CN102528187A

CN102528187A - 倒置式电化学放电加工方法及装置

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Publication number: CN102528187A
Application number: CN2012100129117A
Authority: CN
Inventors: 赵万生; 康小明; 吴杰; 朱敬文
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2012-01-16
Filing date: 2012-01-16
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2032-01-16
Also published as: CN102528187B

Abstract

本发明提供一种特种加工领域的倒置电化学放电加工(RA-ECDM)方法，其将工具电极安装在工件的下方，工具电极通过电极夹具固定在工作槽的底面并且浸没在电解质溶液中，工件与机床的进给装置相连接，通过工件的进给来实现加工过程中的进给运动。还提供相应的装置。本发明通过改变工具电极和工件之间的相对位置，使加工过程中产生的加工屑在重力的作用下能够比较容易地排出，这就使得加工过程中加工孔内电解质的流动能力得到了增强，而且由于采用倒置布局，电解反应产生的气泡会富集在加工工件下方电极端部的周围，形成稳定性的气膜，从而有效增加了电化学放电加工(ECDM)的稳定性和加工深度。

Description

倒置式电化学放电加工方法及装置

技术领域

本发明涉及一种特种加工领域内对非导电脆性材料进行微细加工的技术方法，具体是一种结合电化学技术和电火花技术并利用火花放电产生的热能和化学腐蚀对非导电脆性材料进行加工的一种新的方法。

背景技术

近年来，非导电脆性材料例如：各种玻璃、陶瓷等都得到了广泛的应用。玻璃材料具有耐化学腐蚀、透明、低导电率和良好的生物相容性等特征，从而被应用在微加速器、微反应器、微型泵、医疗器械和光学系统中；而陶瓷材料具有高强度、高硬度、耐高温、耐磨损、抗腐蚀、绝缘性好等优异性能，在机械电子、航空航天、化工机械、陶瓷发动机、生物陶瓷和精密仪表等领域日益显示出广泛的应用前景。对非导电脆性材料加工技术的开发与研究已经受到世界各国的高度重视。与非导电脆性材料的其它加工方法相比，电化学放电加工(Electrochemical Discharge Machining，ECDM)技术具有较高的加工效率、宏观作用力小、表面质量高等优点，从而成为非导电脆性材料微细加工的理想方法。日本学者Kurafuji和Suda在1968年首次利用电化学放电加工(ECDM)技术在非导电脆性材料上进行打孔实验，从此以后，许多学者对电化学放电加工(ECDM)技术进行了研究。台湾的Zhi-Ping Zheng利用电化学放电加工(ECDM)技术对耐热玻璃进行铣削加工，加工出结构复杂的微细三维结构；韩国学者Xuan Doan Cao在钠钙玻璃上加工出深30μm、宽40μm、长度为1000μm的微通道，并且加工出厚度为10μm、高度为90μm的微细壁；印度、韩国学者对陶瓷材料的电化学放电加工(ECDM)方法进行了研究。瑞士学者R Wüthrich对电化学放电加工(ECDM)中不同的进给方法进行了分析，并且对采用重力进给方法的电化学放电加工(ECDM)对玻璃工件进行钻孔的加工过程进行了研究。

在实际的电化学放电加工(ECDM)装置中，工具电极(阴极)接电源负极，辅助电极(阳极)接电源的正极，电解质溶液多采用氢氧化钠(NaOH)或者氢氧化钾(KOH)等碱性电解质溶液，加工工件浸没在电解质溶液中，电解质溶液液面高于工件表面2mm左右，工具电极位于加工工件的上方并且工具电极的端部与工件表面保持接触或者位于工件表面的附近，工具电极的端部和辅助电极也同时浸入在电解质溶液中，当在工具电极和辅助电极之间施加电压之后，电解质溶液中便会有电解反应发生，在辅助电极(阳极)发生的反应为：

4(OH)^-→2H₂O+2O₂↑+4e^-

在辅助电极(阳极)上生成氧气。在工具电极(阴极)上发生的反应为：

2H₂O+2e^-→2(OH)^-+H₂↑

在工具电极(阴极)上产生氢气泡，氢气泡生成以后会附着在工具电极的表面，并且随着气泡的增多而不断进行合并，最终在工具电极表面形成一个氢气膜，氢气膜对电极产生绝缘作用，这样就在工具电极和电解质溶液之间形成电势差，当这个电势差超过电火花放电的临界电压值以后，电火花放电现象就会发生。当工具电极和工件之间的距离小于25μm的时候，工件材料就会在不断放电产生的热量和化学腐蚀的作用下被蚀除。

在利用电化学放电加工(ECDM)对非导电脆性材料进行打孔过程中，随着加工深度的增加，电化学放电加工(ECDM)的打孔过程会表现出两种不同的状态。在电化学放电加工(ECDM)刚开始时，火花放电稳定，此时电化学放电加工(ECDM)的加工速度比较快(在对玻璃工件进行加工时，最快速度可以达到100μm/s)。但是当加工超过一定深度后(约300μm)，电化学放电加工(ECDM)的加工速度降为几微米每秒甚至停止，加工深度很难超过500μm。出现这种情况的主要原因是，随着电化学放电加工(ECDM)深度的增加，电极端部与加工工件之间的电解质溶液的更新变得困难，而且由于电解反应生成的气泡在浮力的作用下很难在工具电极的端部形成稳定的气膜。

