CN103501948B - 放电加工 - Google Patents

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Abstract

一种用于放电加工工件的方法，包括以下步骤：将长形电极提供给工件，其间具有电火花间隙；使电介质流体在间隙中流动；通过电极的末梢与工件之间的放电来腐蚀工件；当电极磨损且腐蚀工件时，使电极沿与电极的长轴线对准的方向位移来保持间隙；以及在位移的同时，产生电极的振动移动，振动移动与电极的长轴线对准。

Description

放电加工
技术领域
本发明涉及放电加工(EDM)，并且更具体地但非排他地涉及用于诸如在燃气涡轮发动机的叶片的构件中形成孔的所谓的高速放电加工(HSEDM)。
背景技术
关于通过电火花腐蚀处理工件来使用EDM。 工件和电极(通常由石墨、铜或黄铜制成)在它们之间大体上提供有电介质流体，且连接到输送电能的周期性脉冲的DC电源(EDM发电机)上，使得电火花通过熔化和气化来腐蚀工件，且由此产生腔或孔，或者以别的方式使工件成形。为了提供电火花腐蚀，工件和电极必须没有物理接触，且通常通过适合的传感器和伺服电动机控制器来保持间隙。腐蚀碎屑必须从腐蚀地点除去，且这通常需要常规放电加工期间的收缩循环。有可能在单个工具支座中使用多个电极，以允许若干腐蚀和加工过程同时执行且一般并列地执行。
在HSEDM中，使用高压(例如，70bar至100bar)电介质流体泵，以便将电介质流体供应到工件与电极之间的间隙中。由于电介质流体的高压存在，故该过程比常规EDM更有效，允许了更快速的碎屑除去，使得腐蚀速率远远更大。利用HSEDM，不需要腐蚀阶段之间的收缩循环来用于抽空碎屑，因为工件与电极之间的间隙中的高压电介质流体流对于由腐蚀过程产生的碎屑的除去更有效。因此，大体上电极根据加工过程以实现所期望的材料腐蚀和除去速率所需的速度简单地向前给送。连续的操作导致显著更快的加工过程。
在附图中，图1示意性地示出了用于钻孔的典型HSEDM布置。布置1包括将长形电极3提供给工件4的电极支座2。 来自于电极的末梢的放电经由直流电功率发电机5提供，使得在工件中钻取、形成或加工腔或孔。电介质流体以相对较高的压力(70bar至100bar)供应至由电极与工件之间的电火花间隙渐进地限定的腔或孔。该高压电介质流通过泵6实现，泵6作用于电介质流体供应源7上，以在如指出的压力下将流体强压到电极与工件之间的间隙中。高压冲洗和除去由放电过程引起的碎屑。伺服电动机8或其它装置迫使电极沿电极的长度方向连续移动，以将电极驱动到工件中。通过监测间隙电压，伺服电动机可保持恒定尺寸的间隙。由于高压电介质流体流，故存在快速的碎屑除去，且因此大体上不需要具有电极的收缩周期以便允许如常规EDM那样的冲洗。因此，在正常事件演进中，伺服电动机使电极以跟上材料除去和/或腐蚀的所期望速率所需的速度简单地向下移动。由伺服电动机产生的恒定运动允许快速钻取，但如果钻取太快，则存在增大的短路可能性。在此情况中，伺服电动机使电极收缩以允许清除电气短路和碎屑，且然后再引入电极来重建用于腐蚀的正确间隙尺寸。
HSEDM用于在燃气涡轮发动机的涡轮叶片中钻取冷却孔和其它特征。构件如涡轮叶片具有关于孔几何形状和表面完整性的很严格的要求，该要求可由HSEDM满足。然而，HSEDM具有高生产成本，且可导致形成孔的典型突破时间中的较大变化。另外，需要构件的再加工的电极磨损可能是个问题。例如，通常具有大于100%的相对电极磨损因数，即，磨损的电极长度可大于钻孔的深度。电极磨损还可导致电极成锥形，如图2(a)中所示，以及成排的电极的不均匀磨损，如图2(b)中所示。变成锥形的电极产生锥形孔，锥形孔在出口端处具有限制。多个电极工具中的非均匀的电极导致一些电极并未完全穿透工件而留下堵塞的孔。作为备选，如果伺服电动机需要将电极给送更深来完成孔的形成，则一些电极中的多余电极长度可导致后壁冲击腐蚀，且因此破坏构件的其它部分。图3中示出了此类后壁冲击腐蚀，其中涡轮叶片22中的钻取的通孔21沿钻取方向20继续到后壁中作为非计划的腔23。因此，HSEDM工艺的熟练操作可为必须的。
