CN104607730A - 一种超声喷雾的准干式电火花加工方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超声喷雾的准干式电火花加工方法，通过电火花加工装置对工件进行电火花加工，同时，通过超声雾化装置对工件进行超声喷雾辅助加工。本发明还提供了一种超声喷雾的准干式电火花加工装置。本发明的有益效果是：在电火花加工的同时，将工作液进行超声雾化，超声雾化能够得到颗粒均匀分布的高能雾滴，利用超声雾化时产生的超声空化作用帮助提高材料去除率，提高了加工效率与加工效果。

Description

一种超声喷雾的准干式电火花加工方法及其装置

技术领域

本发明涉及电火花加工，尤其涉及一种超声喷雾的准干式电火花加工方法及其装置。

背景技术

电火花加工又称放电加工(Electrical Discharge Machining,简称EDM)，其加工过程就是利用脉冲电源持续不断的产生电脉冲，通过击穿工具电极与加工工件之间的工作介质形成放电通断，利用放电时产生的热能将工件蚀除，加工成所需的形状。因此以电火花加工具有不受工件材料强度、硬度等机械性能的限制，可以加工任意导电材料。同时由于工具电极与工件材料不接触，便于实现薄壁，窄槽、曲线孔，型腔等复杂形状的成型，也适用于精密微细加工，因此得到了迅速的发展和广泛的应用。

电火花加工相对于传统加工方法有着鲜明的特点，但是也有一定的局限性，比如加工效率不够高，加工材料一般为导电金属材料(在特定条件下也能加工半导体，梯度材料等非导体)，加工过程电极损耗导致精度变差等等。在目前电火花研究领域，由于放电加工过程本身存在这电磁学，电化学，粒子物理，热力学，流体力学等等各种强烈非线性，随机性因素的影响，其加工本质过程很难取得突破性的研究。因此，为了更好的将其应用于生活生产实际，加工工艺与控制策略成为了当前电火花研究的热点。而随着研究发展，电火花加工逐渐朝着绿色化，高效化，微细化的方向发展。1997年国枝正典(M.Kunieda)提出了在气体中加工的干式电火花加工方法，将高速高压气流通过中空管状电极，实现了在气体中的电火花加工。干式电火花加工的最大一个优点是在任何脉宽几乎都能够达到接近零的电极磨损率，同时不会有工作液循环系统，不会污染环境。然而，干式电火花加工也有不足之处，主要问题是材料去除率低、加工稳定性不足、短路率远高于湿法加工、容易形成电弧、工件表面效果也不如传统的湿法加工等。为解决上述问题，Tanimura T等提出了以气液两项混合物作为加工介质的准干式电火花加工方法，在高速高压气流中混入工作液，形成气液两项混合物。经过密歇根大学的C.C.Kao,Jia Tao等的进一步研究发现，准干式电火花加工方法相比干式电火花加工有着更好的加工效率，同时有更理想的加工效果。但是与干式电火花加工方法一样，准干式加工方法有着复杂的辅助供气增压系统，外围设备庞大复杂，不利于长时间稳定加工。同时，该方法所产生的工作液颗粒不均匀，连续性不好，在精密加工当中严重影响加工效果。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种超声喷雾的准干式电火花加工方法及其装置，以超声雾化为基础，超声雾化能够得到颗粒均匀分布的高能雾滴，利用超声空化的作用帮助提高材料去除率，提高了加工效率与加工效果。

本发明提供了一种超声喷雾的准干式电火花加工方法，通过电火花加工装置对工件进行电火花加工，同时，通过超声雾化装置对工件进行超声喷雾。

作为本发明的进一步改进，通过超声雾化装置对工件的侧边进行超声喷雾。

作为本发明的进一步改进，所述电火花加工装置包括加工机床、工控机、脉冲电源和加工电极，加工机床为加工电极提供X、Y、Z三个方向的伺服进给，脉冲电源根据加工电极与工件间的放电能量检测出加工状态为短路、开路或者正常放电，加工过程当中由加工机床实时反馈加工电极的位置，并传回工控机，工控机结合脉冲电源检测出的加工状态以及加工电极的位置，向加工电极给出进给控制命令。

作为本发明的进一步改进，所述超声雾化装置包括超声波电源、超声波换能器和恒流泵，所述恒流泵将工作液以恒流的方式输送到超声波换能器，超声波电源产生高频正弦波电信号，传到超声波换能器来雾化工作液，当工作液通过恒流泵流到超声波换能器末端时，超声波换能器的高频振动使得工作液雾化成雾化颗粒。

