CN101972874A - 电解电火花切削复合微细加工装置及其加工方法 - Google Patents

Abstract

一种机械制造技术领域的电解电火花切削复合微细加工装置及其加工方法，包括：刀具系统、机械运动系统、电源系统、工作液系统和控制系统，本发明在现有的非导电材料电解电火花加工技术的基础上，利用加工电极和非导电待加工工件可物理接触的特点，引入切削加工，使其成为一种新的电解电火花切削复合微细加工。这一复合加工方法弥补了原有电解电火花加工方法在加工效率、加工精度等方面的缺点，提高玻璃、陶瓷等难加工材料的加工性。

Description

电解电火花切削复合微细加工装置及其加工方法

技术领域

本发明涉及的是一种机械制造技术领域的装置及其加工方法，具体是一种电解电火花切削复合微细加工装置及其加工方法。

背景技术

玻璃、陶瓷、复合材料等非导电材料广泛应用于微机电系统、微流体系统、生物医学及航空航天等领域。一些工程中的例子包括微型反应堆，微型泵，人体植入部件等。这些材料通常脆硬、且不导电，难以加工。特别在微细加工中，通常使用的微细电火花加工无法处理这些非导电材料；机械加工方法，如微铣削、微磨削等由于材料硬脆也很难处理，加工时的材料去除率很低、刀具损耗严重。其他诸如激光加工、超声加工等特种加工方法也有各自弊端。

最近，电解电火花加工(ECDM)已被用于玻璃、石英、陶瓷等材料的微细加工。电解电火花加工于1968年由日本学者首先提出，最初被用于玻璃的微细加工。而电解电火花加工也存在缺点，比如材料去除率不高、过切现象及热影响严重、加工深径比小等。所以，如何克服这些缺点已经成为将这项技术推向工业应用的一个重要难题。

经对现有技术的文献检索发现，中国专利号200410023547.X，记载了一种非导电超硬材料电火花磨削复合加工方法。此方法利用导电磨轮和一个辅助电极之间的火花放电蚀除不导电材料，辅以机械磨削作用去除碳化和变质层。而本发明是利用电解作用产生的气层将电极绝缘而产生电火花，与上述方法在加工机理上有本质的不同。在材料去除机理上，上述方法利用机械磨削和电火花共同作用，而本方法是机械切削、火花电蚀、电化学溶解三个因素共同作用，达到材料去除的目的。相对而言，本发明更加适合微细加工，更加适合非导电材料。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种电解电火花切削复合微细加工装置及其加工方法，在现有的非导电材料电解电火花加工技术的基础上，利用加工电极和非导电待加工工件可物理接触的特点，引入切削加工，使其成为一种新的电解电火花切削复合微细加工。这一复合加工方法弥补了原有电解电火花加工方法在加工效率、加工精度等方面的缺点，提高玻璃、陶瓷等难加工材料的加工性。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种电解电火花切削复合微细加工装置，包括：刀具系统、机械运动系统、电源系统、工作液系统和控制系统，其中：刀具系统安装在机械运动系统的旋转主轴上，机械运动系统驱动刀具旋转以及刀具与待加工工件之间相对运动，控制系统与机械运动系统相连接并输出工作指令，驱动机械运动系统完成刀具的主运动和进给运动并接受位置信息反馈，控制系统与工作液系统相连接并输出工作液控制指令，使工作液系统完成工作液的供给、液面高度控制、电解液质量监测，控制系统与电源系统相连接并输出电源参数控制指令实现改变电压、脉冲宽度、脉冲间隔，并接收电源系统输出的加工电流信息以实现短路保护和过载保护控制。

所述的刀具系统包括微型刀具及其配套夹具，其中：配套夹具的两端分别与微型刀具和机械运动系统固定连接，微型刀具的加工部分的直径小于一毫米，加工部分与微型刀具的刀杆为一体式结构以保证刀头和刀杆的同轴度；该微型刀具和配套夹具均为不锈钢材料制成。

