微型模具的微细电火花加工技术

　　随着纳米技术的进步，产品不断向微型化方向发展，特征尺寸为微米级的微机电系统越来越受到人们的高度重视。

　　微机电系统（MEMS， Micro-Electro-Machanical Systems）包括微型机构、微型传感器、微型执行器和相应的处理电路等几部分，MEMS已相继应用于精密机械、光电通讯、影像传输、生化医疗和信息储存等领域，如微齿轮、插头式光纤连接器、医学用微量泵、导光板、微透镜、内窥镜零件、微流控芯片、细胞培养用微型容器，以及旋转传感器中的衍射光栅等都需要微型模具。国际MEMS市场近年来获得迅速发展，中国的MEMS市场增速也将加快，据有关资料预测，至2011年我国MEMS的增速有望达到29.2%。

　　所谓微型模具，如果从尺寸和制造精度上加以限定，则微型模具具有以下特征：成形制件尺寸微小，一般来说体积为1mm3左右；成形的微观尺寸从几微米到几百微米，模具表面粗糙度Ra≤0.1μm，模具的制造精度≤1.0μm。

　　微型模具不一定指体积微小的模具，在大体积的模具上有微结构特征的部分，这一部分也可称作微型模具，这种模具结构的微小型腔部分，可在一个小体积的模块上加工，然后把小模块作为一个模块嵌入大模具中，这不仅便于微小模具的微细加工，而且可以进行镶块更换，以提高整体模具的寿命。

　　微型模具的制造难点在于微小型腔或微小凹凸结构的加工，一般机械加工方法不能加工尺寸太小的零件，也就是说很难加工微结构尺寸的微型模具，而且尺寸精度和表面粗糙度都达不到微型模具的要求，特别是机械加工的应力对微型模具加工影响较大。虽然目前已开发了微细车削机床、微细铣削机床和微细磨削机床，但都有其局限性，很难适合微型模具的微型腔加工。而适合微型模具加工的主要是特种加工技术，包括光制作技术、微细电火花加工技术等。近年来发展的新型光制作技术——LIGA技术，是深度X射线刻蚀、电铸成型和塑料铸模等技术的结合，是一种高精度微结构的零件加工技术，但LIGA只能加工柱状的微结构，作为微型模具的加工手段也有一定的局限性。

　　微细电火花加工在微细加工领域被广泛采用，已成为微型模具加工方面一个重要的发展方向。微细电火花加工微型模具具有一系列优点：

　　（1）低应力。这一点对微型模具及微细结构件加工特别重要，由于微细电火花加工是用微脉冲能量加工，所以比一般电火花加工的应力更小，更适合于微型模具加工。

　　（2）能加工高硬材料。这一点具有特殊的优势，可能是其他加工方法无法比拟的，它对提高微型模具的寿命具有重要意义。

　　（3）能加工复杂微型腔模具。加工复杂微型腔取决于电极形状，不像LIGA只能加工柱状微结构件，微细车削只适合加工回转类微零件，微细磨削只适合加工沟槽类微结构件等。

　　（4）无毛刺。微型模具的微型腔不允许有毛刺，有了毛刺要去毛刺也十分困难。

　　微细电火花加工目前已有相当高的技术水平，微能量脉冲电源、微进给系统、伺服控制系统、数控系统等都在电火花微孔加工中得到开发应用。微细电火花加工的表面粗糙度Ra可达0.05μm，在微型腔或微型结构件的加工中，其加工精度可以达到≤1μm，可以满足微型模具的加工要求。

　　但微细电火花加工的一个关键问题是微型电极的制作。到目前为止，日本东京大学增泽隆久教授开发的线电极电火花磨削法（WEDG）迄今还是制作微细电极的有效方法，它是建立在电火花反拷贝加工基础上发展起来的一种微型电极制作方法。WEDG的主要特点：①线电极与工件（微型电极）为点接触，故工件的加工形状仅与成形运动有关，因此圆柱体工件只需单轴数控，利用2轴或3轴数控可以加工多种复杂形状。②由于线电极是回转的（移动的）加工量又很小，故线电极损耗极小，有利于提高加工精度；而加工精度主要取决于成形运动精度。③放电部位为点区域，放电过程中对工件的振动或造成弯曲的影响极小，适合微型电极（工件）加工，并能达到很高的精度。④因放电是点接触相对反拷贝而言效率较低。以加工微细圆柱工件为例，应用WEDG方法可以加工?70μm的铜、?20μm及?13μm的钨，甚至可以进行更小直径的加工。

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