微型电腐蚀加工技术的进展

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在微系统技术领域中的产品开发需要多种微技术的共同发展。例如需要微型机械零件、微型光学零件和微型电子部件的共同努力才能完成。微型的数字摄像机就需要上述各个微型技术的通力合作。微型技术领域中产品需求量的增加也带动了微型机械产品需求量的增加，从而对机械产品的生产加工提出了更高的要求。因此，微型产品生产工艺、微型结构件的生产制造和微型部件的研制开发是急待增强的新领域。

高硬度微型零件的机械加工，因微型结构件有限的可加工性、极高的精度和很小的制造公差，所以是一项非常困难的加工任务。在工业化大批量生产中，微型结构件最主要的生产工艺方法是辊压、微压铸、热冲压等等。在高耐磨微型零件结构的加工中，除了磨削和激光切削方法以外，电火花腐蚀加工也是一种可行的微型结构件加工工艺。在电火花腐蚀加工中，利用微型成型电极的电火花腐蚀加工和微型线切割加工，由于其工艺方法在微型系统机械零部件、结构件加工中的特性而得到广泛应用。这两种加工工艺方法与被加工工件材料的性质无关，不受工件材料的影响，并且几乎不产生切削力，因此可以生产加工出非常小的结构件。

微电火花腐蚀加工的概念（缩写为μ－EDM）表示的是利用电火花腐蚀加工的方法生产加工微型工件和微型结构件，它是机械加工中电火花腐蚀加工在微型加工领域中的一种应用。在微电火花腐蚀加工中，被加工工件的轮廓尺寸明显的小于1mm。微电火花腐蚀加工与传统电火花腐蚀加工的区别首先是非常小的电极，除此以外就是与微型工件、微型结构件电火花加工相适应的电气参数和生产工艺参数。由于微型工件的体积和尺寸非常小，所有的加工工艺参数都不能超过工件热负荷极限的限制。这就是说：要减少放电电能，减少电流密度。

现代化的电火花腐蚀加工设备除了配备有电流可调的标准电机，可进行大功率的电火花腐蚀加工以外，还附加了张驰振荡器，可用于微电火花腐蚀加工和表面精密加工。这种电容式的微型振荡器可以根据电气传导距离的放电电容量、分布电容，产生很小的放电能量。最小为0.1μJ/每个放电过程；最小的工作电流0.1A；最短的放电持续时间为50ns ；以及放电频率达到10 MHZ。它可实现的最小电火花间距达15μm。目前，利用微电火花腐蚀加工工艺可以达到的最小结构尺寸约为20μm，日本的研究人员已经成功的在厚度为10μm的钢质薄片上利用微电火花腐蚀加工工艺加工出了直径为5μm的孔。在加工这种孔时，他们充分控制了电气导线和夹具系统在电火花腐蚀时的放电电容，使它小于10 pF。在微电火花腐蚀加工中，机床只允许有非常小的放电电容，例如利用陶瓷夹具，屏蔽了的电气导线，来减少机床系统的放电电容；电容和电路板等，也应严格在空间上与加工电极分割开来。

台式的微电火花加工机床

微加工的另一个要求是：必须能保证几微米小的加工公差。由这一要求引出的是对微电火花腐蚀加工机床的一系列技术要求：要求驱动系统具有很高的定位精度；高解析度的位置测量系统；无振动的机床床身系统以及很高的长时间热稳定性能。现代化的微电火花腐蚀加工机床和微线切割机床可以实现的定位精度为±2μm。瑞士的电火花加工机床生产厂商Agie研制了一种面向未来的台式微电火花腐蚀加工机床，采用了并行联接的机械转向节和Voice－Coil 电机，它的定位精度达到了纳米级。

微加工工艺的发展趋势是：将电火花腐蚀工艺方法集成在一台机床上完成，这样一来，这种“集成式，或者多功能”微电火花腐蚀加工机床就集合了许多电火花腐蚀加工的优点：减少了工件的装夹转换次数和时间，减少了电极的装夹更换次数与时间。这不仅仅是减少了机床操作者的设备调整时间，尤其是避免了反复装夹微型工件时的安装误差。这种微加工工艺技术集成的另一大优点是：在多种微加工生产过程中绝缘条件、电机、振荡器工作参数的选择几乎保持不变。例如，研究试验的结果告诉我们：消电离的冷却液在导电能力为1μS/cm的条件下有很低的粘度。与油类相比，在很小的放电间隙中消电离的冷却液的电击穿能力要小的多。另外，由于放电持续时间很小，阴极电极的磨损也很小。

