CN102166676A

CN102166676A - 绝缘陶瓷往复走丝电火花线切割加工方法及装置

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Publication number: CN102166676A
Application number: CN201110133128.1A
Authority: CN
Inventors: 郭永丰; 侯朋举; 邓冠群; 白基成; 陈兰
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2011-05-23
Filing date: 2011-05-23
Publication date: 2011-08-31

Abstract

本发明涉及绝缘陶瓷加工技术领域。为了解决现有绝缘陶瓷加工方法及装置存在的加工精度低、加工表面质量差的问题，本发明提供一种绝缘陶瓷往复走丝电火花线切割加工方法：将外表面固定有辅助电极的绝缘陶瓷浸入电火花液或煤油工作液中，再在工作液中放置电极丝，将所述辅助电极与电极丝分别接高频脉冲电源的正极和负极，控制二者的距离直到可实现火花放电，再按加工要求控制电极丝与绝缘陶瓷间的相对运动。本发明同时提供一种装置：将外表面固定有辅助电极的绝缘陶瓷以及电极丝都置于电火花液或煤油工作液中并分别与高频脉冲电源的正负极连接；所述绝缘陶瓷固定在工作台上，并由工作台带动绝缘陶瓷运动。本发明加工过程稳定，利于推广应用。

Description

绝缘陶瓷往复走丝电火花线切割加工方法及装置

技术领域：

本发明涉及绝缘陶瓷加工技术领域，具体涉及一种绝缘陶瓷往复走丝电火花线切割加工方法及装置。

背景技术：

陶瓷材料具有高强度、高硬度、耐高温、耐磨损、耐腐蚀和良好的化学稳定性等，作为二十一世纪的功能材料，在汽车、飞机、汽轮机、发动机、航空、航天、机械、电子、电工、通讯、半导体、医疗卫生等行业具有广阔的应用前景。但由于陶瓷材料具有高硬度、高强度等特点，使得用传统的机械加工方法对其加工特别困难，从工程陶瓷的应用方面来看，其加工成本可占制造总成本的80％以上，严重地影响了其在工业中的应用。

随着加工技术的发展，关于陶瓷加工的方法也不断增多，按其加工模式可分为两大类：非电加工方法和电加工方法。

(1)非电加工方法

目前国内外陶瓷材料的非电加工方法主要有利用金刚石刀具的磨削加工、车削加工、钻削加工、激光加工、等离子体加工、超声加工和磨料水射流加工等。

1)金刚石刀具加工用金刚石砂轮磨削和金刚石车削加工是目前较为常用的绝缘陶瓷材料加工方法。由于绝缘陶瓷材料具有很高的强度、硬度、脆性和耐磨性，其可磨削性极差。要获得较高的材料去除率和磨削比，多采用大磨削力磨削，加工中砂轮损耗严重，修整困难。钻削方面，目前广泛采用金刚石空心钻加工直径数毫米的圆孔。然而，由于陶瓷硬度极高，在钻削加工过程中金刚石钻头磨损严重，此外，由于陶瓷的脆性很大，在孔的入口和出口处崩刃现象严重，影响了孔的加工质量。为提高孔的加工质量，目前人们在这种空心钻上附加超声波振动进行陶瓷钻削加工。附加超声波振动后，虽然加工效果得到改善，但这种机床所能加工的陶瓷构件种类有限，且一般较为昂贵，加工成本高，不利于该加工技术的推广。

2)激光加工激光加工方法是利用能量密度极高的激光束聚焦后在焦点上达到很高的能量密度，靠光热效应来加工各种材料，这也是加工非导电材料的一种较为有效的方法。激光加工时，材料的可加工性与其自身的强度、硬度等机械性能无关，仅与其熔点、沸点、比热容、热传导率、热膨胀系数等热学特性有关。目前，激光加工在金刚石拉丝模和手表钻石的加工、金刚石和工程陶瓷的切割等方面的应用取得了较大的进展。但由于激光加工是一种瞬时、局部融化、气化的热加工，影响因素很多，因此在精微加工时，激光加工难以保证较高的重复精度和表面粗糙度。目前对于激光辅助车削等加工手段也越来越受到各国学者的重视。但是激光加工受到工件材料厚度限制，只能加工很薄的工件，设备普遍复杂昂贵，加工成本高。

