專利名稱：一種微納放電加工孔的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微納制造技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種放電加工孔的方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
放電技術(shù)作為特種加工技術(shù)之一在工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。隨著產(chǎn)品微細(xì)化，微納結(jié)構(gòu)的加工技術(shù)及方法的研究已經(jīng)成為制造領(lǐng)域的主要課題之一。按加工原理的不同，微小孔的
加工分為兩大類傳統(tǒng)機(jī)械加工和特種加工。在微小孔加工領(lǐng)域，常用的機(jī)械加工方法是鉆削。而鉆削很難實(shí)現(xiàn)高硬度材料的加工，且進(jìn)行微孔加工時(shí)為獲得所需切削力，需要采用很高的轉(zhuǎn)速，同時(shí)鉆頭的強(qiáng)度和剛度隨直徑的減小而減小，加工中易折斷。在特種加工中，激光加工的表面粗糙度差，且在孔的加工中存在隨加工深度的增加而增大的錐角，其加工深度受輸出功率及聚焦能力的限制；超聲振動(dòng)加工小孔時(shí)刀具磨損大，同時(shí)由于受排屑條件制約，孔徑很難進(jìn)一步減小；電子束和離子束加工需要真空環(huán)境，實(shí)際應(yīng)用中具有局限性；放電加工因加工過程無接觸應(yīng)力，能實(shí)現(xiàn)低硬度工具加工高硬度工件，同時(shí)通過控制電極尺寸就可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)尺度的微孔加工。
在線電火花磨削是目前加工微細(xì)電火花電極的主要方法，這種方法所加工的電極直徑只能達(dá)到l(/微米級，同時(shí)受材料剛性的影響，電極長徑比有限，從而限制了放電加工微孔的能力。因此，大長徑比微米、納米級電極的制備成為了放電加工的一個(gè)難題。同時(shí)，由于加工孔的直徑太小，利用外部沖液的方式，很難進(jìn)行排屑，使得放電加工過程中排屑問題顯得更加突出，從而制約了大深徑比微米、納米級小孔加工的發(fā)展。
如果利用某些具有良好的導(dǎo)電性能和導(dǎo)熱性能的納米線、納米管，作為電火花加工用電極材料，那么就可以解決微納級放電加工的電極制備困難的問題。例如，目前碳納米管的加工技術(shù)已十分完善，現(xiàn)有技術(shù)能制備直徑幾個(gè)納米到一百納米的納米管，碳納米管束的直徑也可達(dá)到幾微米，非常適合用于微納放電加工。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，針對如黃銅、紫銅、鋁、鋼、硬質(zhì)合金等導(dǎo)電材料，提出一種納米放電加工微米、納米級孔的方法。
一種微納放電加工孔的方法，用于在導(dǎo)電材料上加工孔，包括下列步驟將導(dǎo)電性的納米線或納米管固定到導(dǎo)電材料探針針尖上，并將探針固定在電極夾持裝置
上；
將電極夾持裝置置于具有納米級分辨率的電極進(jìn)給位移臺(tái)上；
將導(dǎo)電材料工件置于X/Y精密位移臺(tái)上；
將脈沖電源的負(fù)極接到探針上，其正極接到工件上；
利用多軸運(yùn)動(dòng)控制器控制放置有電極夾持裝置的位移臺(tái)，由脈沖電源提供放電加工的工作電壓，并由間隙電壓檢測裝置采集放電間隙電壓，采集到的數(shù)據(jù)被送入工控機(jī)內(nèi)，由工控機(jī)根據(jù)間隙電壓判斷當(dāng)前放電加工的狀態(tài)，并通過多軸運(yùn)動(dòng)控制器控制電極進(jìn)給位移臺(tái)的移動(dòng)，從而控制電極的進(jìn)給，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的納米放電加工孔過程；并由工控機(jī)通過多軸運(yùn)動(dòng)控制器控制控制X/Y精密位移臺(tái)的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對工件位置的調(diào)整。
