CN103231133B - 一种非导电材料的电解电火花复合加工方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种非导电材料的电解电火花复合加工装置及方法，其特征在于：设置一种非导电材料的电解电火花复合加工装置，其包括一电源、一机床主轴、一夹持在机床主轴上的工具电极、一辅助电极、一盛有电解液的加工槽和一用来固定工件且放置在加工槽中的绝缘基座；对工具电极进行绝缘处理以及对非导电材料进行打孔加工，在对工件进行加工前，先通过电化学反应和电解电火花的共同作用在工具电极表面形成一层氧化铝绝缘膜；机床主轴带动经绝缘处理后的工具电极运动到工件需要加工的位置；在工具电极底面与工件表面之间发生的放电和磨削的共同作用下，完成对工件的加工。本发明广泛应用于非导电材料的打孔和铣削加工中。

Description

一种非导电材料的电解电火花复合加工方法及装置

技术领域

本发明涉及一种非导电材料的加工方法及装置，特别是关于一种非导电材料的电解电火花复合加工方法及装置。

背景技术

石英、玻璃和工程陶瓷等非导电材料具有耐磨、耐热、耐腐蚀等性能，已经被广泛应用于微机电系统、微流体系统、生物医学及航空航天等领域。然而，这些材料通常具有硬脆性，而且不导电，所以很难用传统的切削方法或常规的电火花加工技术进行加工。其它加工方法如激光加工、超声加工和金刚石砂轮磨削加工也各有弊端。

近些年，非导电材料的电解电火花复合加工技术已经成为一个研究热点。该技术利用导电的工具电极和电解液之间放电时产生的高温来实现非导电材料的去除加工。加工时，工具电极和辅助电极均浸入电解液中（电解液通常为氢氧化钠溶液、氯化钠溶液或硝酸钠溶液），并分别连接电源的负极和正极。通电后，两电极附近发生电化学反应，其中，工具电极表面产生气体薄膜，气体薄膜使工具电极和电解液之间绝缘，继而在电压的作用下，工具电极表面和电解液之间发生放电，利用放电产生的高温将非导电材料去除。该方法要求浸入电解液中的电极表面全部被气体薄膜覆盖，否则不能发生放电。但该方法存在一定的缺陷，一方面完整的气体薄膜不容易产生，因为浸入电解液中的电极面积越大，越不容易产生完整的气体薄膜；另一方面即使生成了完整的气体薄膜，在实际的加工中也存在一定的问题，如在打孔和铣削加工中，只需要电极的底面或者靠近电极底面的部分参与加工，而如果生成了完整的气体薄膜，那么浸入电解液中电极的整个表面都将发生放电，这就导致工件上不需要去除的部分被加工掉。由此可见，这种加工方法既分散了加工能量，使加工效率降低，又给控制加工精度带来了困难。因此，为了提高该加工方法的加工效率和加工精度，需要对电极侧壁进行绝缘处理，使放电仅发生在实际参与加工的电极表面。

目前，国内外现有的电极侧壁绝缘方法有气相沉积法、浸渍提拉法、滴涂法、旋涂法和阳极微弧氧化法等。气相沉积法利用化学气相沉积技术(CVD)或物理气相沉积技术(PVD)在电极侧壁沉积一层绝缘材料，这种方法制作的绝缘层厚度可控且覆盖均匀，但这种工艺制作环境温度较高，要求电极材料和绝缘材料有相近的热膨胀系数，成本较高。滴涂法是将电极端面朝上，竖直放置，在电极表面滴一滴经稀释过的瓷釉，当瓷釉层变干后，电极端面与一个坚固的平面进行摩擦，然后利用电火花加工方法去除端面剩余的瓷釉层，使电极端面不被瓷釉层覆盖，这种方法同样存在工艺复杂，成本高的问题。浸渍提拉法和旋涂法使用的绝缘材料均是绝缘树脂，绝缘树脂耐高温性能较差，随着放电的进行绝缘层很快被破坏。阳极微弧氧化法是利用阳极微弧氧化原理，以铝合金作为工具电极，连接电源正极，在电解液中（通常为硅酸钠溶液）进行微弧氧化处理，在电极表面覆盖一层氧化铝陶瓷，去除底面绝缘层后，用该电极在电解电火花的电解液中加工非导电材料。由于该方法生成的绝缘膜会不可避免地存在孔隙，而电解电火花加工过程中，工具电极附近的电解液通常具有较强的腐蚀性，电解电压越大，腐蚀性越强，电解液由孔隙进入绝缘膜层，会腐蚀铝合金基体，导致绝缘膜脱落。在电解电火花加工中，电解液的浓度和加工电压都较大，所以通电后绝缘膜层将迅速剥落而失效。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够使电极侧壁保持绝缘的非导电材料的电解电火花复合加工方法及装置。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种非导电材料的电解电火花复合加工方法，其包括以下步骤：1）设置一电解电火花复合加工装置，该装置包括一电源、一机床主轴、一夹持在机床主轴上的工具电极、一辅助电极、一盛有电解液的加工槽和一用来固定工件且放置在加工槽中的绝缘基座；电源的正极连接辅助电极，电源的负极通过机床主轴连接工具电极的一端；2）对工具电极进行绝缘处理的过程，其包括以下步骤：①通过机床主轴将工具电极悬在电解液的液面以上，辅助电极置于电解液中；②通过电源给机床主轴和辅助电极之间施加直流或脉冲电压；③机床主轴带动工具电极逐渐向下运动并使工具电极进入电解液中；④在电化学反应、电解电火花的共同作用下，电解液中的铝离子以氧化铝的形式迅速附着在工具电极表面，并形成一层绝缘膜；⑤随着工具电极浸入电解液中深度的增加，覆盖有绝缘膜的工具电极的长度增加至满足加工需求；3）对工件进行加工的过程，其包括以下步骤：①机床主轴带动经绝缘处理后的工具电极运动到工件需要加工的位置；②机床主轴以恒定速度向下运动，并带动工具电极做旋转运动；③工具电极与工件接触后，工具电极底面绝缘膜被迅速磨掉；④工具电极底面和电解液之间发生电解电火花放电现象，同时工具电极底面再次生成绝缘膜，而未与工件接触的工具电极部分始终覆盖有绝缘膜；⑤通过电解电火花放电作用，仅在工具电极底面生成气体薄膜，工具电极侧壁仍被绝缘膜覆盖，利用火花放电时的瞬间高温和冲击作用来实现对工件材料的去除，完成对工件的加工。