WO2009/071865提出了一种改善的HSDEM工艺，其中在加压的电介质流体流内引起超声波空化来加强碎屑除去，且从而改善了连续加工。
发明内容
然而，这里需要放电加工工艺中的进一步改善。
因此，本发明的第一方面提供了一种用于放电加工工件的方法，包括以下步骤：
将长形电极提供给工件，其间具有电火花间隙，
使电介质流体在间隙中流动，
通过电极的末梢与工件之间的放电来腐蚀工件，
当电极磨损且腐蚀工件时，使电极沿与电极的长轴线对准的方向位移来保持间隙，以及
在位移的同时，产生电极的振动移动，振动移动与电极的长轴线对准。
有利的是，电极的振动移动可引起电介质流体中的对应振动，这引起流体形成间隙中的脉动射流。这些脉动射流可有助于从电火花间隙清除碎屑，允许以更高速度进行加工。另外，电极的振动移动可有助于减少电极与工件之间的短路的出现，短路可导致电极收缩和工件破坏。
该方法可具有以下可选特征的任何一个，或达到它们相容的程度，可为以下可选特征的任何组合。
通常，电极具有轴向开孔，即，电极可为管状的。然后，电介质流体可沿一个方向经由开孔供应，且然后在电极的外表面上流动。例如，流体可在电极的端部处离开开孔，且然后在电极的外表面上沿相反方向返回。
电极可围绕其长轴线旋转，以减小非均匀电极磨损，且改善孔的圆度。
电介质流体可在从70bar至100bar的压力下供应至间隙。高流体压力有助于从电火花间隙冲洗碎屑。
电介质流体可在从2MΩ.cm至17MΩ.cm的电阻率下供应至间隙。电介质流体可为去离子水。
振动移动可具有高达500Hz且优选高达250Hz或200Hz的频率。振动频率可具有大于50Hz且优选为大于80Hz的频率。振动移动可均具有大约100Hz的频率。
作为优选，振动移动为正弦曲线形。
作为优选，电极由伺服系统(例如，基于一个或多个线性感应电动机，或一个或多个线性促动器，如，例如与导杆旋转电动机组合的压电促动器或气动线性促动器)位移，伺服系统具有至少1kHz且更优选至少10kHz、50kHz或100kHz的频率响应。此类装置可提供高振动移动频率。使用此类伺服系统使电极位移的另一个优点在于其频率响应可与放电加工中使用的放电电火花频率(通常大约1kHz至100kHz)的数量级类似。因此，可使得加工过程对电火花间隙状态中的快速变化反应更大，导致更稳定且较快的过程。相反，一些常规放电加工系统基于导杆伺服电动机，其通常具有仅大约30Hz的最大频率响应，且因此较少地能够保持恒定的电火花间隙。
振动移动可具有高达200微米且优选高达75微米的振幅。振动移动可具有大于20微米的振幅。振动移动可具有大约50微米的振幅。
为了振动移动和流体射流可从电火花间隙高效地清除碎屑，通常有利的是在保持电火花间隙尺寸大于常规放电加工期间常见尺寸的同时腐蚀工件。例如，对于小于1.5mm/sec的电极的位移速度，电火花间隙电压(其通常用作电火花间隙尺寸的量度)可大于35V。
在间隙中流动的电介质流体的步骤可包括将流体的脉动射流发送至间隙。此类脉动射流可进一步改善从电火花间隙除去碎屑的速率。通常，脉动射流可具有与电极的振动移动频率相同的脉冲频率。在具有轴向开孔的电极的情况下，脉动射流可沿开孔发送至电火花间隙。
电极位移速率、振动振幅和振动频率中的任何一个或多个可在腐蚀电极时变化，例如，在电火花间隙处的状态变化时。
根据该方法，单个电极可提供给工件。
作为备选，多个电极可同时地提供给工件。
本发明的第二方面提供了一种放电加工设备，其包括：
长形电极，
驱动机构，其在使用中使电极相对于工件位移，位移沿与电极的长轴线对准的方向，且在电极磨损且工件由电极腐蚀时保持电极与工件之间的电火花间隙，
产生在间隙中流动的电介质流体的电介质源，以及
振动源，其在位移的同时产生电极的振动移动，振动移动与电极的长轴线对准。
因此，该设备适用于执行第一方面的方法。因此，设备可具有对应于第一方面的方法的可选特征的可选特征中的任何一个，或达到它们相容的程度，可具有可选特征的任何组合。例如，设备可具有以下可选特征中的任何一个，或达到它们相容的程度，可具有以下可选特征的任何组合。
电极可具有轴向开孔，即，电极可为管状的。
电极可围绕其长轴线旋转。
电介质源可在从70bar至100bar的压力下将电介质流体供应至间隙。