作為優(yōu)選實(shí)施方式，本發(fā)明的微納放電加工孔的方法，將納米管固定到導(dǎo)電材料制成的探針針尖上，并將探針固定在電極夾持裝置上，在放電加工過程中，導(dǎo)入l 3Mpa壓力的工作液，將加工液輸入到放電加工區(qū)域，利用工作液的壓力將放電過程中產(chǎn)生的廢屑帶走；所述脈沖電源的脈寬變化范圍2-30微秒，電壓0-120V，最大輸出電流2A;工控機(jī)根據(jù)當(dāng)前放電加工的狀態(tài)，利用如下方法控制電極的進(jìn)給如果放電加工處于正常放電狀態(tài)，則電極保持當(dāng)前位置；如果放電加工處于開路狀態(tài)，工控機(jī)則向多軸運(yùn)動(dòng)控制器發(fā)送指令，使電極進(jìn)給位移臺(tái)向前進(jìn)給，則電極向靠近工件的方向移動(dòng)，以減小放電間隙，直到放電加工從開路狀態(tài)進(jìn)入正常放電加工狀態(tài)；如果放電加工處于短路、電弧放電狀態(tài)，工控機(jī)則向多軸運(yùn)動(dòng)控制器發(fā)送指令，使電極進(jìn)給位移臺(tái)后退，則電極向遠(yuǎn)離工件的方向移動(dòng)，以增大放電間隙，直到放電加工從短路、電弧狀態(tài)進(jìn)入正常放電加工狀態(tài)。
本發(fā)明同時(shí)提供一種采用上述方法的微納放電加工孔的系統(tǒng)，用于在導(dǎo)電材料工件上加工孔，包括固定有能夠?qū)щ姷募{米線或納米管的導(dǎo)電材料探針、電極夾持裝置、具有納米級分辨率的電極進(jìn)給位移臺(tái)、X/Y精密位移臺(tái)、多軸運(yùn)動(dòng)控制器、脈沖電源、間隙電壓檢測裝置和工控機(jī)。其中，電極夾持裝置用于固定導(dǎo)電材料探針，并置于具有納米級分辨率的電極進(jìn)給位移臺(tái)上；X/Y精密位移臺(tái)用于放置工件；多軸運(yùn)動(dòng)控制器具有納米級數(shù)控分辨，用于 控制電極進(jìn)給位移臺(tái)和X/Y精密位移臺(tái)的移動(dòng)；脈沖電源提供放電加工所需要的工作電壓； 間隙電壓檢測裝置采集的電壓數(shù)據(jù)被送入工控機(jī)，由工控機(jī)根據(jù)間隙電壓判斷當(dāng)前放電加工 的狀態(tài)，通過多軸運(yùn)動(dòng)控制器控制電極進(jìn)給位移臺(tái)的移動(dòng)，從而控制電極的進(jìn)給，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定 的納米放電加工孔的過程；并由工控機(jī)通過多軸運(yùn)動(dòng)控制器控制X/Y精密位移臺(tái)的移動(dòng)，實(shí) 現(xiàn)對工件位置的調(diào)整。
本發(fā)明的微納放電加工孔的系統(tǒng)，所述脈沖電源的脈寬變化范圍2-30微秒，電壓0-120V ，最大輸出電流2A。
本發(fā)明使放電加工的尺寸達(dá)到微米、納米級，同時(shí)解決了加工過程的排屑問題，從而能 夠?qū)崿F(xiàn)大深徑比微米、納米級小孔的加工，豐富了微納加工領(lǐng)域的技術(shù)方法。


圖l納米線、納米管電極制備顯微圖。 圖2本發(fā)明采用的納米放電加工系統(tǒng)框圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明使用納米線、納米管作為納米放電加工用電極進(jìn)行微米、納米級小孔的加工，而 作為電極的納米線、納米管需要具備下述條件
納米線、納米管需要具備良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能和力學(xué)性能。例如，碳納米管的熔點(diǎn)是 目前已知材料中最高的，在放電加工中不易被熱腐蝕；其次，碳納米管分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，具有 很高的熱穩(wěn)定性；第三，碳納米管的結(jié)構(gòu)與石墨的片層結(jié)構(gòu)相同，因而具有良好的電學(xué)性能 ，同時(shí)碳納米管沿管軸方向上熱交換性很高，加工中利于散熱；最后，碳納米管具有良好的 力學(xué)性能，其抗拉強(qiáng)度達(dá)到50 200GPa，是鋼的100倍，可加工出長徑比接近1000的微軸， 同時(shí)還具有較高的徑向剛性。碳納米管的上述特性，使得碳納米管作為放電加工用電極，能 滿足微細(xì)放電加工過程中所需的低損耗率和抗變形能力。
