CN104014884A - 基于静电纺丝生成电极丝的微细电火花线切割加工装置 - Google Patents

Abstract

基于静电纺丝生成电极丝的微细电火花线切割加工装置，涉及电火花线切割设备。设有气体流量控制装置、气体喷嘴、静电纺丝液体、液体喷嘴、精密供液装置、控制器、电火花加工脉冲电源、x轴进给装置、y轴进给装置、碎屑收集器、刮板、真空泵、电机、纺丝收集器、导电碳刷、工件、纺丝、高压电源、密封基座。将静电纺丝技术应用到微细电火花加工技术中，利用静电纺丝出来的丝状结构，作为电火花加工使用的电极丝，进行放电加工。由于静电纺丝构造出来的纤维源源不断的产生，因此可弥补火花放电过程中产生的损耗。即使加工过程中产生“断丝”，也能迅速重新喷射，继续加工，解决了微细电火花加工中因断丝引起的精度差效率低的问题。

Description

基于静电纺丝生成电极丝的微细电火花线切割加工装置

技术领域

本发明涉及电火花线切割设备，尤其是涉及一种基于静电纺丝生成电极丝的微细电火花线切割加工装置。

背景技术

微细电火花线切割加工是一种使用轴向移动的微细电极丝对工件进行脉冲火花放电的加工方法。在加工中，轴向移动的电极丝可自动补偿电极损耗，可以获得很高的加工精度。具有加工余量小、加工精度高、生产周期短、制造成本低等突出优点，已在生产中获得广泛的应用，其广泛应用于微小齿轮、微小花键、微小异形孔、以及半导体模具、钟表模具等具有复杂形状的二维微小零件的加工。

微细电极丝是实现微细电火花线切割加工关键工艺条件。随着电极丝直径的不断减小，微细电火花线切割加工的缝宽也逐渐变窄，直接提高了微细电火花的加工精度和加工能力。如日本三菱公司采用直径为30μm的微细电极丝进行了商业应用(http://www.fanuc.co.jp/en/product/catalog/pdf/ROBOCUT_a-CiA(E).pdf)，台湾学者实现了最小直径13μm钨电极丝的切割加工(Shun-Tong Chen,Hong-Ye Yang and Chih-Wei Du.Study of an Ultrafine W-EDMTechnique.Journal of MicroMechanics and MicroEngineering.2009,19(11):5033～5041)。但是，微细电极丝的价格昂贵，使用成本较高。而且由于微细电极丝的直径较小，抗拉强度很低，在加工过程中极易产生断丝，浪费大量工时，降低加工效率。同时，重新穿丝加工后会破坏加工表面的完整性，增加了实现无人操作和自动化加工的困难。其次，微细电火花线切割加工通常采用抗拉强度较高的钨丝作为电极丝,提高精密加工的稳定性和可靠性。但是，由于钨丝的硬度很高,在使用中会增加对走丝装置的磨损，一些机床制造公司在很长一段时间内采用的是专用线切割机或两套走丝系统来实现细丝的切割加工，这又增加了机床的制造成本和使用成本。

静电纺丝技术是聚合物溶液或熔体在静电作用下进行喷射拉伸而获得纳米级纤维的技术，即将直流高压施加于聚合物溶液或熔体与收集装置之间，使聚合物溶液或熔体带上几千至上万伏高压静电，当电场力足够大时，带电的聚合物液滴克服表面张力形成喷射细流，细流在喷射过程中随溶剂蒸发或冷却凝固而固化，最终落在收集装置上，其纳米纤维直径一般在50nm～10μm之间，比目前最细的微细电极丝直径还要小。目前，对于采用静电纺丝技术产生电极丝的研究尚未见有文献报道。

发明内容

本发明的目的在于提出一种利用静电纺丝所产生的纤维丝作为工具电极进行电火花线切割加工的方法。

本发明设有气体流量控制装置、气体喷嘴、静电纺丝液体、液体喷嘴、精密供液装置、控制器、电火花加工脉冲电源、x轴进给装置、y轴进给装置、碎屑收集器、刮板、真空泵、电机、纺丝收集器、导电碳刷、工件、纺丝、高压电源、密封基座；

所述液体喷嘴固定在密封基座内部，喷嘴垂直向下；液体喷嘴内装有静电纺丝液体，液位高度由精密供液装置控制；所述纺丝收集器安装在密封基座底部；所述高压电源的正极与静电纺丝液体连接，高压电源的负极通过导电碳刷与纺丝收集器连接；所述x轴进给装置水平固定安装在密封基座内的底部，x轴进给装置上的滑台沿着x轴方向进给；所述y轴进给装置水平安装在x轴进给装置的滑台之上，y轴进给装置的滑台沿着y轴方向进给；所述工件安装在y轴进给装置的滑台上；所述电火花加工脉冲电源的正极与静电纺丝液体连接，电火花加工脉冲电源的负极与工件连接；所述控制器通过控制x轴进给装置和y轴进给装置进给，带动工件靠近纺丝；所述气体喷嘴安装在液体喷嘴前端，垂直向下对加工区域喷出气体；所述控制器根据电火花加工脉冲电源实时测到间隙电压值，用于控制x轴进给装置和y轴进给装置的进给速度和方向。