振动源可产生振动移动，振动移动具有高达500Hz且优选为高达250Hz或200Hz的频率。振动源可产生具有大于50Hz且优选大于80Hz的频率的振动移动。振动源可产生具有大约100Hz的频率的振动移动。
作为优选，驱动机构和/或振动源具有至少1kHz且更优选至少10kHz、50kHz或100kHz的频率响应。
振动源可产生具有高达200微米且优选高达75微米的振幅的振动移动。振动源可产生具有大于20微米的振幅的振动移动。振动源可产生具有大约50微米的振幅的振动移动。
作为优选，振动源产生为正弦曲线形的振动移动。
便利的是，设备可包括提供驱动机构和振动源两者的一个或多个线性感应电动机，电性感应电动机联接到电极上来使电极相对于工件位移，且在位移的同时产生电极的振动移动。有利的是，线性感应电动机可使高频响应与高定位精度组合。
然而，作为备选，设备可包括提供振动源的一个或多个线性促动器，线性促动器联接到电极上来产生电极的振动移动。例如，线性促动器可为压电促动器或气动线性促动器。此类布置的一个选择在于将一个或多个线性促动器操作地连接到用于电介质流体的储槽上，使得在促动器触动时，流体的脉动射流在与电极的振动移动产生的同时从储槽发送至电火花间隙。便利的是，一个或多个线性促动器可在现有的放电加工设备上改造来将设备转变成根据本发明的第二方面的设备。驱动机构可包括导杆伺服电动机，其联接到电极上来使电极相对于工件位移。一个或多个线性促动器可与伺服电动机共同分担保持电极与工件之间的电火花间隙的驱动机构任务。例如，线性促动器可使电极位移达到促动器的行程极限，由此驱动机构给送电极来重置促动器。这允许设备受益于典型线性促动器的高频响应和高定位精度。因此，更普遍地，一个或多个线性促动器可与单独的伺服电动机组合来提供驱动机构。作为备选，一个或多个线性促动器可与驱动机构分开。
设备还可包括提供单个电极的工具支座。作为备选，设备还可包括向工件提供多个电极的工具支座。
在其中电介质源包括用于电介质流体的储槽的实施例中，振动源在触动时可使活塞振动，活塞在储槽中的电介质流体中生成对应的压力脉冲，通向储槽的电极的轴向开孔使得压力脉冲产生流体射流。便利的是，电极然后可连接到活塞上，使得活塞和电极一齐振动。例如，当一个或多个线性促动器提供振动源时，这些可由对应的弯曲接头连接到活塞上。与活塞的连接可为直接的，或间接的，例如，经由压力盖和止挡布置。电极可经由筒体中且优选为活塞中的孔口进入储槽中。孔口可具有密封形成物，其抓握电极且防止电介质流体在孔口处从储槽泄漏。密封形成物可构造成使得其在电极上的抓握通过储槽中的电介质流体的压力触动。例如，密封形成物可包括回弹性本体，回弹性本体在电介质流体的压力的作用下被压缩(例如，通过活塞)来与电极密封接合。当设备包括向工件提供多个电极的工具支座时，工具支座可包括活塞(和可选的密封形成物)，活塞然后可具有用于电极的多个相应孔口。实际上，更普遍地，工具支座可采用还包含储槽的筒体的形式。活塞通常定位在筒体的下端处。
设备还可包括用于控制驱动机构和振动源的基于计算机的控制系统。控制系统适于使得以下的任何一个或多个：电极位移速率、振动振幅和振动频率随电极位置变化。通常，设备还包括向电极提供电功率的电力电源，以及测量电火花间隙的传感器。然后，控制系统还可控制电火花频率和电火花间隙，且还可适于以便这些参数中两者中的任一者也随电极位置变化。
附图说明
现在将通过举例的方式参照附图来描述本发明的实施例，在附图中：
图1示意性地示出了典型的HSEDM布置；
图2示出了(a)在顶部处的未磨损的电极和在底部处的磨损的锥形电极，以及(b)成排的不同磨损的电极；
图3示出了穿过具有非所期望的后壁腐蚀的涡轮叶片的截面；
图4(a)至图4(c)示意性地示出了关于腐蚀的放电加工工艺的步骤；
图5(a)和图5(b)示意性地示出了HSEDM设备的相应的前视图和侧视图；
图6示意性地示出了图5(a)和图5(b)的设备的电火花间隙控制系统；
图7示出了HSEDM钻取期间的工件和管状电极的相应的示意性截面(a)至(d)、没有施加到电极上的振动移动的截面(a)和(c)，以及具有施加到电极上的振动移动的截面(b)和(d)；
