CN104708131A - 加工装置和加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及加工装置和加工方法。该加工装置包括：若干电极组，每一所述电极组包括一个或多个电极；及供电系统，连接于所述电极组，且用来提供相继的电压脉冲给所述电极组来激励所述电极组相继放电。本发明还涉及一种加工方法。该加工方法包括以下步骤：提供多个电极组，每一所述电极组包括一个或多个电极；放置所述电极组靠近工件且提供加工液于所述电极组和所述工件之间；及提供若干电压脉冲给所述电极组来从所述工件移除材料，所述电压脉冲相继产生来激励所述电极组相继放电。

Description

加工装置和加工方法

技术领域

本发明有关一种加工装置和加工方法，尤其涉及一种用于电火花加工工件的加工装置和加工方法。

背景技术

目前，电火花加工（Electrical Discharge Machining,EDM）方法用来切割或成型导电材料，例如钢、石墨、硅和磁性材料，并且普遍用来加工金属工件。实现电火花加工方法的电火花加工装置包括用来加工工件的电极。在电火花加工中，提供直流电和加工液于工件和电极之间来产生电火花或短暂的电弧。电极的加工末端和工件之间存在大约0.01毫米至大约0.50毫米的间隙，加工液提供于该间隙中。加工液在直流电作用下部分电离，如此在电极的加工末端和工件之间产生电火花或短暂的电弧。每一电火花或短暂的电弧产生热量来熔融工件的靠近电极的部分材料。通过连续的电火花或电弧来逐步移除工件的材料。

现有的电火花加工装置的供电系统提供一串电压脉冲给电极。当电压脉冲提供给电极时，电火花或短暂的电弧在电极和工件之间产生来移除工件的材料。然而，当处于两个电压脉冲之间的间歇时间时，无电火花或电弧产生，工件的材料未被移除。如此，加工速率和效率较低，加工工件花费的时间较长。尤其是对于加工成形复杂的产品，加工耗时巨大。例如加工高压扩散喷嘴，高压扩散喷嘴具有数目很多的叶片且每一叶片形状复杂，需要提供数量巨大的电压脉冲，产生无数次的电火花或电弧来完成一个涡轮叶盘，从而加工时间非常长。

因此，有必要提供一种加工装置和加工方法来解决上面提及的至少一个技术问题。

发明内容

本发明的一个方面在于提供一种加工装置。该加工装置包括：若干电极组，每一所述电极组包括一个或多个电极；及供电系统，连接于所述电极组，且用来提供相继的电压脉冲给所述电极组来激励所述电极组相继放电。

本发明的另一个方面在于提供一种加工方法。该加工方法包括以下步骤：提供多个电极组，每一所述电极组包括一个或多个电极；放置所述电极组靠近工件且提供加工液于所述电极组和所述工件之间；及提供若干电压脉冲给所述电极组来从所述工件移除材料，所述电压脉冲相继产生来激励所述电极组相继放电。

本发明电压脉冲相继产生来激励电极组相继放电，从而提高加工效率。

附图说明

通过结合附图对于本发明的实施方式进行描述，可以更好地理解本发明，在附图中：

图1所示为本发明加工装置的一个实施例的示意图；

图2所示为图1所示的加工装置的供电系统连接电极组和工件的一个实施例的示意图；

图3所示为图2所示的供电系统输出的电压脉冲的一个实施例的波形图；

图4所示为图2所示的供电系统输出的电压脉冲的另一个实施例的波形图；

图5所示为供电系统连接电极组和工件的另一个实施例的示意图；

图6所示为供电系统连接电极组和工件的再一个实施例的示意图；

图7所示为本发明加工方法的一个实施例的流程图。

具体实施方式

除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。

图1所示为一个实施例的加工装置100的示意图。加工装置100在一实施例中为电火花加工装置，可用来加工喷气发动机叶片、航空元件、涡轮机部件、飞机引擎、叶轮等。加工装置100用来从工件200上移除材料形成预期的形状。例如，高压扩散喷嘴。高压扩散喷嘴为360度的压缩机叶片组合，具有若干叶片。叶片为螺旋桨，环形间隔排布。工件200可由导电材料制成。加工装置100包括供电系统11、若干电极组13、机床15、主控制器17、伺服控制器19和探测装置21。

供电系统11连接于电极组13，用来提供相继的电压脉冲给电极组13来激励电极组13相继放电。电压脉冲先后且连续性地产生。供电系统11包括电源23和脉冲产生单元25。电源23用来提供电压于电极组13和工件200之间。电源23电性连接于工件200和脉冲产生单元25。在一实施例中，电源23包括直流电源，例如，电池、稳压电源等，通过直流电源的正极和负极来提供直流电压。在一实施例中，直流电源的正极通过脉冲产生单元25电性连接于电极组13，直流电源的负极电性连接于工件200。

