CN104625267B - 一种线锯绕制电极电解-机械微细切割加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种线锯绕制电极电解‑机械微细切割加工方法，属于特种加工技术领域。该方法利用两股截面为圆形的电镀金刚石线锯相互扭绞在一起制作成电极；该电极利用其凹凸结构以及高速自旋特性能有效地改善间隙内流场状态，使新的电化学反应离子及时补充到加工区；利用电镀金刚石线锯刮除电解产物和电解作用产生的钝化膜，能够大幅提高加工质量、加工效率；利用绞合线形成的很多凹槽，加工过程中磨损的金刚石颗粒进入凹槽中，这样在凹槽部分储存着很多磨粒，可以提供更多的人造金刚石用于磨削，从而改善了排屑性能，提高了磨削性能、切削效率和切削质量。

Description

一种线锯绕制电极电解-机械微细切割加工方法
技术领域
本发明属于特种加工领域，具体涉及一种线锯绕制电极电解-机械微细切割加工方法。
背景技术
对于金属的微细切割加工方法主要有：(1)精密机械切割技术；(2)金刚石线锯切割技术；(3)激光切割技术；(4)等离子切割技术；(5)微细磨料射流切割技术；(6)微细电火花线切割技术；(7)微细电解线切割技术；(8)电解-机械切割加工技术。
精密机械切割技术其实质是被加工的金属受剪力挤压而发生剪切变形并分离的工艺过程。加工时工件产生应力，不适合加工薄的工件，且加工表面质量较差、噪音大和出材率低。
金刚石线锯切割技术是近十几年获得快速发展的一种切割方法，主要包括使用游离磨料和固结磨料两类。使用游离磨料的往复式多线锯在半导体和光电子工业中占据了主导地位，但该技术存在切割速度低、磨料污染等问题。目前已使用固结磨料的金刚石单向线锯。固结磨料式线锯也称为金刚线，是指利用电镀工艺或树脂结合的方法，将金刚石磨料固定在金属丝上。单向线锯结构简单，可实现高速走丝，进行成形加工，对促进切割加工方法的发展具有重要的现实意义。该技术具有切缝窄、出材率高、锯切速度快、效率高、切割过程平稳和切割表面质量好等特点。但加工过程中，因金刚石颗粒所受载荷大，易磨损、破碎、脱落及镀层磨损。
激光切割技术是以激光的巨大能量(功率密度)直接聚集在被切零件的表面，产生足以使切割材料熔化甚至汽化的温度，再辅以喷吹气体吹走，从而达到分离材料的目的。该技术具有较高的切割效率，能够切割多种材料，很适用于切割薄板。但对切割面有烧伤、加工精度低、表面质量差，存在热影响区，成本比较高，对于厚工件的切割，切割速度明显下降。
等离子切割技术是利用高温等离子电弧的热量使工件切口处的金属局部熔化和蒸发，并借助高速等离子的动量排除熔融金属以形成切口的一种加工方法。几乎能切割所有的金属、非金属、多层及复合材料，切割速度快，切口窄，其切口最小宽度能达到0.15mm。对于厚度不大的金属切割，切割面较光洁；切割厚工件时会出现切割速度过低，切口宽度大，切割面的表面粗糙度过大等缺点。该加工方式是热切割加工，加工时工件表面形成热影响区，这对于某些特殊场合的使用受到限制。
微细磨料射流切割技术是在纯水射流中混入石英砂、金刚砂、石榴石、陶粒等非常硬的固体颗粒而形成的一类高压射流。其切割原理是通过喷嘴加速后冲击到被切割物表面，利用磨料颗粒对材料的冲蚀作用实现切割。其加工方式存在切割时间长、压力大和切割厚度有限、加工速度慢、加工效率低、加工精度不理想等问题，特别是对中厚板的加工非常困难。此外，高压水射流切割对所使用的一些水射流部件的性能要求高，如超高压泵、旋转密封、耐磨喷嘴和高压管件等，制约着高压水射流切割技术的进一步发展。
微细电火花线切割技术特别适合复杂微小零部件加工的要求，但它是依靠火花放电进行材料去除，其工具电极丝在加工过程中有损耗，因此电极丝必须有较大的直径，其微细加工能力受到较大限制。哈尔滨工业大学的狄士春等对火花放电蚀除表面质量进行了研究，提出了电火花加工过后，切割面上遗留一层白层，白层的存在影响了零件的加工质量。