图8示出了在具有或不具有振动的两种情况下相对于(a)伺服电动机速度和(b)间隙电压绘制的钻取速度的相应实验设计交互图；
图9示出了在具有和不具有施加到电极上的振动移动的情况下获得的钻取深度相对于时间的典型图；
图10示出了在具有或不具有振动的两种情况下相对于(a)峰值电流和(b)工作循环绘制的循环时间的相应实验设计交互图；
图11(a)和(b)示意性地示出了另一个HSEDM设备的相应的前视图和侧视图；
图12示意性地示出了图11(a)和图11(b)的设备的相应(a)工具支座和(b)振动板的前视图；以及
图13示意性地示出了图11(a)和图11(b)的设备的电极筒体和压力盖的下端的近距离前视图。
具体实施方式
在HSEDM期间除去碎屑对于实现适合的加工速度和一致性很重要。在电火花之间的时间中，碎屑由电介质冲出碎屑来除去。在图4(a)至图4(c)中示意性地示出了该过程。图4(a)中示出的气泡由电火花放电引起的高温生成。然后，如图4(b)中所示，该气泡向内爆炸。称为"非操作时间"的电火花之间的时间应当足够长，以允许电介质流体冲洗来除去碎屑。非操作时间确定用于放电加工的总体钻取周期。因此，缺少充分碎屑除去导致循环时间的延长。此外，较弱的碎屑除去会增大锥形形式的电极磨损。在图4(a)中，如可看到的那样，电极30具有与工件表面32的电火花间隙31。在放电期间，电火花引起的等离子通道33造成来自于工件表面的碎屑34，且释放一些电极碎屑35。由于电火花的热，气泡36在高压电介质流体37内产生。
如图4(b)中所示，在非操作时间期间，气泡36向内爆炸，允许碎屑34,35进入电介质流体流37中。在此非操作时间期间，除碎屑之后，熔融金属部分地从电火花生成焰口38除去。未除去的任何熔融金属固化且变为所谓的重铸层。此类重铸层可具有由此形成工件的材料的表面改性方面的不利影响。
图4(c)示出了刚好在进一步放电加工之前的工件32与电极30之间的关联。碎屑34,35在电介质37内保持悬浮，且因此在由HSEDM提供的相对较高的压力下被冲走。逐渐地，焰口38形成为穿过工件的表面，以便按需要腐蚀和钻取。
然而，由不充分的碎屑除去和随后的短路引起的中断可限制HSEDM的有效性。
图5(a)和图5(b)示意性地示出了HSEDM设备的相应的前视图和侧视图。用于电极108的工具支座106已经从前视图(a)中省略，以便使设备的其它构件可视化。
线性感应伺服电动机101借助于电动机杆102联接到头部托架103上。头部托架继而又安装到线性轨道115上(但在其它实施例中，可使用一个以上的线性轨道，或可使用不同类型的线性引导件，包括线性空气轴承)。当触动线性伺服电动机时，线性运动由此施加到头部托架上。
电连接器118和气动卡盘104设在头部托架103上。连接器118连接到电力电源(图2(a)和图2(b)中省略)上，且穿过匹配的连接器117将功率发射至安装到工具支座106上的一排长形管状电极108上。气动卡盘104在电信号命令下将工具支座保持到头部托架上。
工具支座106具有电极筒体105。承载鼻形引导件110的鼻形引导组件111借助于卡盘112联接到设备的静止部分114上。电极108和高压电介质流体容纳在电极筒体内。电极在夹具107,109下方穿过，且经由鼻形引导件离开。夹具107安装在电极筒体下方，且由具有橡胶垫的棒构成，在钻取循环期间，棒气动地应用来夹住电极。夹具109安装在鼻形引导组件上，且由具有橡胶垫的棒构成，在电极的再给送循环期间，棒气动地应用来夹住电极。
压缩空气经由相应的连接器116,113供应至夹具107,109。高压电介质流体经由相应的连接器119和120给送至电极筒体105和鼻形引导件110。因此，连接器116,119在头部托架103上，而连接器113,120在设备的静止部分114上。管状电极浸入容纳在电极筒体105内的储槽中的电介质流体中，以便电介质可流过电极且在电极外侧流动。高压(例如，70bar至100bar)泵(图2(a)和图2(b)中省略)将电介质流体(例如，去离子水)供应至电极筒体105内的储槽，且因此供应至电极与将钻取的工件(例如，叶片)之间的加工电火花间隙。
