多工位組合電極電火花成形微凹槽結(jié)構(gòu)宋滿倉;李文明;劉瑩;劉沖【摘要】針對具有復(fù)雜微尺度凹槽結(jié)構(gòu)的高硬度模具鋼型腔難以加工的難題,提出了一種多工位組合電極電火花成形的新方法.以某種聚合物微流控芯片模具型腔為研究對象，選用NAK80模具鋼為型腔材料,銅鎢合金(W75%)為相應(yīng)的微凸起結(jié)構(gòu)電極材料并經(jīng)由高速銑削加工.為降低加工難度及保障加工質(zhì)量,對復(fù)雜微凸起結(jié)構(gòu)進行分解,形成2組4工位組合電極;采用周銑、端銑交替進行的工藝使微凸起上表面的毛刺連續(xù)發(fā)生塑性變形從而減小和去除微凸起結(jié)構(gòu)頂端的加工毛刺.最后,利用制備好的多工位組合電極,采用變換工位代替更換電極的加工方式,通過精密電火花成形,依次完成粗、半精與精加工.結(jié)果表明:加工的凹槽側(cè)壁與底面垂直度較好,寬度高度誤差在3pm以內(nèi)，根部圓角在15pm以內(nèi),可以滿足成型聚合物微流控芯片的使用要求.期刊名稱】《光學(xué)精密工程》年(卷),期】2015(023)012【總頁數(shù)】7頁(P3371-3377)【關(guān)鍵詞】微凹槽結(jié)構(gòu);微尺度型腔;多工位組合電極;高速銑削;去毛刺;電火花成形【作者】宋滿倉;李文明;劉瑩;劉沖【作者單位】大連理工大學(xué)精密與特種加工教育部重點實驗室,遼寧大連116024;三菱電機大連理工大學(xué)電加工技術(shù)中心,遼寧大連116024;大連理工大學(xué)精密與特種加工教育部重點實驗室,遼寧大連116024;三菱電機大連理工大學(xué)電加工技術(shù)中心,遼寧大連116024;大連理工大學(xué)精密與特種加工教育部重點實驗室,遼寧大連116024;大連理工大學(xué)精密與特種加工教育部重點實驗室,遼寧大連116024【正文語種】中文【中圖分類】TG6611引言微流控芯片是把生物和化學(xué)等領(lǐng)域中所涉及的樣品制備、反應(yīng)、分離和檢測等基本操作單元集成到一塊數(shù)十平方厘米（甚至更?。┑男酒?，由微通道形成網(wǎng)絡(luò)，以可控流體貫穿整個系統(tǒng)，用以替代常規(guī)試驗室的各種功能，已被廣泛應(yīng)用于生物化學(xué)、臨床、醫(yī)藥和環(huán)境等領(lǐng)域。目前用來成型聚合物材料微流控芯片較為成熟的技術(shù)為熱壓成型與注塑成型，其中不可或缺的就是成型微通道的具有微結(jié)構(gòu)的模具型腔制作［1］。微流控芯片上的功能結(jié)構(gòu)尺寸一般為數(shù)十至數(shù)百微米［2］，尺寸精度和表面質(zhì)量要求較高；因此，用于成型聚合物微流控芯片功能結(jié)構(gòu)的模具型腔的加工制造成為關(guān)鍵，其加工質(zhì)量直接影響到制品的成型精度、脫模以及熔體充模過程中的型腔排氣等。近年來，開展了許多針對微結(jié)構(gòu)加工方法的研究。LIGA或UV-LIGA技術(shù)制作的微結(jié)構(gòu)尺寸精度高，表面質(zhì)量好，在微結(jié)構(gòu)的加工中應(yīng)用廣泛［3］，但加工材料僅限于鎳及鎳合金、銅等，這些材料加工的微型腔在注塑成型較高的注射壓力作用下，易變形甚至脫落；且很難加工出三維形狀的微結(jié)構(gòu)。一些學(xué)者將各種微細加工技術(shù)組合起來，使其發(fā)揮各自的優(yōu)勢［4］。杜立群首先使用UV-LIGA技術(shù)制作準三維鎳金屬微結(jié)構(gòu)，然后對該微結(jié)構(gòu)進行微細電火花加工制作出局部為梯形凸臺和錐形凹槽的三維鎳金屬微結(jié)構(gòu)［5］;Fonda將電火花成形技術(shù)、化學(xué)刻蝕技術(shù)組合起來，在硅材料上加工出半球形微型腔［6］；徐斌運用飛秒激光切割技術(shù)在不銹鋼箔上切割出二維微結(jié)構(gòu)，又利用微細電阻滑焊對切割出的多層二維微結(jié)構(gòu)進行熱擴散焊接，制作出具有曲面特征的微型腔［7］;Wang結(jié)合微細電火花銑削、線切割、成形等加工方法的特點，對微結(jié)構(gòu)進行了分類，提出一種電火花集成加工技術(shù)的方法，并加工出一套微型減速器機構(gòu)［8］。但目前可用于微結(jié)構(gòu)模具鋼型腔加工的成熟技術(shù)未見報道。