CN1007135B - 电火花超声波复合加工方法及脉冲与超声波发火装置 - Google Patents

Abstract

一种电火花超声波复合加工方法及脉冲和超声波发生装置。属于超硬材料的加工领域。该方法综合了电火花加工与超声波加工的优点。该发生装置包括高频高峰值电流窄脉冲发生器、超声波发生器以及由超声频信号控制电火花脉冲发生的调制电路。利用做超声振动的工具与被加工的工件之间，加入由超声频调制的电火花脉冲放电，使工具有伸长时做超声加工，工具缩短时做电火花加工。因此可大大提高加工速度和加工表面光洁度。可用于导电陶瓷聚晶金刚石拉丝模、刀具、钻头等工具的加工。

Description

本发明涉及一种电火花超声波复合加工方法及脉冲与超声波发生装置，用于超硬材料的加工领域。

聚晶金刚石是一种新型超硬材料，其硬度与天然金刚石相近，耐磨度比天然金刚石还好，是制造拉丝模、刀具、钻头等多种工具的理想材料。由于聚晶金刚石超硬耐磨难于成型加工，因此世界各国都重视研究该材料的加工技术和设备。1984年北京市电加工研究所发明了《聚晶金刚石工具电火花加工技术》，解决了聚晶金刚石材料粗中加工技术，获得了国家发明二等奖并在1985年第十三届日内瓦国际发明与新技术展览上获银奖。但是并没有解决聚晶金刚石材料的精加工难题。到目前为止，聚晶金刚石材料的精加工大都采用超声波研磨或单纯机械研磨的加工方式。如美国专利US4063542介绍了一种在旋转工作台上用加超声的针研磨金刚石工具的方法，这种方法已成为世界上研磨金刚石工具的主要方法。这种超声波研磨或机械研磨的方法，不但加工效率低，而且金刚石磨料消耗大，加工成本高。

本发明的目的是提供一种电火花超声波复合加工方法及脉冲与超声波发生装置。综合电火花加工与超声波加工的优点，不但提高加工聚晶金刚石材料的效率和表面光洁度，而且节省大量的金刚石磨料。也可以加工其它超硬材料，如导电陶瓷等。

本发明的加工方法构思是：第一步、在构成间隙的工具与工件之间加入磨料;第二步、使得工具缩短，与工件构成一个微小距离;第三步、在工具与工件的两端加入电火花脉冲，形成电火花放电加工腐蚀工件表面，使得工件表面发生变化。对聚晶金刚石来讲，使其表面形成一层碳化后的软化层;第四步、停止电火花脉冲的施放;第五步 伸长工具，缩短与工件间的距离，使得工具在伸长的过程中获得动能，带动磨料撞击被电火花放电腐蚀过的工件表面。对于聚晶金刚石，也就是去除了其表面的软化层。这样循环反复地重复上述的工具伸长时无电火花脉冲加入，工具缩短时有电火花脉冲加入的步骤，以达到加工的目的。

本发明的加工方法的实施可以这样进行。上述的加工方法构思中的工具伸长和缩短由超声频信号所控制的超声换能器的伸长和缩短来完成。电火花脉冲的输出（加入）和无输出（停止施放）的工作状态由超声频信号所调制。使得在工具缩短时，有电火花脉冲输出;工件伸长时，无电火花脉冲输出。

本发明的脉冲与超声波发生装置的原理：由超声波正弦振荡器1产生20KHZ～30KHZ的正弦振荡信号，经超声波前置放大器2、超声波功率放大器3的放大后送入超声换能器4，将电信号转换为超声频机械振动并传到工具5上。这时工具5就相对工件10作超声机械振动。同时通过超声波前置放大器2将超声频信号送入调制电路6，并通过调制电路6调制高频窄脉冲振荡器7，使之在超声换能器4伸长时，高频窄脉冲振荡器停止工作，工具5通过放置在间隙11中的磨料加工工件;在超声换能器缩短时，高频窄脉冲振荡器7发出频率在0.1MHZ～1.5MHZ，脉冲宽度在0.2μs～2μs脉冲信号，该信号经前置放大器8和MOS功率放大器9的放大，形成峰值电流在5A到50A之间的电火花加工脉冲，送到工具5和工件10之间进行电火花脉冲放电加工。该脉冲的频率、脉冲宽度和峰值电流可根据加工工件的不同人工设定。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1.综合了超声波与电火花加工的优点，加工聚晶金刚石比单纯 超声波加工效率提高2～5倍。并节省金刚石磨料。