线性感应伺服电动机101能够在高达10Kg的质量下产生高达50g的加速度，且可提供小到1微米的位置精度。与常规旋转电动机相比，线性感应电动机将电能直接地转变成线性移动，产生了沿电动机的长度的直线力。因此，线性伺服电动机能够沿与其长轴线对准的方向同时地使电极108位移，以在电极磨损且工件腐蚀时保持电火花间隙，且产生电极的振动移动，振动移动与电极的长轴线对准。
图6中示意性地示出了用于图5(a)和图5(b)的设备的控制系统。 线性伺服电动机101由驱动器121控制，即，电功率放大器，其输送响应于由设置电动机运动参数的控制器122供应的低水平控制信号操作电动机所需的功率。计算机123用于输入所期望的运动参数，包括周期(P)和振幅(A)、位移速度125(正弦振动叠加于其上)和伺服机构基准电压126方面的振动正弦波124的特征。小直径的管状电极108和工件127连接到电力电源128上，即，EDM发电机，其将能量129的周期脉冲输送至电火花间隙130。
当加工发生(即，高频电火花从电极108和工件127两者除去材料)时，线性伺服电动机101使工具支座106位移，电极在位移速度125下安装到工具支座106上，以保持电极与工件之间的电火花间隙130恒定。计量计131连续地测量平均间隙电压，该电压可通过数控(NC)单元132与伺服机构基准电压126相比较。如果平均间隙电压高于基准电压，则工具支座106向下移动，而当平均间隙电压低于基准电压时，工具支座106向上移动。线性伺服电动机具有超过1000Hz的频率响应，即，由于线性伺服电动机及其控制系统的动态特征引起，伺服电动机可响应于0.001秒内的电火花间隙中的变化。
关键过程变量(如，振动频率和振动振幅、位移速度和EDM发电机参数)可在钻取过程期间根据钻取的孔的深度来变化。该变化由通过计算机123结合NC单元132执行的程序控制。在钻取过程期间可用于改变关键过程变量的备选途径在于使用传感器来测量闭环系统中的电火花间隙状态，例如，与人工智能技术组合，如，神经网络或模糊逻辑。此类途径可便于过程变量的动态优化。
线性伺服电动机101可引起高达200Hz的电极振动，其中峰到峰振幅高达100微米，且分别率小于0.1微米。这些振动引起电介质流体中的对应振动，这可改善从电火花间隙除去碎屑。此外，1微米的伺服电动机位置精度便于电火花的精确控制。此外，该高频率振动造成最大限度地减小电弧出现的电极表面与钻孔的壁之间的间隙。
更具体而言，涡轮叶片中的冷却孔可具有小到0.38mm的直径和高达80:1的长度与直径比。用于钻取0.38mm的孔的电极的直径通常为0.33mm。如果要求钻取具有0.38mm的直径和30mm的长度的孔，则从电极的末梢至鼻形引导件的距离将在孔突破口处为30mm。此类细长电极可趋于在钻取过程期间倾斜和接触孔的侧壁，引起短路和过程中断。与钻取具有较小直径的深孔相关联的另一个问题为从电火花间隙除去碎屑。这即使在使用高压电介质流体(高达100bar)时也很困难。碎屑的累积可引起电弧和延长循环时间。这些问题在多电极钻取操作执行时变得更关键，因为设备仅具有一个伺服电动机来控制多个电火花间隙。
图7示出了HSEDM钻取期间工件205和管状电极202的分别的示意性截面(a)至(d)。工件使用多电极工具203和从电极筒体(省略)供应给电极的开孔的高压(70bar至100bar)电介质流体201来钻取。大约100kHz的高频电火花207促进了从电极且尤其是从工件这两者除去材料。
图7(a)为在没有振动移动施加到电极202上的情况下的过程的实例。来自于过程的产生的碎屑206趋于累积在电火花间隙中，以及孔的下端中，因为电介质压力不足以将碎屑冲出到排出流204中。碎屑的累积可导致电弧，这破坏工件且延长循环时间。然而，沿轴向对准的振动210施加到电极上，如图7(b)中所示，振荡电极和钻取的孔作用类似于往复泵，其中电极为活塞，而孔为气缸。电极在高达500Hz的频率下和高达100微米的峰到峰振幅下的振动移动将电介质流体212和碎屑泵送出电火花间隙和孔。因此，泵送动作改善了冲洗211，且可在振动与经由电极的轴向开孔发送至电火花间隙的电介质流体的脉动射流209组合时来进一步增大，沿电极的开孔的射流脉动具有与电极振动移动相同的频率。下文参照图10至图12描述了产生此类同步脉动射流的HSEDM设备。
