进给与损耗自动补偿模块、微细电极丝辅助激振模块以及微细电极丝精密导向模块组成。常闭夹丝机构位于常开夹丝机构和精密导向模块之间，缩短了常闭夹丝机构夹丝点与导向模块间的距离，提高了微细电极丝的稳定性。微细电极丝在伺服进给的同时，还在辅助激振模块的作用下高频振动，用于改善间隙放电状态与排屑条件，提高加工效率。精密导向模块采用在硅片上刻蚀的精密V型导向槽实现对微细电极丝的高精度导向，一种规格V型导向槽的硅片可以适应一定直径范围的电极丝。本发明用于微细孔加工。

说明书

技术领域

本发明属于特种微细加工技术领域，涉及一种微细电火花加工用微细电极丝进给导向机构。

背景技术

随着微细电火花加工技术的不断发展，微细孔电火花加工在精度提高和尺寸微细化方面取得了长足的进展。迄今电火花加工的微细孔最小孔径可达数微米，尺寸精度达到微米量级，表面粗糙度达到亚微米量级。但如何提高微细孔的加工效率，保证微细孔的加工精度仍是亟待解决的问题。

微细电火花加工过程中，微细电极丝损耗的补偿以及精密导向是关键问题之一。虽然在线反拷电极的方法可以获得极微细的电极丝，加工出极微细的孔，但反拷电极耗时较长，加工过程需要频繁修丝，效率不高，不适合工业批量加工场合。

工业应用场合一般选用拉拔电极丝，如钨丝、铜丝、铜钨合金电极丝等。微细电极丝的精密导向是保证微细电火花加工精度的关键环节之一，一般采取在电极丝末端加导向管以保证导向精度，或者用两块倒角陶瓷块拼接形成微细V型导向槽，然后将电极丝约束在V型导向槽内，以实现电极丝的精密导向。对电极丝导向管的要求为材料是高耐磨性，其微细孔内壁光滑，圆度好，且与不同规格电极丝一一对应。但随着加工孔径的减小，在更换电极丝时，微细电极丝(如直径小于50μm)顺利穿过电极丝导向管比较困难。为了顺利穿丝，导向管孔径往往略大于电极丝直径，电极丝与导向管之间存在间隙，影响了微细孔加工精度。

综上所述，传统的电极丝进给导向机构存在如下问题：

(1)传统电火花小孔加工机床使用直径较大、刚度较好的中空电极，电极夹丝机构夹丝点与导向机构之间距离即使较大，也能保证加工过程电极不发生弯曲。但是当采用微细电极丝时，由于其刚度较差，夹丝机构夹丝点与导向机构之间的距离必须减小，否则微细电极丝容易产生弯曲变形，其变形量会抵消掉电极丝的伺服进给量，影响加工过程的稳定性。同时，在微细电极丝附加高频激振时，其弯曲变形会抵消掉电极丝由于高频激振作用而产生的轴向位移，附加高频激振的效果无法实现。

(2)若导向机构中的常闭夹丝机构在常开夹丝机构之上，位于常闭夹丝机构与导向机构之间的微细电极丝较长，亦存在微细电极丝因刚性不好而发生弯曲的问题。

(3)加工不同孔径微细孔，更换电极丝时，需频繁更换与之匹配的导向管。随着加工孔径的减小，微细电极丝顺利穿过导向管比较困难。为保证顺利穿丝，微细电极丝与导向管内壁之间往往存在一定间隙，电极丝容易偏摆，降低了微细孔的加工精度。

