CN103240473A - 电极及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于电加工过程的电极及其制造方法，该电极包括主体和至少一个位于主体内的用来向所述电极和被加工工件之间的空隙引入冲洗液的内部冲液通道，其中所述电极主体是由一种可根据所使用的材料来调节所述主体的导电性能和耐电弧性能，并可在其中形成至少一个内部冲液通道的材料添加制造工艺所制成的。

Description

电极及其制造方法

技术领域

本发明涉及电极及其制造方法，具体地，涉及用于电加工的电极及其制造方法。

背景技术

电加工是一个通过电能作用于工件来实现材料去除的过程，根据材料去除过程的不同，可粗略地将其分成两个大类。第一类是电火花加工，是通过刀具电极和工件间的热能来实现材料去除的。第二类是电化学加工，是通过电场的化学电位差导致在工件处发生氧化反应来实现材料去除的。

电火花加工是通过放电(电火花)来去除工件上的材料以获得一定形状的工件的，其通过电极和工件间的一系列快速变化的电压脉冲放电来实现从工件上去除材料。

进行电火花加工时，电极和工件用绝缘液体隔开，在电极和工件上施加电压，当电极和工件间的间隙变小时，该间隙内的电场强度变大，当大到高于所述绝缘液体的介电强度时，绝缘液体被击穿，产生火花放电。在该火花放电的微细通道中瞬时集中大量的热能，导致电极和工件上都有微量金属材料被熔化或气化，爆炸式地飞溅到工作液中并冷凝形成固体金属微粒，这样，电极和工件上都被除去了微量的材料，放电短暂停歇，新的绝缘液体进入电极和工件之间的间隙将所述冷凝形成的固体金属微粒冲走，并使得电极和工件间恢复绝缘状态。所述向电极和工件之间的间隙补充新绝缘液体的过程一般称为“冲液”。在一次放电之后，电极和工件之间的电位差也恢复到击穿之前的状态，以便发生下一次击穿放电。

电化学加工是一种利用电化学氧化/还原过程来实现材料去除的方法，与电火花加工类似，其也在工件和电极间施加一定的电位差。在电化学加工中，以电极为阴极，工件为阳极，用导电液作电解液，使离子在电解液中通过以实现材料去除。与电火花加工相反，电化学加工中没有火花产生，不产生电极损耗。在电化学加工的过程中，电极靠近但不接触工件，电极和工件之间的间隙一般在8-800微米之间，在一定温度下将加压的电解液注入被加工的区域，当离子穿过间隙时，材料从工件上被溶解下来。沿一定的路径移动电极便可加工出所需形状的工件。

此外，近年来还开发了一种利用电弧放电(热事件)来驱动去除材料的技术，即高速电蚀，其可用来加工比较难加工的高性能工件。高速电蚀用于加工导电的工件，主要是通过热行为的作用去除工件上的材料，但其过程中也伴随一定的电化学反应。

对于所述用于电加工过程，尤其是电火花加工和高速电蚀过程中的电极，导电性能和高温耐电弧性能都是非常重要的参数。在某些情况下，电极需要同时具有良好的导电性能和高温耐电弧性能，可能还需具备特别的形状，此外可能还需要具有独特的冲液通道，以便更直接高效地对被加工区域进行冲液，提高冲走切屑的效率，减少被加工工件的热损伤。热损伤较小的工件具有更长的使用寿命、更简单的加工程序和更低的制造成本。因此，需要有一种制造方法可以制造出一种电极，其具有调谐的材料特性，比如，调谐的耐电弧性能和导电能力，并且具有复杂而独特的内部冲液通道。然而，目前并没有满足要求的现成电极可用，而且用现有的电极制造方法如铸造、车铣和车削等也无法制造出满足要求的电极。因此目前还没有经济可行的方法制造同时具备良好的导电性能和高温耐电弧性能的电极，尤其是具有特别的外形和独特的冲液通道，同时还具备良好的导电性和耐高温电弧性的电极。