图7(c)为在没有振动移动施加到电极202上的情况下的过程的另一个实例。管状电极202趋于形成工件材料的芯208，其在钻取的孔的中心保持未切割。此类芯可倾斜和接触电极的内壁213，引起短路。此外，细长的电极可沿侧向214移动且接触钻取的孔的侧壁，又引起短路。此类短路引起伺服机构收缩，且因此导致较长的加工时间或导致过程中断。此外，短路可破坏工件。然而，当沿轴向对准的振动210施加到电极上时，如图7(d)中所示，小间隙215,216可更容易地保持在芯与电极开孔之间，以及在电极外表面与孔侧壁之间。这些间隙由电极和工件的表面上的粗糙不平面的振动引起的破坏造成，不平面为电极与工件之间的电流流动通道。
因此，电极的振动改善了冲洗，且减少了短路，且结果，伺服电动机可以以更快的速度向下移动。
使用具有保持18个管状电极的容量的多电极工具来执行钻取试验。电极的直径为0.31mm，且这些用于切割(单次通过)具有4mm长度的18个孔。实验部分析因设计法用于执行实验和分析结果。下表中示出了设计中使用的因素。因素"振动"是指电极中产生的振动。较低振动水平(-1)意指在没有振动的情况下执行测试，而较高水平(+1)意指在振动的情况执行测试。"伺服电动机速度"是指伺服电动机以其前移来保持电火花间隙恒定的速度。"间隙电压"是指基准电压，其与电火花间隙尺寸成比例，即，在较高水平处的间隙电压意指电火花间隙的尺寸高于较低水平下的。
图8(a)和图8(b)示出了实验参数的交互图，即，相对于针对不同振动水平的(a)伺服电动机速度和(b)间隙电压绘制的钻取速度。当振动在电极(虚线)中产生时，在伺服电动机速度处于较低水平的情况下实现了较小循环时间。相反，较高伺服机构速度在振动停止时缩短循环时间。关于间隙电压，当在没有振动的情况下执行试验时，改变间隙电压的值不会影响循环时间。相反，间隙电压必须设置在较高水平下，以便在具有电极振动的情况下缩短循环时间。当振动施加到电极上时，较高的电火花间隙尺寸有助于电极振荡从电火花间隙除去碎屑。
图9示出了在具有和不具有振动的情况下获得的钻取深度相对于时间的典型图。如果振动施加到电极上，则可实现几乎50%的循环时间的缩短。
将执行进一步钻取试验来产生附加的交互图。图10(a)示出了在具有(+1)或不具有(-1)振动的情况下执行测试的循环时间(即，钻取给定孔深度的时间)相对于峰值电流(+1=高峰值电流，-1=低峰值电流)的图。当与不由振动协助的钻取相比时，由振动协助的HSEDM钻取更快。然而，当使用较高水平的峰值电流时，振动冲击更为显著。图10(b)示出了在具有(+1)或不具有(-1)振动的情况执行测试的循环时间相对于工作循环(+1=高工作循环，-1=低工作循环)的图，工作循环为电火花时间与一次完整电火花循环所需的时间长度(即，电火花出现且然后气泡向内爆炸且在下一次电火花事件之前除去碎屑的时间)的比率。振动冲击对于高水平工作循环变得很显著，但在低水平工作循环中可忽略。
参照图5(a)和图5(b)描述的HSEDM设备具有线性感应伺服电动机，其既使电极位移来保持电火花间隙，且又产生电极的振动移动。然而，其它构造是可能的，例如，其中位移和振动功能由设备的不同部分驱动。例如，图11(a)和图11(b)分别示意性地示出了HSEDM设备的前视图和侧视图，其中导杆伺服电动机驱动电极位移，且单独的压电促动器或气动线性促动器驱动电极振动。伺服电动机301具有与导杆303的联接件302，其使伺服机构旋转变成头部托架304的线性运动。
电连接器321和气动卡盘305设在头部托架304上。电连接器连接到电力电源(图11(a)和图11(b)中省略)上，且穿过匹配的连接器320将功率发射至安装到工具支座308上的管状电极311上。气动卡盘在电信号命令下将工具支座保持到头部托架上。
工具支座308具有电极筒体307。承载静止鼻形引导件313的鼻形引导组件314借助于卡盘315联接到设备的静止部分317上。电极311和高压电介质流体容纳在电极筒体内。电极在夹具310,312下方穿过，且经由鼻形引导件离开。夹具310安装在电极筒体下方，且由具有橡胶垫的棒构成，在钻取循环期间，棒气动地应用来夹住电极。夹具312安装在鼻形引导组件上，且由具有橡胶垫的棒构成，在电极的再给送循环期间，棒气动地应用来夹住电极。压缩空气经由连接器319,316供应至夹具310,312。高压电介质流体经由图11(a)和图11(b)中省略的连接器给送至电极筒体307和鼻形引导件313。
