CN104227156A - 一种基于微弧氧化的侧壁绝缘微细工具电极的在线制备方法 - Google Patents

一种基于微弧氧化的侧壁绝缘微细工具电极的在线制备方法 Download PDF

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一种基于微弧氧化的侧壁绝缘微细工具电极的在线制备方法，属于微细特种加工领域。解决了现有的侧壁绝缘电极离线制备方法需要“二次装夹”，导致微细加工的精度差的问题。本发明基于微弧氧化的侧壁绝缘微细工具电极的在线制备装置实现，首先将工具电极的毛坯固定在床Z轴的下端，反拷块连接高频脉冲电源的电源信号输出端，机床Z轴高速旋转，对工具电极毛坯的块电极电火花在线磨削加工；然后工具电极侧壁的微弧氧化在线绝缘制备；在工具电极毛坯的外表面氧化一层绝缘陶瓷膜；实现微弧氧化的侧壁绝缘微细工具电极的在线制备。本发明适用于在线制备工具电极。

Description

一种基于微弧氧化的侧壁绝缘微细工具电极的在线制备方法
技术领域
本发明属于微细特种加工领域，涉及到微细工具电极在线制备的电火花磨削加工及侧壁绝缘的微弧氧化方法。
背景技术
随着工业和科技的发展，精密微小金属零件已被广泛应用于生产和生活中的各个领域。而微细电加工技术包括微细电火花加工技术和微细电化学加工技术因其非接触加工、材料适应性广、没有宏观作用力等优点，在精密微小金属零件的加工方面有着其独特的优势。但微细电加工中，除期望的工具电极端面放电加工外，工具电极侧壁对已加工表面有严重的二次加工作用，影响加工的定域性，加工精度有待提高。为消除电极侧壁微细电火花加工过程中二次放电和微细电化学加工过程杂散腐蚀对加工精度和稳定性的不利影响，国内外学者常采用侧壁绝缘工具电极进行微细零件的加工制备。
经对现有技术的文献检索发现，国内外己见诸报导的电极绝缘方法主要涉及气相沉积法、浸渍提拉法、滴涂法和旋涂法。1985年，PCMTPhilips(Centre for ManufacturingTechnology)利用化学气相沉积技术CVD在微细电极表面制得厚度15μm的p-SiC/n-SiC、SiC/Si3N4/SiC组合绝缘层。2006年，山东科技大学通过浸渍提拉在直径为200μm的不锈钢电极表面涂敷了一层厚度均匀的绝缘树脂层，膜层厚度小于10μm。2006年，韩国首尔国立大学通过滴涂稀释过的瓷釉，在直径为60μm的单电极表面上涂敷了一层3μm厚的瓷釉层。2009年，清华大学通过在阵列电极表面涂敷液态绝缘材料，然后电极沿轴向方向高速旋转，获得单轴直径100μm、绝缘层厚度2-10μm可调的阵列电极。采用上述几种方法，都可以得到质量较好的侧壁绝缘微细工具电极。然而，这些方法中侧壁绝缘电极均采用离线制备，运用这些工具电极进行微细电火花加工或微细电化学加工时，存在电极的“二次装夹”问题，很难满足微细加工的精度要求。
发明内容
本发明是为了解决现有的侧壁绝缘电极离线制备方法需要“二次装夹”，导致微细加工的精度差的问题，本发明提出了一种基于微弧氧化的侧壁绝缘微细工具电极的在线制备方法。
本发明所述一种基于微弧氧化的侧壁绝缘微细工具电极的在线制备方法，该方法基于微弧氧化的侧壁绝缘微细工具电极的在线制备装置实现，所述微弧氧化的侧壁绝缘微细工具电极的在线制备装置包括电火花工作液槽、电火花工作液循环系统、反拷块、三轴高精度微细加工机床工作平台、微弧氧化槽、微弧氧化阴极、电解液循环系统、高频脉冲电源、短路检测系统、计算机和机床伺服系统；
电火花工作液槽设置在三轴高精度微细加工机床工作平台上表面的右侧，反拷块固定在三轴高精度微细加工机床工作平台上表面的右侧，微弧氧化槽设置在三轴高精度微细加工机床工作平台上表面的左侧，机床Z轴设置在三轴高精度微细加工机床工作平台中心的正上方，微弧氧化阴极通过夹具固定在微弧氧化槽内；
短路检测系统检测信号输入端同时连接反拷块和机床Z轴，短路检测系统检测信号输出端连接算机的检测信号输入端，计算机的伺服控制信号输出端连接机床伺服系统的控制信号输入端，机床伺服系统用于控制三轴高精度微细加工机床工作平台的三个主轴运动；
