CN104741711B - 不对称深度微沟槽电极及应用其放电加工微弯孔的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了不对称深度微沟槽电极及应用其放电加工微弯孔的方法。该不对称深度微沟槽电极在圆柱形的电极整个圆周上沿轴向布有V形的微沟槽，微沟槽的深度呈上下逐渐变深趋势，从上到下左右对称地为第二微沟槽到第n微沟槽，微沟槽的沟槽深度变化规律为：hn＝h(n‐1)+D/m，电极的中心设有通气孔。使用时，电极连接脉冲电源的负极，工件连接脉冲电源的正极，脉冲电源的电压为20～300V，电流为0.5～50A，脉冲电源频率20～1000Hz；电极中的通气孔通入脉冲气流，频率与脉冲电源频率相同。本发明不对称深度微沟槽电极的放电使得微电极朝着更深的微槽圆柱面方向偏移，从而加工出微弯曲孔。

Description

不对称深度微沟槽电极及应用其放电加工微弯孔的方法
技术领域
本发明涉及一种弯曲孔加工技术，特别是涉及一种气中微放电的空间弯曲微孔加工和电极制造方法，该加工方法属于电火花加工领域。
技术背景
电火花加工技术具有操作简单，加工成本低，最小加工孔径可达数微米的优点，所以应用领域较广。但是，传统的电火花加工技术仅能加工直孔，无法满足高附加值零部件中的空间弯曲路径微孔加工。空间弯曲孔加工技术一直是制造技术中的一个重要的技术问题，很多机械零部件都需要弯曲孔的结构，尤其是铸造模具(特别是一模多腔)弯弯曲曲的结构需要设计冷却水道孔随模具型腔绕弯进行冷却，提高铸造质量；由于这些冷却水道孔在三维空间内发生弯曲，用现在的制造技术很难加工出符合要求的空间弯曲微孔。因此为了提高机械加工工艺，一般不允许设计弯曲孔结构，但由于有的零部件必须设计弯曲孔结构来提高性能，因此现在一般做法是采用几段直孔拟合成曲线来代替弯曲孔，但这种方法很难满足要求高的生产性能，有时还会发生泄漏等严重现象并且制造成本也高。因此为了满足现在工业生产制造的空间弯曲微孔的需求，需要一种操作简单，生产成本低，可以普及的空间弯曲孔加工方法，来提高零部件的制造质量。
在弯曲孔加工方面，由于电火花加工具有以柔克刚的特点成为现在弯曲孔加工常用方法。现在应用电火花加工弯曲孔方面的研究主要集中在日本，但他们大多数研究的是如何对电极端头进行智能控制，使得电极端头可以按要求进行弯曲从而加工出弯曲孔。由于电火花加工环境的特殊性和放电电极的尺寸小等特点，使得通过智能控制电极端头加工出弯曲微孔的加工方法成本高，设备复杂。
发明内容
本发明的目的在于克服现有弯曲孔加工成本高，设备复杂的缺点，提供一种不对称深度微沟槽电极及应用其放电加工微弯孔的方法，可以简单地实现弯曲微孔加工。
本发明可通过如下技术方案实现：
一种不对称深度微沟槽电极，在圆柱形的电极整个圆周上沿轴向布有V形的微沟槽，微沟槽在整个圆周上呈左右对称，上下为不对称分布，微沟槽的深度呈上下逐渐变深趋势，其中最上面微沟槽为第一微沟槽，第一微沟槽的深度h1最浅，从上到下左右对称地为第二微沟槽到第n微沟槽，微沟槽的沟槽深度变化规律为：hn＝h(n-1)+D/m，其中h(n-1)为电极表面第n‐1条微沟槽的深度，hn为第n条微沟槽的深度，n的取值范围为1<n<30，D为电极的外径，m是一个正实数，取值范围为50<m<80；电极的中心设有通气孔，通气孔的直径为0.1～2.5毫米；所述微沟槽的表面涂有绝缘涂层。
优选地，所述微沟槽的V形结构两侧面的夹角为45～60度。
所述第一微沟槽的深度h1为0.01毫米。
所述电极的材料为紫铜。
所述微沟槽的深度为10～300微米。
所述绝缘涂层的厚度为0.006～0.01毫米，绝缘涂层的材料为芳基聚酰亚胺。