两个线性促动器322组装在安装到工具支座308上的振动板306中(在其它实施例中，可使用仅一个线性促动器或两个以上的线性促动器)。图12示意性地示出了相应的(a)工具支座和(b)振动板的前视图。振动板具有弯曲接头323。电极筒体307附接到振动板的静止区段324上，而压力盖309和夹具310附接到振动板的移动区段325上。压力盖包含橡胶密封件326和塑料止挡件327。活塞328安装在密封件和止挡件上方的电极筒体的下端处，其中密封环329将活塞流体地密封至振动板的静止区段。活塞、密封件和止挡件包含匹配的一排孔，电极311穿过孔。
图13示意性地示出了电极筒体307和压力盖309的下端的近距离前视图。刚好钻取过程开始之前，电极311由夹具310夹持，且在范围从70bar至100car的压力下的电介质流体330供应至限定在电极筒体内的流体储槽中。储槽中的高压流体引起活塞328的移动，这将相对于止挡件327挤压密封件326。结果，密封件中的孔尺寸上减小，抓握电极，且密封电极筒体。电介质流331经由电极的开孔且经由鼻形引导件中的冲洗孔(从图11至图13省略)供应至电火花间隙。
线性促动器322在振动板306的移动区段325中产生振荡322，在该处安装了压力盖309和夹具310。振动板的移动引起电极311中的振动(其中频率高达500Hz且峰到峰振幅高达100微米)。此外，压力盖309的振荡引起容纳在电极筒体307的储槽中的电介质流体330中的压力脉冲。这些压力脉冲产生经由电极的开孔供应至电火花间隙的电介质流体的高频脉动射流333。有利的是，由电极振荡和电介质射流的高频脉冲提供的泵送作用的组合效果极大地改善了从电火花间隙冲洗碎屑。此外，使用单独的线性促动器来驱动电极振动便于在现有的HSEDM设备上改造此类促动器。
导杆伺服电动机的缺点在于大约30Hz的其通常较低的频率响应，这并未快到足以响应电火花间隙的快速变化。有可能通过增大节距速度和/或旋转速度来增大导杆伺服机构的频率响应。然而，这影响电极的位置分辨率。此外，过高的旋转速度可引起螺杆搅乱或冲击共振频率，引起不受控制的振动和失控的不稳定性。然而，通过改造具有一个或多个线性促动器的导杆伺服电动机来驱动电极振动，低频率响应可为侧部阶梯状的，使得可使改造的设备在其位移来保持电火花间隙的同时提供电极的高频振动移动。另外，可使电介质流体从电极的开孔发出到电火花间隙中，因为脉冲射流与电极振动同步来进一步加强碎屑除去。
然而，如果可通过使用例如适合的软件来避免螺杆共振和搅乱，则然而有可能控制导杆伺服电动机来在未使用附加线性促动器的情况下产生叠加到电极的线性运动上的电极振动。尽管此类布置的响应时间相对较低，但可获得一些利益，如，能够产生电介质流体的脉动射流，且通过电介质流体的泵送作用改善碎屑除去。
图11至图13中的设备可通过图6中的控制系统控制。
在操作变型中，保持电火花间隙的尺寸恒定的任务可在线性促动器322与导杆伺服电动机301之间共同分担。更具体而言，线性促动器提供高位置精度和高频率响应，但仅允许大约200微米的最大行程。因此，除振动电极311之外，促动器可用于使电极位移来保持火花间隙恒定，直到促动器的行程极限，由此导杆伺服电动机再给送电极。实际上，变型的设备可具有一个或多个线性促动器来提供电极振动和位移，且线性感应伺服电动机代替导杆伺服电动机来再给送电极。
尽管已经连同上文所述的示例性实施例描述了本发明，但在给出本公开内容时，一些等同的改型和变型将对于本领域的技术人员显而易见。例如，设备具有仅具有一个电极。另一个类型的电极工具支座可在钻取过程期间产生电极旋转。因此，上文阐述的本发明的示例性实施例将被认作是示范性而非限制性的。可在不脱离本发明的精神和范围的情况下对所述实施例进行各种改变。
上文提到的所有参考文件通过引用并入本文中。

Claims (15)

1.一种用于放电加工工件的方法，包括以下步骤：
将长形电极(311)提供给所述工件(127)，其间具有电火花间隙(130)，所述电极具有轴向开孔，
