CN103551688A - 一种提高电火花高速穿孔加工表面完整性的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种能提高电火花高速穿孔加工表面完整性的电火花加工方法及装置。方法是在采用电火花高速穿孔机加工时，将具有一定压力和流速的低温水雾施加在工件待加工孔的入口和出口表面，从而快速冷却和排除加工产物，减少热影响区和二次放电现象，以达到提高加工表面完整性的目的。提高电火花高速穿孔加工表面完整性的装置包括电火花高速穿孔机、空气压缩机、微量润滑喷雾装置、加工工件、工具电极和夹具。本方法工艺稳定、高效、低成本。

Description

一种提高电火花高速穿孔加工表面完整性的方法及装置

 

技术领域

本发明涉及一种电火花加工技术，尤其是一种能提高电火花高速穿孔加工表面完整性的电火花加工方法及装置，具体地说是一种通过采用专用夹具将具有一定压力和流速的低温水雾施加在加工区域的工件待加工孔进出口表面，以提高电火花高速穿孔加工表面完整性的方法及装置。

 

背景技术

传统电火花加工采用油类作为放电介质，加工稳定且效率高，但也存在一些缺点：高温分解出的气体对人体和环境有害；有火灾危险；使用后的废弃物对环境有害；使用成本高；加工表面存在白层等热影响层。水基工作液在电火花线切割加工中应用广泛，在某些成形加工中也有所应用，如电火花高速穿孔加工。水基工作液对环境和人体不利影响小，没有火灾危险，但也存在一些问题，如热量损失大，排屑效果不佳，由于急冷易形成白层，容易锈蚀机床。20世纪90年代，日本东京农工大学的国枝正典学者提出并实现了气体介质电火花加工有效地解决了油基工作液的上述缺点，但气体介质放电间隙很小，对机床伺服系统等要求高，使用普通电火花加工机床加工时加工不稳定，使得不正常放电几率增大，有效脉冲利用率降低，因此加工效率低。

在干式电火花加工的基础上, 上海交通大学和美国密西根大学分别提出了以雾为介质的放电加工。雾作为加工介质加工同样具有对环境和人体友好，无火灾危险等优点。由于雾的电学和热学性质介于气体和液体之间，故期望能集二者之优点而避免它们的缺点。

以上所述的电火花加工方法中，以煤油、水、雾等作为工作介质，在工件表面完整性方面都存在一个共同的问题，即只注重了加工间隙的冷却及产物的排除，忽略了加工区域工件进出口表面的冷却，且电火花加工过程中，熔化和气化了的工具及工件材料在抛离电极表面时，向四处飞溅，除绝大部分抛入工作液中外，有一小部分飞溅在工件的上下表面，即发生在工件待加工孔的入口和出口表面的微粒再附着，这就使得工件表面热影响区较大，工件表面完整性不佳。

 

发明内容

本发明目的是解决现有电火花高速穿孔加工方法中，由于在加工中主要以高压水基工作液对加工区域实施强迫冷却和排屑，忽略了工件待加工孔入口、出口表面及侧壁的冷却与排屑，使得加工后的工件表面热影响区较大，二次放电现象严重，表面粗糙度值较大，从而使得工件表面完整性差，以及加工效率低等问题。发明提出一种可以提高电火花高速穿孔加工表面完整性的方法，主要是将具有一定压力和流速的低温水雾施加在加工区域的工件进出口表面，从而快速带走工件待加工孔入口和出口表面的热量，迅速冷却和排除加工产物，以此减少热影响区和二次放电现象，进而提高加工表面完整性和加工效率，采用的具体技术方案是：

一种提高电火花高速穿孔加工表面完整性的方法，所述的方法是在电火花高速穿孔加工的过程中，向加工工件待加工孔的入口和出口表面施加水雾。

由于水雾喷射到加工区域时速度较快，可以更有效地将加工产物带离工件的表面，并且在水雾中，液相的颗粒很小，遇高温极易汽化，能够渗透到加工工件的表面并对表面降温，因此，能够防止高温的工件屑在加工工件的表面附着，从而快速冷却和排除加工产物，减少热影响区和由于排屑不佳所引起的二次放电现象。