而且，納米管作為放電加工電極，其結(jié)構(gòu)為中空結(jié)構(gòu)，但納米管的孔隙達(dá)到了納米級別 ，加工中的放電能夠覆蓋此區(qū)域，因而能夠?qū)崿F(xiàn)盲孔加工。
此外，納米管做電極進(jìn)行放電加工，可利用其中空結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，導(dǎo)入一定壓力的絕緣介質(zhì)，將帶有一定壓力的加工液輸入到放電加工區(qū)域，利用工作液的壓力將放電過程中產(chǎn)生的 碎屑帶走，從而解決微納放電加工的排屑問題。
如圖1所示，采用金屬沉積法，利用FIB (聚焦離子束加工技術(shù))將碳納米管粘接到鎢探 針針尖上，那么電壓就可通過鎢探針針尖導(dǎo)至碳納米管。
如圖2所示，納米放電加工系統(tǒng)由電極進(jìn)給控制系統(tǒng)、納米放電加工電源、間隙電壓檢 測裝置、放電間隙控制算法、X/Y精密位移臺(tái)以及工控機(jī)構(gòu)成。
下面詳細(xì)介紹本發(fā)明的納米放電加工微米、納米級孔的方法。
納米放電加工電極制備
采用聚焦離子束金屬沉積法、微納粘結(jié)法、微納焊接法等技術(shù)將納米管固定到導(dǎo)電材料 制成的探針針尖上。如圖l所示為采用金屬沉積法，利用FIB (聚焦離子束加工技術(shù))將碳納 米管2粘接到鎢探針針尖1上。此外，碳納米管2做電極進(jìn)行放電加工，可利用其中空結(jié)構(gòu)的 特點(diǎn)，導(dǎo)入l 3Mpa壓力的工作液，如煤油、電火花加工油、去離子水等等，將帶有一定壓 力的工作液輸入到放電加工區(qū)域，利用工作液的壓力將放電過程中產(chǎn)生的碎屑帶走，從而解 決微納放電加工中的排屑問題。
電極進(jìn)給控制系統(tǒng)
構(gòu)建一個(gè)適合納米放電加工的高精度電極進(jìn)給控制系統(tǒng)，包括具有納米級分辨率的位移 臺(tái)和納米級數(shù)控分辨的多軸運(yùn)動(dòng)控制器。電極進(jìn)給位移臺(tái)配備高精密光柵，作為位移臺(tái)移動(dòng) 的位置反饋裝置，向多軸運(yùn)動(dòng)控制器提供位置反饋信息，多軸運(yùn)動(dòng)控制器則根據(jù)位置反饋信 號對電極進(jìn)給位移臺(tái)的移動(dòng)進(jìn)行控制，以此構(gòu)成位置全閉環(huán)控制，從而實(shí)現(xiàn)電極的納米級高 精度進(jìn)給。
納米放電加工電源
構(gòu)建一個(gè)適合納米放電加工的高品質(zhì)脈沖電源，電源的脈寬變化范圍2-30微秒，電壓 0-120V，最大輸出電流2A。加工采用負(fù)極性，即電極接負(fù)極，工件接正極。 間隙電壓檢測裝置
構(gòu)建一個(gè)高采樣率的電壓采集系統(tǒng)，對納米放電加工過程的納米線、納米管與工件之間 的放電間隙電壓進(jìn)行采集。通過高頻數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)放電電壓采集，其最高采樣頻率可達(dá) 5腿z。首先采用分壓電路將放電電壓調(diào)整到0到5V，然后將電壓輸入數(shù)據(jù)采集卡，對電壓進(jìn) 行采集，進(jìn)而實(shí)時(shí)采集當(dāng)前放電間隙電壓，最后將放電間隙電壓采樣值傳輸給工控機(jī)進(jìn)行間放電間隙控制算法
編制放電間隙控制算法，算法可對間隙電壓檢測裝置采集到的間隙電壓進(jìn)行運(yùn)算處理。 工控機(jī)則根據(jù)運(yùn)算處理得到的電壓波形判斷當(dāng)前放電加工的狀態(tài)。如果放電加工處于正常放 電狀態(tài)，工控機(jī)則穩(wěn)定電極當(dāng)前位置；如果放電加工處于正常放電狀態(tài)，則電極保持當(dāng)前位 置；如果放電加工處于開路狀態(tài)，工控機(jī)則向多軸運(yùn)動(dòng)控制器發(fā)送指令，使電極進(jìn)給位移臺(tái) 向前進(jìn)給，則電極向靠近工件的方向移動(dòng)，以減小放電間隙，直到放電加工從開路狀態(tài)進(jìn)入 正常放電加工狀態(tài)；如果放電加工處于短路、電弧放電狀態(tài)，工控機(jī)則向多軸運(yùn)動(dòng)控制器發(fā) 送指令，使電極進(jìn)給位移臺(tái)后退，則電極向遠(yuǎn)離工件的方向移動(dòng)，以增大放電間隙，直到放 電加工從短路、電弧狀態(tài)進(jìn)入正常放電加工狀態(tài)。
