CN103084674B - 场致射流微细放电加工方法 - Google Patents
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Abstract
一种微纳特种加工领域的场致射流微细放电加工方法，通过将直流高压电源的正负极分别与加工工件和喷射机构相连并施加直流电压，使加工工件和喷射机构的喷嘴之间形成高压电场；然后通过调整加工工件和喷嘴的间距，使得喷射机构出口端的带电液滴形成泰勒锥并在锥尖端产生间歇性场致射流，进而被高压电场击穿射流尖端与工件间的气体介质并产生放电及热量，从而实现微细蚀除加工。本发明能够实现微米级甚至更小尺度的微细放电蚀除加工，不需要在线制作微细电极，且场致射流在放电过程中崩溃后，会在下一个周期动态生成，这一过程循环往复，不存在常规微细电火花加工所固有的电极损耗补偿问题。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种微纳特种加工领域的方法，具体是一种利用极微细的间歇性场致射流作为工具电极进行微细放电加工的加工方法。
背景技术
放电加工（Electrical Discharge Machining，EDM）是一种非接触式加工方法，具有不受工件材料强度、硬度等机械性能限制及宏观加工力小等优点，因而能够加工各种性能特殊的导电材料和各种表面形貌复杂的工件，在微细加工领域占有重要的地位。它可以通过控制微小的放电能量来获得最小的加工去除单位，具备纳米尺度加工的潜力。
目前，国内外学者已对纳米放电加工的可能性、工艺及机理等进行了多方面的探索。美国内布拉斯加-林肯大学的K.P.Rajurkar等用钨探针在原子力显微镜（AFM）上分别对置于空气、去离子水和油等不同介质中的金和铜涂层进行了放电加工试验，观察到了一系列现象，如在空气中探针经过工件表面会引起金原子的堆积，而在去离子水和油中则引起材料的去除。此外还研究了AFM扫描力对涂层表面的影响。美国阿肯色大学的A.P.Malshe以STM为加工平台，绝缘油（正葵烷）为工作介质，使用尖端半径为35nm的铂铱合金探针或钨探针作为工具电极，在金试样表面加工出直径约为10nm的小坑。上海交通大学陈寅等以纳米尺度放电加工为对象，采用粒子模拟方法，结合蒙特卡罗碰撞模型和二次电子发射模型，对纳米尺度等离子体放电通道击穿过程的粒子运动、电磁场变化等进行了仿真模拟，探索了纳米尺度下放电加工的机理，并对纳米尺度的加工特征进行理论预测。虽然纳米放电加工的机理还未获得很好的解释，但K.P.Rajurkar和A.P.Malshe均认为这种纳米尺度材料去除的机理应该是以放电加工为主，而没有微机械加工或电化学加工的证据。
放电加工是在一定介质中，利用工具和工件（正、负电极）之间脉冲性火花放电时所产生的局部、瞬时高温的电腐蚀现象将材料蚀除下来，因此放电加工过程中不可避免地存在着工具电极损耗。在微细电火花加工过程中，由于工具电极本身尺寸微小及加工规准微细化，使得电极的损耗变得非常严重，从而对工件最终的尺寸精度和表面质量产生不良影响。因此必须对工具电极的损耗进行有效的补偿，以获得较高的加工精度，但由于很难在线测量微细电极的实际损耗量，故微细电极损耗补偿一直是微细电火花加工的难题之一。目前纳米放电加工一般采用扫面探针显微镜作为实验平台，以具有纳米尺度的探针尖端作为工具，放电过程使电极尖端迅速损耗，这也是制约纳米放电加工走向实用化的一个重要障碍。
电流体动力学（Electrohydrodynamics，EHD）是流体力学的一个分支，它考虑了电场对流体介质的作用；同时，它也可以被看作是在运动电介质中的电动力学。在流体中，介质运动对电场的影响，及电场对运动流体的作用，两者相互作用会出现很多有趣的电流体现象。研究发现毛细管管口的带电液滴在强电场力作用下形成液体锥，即所谓的泰勒锥（Taylor cone，理论锥顶角为98.6°），并在锥顶端产生一股极细的溶液射流。
毛细管管口的带电液滴在高压电场作用下，同时受到表面张力和电场力的作用。电势差不高时，液滴只受到有限静电拉力；随着电场强度增大，溶液中的同性电荷聚集在液滴表面，表面电荷产生的电场引起液滴变形并最终形成泰勒锥；当达到临界电场强度，电场力与表面张力平衡被打破，锥顶端溶液破裂形成一股极细的射流，即为场致射流。
经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN1694812公开日2005-11-09，公开了一种“静电吸引式流体喷射装置”，该技术将通过施加电压而带电的流体在静电吸引下以液滴的状态从由绝缘材料构成的喷嘴的流体排出孔排出，所述喷嘴的流体排出孔的直径设定在8μm以下。但该技术所用装置需要在喷嘴上制作极为微细的流体排出孔，且装置只能用于排出液滴，而无法产生连续的射流。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种场致射流微细放电加工方法，利用高压电场作用下喷口尖端电解液所形成动态场致射流作为微细的工具电极，实现微米级甚至更小尺度的微细放电蚀除加工。因此，不需要在线制作微细电极，且场致射流在放电过程中崩溃后，会在下一个周期动态生成，这一过程循环往复，不存在常规的微细电火花加工所固有的电极损耗及补偿问题。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明通过将直流高压电源的正负极分别与加工工件和喷射机构相连并施加直流电压，使加工工件和喷射机构的喷嘴之间形成高压电场；然后通过调整加工工件和喷嘴的间距，使得喷射机构出口端的带电液滴形成泰勒锥并在锥尖端产生间歇性场致射流，进而被高压电场击穿射流尖端与工件间的气体介质并产生放电及热量，从而实现微细蚀除加工。