上述的工件材料为能进行放电加工的材料，如导电性能良好的金属材料（如：铜，钢等），具有导电性能的半导体材料（如硅、锗等），某些热膨胀系数小，比热小，易发生氧化的复合材料（如碳纤维复合材料等）。

上述的水雾是可以由去离子水或水与压缩空气或氮气形成的，在实施操作中可以是经微量润滑喷雾装置而形成的包含小液滴的水雾，液滴直径优选为10～200μm，水雾在加工表面的流速最优是在50~100m/s范围内，水雾中气、液体积比范围200：1~50000：1，水雾气源压力范围0.4～0.7MPa，水雾温度范围-10～20℃。上述的水雾流速太低可能导致排屑效果不明显，太高可能对专用夹具造成过大的冲击，影响加工精度；水雾中气、液比太大或太小都可能导致排屑、冷却效果不佳。

本发明的另一个目的是提供一种提高电火花高速穿孔加工表面完整性的夹具，所述的夹具包括有上导块和下导块，上导块与下导块在夹合时内部呈空腔，上导块和下导块上分别设置有水雾入口和排屑槽，上导块的顶面上还开设有工具电极入口，工具电极入口、水雾入口和排屑槽均与所述的空腔相连通。

在使用时，利用上导块与下导块将加工工件夹合在其中，然后将工具电极从上导块的工具电极入口穿过，开始电火花高速穿孔加工，与此同时，由水雾入口射入水雾，使水雾能够排除加工区域产生的热量、废屑等，使加工过程更加顺利并使表面平整。

作为对本夹具进一步的改进，所述的水雾入口与排屑槽位于上、下导块相对的面上。这样可以保证水雾在进入到夹具内部时，避免过多的弯折流动，使排屑、降温的效果更好。

上述的夹具可以构成电火花高速穿孔加工装置，包括有依次连接的机床伺服系统、机床旋转头、工具电极、夹具。工具电极穿过夹具上导块的工具电极入口，工具电极与泵连接，加工工件与工具电极分别与脉冲电源的正、负极相连接。

作为对上述的电火花高速穿孔加工装置的改进，喷雾装置最好是采用微量润滑喷雾装置。其产生的水雾液滴大小可控，液滴可以更好地渗入到加工工件的表面，液滴与工件接触后可以瞬间汽化，带走热量。

作为对上述的电火花高速穿孔加工装置的改进，在工具电极位于机床旋转头与上导块之间的位置上还设置有导向器。导向器可以对工具电极的方向作更好的控制。

 

有益效果

综上，本发明提供的提高电火花高速穿孔加工表面完整性的方法及装置具有如下有益效果：

（1）电火花高速穿孔加工时的高速水基工作液从管状电极喷出，对加工区域实施强迫排屑及冷却，加速了电蚀产物的排除。通过专用夹具在工件加工区域施加喷雾作用之后，能够及时冷却并吹离加工中未被抛出的、依然附着在工件表面的高温熔滴、小屑等颗粒，以此降低表面粗糙度值。在冲走表面废屑的同时，低温水雾还会带走大量的热量，快速冷却工件和工具电极，使脉冲火花放电时产生的热量及时传导出去，充分消电离，有利于减少拉弧等不正常现象的发生，提高了整个加工过程的稳定性。

（2）某些金属材料如钛合金，复合材料如碳纤维复合材料，在高温时极易氧化，放电后易继续燃烧，采用专用夹具将低温水雾施加在工件表面之后，可以将这些燃烧的材料吹灭，防止工件烧伤，提高了工件表面完整性。

（3）工件材料局部高温分解后可能结炭，在该处聚成焦粒而在两极间搭桥，会烧伤电极和工件，低温水雾不断输送至工件待加工孔的入口和出口表面，可以在降低工件表面温度的同时，吹灭并破坏这种可能的搭桥，提高了工件的表面完整性。