因此，需要提供一种用于电加工的新电极以及制造该电极的方法。

发明内容

本发明的实施例一方面提供了一种用于电加工过程的电极，其包括主体和至少一个位于主体内的用来向所述电极和被加工工件之间的空隙引入冲洗液的内部冲液通道，其中所述电极主体是由一种可根据所使用的材料来调节所述主体的导电性能和耐电弧性能，并可在其中形成至少一个内部冲液通道的材料添加制造工艺所制成的。

本发明的实施例另一方面提供了一种制造电极的方法，该方法包括：提供一个至少有一个内部冲液通道的电极的数字表象，如，计算机辅助设计模型；基于所述电极数字表象创建一序列或一组层的堆叠组合；基于所述电极数字表象对每一所述层施加关联的加工参数；以及通过一层一层地不断往前一层上添加并固结材料直至电极形成的方式成型电极。

附图说明

通过结合附图对于本发明的实施例进行描述，可以更好地理解本发明，在附图中：

图1是本发明一个实施例中电极用于加工工件时的示意图。

图2是本发明一个实施例的电极的立体图。

图3是如图2所示的电极的部分剖视图，其显示了电极轮毂部的内部通道。

图4是本发明另一个实施例的电极的立体图。

具体实施方式

以下将对本发明的具体实施方式进行详细描述。为了避免过多不必要的细节，在以下内容中将不对习知的结构或功能进行详细的描述。

本文中所使用的近似性的语言可用于定量表述，表明在不改变基本功能的情况下可允许数量有一定的变动。因此，用“大约”、“左右”等语言所修正的数值不限于该准确数值本身。至少在某些情况下，近似性语言可能与测量仪器的精度有关。本文中所给出的数值范围可以合并或相互交换，除非文中有其它语言限定，这些范围应包括范围内所含的子范围。

本发明中所提及的数值包括从低到高一个单元一个单元增加的所有数值，此处假设任何较低值与较高值之间间隔至少两个单元。举例来说，如果说了一个组分的数量或一个工艺参数的值，比如，温度，压力，时间等等，是从1到90，20到80较佳，30到70最佳，是想表达15到85，22到68，43到51，30到32等数值都已经明白的列举在此说明书中。对于小于1的数值，0.0001，0.001，0.01或者0.1被认为是比较适当的一个单元。前述只是想要表达的特别示例，所有在列举的最低到最高值之间的数值组合均被视为以类似方式清楚地列在本说明书中。

本发明的实施例利用特别的制造方法可获得具有不同的材料组合的电极，比如，同时具备良好的导电性能和高温耐电弧性能的电极，其可能还具有内置的冲液通道，此外，其可能还具有独特的几何形状。

本发明的实施例一方面提供了一种电极，该电极包括以材料添加制造法制成的主体，所述材料添加制造法可根据所使用的材料来调节所述主体的导电性能和耐电弧性能，还可在所述主体内形成至少一个内部冲液通道。所述电极还包括一个或多个内部冲液通道，用来将冲洗液引入到电极和被加工工件之间的间隙中，以提高对加工切屑的清扫效率。

在一些实施例中，整个所述电极主体可能是由同一种材料构成的。在另一些实施例中，所述电极主体的不同部分可能由不同的材料构成。

在一个实施例中，所述电极主体包括至少两个由不同材料构成的但却通过材料添加制造技术一体成型在一起的部分。比如，在如图1所示的电极100中，电极主体包括一个主体部104和一个用来施加电作用于被加工工件150的加工部106。所述加工部106用来作用于工件150从而通过电能从工件上将材料切削下来产生切屑155。在图示的实施例中，所述加工部106包括伸出主体部104的外表面的、彼此隔开的多个加工元件108。所述主体部104和加工部106由不同材料构成但是通过材料添加制造法成型为一体。所述加工部106具有所需的耐电弧性和硬度。在一个实施例中，所述主体部104是由第一导电材料构成的，而所述加工部106是由熔点比第一导电材料高的第二导电材料构成的。所述第一和第二导电材料给电极提供了良好的导电性能，所述第二导电材料还给加工部提供了良好的高温耐电弧性。在一个实施例中，所述第一导电材料包括铜、镍、铝和铁中的至少一种。所述第二导电材料可能是熔点高于1800℃的难熔材料。在一个实施例中，所述难熔材料包括钨、钼和铬中的至少一种。

