CN102699453A - 微小倒锥孔的电火花加工方法及其加工装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种微小倒锥孔的电火花加工方法及其加工装置，以工具电极为负极，工件为正极；在孔被加工贯穿前，实时检测极间的放电状态，据此自动调整工具电极的进给速度，调整达到合适的极间间隙和放电状态，在此过程中，根据需要实时调整加工电源的放电能量；在孔被加工贯穿的瞬间，极间的放电状态发生突变，实时监测到这种突变，判断孔已被贯穿，此时使电极快速进给，并提高加工电源的放电能量进行加工，在电极进给深度达到预定数值时，切断电源停止加工。本发明在加工出口附近有效利用了加工产物的导电介质作用，增大电极对出口处的加工范围，加工出的倒锥孔的出口直径比入口直径大得更多，锥度更大。
Description
技术领域
本发明属于特种微细加工技术领域，涉及一种微小倒锥孔的电火花加工方法及其加工装置。
背景技术
已有的大量理论和实验研究表明，喷油嘴喷孔采用倒锥形状（即喷孔内口直径大于外口直径），有助于提升喷孔的流量系数和雾化效果。倒锥形的喷孔已在柴油机中被广泛的采用，随着各国对机动车尾气排放标准的日益提高，喷孔的直径已减小到了200μm以下，如何加工如此微小的倒锥孔仍是一个技术难点。
电火花加工是使工具电极和工件之间产生脉冲性火花放电，利用放电时局部瞬时产生的高温蚀除金属材料。在电火花普通微孔加工中，常采用微细圆柱状电极对工件进行孔加工，电极沿一定方向进给，在电极与工件的间隙有工作液冲刷，以带走加工产物。研究发现，在电火花向下加工微孔的过程中，在孔被加工贯穿前，加工产物难以完全被工作液冲刷带走，而是有部分在孔底部聚集，由于加工产物有一定导电性，有助于扩大火花放电的作用范围，随着加工的深入，加工产物越积越多，电极端部的加工范围就越来越大，所以在孔被加工贯穿前的大部分距离内，加工的微孔由外向内孔径是逐渐变大的。另一方面，在电火花加工中，工具电极也会有一定量的损耗，在微孔加工过程中，电极损耗的部位主要在端部，随着加工的深入，电极端部逐渐变细变尖，使电极端部的加工范围逐渐变小，当孔被加工贯穿后，工作液穿孔流过，将累积的加工产物冲刷带走，这进一步减小了电极端部的加工范围，所以加工完成的微孔，孔径从加工入口沿加工方向先逐渐变大，在加工出口附近，孔径沿加工方向逐渐缩小。
文章“Micro-EDM drilling of tapered holes for industrial applications”（Journal of Materials Processing Technology.2004,149：296-303）中给出了一种电火花加工倒锥孔的方法。这种方法使用一定机构使电极偏摆，即电极旋转且电极轴向与电极整体的旋转方向偏离一定角度，这样就可以在工件上加工出具有一定锥度的倒锥孔。这种方法的成形精度高，但所使用的电极偏摆机构设计、制造较为复杂，使得喷孔加工的成本升高。
中国发明专利“倒锥微孔的电火花加工方法”（申请号：201110046319.4）中提出了一种电火花加工倒锥微孔的方法，实时检测孔的加工深度，控制电火花加工装置的脉冲电源参数和伺服进给速度，使脉冲电源的放电能量随着加工深度的增加而渐近增大；伺服进给速度随加工深度的增加而渐近降低，使微孔出口处产生二次放电的几率渐近增大，从而实现倒锥微孔的加工。这种方法不需要复杂的电极偏摆机构，且加工的倒锥孔有一定锥度。但在这种方法中，孔被加工贯穿后，在加工出较小的锥度后，加工产物已被工作液冲刷带走，加工间隙内的介质为均匀一致的工作液，极间最近点已不在出口附近，再提高放电能量和降低进给速度，已无助于锥度的扩大，所以用这种方法能够加工出的倒锥孔锥度较小。另一方面，这种方法实时控制了工具电极的进给速度，使其随加工深度的增加而渐近降低，而在目前成熟的电火花加工中，工具电极的进给速度一般不需要主动控制，检测系统自动检测极间的放电状态，系统据此自动调整电极的进给速度，使放电间隙保持在最优状态，这样的自适应控制使加工速度始终保持在最优状态，而这种方法中主动地控制电极进给速度随加工深度的增加而渐近降低，并不能达到最优的加工速度，不利于生产效率的提高。