应用所述不对称深度微沟槽电极放电加工微弯孔的方法：电极连接脉冲电源的负极，工件连接脉冲电源的正极，脉冲电源的电压为20～300V，电流为0.5～50A，脉冲电源频率20～1000Hz；电极中的通气孔通入脉冲气流，频率与脉冲电源频率相同。
优选地，脉冲电压与脉冲气体的频率都为20～1000Hz，占空比30～70％。
电极侧面上的微沟槽由于有助于气体的排出，从而提高了放电加工效率并且可以加工出更大深径比的微深孔。在进行气中微放电加工时，由于不同深度的微沟槽对微放电的影响不同，深度大的微沟槽由于更加有助于排气和排屑，这使得更加有利于产生电火花放电，材料去除速率也明显提高，从而使在电极不同深度微槽的地方材料去除速率不同；这种不对称的放电去除效率使得微电极朝着更深的微槽圆柱面方向偏移，从而加工出微弯曲孔。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)使用不对称微槽结构电极进行弯孔微放电加工，不需要复杂的机构和控制模块，只需要在传统电极上加工出为沟槽，从而降低了加工成本；
(2)电极侧面上的微槽由于有助于排气和排屑，从而提高材料去除速率，从而降低加工成本，并且可以加工出更大深径比的微深孔。
附图说明
图1为本发明的不对称微槽结构电极的加工示意图。
图2为不对称微沟槽电极的三维示意图。
图3为图2不对称微槽结构电极的横截面示意图。
图4为放电加工初始阶段的加工示意图。
图5为放电结束时弯孔成型示意图。
具体实施方式
为更好理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，但是本发明要求保护的范围并不局限于实施例表示的范围。
传统的电火花加工电极一般为圆柱形，本发明是在电极侧面上加工不对称微槽结构。如图1所示，在制作不对称深度微槽结构电极时，是采用高速旋转V形尖端金刚石砂轮1，在电极2的放电侧面上作直线往复运动，每次进给深度为1～5微米，逐渐加工出V形的微沟槽3；电极2的中心设有通气孔5，通气孔5的直径为0.1～2.5毫米，电极2制作过程中通过夹具4装夹和定位；砂轮转速为2000～3000转/分，进给速度为0.1～0.2米/分，切削液为水。
图2为不对称深度微沟槽电极的三维示意图，如图2所示，电极2的外径D控制为：0.3<D<3.0毫米，电极2的表面布有微沟槽3，微沟槽3形成微沟槽阵列，微沟槽3两侧面的夹角为45～60度。电极2的侧表面涂有厚度为0.006～0.01毫米的绝缘涂层，其材料为芳基聚酰亚胺，涂绝缘涂层的目的是防止电极侧面与工件上已加工出的孔壁接触发生放电，从而保证电火花放电始终发生在电极顶端。
如图3所示，微沟槽3均匀地布满在电极2的侧面，呈左右对称，但上下为不对称的结构，微沟槽的深度呈上下逐渐变深趋势，其中最上面微沟槽为第一微沟槽，沟槽深度h1最浅，优选深度为0.01毫米，从上到下左右对称地为第二微沟槽到第n微沟槽，微沟槽的沟槽深度变化规律为：hn＝h(n-1)+D/m，其中h(n-1)为电极2表面第n‐1条微沟槽的深度，hn为第n条微沟槽的深度，n的取值范围为1<n<30，D为电极2的外径，m是一个正实数取值范围为50<m<80。本发明所使用的电极2为中空的紫铜电极，中心轴向的通气孔5是在以气体为介质的电火花加工时的气体通道；电极2表面的微沟槽3两侧面的夹角为45～60度。