所述步骤3）中，当机床主轴带动工具电极始终以恒定速度向下运动时，实现对工件的打孔加工。

所述步骤3）中，当机床主轴不仅带动工具电极以恒定速度向下运动，同时还带动工具电极平移时，实现对工件的铣削加工。

实现所述方法的一种非导电材料的电解电火花复合加工装置，其特征在于：其包括一电源、一机床主轴、一夹持在所述机床主轴上的工具电极、一辅助电极、一盛有电解液的加工槽和一用来固定工件且放置在所述加工槽中的绝缘基座；所述电源的正极连接所述辅助电极，所述电源的负极通过所述机床主轴连接所述工具电极的一端。

所述工具电极为圆柱形，材料为钛合金。

所述辅助电极的材料为不锈钢。

所述绝缘基座的材料为氧化铝陶瓷。

所述电解液为硝酸铝溶液。

所述电源提供直流或脉冲电压。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于对非导电材料进行打孔加工前先对工具电极进行绝缘处理，在电化学反应、电解电火花的共同作用下，使工具电极表面形成一层氧化铝绝缘膜，在对工件进行打孔加工的过程中，工具电极侧壁保持绝缘，仅在工具电极与工件接触的底面发生电解电火花放电，在电解电火花放电时的瞬间高温和冲击作用以及磨削的共同作用下，实现对工件材料的去除，完成对工件的加工，因此本发明能够集中加工能量、提高加工精度和加工效率。2、本发明由于对工具电极进行绝缘处理时，在电化学反应、电解电火花的共同作用下，工具电极表面形成了一层氧化铝绝缘膜，因此本发明的工具电极具有良好的耐高温和耐腐蚀的性能。3、本发明由于工具电极的绝缘处理工艺简单，对工具电极的绝缘处理和对工件的加工可以在同一装置中进行，因此本发明能够简化设备、降低加工成本。基于以上优点，本发明可以广泛应用于非导电材料的打孔和铣削加工中。

附图说明

图1是本发明装置对工具电极表面进行绝缘处理的示意图

图2是本发明装置对工件进行打孔加工的示意图

图3是本发明装置对工件进行铣削加工的示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明的电解电火花复合加工装置包括一提供直流或脉冲电压的电源1、一机床主轴2、一夹持在机床主轴2上的工具电极3、一辅助电极4、一盛有电解液7的加工槽8和一用来固定工件5且放置在加工槽8中的绝缘基座6。电源1的正极连接辅助电极4的一端，电源1的负极通过机床主轴2连接工具电极3的一端。

在一个优选的实施例中，工具电极3为圆柱形，材料为钛合金。

在一个优选的实施例中，辅助电极4的材料为不锈钢。

在一个优选的实施例中，绝缘基座6的材料为氧化铝陶瓷，电解液7为硝酸铝溶液。

如图2所示，根据本发明提供的电解电火花复合加工装置，本发明还提出了一种能够使电极侧壁保持绝缘的非导电材料的电解电火花复合加工方法，其包括对工具电极3进行绝缘处理的过程以及对非导电材料进行打孔加工的过程：

