微細放電沉積金屬微結(jié)構(gòu)增材制造工藝及裝備

彭子龍，方 東，劉永紅，李一楠

（1.青島理工大學機械工程學院，山東 青島 266033；2.中國石油大學（華東）機電工程學院，山東 青島266580）

微細放電沉積金屬微結(jié)構(gòu)增材制造工藝及裝備

彭子龍1，2，方 東1，劉永紅2，李一楠1

（1.青島理工大學機械工程學院，山東 青島 266033；2.中國石油大學（華東）機電工程學院，山東 青島266580）

提出了一種利用極間微細脈沖放電沉積實現(xiàn)金屬材料微結(jié)構(gòu)的增材制造方法。分析了該工藝方法的實現(xiàn)特點，確定了微細放電沉積加工的實現(xiàn)條件。開發(fā)了適用于微細放電沉積加工裝備，并對其軟、硬件系統(tǒng)進行了系統(tǒng)研究。硬件系統(tǒng)采用工控機配合PMAC運動控制器為控制核心，直線電機配合精密光柵尺實現(xiàn)精確運動控制。研究了放電沉積加工工藝間隙伺服策略，基于Visual Basic開發(fā)了模塊化的軟件控制系統(tǒng)人機界面，整合了關(guān)鍵功能模塊。進行了微細放電沉積加工實驗，確定了沉積加工工藝參數(shù)，獲得了致密、連續(xù)的沉積材料，具有較高的成形精度。

微細放電；沉積加工；金屬微結(jié)構(gòu)；裝備設(shè)計

0 前言

微細放電沉積加工利用參與放電的兩極間脈沖能量蝕除微細工具電極材料，并將其沉積在工件表面，冷凝形成金屬微細結(jié)構(gòu)。該工藝方法的提出得益于近年來微細電火花加工的飛速發(fā)展[1-2]。所不同的是微細電火花加工適用于導電材料的精微去除加工，為了獲得較好的加工效果，通常選擇煤油基液體工作介質(zhì)。微細放電沉積加工是去除加工的逆過程，其加工原理、加工介質(zhì)、工藝參數(shù)等都表現(xiàn)出特殊性。該工藝方法采用微細脈沖放電提供間隙能量，采用單次放電微量去除、多次放電累加成形的加工原理，實現(xiàn)金屬微結(jié)構(gòu)的增材制造。不同于傳統(tǒng)意義上的電弧對焊，該工藝方法主要面向微小尺度金屬結(jié)構(gòu)，優(yōu)勢體現(xiàn)在成形金屬結(jié)構(gòu)的尺寸、形狀控制，沉積加工過程和金屬結(jié)構(gòu)成形過程同時完成。

微細放電加工的基本原理決定了參與放電的兩極在單次放電中必將受到不同程度的蝕除，即使同種材料，由于極性效應(yīng)的存在，兩極的蝕除量也不同。通過工藝條件理論分析及實驗驗證，在常壓氣體環(huán)境中，充分利用極性效應(yīng)實現(xiàn)工具電極材料的高損耗和工件材料的低蝕除，實現(xiàn)蝕除工具電極材料在工件上的沉積凈增長是可行的，并形成了微細放電沉積加工，直接成形微細金屬結(jié)構(gòu)。日本學者早川申哉等人利用空氣介質(zhì)，沉積出直徑約0.14 mm，高2.2 mm的微小鋼圓柱體[3]。王振龍等人對定點沉積加工工藝規(guī)律進行了系統(tǒng)研究[4]，彭子龍等人[5]對沉積材料特性、沉積與去除可逆加工等進行了深入研究。目前，針對放電沉積加工的工藝及裝備的研究仍屬起步階段，對微細放電沉積加工的工藝特點、沉積加工路徑軌跡及伺服策略等方面仍需深入研究。