美国专利“EDM process for manufacturing reverse tapered holes”（专利号：US7572997B2）也给出了一种电火花加工倒锥微孔的方法。首先，工件为正极，工具电极为负极，对工件进行电火花孔加工，加工一定深度后，工具电极损耗变尖，这时翻转极性，工具电极为正极，工件为负极，对工具电极进行电火花加工，使其变尖的端部被加工变顿，以保证电极端部的加工范围，然后再次翻转极性，工件为正极，工具电极为负极，并提高加工电源的放电能量，继续对工件进行加工，加工电源能量的提升使电极端部的加工范围变大，进而加工出倒锥孔。这种方法同样不需要复杂的电极偏摆机构，且加工的倒锥孔有一定锥度。这种方法虽然在加工中途对变尖的工具电极进行了修整，保证了工具电极端部的加工范围，但同样，孔被加工贯穿后，在加工出较小的锥度后，加工产物已被工作液冲刷带走，加工间隙内的介质为均匀一致的工作液，极间最近点已不在出口附近，再提高放电能量和降低进给速度，已无助于锥度的扩大，所以用这种方法能够加工出的倒锥孔锥度同样较小。
发明内容
针对现有微小倒锥孔的电火花加工方法及装置的上述不足，申请人经过研究改进，提供另一种微小倒锥孔的电火花加工方法及其加工装置，可以有效利用加工产物的导电介质作用，增大电极对出口处的加工范围，提高倒锥孔的锥度。
本发明的技术方案如下：
一种微小倒锥孔的电火花加工方法，以工具电极为负极，工件为正极；在孔被加工贯穿前，实时检测极间的放电状态，据此自动调整工具电极的进给速度，调整达到合适的极间间隙和放电状态，在此过程中，根据需要实时调整加工电源的放电能量；在孔被加工贯穿的瞬间，极间的放电状态发生突变，实时监测到这种突变，判断孔已被贯穿，此时使电极快速进给，并提高加工电源的放电能量进行加工，在电极进给深度达到预定数值时，切断电源停止加工。
其进一步的技术方案为：在孔被加工贯穿前，随着工具电极加工深度的增加，工具电极的进给速度不变。
其进一步的技术方案为：在孔被加工贯穿时，工具电极的快速进给速度为几十μm/s至几mm/s。
其进一步的技术方案为：根据需要实时调整加工电源的放电能量，若要求加工的锥度较小，则在孔被加工贯穿前放电能量维持不变，只在孔被加工贯穿后提升放电能量；若要求加工的锥度较大，则在孔被加工贯穿前就随电极进给深度的增加逐渐提升放电能量。
其进一步的技术方案为：所述放电能量的调整通过调整加工电源电压，调整脉冲宽度、占空比，调整极间电容实现。
本发明还提供一种微小倒锥孔的电火花加工装置，包括工具电极、控制系统、加工电源、检测系统以及电极进给系统；工具电极接加工电源的负极，工件接加工电源的正极，加工电源为工具电极和工件之间的放电提供能量；检测系统实时监测加工电源正负极间的放电状态，反馈给控制系统；控制系统根据检测系统反馈的极间放电状态，控制电极进给系统使工具电极进给；电极进给系统实时将工具电极的进给深度反馈给控制系统，控制系统根据工具电极的进给深度和加工需要实时调整加工电源的放电能量。
本发明的有益技术效果是：
本发明提出的方案与中国发明专利“倒锥微孔的电火花加工方法”（申请号：201110046319.4）所提出的方案（以下简称“方案A”）的不同之处在于：
1、方案A要控制电火花加工装置的伺服进给速度，使工具电极的进给速度随加工深度的增加而渐近降低。本发明提出的方案在孔被加工贯穿前，并不主动控制工具电极的进给速度使其随加工深度的增加而渐近降低，而在孔被加工贯穿后，要主动控制提高工具电极的进给速度，使工具电极快速进给。
2、方案A要控制电火花加工装置的脉冲电源参数，使脉冲电源的放电能量随着加工深度的增加而渐近增大，且在孔被加工贯穿前就已对放电能量进行了提升。本发明提出的方案在孔被加工贯穿前，可以不对放电能量进行提升，而只在孔被加工贯穿后，对放电能量进行提升。
本发明提出的方案与美国专利“EDM process for manufacturing reversetapered holes”（专利号：US7572997B2）中提出的方案（以下简称“方案B”）的不同之处在于：
1、方案B在加工倒锥孔的过程中，工具电极和工件之间的正负极性关系，要经过2次翻转。本发明提出的方案中，工具电极始终保持负极性，工件始终保持正极性。