所述纺丝收集器可采用导电金属材料制作，上部分为圆锥形，下部分为圆柱形，可绕自身中心轴线转动，上部分的圆锥形尖与液体喷嘴正对。

所述纺丝收集器在电机的带动下绕自身中心轴线转动，落在圆锥形尖上的纺丝随纺丝收集器一起转动；所述刮板固定不动，并沿着纺丝收集器上部分圆锥形的母线方向安装；随着纺丝收集器的转动，刮板将落在纺丝收集器上的纺丝不断的从纺丝收集器上剥离下来，并随着刮板上的凹槽导入到碎屑收集器中。

所述密封基座可采用密封容器，所述真空泵可以将密封基座内的气体抽出，使密封基座内部的绝对压力值保持在0～1个大气压内，以减小周围环境对加工过程的影响。

所述纺丝直径可以通过改变高压电源的电压值、调整液体喷嘴和纺丝收集器之间的距离、调整静电纺丝液体浓度等方式实现。

所述控制器内具有路径插补功能，可控制x轴进给装置与y轴进给装置按照预先设计好的轨迹进给，完成切割。

本发明将静电纺丝技术应用到微细电火花加工技术中，利用静电纺丝出来的丝状结构，作为电火花加工使用的电极丝，进行放电加工。由于静电纺丝构造出来的纤维源源不断的产生，因此可以弥补火花放电过程中产生的损耗。即使加工过程中产生“断丝”，也能迅速重新喷射，继续加工，解决了微细电火花加工中因断丝引起的精度差效率低的问题。另外，静电纺丝产生的纤维直径比微细电极丝还要细，因此可以进行更小尺度的加工，提升微细电火花的加工能力。

附图说明

图1为本发明实施例的结构组成示意图。

具体实施方式

参见图1，本发明实施例设有气体流量控制装置1、气体喷嘴2、静电纺丝液体3、液体喷嘴4、精密供液装置5、控制器6、电火花加工脉冲电源7、x轴进给装置8、y轴进给装置9、碎屑收集器10、刮板11、真空泵12、电机13、纺丝收集器14、导电碳刷15、工件16、纺丝17、高压电源18、密封基座19。

所述密封基座19为一个金属密封容器，所述气体流量控制装置1、气体喷嘴2、静电纺丝液体3、液体喷嘴4、精密供液装置5、x轴进给装置8、y轴进给装置9、碎屑收集器10、刮板11、电机13、纺丝收集器14、导电碳刷15、工件16、纺丝17均设在密封基座19内。所述液体喷嘴4固定在密封基座19之上，液体喷嘴4垂直向下；液体喷嘴4内装有静电纺丝液体3，液位高度由精密供液装置5控制，精密供液装置5与外部供液管道连接；气体喷嘴2安装在液体喷嘴4的前端，气体喷嘴2垂直向下，并与液体喷嘴4同轴心；气体流量控制装置1与外部供气装置连接，可以控制进入到气体喷嘴2中的气体流量；高压电源18的正极与静电纺丝液体3连接，高压电源18的负极通过导电碳刷15与纺丝收集器14连接；纺丝收集器14为导电金属材料制作，上部分为圆锥形，下部分为圆柱形；纺丝收集器14安装在密封基座19底部，纺丝收集器14上部的锥尖与液体喷嘴4正对；电机13与纺丝收集器14连接，可带动纺丝收集器14绕自身中心轴线转动；在纺丝收集器14转动的过程中，导电碳刷15始终与纺丝收集器14的下部紧密接触；在高压电源18的作用下，静电纺丝液体3在液体喷嘴4和纺丝收集器14之间产生垂直的纺丝17；刮板11为塑料材质，紧贴着纺丝收集器14锥体的母线方向安装；刮板11的下端与固定在密封基座19之上的碎屑收集器10连接；x轴进给装置9水平固定安装在密封基座19之上，x轴进给装置9上的滑台可以沿着x轴方向进给；y轴进给装置8水平安装在x轴进给装置9的滑台之上，y轴进给装置8的滑台可以沿着y轴方向进给；工件16安装在y轴进给装置8的滑台上；电火花加工脉冲电源7的正极与静电纺丝液体3连接，电火花加工脉冲电源7的负极与工件16连接；真空泵12安装在密封基座19的底部，泵口与纺丝17同轴；所述导流量控制装置1、精密供液装置5、电火花加工脉冲电源7、x轴进给装置8、y轴进给装置9、真空泵12、电机13、高压电源18的控制端均与控制器6连接，可通过控制器6控制导流量控制装置1与精密供液装置5的流量，控制电火花加工脉冲电源7与高压电源18的电源参数，控制x轴进给装置8与y轴进给装置9的进给，控制真空泵12、电机13的启停。