1 微細放電沉積工藝條件分析

微細放電沉積加工的放電過程經(jīng)歷極間介質(zhì)電離、擊穿，形成放電通道；介質(zhì)熱分解、電極材料熔化、汽化熱膨脹；電極材料的拋出；極間介質(zhì)的消電離這樣四個過程。但是，由于其工藝條件發(fā)生了變化，其放電過程表現(xiàn)出的特殊性，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

（1）微細放電沉積加工工作介質(zhì)選擇。

微細放電沉積加工工作介質(zhì)對沉積加工影響較大，要保證放電過程中蝕除的工具電極材料順利運動到工件材料表面，冷凝形成沉積物，因此要保證足夠的冷卻時間。同時從減小放電微區(qū)爆炸力的角度考慮，選擇常壓氣體作為加工介質(zhì)。

（2）微細放電沉積工藝參數(shù)選擇。

為保證兩極之間蝕除量差異最大，應(yīng)充分利用極性效應(yīng)，采用工具電極為正極的加工極性。在選擇工藝參數(shù)時，應(yīng)選擇窄脈沖寬度。放電能量對沉積材料形貌影響較大，放電能量越大，單次放電蝕除的沉積材料越多，沉積材料的形貌越差。因此為提高沉積材料質(zhì)量，在保證可靠加工的前提下，應(yīng)盡量選擇小的加工規(guī)準。

（3）放電沉積加工策略制定。

微細電火花去除加工中，已加工表面與待加工表面之間為去除材料，兩極之間短路時，常采用短路原軌跡回退策略。但是這種策略在沉積加工中并不適用，因為已沉積表面高于待沉積表面，造成在短路點持續(xù)沉積，破壞加工過程。因此需要開發(fā)適合于沉積加工的消除短路的伺服策略。

（4）單次放電沉積材料的質(zhì)量控制。

在微細放電沉積加工中，放電總是發(fā)生在兩極之間距離最短處，因此已沉積表面的連續(xù)性及高度一致性對沉積加工過程影響較大，如果前一層沉積高度不一致，后續(xù)沉積將集中發(fā)生在前一層的高點處，加劇沉積材料的不平整性。該部分需要綜合考慮脈沖電源、間隙檢測以及伺服進給策略對沉積加工的影響，以獲得最佳加工工藝。

2 微細放電沉積裝備設(shè)計

2.1 微細放電加工裝備總體要求

根據(jù)微細放電沉積加工工藝特點，所開發(fā)的加工裝備應(yīng)具備以下功能：

（1）三軸聯(lián)動精確運動功能。微細放電沉積裝備應(yīng)具備三軸聯(lián)動功能，能根據(jù)數(shù)控指令，實現(xiàn)加工系統(tǒng)的完全可控。

（2）微能可控脈沖電源設(shè)備。微細放電沉積加工的能量來自脈沖電源，其要求是保證沉積加工條件下放電參數(shù)大范圍可調(diào)。

（3）伺服檢測功能。極間放電狀態(tài)檢測可靠，以便控制系統(tǒng)能夠根據(jù)加工狀態(tài)做出控制三軸協(xié)調(diào)運動。

（4）微細電極在線制作功能。加工極性轉(zhuǎn)換、控制方便，能在線加工出用于沉積的微細金屬電極。此外還應(yīng)具備微細電極制備在線觀測裝備。

2.2 放電沉積裝備硬件組成

根據(jù)對微細放電沉積加工的工藝要求分析，放電沉積裝備以上位工控機配合PMAC開放式運動控制器為控制核心，以三軸直線電機配合精密光柵尺實現(xiàn)精確運動及位置閉環(huán)控制，運動分辨率0.1 μm，設(shè)計定位精度1 μm。采用Accel平板式直線電機、雷尼紹，三個軸的有效行程為150mm×150mm×150 mm。機床總體設(shè)計如圖1所示。