1、对工具电极3进行绝缘处理的过程，包括：

1）通过机床主轴2将工具电极3悬在电解液7的液面以上，同时将辅助电极4置于电解液7中；

2）电源1给机床主轴2和辅助电极4之间施加直流或脉冲电压；

3）机床主轴2带动工具电极3逐渐向下运动，使工具电极3进入电解液7中；

4）在电化学反应、电解电火花的共同作用下，电解液7中的铝离子以氧化铝的形式迅速附着在工具电极3表面，在工具电极3表面形成一层绝缘膜；

5）随着工具电极3浸入电解液7中深度的增加，覆盖有绝缘膜的工具电极3的长度增加至满足加工需求。

2、对工件5进行打孔加工的过程，包括：

1）机床主轴2带动经绝缘处理后的工具电极3运动到工件5需要加工的位置；

2）机床主轴2以恒定速度向下运动，并带动工具电极3做旋转运动；

3）工具电极3与工件5接触后，工具电极3底面的绝缘膜被迅速磨掉；

4）工具电极3底面与电解液7之间发生电解电火花放电现象，而未与工件5接触的工具电极部分始终覆盖有绝缘膜，不发生放电；

5）通过电解电火花放电作用，在工具电极3底面生成气体薄膜，利用电解电火花放电时的瞬间高温和冲击作用先在工件5表面加工出一个圆柱形孔，圆柱形孔的直径大于工具电极3的直径，随着工具电极3的旋转运动来去除工件材料，由于工具电极3侧壁与圆形孔侧面之间存在侧面间隙，因此工具电极3侧壁仍被绝缘膜覆盖，不发生放电；

6）重复步骤1）～步骤5），在放电和磨削的共同作用下，实现对工件5材料的去除，完成对工件5的加工。

如图3所示，本发明中电极侧壁绝缘方法制作的电极也适用于电解电火花铣削加工非导电材料，此时机床主轴2还同时带动工具电极3平移，工具电极3的轨迹与常规电火花加工类似，只要保证工具电极3底面和工件材料始终接触即可实现对工件的铣削加工。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和各实施步骤等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (9)

1.一种非导电材料的电解电火花复合加工方法，其包括以下步骤：

1)设置一电解电火花复合加工装置，该装置包括一电源、一机床主轴、一夹持在机床主轴上的工具电极、一辅助电极、一盛有电解液的加工槽和一用来固定工件且放置在加工槽中的绝缘基座；电源的正极连接辅助电极，电源的负极通过机床主轴连接工具电极的一端；

2)对工具电极进行绝缘处理的过程，其包括以下步骤：

①通过机床主轴将工具电极悬在电解液的液面以上，辅助电极置于电解液中；

②通过电源给机床主轴和辅助电极之间施加直流或脉冲电压；

③机床主轴带动工具电极逐渐向下运动并使工具电极进入电解液中；

④在电化学反应、电解电火花的共同作用下，电解液中的铝离子以氧化铝的形式迅速附着在工具电极表面，并形成一层绝缘膜；

⑤随着工具电极浸入电解液中深度的增加，覆盖有绝缘膜的工具电极的长度增加至满足加工需求；

3)对工件进行加工的过程，其包括以下步骤：

①机床主轴带动经绝缘处理后的工具电极运动到工件需要加工的位置；

②机床主轴以恒定速度向下运动，并带动工具电极做旋转运动；

③工具电极与工件接触后，工具电极底面绝缘膜被迅速磨掉；

④工具电极底面和电解液之间发生电解电火花放电现象，同时工具电极底面再次生成绝缘膜，而未与工件接触的工具电极部分始终覆盖有绝缘膜；

⑤通过电解电火花放电作用，仅在工具电极底面生成气体薄膜，工具电极侧壁仍被绝缘膜覆盖，利用火花放电时的瞬间高温和冲击作用来实现对工件材料的去除，完成对工件的加工。

2.如权利要求1所述的一种非导电材料的电解电火花复合加工方法，其特征在于：所述步骤3)中，当机床主轴带动工具电极始终以恒定速度向下运动时，实现对工件的打孔加工。

3.如权利要求1～2任一项所述的一种非导电材料的电解电火花复合加工方法，其特征在于：所述步骤3)中，当机床主轴不仅带动工具电极以恒定速度向下运动，同时还带动工具电极平移时，实现对工件的铣削加工。

4.一种实现如权利要求1～3任一项所述方法的非导电材料的电解电火花复合加工装置，其特征在于：其包括一电源、一机床主轴、一夹持在所述机床主轴上的工具电极、一辅助电极、一盛有电解液的加工槽和一用来固定工件且放置在所述加工槽中的绝缘基座；所述电源的正极连接所述辅助电极，所述电源的负极通过所述机床主轴连接所述工具电极的一端。

5.如权利要求4所述的一种非导电材料的电解电火花复合加工装置，其特征在于：所述工具电极为圆柱形，材料为钛合金。

6.如权利要求4～5任一项所述的一种非导电材料的电解电火花复合加工装置，其特征在于：所述辅助电极的材料为不锈钢。

7.如权利要求4～5任一项所述的一种非导电材料的电解电火花复合加工装置，其特征在于：所述绝缘基座的材料为氧化铝陶瓷。

8.如权利要求4～5任一项所述的一种非导电材料的电解电火花复合加工装置，其特征在于：所述电解液为硝酸铝溶液。

9.如权利要求4～5任一项所述的一种非导电材料的电解电火花复合加工装置，其特征在于：所述电源提供直流或脉冲电压。