在进行加工之前，控制器6发出控制信号控制高压电源18打开，在高压电源18的作用下，静电纺丝液体3在液体喷嘴4和纺丝收集器14之间产生纺丝17。控制器6控制体流量控制装置1向气体喷嘴2内通入气体，通入的气体由气体喷嘴2垂直向下喷出，保护和引导纺丝17垂直向下喷射。真空泵12将密封基座19内的气体抽出，使密封基座19内部的绝对压力值保持在0～1个大气压内，以减小周围环境对纺丝的影响。控制器6发出控制信号控制精密供液装置5向液体喷嘴4供给静电纺丝液体，使纺丝17源源不断。控制器6通过改变高压电源18的电压值来调整纺丝17的直径，以获得适合的工具直径。纺丝收集器14在电机13的带动下绕自身中心轴线转动，落在锥尖上的纺丝17随纺丝收集器14一起转动。紧贴着纺丝收集器14的刮板11固定不动，将落在纺丝收集器14上的纺丝17不断的从纺丝收集器14上剥离下来，并随着刮板11上的凹槽导入到碎屑收集器10中。

在纺丝17稳定生成后，控制器6控制电火花加工脉冲电源7打开。脉冲电压将加载到纺丝17和工件16之间。控制器6控制x轴进给装置8和y轴进给装置9进给，带动工件16向纺丝17靠近。当纺丝17和工件16的距离足够近(10μm内)时，纺丝17和工件16之间将产生火花放电，蚀除工件16上的放电区域的材料，纺丝17上的损耗将由新的纺丝补充上来。气体喷嘴2垂直向下喷出的气体将起着消除电离、防止拉弧的作用，同时还将火花放电过程中的蚀除产物从加工间隙中清除。电火花加工脉冲电源7实时检测纺丝17和工件16之间的电压值，并与电火花加工脉冲电源7内部预设的伺服参考电压值进行比较，并将比较结果发送给控制器6。当纺丝17和工件16之间的电压值大于伺服参考电压时，控制器6控制x轴进给装置8或y轴进给装置9按照预先轨迹进给；当纺丝17和工件16之间的电压值小于伺服参考电压时，控制器6控制x轴进给装置8或y轴进给装置9按照原轨迹回退。控制器6控制x轴进给装置8与y轴进给装置9按照预先设计好的轨迹进给，最终完成切割。

Claims (3)

1.基于静电纺丝生成电极丝的微细电火花线切割加工装置，其特征在于设有气体流量控制装置、气体喷嘴、静电纺丝液体、液体喷嘴、精密供液装置、控制器、电火花加工脉冲电源、x轴进给装置、y轴进给装置、碎屑收集器、刮板、真空泵、电机、纺丝收集器、导电碳刷、工件、纺丝、高压电源、密封基座；

所述液体喷嘴固定在密封基座内部，喷嘴垂直向下；液体喷嘴内装有静电纺丝液体，液位高度由精密供液装置控制；所述纺丝收集器安装在密封基座底部；所述高压电源的正极与静电纺丝液体连接，高压电源的负极通过导电碳刷与纺丝收集器连接；所述x轴进给装置水平固定安装在密封基座内的底部，x轴进给装置上的滑台沿着x轴方向进给；所述y轴进给装置水平安装在x轴进给装置的滑台之上，y轴进给装置的滑台沿着y轴方向进给；所述工件安装在y轴进给装置的滑台上；所述电火花加工脉冲电源的正极与静电纺丝液体连接，电火花加工脉冲电源的负极与工件连接；所述控制器通过控制x轴进给装置和y轴进给装置进给，带动工件靠近纺丝；所述气体喷嘴安装在液体喷嘴前端，垂直向下对加工区域喷出气体；所述控制器根据电火花加工脉冲电源实时测到间隙电压值，用于控制x轴进给装置和y轴进给装置的进给速度和方向。

2.如权利要求1所述基于静电纺丝生成电极丝的微细电火花线切割加工装置，其特征在于所述纺丝收集器的上部分为圆锥形，下部分为圆柱形，可绕自身中心轴线转动，上部分的圆锥形尖与液体喷嘴正对。

3.如权利要求1所述基于静电纺丝生成电极丝的微细电火花线切割加工装置，其特征在于所述密封基座采用密封容器。