电火花工作液循环系统用于使电火花工作液槽内的工作液循环流动，电解液循环系统用于使微弧氧化槽内的液体循环流动，
该方法的具体步骤为：
步骤一、将工具电极的毛坯固定在机床Z轴的下端，反拷块连接高频脉冲电源的电源信号输出端，机床Z轴高速旋转，对工具电极毛坯的块电极电火花在线磨削加工；
具体方法为：将反拷块和工具电极毛坯进行感知接触，设置工具电极毛坯的进给量和加工参数，进行工具电极毛坯的磨削，同时利用电火花工作液循环系统提供循环工作液流过工具电极毛坯的表面，采用短路检测系统检测工具电极与反拷块之间的接触电压，当工具电极毛坯与反拷块无加工间隙而发生短路，则计算机控制机床Z轴使工具电极毛坯回退10μm-30μm重新加工，直至符合工具电极的标准；
步骤二、工具电极侧壁的微弧氧化在线绝缘制备；
具体方法：微弧氧化阴极连接高频脉冲电源的电源信号输出端，将微弧氧化阴极和工具电极进行感知接触，设置微弧氧化阴极与工具电极的加工间隙和加工参数，机床Z轴高速旋转电解液循环系统提供的循环电解液流过工具电极毛坯的表面，工具电极毛坯在Z轴方向做往复运动，且工具电极毛坯的端面始终在工具阴极底面以下，实现对工具电极毛坯进行侧壁绝缘的微弧氧化在线加工，工具电极毛坯的外表面氧化一层绝缘陶瓷膜；实现微弧氧化的侧壁绝缘微细工具电极的在线制备。
本发明在线制备微细侧壁绝缘工具电极，提高了微细工具电极端面加工的定域性，同时不需要二次装夹，保证了电极与工作台面的垂直度和电极与回转主轴的同轴度及工具电极和工件的相对位置要求，保证了绝缘电极后续微结构加工的精度。具体过程为，先利用块电极电火花磨削法将工具电极磨削到微细电加工所需的尺寸，再用微弧氧化对该工具电极侧壁进行加工，生成陶瓷绝缘薄膜，在线实现工具电极的侧壁绝缘，消除二次装夹引起的位置误差，提高工具电极后续微结构电加工的端面定域性，提高加工精度。
附图说明
图1是本发明在线制备过程中所需装置的结构示意图；
图2是具体实施方式一步骤一所述反拷块和工具电极毛坯感知接触示意图；
图3是具体实施方式一步骤二所述微弧氧化阴极和工具电极感知接触示意图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1、图2和图3说明本实施方式，本实施方式所述一种基于微弧氧化的侧壁绝缘微细工具电极的在线制备方法，该方法基于微弧氧化的侧壁绝缘微细工具电极的在线制备装置实现，所述微弧氧化的侧壁绝缘微细工具电极的在线制备装置包括电火花工作液槽1、电火花工作液循环系统2、反拷块3、三轴高精度微细加工机床工作平台4、微弧氧化槽5、微弧氧化阴极6、电解液循环系统7、高频脉冲电源8、短路检测系统9、计算机10和机床伺服系统11；
电火花工作液槽1设置在三轴高精度微细加工机床工作平台4上表面的右侧，反拷块3固定在三轴高精度微细加工机床工作平台4上表面的右侧，微弧氧化槽5设置在三轴高精度微细加工机床工作平台4上表面的左侧，机床Z轴12设置在三轴高精度微细加工机床工作平台4中心的正上方，微弧氧化阴极6通过夹具固定在微弧氧化槽5内；
短路检测系统9检测信号输入端同时连接反拷块3和机床Z轴12，短路检测系统9检测信号输出端连接算机10的检测信号输入端，计算机10的伺服控制信号输出端连接机床伺服系统11的控制信号输入端，机床伺服系统11用于控制三轴高精度微细加工机床工作平台4的三个主轴运动；
电火花工作液循环系统2用于使电火花工作液槽1内的工作液循环流动，电解液循环系统7用于使微弧氧化槽5内的液体循环流动，
该方法的具体步骤为：
步骤一、将工具电极的毛坯13固定在机床Z轴12的下端，反拷块3连接高频脉冲电源8的电源信号输出端，机床Z轴12高速旋转，对工具电极毛坯13的块电极电火花在线磨削加工；