X/Y精密位移臺(tái)
多軸運(yùn)動(dòng)控制器可實(shí)現(xiàn)8軸聯(lián)動(dòng)精密運(yùn)動(dòng)控制，在實(shí)現(xiàn)對電極進(jìn)給位移臺(tái)控制的同時(shí)， 控制X/Y精密位移臺(tái)在X/Y平面調(diào)整工件位置。X軸和Y軸精密位移臺(tái)都配備高精密光柵，作為 位移臺(tái)移動(dòng)的位置反饋裝置，向多軸運(yùn)動(dòng)控制器提供位置反饋信號，多軸運(yùn)動(dòng)控制器則根據(jù) X軸和Y軸各自的位置反饋信號分別對其移動(dòng)進(jìn)行控制，以此構(gòu)成位置全閉環(huán)控制，從而實(shí)現(xiàn) 工件的高精度移動(dòng)控制。
多軸運(yùn)動(dòng)控制器和工控機(jī)構(gòu)成的運(yùn)動(dòng)控制裝置
多軸運(yùn)動(dòng)控制器和工控機(jī)構(gòu)成的運(yùn)動(dòng)控制裝置能夠完成人機(jī)交互、工件位置調(diào)整、放電 間隙的控制等功能。
電極進(jìn)給位移臺(tái)和X/Y精密位移臺(tái)分別配備了高精密光柵，作為它們各自的位置反饋裝 置，光柵向多軸運(yùn)動(dòng)控制器提供位置反饋信號，多軸運(yùn)動(dòng)控制器則根據(jù)位置反饋信號對位移 臺(tái)的移動(dòng)進(jìn)行控制，以此構(gòu)成位置全閉環(huán)控制，從而實(shí)現(xiàn)高精度的運(yùn)動(dòng)控制。
工控機(jī)裝載了放電加工程序，用戶可利用程序提供的接口向多軸運(yùn)動(dòng)控制器發(fā)送在線運(yùn) 動(dòng)指令或CAM加工代碼，實(shí)現(xiàn)對電極進(jìn)給位移臺(tái)和X/Y精密位移臺(tái)的指令控制或代碼控制，從 而實(shí)現(xiàn)對電極和工件位置的調(diào)整；放電加工程序內(nèi)部還實(shí)現(xiàn)了間隙電壓控制算法，在進(jìn)行納 米放電加工時(shí)，程序可與間隙電壓檢測裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，對放電間隙電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)采集， 然后通過放電間隙控制算法對放電間隙電壓進(jìn)行處理，判斷出電極下一步的位移，最后通過 向多軸運(yùn)動(dòng)控制器發(fā)送指令的方式，實(shí)現(xiàn)電極的進(jìn)給。
權(quán)利要求
1.一種微納放電加工孔的方法，用于在導(dǎo)電材料上加工孔，其特征在于，包括下列步驟(1)將導(dǎo)電性的納米線或納米管固定到導(dǎo)電材料探針針尖上，并將探針固定在電極夾持裝置上；(2)將電極夾持裝置置于具有納米級分辨率的電極進(jìn)給位移臺(tái)上；(3)將導(dǎo)電材料工件置于X/Y精密位移臺(tái)上；(4)將脈沖電源的負(fù)極接到探針上，其正極接到工件上；(5)利用多軸運(yùn)動(dòng)控制器控制放置有電極夾持裝置的位移臺(tái)，由脈沖電源提供放電加工的工作電壓，并由間隙電壓檢測裝置采集放電間隙電壓，采集到的數(shù)據(jù)被送入工控機(jī)內(nèi)，由工控機(jī)根據(jù)間隙電壓判斷當(dāng)前放電加工的狀態(tài)，并通過多軸運(yùn)動(dòng)控制器控制電極進(jìn)給位移臺(tái)的移動(dòng)，從而控制電極的進(jìn)給，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的納米放電加工孔過程；并由工控機(jī)通過多軸運(yùn)動(dòng)控制器控制控制X/Y精密位移臺(tái)的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對工件位置的調(diào)整。
2 根據(jù)權(quán)利要求l所述的微納放電加工孔的方法，其特征在于，將納米管固定到導(dǎo)電材料制成的探針針尖上，并將探針固定在電極夾持裝置上，在放電加工過程中，導(dǎo)入l 3Mpa壓力的工作液，將加工液輸入到放電加工區(qū)域，利用工作液的壓力將放電過程中產(chǎn)生的廢屑帶走。
