CN102513623A

CN102513623A - 一种新型金属微缺陷电脉冲蚀刻装置

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Publication number: CN102513623A
Application number: CN2011104555617A
Authority: CN
Inventors: 张卫民; 鄢勇; 于霞; 李燕民; 曹洺赫
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2011-12-29
Filing date: 2011-12-29
Publication date: 2012-06-27

Abstract

本发明涉及一种用于无损检测的标准缺陷(如矩形裂纹、圆孔等)制备的脉冲电火花蚀刻装置，侧重于现有设备难以实现的微缺陷(如宽度小于0.1mm的裂纹)的制备与加工，属于无损检测和特种加工技术领域。制作标准微缺陷的电脉冲蚀刻装置主要包括电极进给、振动系统、脉冲电源、供油冷却系统四大部分。脉冲电源核心器件采用增强型场效应管，由555芯片控制产生的脉冲信号加于场效应管门极对直流电压进行斩波得到需要的脉冲电压，机械部分利用交流线圈励磁使起振块以交流频率起振，产生的振动由杠杆原理传递到安装有紫铜片电极的电极夹具上进而得到紫铜电极的规律振动，以防止蚀刻加工过程中产生短路现象。

Description

一种新型金属微缺陷电脉冲蚀刻装置

技术领域

金属材料标准缺陷(或称标准伤)的设置是超声、涡流等无损检测技术标定和校准所必需的关键性环节，本发明涉及一种金属材料缺陷加工制备技术，其特点是可以加工微细裂纹等微缺陷，属于非传统机械加工领域的电火花加工与无损检测技术分支。

背景技术

无损检测是在不破坏被检验对象的使用性能的前提下，应用某种或多种综合物理原理和化学现象，对各种工程材料、零部件、结构件进行有效的检验，来评价它们的连续性、完整性、安全可靠性及某些物理性能的检测方法。近年来，无损检测技术受到工业界的广泛重视，特别是在航空与航天、武器系统、核技术、电站设备、铁道与造船、锅炉和压力容器、石油与化工、建筑、冶金和机械制造等工业中应用极为广泛。无损检测工序在材料和产品的静态和动态检测等质量管理中，已成为一个不可缺少的重要环节。在无损检测技术的试验研究阶段，需要在各类型的工件上预加工出特定参数的标准微缺陷，以检验和标定无损检测仪器的灵敏度、误差等技术指标；由于标准微缺陷一般宽度值很小，用普通机械加工方法难以实现，这就需要一种预制微细裂纹、且实用性广泛的便宜加工设备。自从脉冲电源产生以后，脉冲电加工技术很快得到了工业应用，出现了各种新型脉冲电加工设备。利用电火花蚀除金属的加工原理，可以开发出简单可靠、经济实用的微缺陷蚀刻装置。

和现有的类似装置相比，本发明采用新型场效应管电子功率器件，通过脉冲信号对直流电压进行斩波获得需要的脉冲电压，并采用新型杠杆结构的交流起振方式获得脉宽可调的规则放电波形，可以在金属试件上加工出高质量的微细缺陷，从而为各种高精度无损检测仪器的研制和标定提供新的标准缺陷制作装置。

发明内容

本发明的目的是为无损检测技术研究提供微缺陷试样的预制设备，为方便、快速、安全的微细缺陷快速加工提供技术支持。本发明涉及的金属微缺陷电脉冲蚀刻装置主要包括电极进给、振动系统、脉冲电源、供油冷却系统四大部分。

蚀刻装置电路部分核心器件采用增强型场效应管，由555芯片控制产生的脉冲信号加于场效应管门极对直流电压进行斩波得到需要的脉冲电压，机械部分利用交流线圈励磁使起振块以交流频率起振，产生的振动由杠杆原理传递到安装有紫铜片电极的电极夹具上进而得到紫铜电极的规律振动，以防止蚀刻加工过程中产生短路现象。本蚀刻装置电路部分为在脉冲信号发生经典电路的基础上改进得到，机械结构简单，微调与粗调配合的调节方案使得加工进给功能经济实用。该微缺陷脉冲电蚀刻装置具有小型化的特点，能耗较低且加工效率高，加工操作简单方便，满足了标准微缺陷的加工要求。