此外，加工高深径比的微细孔时，由于放电脉冲能量及放电间隙非常小，因此电蚀产物不易从加工区排出，加工过程容易发生短路和拉弧，加工稳定性及加工精度随之降低。

发明内容

本发明的目的是设计一种微细电火花加工用微细电极丝进给导向机构，旨在解决背景技术中所述的工业生产微细孔加工过程中微细电极丝的精密进给导向问题，特别涉及一种微细电火花加工用微细电极丝进给导向机构，微细电火花加工用微细电极丝进给导向机构主要由微细电极丝进给与损耗自动补偿模块，微细电极丝辅助激振模块以及微细电极丝精密导向模块组成，其特征在于，该微细电火花加工用微细电极丝进给导向机构中，微细电极丝进给与损耗自动补偿模块与Z向伺服驱动主轴13直接相连并受其驱动，主要由常开夹丝机构8和常闭夹丝机构7组成。常闭夹丝机构7在常开夹丝机构8下面，位于常开夹丝机构8和微细电极丝精密导向模块之间，微细电极丝9由常闭夹丝机构7夹持，常闭夹丝机构7通过常闭夹丝机构托架18与微细电极丝辅助激振模块17下端相连，微细电极丝辅助激振模块17上端与连接块16下端相连，连接块16安装在导轨滑块15上，导轨滑块15通过连接块16与Z向伺服驱动主轴13相连，导轨滑块15和微细电极丝进给导向机构安装板14滑动连接。常开夹丝机构8安装在常开夹丝机构基座11的底面，常开夹丝机构基座11固定在微细电极丝进给导向机构安装板14上。导向管12、上陶瓷导向器10安装在常开夹丝机构基座11上，下陶瓷导向器19安装在常闭夹丝机构托架18上，导向管12、上陶瓷导向器10、下陶瓷导向器19与常开夹丝机构8和常闭夹丝机构7两者的夹丝部分在同一直线上，微细电极丝9从导向管12进入，依次穿过上陶瓷导向器10、常开夹丝机构8的夹丝部分、下陶瓷导向器19和常闭夹丝机构7的夹丝部分，再通过微细电极丝精密导向模块。

微细电极丝精密导向模块主要由微细电极丝精密导向模块基座6、微细电极丝导向硅片底座2、微细电极丝导向硅片1以及弹性压丝机构3组成。微细电极丝精密导向模块基座6固定在微细电极丝进给导向机构安装板14上，微细电极丝导向硅片1固定在微细电极丝导向硅片底座2上，微细电极丝导向硅片底座2由电极丝导向硅片基座定位压片20压紧固定在微细电极丝精密导向模块基座6上，微细电极丝9被弹性压丝机构3约束在微细电极丝导向硅片1的精密V型导向槽23内。

所述弹性压丝机构3由微细电极丝压紧力调整机构托架5、微细电极丝压紧力调整螺钉4、长弹簧丝25、短弹簧丝26、下压丝柱27、上压丝柱28构成，微细电极丝压紧力调整机构托架5安装在微细电极丝精密导向模块基座6的端面，短弹簧丝26穿过上压丝柱28的中心孔，左、右两端分别插入微细电极丝压紧力调整机构托架5上部的对应定位孔内，长弹簧丝25穿过下压丝柱27的中心孔，左、右两端分别插入微细电极丝压紧力调整机构托架5上部的对应定位孔内，四个微细电极丝压紧力调整螺钉4安装在微细电极丝压紧力调整机构托架5的四个螺纹孔内，左、右两个微细电极丝压紧力调整螺钉4的顶端分别压住长弹簧丝25的左、右两段，中间两个微细电极丝压紧力调整螺钉4的顶端分别压住短弹簧丝26的左、右两段，上压丝柱28和下压丝柱27在微细电极丝导向硅片1的精密V型导向槽23上压住微细电极丝9。上压丝柱28和下压丝柱27对电极丝的压紧力分别由短弹簧丝26和长弹簧丝25提供，通过拧紧或放松微细电极丝压紧力调整螺钉4，调节对电极丝压紧力的大小。

所述的精密V型导向槽23刻蚀在微细电极丝导向硅片1中心线上，第一层涂层二氧化硅(SiO₂)薄膜22沉积在微细电极丝导向硅片1的V型导向槽表面，第二层涂层氮化硅(Si₃N₄)薄膜24沉积在第一层涂层二氧化硅(SiO₂)薄膜22上。

所述的精密V型导向槽23的制造方法为体硅刻蚀工艺，第一层涂层二氧化硅(SiO₂)薄膜22及第二层涂层氮化硅(Si₃N₄)薄膜24的制造方法为化学气相沉积(CVD)。

所述的微细电极丝辅助激振模块(17)为压电陶瓷激振模块或电磁激振模块等。

所述下压丝柱27和上压丝柱28的材料为高分子绝缘材料。

进行微细电极丝损耗补偿时，常开夹丝机构8的电磁致动器通电，将微细电极丝9夹紧，接着常闭夹丝机构7的电磁致动器通电，夹丝头在电磁力的作用下松开微细电极丝9，之后Z向伺服驱动常闭夹丝机构7向上运动，至预设极限位置时，常闭夹丝机构7和常开夹丝机构8先后恢复常态，Z向伺服驱动常闭夹丝机构7带动微细电极丝9向下运动一定距离。重复上述过程便可实现微细电极丝的进给，反之则能实现微细电极丝的回退。