2.采用超声频调制电火花加工的方式，大大减少短路电流，提高加工效率，并节约了电能。

3.专用的高频窄脉冲高峰值电流的脉冲电源，实现了有生产实际意义的高光洁度加工。

图1是本发明电火花超声波复合加工的脉冲与超声波发生装置的原理方框图。

图2是本发明电火花超声波复合加工的脉冲与超声波发生装置的高频窄脉冲发生器及调制电路原理图。

图1、图2给出了本发明的实施例，结合图进一步描述本发明。超声波发生器由超声波正弦振荡器、超声波前置放大器、超声波功率放大器和超声换能器组成;脉冲发生器由高频窄脉冲振荡器、前置放大器和MOS功率放大器组成。由超声波前置放大器2，引出超声频正弦信号。电压比较器IC5、光电耦合器T₂及电阻R₁₃～R 组成调制电路。电压比较器的两输入端，其一接经过电阻R₁₃的超声频信号，其二为经电阻R₁₄、R₁₅分压的基准电压。该电压比较器的输出接光电耦合器T₂。该光电耦合器输出一与超声频正弦信号相位为Kπ的脉冲调制信号，其中K的选取根据超声换能器形式的不同而选取0或1，以保证调制脉冲在超声换能器4缩短时有效（为高电平）。通过上述调制信号来控制IC3的复位端。集成电路IC1、IC2、IC3，电阻R₁～R₆，电容C₁和C₂组成了高频窄脉冲振荡器。其中IC1、IC2为模拟门电路，IC3为双单稳多谐振荡器电路。当IC3复位端为高电平时，IC3工作并发出一系列高频窄脉冲信号并送入前置放大器IC4，当IC3复位端为低电平时，IC3输出为高电平、IC4输出为低电平，无脉冲发出，由此实现了超声波调制电火花脉冲电源 的目的。前置放大器IC4的作用是将IC3的输出信号变换成驱动功率管T₄所需电平的脉冲信号，同时这个脉冲的上升、下降沿小于20ⁿs。

在IC3复位端为高电平、IC3输出高频窄脉冲信号时，由前置放大器IC4放大的脉冲信号送入由大功率场效应管T₄、限流电阻R₉～R₁₁、负波吸收回路R₃₂、C₃、D₁组成的功率放大器9，最终形成脉冲宽度在0.2μs～2μs之间，频率在0.1MHZ～1.5MHZ之间，脉冲峰值电流在5～50A之间的高频加工脉冲，输送到工具5与工件10之间的放电间隙11上。这就实现了当超声换能器使工具5伸长时，功率放大器9不向放电间隙11输送脉冲，工具与工件间的磨料在超声作用下撞击工件表面;当超声换能器使工具5缩短时，功率放大器9向放电间隙11输送脉冲，形成电火花放电蚀除工件。以此循环反复，电火花放电腐蚀，使得工件表面的表层软化、蚀除，超声撞击使得工件表面的软化层被去除，在加工的粗、中、精加工阶段中选择粒度0.5μm～40μm的磨料和上述的不同的脉冲宽度、频率、峰值电流进行加工。

超声波发生器的输出功率是10W至400W之间。图1中：1.……超声波正弦振荡器;2.……超声波前置放大器;3.……超声波功率放大器;4.……超声换能器;5.……工具;6.……调制电路;7.……高频窄脉冲振荡器;8.……前置放大器;9.……MOS功率放大器;10.……工件;11.……放电间隙。

Claims (6)

1、一种电火花超声波复合加工方法，其步骤是：

(1)在构成间隙的工具与工件之间加入磨料；

(2)缩短连接在超声波换能器上的工具，加大与工件之间的距离；

(3)在上述的工具与工件的两端加入电火花脉冲，电火花放电腐蚀工件表面；

(4)停止电火花脉冲的施放；

(5)伸长上述的工具，缩短与工件之间的距离，上述的工具带动所说的磨料，撞击被电火花腐蚀过的工件表面，

其特征在于循环反复上述的(2)至(5)的步骤。

2、一种如权利要求1所述的电火花超声复合加工方法，其中所说的缩短工具与加入电火花脉冲是同步的;伸长工具与停止施放电火花脉冲也是同步的。

3、一种用于电火花超声波复合加工的超声波和脉冲发生装置，包括超声波发生电路和电火花脉冲发生电路，其中所说的超声波发生电路由超声波正弦振荡器、超声波前置放大器、超声波功率放大器和超声波换能器组成，所说的电火花脉冲发生电路由高频窄脉冲振荡器、前置放大器、MOS功率放大器和火花间隙组成，其特征在于所说的发生装置还包括由超声频信号控制高频窄脉冲振荡器的调制电路，在换能器使构成间隙一端的工具缩短时，该脉冲振荡器有脉冲输出，在使工具伸长时，无脉冲输出。

4、一种如权利要求3所述的超声波和脉冲发生装置，其中所说的调制电路是由电压比较器（IC5）、光电耦合器（T₂）、电阻R

～R₁₈组成，其中电压比较器（IC5）的一个输入端接收经电阻R

的超声频信号，另一个输入端接被电阻₁₆和R 分压的基准电压，输出端接光电耦合器（T₂）输入端。

5、一种如权利要求3、4所述的超声波和脉冲发生装置，其中所说的电火花脉冲发生电路的输出频率为0.1MHZ～1.5MHZ，脉冲宽度为0.2μs～2μs，峰值电流为5A～50A。

6、一种如权利要求5所述的超声波和脉冲发生器装置，其中所说的超声波发生电路的输出功率在100W至400W之间。