发明内容

本发明根据电化学放电加工(ECDM)技术现有的不足，提出了一种新的加工方法。在本发明提出的电化学放电加工(ECDM)方法中工具电极和加工工件采用倒置布局，改变了工具电极和加工工件之间的相对位置，工具电极和加工工件同时浸没在电解质溶液中，但是工具电极位于加工工件的下方。在本发明中，将工具电极位于加工工件下方的加工方法称为倒置电化学放电加工(Reversed Alignment Electrochemical Discharge Machining，RA-ECDM)方法。具体地：

根据本发明的一个方面，提供一种倒置电化学放电加工方法，将工具电极安装在工件的下方，工具电极通过电极夹具固定在工作槽的底面并且浸没在电解质溶液中，工件与机床的进给装置相连接，通过工件的进给来实现加工过程中的进给运动。

优选地，在安装工具电极之前，对工具电极进行侧面绝缘。

优选地，工具电极的未绝缘部分位于电极靠近工件的端部。

优选地，工具电极的未绝缘部分长度为0-6mm。

优选地，工件在机床伺服系统的带动下进给，使工具电极端面和工件上孔底面之间的距离保持在25μm以内。

根据本发明的另一个方面，提供一种倒置电化学放电加工装置，包括电极夹头、工具电极、工件夹具、辅助电极、电源、进给装置、以及工作槽，工具电极通过电极夹头固定在工作槽的底面、并浸没在工作槽的电解质溶液中，辅助电极固定在工作槽的槽壁，电源正极连接辅助电极，电源负极连接工具电极，工件夹具连接进给装置且位于工具电极的上方。

优选地，工具电极的侧面绝缘。

优选地，工具电极的未绝缘部分位于电极靠近工件夹具的端部。

优选地，工具电极的未绝缘部分长度为0-6mm。

优选地，进给装置用于带动工件夹具所夹持工件的进给，使工具电极端面和工件上孔底面之间的距离保持在25μm以内。

在本发明所提出的倒置电化学放电加工(RA-ECDM)方法中，由于采用工具电极浸没在电解质溶液中的倒置加工布局，增加了工具电极和电解质溶液的接触面积，这就使得利用电解反应中产生的气泡对电极进行绝缘变得非常困难。为了减小工具电极与电解质溶液的接触面积，在本发明中对倒置电化学放电加工(RA-ECDM)中使用的电极进行了侧面绝缘，减小了工具电极与电解质溶液的接触面积，增大了电流密度，从而保证了放电加工的顺利进行。与常规电化学放电加工方法相比，倒置电化学放电加工(RA-ECDM)方法的优点主要有：

1.采用倒置布局，加工过程中产生的加工屑在重力的作用下能够比较容易地排出，这就使得加工孔内电解质溶液的流动性增强，火花放电加工状态更加稳定。

2.在倒置布局中，电解反应产生的气泡会富集在加工工件下方工具电极的端部周围，易于在电极表面形成稳定性的气膜，从而保证了加工的顺利进行。

3.在火花放电以后，在加工区域会形成负压，此时新鲜的电解质溶液可以在电解质溶液压力的作用下进入加工区域，确保加工的继续进行。

在本发明的倒置电化学放电加工(RA-ECDM)方法的打孔过程中，当加工孔的深度超过常规电化学放电加工方法所能达到的深度以后，火花放电加工仍然能够比较稳定的进行，加工速度也保持稳定，从而增加了加工的稳定性，加工孔的深度也得到了增加。

更为具体地，工具电极的侧壁进行了局部或全部绝缘。工具电极的端部与加工工件的表面保持接触或者位于加工工件表面25μm以内，工具电极位于加工工件的下方，实现了加工过程中的倒置布局。本发明提出的倒置电化学放电加工(RA-ECDM)方法中的工具电极与工件之间的倒置布局是本发明的核心。采用倒置布局，加工过程中产生的加工屑在重力的作用下能够比较容易地排出，这就使得加工孔内电解质溶液的流动性增强；采用倒置布局，加工过程中电解反应生成的气泡会富集在加工工件下方工具电极端部的周围，增加了工具电极表面气膜的稳定性。在工具电极和辅助电极之间施加电压以后，工具电极上便有火花放电产生，利用机床的进给装置实现加工进给，使工件始终处于火花放电的加工范围之内，随着加工过程的不断进行，工件的材料便被不断被去除，当加工孔的深度超过常规电化学放电加工所能达到的深度以后，加工速度仍然能够保持稳定，从而有效地增加了倒置电化学放电加工(RA-ECDM)加工的稳定性和加工深度。