微细电解线切割是一种基于微细电解原理的线切割加工技术，特别适合金属窄缝、窄槽微细结构的高精度加工。由于电解线切割技术还具有加工表面无裂缝、无应力、无变质层、与零件材料硬度无关等优点，尤其适合航空装备中对加工表面质量有特殊要求的金属微结构制造。国内、外研究人员对微细电解线切割加工技术进行了探索。SHIN等研究了超短脉冲、电解液浓度对加工间隙的影响；王昆等对微细电解线切割加工技术进行了深入、系统的研究，建立了加工理论模型，提出了电化学腐蚀法在线制备电极的新方法；利用这种方法，王少华等制备了直径最小为2μm的丝状电极，加工出了缝宽为8μm的微螺旋结构。现今，提高微细线切割电解加工技术的加工效率、加工精度、稳定性、切割面质量以及面向厚工件的加工越来越受到关注。随着微细结构的变小，电解产物的排除越来越困难，而电解产物的排除对于微细线切割加工的成败和工件加工质量有着重要的影响。
电解-机械微细切割加工技术是以电解作为材料去除的主要方式，电解作用生成钝化膜而影响电解的进一步进行，再以适当的机械作用去除钝化膜。中国专利CN 2787355Y揭露了超大厚度金属材料的电解机械复合切割装置，其采用的电极为复合电极，表面为固结磨料式电极，包括有芯部的金属丝及金属丝上间隔地固结绝缘磨料，或芯部的金属丝及缠绕在金属丝外围的绝缘砂线，若是电镀磨料砂线则先喷涂适当厚度的绝缘、耐磨、防腐蚀涂层使其绝缘。利用该电极能实现高精度加工，但该发明采用绝缘砂线缠绕在芯部金属表面，电解加工间隙为砂线的直径，加工间隙过大，电解加工效率不高。金属丝外围缠绕的绝缘砂线或对电镀磨料砂线喷涂绝缘层，减少了金属丝的裸露面积，降低金属丝对工件的电解加工作用，进一步降低了电解加工效率。中国专利CN 101797713A揭露了硅片的磨削/电解复合多线切割加工方法。该方法采用的电极为镀铜合金钢丝或金刚石固结磨料弹簧钢丝，丝径小于0.2mm，可以得到表面完整性好的太阳能硅片。但该加工方式金刚石颗粒损耗大、切割效率低。
发明内容
本发明的目的是针对上述加工方法的不足，提出了一种加工质量好、低成本、设计巧妙、电极结构简单且操作简便的电解-机械微细切割加工方法。
为了解决以上技术问题，本发明是通过以下技术方案予以实现的。
本发明一种线锯绕制电极电解-机械微细切割加工方法，包括以下步骤：
(a)将两股电镀金刚石线锯相互扭绞在一起制作电极；
(b)将电极通过套筒准确固定在U型机架两端的上皮带轮的轴心位置，上皮带轮通过同步带与下皮带轮相连，直流电机通过联轴器和长轴与下皮带轮相连接，电机启动后，带动电极高速自旋；
(c)将工件阳极安装工件夹具上，工件夹具经由压电陶瓷定位在悬臂梁上，悬臂梁与数控机床Z轴刚性连接，工件阳极可以在Z轴方向进给或回退，并可利用压电陶瓷的振动实现Z轴方向的低频微幅振动；
(d)加工过程中，泵使大电解液槽中的电解液经喷嘴喷射到加工区域，流入小电解液槽，若小电解液槽中的电解液液面高于电极穿过的贯通缝后，流入正下方大电解液槽，这样形成电解液循环；
(e)利用高频窄脉宽电解加工电源作为电解电源，使正极接工件阳极，负极接电极；
(f)利用金属在电解液中发生的电化学阳极溶解的原理，通过高速自旋的电极、工件阳极的X、Y、Z三轴数控运动以及工件阳极低频微幅振动将工件切割加工成型。
与公知技术相比，本发明具有如下技术效果：
①利用两股电镀金刚石线锯相互缠绕制作成线锯绕制电极，使电极产生具有凹凸的表面结构。在加工过程中，这种结构通过自旋能有效的改善加工间隙内流场状态，促使电解液更新速率加快，利于电解产物的排除，使得电解加工质量大幅提高。并且该电极制作简单，使用寿命长。
②本发明利用绞合线形成的凹槽，加工过程中磨损的金刚石颗粒进入凹槽中，这样在凹槽部分储存着磨粒，可以提供更多的人造金刚石用于磨削，提高了磨削性能、切削效率和切削质量。
③本发明通过改变工具电极和工件阳极之间的相对位置，采用工件阳极安装在电极的上方，加工中的狭长缝隙面向下方，使加工过程中产生的电解产物在重力的作用下能够容易地排出。
④本发明工件阳极在加工过程中沿Z轴方向进行低频微幅振动，通过振动扰动阳极表面的电解液，促使阳极产物的更加有效地扩散和排出。
附图说明
图1是本发明的线锯绕制电极示意图。
图2是本发明的线锯绕制电极的定位装置示意图。
图3是本发明的线锯绕制电极的传动装置示意图。
图4是本发明的线锯绕制电极电解-机械微细切割加工系统示意图。
图中标号名称：1、电镀金刚石线锯；2、电极；3、电极夹头；4、定位螺钉；5、弹簧；6、套筒；7、上皮带轮；8、同步带；9、跑偏装置；10、下皮带轮；11、长轴；12、联轴器；13、电机；14、U型机架；15、计算机系统；16、运动控制卡；17、电压放大器；18、电解电源；19、泵；20、工作平台；21、大电解液槽；22、小电解液槽；23、工件阳极；24、工件夹具；25、压力陶瓷；26、喷嘴；a、电解液。