所述通过材料添加制造法成型于电极内部的冲液通道可以耐受很高的压力，从而使得所述电极可适用于需要对电极和被加工工件之间的间隙施加高压冲液的情况。所述内部冲液通道的形状和构造可能很复杂。在一个实施例中，所述内部冲液通道包括成型于电极内部的一个弯曲的槽道。

在一些实施例中，所述材料添加制造法或材料添加制造工艺是指基于数字数据，比如，3D计算机辅助设计(Computer Aided Design，CAD)模型数据，通过将材料结合起来形成物体，一般地，是以层层堆叠的方式将材料结合而形成目标形状的物体的技术，其与传统的去除加工方式正好相反。材料添加制造工艺可利用输入的原材料(通常是以粉末或金属丝的形式输入的)、用以将所述原材料结合在一起的能量(通常是激光束、电子束电弧光源)、以及所制造的元部件的数字表象(如计算机辅助设计模型)来直接制造最终元部件。举例来说，材料添加制造工艺包括但不限于粉末床法，如选择性激光熔炼、直接金属激光烧结和电子束熔炼等，或三维喷墨印刷，以及送粉或送丝法，如三维熔覆和激光成型等。

金属粉末床式的材料添加制造法结合了精密的粉末床沉积和高分辨率激光束或电子束微型焊接，可用颗粒尺寸均匀的细粉末直接固结成型所需元部件。比如，在选择性激光熔炼工艺中，先在合适的金属基体上均匀地铺上一层厚厚的金属粉末，然后用激光束沿一定的路径扫描所述粉末床层，以将所述第一层粉末焊至所述基体上，再一层一层地重复所述铺粉和激光微焊的步骤直至最终部件形成。对于需要形成内部通道、空腔等结构的区域，只要不对其进行扫描，使该区域内的粉末保持未固结的松散状态，等最终部件成型后再将这些松散的粉末移除就可获得所需内部通道和空腔等，这种成型方法可形成复杂的内部结构。送粉或送丝三维熔覆法是通过将激光束、电子束或电弧光源对准基体以形成熔池并向熔池内添加粉末或金属丝材料来实现的。为了成型所需的几何形状，所述激光束、电子束或电弧光源以扫描的方式移动并使得所述熔池的位置发生移动，并在熔池移动的过程中不断向熔池内添加材料。比如，在粉末激光成型工艺中，激光束加热基体形成熔池，移动激光束使得熔池在基体上移动，在该过程中，用粉末输送喷嘴将金属粉末注入熔池中，使其固结成形，最初的一层形成后，再一层一层地重复所述步骤直至形成最终部件。

图2和图3显示了一种由材料添加制造法制成的电极200。该电极200呈轮性，其包括一个长形转轴204和一个可随该转轴204旋转的轮毂部206。将伸出轮毂部206的外圆周面110的多个突块208用作加工元件，这些加工元件208形成一个不连续的外圆周面212，用来面对被加工工件并作用于被加工工件，并通过电能将材料从工件上移除。如图3所示，所述突块208将轮毂部206分成了多个隔开的放电区209，所述放电区209和加工元件208交替设置以实现电加工。

所述材料添加制造技术使得所述一体成型的转轴204、轮毂部206和突块208可由同一材料或不同材料构成。在一定实施例中，整个所述电极200是由同一种材料构成的。在另一实施例中，所述转轴204、轮毂部206和突块208中至少有两个是由不同材料构成的，比如，突块208由一种材料构成，而其余部分，即包括转轴204和轮毂部206的电极主体部分由另一种材料构成。在一实施例中，所述突块208由一种熔点比电极其余部分的材料(如铜及其合金)高的导电材料(如钨、钼及其合金)形成。