作为本发明的进一步改进，所述雾化颗粒的期望直径为D，

$D=0.34{\left(\frac{8\mathrm{\πT}}{\mathrm{\ρ}{f}^2}\right)}^{\frac{1}{3}}$

，其中，f为超声电源频率，ρ为液体密度，T为室温下液体张力。

本发明还提供了一种超声喷雾的准干式电火花加工装置，包括电火花加工装置和超声雾化装置，其中，所述超声雾化装置包括工作液存储器、超声波电源、超声波换能器和恒流泵，所述工作液存储器通过所述恒流泵与所述超声波换能器连接，所述超声波电源与所述超声波换能器电连接。

作为本发明的进一步改进，所述电火花加工装置包括加工机床、工控机、脉冲电源和加工电极，所述加工机床、脉冲电源分别与所述工控机电连接，所述加工电极设置在所述加工机床上，所述加工机床为所述加工电极提供X、Y、Z三个方向的伺服进给，所述脉冲电源与所述加工电极电连接。

作为本发明的进一步改进，所述超声雾化装置包括夹持装置，所述超声波换能器固定在所述夹持装置上，所述超声波换能器位于所述加工电极的侧边。

作为本发明的进一步改进，所述超声波换能器的前端设有变幅杆。

作为本发明的进一步改进，所述超声波换能器为夹心式压电陶瓷换能器，所述夹心式压电陶瓷换能器包括压电振子，所述压电振子由压电陶瓷片和前后盖板组成，所述夹心式压电陶瓷换能器的前端设有变幅杆。

本发明的有益效果是：通过上述方案，在电火花加工的同时，进行超声雾化，以超声雾化为基础，超声雾化能够得到颗粒均匀分布的高能雾滴，利用超声空化的作用帮助提高材料去除率，提高了加工效率与加工效果。

附图说明

图1是本发明一种超声喷雾的准干式电火花加工装置的结构示意图；

图2是喷雾加工时废屑排出过程的示意图；

图3是雾化颗粒自身存在高频的振动的示意图；

图4是雾化颗粒中空化气泡的突然破裂会产生瞬间的高温与膨胀作用的示意图；

图5是雾化颗粒中空化气泡的突然破裂会产生具有破坏力的冲击波的示意图；

图6是破裂的空化气泡在碰到不规则表面时会产生高速的微射流的示意图。

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。

图1至图6中的附图标号为：超声波电源11；超声波换能器12；工作液存储器13；恒流泵14；脉冲电源21；加工电极22；加工机床23；工控机24；工件3；加工废屑4；雾化颗粒5。

如图1至图2所示，一种超声喷雾的准干式电火花加工方法，通过电火花加工装置对工件3进行电火花加工，同时，通过超声雾化装置对工件3进行超声喷雾。

如图1至图2所示，通过超声雾化装置对工件3的侧边进行超声喷雾。

如图1至图2所示，所述电火花加工装置包括加工机床23、工控机24、脉冲电源21和加工电极22，加工机床23为加工电极22提供X、Y、Z三个方向的伺服进给，通过加工机床23驱动加工电极22进行X、Y、Z三个方向的伺服进给，脉冲电源21根据加工电极22与工件3间的放电能量检测出加工状态为短路或者开路或者正常放电，加工过程当中由加工机床23实时反馈加工电极22的位置，并传回工控机24，工控机24结合脉冲电源21检测出的加工状态以及加工电极22的位置，向加工电极22给出下一步的进给控制命令，以实现闭环控制。

如图1至图2所示，所述超声雾化装置包括工作液存储器13、超声波电源11、超声波换能器12和恒流泵14，将工作液存储到工作液存储器13内，所述恒流泵14将工作液以恒流的方式从工作液存储器13输送到超声波换能器12，超声波电源11产生高频正弦波电信号，传到超声波换能器12来雾化工作液，当工作液通过恒流泵14流到超声波换能器12末端时，超声波换能器12的高频振动使得工作液雾化成雾化颗粒5。

