专利名称：一种用于成型微结构的模具镶块电火花加工方法
技术领域：
本发明属于特种加工与微细加工技术领域，涉及到一种采用多工位组合方法制作电极以及利用此电极加工用于成型微结构的模具镶块的方法。
背景技术：
注塑与热压成型技术作为批量生产微结构塑件的主要技术，已日益得到广泛的应用，其中微结构模具镶块的加工精度与质量是成型微结构塑件的关键。这类模具镶块因具有局部微结构，形状与尺寸精度要求严格，给加工带来很大难度。若采用精密机械加工，则存在加工精度难保证、加工效率低下、无法加工锐边锐角结构的不足；而电子束与离子束加工需要在真空条件下进行，实际应用有局限；激光加工的形状精度与表面粗糙度通常较差。 目前制作微结构镶块的主要技术是LIGA与UV-LIGA技术，但这两种技术也存在以下不足之处价格昂贵，尤其是LIGA加工需要同步光源；光刻与电铸工艺过程复杂、操作难度大；电铸层材料仅限于铜、镍及其合金，硬度低、易损坏、难修复、寿命短。目前，随着电加工技术的发展，利用电火花技术可对模具镶块上的微结构进行加工。但是由电火花加工的放电机理可知，加工过程中电极损耗是不可避免的，在电极边缘由于尖端放电容易，电极损耗更为严重；单电极持续放电加工经常导致电极形状发生巨大变化，被加工工件精度难以保证；高硬度、高熔点材料电极也只能在一定程度上改善电极损耗。因此一般采用更换电极来补偿电极损耗，即采用多电极更换法来提高加工精度，但多电极更换法带来的重复定位误差使此方法在微细加工中难以应用；且在线制作、修复电极困难，实际应用受限制。
发明内容
本发明提供了一种采用多工位组合方法制作电极以及利用此电极加工用于成型微结构的模具镶块的方法。目的是克服多电极更换法造成的重复定位误差，提高微结构的加工精度。本发明的技术方案如下步骤1，电火花线切割加工多工位组合电极电极材料可选用铜或铜钨合金板料； 针对模具镶块上拟加工的微凸起结构，电极设计为对应的窄缝结构，窄缝宽度为微凸起宽度与电极缩放尺寸之和；使用电火花线切割在同一块电极材料上加工出窄缝宽度依次递减的多个放电工位，窄缝宽度递减值与电火花成形中由粗加工到精加工的电极缩放尺寸的变
化量相当。步骤2，通过极性转换电火花放电加工微凸起结构镶块材料选用模具钢，镶块通过专用夹具装夹到电火花机床主轴头上；将步骤1中线切割加工好的电极装夹到电火花机床工作台上，打开机床极性反转功能，启动机床，镶块在主轴头带动下向电极伺服进给，依次完成各工位的放电加工。本发明与现有技术相比较有如下有益效果在一块电极上组合多个放电工位，更
3换放电工位而不更换电极，既补偿了电极损耗又避免了更换电极造成的重复定位误差；电极通过电火花线切割加工，各工位间相对位置准确、窄缝尺寸精度高、宽度一致性和侧面质量好；镶块向电极伺服进给，避免了体积与重量较大的多工位电极高速伺服进给惯性力带来的振动误差；模具镶块及所加工出的微结构的材料皆为模具钢，硬度高、寿命长；通过多次电火花成形加工，微结构镶块表面质量好，并且有镜面效果。
图1是电火花多次放电加工镶块示意图。图2是线切割加工组合电极示意图。图3是微流控芯片模具微结构镶块示意图。图中1模具镶块；2专用夹具；3组合电极；4脉冲电源；5钢质垫块；6磁力吸盘； 7电极丝；8导丝嘴；9微凸起结构沟、13、(3、(1、6^工位。
具体实施例方式以下结合技术方案与
本发明的具体实施过程。本实施过程以聚合物微流控芯片模具微结构镶块加工为例，如图1所示，模具镶块1由专用夹具2夹持，在模具镶块1与组合电极3间接有脉冲电源4形成放电回路；组合电极3与钢质垫块5通过螺钉连接，然后吸附在磁力吸盘6。电极丝7穿过导丝嘴8加工窄缝，如图2所示。最后得到特征结构为基面上的微凸起结构9，微凸起结构特征尺寸为， 高70μπκ宽ΙΙΟμπι。对应工件微凸起结构，组合电极3局部有窄缝结构，为实现多电极更换加工，电极设计为六个宽度递减的窄缝结构，如图2所示。