3)等离子体加工针对工程陶瓷难以加工的现状，可采用附加正极等离子弧加工工程陶瓷。以加工厚度为6mm的Al₂O₃陶瓷板为例进行试验研究，结果表明，喷嘴直径为4mm时，可获得宽度小于5mm的光滑切口，切速达0.8～1.0m/min。但这种方法加工精度低，一般难以获得较好的表面粗糙度。

4)超声加工用超声波加工硬脆材料是目前较为常用的方法之一，它是利用工具端面做超声频振动，通过悬浮液中磨料的冲击和抛磨加工脆硬材料的一种成型方法。日本学者波田野光用旋转超声头加工法，在直径为Φ13mm、长100mm红宝石上用16分钟加工出直径为Φ3mm通孔；在厚0.5mm的Al₂O₃陶瓷上加工出直径为Φ0.76mm～Φ12mm孔，加工时间为5～15秒。

5)磨料水射流加工磨料水射流加工是利用射速数倍于音速的磨料水的机械冲击作用，使工件表面产生微裂纹、进而形成碎屑剥落蚀除的加工方法。磨料水射流加工陶瓷材料实际上是一个材料的动态断裂的过程，即通过微裂纹的扩展实现材料的切削、磨削、钻削加工。目前在工程陶瓷、硬质合金、复合材料等材料加工中有所应用，但加工精度和表面质量较低。

(2)电加工方法

目前国内外陶瓷材料的电加工方法主要有高压辉光放电加工、电解电火花放电复合加工、机械成膜电火花加工、辅助电极法电火花加工等。

1)高压辉光放电加工高压辉光放电加工是针对不导电的天然金刚石作为拉丝模而发展的一种方法。在尖电极与平板电极间放入绝缘的工件，两极间加以直流或工频交流高电压，使尖电极附近空气被击穿，发生辉光放电蚀除。但辉光电流小，加工效果差。由于两极间存在寄生电容，把电源变为高频或脉冲性，可以流过相当多的辉光电流。一般使用高压高频电源，其电压为5000V～6000V，最高电压为12000V，频率为数万赫兹到数十兆赫兹。这种放电加工方法在坑太深时将发生侧面放电，使加工难于进行。此法加工出的凹坑的形状粗糙，需要后续工序修研。

2)电解电火花放电复合加工电解电火花复合加工方法是目前研究的较多的绝缘材料的电加工技术，这种方法是利用电解液中的火花放电作用，对工件材料进行蚀除加工。该技术的关键是如何在电解液中形成火花放电所需的非导电相。当电极表面与工作液之间某处的电场强度达到气体相的击穿强度，便在该处产生火花击穿放电，由火花放电时的瞬间高温及冲击作用来进行蚀除加工。

日本学者利用电解电火花复合加工技术，最早在NaOH、NaNO₃、NaCl等溶液中对非导电的Al₂O₃陶瓷进行了加工研究，得出在NaOH溶液中加工效率最高的结论。日本学者久保田护、土屋八郎等人将电火花线切割技术和电解电火花打孔技术结合起来，实现了对玻璃及绝缘陶瓷的电解电火花线切割；日本学者近森邦夫还用红外传感器检测控制电弧放电的方法，对电解液中电弧放电加工陶瓷材料进行了试验研究。

3)机械成膜电火花加工该方法是使圆周分布的齿状电极做高速的旋转运动，空气由于粘性作用而吸附在齿的端面，当齿电极运动到加工位置时，吸附的气膜将齿电极与电解液间的电流通路绝缘隔断，从而形成电位梯度，进而引发火花放电。通过控制工具电极的回转速度来控制火花放电的频率。机械成膜电火花加工方法的加工效率低、能耗大，且不能加工深孔和复杂型腔。

