一种基于电火花放电沉积增材制造的金属微细结构直接成形方法技术

本发明专利技术公开了一种基于电火花放电沉积增材制造的金属微细结构直接成形方法，本发明专利技术结合快速原型技术的分层制造及电火花放电沉积加工设备简单，能量易于控制等优点，提出了面向金属微细结构制造的电火花放电沉积增材加工新方法，充分利用电火花沉积加工本身的加工方式和工艺特点，控制极间放电条件，实现工具电极高损耗和已沉积材料低蚀除，应用单次放电微量沉积，多次放电累加成形的工艺特点，实现微细结构二维层面上的沉积加工，继而应用二维层面的累加形成三维微小零件实体。以实现金属微细结构电火花放电沉积加工工艺，增加微细金属三维器件制造过程的灵活性和被加工零件的复杂程度，为现代制造提供新的技术手段。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了，本专利技术结合快速原型技术的分层制造及电火花放电沉积加工设备简单，能量易于控制等优点，提出了面向金属微细结构制造的电火花放电沉积增材加工新方法，充分利用电火花沉积加工本身的加工方式和工艺特点，控制极间放电条件，实现工具电极高损耗和已沉积材料低蚀除，应用单次放电微量沉积，多次放电累加成形的工艺特点，实现微细结构二维层面上的沉积加工，继而应用二维层面的累加形成三维微小零件实体。以实现金属微细结构电火花放电沉积加工工艺，增加微细金属三维器件制造过程的灵活性和被加工零件的复杂程度，为现代制造提供新的技术手段。【专利说明】
本专利技术涉及电火花工艺领域，具体涉及。
技术介绍
随着电火花加工理论及实验研究的不断深入，人们对电极损耗现象、加工介质的选择以及对加工中蚀除产物的排出方式等方面的理解也有了更深入的认识。研究表明，通过微细电火花极间放电，不但能够实现金属材料的精微去除加工，而且利用工具电极的高损耗现象，在适当的工艺条件下也可以实现金属材料的沉积生长加工。而微细电火花加工中不可避免的电极高损耗现象有利于工具电极材料在工件上的生长加工。基于电火花放电沉积加工的研究成为一种新的微细加工方法得到人们的重视。 目前从世界范围的而言，微细加工技术的发展应用主要存在着三个主流发展方向。其一是以美国为代表的基于硅平面技术发展而成的硅加工技术；其二是以德国为代表的集光刻、电铸和注塑于一体的LIGA技术；另一个则是以日本为代表的由传统切削加工和特种加工方法衍生而来的微细加工技术。这三种加工方法都有其各自的特点，并广泛的应用于MEMS系统微小型器件的制造。 迄今，硅微细加工在微机械的制造中仍占据主要位置，在微型传感器的制作及与电路集成等方面表现出一定的技术优势，但由于其工艺条件和被加工材料等方面的限制，使其不适用于微型致动器及复杂微细三维结构的制作。LIGA技术被加工材料取材广泛，具备大纵横比复杂微细零件的加工能力，但它需要采用昂贵的同步辐射X射线光源和特制X光掩模，与微电子工艺的兼容性较差，并且加工工艺不够灵活。随着微细加工方法的不断发展，各种常规的加工方法也向微细加工领域延伸，出现了如微细车削、微细铣削等微细加工方法，取得了较好的加工效果，但被加工材料硬度限制仍是其加工瓶颈，同时微小切削加工的刀具本身就难以制作，限制了其广泛的应用。 微细特种加工方法采用各种物理的、化学的能量及其各种理化效应，直接去除或增加材料以达到加工的目的。加工中一般没用宏观作用力，多数属于非接触式加工，可加工性与材料本身的硬度无关。这些特性在微小尺度零件的加工中表现出不可替代的优越性。微细特种加工方法主要有微细电火花加工、微细电解加工、微细激光加工、离子束加工、电子束加工等，其中离子束加工和电子束加工可加工材料范围广，易于实现精确控制，然而由于其均需在真空中进行，加工设备昂贵，加工工艺灵活性受到一定的限制。微细激光加工精度高、速度快，加工性能好，然而由于其焦点位置对孔及特征尺寸的形状和深度有很大影响，会形成加工锥度，且加工深度有限。微细电解加工过程中无工具电极损耗，可长期使用，加工后工件不产生残余应力，加工表面质量好，然而微细电解加工由于其加工参数较常规电解加工小得多，加工间隙小，加工产物不易排出，引起加工区域电解液浓度变化，易发生短路瞬间熔断电极，破坏加工过程。并且由于影响电解加工间隙电场和流场稳定性的参数很多，精确控制困难，加工时存在杂散腐蚀现象，因此该方法目前不易达到较高的加工精度和加工稳定性。