微电腐蚀加工工艺方法集成在一台机床上的实例：电火花腐蚀孔加工与电腐蚀线切割加工回转体工件。在加工小直径的孔时，例如加工直径100μm以下的孔时，是不能使用“杆式电极”的，而是采用特殊形状的电极，将一个硬质合金制造的圆柱形电极加工成特殊形状电极则必须使用电腐蚀中的线切割工艺（WEDD）。在这一特殊形状电极的加工过程中，圆柱形电极成为了被电火花腐蚀加工的“工件”。这样一来，就需要在微电火花腐蚀加工机床中，附带的加上一套线切割腐蚀加工系统。这种机床配置方案减少了一次工件装夹过程，可以达到很高的定位精度。这种集成方案既可以加工出有回转对称轴的，也可以生产出四边形的电极，既可以生产微电腐蚀加工的“刀具”，也可以生产微电腐蚀加工的工件，例如加工微铣削加工的特种铣刀等等。

微电极的加工非常繁琐

在加工凹腔时，例如冲压模具或注塑模具中的型腔时，长期以来一直采用的是电火花腐蚀加工工艺。然而这种方法在加工微型工件时会因微电极的制造而引起一系列的经济的和技术上的困难。利用微型铣刀或LIGA技术加工微型成型电极非常困难，往往与电极的材料有关，而且费用也很高。另外，这样制成的成型电极也不易接近工件，耗费的时间很长，很有可能出现定位错误或者损伤微型成型电极或微型工件。

一种可以解决这一难题的微型腔加工工艺方法是所谓的微轨迹腐蚀工艺技术，是利用圆柱形微电极（ED－Milling），按运动轨迹逐步“电火花腐蚀”加工出微小型腔的工艺方法。在这种微轨迹电火花腐蚀加工中，所用的电极是圆柱形的杆式电极，而不是与微型型腔轮廓相同的成型电极，其电火花腐蚀过程可与端铣刀成型铣削相比较，最终加工出三维的型腔。与微电火花腐蚀加工相比，ED－Milling方法更适合在微型电腐蚀加工领域中使用。利用合适的五坐标数控系统，即带有进给速度调节，又带有电机磨损补偿的数控系统，可以加工出几何精度非常高的微型工件。由于微型电极的相对运动和“开放式”的微型型腔与传统的电火花腐蚀加工技术相比有着很好的清理排屑作用，从而提高了微型电极的切削效率，又可以延长微型电极的使用寿命，对提高微型型腔的表面质量又有着积极的作用。另外，由于采用了圆柱形的微电极，又减少了电极的制作费用。虽然人们采用ED－Milling微加工工艺技术的经验还不多，尤其是在工业化大生产中的实际应用经验，但是许多研究单位都在这方面下大气力进行研究，例如准备生产与这种工艺技术配套的CAM系统。

可以加工出40μm的割缝

与轨迹电火花腐蚀、垂直电火花腐蚀相比，线切割也是微电腐蚀加工中可以使用的工艺技术，利用极细的20μm粗的微型线切割丝，可以切割出宽度仅为40μm的缝隙。在采用了多线微型线切割的方案后，可将割缝的宽度提高到几个微米，缝隙处的表面粗糙度可达到Ra±0.1μm的水平。微线切割技术除了生产微型产品，例如生产微型齿轮，或者微型反转机构（minimal-invasiven Chirurgie）的零部件外，还非常适合生产制作微造型模具和微冲裁模具。与此相比，垂直进给的微成型电火花腐蚀加工则主要适用于微压铸模具和微孔加工，例如加工共轨喷射系统中的电控喷油器。在机床生产与研究开发不断发展的情况下，在微加工机床外部设备的不断完善的情况下，微电腐蚀加工技术的应用领域将也会随之不断扩大。