4)辅助电极法电火花加工20世纪90年代中期，日本长冈科技大学的福泽康教授和东京大学的毛利尚武教授发明了绝缘陶瓷辅助电极电火花加工方法。他们用机械力夹紧的方法在绝缘工件表面上方压上一张薄铜板或金属网，作为加工开始阶段的一个放电电极，称为辅助电极。工具电极、辅助电极以及加工工件都浸入工作液煤油中，将辅助电极与脉冲电源的正极相连，然后利用工具电极和辅助电极之间电火花放电使煤油工作液产生热分解，分解后生成的碳沉积在绝缘陶瓷加工表面上形成导电膜，使绝缘陶瓷的加工表面具有导电性，从而实现了绝缘陶瓷的电火花放电加工。

纵观以上绝缘陶瓷的加工方法，均能实现绝缘陶瓷的加工，但在加工精度、加工效率和表面质量等方面较难满足加工要求，且有些方法需要采用金刚石砂轮等刀具以及如激光加工机等加工设备，价格昂贵，不利于技术的推广。

发明内容：

本发明是为了解决现有绝缘陶瓷加工方法及装置存在的加工精度低、加工表面质量差的问题，进而提供一种经济有效的绝缘陶瓷往复走丝电火花线切割加工方法及装置，将高频脉冲电源正负极分别接于表面附有辅助电极的绝缘陶瓷和电极丝上，利用正负极之间的脉冲火花放电来实现绝缘陶瓷的加工。

本发明首先提供一种绝缘陶瓷往复走丝电火花线切割加工方法：将外表面固定有辅助电极的绝缘陶瓷浸入电火花液或煤油工作液中，再在工作液中放置电极丝，将所述辅助电极与电极丝分别接高频脉冲电源的正极和负极，控制二者的距离直到可实现火花放电，再按加工要求控制电极丝与绝缘陶瓷间的相对运动，即可。

所述高频脉冲电源的控制参数如下：峰值电流调节范围为：1～50A；开路电压为：100V；脉宽调节范围为：1μs～150μs；脉间调节范围为：1μs～450μs。

所述辅助电极材料为导电金属或导电金属化合物，如铜、钛、氮化钛导电薄膜，铜板、铝板及铜网。

所述绝缘陶瓷与辅助电极间的固定方式为涂覆、喷镀或机械夹紧。

所述电极丝缠绕于走丝装置的贮丝筒上，由贮丝筒电机带动贮丝筒做往复回转运动，电极丝的走丝速度为：6～12m/s。

所述绝缘陶瓷放置在可实现X向与Y向运动的工作台上，所述工作台通过X方向电机和Y方向电机与控制系统连接。

本发明同时提供一种绝缘陶瓷往复走丝电火花线切割加工装置：外表面固定有辅助电极的绝缘陶瓷以及电极丝都置于工作液槽中，工作液槽装电火花液或煤油工作液，所述辅助电极与电极丝分别与高频脉冲电源的正负极连接；所述绝缘陶瓷放置在可实现X向与Y向运动的工作台上，所述工作台与控制系统连接。

所述装置还包括走丝装置和导轮，所述导轮包括置于电火花液或煤油工作液之外的导轮和置于工作液中的导轮，所述电极丝缠绕在走丝装置的贮丝筒上并通过导轮进行拉紧，从而形成电极丝往复运动的循环回路。

所述装置包括机床床身，所述机床床身上固定导轮支架，所述导轮支架由线架横梁及固定于线架横梁两端下方的线架立柱和L形线架组成；所述线架横梁的两端、线架立柱的上端、L形线架的上端分别设置一个导轮安装孔，所述L形线架下端设置两个导轮安装孔；每个导轮安装孔上都安装一个导轮；所述线架立柱下端固定在机床床身上，所述L形线架下端置于工作液槽中，工作液槽装电火花液或煤油工作液。

本发明的优点在于：

(1)利用我国特有的往复走丝式电火花线切割机床作为加工设备，循环使用电极丝，较国外的单向走丝绝缘陶瓷电火花线切割加工，降低了加工成本；

(2)通过编程，进而控制机床工作台运动，可以方便地实现不同结构形式，如齿轮、回转轴、棱柱等绝缘陶瓷构件的加工，省去了传统加工方法中所需的昂贵的刀具制作和修整，提高了加工效率，节约了成本；