所述的机械运动系统用于驱动刀具旋转以及刀具与待加工工件之间相对运动，包括：旋转主轴和直线移动轴，其中：旋转主轴包括转子、定子和轴承，刀具系统安装在转子上，电机带动转子旋转；直线移动轴包括丝杠、螺母和电机，其中：电机驱动丝杠旋转，螺母在直线方向移动。

所述的电源系统用于给加工中的电解电火花效应提供电源实现材料去除的系统，电源系统为由变压器、电阻组、电容组和辅助电极组成的电阻电容放电电路，其中：变压器向所述加工装置提供25V到60V，容量200W到2kW的加工电压；电阻组由若干不同电阻值的电阻组成；电容组由若干不同电容值的电容组成，电阻组和电容组的额定功率与变压器的输出功率相匹配；辅助电极为抗腐蚀导电材料制成。

所述的工作液系统包括：工作液槽、储液槽、泵及输送管道、过滤器、液面高度控制器、电导率监视器以及液槽清洗器，其中：待加工工件放置在工作液槽中并装夹好，电解液存储在储液槽中，泵将储液槽中的电解液通过输送管道注入到工作液槽内，电导率监视器、液槽清洗器和液面高度控制器分别位于工作液槽内，液面高度控制器控制工作液槽内电解液液面高度，电导率监视器监视工作液槽内电解液的电导率，液槽清洗器将工作液槽冲洗干净并收集废液。

所述的液面高度控制器为闸门结构，液面高过闸门就会漏出，回流到储液槽。

所述的电解液为强碱电解液，如氢氧化钠或氢氧化钾或其混合。

所述的控制系统内置有可编程控制器、触摸屏、操作面板以及由接触器、继电器组成的控制电路，其中：可编程控制器(包含输入输出模块)是控制系统的核心，执行预先编写好的程序，实现对各个系统的实时控制。触摸屏和操作面板是操作人员与机器交互的界面，通过触摸屏和操作面板实现参数设置、指令输入以及加工状态的监视。通过触摸屏和操作面板输入的信息和传感器信号通过输入模块传给可编程控制器，执行程序后将信号通过输出模块传递到触摸屏和操作面板、各轴的步进电机或其他变送器。控制系统保证设备协调有序运转，加工工艺信息还可存储和优化，实现加工工艺的控制。

本发明涉及上述装置的加工方法，包括以下步骤：

第一步、根据加工要求选用合适的微型刀具，用配套夹具夹持微型刀具，并将配套夹具固定在旋转主轴的转子上，然后将待加工工件夹持固定在工作液槽内。加工过程中待加工工件表面与液面高度相持平。

第二步、开启工作液泵，将电解液注入到工作液槽中，由电导率监视器监视电解液电导率，当电导率低于阈值时则补充溶质；然后将微型刀具移动至电解液的液面下且不接触待加工工件的情况下开启电源系统使得微型刀具上发生电解电火花效应并产生热量加热电解液实现预热。

第三步、电源系统加载电压并启动旋转主轴驱动微型刀具与待加工工件接触，微型刀具作为电解电火花加工的电极产生火花放电，在降低待加工工件的表面硬度的同时实现切削加工。

第四步、关闭电源系统并停止机械运动系统，开启液面高度控制器使电解液经过滤回流到储液槽后，关闭液面高度控制器并开启液槽清洗器清洗工件和工作液槽，最后将工件及工作液槽吹干后实现电解电火花切削复合微细加工。