具体实施方式
为了进一步了解本发明的内容，以下结合附图和实施例详述本发明，但本发明不局限于下述实施例。
本发明具体的加工实施过程依次经过以下步骤：
(1)、参考图1所示，将两股电镀金刚石线锯(1)扭绞在一起制作电极(2)；电镀金刚石线锯的基体材料采用截面形状为圆形，直径为Φ0.12～0.5mm的高碳钢丝。
(2)、参考图2所示，将上述制成的电极(2)通过夹头(3)和定位螺钉(4)安装在套筒(6)内腔内，电极夹头(3)与套筒(6)之间安装有张紧弹簧(5)，该装置(5)能使电极(2)始终保持一定的张力。
(3)、参考图2和图3所示，将上述的套筒(6)与上皮带轮(7)刚性连接，并安装在U型机架(14)上，上皮带轮(7)通过同步带(8)与下皮带轮(10)相连接，下皮带轮(10)与长轴(11)相连，这样在电机(13)的带动下，通过联轴器(12)、长轴(11)、下皮带轮(10)，经同步带(8)带动上皮带轮，使电极(2)高速旋转。为防止同步带(8)跑偏，在同步带(8)的两侧安置同步带跑偏装置(9)。
(4)、参考图4所示，将上述U型机架(14)安装在工作平台(20)上的T形槽内，将大电解液槽(21)、小电解液槽(22)放置在U型机架(14)中间，电极(2)经过小电解液槽(22)上的窄缝。加工时，泵(19)使电解液经喷嘴流入加工区域；当液面高于窄缝底部时，小液槽(22)内的电解液流入大电解液槽(21)内，形成电解液循环。根据不同的加工材料与加工具体要求，电解液可以采用NaNO3、NaCl等中性溶液，也可采用HClO4、HCl等酸性溶液。
(5)、参考图4所示，工件阳极(23)安装在机床Z轴下方工件夹具(24)内，加工时，工件阳极(23)在计算机系统(15)控制下，在Z轴方向作进给运动。工件夹具(24)通过压电陶瓷(25)与Z轴相连，加工过程中，计算机(15)控制电压放大器(17)输出一定频率的脉冲电压，驱动压电陶瓷(25)产生微小幅度的往复振动。并通过工件夹具(24)的传递，使工件阳极(23)产生沿Z轴方向的微幅往复振动，以排除电解产物。
(6)、参考图4所示，利用高频窄脉宽电解加工电源作为电解电源(18)，使正极接通工件阳极(23)，负极接通电极(2)，电压一般采用10～20V。
(7)、参考图4所示，接通电源(18)，计算机系统(15)在运动控制卡(16)的作用下，控制X、Y、Z轴运动，工件阳极(23)在电解液中发生电化学阳极溶解原理，将工件切割加工。
(8)、加工完成后，计算机系统(15)控制X、Y、Z轴数控运动，使电极(2)退出，即获得所需的结构。

Claims (1)

1.一种线锯绕制电极电解-机械微细切割加工方法，其特征在于包括下列步骤：
(a)将两股电镀金刚石线锯(1)相互扭绞在一起制作电极(2)；
(b)将电极(2)通过套筒(6)准确固定在U型机架(14)两端上皮带轮(7)的轴心位置，上皮带轮(7)通过同步带(8)与下皮带轮(10)相连，电机(13)通过联轴器(12)和长轴(11)与下皮带轮(10)相连接，电机(13)启动后，带动电极(2)高速自旋；
(c)将工件阳极(23)安装在工件夹具(24)上，工件夹具(24)经由压电陶瓷(25)定位在悬臂梁上，悬臂梁与数控机床Z轴刚性连接，工件阳极(23)可以在Z轴方向进给或回退，并可利用压电陶瓷(25)的振动实现Z轴方向的低频微幅振动；
(d)加工过程中，泵(19)使大电解液槽(21)中的电解液经喷嘴(26)喷射到加工区域，流入小电解液槽(22)，若小电解液槽(22)中的电解液液面高于电极(2)穿过的贯通缝后，流入正下方大电解液槽(21)，这样形成电解液循环；
(e)利用高频窄脉宽电解加工电源作为电解电源(18)，使正极接工件阳极(23)，负极接电极(2)；
(f)利用金属在电解液中发生的电化学阳极溶解的原理，通过高速自旋的电极(2)、工件阳极(23)的X、Y、Z三轴数控运动以及工件阳极(23)的低频微幅振动将工件切割加工成型。
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