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术提供了， 为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案为: ，包括如下步骤: S1、采用圆柱形工具电极(直径500微米)接脉冲电源正极的加工极性，采用煤油作为工作介质，通过微细电火花块电极反铐工艺，制备所需直径的工具电极； S2、将工件和步骤SI所制备工具电极分别接脉冲电源的负极和正极，调节脉冲电源的放电参数，使放电点处的工具电极和工件金属材料局部熔化、汽化，分别在工具电极和工件金属材料蚀除微小体积的金属材料； S3、将步骤S2所蚀除的工具电极材料在极小的放电间隙内，向工件金属材料运动，并最终到达工件金属材料表面，与熔化的工件金属材料共同冷凝形成沉积材料； S4、重复上述步骤S2和S3，直至形成三维微小零件实体。 其中，由于参与单次放电的两极都会受到不同程度的蚀除，因此保证工具电极材料的高蚀除量和已沉积材料的低蚀除量是本工艺实现的前提条件。 所述步骤SI所制备的工作电极直径为20-200微米。 所述方法采用工具电极接脉冲电源的正极的加工极性，采用窄脉冲宽度，保证两极之间蚀除量差值最大，以实现较高的沉积加工速度。 所述方法中采用静止气体(空气、惰性气体)作为加工介质(相对于电火花去除加工采用液体介质)，以保证沉积加工微观过程中较小的爆炸力，有利于沉积加工工艺的进行。 所述方法采用短路前置的伺服控制策略。即当两极间检测到短路时，工具电极抬起一定高度，同时，工件在X-Y平面内向待加工区域移动微小距离，目的是使两极间消除短路状态，并保证沉积层连续。 其中，短路前置伺服策略中，工具电极向抬起高度和工件在X-Y平面内向待加工区域移动微小距离选取值通过给定脉冲能量条件下单次脉冲放电沉积实验确定。即测量沉积点高度及直径，经计算得到其斜率，并以此值作为机床伺服运动“短路前置伺服策略”的基础值，以保证单层沉积材料的均匀性。 所述两极之间通过极间放电状态检测系统，分辨出正常放电、短路及开路状态，通过主控计算机处理并发出3个运动轴的前进、后退指令，以实现伺服进给运动，保证加工状态的正常进行。 所述方法采用CCD显微视觉系统观测放电沉积加工过程。 本专利技术结合快速原型技术的分层制造及电火花放电沉积加工设备简单，能量易于控制等优点，提出了面向金属微细结构制造的电火花放电沉积增材加工新方法，充分利用电火花沉积加工本身的加工方式和工艺特点，控制极间放电条件，实现工具电极高损耗和已沉积材料低蚀除，应用单次放电微量沉积，多次放电累加成形的工艺特点，实现微细结构二维层面上的沉积加工，继而应用二维层面的累加形成三维微小零件实体。以实现金属微细结构电火花放电沉积加工工艺，增加微细金属三维器件制造过程的灵活性和被加工零件的复杂程度，为现代制造提供新的技术手段。 【专利附图】【附图说明】 图1为本专利技术的制作系统原理图。 图中，1、工具电极；2、块电极；3、工件。 【具体实施方式】 为了使本专利技术的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。 本专利技术实施例提供了，包括如下步骤: S1、采用圆柱形工具电极(直径500微米)接脉冲电源正极的加工极性，采用煤油作为工作介质，通过微细电火花块电极反铐工艺，制备所需直径的工具电极； S2、将工件和步骤SI所制备工具电极分别接脉冲电源的负极和正极，调节脉冲电源的放电参数，使放电点处的工具电极和工件金属材料局部熔化、汽化，分别在工具电极和工件金属材料蚀除微小体积的金属材料； S3、将步骤S2所蚀除的工具电极材料在极小的放电间隙内，向工本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于电火花放电沉积增材制造的金属微细结构直接成形方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、采用圆柱形工具电极接脉冲电源正极的加工极性，采用煤油作为工作介质，通过微细电火花块电极反铐工艺，制备所需直径的工具电极；S2、将工件和步骤S1所制备工具电极分别接脉冲电源的负极和正极，调节脉冲电源的放电参数，使放电点处的工具电极和工件金属材料局部熔化、汽化，分别在工具电极和工件金属材料上蚀除微小体积的金属材料；S3、将步骤S2所蚀除的工具电极材料在极小的放电间隙内，向工件金属材料运动，并最终到达工件金属材料表面，与熔化的工件金属材料共同冷凝形成沉积材料；S4、重复上述步骤S2和S3，直至形成三维微小零件实体。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：彭子龙，方东，兰红波，李一楠，张艺耀，钱雪立，
申请(专利权)人：青岛理工大学，
类型：发明
国别省市：山东;37