圖1 沉積加工裝備總體設(shè)計

沉積加工裝備基座采用大理石材料以減少震動及兩極之間的雜散電容。z軸運動機構(gòu)獨立布置，完成工具電極的上下運動，y軸運動機構(gòu)和x軸運動機構(gòu)組成十字交叉平臺，完成二維平面運動，工作臺安放于y軸運動機構(gòu)上。日本NSK精密電主軸安裝于z軸，轉(zhuǎn)速3 000～30 000 rpm，徑跳小于±1 μm。間隙電壓檢測模塊測量加工中的間隙電壓，采用平均電壓法經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后傳給PMAC運動控制卡，與設(shè)定閾值比較后控制三軸伺服進給運動。此外，采用CCD視覺觀測系統(tǒng)可以對微細加工電極制作過程進行觀察和測量，放大倍數(shù)20～180。工作液循環(huán)系統(tǒng)用于協(xié)調(diào)微細電極制作與微細放電沉積加工之間的轉(zhuǎn)換，電極制作利用電火花液中放電反銬去除。制備微細電極后，排除工作液，沉積加工工藝在常壓氣體中進行。

2.3 放電沉積裝備運動控制系統(tǒng)

微細精密放電加工需要高精度的運動平臺硬件，其運動控制系統(tǒng)對放電沉積加工的效果影響較大。沉積加工與電火花去除加工的區(qū)別在于已沉積材料高于工件待加工表面，因此去除加工的伺服策略及運動控制策略已不再適用于放電沉積加工。

（1）放電沉積加工間隙伺服策略。

放電沉積加工間隙伺服策略區(qū)別于傳統(tǒng)的電火花去除加工，為了避免加工工程中的路徑干涉，本系統(tǒng)采用PAMC運動控制卡的PLC功能實現(xiàn)間隙狀態(tài)的循環(huán)掃描，在控制策略上進行了調(diào)整。利用PMAC卡中前瞻功能的I變量進行控制。坐標系的變量Isx21既具有對前瞻執(zhí)行狀態(tài)的控制功能，減少其他后臺命令所造成的延遲，還具有更高的靈敏度。本系統(tǒng)中前瞻指令只關(guān)聯(lián)z軸的運動，即加工中如檢測到兩極間短路存在，z軸抬起一定的高度消除短路狀態(tài)，同時x-y軸仍按預定軌跡運動，實現(xiàn)短路前置的控制策略，如圖2所示。

圖2 短路前置控制策略示意

為了避免放電沉積加工中已沉積高點處持續(xù)放電，采用短路前置伺服策略能有效避免已沉積層的不平整性對后續(xù)沉積加工質(zhì)量的影響。圖2中工具電極從位置1運動到位置2時，出現(xiàn)已沉積高點，此時通過放電間隙狀態(tài)檢測到短路，電極z向抬起一定高度消除短路后，工件x軸負向移動距離δ1。如短路狀態(tài)消除，則繼續(xù)沉積加工，如仍檢測到短路狀態(tài)，則重復上述過程至位置3，繞過高點后至位置4，繼續(xù)沉積加工，保證了放電沉積層的連續(xù)性。

（2）放電沉積加工裝備軟件系統(tǒng)開發(fā)。

放電沉積加工的軟件控制系統(tǒng)針對工藝特點進行功能整合。采用Visual Basic軟件開發(fā)了上位機人機交互界面，通過調(diào)用底層PMAC運動控制模塊動態(tài)鏈接庫實現(xiàn)其控制策略。軟件控制系統(tǒng)包括微細放電加工的主要功能模塊，如原點/限位顯示模塊、手/自動控制和轉(zhuǎn)換模塊、加工坐標顯示模塊、運動程序控制模塊、放電工工藝參數(shù)設(shè)置模塊以及接觸感知定位模塊等，如圖3所示。

針對沉積加工工藝特點對人機交互界面進行了功能分區(qū)，并與PMAC運動控制卡建立聯(lián)系。當上位機界面發(fā)出指令，運動控制卡處理指令并按照指令去執(zhí)行運動；當運動控制卡反饋執(zhí)行元件的狀態(tài)和信息后，上位機界面顯示其狀態(tài)和位置坐標，如圖4所示。