脉冲产生单元25电连接于电源23和电极组13之间，用来将来自电源23的电压转换为若干电压脉冲给电极组13。脉冲产生单元25包括若干开关装置27和相位控制器29。开关装置27连接于电源23和电极组13之间。一个开关装置27和一个电极组13组成一个加工回路。加工回路并联。开关装置27分别被控制来相继地输出电压脉冲，如此加工回路相继工作。每一时刻仅一个加工回路工作。然而从整体上看，在加工过程中，工件200一直被电极组13不间断地加工。

相位控制器29连接于开关装置27，且用来控制开关装置27相继打开和闭合。相位控制器29输出若干串脉冲给开关装置27。一串脉冲提供给一个开关装置27来控制对应的开关装置27闭合，每一开关装置27由相位控制器29独立控制。电源23的电流通过闭合的开关装置27流至电极组13。当电压脉冲和加工液提供于电极组13和工件200之间时，电极组13和工件200之间产生电火花或短暂的电弧。相位控制器29产生的脉冲与开关装置27输出的电压脉冲的相位相同。

每一电极组13包括一个或多个电极31。电极31可以由导电材料制成，例如，石墨、铜、黄铜、其他类似材料，或多种上述材料的组合。电极31之间相互电绝缘。每一电极31独立地放电。电极31可通过支撑架（未图示）组装于机床15。机床15用来承载电极31和工件200。在一实施例中，机床15驱动电极31运动，工件200保持不动。机床15包括伺服电机、传感器和/或制动器。在另一实施例中，机床15驱动工件200运动，电极31保持不动。在再一实施例中，机床15驱动电极31和工件200都运动。机床15可以是数控机床。

主控制器17用来控制电源23、相位控制器29和机床15。主控制器17确定相位控制器29产生的脉冲的参数，例如脉冲的相位和周期。主控制器17确定电源23输出的电流。电源23输出给多个加工回路的电流可以独立确定且根据实际运用可以设置为不同的数值来优化加工。

探测装置21用来探测来自电极31的信号，该信号代表电极31的放电状况。该信号可以包括电压和/或电流。伺服控制器19用来根据电极31的放电状况控制电极31相对于工件200的运动。伺服控制器19根据探测装置21探测到的信号产生用于控制机床15的控制信号。主控制器17接收来自伺服控制器19的控制信号且根据该控制信号控制机床15。例如，当其中一个加工回路短路时，探测装置21探测到该短路情况并通知伺服控制器19，伺服控制器19要求主控制器17控制机床15移动电极组13远离工件200，从而避免电极31、工件200或其他部件的损坏。

图2所示为图1所示的供电系统11连接电极组13和工件200的一个实施例的示意图。在本实施例中，每一电极组13具有一个电极311、312、313或314。在一实施例中，电极311-314可以具有相同的形状、材料和其他特征。电极311-314在另一个实施例中具有不同的形状、材料或其他任一特征。在本实施例中，一个电极311-314连接一个开关装置271-274。只是为了图示说明的目的，图中显示了四个电极组、四个电极和四个开关装置，但实际运用中并不限于此，可包括任意数目的电极和开关装置。

每一个开关装置271-274间歇地打开和闭合。开关装置271-274依次一个接一个地打开和闭合。开关装置271-274可以是电子开关，例如晶体三极管、真空管或其他类似的装置。在本实施例中，开关装置271-274为NPN型三极管。在本实施例中，三极管271-274的基极连接至相位控制器29来接收脉冲，集电极连接至电压23，射极连接至电极组13。当基极接收到脉冲时，电源23输出的电流流过三极管271-274至电极组13。

图3所示为图2所示的供电系统11输出的电压脉冲一个实施例的波形图。结合参考图2，波形W1-W4为分别提供给开关装置271-274的电压脉冲的波形图。在本实施例中，波形W1-W4为方波，其包括上升沿和下降沿。相位控制器29提供脉冲给开关装置271来触发开关装置271闭合。如此波形W1的第一电压脉冲P1从开关装置271输出提供给对应的电极311，从而电极311放电。一旦相位控制器29提供的脉冲P1下降，相位控制器29输出另一个脉冲给开关装置272来触发该开关装置272闭合。如此波形W2的第二电压脉冲P2从开关装置272输出提供给对应的电极312，从而电极312放电。相似地，波形W3的第三电压脉冲P3和波形W4的第四电压脉冲P4相继产生并提供给相应的电极313和314，如此电极313和314相继且独立地放电。在一典型的实施例中，每一电压脉冲P1-P4的持续时间为40微秒（μs），每一波形W4的电压脉冲的周期为160μs。