本发明提供的金属微缺陷电脉冲蚀刻装置，目前还未见类似研究成果。可以完成的主要功能及技术参数如下：

输入电压：AC220V±20％，50～60Hz；

输入电流：0.1～3A；

输出脉冲电压：90V、120V、150V三档；

输出脉冲电流：max 3A；

脉冲频率：2～10KHz细分为5档；

输出指示：指针式电压表、电流表；

振动频率：50Hz，振幅：可根据需要调节；

电极宽度：0.07～1.5mm；电极长度：5～50mm；

刻伤深度：0.1～5mm；

加工工件范围：各类导电材料如块、板件外表面，管棒、孔内表面；

系统整体组成与连接：

具体连接关系如图1所示：从图中可以看出，金属微缺陷脉冲电加工装置主要包括电极进给、振动系统、脉冲电源、供油冷却系统四大部分组成。其中电极进给机构提供加工中电极的Z向运动，振动系统利用交流励磁产生固定频率的振动，经杠杆传递到电极夹具。本装置的脉冲电源为自主研发的专用脉冲电源，加工中产生的热量由供油冷却系统加以及时冷却。

电极进给机构：

在方案实施中，振动座的Z向移动由微调和粗调两种方法搭配实现。其中，微调的工作由数字型微分头推动振动座在燕尾槽中精密运动，此微分头采用常用外购件，其高精度保证了加工中进给精度达到微米级。粗调由大行程、高进给速度的齿轮齿条机构实现。如此设计，既保证了足够的行程范围，又保证了进给控制的高精度要求。电极进给机构设计如图2所示，主要由微分头、燕尾槽轨、振动台支架三部分组成。

电极振动系统：

附图3为本装置的电极微振动机构。根据电脉冲电蚀刻加工的特点可知，加工过程中，需要紫铜电极以一定频率和一定振幅振动，为此设计了专用的振动发生装置，振动的产生由通过线圈的50Hz、15V的交流电产生交变磁场，经过导磁磁路，激励具有一定质量的机械起振块以50Hz的振动频率起振，这个振动由杠杆传递到刀架及其上面安装的刀片。振动系统的励磁电源采用普通交流电频率，基本保持不变，故与之对应的电极振动工作稳定可靠；同时，电极在蚀刻加工过程中，不受普通机械加工时产生的切削力，且振动源到电极输出之间的连接强度比较高，电极质量小，所以电极的振幅也恒定可靠。总之，本电极振动系统设计简单，工作可靠。金属微缺陷脉冲电加工装置机械部分整体结构如图4所示。

脉冲电源系统：

电源系统主要由脉冲信号发生模块、MOS管驱动模块、5V/15V/150V供电模块、过流保护模块以及MOSFET输出模块等组成。其系统组成原理如图5所示。

电源系统分为三路：一路通过对220V交流电变压、整流、滤波后得到90/120/150V的直流电压，加在MOSFET的漏源极间；另一路对220V交流电压做相同处理后得到5V直流电压为芯片提供工作电压；第三路对220V交流电压做相同处理后得到15V直流电压加到光耦的输出端，驱动场效应管工作进行斩波。为电路中直流供电的通用变压、整流、滤波电路，5、15、150V直流电压均如此得到。根据脉冲电源的设计要求，为实际工程使用方便，脉冲频率和占空比需要有5个档位切换即可，根据参数的具体要求，电路的具体设计实施方案如图6所示。

供油冷却系统：

在附图1金属微缺陷电脉冲蚀刻加工系统组成示意图中可以看出，供油冷却系统主要由油槽、柱塞油泵、过滤器、喷油嘴等构成。此供油冷却系统主要是持续为放电加工区域提供冷却液，及时带走加工产物。需要说明的是，此冷却系统的冷却介质采用航空煤油，由于其洁净度高，无机械杂质及水分等有害物质，硫含量尤其是硫醇性硫含量低，对机件腐蚀小；同时，其闪点高，普通电火花情况下不易引燃，故安全可靠。

有益效果

本发明的金属微缺陷电脉冲蚀刻装置可加工微细裂纹缺陷，也可加工宏观缺陷，加工参数范围宽；能耗低且加工效率高、操作简单、方便安全可靠。可以为无损检测技术研究提供微缺陷的预制设备和实验基础，同时也为金属材料的微缺陷蚀刻设备的小型化提供一定的技术基础，为微细缺陷的快速加工提供了技术支持

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述：

本发明涉及的金属微缺陷电脉冲蚀刻装置采用电火花加工原理，金属微缺陷电脉冲加工装置主要包括电极进给、振动系统、脉冲电源、供油冷却系统四大部分组成。其中电极进给机构提供加工中电极的Z向运动，振动系统利用交流励磁产生固定频率的振动，经杠杆传递到电极夹具。自主研发的脉冲电源为加工提供脉冲电压。加工中产生的热量由供油冷却系统加以及时冷却。