使电介质流体流过所述开孔且流入所述间隙中，
通过所述电极的末梢与所述工件之间的放电来腐蚀所述工件，
当电极磨损且腐蚀工件时，使电极沿与电极的长轴线对准的方向位移来保持间隙，以及
在位移的同时，产生所述电极的振动移动(332)，所述振动移动与所述电极的长轴线对准；
其中所述电极的振动移动引起所述流体的脉动射流(333)沿所述开孔发送至所述间隙，所述脉动射流具有与所述电极的振动移动的频率相同的脉动频率。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述振动移动具有高达500Hz的频率。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述振动移动具有高达200微米的振幅。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述电介质源将所述电介质流体在从70bar至100bar的压力下供应至所述间隙。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，多个电极同时地提供给所述工件。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述电介质具有2至17MΩ.cm的电阻率。
7.一种放电加工设备，包括：
具有轴向开孔的长形电极(311)，
驱动机构，其在使用中使所述电极相对于工件(127)位移，所述位移沿与所述电极的长轴线对准的方向，且当所述电极磨损且所述工件由所述电极腐蚀时保持所述电极与所述工件之间的电火花间隙(130)，
电介质源，其使电介质流体沿所述开孔流入所述间隙，以及
振动源，其在所述位移的同时产生所述电极的振动移动(332)，所述振动移动与所述电极的所述长轴线对准；
其中所述电介质源包括用于所述电介质流体的储槽，以及所述振动源操作地连接到所述储槽上，使得在所述振动源触动时，所述流体的脉动射流在所述电极的振动移动产生的同时从所述储槽沿所述开孔发送且发送至所述间隙。
8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述电极经由具有密封形成物的孔口进入所述储槽中，所述密封形成物抓握所述电极以防止电介质流体在所述孔口处从所述储槽泄漏，所述密封形成物构造成使得其在所述电极上的抓握由所述储槽中的电介质流体的压力触动。
9.根据权利要求7或8所述的设备，其特征在于，所述振动源在触动时使活塞(328)振动，所述活塞(328)在所述储槽的电介质流体中生成对应的压力脉冲，所述电极的轴向开孔通向所述储槽，使得所述压力脉冲产生所述流体射流。
10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，所述电极连接到所述活塞上，使得所述活塞和所述电极一齐振动。
11.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，所述电极经由所述活塞中的孔口进入所述储槽中。
12.根据权利要求7或8所述的设备，其特征在于，所述振动源产生具有高达500Hz的频率的振动移动，所述电介质源将所述电介质流体在从70bar至100bar的压力下供应至所述间隙。
13.根据权利要求7或8所述的设备，其特征在于，所述设备还包括工具支座，所述工具支座将多个电极提供给所述工件。
14.根据权利要求7或8所述的设备，其特征在于，所述设备包括一个或多个线性感应电动机(101)，所述线性感应电动机(101)提供所述驱动机构和所述振动源两者，所述线性感应电动机联接到所述电极上来使所述电极相对于所述工件位移，且在所述位移的同时产生所述电极的振动移动。
15. 根据权利要求7或8所述的设备，其特征在于，所述设备包括一个或多个线性促动器(322)，所述线性促动器(322)提供振动源，且与单独的伺服电动机(301)组合来提供所述驱动机构，所述线性促动器联接到所述电极上来产生所述电极的振动移动。
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