2、方案B在孔被加工贯穿前就已对放电能量进行了提升。本发明提出的方案在孔被加工贯穿前，可以不对放电能量进行提升，而只在孔被加工贯穿后，对放电能量进行提升。
3、方案B在孔被加工贯穿后，没有主动控制提高工具电极的进给速度。本发明提出的方案在孔被加工贯穿后，要主动控制提高工具电极的进给速度，使工具电极快速进给。
综上所述，与现有加工技术相比较，本发明具有以下优点：
1、本发明无需复杂的电极偏摆机构，只需使工具电极直线进给，容易实现。
2、本发明中在孔被加工贯穿前，实时检测极间的放电状态，据此自动调整工具电极的进给速度，调整达到合适的极间间隙和放电状态，可以取得较高的加工速度。
3、本发明在加工出口附近有效利用了加工产物的导电介质作用，并综合利用其他因素增大电极对出口处的加工范围，加工出的倒锥孔与已有的改变放电能量或极性的方法相比，出口直径比入口直径大得更多，锥度更大。
附图说明
图1是本发明加工装置的示意图。
图2（a～d）是本发明加工倒锥孔的流程示意图。
上述附图中，各标号的意义如下：1—工具电极；2—工作液；3—加工产物；4—工件；5—控制系统；6—加工电源；7—检测系统；8—电极进给系统；41—加工入口；42—加工出口。
具体实施方式
以下结合附图，通过实施例对本发明进行具体说明。
如图1所示，用于实现本发明加工方法的加工装置的结构如下：工具电极1接加工电源6的负极，被加工的工件4接加工电源6的正极，加工电源6为工具电极1和工件4之间的放电提供能量。检测系统7实时监测加工电源6正负极间的放电状态，反馈给控制系统5。控制系统5根据检测系统7反馈的极间放电状态，控制电极进给系统8使工具电极1进给。电极进给系统8实时将工具电极1的进给深度反馈给控制系统5，控制系统5根据工具电极1的进给深度和加工需要实时调整加工电源6的放电能量。
下面结合图1、图2，具体说明采用如图1所述装置来加工倒锥孔的加工方法，其具体步骤如下：
以工具电极1为负极，工件4为正极。在孔没有被加工贯穿时，控制系统5根据检测系统7反馈的极间放电状态，控制电极进给系统8，调整工具电极1的进给速度，使工具电极1与工件4间达到合适间隙，达到良好的放电状态。电极进给系统8实时将工具电极1的进给深度反馈给控制系统5，控制系统5根据工具电极1的进给深度和加工需要实时调整加工电源6的放电能量。在孔被加工贯穿的瞬间，极间的放电状态发生突变，检测系统7实时监测到这种突变，判断孔已被贯穿，此时控制系统5控制电极进给系统8快速进给，同时控制系统5控制加工电源6，提高放电能量。当电极进给系统8反馈给控制系统5的工具电极1的进给深度达到预定数值时，控制系统5切断加工电源6的输出，加工完成。
加工电源6输出为脉冲电，电压一般为几十伏至几百伏，脉冲宽度、脉冲间隙在微秒量级，加工电源6输出的正负极间一般并联有电容，以辅助调整放电能量。要调整加工电源6的放电能量，可以通过调整电压，调整脉冲宽度、占空比，调整极间并联电容的大小等多种手段来实现。
孔被加工贯穿后，工具电极1快速进给的速度一般在几十μm/s至几mm/s的范围内根据需要选用。决定加工停止的工具电极1的进给深度根据多次实验的经验确定，既要保证已经加工出了倒锥孔，又要避免加工产物3完全被工作液2冲刷带走后的过加工，这里的过加工指的是在加工形成一定锥度的倒锥孔后，对锥度有减小作用的加工。
本发明的原理如下：
由于孔在被加工贯穿前，电极已经损耗变尖，所以孔被贯穿瞬间的开口直径较小，此时快速进给工具电极，使电极端部以后直径较大的部分快速填充到开口处，这样快速进给电极有堵塞开口，在出口附近短暂滞留加工产物的作用，利用加工产物的导电作用，使电极在出口处有更大的加工范围；另一方面，用孔被加工贯穿后快速进给电极的方式，可以在出口附近累积的加工产物没有完全被工作液冲刷带走前，在有加工产物充当导电介质的情况下，及时地用电极损耗较小、直径较大的部分对工件的出口附近进行加工，这同样有助于扩大电极在出口处的加工范围。在电极快速进给的同时，增大加工电源的放电能量，使电极在出口处的加工范围进一步扩大。这样在有加工产物充当导电介质时，及时地把电极直径较大的部分进给到出口处，并且增大放电能量，综合利用多种因素增大电极对出口处的加工范围，加工出的倒锥孔与已有的改变放电能量或极性的方法相比，出口直径比入口直径大得更多，锥度更大。