与现有技术相比，本发明将电解电火花加工与机械钻削、铣削等相结合，实现复合加工，具有以下显著的优点：(1)材料去除率高。电解电火花加工利用其火花热蚀和化学电解液和待加工工件的化学反应实现材料去除。加工中一些融融的材料及受周围热影响软化的材料，这些材料不易被很快去除。引入了机械加工后，这些材料将被刀刃的切削作用去除。若仅仅使用普通机械加工，由于待加工工件表面温度低，材料表现出高硬度和高脆性，不易成屑。新的方法将两者的优势结合，达到了较高的材料去除率。(2)加工精度高。在电解电火花加工中，材料过切现象严重，加工精度难以保证。一方面机械加工刀具一般表面有螺旋槽，减少了放电加工的接触面积。另一方面，刀具的高速旋转可有效抑制火花，提高加工精度。(3)表面质量好。电解电火花加工过的待加工工件一般都带有显著的热影响层，机械加工可以抑制热影响层的产生，以达到更好的表面质量。(4)成本低。本复合加工方法简单实用，相对电解电火花加工来说，增加的成本仅仅是微型刀具的成本。而普通硬质合金刀具非常耐用，付出了很小的成本便可带来了显著的变化。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为刀具系统示意图。

图3为机械运动系统示意图。

图4为电源系统示意图。

图5为工作液系统示意图。

图6为电解电火花切削复合加工原理图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例包括：刀具系统1、机械运动系统2、电源系统3、工作液系统4和控制系统5，其中：刀具系统1安装在机械运动系统2的旋转主轴9上，机械运动系统2的三个直线移动轴10驱动刀具旋转以及刀具与待加工工件6之间相对运动，控制系统5与机械运动系统2相连接并输出工作指令，驱动机械运动系统2完成刀具的主运动和进给运动并接受位置信息反馈，控制系统5与工作液系统4相连接并输出工作液控制指令，使工作液系统4完成工作液的供给、液面高度控制、电解液质量监测，控制系统5与电源系统3相连接并输出电源参数控制指令实现改变电压、脉冲宽度、脉冲间隔，并接收电源系统3输出的加工电流信息以实现短路保护和过载保护控制。

如图2所示，所述的刀具系统1包括微型刀具7及其配套夹具8，其中：配套夹具8的两端分别与微型刀具7和旋转主轴9固定连接，微型刀具7的加工部分的直径小于一毫米，加工部分与微型刀具7的刀杆为一体式结构以保证刀头和刀杆的同轴度；该微型刀具7和配套夹具8均为不锈钢材料制成。

如图3所示，所述的机械运动系统2用于驱动刀具旋转以及刀具与待加工工件6之间相对运动，包括：旋转主轴9和三个直线移动轴10，其中：旋转主轴9包括转子11、定子12和轴承13，刀具系统1安装在转子11上，直流电机16驱动，通过传动带使主轴转子11旋转。传动带是绝缘材料制成，这样便将电机16电路与加工电路隔离开。直线移动轴10包括丝杠14、螺母15和电机16，其中：电机16驱动丝杠旋转，螺母15在直线方向移动。

如图4所示，所述的电源系统3用于给加工中的电解电火花效应提供电源实现材料去除的系统，电源系统3为由变压器17、电阻组18、电容组19和辅助电极20组成的电阻电容放电电路，其中：变压器17向所述加工装置提供25V到60V，容量200W到2kW的加工电压；电阻组18由若干不同电阻值的电阻组18组成；电容组19由若干不同电容值的电容组19组成，电阻组18和电容组19的额定功率与变压器17的输出功率相匹配；辅助电极20为抗腐蚀导电材料制成。

如图5所示，所述的工作液系统4包括：工作液槽21、储液槽22、泵23、过滤器24、液面高度控制器25、电导率监视器26以、液槽清洗器27、废液槽28、电磁阀29及电解液30，其中：待加工工件6放置在工作液槽21中并装夹好，电解液存储在储液槽22中，泵23将储液槽22中的电解液通过输送管道注入到工作液槽21内，电导率监视器26、液槽清洗器27和液面高度控制器25分别位于工作液槽21内，液面高度控制器25控制工作液槽21内电解液液面高度，电导率监视器26监视工作液槽21内电解液的电导率，液槽清洗器27将工作液槽21冲洗干净并收集废液。