結(jié)合高速銑削（HSM）加工效率高，工藝相對簡單，適合加工凸起形狀的特點以及電火花成形（EDM）的復(fù)雜、精密、微細型腔與完成尖角、溝槽加工及去除刀痕等特有優(yōu)勢［9］，本文在已加工出符合使用要求的微凸起結(jié)構(gòu)模具鋼型芯的基礎(chǔ)上［10］，結(jié)合微凹槽結(jié)構(gòu)的特點，提出了高速銑削與電火花成形復(fù)合加工的方案。設(shè)計了新型多工位微凸起組合電極，采用高速銑削加工出銅鎢合金材料的組合電極，通過精密電火花成形在高硬度模具鋼上加工出微凹槽型腔。這種方法避免了以往采用鎳基模具型腔表面質(zhì)軟、使用壽命短等缺陷，在復(fù)雜微凹槽結(jié)構(gòu)模具鋼型腔的加工方面形成了突破，為微流控芯片等產(chǎn)品實用化、批量化的生產(chǎn)提供了技術(shù)保證。2試驗方法試驗材料與設(shè)備型腔材料選用NAK80模具鋼，電極材料選用銅鎢（W75%）合金。電極的制備是在日本大隈公司的MB-56VA立式高速銑削加工中心進行的，其主軸最高轉(zhuǎn)速為25OOOr/min，最大銑削進給速度為30m/min，機床重復(fù)定位精度為士0.2pm。模具型腔的成形加工選用日本三菱電機公司的EA8A精密電火花成形加工機床，其加工精度可達到±2pm,最佳表面粗糙度Ra為0.1pm。試驗結(jié)果測量采用VTM-3020F數(shù)字式影像工具顯微鏡。模具型腔上的微凹槽結(jié)構(gòu)具有微凹槽結(jié)構(gòu)的模具型腔用來注塑成型一種微流控芯片中的蓋片，蓋片上微凸起結(jié)構(gòu)與基片上微凹槽結(jié)構(gòu)精密配合后，才能確保后續(xù)良好的鍵合，形成一個具有完整功能的微流控芯片。微凹槽具有代表性的結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，其中要求I銜接處圓角半徑小于10pm;微凹槽的截面形狀及尺寸如圖1(b)所示，要求側(cè)壁垂直且頂端、根部圓角半徑都小于20pm。圖1微凹槽典型局部結(jié)構(gòu)及其截面Fig.1Typicallocalstructuresandsectionofmicrogroove2.3多工位組合電極的設(shè)計高速銑削加工圖1(a)相對應(yīng)結(jié)構(gòu)微凸起電極，1銜接位置處設(shè)計有R為0.7mm的圓角；倘若將這部分電極整體加工出來，I位置處便需要很小的清根加工，由于加工刀具的半徑必須等于或小于過渡圓弧半徑，故需要直徑更小的刀具，不過這又會增加刀具昂貴的費用和加工難度，且容易斷刀。為此，本文將一體式結(jié)構(gòu)電極拆分成組合式，結(jié)構(gòu)分解如圖2所示。A、B兩組電極保證一定相對位置L3，如圖3(a)所示；其中A結(jié)構(gòu)兩端處按照圓弧式、直線式形狀各自延伸50pm,用以補償找正誤差、銑削誤差、電火花加工電極損耗等誤差，使兩組電極放電加工的圖案局部重合，確保電火花最終成形出完整結(jié)構(gòu)的微凹槽型腔。圖2組合式電極A、B結(jié)構(gòu)Fig.2A,Bstructuresofcombinationelectrode圖3電極整體布局及微凸起截面Fig.3Electrodeoveralllayoutanditsmicroconvexsection前期試驗表明，電極頂端參與多次放電，尤其頂端拐角處損耗最為嚴重，需要使用多個粗精電極補償電極損耗，達到提高微凹槽結(jié)構(gòu)加工精度的目的。更換電極會引入重復(fù)定位誤差且工作量增加，鑒于使用的立式高速加工中心與精密電火花成形加工機x、y、z軸均具備較高的運動精度，這里將多個電極做成1個多工位電極，通過在多工位電極上變換工位代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電極更換，完成相應(yīng)成形加工。為了保證每組工位電極的通用性，每組工位電極截面都設(shè)計成一致形狀，其中寬度尺寸的確定原則：微凹槽寬度為微凸起電極寬度、電極縮放量與加工余量之和，結(jié)合最終要成形的尺寸精度，將微凸起電極寬度設(shè)計為120pm;為防止微凸起底面在加工中可能帶來的干涉，高度方向尺寸要大于微凹槽深度與電極放電間隙之和，設(shè)計為安全尺寸170pm。利用此多工位組合電極，便可實現(xiàn)一次裝夾找正，依次按照A1、B1、A2、B2、A3、B3、A4、B4的順序完成粗、半精、精加工。3多工位組合電極的制備電火花成形加工，電極結(jié)構(gòu)的精度直接影響加工產(chǎn)品的精度。然而用常規(guī)及微銑削加工得到的工件上都會形成毛刺，盡管留在小尺寸工件上的毛刺很小，但這也會帶來后續(xù)使用的難題，同時在微構(gòu)件上去除毛刺比在常規(guī)構(gòu)件上困難很多［11］。