连续的电压脉冲，也可叫做相邻的电压脉冲（例如电压脉冲P1和P2），在时间上相互衔接。一旦在先的电压脉冲（例如电压脉冲P1）下降，随后的电压脉冲（例如电压脉冲P2）上升。电压脉冲P1的下降沿和随后的电压脉冲P2的上升沿在时间轴上对齐。其他连续的电压脉冲，例如P2和P3、P3和P4等，也以同样的方式产生。在一个波形（例如W1）的脉冲间歇时间内，其他波形（例如W2-W4）的电压脉冲相继产生。电压脉冲P1-P5先后且连续的产生。如此电极311-314相继且周期性地放电。从整体上看在加工过程中不存在脉冲间歇时间，如波形W5所示。也就是说工件200被不间断地加工，因此很大程度上提高了加工速率。在一典型的实施例中，每一电压脉冲P1-P4的持续时间为40微秒（μs），每一波形W4的电压脉冲的周期为100μs。

图4所示为图2所示的供电系统11输出的电压脉冲的另一个实施例的波形图。图4所示的波形W1-W4类似于图3所示的相应的波形W1-W4。相比于图3所示的实施例，图4中连续的电压脉冲（例如电压脉冲P1和P2）在时间上部分重叠。第二电压脉冲P2的上升时间稍微早于第一电压脉冲P1的下降时间。同样地，电压脉冲P2和P3在时间上部分重叠，电压脉冲P3和P4在时间上部分重叠，电压脉冲P4和P5在时间上部分重叠。电压脉冲P1-P5相继产生，电极311-314相继且周期性地放电。从整体上看在加工过程中不存在脉冲间歇时间，如波形W5所示。相位控制器29产生的脉冲与电压脉冲具有相同的相位，因此相位控制器29输出的连续脉冲在时间上也部分重叠。

图5所示为图1所示的供电系统11连接电极组13和工件200的另一个实施例的示意图。图5所示的供电系统11和电极组13类似于图2所示的供电系统11和电极组13。相比于图2所示的实施例，图5所示的每一电极组13包括两个并联的电极31。一个电极组13的电极31都连接至一个开关装置27。电压脉冲的波形可以是图3或图4所示的波形W1-W4。电极组13相继地且周期性地放电，且每一电极组13的电极31相继地且周期性地放电。一个时刻仅一个电极31放电，加工过程中一直有电极31放电。在另一实施例中，每一电极组13包括两个以上并联的电极31。在一实施例中，每一电极组13包括相同数量的电极31。在另一个实施例中，多个电极组13分别包括不同数量的电极31。

图6所示为图1所示的供电系统11连接电极组13和工件200的再一个实施例的示意图。图6所示的供电系统11和电极组13类似于图5所示的供电系统11和电极组13。相比于图5所示的实施例，图6所示的供电系统11包括若干电容40，电容40连接于电极31和工件200之间。每一电容40的一端连接于开关装置27，另一端连接于电源23。

当开关装置27闭合时，相应的连接于该开关装置27的电容40通过电源23充电。例如，当开关装置271闭合时，连接于开关装置271的电容401和402由电源23充电。如此电极315、316与工件200之间的电压升高，可以升高至接近电源23的电压值的电压水平。一旦其中一个电极（例如电极315）与工件200之间的距离小于预设距离时，连接于电极315的电容401放电，在电极315和工件200之间产生电火花或电弧。预设距离可设置为大约0.01毫米至大约0.50毫米之间的任一值。另一个电极316和工件200之间的电压保持不变直至电极316和工件200之间的距离小于预设距离。一旦电容401放完电，电极316和工件200之间的距离小于上述预设距离，电容402放电，电极316和工件200之间产生电火花或电弧。

电极315与工件200之间的距离和电极316与工件200之间的距离不相等，使得电极315与工件200之间的距离和电极316与工件200之间的距离相继小于预设距离，如此可以使得电极315和电极316相继放电，从而提高材料的移除速率。其他电极组13的电极31也以同样的方式工作。在一些实施例中，每一电极组13包括两个以上的电极31，每一电极组13的电极31以图6所示实施例的类似方式工作。每一电极组13的电极31和工件200之间的距离不相等。

图7所示为加工方法700的一个实施例的流程图。步骤701中，提供多个电极组。每一电极组包括一个或多个电极。电极可以根据工件预计形成的形状成型。多个电极协同工作将工件加工成预计的形状。步骤703中，放置电极组靠近工件且提供加工液于电极组和工件之间。电极和工件之间间隔很小的间隙。在一实施例中，移动电极靠近工件，工件静止不动。在另一实施例中，移动工件靠近电极，电极静止不动。在再一实施例中，移动电极和工件相互靠近。至少在电极和工件之间的间隙内充满加工液。在一些实施例中，将电极和工件浸入加工液中。