所述的液面高度控制器25为闸门结构，液面高过闸门就会漏出，回流到储液槽22。

所述的电解液为强碱电解液，如氢氧化钠或氢氧化钾或其混合。

所述的控制系统5内置有可编程控制器、触摸屏、操作面板以及由接触器、继电器组成的控制电路，其中：可编程控制器(包含输入输出模块)是控制系统5的核心，执行预先编写好的程序，实现对各个系统的实时控制。触摸屏和操作面板是操作人员与机器交互的界面，通过触摸屏和操作面板实现参数设置、指令输入以及加工状态的监视。通过触摸屏和操作面板输入的信息和传感器信号通过输入模块传给可编程控制器，执行程序后将信号通过输出模块传递到触摸屏和操作面板、各轴的电机16或其他变送器。控制系统5保证设备协调有序运转，加工工艺信息还可存贮和优化，实现加工工艺的控制。

电解电火花切削复合微细加工原理如图6所示，电源系统3的负极和正极分别连接到微型刀具7和辅助电极20。微型刀具7指钻头、铣刀等，辅助电极20尺寸相对刀具电极大的多。两极都浸在电解液30中。电解液通常为氢氧化钠、氢氧化钾等强碱溶液。当两极电压超过一个值(25V左右)时，刀具电极周围产生电火花，出现电解电火花现象。此时将刀具电极移动到工件材料(如玻璃)上，待加工工件6材料受刀具电极周围的热、化学及机械切削的共同作用被去除。

以电解电火花微钻削加工为例，具体实现方法和系统如图1至图5所示。加工中使用的微型刀具7是一个0.5mm直径的微细钻头，钻头材料为硬质合金。钻头由夹具8夹持并固定在主轴的转子11上。此主轴由一个电机16驱动，通过传动带使主轴转子11旋转。主轴有较高的旋转精度，转速范围为每分钟几百至一千转。电源系统3是一个普通直流电源(0-60V，300W)，它的负极通过主轴连接到刀具电极，正连接到辅助电极20。辅助电极20材料是石墨。待加工工件6的进给依靠一个重物和一个滑轮实现，调整重物的重量，使得待加工工件6和刀具电极之间有一个较小的、恒定的力。待加工工件6放在工作液槽21中，由直线移动轴10实现上下移动。另有一个位移传感器和一台工业计算机负责加工状态的监视和控制。在水平面方向，待加工工件6的定位可以利用两个步进电机16实现。

首先，将微型刀具7安装在主轴9上，经多次调整减小旋转误差。加工待加工工件6为玻璃，将待加工工件6夹持固定在工作液槽21内。注意调整待加工工件6以尽量使待加工工件6表面与水平面平行，使得加工过程中液面高度尽可能保持一致。其次，通过计算机设置加工参数，编写加工程序。然后，开启工作液系统4的泵23，电磁阀29到进液位置，电解液30被注入到工作液槽21中至待加工工件6表面以上1毫米左右。化学电解液的成分为氢氧化钠及浓度为25％。然后将刀具移动到电解液液面下(不接触待加工工件6)，开启加工电源，加载32V恒定电压。此时微型刀具7上发生电解电火花效应，系统预热。执行加工程序开始加工。加工中，微型刀具7同时作为电解电火花加工的电极，会产生火花放电，待加工工件6材料以热蚀及高温化学溶解的形式被去除。与使用普通电极不同的是，主轴9带动刀具旋转，对待加工工件6产生机械切削作用。这样的加工中既包含了电解电火花加工，又有机械切削加工，实现了电解电火花切削复合微细加工。加工完成后，电源系统3关闭，微型刀具7回到原位。使用液槽清洗器27将工作液槽21清洗干净后，操作人员可以取下待加工工件6，加工过程完毕。

实施效果：在加工中使用普通柱状电极和微型钻头，每个加工条件下重复加工10个微孔，每个孔加工时间为一分钟。对比孔加工深度，过切以及圆度误差。本实施例选用如下加工参数：

本实施例：孔的平均加工深度0.28mm，过切80微米，圆度误差为40微米。

传统方法(使用柱状电极的普通电解电火花加工)：孔的平均加工深度0.16mm，过切130微米，圆度误差为45微米。

经对比实验，可见新的电解电火花切削复合微细加工方法及相应的加工系统可以有效提高加工效率和加工质量。

Claims (6)