銑削后的電極如圖4所示，在微結(jié)構(gòu)頂端附帶了一層毛刺，在后續(xù)電火花成形微凹槽試驗中，應(yīng)當先去除這層毛刺。圖4高速銑削后帶有頂端毛刺的微凸起Fig.4MicroconvexwithtopburrsafterHSM電火花加工去毛刺首先嘗試了電火花加工去除毛刺方法。選用抗侵蝕指數(shù)高于銅鎢合金的硬質(zhì)合金作為工具電極，具體方法如圖5(a)所示。電火花加工去除毛刺效果如圖5(b)所示，去除了一部分較大的毛刺，但是部分毛刺轉(zhuǎn)化成了側(cè)向毛刺。測量其總體寬度為185.8pm,沒有達到預(yù)期去除效果。圖5電火花加工去除毛刺Fig.5EDMdeburring高速銑削去毛刺電極是由一系列等高的微凸起結(jié)構(gòu)組成的。在高速銑削中，周銑微凸起側(cè)壁時，在微凸起頂端會產(chǎn)生毛刺，此時采用端銑，頂端的毛刺則會倒向水平方向;因此，這里采用周銑、端銑交替進行，使微凸起上的毛刺連續(xù)發(fā)生塑性變形直至脫落。根據(jù)實際工藝安排，周銑、端銑交替進行5次加工即可完成該多工位組合電極的制備。該方法去除毛刺后的效果如圖6所示，測量微凸起寬度為126.3pm,高度為172.4pm,基本達到了設(shè)計要求。圖6周銑、端銑相結(jié)合去除微凸起上表面毛刺效果Fig.6Effectsofdeburringbycombinationofperipheralmillingandendmillingonmicroconvexuppersurface4電火花成形微凹槽結(jié)構(gòu)型腔4.1加工參數(shù)選擇一般電火花成形加工時,電極裝夾在主軸上,工件裝夾在工作臺上。本試驗中,電極整體尺寸長寬高分別為200、110和10mm，型腔鑲塊長寬高尺寸分別為103.5、40和20mm;電極尺寸大于鑲塊尺寸且電極質(zhì)量更是大于工件質(zhì)量（CuW75合金密度為14.7x103kg/m3,鋼的密度為7.9x103kg/m3）。對于該電極,一是沒有專用的夾具裝夾在主軸上,二是若裝夾在主軸上,相對會增大電火花加工中主軸反復(fù)抬刀的慣性力及電火花油的流體動力,影響型腔的加工質(zhì)量所以,為了便于加工前電極與型腔的找正、定位,所以裝夾時將電極固定在工作臺上,型腔鑲塊固定在主軸上,這樣打開機床附帶的極性反轉(zhuǎn)功能,即能實現(xiàn)正常加工。設(shè)計了4組工位分別為A1B1、A2B2、A3B3、A4B4。A1B1工位用作粗加工，以較高的加工效率為主；A2B2工位用作半精加工，A3B3工位用作精加工，都以較高的加工精度為主；A4B4工位無加工余量，主要用來補償之前電極的損耗，進一步提高加工精度。非電參數(shù)的設(shè)置如表1所示。表1各工位對應(yīng)的主要非電參數(shù)Tab.1Mainnon-electricalparametersofeachstation試驗采用的精密電火花成形機床EA8A放電加工時，每一組工位的電參數(shù)又會按照粗、半精、精加工自動分為幾段。所以試驗中,根據(jù)每組工位電極的用途,A1B1工位只保留粗加工階段參數(shù)，A2B2工位只保留半精加工階段參數(shù)，A3B3A4B4工位只保留精加工階段參數(shù)，這種加工階段參數(shù)的劃分，不僅保證了加工質(zhì)量，也提高了加工效率。電參數(shù)的設(shè)置如表2所示，A1B1工位選擇低損耗粗加工電源SC，大脈寬大電流負極性加工；A2B2工位、A3B3與A4B4工位第一段的加工選擇毛面精加工電源PS，小脈寬小電流正極性加工，逐次降低電容檔位，單脈沖平均放電能量減弱，可逐漸提高成形件的表面質(zhì)量；A3B3與A4B4工位第二段的加工選擇光滑精細表面加工電源NP，進一步提高成型件的表面質(zhì)量。表2各組工位對應(yīng)的主要電參數(shù)Tab.2Mainelectricalparametersofeachstation注：表中各數(shù)值均代表相應(yīng)的檔位，并非實際值4.2試驗結(jié)果運用該多工位組合電極成形的微凹槽結(jié)構(gòu)如圖7所示。由圖7(a)可看出，組合電極銜接處對應(yīng)成形的型腔位置精度較高，微凹槽整體形狀精度較高。成型出的微凹槽截面如圖7(b)所示，微凹槽兩側(cè)壁垂直于底面，測量寬度方向尺寸148pm,高度方向尺寸109pm,左側(cè)根部圓角15pm,右側(cè)根部圓角8pm,基本達到了加工精度的要求。