加工过程中，微细电极丝9除了伺服进给，还可以在微细电极丝辅助激振模块17的作用下高频振动，有利于提高脉冲的利用率，减少短路、拉弧现象的发生，改善间隙放电状态与排屑条件，进一步提高加工稳定性和加工效率。

微细电极丝精密导向模块的关键零件是微细电极丝导向硅片1及其精密V型导向槽23。根据不同微细电极丝9的直径范围，采用体硅刻蚀工艺在硅片上刻蚀出一定宽度与深度的精密V型导向槽23，然后再在其表面沉积二氧化硅(SiO₂)薄膜22和氮化硅(Si₃N₄)薄膜24，以增加其耐磨性及绝缘性。微细电极丝9从导向管12穿过上陶瓷导向器10、常开夹丝机构8、下陶瓷导向器19和常闭夹丝机构7，再经过微细电极丝导向硅片1上的精密V型导向槽23，由弹性压丝机构3压紧，约束在精密V型导向槽23内。微细电极丝压紧力的大小可以通过微细电极丝压紧力调整螺钉4进行调节，以达到最佳的加工效果。加工过程中，只要根据孔径范围选择微细电极丝9和匹配相应规格的微细电极丝导向硅片1。

本发明的有益效果为：

(1)微细电极丝精密导向模块中采用精密V型导向槽，其最大优点是穿丝容易，用简单的工艺保证微细电极丝始终与精密V型导向槽的V型导向面接触，同时又能保证微细电极丝轴向自由滑动，获得了对微细电极丝高精度导向的效果，解决了微细电火花加工微细电极丝的精密导向问题。且一种规格V型导向槽的硅片可以适应一定直径范围的微细电极丝，导向硅片不必与每一直径的电极丝一一对应，简化了微细电极丝导向器的设计。

(2)微细电极丝进给与损耗自动补偿模块中，常闭夹丝机构位于常开夹丝机构与微细电极丝精密导向模块之间，较常开夹丝机构位于常闭夹丝机构的下部相比，缩短了常闭夹丝机构夹丝点与微细电极丝精密导向模块间的距离，减少了由于电极丝弯曲带来的加工过程不稳定等问题，提高了加工过程中微细电极丝的稳定性。

(3)微细电极丝辅助激振模块安装在Z向伺服驱动主轴与常闭夹丝机构之间。加工过程微细电极丝进行伺服进给的同时，还在微细电极丝辅助激振模块的作用下作高频振动，能够改善间隙放电状态与排屑条件，提高加工过程稳定性和加工效率。

附图说明

图1是微细电火花加工用微细电极丝进给导向机构示意图；

图2是微细电极丝精密导向模块局部放大图；

图3是图2的B向视图即弹性压丝机构示意图；

图4是图1中微细电极丝精密导向模块的A-A向视图；

图5是微细电极丝导向硅片结构示意图。

在图1～图5中，1为微细电极丝导向硅片，2为微细电极丝导向硅片底座，3为弹性压丝机构，4为微细电极丝压紧力调整螺钉，5为微细电极丝压紧力调整机构托架，6为微细电极丝精密导向模块基座，7为常闭夹丝机构，8为常开夹丝机构，9为微细电极丝，10为上陶瓷导向器，11为常开夹丝机构基座，12为导向管，13为Z向伺服驱动主轴，14为微细电极丝进给导向机构安装板，15为导轨滑块，16为连接块，17为微细电极丝辅助激振模块，18为常闭夹丝机构托架，19为下陶瓷导向器，20为电极丝导向硅片基座定位压片，21为电极丝导向硅片基体，22为二氧化硅(SiO₂)薄膜，23为精密V型导向槽，24为氮化硅(Si₃N₄)薄膜，25为长弹簧丝，26为短弹簧丝，27为下压丝柱，28为上压丝柱。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述。