(3)可以实现具有精密配合要求的绝缘陶瓷内型孔的加工。

实验证明，利用本发明所述装置及方法进行边长为5mm，高14mm的绝缘陶瓷等边六棱柱的加工，加工所用工作液为煤油，所用的电参数分别为：峰值电流20A，开路电压100V，脉宽20μs，脉间80μs，走丝速度9.5m/s。加工时间为：2.5h，加工后表面粗糙度Ra2.1μm，因此，本发明可以很好地实现绝缘陶瓷材料的加工，加工过程稳定，从而为绝缘陶瓷材料的加工提供了一种有效的方法。

附图说明：

图1是绝缘陶瓷往复走丝电火花线切割加工方法原理图。

图2是绝缘陶瓷往复走丝电火花线切割加工过程中，加工辅助电极部分的示意图。

图3是绝缘陶瓷往复走丝电火花线切割加工过程中，加工辅助电极与绝缘陶瓷交界处的示意图。

图4是绝缘陶瓷往复走丝电火花线切割加工过程中，加工绝缘陶瓷部分的示意图。

图5是绝缘陶瓷往复走丝电火花线切割加工装置结构示意图。

图6是工作液槽与工作台装配示意图。

实施例1中：1-机床床身；2-机床X轴；3-机床Y轴；4-工作台；5-工件支架；6-辅助电极；7-绝缘陶瓷；8-工件夹块；9-工作液槽；10-工件夹紧螺钉；11-煤油工作液；12-高频脉冲电源；13-电极丝；14-贮丝筒；15-走丝装置；16-导轮；17-导电层。

实施例2中：1-机床床身；2-机床X轴；3-机床Y轴；4-工作台；5-工件支架；9-工作液槽；13-电极丝；14-贮丝筒；15-走丝装置；18-线架立柱；19-六号导轮；20-一号导轮；21-线架横梁；22-贮丝筒电机；23-L形线架；24-五号导轮；25-导电块；26-二号导轮；27-四号导轮；28-三号导轮；29-液位调节螺杆；30-密封胶垫；31-地脚螺钉；32-机床垫脚；33-螺钉。

具体实施方式：

下面结合附图详细阐述本发明优选的实施方式。

本发明通过对现有绝缘陶瓷加工方法进行研究，提出一种绝缘陶瓷往复走丝电火花线切割加工方法及使用该方法的装置，下面结合附图对本发明的绝缘陶瓷往复走丝电火花线切割加工方法原理、绝缘陶瓷往复走丝电火花线切割加工过程以及绝缘陶瓷往复走丝电火花线切割加工装置进行详细说明。

实施例一：

绝缘陶瓷往复走丝电火花线切割加工方法原理图如图1所示，将绝缘陶瓷7预先附着上辅助电极6，电极丝13经机床上的导轮16缠绕于走丝装置15的贮丝筒14上，由贮丝筒电机(图1中未示出)带动贮丝筒做往复的回转运动，将带有辅助电极的绝缘陶瓷7工件安装在往复走丝电火花线切割机床的工件支架5上并浸在煤油工作液11中，将高频脉冲电源12正负极分别接在辅助电极6和电极丝13上，机床工作台带动绝缘陶瓷7工件按照预定的轨迹运动，电极丝13与辅助电极6之间首先发生火花放电，进而实现绝缘陶瓷7工件的蚀除加工。

绝缘陶瓷往复走丝电火花线切割加工过程如图2、图3、图4所示，加工过程主要分为三个步骤。在加工的开始阶段，电极丝13沿轴向(电极丝长度方向)作高速往复运动，并沿径向慢慢地靠近绝缘陶瓷7工件，电极丝13首先与辅助电极6发生放电，如图2所示，由于工作液采用的是煤油或电火花液，其在高温下会裂解释放大量的游离碳，游离碳与放电通道中游离态的物质结合在一起形成带负电的胶团并且在电场的作用下吸附于正极表面形成导电层17；随着加工的继续进行导电层17持续在正极表面生成，当加工到绝缘陶瓷7工件与辅助电极6的连接面时，如图3所示，导电层17已经覆盖延伸至绝缘陶瓷7工件的表面，为继续的火花放电提供了可能；导电层17与电极丝13之间的火花放电产生的高温在将导电层17蚀除掉的同时也会带走一部分的绝缘陶瓷7材料，使绝缘陶瓷的电火花线切割加工得以实现，随着放电的进行，绝缘陶瓷7不断被蚀除，同时，新的导电层也会在电场力以及其他条件的作用下粘覆于待加工绝缘陶瓷7表面，如图4所示。可见绝缘陶瓷的往复走丝电火花线切割加工是一个导电层17不断生成，并不断被蚀除且同时蚀除掉部分绝缘陶瓷7材料的动态过程。