（4）本发明提高电火花高速穿孔加工表面完整性的方法及装置，还具有方法简单、易于实现、低成本、高效等特点，可以实现任何能进行脉冲放电加工的材料的表面完整性的提高，为提高电火花高速穿孔加工的表面完整性提供了一种新方法。

 

附图说明

图1是本发明提供的提高电火花高速穿孔加工表面完整性的装置示意图。

1是机床伺服系统，2是机床旋转头，3是工具电极，4是脉冲电源，5是导向器，6是夹具，7是加工工件，8是喷雾装置，9是空气压缩机，10是水基工作液，11是过滤网，12是泵。

图2是专用夹具的结构示意图。

13是工具电极入口，14是上导块，15是水雾入口，16是下导块，17是底座，18是排屑槽。

 图3中，a图是夹具的上导块的主视图与剖视示意图； b图是夹具的下导块的主视图与剖视示意图。

图4是采用传统电火花高速穿孔加工后工件表面形貌。

图5是采用本发明加工后的工件表面形貌。

 

具体实施方式

实施例1

一种提高电火花高速穿孔加工表面完整性的装置，夹具6的结构如图2，夹具6包括有上导块14和下导块16，上导块14与下导块16在夹合之后内部呈空腔，上导块14和下导块16上分别设置有水雾入口15和排屑槽18，上导块14的顶面上还开设有工具电极入口13，工具电极入口13、水雾入口15和排屑槽18都与所述的空腔相连通。下导块16设置于底座17上，上述的上、下导块14、16及底座17是绝缘材料。夹具的上导块和下导块的结构如图3a和图3b所示。

总体装置示意图如图1，机床伺服系统1、机床旋转头2、工具电极3依次相连，加工中通过机床伺服系统1实现进给，同时，由机床旋转头2带动电极做回转运动，工具电极3与脉冲电源4的负极相连，并穿过导向器5，再由夹具6的上导块14的工具电极入口13，进入夹具6内部，高速水基工作液10通过泵12的作用从管状的工具电极3喷射到加工工件7表面，加工工件7被夹具6夹紧于上、下导块14、16之间，工件加工区域控制于上、下导块14、16形成的空腔之间，并与脉冲电源4的正极相连，夹具6固定于底座17上，底座17安装在工作台上。喷雾装置8采用微量润滑喷雾装置，产生的低温水雾由夹具6侧边的水雾入口15施加到加工工件的上、下表面，废液及废屑由另一侧的排屑槽18排除。

上述的低温水雾是由去离子水或水经压缩空气9和微量润滑喷雾装置8，雾状化为微小水滴的，水滴直径为10~200μm，空气压缩机压力范围0.4～0.7MPa，水雾压力控制在0.4MPa以上。下面结合实例对本发明的技术方案作进一步地说明：

采用的加工工件7的材质是碳纤维增强树脂基复合材料（厚度2.5mm），采用的工具电极3是黄铜管（外径2mm，内径0.5mm，长400mm）。

利用电火花高速穿孔机的脉冲电源4产生的放电脉冲脉宽为20μs，占空比1:1，开路电压80V，平均电流8A，施加在工件7和工具电极3之间，形成放电通道，将放电通道中的材料熔化、气化，进而去除材料。

高速去离子水10从铜管电极3喷出，压力为5MPa，对加工区域实施强迫排屑及冷却，加速了电蚀产物的排除。与此同时，由去离子水经空气压缩机，通过微量润滑喷雾装置形成的水雾（水雾在加工工件表面的流速是100 m/s，气液体积比是 800：1），由夹具6的水雾入口15 输送到工件待加工孔的入口和出口表面，控制水雾压力为0.4MPa。

本实施例中直径2mm，深度2.5mm的小孔平均加工时间约为35s，而同种材料，同种加工参数下的普通高速电火花加工，平均加工时间约为47s，加工效率提高约25.5%，通过三维视频显微镜观察其表面形貌，如图5所示，常规方法得到的加工工件形貌如图4，可以看出本方法制备得到的工件的表面完整性明显提高。