如图1所示实施例，该微细电火花加工用微细电极丝进给导向机构主要由微细电极丝进给与损耗自动补偿模块、微细电极丝辅助激振模块以及微细电极丝精密导向模块等组成，微细电极丝进给与损耗自动补偿模块、微细电极丝辅助激振模块和微细电极丝精密导向模块均安装在微细电极丝进给导向机构安装板14上。在此微细电极丝进给导向机构中，Z向伺服驱动主轴13和微细电极丝进给与损耗自动补偿模块的连接块16相连，微细电极丝9由常闭夹丝机构7夹持，常闭夹丝机构7通过常闭夹子托架18与微细电极丝辅助激振模块17的下端相连接，微细电极丝辅助激振模块17通过连接块16安装在导轨滑块15上，导轨滑块15通过连接块16与Z向伺服驱动主轴13相连接，导轨滑块15和微细电极丝进给导向机构安装板14滑动连接。微细电极丝进给与损耗自动补偿模块主要由常开夹丝机构8和常闭夹丝机构7组成，常闭夹丝机构7位于常开夹丝机构8和微细电极丝精密导向模块之间，较常开夹丝机构位于常闭夹丝机构下部相比，该结构能有效缩短常闭夹丝机构夹丝点与微细电极丝导向模块之间的距离，有利于提高加工过程中微细电极丝的稳定性。微细电极丝进给与损耗自动补偿模块中，常开夹丝机构8安装在常开夹丝机构基座11的底面，常开夹丝机构基座11固定在微细电极丝进给导向机构安装板14上。

微细电极丝损耗补偿过程如下：当电极丝需要补偿时，常开夹丝机构8的电磁致动器通电夹紧微细电极丝9，然后常闭夹丝机构7的电磁致动器的线圈通电，松开微细电极丝9，之后Z向伺服驱动常闭夹丝机构7向上运动，达到设定的极限位置时，常闭夹丝机构7和常开夹丝机构8先后恢复常态，Z向伺服驱动常闭夹丝机构7带动微细电极丝9向下运动一定距离。重复上述过程便可实现微细电极丝的进给，反之则能实现微细电极丝的回退。

微细电极丝9在Z向伺服作用下作伺服进给的同时，还在微细电极丝辅助激振模块17的作用下作高频振动。微细电极丝辅助高频振动能够改善间隙放电状态与排屑条件，提高加工过程稳定性，提高加工效率。

微细电极丝精密导向机构由微细电极丝精密导向模块基座6、微细电极丝导向硅片底座2、微细电极丝导向硅片1以及弹性压丝机构3等组成。微细电极丝导向硅片底座2由氧化锆基陶瓷等硬度较高且绝缘性能好的材料加工而成。微细电极丝导向硅片1固定在微细电极丝导向硅片基座2上，微细电极丝导向硅片底座2由电极丝导向硅片基座定位压片20压紧固定在导向模块基座6上。微细电极丝精密导向模块的关键是硅片的精密V型导向槽23的加工，该V型导向槽通过体硅刻蚀的工艺获得。根据不同的电极丝直径范围，通过体硅刻蚀工艺，在硅片上刻出一定宽度与深度的精密V型导向槽。微细电极丝9依次穿过导向管12、上陶瓷导向器10、下陶瓷导向器19、常开夹丝机构8和常闭夹丝机构7，由弹性压丝机构3在微细电极丝导向硅片1上压紧，约束在精密V型导向槽23中。弹性压丝机构3主要由微细电极丝压紧力调整机构托架5、微细电极丝压紧力调整螺钉4、上压丝柱28、下压丝柱27以及长弹簧丝25和短弹簧丝26组成。长弹簧丝25穿过下压丝柱27的中心孔，短弹簧丝26穿过上压丝柱28的中心孔，各弹簧丝的两端分别固定在微细电极丝压紧力调整机构托架5上部相应的定位孔内。四个微细电极丝压紧力调整螺钉4的顶端分别压住两个弹簧丝左、右段，通过拧紧或放松微细电极丝压紧力调整螺钉4，便可调整弹簧丝的弯曲变形量，从而调整压丝力的大小，保证加工过程微细电极丝9与精密V型导向槽23的导向面之间良好无间隙接触且能自由滑动，不易发生电极丝的偏摆现象。上压丝柱28和下压丝柱27的材料为聚四氟乙烯等高分子绝缘材料。

本发明的工作原理为：常闭夹丝机构置于常开夹丝机构和微细电极丝精密导向模块之间，缩短了常闭夹丝机构夹丝点与微细电极丝精密导向模块间的距离，减少了由于电极丝弯曲带来的加工过程不稳定等问题，提高了加工过程中微细电极丝的稳定性；引入微细电极丝高频激振模块，改善间隙放电状态，改善间隙流场及排屑条件，提高加工过程稳定性，提高加工效率；采用体硅刻蚀工艺获得V型导向槽的硅片作为微细电极丝精密导向模块电极丝导向的关键零件，用简单的工艺实现了加工过程微细电极丝的高精度导向，解决了微细电火花加工中微细电极丝的精确导向问题。加工时只要根据工件要求的孔径选择与其匹配的相应微细电极丝导向硅片。