步骤705中，提供若干电压脉冲给电极组来从工件移除材料，电压脉冲相继产生来激励电极组相继放电。当提供电压脉冲时，电极放电，电极和工件之间产生电火花或电弧，如此移除工件表面的材料。电极组相继地和周期性地放电，且每一电极组的电极相继地和周期性地放电。在一实施例中，连续的电压脉冲在时间上相互衔接。一旦在先的电压脉冲结束，在后的电压脉冲随即产生。在另一个实施例中，连续的电压脉冲在时间上部分重叠。在后的电压脉冲的产生时间稍微早于在先的电压脉冲的结束时间。整体上看，在加工过程中，一直有电极放电，因此工件被不间断地加工。如此加工的速率和效率大幅提高，尤其是对于需要通过很多次放电来形成较大的复杂形状的产品，加工时间大幅缩短。

在一实施例中，提供电压脉冲的步骤包括通过电源提供电压且通过脉冲产生单元将该电压转换为电压脉冲。电压可以是直流电源提供的直流电压。脉冲产生单元包括若干开关装置，其连接于电极组。将电压转换为电压脉冲的步骤包括分别控制脉冲产生单元的开关装置来相继地输出电压脉冲。在一实施例中，脉冲产生单元包括若干电容，电容连接于电极和工件之间。当连接于电容的开关装置闭合时，电容由电源充电。当电极和工件之间的距离小于预设距离时，电容放电给电极，电极放电来移除工件的材料。每一电极组的电极和工件之间的距离不相等，从而使得电极相继放电。

步骤707中，探测表示电极放电状况的信号。信号包括来自电极的电压和/或电流。步骤709中，根据电极的放电状况控制电极和工件的相对运动。例如其中一个电极短路时，表示该短路情况的电压和电流被探测到且告知控制器短路情况，控制器控制电极远离工件，从而避免电极、工件或其他部件的损坏。

加工方法700的动作以功能模块的形式图示，图7所示的模块的先后顺序和模块中动作的划分并非限于图示的实施例。例如，模块可以按照不同的顺序进行；一个模块中的动作可以与另一个或多个模块中的动作组合，或拆分为多个模块。

虽然结合特定的实施方式对本发明进行了说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于涵盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。

Claims (14)

1.一种加工装置，其特征在于，其包括：

若干电极组，每一所述电极组包括一个或多个电极；及

供电系统，连接于所述电极组，且用来提供相继的电压脉冲给所述电极组来激励所述电极组相继放电。

2.如权利要求1所述的加工装置，其特征在于：所述供电系统包括电源和脉冲产生单元，所述电源用来提供电压，所述脉冲产生单元电连接于所述电源和所述电极组之间，用来将来自所述电源的电压转换为若干电压脉冲给所述电极组。

3.如权利要求2所述的加工装置，其特征在于：所述脉冲产生单元包括若干开关装置，所述开关装置连接于所述电源和所述电极组之间，所述开关装置分别被控制来相继地输出所述电压脉冲。

4.如权利要求3所述的加工装置，其特征在于：所述脉冲产生单元进一步包括相位控制器，所述相位控制器连接于所述开关装置，且用来控制所述开关装置相继打开和闭合。

5.如权利要求2所述的加工装置，其特征在于：所述脉冲产生单元包括若干电容，所述电容连接于所述电极和所述工件之间，每一所述电极组的所述电极和所述工件之间的距离不相等。

6.如权利要求1所述的加工装置，其特征在于：连续的所述电压脉冲在时间上相互衔接。

7.如权利要求1所述的加工装置，其特征在于：连续的所述电压脉冲在时间上部分重叠。

8.一种加工方法，其特征在于，其包括以下步骤：

提供多个电极组，每一所述电极组包括一个或多个电极；

放置所述电极组靠近工件且提供加工液于所述电极组和所述工件之间；及

提供若干电压脉冲给所述电极组来从所述工件移除材料，所述电压脉冲相继产生来激励所述电极组相继放电。

9.如权利要求8所述的加工方法，其特征在于：所述提供电压脉冲的步骤包括通过电源提供电压且通过脉冲产生单元将所述电压转换为所述电压脉冲。

10.如权利要求9所述的加工方法，其特征在于：所述将所述电压转换为所述电压脉冲的步骤包括分别控制所述脉冲产生单元的若干开关装置来相继地输出电压脉冲，所述开关装置连接于所述电极组。

11.如权利要求9所述的加工方法，其特征在于：所述脉冲产生单元包括若干电容，所述电容连接于所述电极和所述工件之间，每一所述电极组的所述电极和所述工件之间的距离不相等。

12.如权利要求8所述的加工方法，其特征在于：所述加工方法进一步包括探测表示所述电极放电状况的信号，且根据所述电极的放电状况控制所述电极和所述工件的相对运动。

13.如权利要求8所述的加工方法，其特征在于：连续的所述电压脉冲在时间上相互衔接。

14.如权利要求8所述的加工方法，其特征在于：连续的所述电压脉冲在时间上部分重叠。