发信人: hithere (行者), 信区: NTM
标  题: Micro-EDM Can Produce Micro Parts[转]
发信站: 哈工大紫丁香 (2001年01月17日14:58:54 星期三), 站内信件


January 17, 2001                QUICK LINKS Awards/Grants/Scholarships Books
 Certification Education Foundation Education and Careers Expositions/Trade 
Shows Jobs Database Library Magazines Media Information/Registration Members
 Only Information Membership, Benefits of News Archives Technical Associatio
ns Technical Papers Training, Conferences Training, Online/Web Based Trainin
g, On-Site/Corporate Training, Seminars Vendors Vendor Products Videos Washi
ngton Report
November 2000 Manufacturing Engineering Vol. 125 No. 5
Micro EDM Can Produce Micro Parts
By K.P. Rajurkar and Z.Y. Yu, Center for Nontraditional, Manufacturing Resea
rch, University of Nebraska-Lincoln, Lincoln, NE
In conventional EDM, electrical discharges generated at the gap between the 
tool (electrode) and workpiece, while both are immersed in a liquid dielectr
ic, remove workpiece material. Micro EDM works on the same principle. Becaus
e micro EDM is a noncontact process, there’s no machining force to cause de
formation of either the electrode or the workpiece.
Given that material is removed by electro-erosion and not by mechanical cont
act, micro EDM can be used to machine any electrically conductive material—
regardless of its hardness and strength. Micro EDM, for example, can easily 
process material as hard as quenched steel and carbide, as well as some sili
con and ferrite materials, which are known for their high specific resistanc
e. In an ordinary drilling process, micro EDM can easily produce a hole to a
 depth equivalent to five times the bore diameter. When the bore diameter is
 more than 50 μm, a depth 10 times the hole diameter can be drilled. Commer
cially available micro EDM systems can generate a 5-μm hole.
Industry uses micro EDM to produce parts like super-fine nozzles (such as th
e fuel injection nozzles for diesel engines), and to make high-precision mas
ks used in microelectronic manufacturing processes. Work done here at the Ce
nter for Nontraditional Manufacturing Research may soon expand the primary u
ses for micro EDM technology from fine-hole machining to micro-mold making a
nd the production of micro 3-D parts for micro machines.
Micro machine is the generic term for very small machines built on a millime
ter-to-sub millimeter scale. These devices may be robots for working spaces 
too constricted for people to enter, capsules inserted into the human body f
or medical treatments, micro motors, micro sensors, or other machines.
Trial production of many micro machines has been carried out using large sca
le integration (LSI) technol-ogy, but it’s necessary to machine micro 3-D f
orms to make the use of micro machines practical. As potential applications 
for micro machines have grown in number, the perceived need for a means of m
aking the delicate parts used in them has increased.
In general, because of poor machining control in the Z axis, fabrication tec
hniques such as etching, deposition, lithography, and laser processing aren’
t suitable for machining 3-D shapes. It’s possible to machine a metal micro
 part with a 3-D shape by employing traditional manufacturing methods like m
illing, but the size of the machined part will be limited by the mechanical 
strength of the part and the tools used.
The precision of a shape produced by micro EDM is determined by the shape of
 the electrode, its traveling locus, and the electro-discharge gap. Further,
 the gap between the electrode and the material to be processed can be held 
at the submicron level. Under ideal conditions, by minimizing the electrical
 discharge energy, it’s possible to set the roughness of the machined surfa
ce at 0.1 μm Rmax.
To-and-fro scanning prevents the machined surface from becoming inclined bec
ause of longitudinal electrode wear. The dot indicates the electrode’s star
ting point.
Consequently, micro EDM can produce very accurate shapes with very small bur
rs—much smaller than those produced by drilling and energy-beam processing.
 These parts do not need after-treatment processing such as deburring.
Maintaining accuracy during the manufacturing process has presented the grea
test challenge to micro-machining with EDM. As an electrode wears, its profi
le changes, and the component being produced no longer conforms to the desir
ed dimension or shape. To compensate for this wear, manufacturers have used 
many electrodes of different sizes. Unfortunately, preparing electrodes for 
the generation of complex micro 3-D shapes requires costly, time-consuming, 
and difficult design and fabrication procedures.
Because material is eroded from the workpiece, as well as from electrodes of
 simple or complex shape, 3-D microshapes cannot be machined correctly using
 electrodes with rounded edges. Therefore, simple electrodes also need corre
ction if they are to generate accurate 3-D microshapes using micro EDM. If t
he shape of the electrode tip is unchanged—in other words, if the wear affe
cts only the length of a simple electrode—EDM machining resembles conventio
nal machining methods (e.g., milling), and 3-D microshapes can be accurately
 generated.
As a graduate student at the University of Tokyo (Tokyo, Japan), a member of
 our team, Z.Y. Yu, developed the Uniform Wear Method (UWM) to eliminate the