第一、在组合电极3上，电火花线切割加工设定宽度的六个窄缝；(1)本实施中，电极为长150mm宽70mm高8mm的紫铜板料，先精密磨削、抛光板料的上表面至表面粗糙度RaO. 2 μ m以下；(2)电极丝7为直径0. IOmm的黄铜丝，依次从a、b、c、d、e、f六个工位的穿丝孔穿入进行线切割加工，根据不同的线切割程序切割出六个窄缝，窄缝宽度依次为a 0. 40mm、 b 0. 30mm、c 0. 24mm、d 0. 20mm、e 0. 18mm、f 0. 18mm。第二、电火花放电，依次进行六次成形加工；(1)本实施中，模具镶块1选用高级塑料模具钢NAK80，预处理硬度38 42HRC，长 30mm宽20mm高IOmm ；对其上表面精密磨削、抛光至RaO. 1 μ m，通过专用夹具2装夹到电火花机床主轴上；(2)将第一步中加工好的组合电极3通过钢质垫块5装夹到电火花机床磁力吸盘 6上；编制加工程序，程序共六部分，分别对应六个工位，加工方向为Z轴负方向，启动机床自动完成六次加工；(3)加工过程中，采用正方形摇动加工模式，模具镶块1沿Z轴负方向向组合电极 3进给，初始a、b两工位选用较大的放电参数，电蚀掉大部分材料，为粗加工；中间c、d两工位兼顾速度与精度，半精加工；后两工位e、f选用较小的放电参数，主要对微凸起结构9与模具镶块1基面进行修整，提高尺寸精度与表面质量。经以上两步获得的微流控芯片模具微结构镶块主要特征为镶块与微结构材料均为NAK80 ；镶块基底表面质量优良，表面粗糙度为RaO. 15 μ m，并且有镜面效果；基底上有微凸起结构，微凸起结构宽度一致性好。
权利要求
1. 一种采用多工位组合方法制作电极以及利用此电极加工用于成型微结构的模具镶块的方法，该方法分为电火花线切割加工组合电极(3)与电火花成形加工微结构(9)两步， 其特征在于所述组合电极(3)包括多个放电工位；所述模具镶块(1)与所加工出的微凸起结构(9)材料均为模具钢；所述电火花成形加工中仅更换放电工位而不更换电极；所述电火花成形加工中模具镶块(1)与组合电极(3)位置互换。工艺流程如下(一)电火花线切割加工多工位组合电极(3)组合电极(3)材料可选用铜或铜钨合金板料，针对模具镶块(1)上拟加工的微凸起结构(9)，电极(3)设计为对应的窄缝结构，窄缝宽度为凸起宽度与电极缩放尺寸之和；使用电火花线切割在同一块电极材料上加工出窄缝宽度依次递减的多个放电工位，窄缝宽度递减值与电火花成形中由粗加工到精加工的电极缩放尺寸的变化量相当。(二)通过极性转换电火花放电加工微凸起结构(9)模具镶块(1)选用优质模具钢， 模具镶块⑴通过专用夹具⑵装夹到电火花机床主轴头上，组合电极⑶与钢质垫块(5) 通过螺钉连接，然后吸附在磁力吸盘(6)上，打开机床极性反转功能，启动机床，模具镶块 (1)在主轴头带动下向组合电极(3)伺服进给，依次完成各工位的放电加工。
全文摘要
一种采用多工位组合方法制作电极以及利用此电极加工用于成型微结构的模具镶块的方法，属于特种加工与微细加工技术领域。该方法分为电火花线切割加工组合电极和电火花成形加工微结构两步。使用电火花线切割在同一块电极材料上加工出窄缝宽度依次递减的多个放电工位，窄缝宽度递减值与电火花成形中由粗加工到精加工的电极缩放尺寸的变化量相当。电火花成形时，工件与电极位置互换，脉冲电源极性反转，工件向电极伺服进给加工，依次完成各工位的放电加工。本发明效果与益处是，避免了更换电极造成的重复定位误差，避免了较大重量和体积的电极伺服运动造成的振动误差，制作的微镶块及微结构均为模具钢，硬度高、寿命长，表面质量好并且具有镜面效果。
文档编号B23H1/04GK102357688SQ20111026248
公开日2012年2月22日 申请日期2011年9月6日 优先权日2011年9月6日
发明者于超, 宋满仓, 张建磊, 曲健, 朱咏莲, 王 华, 王敏杰, 赵丹阳 申请人:大连理工大学