实施例二：

绝缘陶瓷往复走丝电火花线切割加工装置结构示意图，如图5所示。绝缘陶瓷往复走丝电火花线切割加工装置主要由：机床床身1；走丝装置15；线架立柱18；六号导轮19；贮丝筒14；一号导轮20；线架横梁21；贮丝筒电机22；L形线架23；五号导轮24；导电块25；二号导轮26；四号导轮27；电极丝13；三号导轮28；工件支架5；液位调节螺杆29；工作液槽9；密封胶垫30；工作台4；机床Y轴3；机床X轴2；地脚螺钉31和机床垫脚32构成。

其中，线架立柱18通过螺钉固定在机床床身1上，线架横梁21的一端用螺钉固定在线架立柱18上，线架横梁21的另一端下方用螺钉固定L形线架23；一号导轮20、二号导轮26安装在位于线架横梁21两端的导轮安装孔中，并用紧定螺钉分别予以位置固定，同时用螺钉将导电块25固定在线架横梁21上，加工时导电块25与电极丝13摩擦接触，为电极丝13接入高频脉冲电源负极；在L形线架23的竖杆上方上设置一个导轨安装孔，在L形线架23下端的横杆上并排设置两个导轮安装孔，所述五号导轮24安装在L形线架23竖杆上的导轮安装孔中，所述四号导轮27、三号导轮28安装在L形线架23横杆上的导轮安装孔中，并用紧定螺钉予以位置固定；所述L形线架23置于工作液槽9之中并使四号导轮27和三号导轮28置于工作液面以下(工作液槽部分后面阐述)；六号导轮19安装在线架立柱18的导轮安装孔中，同样用紧定螺钉进行位置固定；此时，线架立柱18、线架横梁21、L形线架23及安装于三者之上的导轮共同构成了电极丝13运动时的导向机构；应注意，将各个导轮固定之前，应调整导轮在其各自轴线上的位置，使各导轮上的导向槽对称面处于同一平面内，这样有助于减小电极丝13运行过程中的摩擦力，可降低工作时电极丝13的振动及导轮磨损。机床X、Y两个坐标轴均采用电机带动滚珠丝杠的传动方式，以及滚动导轨的导向形式，机床X轴2处于机床Y轴3下方，工作台4位于机床Y轴3上方；所述机床与控制系统连接(图中未示出)，并通过控制系统实现绝缘陶瓷按目标轨迹运动；工作液槽9与工作台4的装配及密封形式如图6所示，工作液槽9位于工作台4的上方，并在两者之间安装有密封胶垫30，首先将工件支架5用螺钉固定在工作台4上，再将工作液槽9、密封胶垫30、工作台4三者用螺钉33固定成一个整体，然后用螺钉将工作台4与Y轴导轨滑块相连，这样就实现了工作液槽的固定及密封，同时实现了X、Y轴运动机构与工作台4的连接。

电极丝13的往复走丝路径为：电极丝13从贮丝筒14出发依次经过一号导轮20、二号导轮26、三号导轮28、四号导轮27、五号导轮24、六号导轮19，然后返回到贮丝筒14上，工作时贮丝筒14上缠绕有一定圈数的电极丝13，随着贮丝筒14的正反向转动，电极丝13一边从贮丝筒14上被放出并沿走丝路径进入加工区域进行加工，放电之后的电极丝13又沿走丝路径被重新缠绕到贮丝筒14上，从而实现了电极丝13的往复运动。由电极丝13的走丝路径可见，电极丝13经二号导轮26进入到工作液液面以下，然后又依次经导轮28、导轮27、导轮24重新返回到工作液液面以上，从而实现了浸液式的加工。