圖7成形后的微凹槽Fig.7MicrogrooveafterEDM5結(jié)論本文設(shè)計制造了一種多工位組合電極,在電火花成形機床上,合理設(shè)定每組工位的加工參數(shù)及加工內(nèi)容,采用變換工位代替更換電極的加工方式,既保證成形件的完整性又補償電極損耗、減少重復(fù)定位誤差、提高加工效率。該方法加工出的復(fù)雜微尺度凹槽結(jié)構(gòu)具有較好的位置精度和形狀精度，凹槽形狀尺寸精度可控制在3pm以內(nèi),達到了成型聚合物微流控芯片模具鋼型腔的使用要求。電火花加工在一定程度上可去除較大的毛刺,但是由于電極與復(fù)雜、微小零件上毛刺間的放電距離不易調(diào)整，去除毛刺效果較差。高速銑削微凸起結(jié)構(gòu)電極，采用周銑、端銑相間進行的工藝方法，使微凸起上表面的毛刺連續(xù)發(fā)生塑性變形直至脫落，既完成了電極的加工，又實現(xiàn)了毛刺的去除。對于微凹槽、型腔的加工，由于刀具半徑的限制，無法清角，可將高速切削與電火花加工組合起來，各自發(fā)揮出獨特的優(yōu)勢，不僅可以加工出要求的產(chǎn)品，而且降低生產(chǎn)成本。參考文獻：[1]宋滿倉，劉瑩，祝鐵麗，等?微流控芯片注塑成型缺陷的成因與對策[J].機械工程學(xué)報，2011，47(6)：33-38.SONGMC，LIUY，ZHUTL，etaL.Analysisofinjectionmoldingdefectsformicrofluidicchip[J].JournalofMechanicalEngineering,2011,47(6):33-38.(inChinese)[2]王桐?干細胞微流控芯片的設(shè)計、制備、檢測與應(yīng)用研究[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2013.WANGT.Reseachondesign,fabrication,detectionandapplicationofmicrofluidicbiochipsforstemcells[D].Beijing：BeijingUniversityofTechnology，2013.(inChinese)KUMARS，JERALDJ，KUMANANAS，etal..Reviewoncurrentresearchaspectsintool-basedmicromachiningprocesses[J].MaterialsandManufacturingProcesses，2014，29：1291-1337.LAUWERSB，KLOCHEF，KLINKA，etal..Hybridprocessesinmanufacturing[J].CIRPAnnals-ManufacturingTechnology，2014，63：561-583.[5]杜立群，莫順培，張余升，等.UV-LIGA和微細電火花加工技術(shù)組合制作三維金屬微結(jié)構(gòu)[J].光學(xué)精密工程，2010,18(2):363-368.DULQ,MOSHP，ZHANGYSH，etal..Fabri-cationof3DmetalmicrostructurebasedonUV-LIGAandmicro-EDMtechnology[J].Opt.PrecisionEng.，2010，18(2)：363-368.(inChinese)[6]FONDAP，NAKAMOTOK，HEIDARIA，etal..Astudyontheoptimalfabricationmethodformicro-scalegyroscopesusingahybridprocessconsistingofelectricdischargemachining，chemicaletchingormicromechanicalmilling[J].CIRPAnnals-ManufacturingTechnology，2013，62：183-186.[7]徐斌，伍曉宇，凌世全，等.飛秒激光切割與微細電阻滑焊組合制備三維金屬微結(jié)構(gòu)[J].光學(xué)精密工程，2012,20(8):1811-1823.XUB,WUXY,LINGSHQ，etal..Fabricationof3Dmetalmicro-structurebasedonfslasercuttingandmicroelectricresistanceslipwelding[J].Opt.PrecisionEng.，2012，20(8):1811-1823.(inChinese)WANGCHM，CHUXY，LIUG，etal..Thedesignofin