所述雾化颗粒5的期望直径为D，

$D=0.34{\left(\frac{8\mathrm{\πT}}{\mathrm{\ρ}{f}^2}\right)}^{\frac{1}{3}}$

，其中，f为超声电源频率，ρ为液体密度，T为室温下液体张力，由上述公式可知，加工频率越高，雾化颗粒5的期望直径D越小。

如图1至图2所示，一种超声喷雾的准干式电火花加工装置，包括电火花加工装置和超声雾化装置，其中，所述超声雾化装置包括工作液存储器13、超声波电源11、超声波换能器12和恒流泵14，所述工作液存储器13通过所述恒流泵14与所述超声波换能器12连接，所述超声波电源11与所述超声波换能器12电连接。

如图1至图2所示，所述电火花加工装置包括加工机床23、工控机24、脉冲电源21和加工电极22，所述加工机床23、脉冲电源21分别与所述工控机24电连接，所述加工电极22设置在所述加工机床23上，所述加工机床23为所述加工电极提供X、Y、Z三个方向的伺服进给，所述脉冲电源21与所述加工电极22电连接。

如图1至图2所示，加工机床23为数控电火花加工机床。

如图1至图2所示，所述脉冲电源21为具有检测功能高频脉冲加工电源，可以根据加工电极22与工件3间的放电能量检测出加工状态为短路或者开路或者正常放电，加工过程当中由加工机床23实时反馈加工电极22的位置，并传回工控机24，结合脉冲电源21检测出的加工状态，向加工电极22给出合理的进给控制命令，达到理想的加工效果。

如图1至图2所示，所述超声雾化装置包括夹持装置，所述超声波换能器12固定在所述夹持装置上，所述超声波换能器12位于所述加工电极22的侧边，加工时，所述超声波换能器12由夹持装置固定在加工电极22的一侧，由恒流泵控制恒定流量的工作液输向所述超声波换能器12，所述超声波换能器12将工作液雾化为雾化颗粒5，并喷向加工电极22的一侧。

如图1至图2所示，所述超声波换能器12的前端设有变幅杆。

如图1至图2所示，所述超声波换能器12优选为夹心式压电陶瓷换能器，所述夹心式压电陶瓷换能器包括压电振子，所述压电振子由压电陶瓷片和前后盖板组成，所述夹心式压电陶瓷换能器的前端设有变幅杆。

如图1至图2所示，通过变幅杆使得所述超声波换能器12末端获得更大的振幅，变幅杆为锥形，由于末端截面积最小，所以末端的截面能量密度最大，因此得到的振幅最大。

本发明提供的一种超声喷雾的准干式电火花加工方法及其装置的喷雾原理为：由超声雾化产生的雾化颗粒5为雾介质，该雾介质不仅有助于冲刷加工间隙，冷却加工电极22，超声雾化时产生的空化效应能够很好的帮助排出加工废屑4。超声空化效应是指存在于液体中的微气核空化泡在声波的作用下振动，当声压达到一定值时发生的生长和崩溃的动力学过程。该过程中产生的局部高温与高压将液体撕裂雾化成颗粒。空化效应发生在16KHz-100MHz超声频段内，理论上频率越低，空化作用越强。由超声换能器喷射出的雾化介质当中也存在强烈的空化作用，微细气穴在雾化介质当中高频震荡，急剧膨胀与压缩，该过程中产生高温高压，同时产生高速声波微射流，如图2所示。考虑到雾化颗粒5直径与空化强度问题，综合考虑，设计超声波电源11的工作频率在空化频段可调，频率太高空化作用太弱，不利于加工，频率太低，雾化颗粒5直径太大，不利于精密加工。多频率的超声波电源11不仅可以对比各频率时加工效果，同时有利于寻找各种加工条件下的最优加工频率。

一般认为超声雾化时微细的雾化颗粒5会有以下四种效应产生：

a)、如图3所示，雾化颗粒5自身存在高频的振动，影响周围环境；

b)、如图4所示，雾化颗粒5中空化气泡的突然破裂会产生瞬间的高温与膨胀作用；

c)、如图5所示，雾化颗粒5中空化气泡的突然破裂会产生具有破坏力的冲击波；

d)、如图6所示，破裂的空化气泡在碰到不规则表面时会产生高速的微射流，具有很强的冲击力。

从上述4种效应可以看出，空化过程的同时伴随着局部高压高速的产生，这些冲击作用能够很好的帮助加工时产生的加工废屑4排除出放电通道，减少了短路的发生，提高了加工效率。