图3是一个显示了轮毂部206的内部结构的截面图，如图3所示，所述电极200包括一个用来向电极和被加工工件之间的间隙引入冲洗液的内部冲液通道214。该冲液通道214是通过材料添加制造法形成于电极内部的，因而其可承受高压冲液时的高压。在图示的实施例中，所述内部冲液通道214连接了转轴204的外圆周面218上的入口216和位于各突块208和放电区209之间的多个槽口220。该内部冲液通道214包括一个形成于转轴204内的中心孔(未图示)，该中心孔从入口216延伸到轮毂部206的中心空腔224，还包括连接所述中心空腔224和各槽口220的多个槽道226。其中所述槽口220可用作冲液出口，让冲洗液可中流出。

如图4显示了另一种由材料添加制造法制成的电极300。该电极300呈轮性，其包括一个长形转轴304和一个可随该转轴304旋转的轮毂部306。将轮毂部306的圆周外层308用作加工部，该圆周外层308提供了一个外圆周面310，用来面对并施加作用于被加工工件以从工件上去除材料。材料添加制造法可将不同的材料组合形成元部件，因此所述电极300的不同部分可以由不同的材料构成。在一个实施例中，所述圆周外层308是由一种熔点比电极其它部分的材料高的导电材料构成的。在一个实施例中，所述圆周外层308的厚度大约在5毫米到15毫米的范围内。在一个具体的实施例中，所述圆周外层308的厚度大约为10毫米。

所述电极300进一步包括一个内置的冲液通道314，用来将冲洗液引入电极和被加工工件之间的间隙中。所述冲液通道314是由材料添加制造法形成于电极内部的，因而其能承受高压冲液时的高压。在图示的实施例中，所述内部冲液通道314将转轴的外圆周面318上的入口316与轮毂部的外圆周面310上的一个或多个出口320连通。该内部冲液通道314包括一个形成于转轴304内的中心孔(未图示)，该中心孔从入口316延伸到轮毂部306的中心空腔324，还包括连接所述中心空腔324和各出口320的弯曲槽道326。其中冲洗液可从所述出口320流出。所述弯曲槽道326的弯曲方式有利于电极300在其旋转的过程中稳定均匀地将冲洗液甩出。此处需注意的是，实际上所述电极300的内部冲液通道314从图4的角度是看不见的，仅是为了更好的将其描述清楚才在图中用虚线表示了出来。

使用电极对工件进行加工时，向所述电极上通入电流，并通过电极的内部冲液通道对电极和被加工工件之间的间隙进行冲液，以将从工件上切削下来的切屑及碎片等冲走，并将工件冷却。

本发明实施例的另一方面提供了用材料添加制造系统来制造电极的方法。此处所述的材料添加制造系统是指通过一层一层地依次添加并固结材料来成型元部件的装置，如选择性激光熔炼系统和电子束熔炼系统等等。在一些实施例中，所述材料添加制造系统包括送料装置和热源。在一个实施例中，所述材料添加制造系统是激光成型装置。所述制造电极的方法包括：提供一个具有至少一个内部冲液通道的电极的数字表象，如，计算机辅助设计模型；基于所述电极数字表象创建一序列或一组层的堆叠组合；基于所述电极数字表象对每一所述层施加关联的加工参数；以及通过一层一层地不断往前一层上添加并固结材料直至电极形成的方式成型电极。

其中，所述添加材料和固结材料的过程可同步进行，也可先后进行。比如，在粉末床法中，是先铺上粉末，再用热源对粉末床层进行扫描使其固结。在一些实施例中，也可在添加材料的同时用热源对添加的材料进行同步扫描使其固结。比如，在一实施例中，送粉装置和激光束可同轴设置以实现同步送粉和扫描。在一个实施例中，所述层的关联加工参数包括可在电极内形成至少一个内置冲液通道的参数。在一个实施例中，所述一层一层添加的材料是用气体来输送的。在一个实施例中，所述添加的材料是以粉末形式输送和添加的，其粉末颗粒尺寸大约在50微米到250微米之间。

用材料添加制造法来制造电极可获得通过传统金属加工方法，如，机械加工、铸造及制模等所无法获得的、具有精巧复杂结构的内部冲液通道，还可获得各种材料组合形成的电极，比如，通过慢慢变换制造过程中所添加的粉末，可制造出材料成分呈梯度变化的电极。其中材料成分的梯度可以使得电极的耐电弧性能和导电性能呈梯度变化，从而电极的不同部位具有不同性能。