 

实施例2

如图1和图2所示，一种提高电火花高速穿孔加工表面完整性的装置，与实施例1的区别在于采用的加工工件7的材质是Q235（厚度7mm），放电脉冲宽度为40μs，占空比5:3，开路电压80V，平均电流28A，高速冲液压力5MPa，水雾压力控制在0.6MPa，水雾在加工工件表面的流速是67 m/s，气液体积比是200：1。

本实施例中直径2mm，深度7mm的小孔平均加工时间约为31s，而同种材料，同种加工参数下的普通高速电火花加工，平均加工时间约为38s，加工效率提高约18.42%，通过三维视频显微镜观察其表面形貌，表面完整性明显提高。

 

实施例3

如图1和图2所示，一种提高电火花高速穿孔加工表面完整性的装置，与实施例1的区别在于采用的加工工件7的材质是单晶硅锭（厚度5.5mm），电阻率0.01Ω﹒cm，放电脉冲宽度为40μs，占空比5:3，空载电压80V，平均电流28A，高速冲液压力5MPa，水雾压力控制在0.6MPa，水雾在加工工件表面的流速是100m/s，气液体积比是 200：1。

本实施例中直径2mm，深度5.5mm的小孔平均加工时间约为5s，而同种材料，同种加工参数下的普通高速电火花加工，平均加工时间约为6s，加工效率提高约16.67%，通过三维视频显微镜观察其表面形貌，表面完整性明显提高。

Claims (10)

1.一种提高电火花高速穿孔加工表面完整性的方法，其特征在于：在电火花高速穿孔加工的过程中，向加工工件待加工孔的入口和出口表面施加水雾。

2.根据权利要求1所述的提高电火花高速穿孔加工表面完整性的方法，其特征在于：所述的加工工件材质是金属、半导体或者碳纤维复合材料。

3.根据权利要求1所述的提高电火花高速穿孔加工表面完整性的方法，其特征在于：所述的水雾是由去离子水或水与压缩空气或氮气形成的。

4.权利要求1所述的提高电火花高速穿孔加工表面完整性的方法，其特征在于：所述的水雾中的液滴直径为10～200μm。

5.权利要求1所述的提高电火花高速穿孔加工表面完整性的方法，其特征在于：所述的水雾在加工表面的流速是在50~100m/s范围内，水雾中气、液体积比是200：1~50000：1。

6.权利要求1所述的提高电火花高速穿孔加工表面完整性的方法，其特征在于：所述的水雾气源压力范围0.4～0.7MPa，水雾温度范围-10～20℃。

7.一种提高电火花高速穿孔加工表面完整性的夹具，其特征在于：所述的夹具包括有上导块(14)和下导块(16)，上导块(14)与下导块(16)在夹合之后内部呈空腔，上导块(14)和下导块(16)上分别设置有水雾入口(15)和排屑槽(18)，上导块(14)的顶面上还开设有工具电极入口(13) ，工具电极入口(13)、水雾入口(15)和排屑槽(18)都与所述的空腔相连通。

8.根据权利要求7所述的提高电火花高速穿孔加工表面完整性的夹具，其特征在于：所述的水雾入口(15)与排屑槽(18)位于上、下导块(14、16)的相对面上。

9.一种基于权利要求7或8所述夹具的电火花高速穿孔加工装置，包括有依次连接的机床伺服系统(1)、机床旋转头(2)、工具电极(3)、夹具(6)，其特征在于：工具电极(3)穿过夹具(6)的上导块(14)的工具电极入口(13)，工具电极(3)与泵(12)连接，脉冲电源(4)的正、负极分别与加工工件(7)和工具电极(3)相连接；水雾入口(15)与喷雾装置(8)连接。

10.根据权利要求9所述的电火花高速穿孔加工装置，其特征在于：所述的喷雾装置(8)是微量润滑喷雾装置。

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