 problem of electrode wear. Most recently, we have taken a new approach to i
ntegrating UWM with CAD/CAM. To keep the shape of the electrode tip unchange
d, wear on the electrode’s end surface must be uniform. The uniform wear co
ncept is based on the fact that, under certain conditions, the shape of the 
electrode is regained due to electrode wear after machining one layer. UWM i
ncludes rules for generating toolpaths and a compensation equation. Using UW
M and the integrated software, we have successfully machined complex micro c
avities using a Panasonic MG-ED72W micro EDM machine with a wire electro dis
charge grinder (WEDG).
Generating toolpaths based on UWM ensures that the shape of the electrode ti
p remains unchanged even when electrode wear occurs during machining. It inv
olves the following main steps:
Machining by the bottom of the electrode, or layer-by-layer machining, with 
a small electrode feed for one layer,
To-and-fro scanning,
Toolpath overlapping,
Machining the central part and the boundary of the machined surface alternat
ely,
Compensating for electrode wear.
Layer-by-layer machining: The 3-D microshapes are machined layer by layer al
ong the Z axis using simple electrodes. When using a large electrode feed on
 each layer, the shape of the electrode tip cannot be recovered after one la
yer of machining. A small feed prevents this deterioration.
To-and-fro scanning: Because of the longitudinal wear of the electrode durin
g the machining of one layer, the machined surface inclines from the beginni
ng of the toolpath to the end of the toolpath. To reduce the inclination of 
the machined surface, the next layer is machined using to-and-fro electrode 
scanning. To improve the precision of the machined surface further, the dire
ction of the main path is also changed.
Toolpath overlapping: In EDM, the electrode’s sharp edges are rounded by we
ar. When the overlap distance between two parallel adjoining paths is set to
 be the same as the cross-sectional size of the electrode, some parts of the
 surface remain unmachined. Overlapping electrode paths not only improve the
 precision of the machined surface, but also make the electrode wear uniform
ly.
Machining central and boundary areas alternately: When the boundary is being
 machined, the edges of the electrode become rounded due to wear. However, t
he central part of the layer is machined properly because energy discharges 
occur uniformly at the bottom surface of the electrode. Discharges on the el
ectrode’s bottom surface cause it to erode uniformly, from the bottom up, a
nd help recover its original shape. A sharp corner can be produced on the el
ectrode before it enters the next boundary path.
Compensating for electrode wear: With an appropriate set of machining condit
ions, the electrode shape can be kept unchanged by using the UWM. It’s nece
ssary, however, to compensate for the longitudinal wear of the electrode whe
n machining 3-D shapes with a simple electrode. The compensation equation ca
n be derived from the definition of the electrode volume wear ratio and the 
assumption that the electrode feed of each layer, Z, consists of two parts: 
the wear length, Le, and the remaining length, Lw, which equals the average 
machined depth of the layer). The relationship can be written as:
Z = Lw × (R × Sw/Se+1) where R is the electrode volume wear ratio,
Se is the cross-sectional area of the electrode (X-Y plane),
Sw is the area of the machined layer (X-Y plane),
Z is the depth of cut, and
Lw is the machined depth.
The cross-sectional area of the electrode, Se, is known before machining, an
d the electrode wear ratio, R, can be experimentally determined under certai
n machining conditions. The area of each layer (Sw) can be calculated in the
 CAD module. The machined depth, Lw, has to satisfy the conditions requiring
 that the shape of the electrode is recoverable after the machining of one l
ayer and that the precision of the machined surface designed in the CAD modu
le be maintained. Therefore, by adjusting the depth of cut, Z, 3-D shapes ca
n be accurately generated.
Toolpaths for many machining operations such as turning, milling, and wire E
DM can be defined using commercially available CAD/CAM systems. Because of e
lectrode wear, however, these systems cannot generate toolpaths for EDM usin
g simple electrodes. So it’s necessary to integrate UWM with versatile CAD/
CAM software to generate EDM toolpaths.
Initially, in our approach, toolpaths are generated using software based on 
the CAD module, then the toolpaths are regenerated using UWM, which introduc
es compensation for electrode wear to the NC codes. The NC codes are transfe
rred to the CNC EDM system following standard procedures. This method has be
en verified by experiments during which we have generated complex micro cavi
ties using simply shaped electrodes.
----------------------------------------------------------------------------
----
Using the Uniform Wear Method (UWM) researchers have made complex micro part
s using micro EDM with simple electrodes.
----------------------------------------------------------------------------
----
Copyright ? 2001 Society of Manufacturing Engineers

--
 ____      
(__  ╲○       
(  ╲  ╲    
 )●_〗  )   走四方，
(- /  |▔      路迢迢，
 ▔)   ╲        水长长 ... ...

※ 来源:·哈工大紫丁香 bbs.hit.edu.cn·[FROM: 202.118.228.123]