圖3 軟件控制系統(tǒng)功能模塊

圖4 人機交互界面

3 微細放電沉積加工實驗

采用自行開發(fā)的沉積加工裝備，進行了微細放電沉積加工實驗，采用紫銅圓柱電極（φ500 μm）在高速鋼（W18Cr4V）工件上進行沉積加工實驗。放電間隙電壓40 V，放電電容71×103pF，峰值電流5 A，工作介質(zhì)為常壓空氣。為保證放電點連續(xù)，vx-y=0.2 mm/s，伺服速度比（vz/vx-）y=4/1。圖5為銳角60°夾角的微細結(jié)構(gòu)沉積加工樣件。由圖5可知，沉積的微細結(jié)構(gòu)質(zhì)量較好，轉(zhuǎn)角處內(nèi)尖外圓，具有較好的成形精度。

圖6為沉積層材料局部放大照片，由圖6可知，沉積材料是由一系列熔化重凝的微觀組織組成，沉積熔滴尺寸約5 μm。各沉積層之間沒有明顯的分界，由于采用分層掃描式放電沉積伺服策略，凝固組織有沿電極運動方向被拉長的痕跡。

圖5 微細沉積加工樣件（銳角60°）

圖6 沉積材料微觀組織

4 結(jié)論

開發(fā)了微細放電沉積加工裝備，建立了工控機配合PMAC運動控制器為控制核心，直線電機配合精密光柵尺實現(xiàn)精確運動控制的硬件系統(tǒng)。開發(fā)了模塊化的軟件控制系統(tǒng)，整合了關(guān)鍵功能模塊。進行了微細放電沉積加工實驗，結(jié)果表明，沉積材料致密、連續(xù)，具有較高的成形精度。

[1] Ho K H，Newman S T.State of the Art Electrical Discharge Machining（EDM）[J].International Journal of Machine Tools&Manufacture，2003（43）：1287-1300.

[2]Masuzawa T，F(xiàn)ujino M，Kobayashi K.Wire Electro-Discharge Grinding for MicroMachining[J].Annals of the CIRP. 1985，34（1）：431-434.

[3] Hayakawa S，Itiro O R，Itoigawa F，et al.Micro Fabrication Using EDM Deposition.Initiatives of Precision Engineering at the Beginning of a Millennium，10th International Conference on Precision Engineering（ICPE）[M].Yokohama Japan，2001：18-20.

[4]金柏冬，王振龍，彭子龍，等.電火花沉積加工微細結(jié)構(gòu)的研究[J].華中科技大學學報（自然科學版），2007，35（S1）：89-92.

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Process and equipments design of micro metal structure additive manufacturing by micro electrical discharge deposition

PENG Zilong1，2，F(xiàn)ANG Dong1，LIU Yonghong2，LI Yinan1
（1.School of Mechanical Engineering，Qingdao Technological University，Qingdao 266033，China；2.College of Electromechanical Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266580，China）

An additive manufacturing method for micro metal structures by micro electrical discharge deposition has been proposed. The realization process conditions have been determined.The equipment for the additive process including hardware system and software system has been developed.In hardware structure，the industrial control computer with the PMAC motion controller are used as control core，then linear motor with precision linear grating are used to achieve precise motion control with the motion resolution of 0.1 micron.The discharge gap servo strategy has been studied，and the man-machine interface has been developed using Visual Basic based on key functional module integration in software.The micro EDM deposition experiments are implemented，and the obtained micro structure sample shows that deposition materials has the characteristics of compact，continuous，and with higher forming precision.

micro electrical discharge；deposition；micro metal structures；equipment design

TG455

：A

：1001-2303（2015）10-0073-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.10.16

2015-02-26；

：2015-04-20

國家自然科學基金項目（51105217，51205218）；青島市科技計劃項目（13-1-4-167-jch）；中國博士后科學基金項目（2012M511556）；山東省博士后創(chuàng)新項目專項資金（201202039）

彭子龍（1979—），男，黑龍江綏化人，副教授，博士后，主要從事微細加工、特種加工技術(shù)方面的研究工作。