1.一种电解电火花切削复合微细加工装置，其特征在于，包括：刀具系统、机械运动系统、电源系统、工作液系统和控制系统，其中：刀具系统安装在机械运动系统的旋转主轴上，机械运动系统驱动刀具旋转以及刀具与待加工工件之间相对运动，控制系统与机械运动系统相连接并输出工作指令，驱动机械运动系统完成刀具的主运动和进给运动并接受位置信息反馈，控制系统与工作液系统相连接并输出工作液控制指令，使工作液系统完成工作液的供给、液面高度控制、电解液质量监测，控制系统与电源系统相连接并输出电源参数控制指令实现改变电压、脉冲宽度、脉冲间隔，并接收电源系统输出的加工电流信息以实现短路保护和过载保护控制。

2.根据权利要求1所述的电解电火花切削复合微细加工装置，其特征是，所述的刀具系统包括微型刀具及其配套夹具，其中：配套夹具的两端分别与微型刀具和机械运动系统固定连接，微型刀具的加工部分的直径小于一毫米，加工部分与微型刀具的刀杆为一体式结构以保证刀头和刀杆的同轴度。

3.根据权利要求1所述的电解电火花切削复合微细加工装置，其特征是，所述的机械运动系统用于驱动刀具旋转以及刀具与待加工工件之间相对运动，包括：旋转主轴和直线移动轴，其中：旋转主轴包括转子、定子和轴承，刀具系统安装在转子上，电机带动转子旋转；直线移动轴包括丝杠、螺母和电机，其中：电机驱动丝杠旋转，螺母在直线方向移动。

4.根据权利要求1所述的电解电火花切削复合微细加工装置，其特征是，所述的电源系统用于给加工中的电解电火花效应提供电源实现材料去除的系统，电源系统为由变压器、电阻组、电容组和辅助电极组成的电阻电容放电电路，其中：变压器向所述加工装置提供25V到60V，容量200W到2kW的加工电压；电阻组由若干不同电阻值的电阻组成；电容组由若干不同电容值的电容组成，电阻组和电容组的额定功率与变压器的输出功率相匹配；辅助电极为抗腐蚀导电材料制成。

5.根据权利要求1所述的电解电火花切削复合微细加工装置，其特征是，所述的工作液系统包括：工作液槽、储液槽、泵及输送管道、过滤器、液面高度控制器、电导率监视器以及液槽清洗器，其中：待加工工件放置在工作液槽中并装夹好，电解液存储在储液槽中，泵将储液槽中的电解液通过输送管道注入到工作液槽内，电导率监视器、液槽清洗器和液面高度控制器分别位于工作液槽内，液面高度控制器控制工作液槽内电解液液面高度，电导率监视器监视工作液槽内电解液的电导率，液槽清洗器将工作液槽冲洗干净并收集废液。

6.一种根据权利要求1所述装置的加工方法，包括以下步骤：

第一步、根据加工要求选用合适的微型刀具，用配套夹具夹持微型刀具，并将配套夹具固定在旋转主轴的转子上，然后将待加工工件夹持固定在工作液槽内，加工过程中待加工工件表面与液面高度相持平；

第二步、开启工作液泵，将电解液注入到工作液槽中，由电导率监视器监视电解液电导率，当电导率低于阈值时则补充溶质或溶剂；然后将微型刀具移动至电解液的液面下且不接触待加工工件的情况下开启电源系统使得微型刀具上发生电解电火花效应并产生热量加热电解液实现预热；

第三步、电源系统加载电压并启动旋转主轴驱动微型刀具与待加工工件接触，微型刀具作为电解电火花加工的电极产生火花放电，在降低待加工工件的表面硬度的同时实现切削加工；

第四步、关闭电源系统并停止机械运动系统，开启液面高度控制器使电解液经过滤回流到储液槽后，关闭液面高度控制器并开启液槽清洗器清洗工件和工作液槽，最后将工件及工作液槽吹干后实现电解电火花切削复合微细加工。

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