附图说明

图1为根据本发明提供的倒置电化学放电加工(RE-ECDM)方法的原理示意图。

图2为常规电化学放电加工方法的原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例做详细说明：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，本实施例包括电极夹头1、工具电极2、工件3、工件夹具4、辅助电极5、电源6、进给装置7、工作槽8、电解质溶液9、气膜及气泡10、加工屑11。工具电极2接电源负极，辅助电极5接电源正极，工具电极2和加工工件3同时浸没在氢氧化钠(NaOH)溶液中，并且工具电极2位于加工工件3的下方。在加工中使用脉冲直流电源作为加工电源，加工电压为50V，氢氧化钠(NaOH)溶液的质量浓度为20％，工具电极2材料为钨，电极直径为200μm，对钨电极进行侧面绝缘，未绝缘部分位于电极靠近工件的端部，长度为5mm，工件材料分别为1mm厚度的石英玻璃的和微晶云母陶瓷。

当电源6在工具电极2和辅助电极5之间施加电压以后，工具电极2表面就会有氢气泡产生，随着气泡的不断增多，气泡通过不断合并，在工具电极2表面形成气膜，由于气膜的绝缘作用使得在工具电极2和氢氧化钠(NaOH)溶液之间形成电势差，当施加的电源电压超过临界电压值以后，在工具电极2和氢氧化钠溶液(NaOH)之间就会有火花放电发生，放电产生的能量将工件材料蚀除。此时，工件在机床伺服系统的带动下进给，保持工具电极端面和工件上孔底面之间的距离为25μm左右，开始下一个加工周期。

在本发明中提出的倒置电化学放电加工(RA-ECDM)过程中，由于采用倒置加工方法，加工过程中产生的加工屑在重力的作用下能够比较容易地排出，这就使得加工过程中加工孔内电解质的流动能力得到了增强，而且由于采用倒置布局，电解反应产生的气泡会富集在加工工件下方电极端部的周围，增加了气膜的稳定性，从而有效增加了加工稳定性和加工深度。实施过程中发现，0-300μm深度范围内倒置电化学放电加工(RA-ECDM)方法与图2所示的常规电化学放电加工方法的加工速度相差无几。但是当加工深度超过300μm以后，通用电化学放电加工的加工速度降为3μm/s，而倒置电化学放电加工(RA-ECDM)方法仍能保持10μm/S的加工速度，火花放电也能保持稳定。对1mm厚微晶云母陶瓷和石英玻璃的加工实验表明，加工深度分别达到500μm和450μm时就常规电化学放电加工(ECDM)方法就无法继续进行，而倒置电化学放电加工(RA-ECDM)在两种材料上都加工出了1mm的通孔。表1对比了利用常规电化学放电加工方法与本发明所提出的倒置电化学放电加工(RA-ECDM)方法所获得的孔深度之比。

表1.本发明与常规电化学放电加工(ECDM)方法加工深度的比较

加工方法	微晶云母陶瓷	石英玻璃
			常规电化学放电加工(ECDM)方法	500μm	450μm
倒置电化学放电加工(RA-ECDM)方法	1mm通孔	1mm通孔

Claims

1.一种倒置电化学放电加工方法，其特征在于，将工具电极安装在工件的下方，工具电极通过电极夹具固定在工作槽的底面并且浸没在电解质溶液中，工件与机床的进给装置相连接，通过工件的进给来实现加工过程中的进给运动。

2.根据权利要求1所述的倒置电化学放电加工方法，其特征在于，在安装工具电极之前，对工具电极进行侧面绝缘。

3.根据权利要求2所述的倒置电化学放电加工方法，其特征在于，工具电极的未绝缘部分位于电极靠近工件的端部。

4.根据权利要求3所述的倒置电化学放电加工方法，其特征在于，工具电极的未绝缘部分长度为0-6mm。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的倒置电化学放电加工方法，其特征在于，工件在机床伺服系统的带动下进给，使工具电极端面和工件上孔底面之间的距离保持在25μm以内。

6.一种倒置电化学放电加工装置，包括电极夹头、工具电极、工件夹具、辅助电极、电源、进给装置、以及工作槽，其特征在于，工具电极通过电极夹头固定在工作槽的底面并且浸没在工作槽的电解质溶液中，辅助电极固定在工作槽的槽壁，电源正极连接辅助电极，电源负极连接工具电极，工件夹具连接进给装置且位于工具电极的上方。

7.根据权利要求6所述的倒置电化学放电加工装置，其特征在于，工具电极的侧面绝缘。

8.根据权利要求7所述的倒置电化学放电加工装置，其特征在于，工具电极的未绝缘部分位于电极靠近工件夹具的端部。

9.根据权利要求8所述的倒置电化学放电加工装置，其特征在于，工具电极的未绝缘部分长度为0-6mm。

10.根据权利要求6至9中任一项所述的倒置电化学放电加工装置，其特征在于，进给装置用于带动工件夹具所夹持工件的进给，使工具电极端面和工件上孔底面之间的距离保持在25μm以内。