具体方法为：将反拷块3和工具电极毛坯13进行感知接触，设置工具电极毛坯13的进给量和加工参数，进行工具电极毛坯13的磨削，同时利用电火花工作液循环系统2提供循环工作液流过工具电极毛坯13的表面，采用短路检测系统9检测工具电极13与反拷块3之间的接触电压，当工具电极毛坯13与反拷块3无加工间隙而发生短路，则计算机10控制机床Z轴12使工具电极毛坯13回退10μm-30μm重新加工，直至符合工具电极的标准；
步骤二、工具电极侧壁的微弧氧化在线绝缘制备；
具体方法：微弧氧化阴极6连接高频脉冲电源8的电源信号输出端，将微弧氧化阴极6和工具电极13进行感知接触，设置微弧氧化阴极6与工具电极13的加工间隙和加工参数，机床Z轴12高速旋转电解液循环系统7提供的循环电解液流过工具电极毛坯13的表面，工具电极毛坯13在Z轴方向做往复运动，且工具电极毛坯13的端面始终在工具阴极6底面以下，实现对工具电极毛坯13进行侧壁绝缘的微弧氧化在线加工，工具电极毛坯13的外表面氧化一层绝缘陶瓷膜15；实现微弧氧化的侧壁绝缘微细工具电极的在线制备。
本实施方式所述反拷块和电极之间的加工电压一般在100～200V之间，电容在200～4000PF，电流为0.05～0.2A，由电火花工作液循环系统提供的循环工作液流过，开始加工；三轴高精度微细加工机床工作平台包括X、Y和Z三个主轴，机床Z轴垂直于机床X轴和机床Y轴，且机床Z轴上固定有可转动主轴。
加工过程中通过短路检测系统检测工具电极与反拷块之间的接触电压，短路检测系统由计算机控制，当工具电极与反拷块无加工间隙而发生短路，则工具电极回退一定距离重新加工；进给完成之后，可用CCD观测系统检测工具电极是否达到满意的尺寸和形状，如果没有则继续进行电火花磨削加工；
微弧氧化阴极和工具电极感知接触，设置微弧氧化阴极与工具电极的加工间隙，加工电源采用脉冲电源，工具电极连接480V高压、微弧氧化阴极连接-80V低压，脉宽和脉间均可在100-1000μs范围内连续可调，在间隙处有由电解液循环系统提供的循环电解液流过，工作电流流过微弧氧化阴极与工具电极之间的加工间隙，需侧壁绝缘的工具电极沿其轴向方向做往复运动且保证工具电极的端面始终在微弧氧化阴极底面以下，则可对微细工具电极侧壁进行微弧氧化加工。
在微弧氧化加工中，针对不同的工具电极材料主要为铝、镁、钛及其合金和需求要选择不同的电解液。以加工铝为例，所用的电解液一般为0.8％Na2SiO3+0.2％KOH+0.2％Na2WO4·2H2O+0.5％稳定剂的水溶液。
具体实施方式二、本实施方式是对具体实施方式一所述的一种基于微弧氧化的侧壁绝缘微细工具电极的在线制备方法的进一步说明，它还包括CCD观测系统14，所述CCD观测系统14用于对采集工具电极毛坯13磨削过程的图像；CCD观测系统14的图像信号输出端连接计算机10的图像信号输入端。
本实施方式采用CCD观测系统检测工具电极是否达到满意的尺寸和形状。
具体实施方式三、本实施方式是对具体实施方式一所述的一种基于微弧氧化的侧壁绝缘微细工具电极的在线制备方法的进一步说明，步骤一中所述将反拷块3和工具电极毛坯13进行感知接触时反拷块和工具电极毛坯13之间的加工电压在100V～200V之间，电容为200PF～4000PF，电流为0.05A～0.2A。
具体实施方式四、本实施方式是对具体实施方式一所述的一种基于微弧氧化的侧壁绝缘微细工具电极的在线制备方法的进一步说明，步骤二中所述微弧氧化阴极6与工具电极13的加工间隙为0μm-100μm。
具体实施方式五、本实施方式是对具体实施方式一所述的一种基于微弧氧化的侧壁绝缘微细工具电极的在线制备方法的进一步说明，微弧氧化阴极6为片状结构。
本实施方式所述微弧氧化阴极为片状结构以提高微细工具电极侧壁绝缘加工的定域腐蚀能力，避免电极端面的微弧氧化加工。
本发明使用微弧氧化在线制备侧壁绝缘微细工具电极，保证了工具电极与工作台面的垂直度和电极与回转主轴的同轴度，提高微细加工的精度。该方法具体为：用块电极电火花磨削法将工具电极磨削到微细加工所需的尺寸；用微弧氧化对该微细工具电极侧壁进行加工，生成陶瓷绝缘薄膜。本发明克服了现有侧壁绝缘微细电极制备方法存在的“二次装夹”问题，并充分利用了块电极电火花磨削加工速度快的优势，具有加工精度和效率高的优点。