在一些实施例中，所述以材料添加制造法制造电极的过程可能包括：基于电极的数字表象在一层或多层、或一层或多层的部分区域添加和固结第一导电材料；以及基于所述电极的数字表象在另外的一层或多层、或另外的一层或多层的部分区域添加和固结熔点比第一导电材料高的第二导电材料。

在一个实施例中，在基于电极的数字表象，如计算机辅助设计模型，一层层地添加并固结材料成型电极的过程中，可一点点地添加第一导电材料的粉末并通过热源将添加的粉末固结形成一层或一层的部分区域，可重复该步骤直至电极第一部分成形，然后在所述电极第一部分上再一点点地添加第二导电材料的粉末并将其固结至所述第一部分形成另一层或另一层的部分区域，可重复该添加并固结第二导电材料的粉末的步骤直至电极的第二部分形成。所述添加并固结第一导电材料的粉末和第二导电材料的粉末的步骤可交替和(或)重复进行直至最后电极成形，最后形成的电极可能具有一系列结构复杂的内部空腔用来进行冲液。

虽然结合特定的实施例对本发明进行了说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。

Claims (18)

1.一种用于电加工过程的电极，其包括：

主体，其由一种可根据所使用的材料来调节所述主体的导电性能和耐电弧性能，并可在所述主体内形成至少一个内部冲液通道的材料添加制造工艺所制成；以及

至少一个内部冲液通道，用来向所述电极和被加工工件之间的空隙引入冲洗液。

2.如权利要求1所述的电极，其中所述内部冲液通道包括至少一个弯曲的槽道。

3.如权利要求2所述的电极，其中所述弯曲槽道是以有利于所述电极在其旋转过程中将冲洗液甩出的方式弯曲的。

4.如权利要求1所述的电极，其中所述材料添加制造工艺是一个激光成型工艺。

5.如权利要求1所述的电极，其中所述主体包括至少两个由不同材料构成的却一体成型在一起的部分。

6.如权利要求5所述的电极，其中所述主体包括主体部和与主体部一体成型的加工部，该加工部用来作用于被加工工件，以从被加工工件上移除材料，其中所述主体部由第一导电材料形成，所述加工部由熔点比第一导电材料高的第二导电材料形成。

7.如权利要求6所述的电极，其中所述第一导电材料包括铜、镍、铝和铁中的至少一种。

8.如权利要求6所述的电极，其中所述第二导电材料的熔点高于1800℃。

9.如权利要求8所述的电极，其中所述第二导电材料包括钨、钼和铬中的至少一种。

10.如权利要求6所述的电极，其中所述加工部提供了一个可作用于被加工工件的圆周外表面。

11.如权利要求6所述的电极，其中所述主体部包括转轴和可随转轴旋转的轮毂部，其中所述加工部一体成型于所述轮毂部。

12.如权利要求11所述的电极，其中所述内部冲液通道连接所述转轴上的入口和靠近所述加工部的多个出口。

13.一种制造电极的方法，该方法包括：

提供一个至少有一个内部冲液通道的电极的数字表象；

基于所述数字表象创建一序列或一组层的堆叠组合；

基于所述数字表象对每一所述层施加关联的加工参数；以及

通过一层一层地往前一层上添加并固结材料直至电极形成的方式成型电极。

14.如权利要求13所述的方法，其中所述加工参数包括在所述电极内形成至少一个内部冲液通道的参数。

15.如权利要求13所述的方法，其中所述材料是通过气体输送的。

16.如权利要求13所述的方法，其中所述材料是以粉末形式输送的，所述粉末的颗粒尺寸在50微米到250微米之间。

17.如权利要求13所述的方法，该方法包括：

基于所述电极的数字表象在一层或多层、或其中的部分区域添加和粘结第一导电材料；以及

基于所述电极的数字表象在另外的一层或多层、或其中的部分区域添加和粘结熔点比第一导电材料高的第二导电材料。

18.一种如权利要求13所述的方法制造的电极。

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