进行金属微缺陷电脉冲蚀刻加工时，首先将待加工工件装夹到专用的夹具上，调整好工件的位姿以待加工，先调节用于粗调的齿轮齿条机构，将工件与紫铜电极之间的距离调节至适当，再调节微分头，进一步让电极和工件间距离达到合适值。第二步，开启冷却油泵开关，启动煤油冷却系统，利用航空煤油开始对加工区域进行冲刷；根据待加工工件的材料特性和需要加工微裂纹的参数情况，调定振动系统和脉冲电源的相关参数到合适值。第三步，开启电极微振动系统，电极以固定频率振幅振动；开启脉冲电源开关，根据经验手动调节微分头，对阴极微进给，此时，刻伤开始进行。第四步，加工完成后，首先关系脉冲电源，然后关系电极振动系统，最后再关闭油冷却系统。第五步，利用调节装置，取下加工完成的工件，整理加工装置。此处需要注意的事，电源的开启应先弱电后强电，先控制电源后功率电源；电源的关断应先关功率电源后控制电源，先强电后弱电的顺序。而为了避免短路的发生，冷却油应该最先开启，最后关闭。若电加工连续进行，为了提高加工效率，更换工件工程中可以只关闭功率电源，保持控制电源处于待机状态。整个操作符合电气系统相关操作规程。

以上所述仅为本发明的较佳实例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应含在本发明的保护范围之内。

附图说明

图1为金属微损伤脉冲电加工装置系统组成示意图

图2为金属微损伤脉冲电加工装置微进给设计图

图3为金属微损伤脉冲电加工装置电极进给装置图

图4为金属微损伤脉冲电加工装置机械部分整体图

图5为金属微损伤脉冲电加工装置脉冲电源原理图

图6为金属微损伤脉冲电加工装置脉冲电源设计实施方式图。

Claims

1.金属材料微缺陷电脉冲蚀刻加工方法，其特征在于：利用电火花放电产生的局部高温对加工区域进行微细熔蚀加工；采用导电金属架夹持的紫铜片作为加工电极，加工中利用交流励磁使电极以给定频率给定振幅恒定振动，电极的振动在工件和电极之间引出电弧从而产生蚀刻加工需要的高温；加工区域的形状由紫铜电极的相关参数保证。

2.金属材料微缺陷电脉冲蚀刻装置，其特征在于：蚀刻装置主要由电极进给、振动系统、脉冲电源、供油冷却系统四大部分组成。其中，电极进给机构提供加工中电极的Z向运动，振动系统利用交流励磁产生固定频率的振动，经杠杆传递到电极夹具。装置的脉冲电源为自主研发的专用脉冲电源。加工中产生的热量由供油冷却系统加以及时冷却。装置可以实现方便、快速、安全的微细裂纹快速加工，较好的实现了低能耗和小型化要求，为无损检测标准缺陷制备提供有力的技术手段。

3.金属材料微缺陷电脉冲蚀刻装置的交流励磁振动系统，振动的产生由通过线圈的50Hz、15V的交流电产生交变磁场，在相应导磁磁路设计后，起振块以50Hz的振动频率起振，这个振动由杠杆传递到保持架及其上面安装的紫铜电极。振动系统的励磁电源为对普通交流电变压得到，其频率保持恒定不变；电极在加工过程中，不受普通机加工时产生的切削力，且振动源到电极输出之间的连接强度比较高，电极质量小，所以电极的振幅也恒定可靠。同时，励磁线圈串接了电位器用于调节振动系统振幅。

4.金属材料微缺电陷脉冲蚀刻装置的脉冲电压发生系统，主要由脉冲信号发生模块、Mos管驱动模块、5V/15V/150V供电模块、过流保护模块以及MOSFET输出模块等组成。电源系统分为三路：一路通过对220V交流电变压、整流、滤波后得到90/120/150V的直流电压，加在MOSFET的漏源极间；另一路对220V交流电压做相同处理后得到5V直流电压为芯片提供工作电压；第三路对220V交流电压做相同处理后得到15V直流电压加到光耦的输出端，驱动场效应管工作进行斩波。为电路中直流供电的通用变压、整流、滤波电路，5、15、150V直流电压均如此得到。根据脉冲电源的设计要求，为实际工程使用方便，脉冲频率和占空比需要有5个档位切换。