3 根據(jù)權(quán)利要求l所述的微納放電加工孔的方法，其特征在于，所述脈沖電源的脈寬變化范圍2-30微秒，電壓0-120V，最大輸出電流2A。
4 根據(jù)權(quán)利要求l所述的微納放電加工孔的方法，其特征在于，工控機(jī)根據(jù)當(dāng)前放電加工的狀態(tài)，利用如下方法控制電極的進(jìn)給如果放電加工處于正常放電狀態(tài)，則電極保持當(dāng)前位置；如果放電加工處于開路狀態(tài)，工控機(jī)則向多軸運(yùn)動(dòng)控制器發(fā)送指令，使電極進(jìn)給位移臺(tái)向前進(jìn)給，則電極向靠近工件的方向移動(dòng)，以減小放電間隙，直到放電加工從開路狀態(tài)進(jìn)入正常放電加工狀態(tài)；如果放電加工處于短路、電弧放電狀態(tài)，工控機(jī)則向多軸運(yùn)動(dòng)控制器發(fā)送指令，使電極進(jìn)給位移臺(tái)后退，則電極向遠(yuǎn)離工件的方向移動(dòng)，以增大放電間隙，直到放電加工從短路、電弧狀態(tài)進(jìn)入正常放電加工狀態(tài)。
5. 一種微納放電加工孔的系統(tǒng)，用于在導(dǎo)電材料工件上加工孔，包括固定有能夠?qū)щ姷募{米線或納米管的導(dǎo)電材料探針、電極夾持裝置、具有納米級分辨率的電極進(jìn)給位移臺(tái)、X/Y精密位移臺(tái)、多軸運(yùn)動(dòng)控制器、脈沖電源、間隙電壓檢測裝置和工控機(jī)。其中，電極夾持裝置用于固定導(dǎo)電材料探針，并置于具有納米級分辨率的電極進(jìn)給位移臺(tái)上；X/Y精密位移臺(tái)用于放置工件；多軸運(yùn)動(dòng)控制器具有納米級數(shù)控分辨，用于控制電極進(jìn)給位移臺(tái)和X/Y精密位移臺(tái)的移動(dòng)；脈沖電源提供放電加工所需要的工作電壓；間隙電壓檢測裝置采集的電壓數(shù)據(jù)被送入工控機(jī)，由工控機(jī)根據(jù)間隙電壓判斷當(dāng)前放電加工的狀態(tài)，通過多軸運(yùn)動(dòng)控制器控制電極進(jìn)給位移臺(tái)的移動(dòng)，從而控制電極的進(jìn)給，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的納米放電加工孔的過程；并由工控機(jī)通過多軸運(yùn)動(dòng)控制器控制X/Y精密位移臺(tái)的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對工件位置的調(diào)整。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的微納放電加工孔的系統(tǒng)，所述脈沖電源的脈寬變化范圍2-30微秒，電壓0-120V，最大輸出電流2A。
全文摘要
本發(fā)明屬于微納制造技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種微納放電加工孔的方法(1)將導(dǎo)電性的納米線或納米管固定到導(dǎo)電材料制成的探針針尖上作為電極；(2)將電極夾持裝置置于位移臺(tái)上，并通過多軸運(yùn)動(dòng)控制器對位移臺(tái)的移動(dòng)進(jìn)行控制；(3)將導(dǎo)電材料工件置于X/Y精密位移臺(tái)上，由多軸運(yùn)動(dòng)控制器控制X/Y精密位移臺(tái)的移動(dòng)；(4)將脈沖電源的負(fù)極接到探針上，其正極接到工件上；(5)利用工控機(jī)向多軸運(yùn)動(dòng)控制卡發(fā)送指令，控制放置有電極夾持裝置的位移臺(tái)，由脈沖電源提供放電加工的工作電壓，并由間隙電壓檢測裝置采集放電間隙電壓，工控機(jī)則根據(jù)間隙電壓控制電極進(jìn)給位移臺(tái)的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)納米放電加工孔過程。本發(fā)明同時(shí)給出采用該方法的系統(tǒng)。本發(fā)明使放電加工的尺寸達(dá)到微米、納米級，并解決了加工過程的排屑問題。
文檔編號B23H9/00GK101653847SQ20091030701
公開日2010年2月24日 申請日期2009年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月15日
發(fā)明者徐宗偉, 房豐洲, 王慶袆, 胡小唐 申請人:天津大學(xué)