进行绝缘陶瓷7往复走丝线切割加工时，将电极丝13经导轮和导电块25缠绕在运丝装置15的贮丝筒14上，形成电极丝13往复运动的循环回路；并将固定有辅助电极6的绝缘陶瓷7工件固定在工件支架5上，辅助电极6和导电块25分别与高频脉冲电源12的正负极相连；通工作液，直至将绝缘陶瓷7工件完全浸入工作液液面以下，这时加工区域的电极丝13也同时处于工作液之中；接通高频脉冲电源12(图5中未示出)，并启动加工，工作台4带动绝缘陶瓷7工件按照预定的轨迹运动，直至加工完成。

本实施方式只是对本专利的示例性说明而并不限定它的保护范围，本领域人员还可以对其进行局部改变，只要没有超出本专利的精神实质，都视为对本专利的等同替换，都在本专利的保护范围之内。

Claims

1.一种绝缘陶瓷往复走丝电火花线切割加工方法，其特征在于，将外表面固定有辅助电极的绝缘陶瓷浸入电火花液或煤油工作液中，再在工作液中放置电极丝，将所述辅助电极与电极丝分别接高频脉冲电源的正极和负极，控制二者的距离直到可实现火花放电，再按加工要求控制电极丝与绝缘陶瓷间的相对运动，即可。

2.根据权利要求1所述的绝缘陶瓷往复走丝电火花线切割加工方法，其特征在于，所述高频脉冲电源的控制参数如下：

峰值电流调节范围为：1～50A；开路电压为：100V；脉宽调节范围为：1μs～150μs；脉间调节范围为：1μs～450μs。

3.根据权利要求1所述的绝缘陶瓷往复走丝电火花线切割加工方法，其特征在于，所述辅助电极材料为导电金属或导电金属化合物。

4.根据权利要求1所述的绝缘陶瓷往复走丝电火花线切割加工方法，其特征在于，所述绝缘陶瓷与辅助电极间的固定方式为涂覆、喷镀或机械夹紧。

5.根据权利要求1所述的绝缘陶瓷往复走丝电火花线切割加工方法，其特征在于，所述电极丝缠绕于走丝装置的贮丝筒上，由贮丝筒电机带动贮丝筒做往复回转运动。

6.根据权利要求5所述的绝缘陶瓷往复走丝电火花线切割加工方法，其特征在于，电极丝的走丝速度为：6～12m/s。

7.根据权利要求1至6任意一项所述的绝缘陶瓷往复走丝电火花线切割加工方法，其特征在于，所述绝缘陶瓷放置在可实现X向与Y向运动的工作台上，所述工作台通过X方向电机和Y方向电机与控制系统连接。

8.一种绝缘陶瓷往复走丝电火花线切割加工装置，其特征在于，外表面固定有辅助电极的绝缘陶瓷以及电极丝都置于工作液槽中，工作液槽装电火花液或煤油工作液，所述辅助电极与电极丝分别与高频脉冲电源的正负极连接；所述绝缘陶瓷放置在可实现X向与Y向运动的工作台上，所述工作台与控制系统连接。

9.根据权利要求8所述的绝缘陶瓷往复走丝电火花线切割加工装置，其特征在于，所述装置还包括走丝装置和导轮，所述导轮包括置于电火花液或煤油工作液之外的导轮和置于工作液中的导轮，所述电极丝缠绕在走丝装置的贮丝筒上并通过导轮进行拉紧，从而形成电极丝往复运动的循环回路。

10.根据权利要求9所述的绝缘陶瓷往复走丝电火花线切割加工装置，其特征在于，所述装置包括机床床身，所述机床床身上固定导轮支架，所述导轮支架由线架横梁及固定于线架横梁两端下方的线架立柱和L形线架组成；所述线架横梁的两端、线架立柱的上端、L形线架的上端分别设置一个导轮安装孔，所述L形线架下端设置两个导轮安装孔；每个导轮安装孔上都安装一个导轮；所述线架立柱下端固定在机床床身上，所述L形线架下端置于工作液槽中，工作液槽装电火花液或煤油工作液。