Claims (5)

1.一种基于微弧氧化的侧壁绝缘微细工具电极的在线制备方法，该方法基于微弧氧化的侧壁绝缘微细工具电极的在线制备装置实现，所述微弧氧化的侧壁绝缘微细工具电极的在线制备装置包括电火花工作液槽(1)、电火花工作液循环系统(2)、反拷块(3)、三轴高精度微细加工机床工作平台(4)、微弧氧化槽(5)、微弧氧化阴极(6)、电解液循环系统(7)、高频脉冲电源(8)、短路检测系统(9)、计算机(10)和机床伺服系统(11)；
电火花工作液槽(1)设置在三轴高精度微细加工机床工作平台(4)上表面的右侧，反拷块(3)固定在三轴高精度微细加工机床工作平台(4)上表面的右侧，微弧氧化槽(5)设置在三轴高精度微细加工机床工作平台(4)上表面的左侧，机床Z轴(12)设置在三轴高精度微细加工机床工作平台(4)中心的正上方，微弧氧化阴极(6)通过夹具固定在微弧氧化槽(5)内；
短路检测系统(9)检测信号输入端同时连接反拷块(3)和机床Z轴(12)，短路检测系统(9)检测信号输出端连接算机(10)的检测信号输入端，计算机(10)的伺服控制信号输出端连接机床伺服系统(11)的控制信号输入端，机床伺服系统(11)用于控制三轴高精度微细加工机床工作平台(4)的三个主轴运动；
电火花工作液循环系统(2)用于使电火花工作液槽(1)内的工作液循环流动，电解液循环系统(7)用于使微弧氧化槽(5)内的液体循环流动，
其特征在于，该方法的具体步骤为：
步骤一、将工具电极的毛坯(13)固定在床Z轴(12)的下端，反拷块(3)连接高频脉冲电源(8)的电源信号输出端，机床Z轴(12)高速旋转，对工具电极毛坯(13)的块电极电火花在线磨削加工；
具体方法为：将反拷块(3)和工具电极毛坯(13)进行感知接触，设置工具电极毛坯(13)的进给量和加工参数，进行工具电极毛坯(13)的磨削，同时利用电火花工作液循环系统(2)提供循环工作液流过工具电极毛坯(13)的表面，采用短路检测系统(9)检测工具电极(13)与反拷块(3)之间的接触电压，当工具电极毛坯(13)与反拷块(3)无加工间隙而发生短路，则计算机(10)控制机床Z轴(12)使工具电极毛坯((13)回退10μm-30μm重新加工，直至符合工具电极的标准；
步骤二、工具电极侧壁的微弧氧化在线绝缘制备；
具体方法：微弧氧化阴极(6)连接高频脉冲电源(8)的电源信号输出端，将微弧氧化阴极(6)和工具电极(13)进行感知接触，设置微弧氧化阴极(6)与工具电极(13)的加工间隙和加工参数，机床Z轴(12)高速旋转电解液循环系统(7)提供的循环电解液流过工具电极毛坯(13)的表面，工具电极毛坯(13)在Z轴方向做往复运动，且工具电极毛坯(13)的端面始终在工具阴极(6)底面以下，实现对工具电极毛坯(13)进行侧壁绝缘的微弧氧化在线加工，工具电极毛坯(13)的外表面氧化一层绝缘陶瓷膜(15)；实现微弧氧化的侧壁绝缘微细工具电极的在线制备。
2.根据权利要求1所述的一种基于微弧氧化的侧壁绝缘微细工具电极的在线制备方法，其特征在于，它还包括CCD观测系统(14)，所述CCD观测系统(14)用于对采集工具电极毛坯(13)磨削过程的图像；CCD观测系统(14)的图像信号输出端连接计算机(10)的图像信号输入端。
3.根据权利要求1所述的一种基于微弧氧化的侧壁绝缘微细工具电极的在线制备方法，其特征在于，步骤一中所述将反拷块(3)和工具电极毛坯(13)进行感知接触时反拷块和工具电极毛坯(13)之间的加工电压在100V—200V之间，电容为200PF—4000PF，电流为0.05A～0.2A。
4.根据权利要求1所述的一种基于微弧氧化的侧壁绝缘微细工具电极的在线制备方法，其特征在于，步骤二中所述微弧氧化阴极(6)与工具电极(13)的加工间隙为0μm-100μm。
5.根据权利要求1所述的一种基于微弧氧化的侧壁绝缘微细工具电极的在线制备方法，其特征在于，微弧氧化阴极(6)为片状结构。
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CN104227156B (zh) 2016-09-14

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