上述技术方案中，在孔被加工贯穿前，加工电源的放电能量根据所要求的倒锥孔锥度大小进行调整，若锥度较小，则在孔被加工贯穿前放电能量可以维持不变，只在孔被加工贯穿后提升放电能量；若要求的锥度较大，则在孔被加工贯穿前就可以随电极进给深度的增加逐渐提升放电能量。下面分别以两个实施例进行说明。
实施例1：在孔被加工贯穿前，不调整加工能量，可加工锥度相对较小的倒锥孔。
如图2a～2d所示，本实施例包括以下步骤：
1）开启加工电源6，用工具电极1对工件4进行孔加工，在控制系统5判断孔没有被加工贯穿时，加工电源6的加工能量维持不变。控制系统5根据检测系统7反馈的极间放电状态，控制电极进给系统8，调整工具电极1与工件4间的间隙，达到良好的放电状态。
2）在控制系统5判断孔被加工贯穿时，控制系统5控制电极进给系统8，使工具电极1快速进给，同时将加工电源6的输出电压提高50％，以提高放电能量。
3）当电极进给系统8反馈给控制系统5的工具电极1的进给深度达到预定数值时，控制系统5切断加工电源6的输出，加工完成。
实施例2：在孔被加工贯穿前，渐近增加放电能量，可加工比实施例1锥度更大的倒锥孔。
如图2a～2d所示，本实施例包括以下步骤：
1）开启加工电源6，用工具电极1对工件4进行孔加工，在控制系统5判断孔没有被加工贯穿时，加工电源6的加工电压随工具电极1的进给深度的增加而渐近增加，在孔被贯穿前工具电极1进给深度的约后1/3，电压比前2/3提高30％。控制系统5根据检测系统7反馈的极间放电状态，控制电极进给系统8，调整工具电极1与工件4间的间隙，达到良好的放电状态。
2）在控制系统5判断孔被加工贯穿时，控制系统5控制电极进给系统8，使工具电极1快速进给，同时将加工电源6的输出电压相对于加工初始值提高80％。
3）当电极进给系统8反馈给控制系统5的工具电极1的进给深度达到预定数值时，控制系统5切断加工电源6的输出，加工完成。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种微小倒锥孔的电火花加工方法，其特征在于：以工具电极为负极，工件为正极；在孔被加工贯穿前，实时检测极间的放电状态，据此自动调整工具电极的进给速度，调整达到合适的极间间隙和放电状态，在此过程中，根据需要实时调整加工电源的放电能量；在孔被加工贯穿的瞬间，极间的放电状态发生突变，实时监测到这种突变，判断孔已被贯穿，此时使电极快速进给，并提高加工电源的放电能量进行加工，在电极进给深度达到预定数值时，切断电源停止加工。
2.根据权利要求1所述微小倒锥孔的电火花加工方法，其特征在于：在孔被加工贯穿前，随着工具电极加工深度的增加，工具电极的进给速度不变。
3.根据权利要求1所述微小倒锥孔的电火花加工方法，其特征在于：在孔被加工贯穿时，工具电极的快速进给速度为几十μm/s至几mm/s。
4.根据权利要求1所述微小倒锥孔的电火花加工方法，其特征在于：所述根据需要实时调整加工电源的放电能量是指，若要求加工的锥度较小，则在孔被加工贯穿前放电能量维持不变，只在孔被加工贯穿后提升放电能量；若要求加工的锥度较大，则在孔被加工贯穿前就随电极进给深度的增加逐渐提升放电能量。
5.根据权利要求1或4所述微小倒锥孔的电火花加工方法，其特征在于：所述放电能量的调整通过调整加工电源电压，调整脉冲宽度、占空比，调整极间电容实现。
6.一种微小倒锥孔的电火花加工装置，其特征在于：包括工具电极（1）、控制系统（5）、加工电源（6）、检测系统（7）以及电极进给系统（8）；工具电极（1）接加工电源（6）的负极，工件（4）接加工电源（6）的正极，加工电源（6）为工具电极（1）和工件（4）之间的放电提供能量；检测系统（7）实时监测加工电源（6）正负极间的放电状态，反馈给控制系统（5）；控制系统（5）根据检测系统（7）反馈的极间放电状态，控制电极进给系统（8）使工具电极（1）进给；电极进给系统（8）实时将工具电极（1）的进给深度反馈给控制系统（5），控制系统（5）根据工具电极（1）的进给深度和加工需要实时调整加工电源（6）的放电能量。
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