所述的喷射机构上包括正对加工工件的喷嘴，所述的喷嘴的内径小于等于500μm且为导电材料制成。
所述的直流高压电源通过导线分别与加工工件和喷射机构的喷嘴相连，其中：工件与高压电源输出端正极相连，喷嘴与高压电源输出端负极相连。
所述的工件为导电材料制成。
所述的喷射机构还包括：喷射液容器，其中：喷射液容器内储存有作为喷射流体的电解液。
所述的喷射机构安装在用于调整喷射机构和加工工件之间的间距的运动平台上。
本发明涉及一种用于实现上述加工方法的装置，包括：带有喷嘴和喷射液容器，且设置于用于调整喷射机构和加工工件之间的间距的运动平台上的喷射机构，以及正负极分别与加工工件和喷嘴相连的高压电源。
技术效果
与常规的微细电火花加工相比，本发明优点主要在于：
1）喷嘴出口的带电液滴在电场力和表面张力的共同作用下产生的场致射流其直径远小于喷嘴内径，因此可利用内径较大的喷嘴产生极细的场致射流，避免喷管过细导致易于堵塞的问题；
2）场致射流微细放电加工过程中，微细场致射流的生成和对工件的放电蚀除加工几乎是同时进行的，因此不存在微细工具电极的安装误差及变形误差等；
3）场致射流放电后储液器和喷嘴内的电解液及会在毛细管效应和电场力的作用下及时快速地自动补充，无需使用泵阀等元件，装置结构简单可靠，且不存在电极损耗及补偿问题；
4）场致射流微细放电加工过程中，放电现象只发生在场致射流的尖端和工件表面之间，因此对于作为溶液支撑的喷嘴本身不会造成损耗。
附图说明
图1为实施例应用示意图。
图2为实施例中工件和喷嘴之间的泰勒锥、场致射流及放电现象示意图。
图3为实施例中放电结束后工件表面放电点局部材料被蚀除及喷嘴出口溶液形态示意图。
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。
实施例1
如图1所示，本装置包括：高压电源1、工件2、安装工件的工作台3、绝缘基座4、运动平台5、安装喷嘴与储液器的夹具6、电解液7、储液器8和喷嘴9，其中：A处表示工件和喷嘴之间的局部。
在本实施例中，电解液7是质量百分比浓度为20%的硝酸钠（NaNO3）溶液，工件2为表面平整且光滑的不锈钢材料，喷嘴9采用工业用的点胶针头，内径为200μm，材料为不锈钢，高压电源1连接于工件2和喷嘴9之间，工件2接高压电源1输出端的正极，喷嘴9接高压电源1输出端的负极。运动平台5为三轴移动滑台，精度可达到10μm。储液器8采用了医用小号儿童注射器的储液部，安装喷嘴与储液器的夹具6为V型块，便于夹紧固定喷嘴与储液器。安装工件的工作台3、绝缘基座4和安装喷嘴与储液器的夹具6都采用具有极好的绝缘绝热性能、良好的可加工性及极好的化学稳定性的特氟龙PTFE（聚四氟乙烯）材料制作。
在本实施例中，首先通过运动平台5调整工件和喷嘴的间距至3mm左右；其次调整高压电源1的输出电压至3500伏左右；再通过运动平台5逐步减小工件2和喷嘴9的间距，直至工件2和喷嘴9之间出现场致射流及放电现象，同时工件表面放电点局部的材料被蚀除。
如图2所示，为实施例中施加电压后实现蚀除的过程，其中：工件和喷嘴之间形成场致射流、放电通道，并在工件表面产生熔池，图中：工件2、电解液7、喷嘴9、熔池10、放电通道11和场致射流12。
如图3所示，为实施例中场致射流崩溃后的蚀除结果，其中：放电现象结束后工件表面可见产生蚀坑，且喷嘴出口为锥形溶液形态，图中：工件2、电解液7、喷嘴9和电蚀产物13。
Claims (1)
1.一种场致射流微细放电加工方法，其特征在于，通过将直流高压电源的正负极分别与导电材料制成的加工工件和喷射机构相连并施加直流电压，使加工工件和喷射机构的喷嘴之间形成高压电场；然后通过调整加工工件和喷嘴的间距，使得喷射机构出口端的带电液滴形成泰勒锥并在锥尖端产生间歇性场致射流，进而被高压电场击穿射流尖端与工件间的气体介质并产生放电及热量，从而实现微细蚀除加工；
所述的喷射机构包括：喷射液容器，其中：喷射液容器内储存有作为喷射流体的电解液；
所述的喷射机构安装在用于调整喷射机构和加工工件之间的间距的运动平台上；
所述的喷射机构上包括正对加工工件的喷嘴，所述的喷嘴的内径小于等于500μm，且为导电材料制成；
所述的直流高压电源通过导线分别与加工工件和喷射机构的喷嘴相连，其中：工件与高压电源输出端正极相连，喷嘴与高压电源输出端负极相连。
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