本发明提供的一种超声喷雾的准干式电火花加工方法及其装置的加工过程为：与传统准干式加工过采用管状电极内喷的方式同，超声雾化加工采用侧向喷雾的方式，在加工凹槽与孔径时，内喷的方式由于气流与液体介质从上而下，很多加工废屑4被积累在凹槽底部，不能有效的排除出放电通道，造成短路，影响加工效率。同时针对雾中加工不够稳定的问题，侧向喷雾的方式由于雾介质均匀连续，雾介质覆盖面积远远大于传统内喷式加工方式，能够大范围的冷却工件3，放电通道受到的周围环境的扰动要比内喷式小很多，因此，侧喷雾的方式很大程度上减少了放电过程中短路的发生，提高了加工的稳定性。实际加工过程中，超声波电源11频率可调，在控制其他变量的前提下，对比各频率条件下的不同加工效果，频率与工作液雾化后直径以及空化作用强度直接相关，以此寻找最优加工频率。

本发明提供的一种超声喷雾的准干式电火花加工方法及其装置的优点为：超声喷雾电火花加工的新方法继承了传统的准干式电火花加工的优点，有着很好的加工效率与出色的加工效果。同时，与传统准干式电火花加工相比，超声雾化加工的方式有着更为精简的加工设备，没有复杂的供气系统，有着更低的能耗，并且加工当中工作液可由恒流泵精密控制，工作液能得到充分的雾化利用，是一种更为环保与绿色的加工方法。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种超声喷雾的准干式电火花加工方法，其特征在于：通过电火花加工装置对工件进行电火花加工，同时，通过超声雾化装置对工件进行超声喷雾。

2.根据权利要求1所述的超声喷雾的准干式电火花加工方法，其特征在于：通过超声雾化装置对工件的侧边进行超声喷雾。

3.根据权利要求1所述的超声喷雾的准干式电火花加工方法，其特征在于：所述电火花加工装置包括加工机床、工控机、脉冲电源和加工电极，加工机床为加工电极提供X、Y、Z三个方向的伺服进给，脉冲电源根据加工电极与工件间的放电能量检测出加工状态为短路或者开路或者正常放电，加工过程当中由加工机床实时反馈加工电极的位置，并传回工控机，工控机结合脉冲电源检测出的加工状态以及加工电极的位置，向加工电极给出进给控制命令。

4.根据权利要求1所述的超声喷雾的准干式电火花加工方法，其特征在于：所述超声雾化装置包括超声波电源、超声波换能器和恒流泵，所述恒流泵将工作液以恒流的方式输送到超声波换能器，超声波电源产生高频正弦波电信号，传到超声波换能器来雾化工作液，当工作液通过恒流泵流到超声波换能器末端时，超声波换能器的高频振动使得工作液雾化成雾化颗粒。

5.根据权利要求4所述的超声喷雾的准干式电火花加工方法，其特征在于：所述雾化颗粒的期望直径为D，

$D=0.34{\left(\frac{8\mathrm{\πT}}{\mathrm{\ρ}{f}^2}\right)}^{\frac{1}{3}}$

，其中，f为超声电源频率，ρ为液体密度，T为室温下液体张力。

6.一种超声喷雾的准干式电火花加工装置，其特征在于：包括电火花加工装置和超声雾化装置，其中，所述超声雾化装置包括工作液存储器、超声波电源、超声波换能器和恒流泵，所述工作液存储器通过所述恒流泵与所述超声波换能器连接，所述超声波电源与所述超声波换能器电连接。

7.根据权利要求6所述的超声喷雾的准干式电火花加工装置，其特征在于：所述电火花加工装置包括加工机床、工控机、脉冲电源和加工电极，所述加工机床、脉冲电源分别与所述工控机电连接，所述加工电极设置在所述加工机床上，所述加工机床为所述加工电极提供X、Y、Z三个方向的伺服进给，所述脉冲电源与所述加工电极电连接。

8.根据权利要求7所述的超声喷雾的准干式电火花加工装置，其特征在于：所述超声雾化装置包括夹持装置，所述超声波换能器固定在所述夹持装置上，所述超声波换能器位于所述加工电极的侧边。

9.根据权利要求6所述的超声喷雾的准干式电火花加工装置，其特征在于：所述超声波换能器的前端设有变幅杆。

10.根据权利要求6所述的超声喷雾的准干式电火花加工装置，其特征在于：所述超声波换能器为夹心式压电陶瓷换能器，所述夹心式压电陶瓷换能器包括压电振子，所述压电振子由压电陶瓷片和前后盖板组成，所述夹心式压电陶瓷换能器的前端设有变幅杆。