如图4和图5所示，一种应用不对称深度微沟槽电极放电加工微弯孔的方法，电极2连接脉冲电源的负极，工件6连接脉冲电源的正极，脉冲电源的电压为20～300V，电流为0.5～50A，脉冲电源频率20～1000Hz。电极2中的通气孔5通入脉冲气流，频率与脉冲电源频率相同，都为20～1000Hz，脉冲气流可以辅助排屑。在进行气中微放电加工时，由于不同深度的V沟槽对微放电的影响不同，深度深的微沟槽由于更加有助于排气和排屑，这使得更加有利于产生电火花放电，材料去除速率也明显提高，从而使电极不同深度微槽的地方材料去除速率不同；在微沟槽深度深的地方由于材料去除速率较大，使得该处电极和工件之间的间隙也较大，放电产生的瞬间膨胀气流对电极的向右作用力F2较小，而微槽深度浅的地方由于材料去除速率较小，在该处电极和工件之间的间隙就很小，放电产生的瞬间膨胀气流对电极的向左作用力F1较大，即F2<F1。这使得电极在不同方向上受到的作用力不同，受力的不平衡将使电极端头7发生弯曲；电极向受力最小的方向弯曲使得电火花微放电8方向也发生改变。这种不对称的放电去除效率使得微电极朝着更深的微槽圆柱面方向偏移，从而加工出微弯曲孔。弯曲孔的弯曲程度是通过孔底相对于孔切入点，沿与电极进给方向垂直的方向偏离距离W(图5)来衡量。偏移距离W是通过改变公式hn＝h(n‐1)+D/m，1<n<30，50<m<80，中的参数m来控制，当电极外直径D确定后，参数m在规定的范围内值越小，所加工出的孔孔底的偏移距离W就相对越大，可以通过控制m的值来控制偏移距离W的大小。可加工出孔径为0.15～3.2毫米，偏移距离0.1<W<5毫米。
实施例1
如图1所示方法加工出放电电极，在CNC精密磨床(SMRART B818)上采用直径150毫米的微细金刚石砂轮，金刚石砂轮的粒度为3000目，结合剂为树脂，浓度为100％，金刚石砂轮V形尖端角度为60度。在直径为1毫米、通气孔5的孔径为0.2毫米的圆柱形的电极2表面加工V形的微沟槽3，微沟槽3方向沿圆柱电极的轴向，微沟槽3的深度变化规律为：hn＝h(n-1)+D/50，h1＝0.01毫米，D＝1毫米。最终在圆柱电极外表面加工出38条沟槽，微沟槽3呈V形，两侧面夹角为60度。由于本实施例制作的电极(如图2)表面的沟槽呈左右对称分布，最浅的微沟槽的深度h1＝0.01毫米，最深的微沟槽的深度hn＝h19＝0.39毫米。
将加工有沟槽的电极夹持在HAN SPARK精密电火花成型机床上，脉冲电源电流设定为2A，电压为20V，电源频率300Hz，加工深度为4毫米。加工工件外形尺寸为长50毫米、宽50毫米、厚4毫米的铝板。微放电加工时，由于不同深度的V沟槽对微放电的影响不同，深度深的微槽更加有助于排屑，这使得更加有利于产生电火花放电，材料去除速率也明显提高，导致加工孔孔底向材料去除率大的方向偏移，从而加工出弯曲孔。弯曲孔的弯曲程度在本例中通过孔底相对于孔切入点，沿与电极进给方向垂直的方向偏离距离W(图5)来衡量。偏移距离W是通过改变公式hn＝h(n‐1)+D/m，1<n<30，50<m<80，中的参数m来控制，当电极的外直径D确定后，参数m在规定的范围内值越小，所加工出的孔孔底的偏移距离W就相对越大，可以通过控制m的值来控制偏移距离W的大小。本实施例中m取值为50。最终在工件表面加工出深度为3.2毫米、直径为1.2毫米的孔。孔底相对于孔切入点，沿与电极进给方向垂直的方向偏离距离为1mm(图5中W)，加工时间为5分钟。
实施例2
按如图1所示的方法加工出放电电极，在CNC精密磨床(SMRART B818)上采用直径150毫米的微细金刚石砂轮，金刚石砂轮的粒度为3000目，结合剂为树脂，浓度为100％，金刚石砂轮V形尖端角度为60度。在直径为1毫米、内孔径为0.2毫米的圆柱电极表面加工V形的微沟槽3，微沟槽3方向沿圆柱电极的轴向，微沟槽的深度变化规律为：hn＝h(n‐1)+D/m，h1＝0.01毫米，D＝1毫米，m＝60。最终在圆柱电极外表面加工出42条微沟槽，微沟槽呈V形，两侧面夹角为60度。由于本实施例制作的电极(如图2所示)表面的微沟槽呈左右对称分布，最浅的微沟槽的深度h1＝0.01毫米，最深的微沟槽的深度hn＝h21＝0.35毫米。
加工工件材料为模具钢(大同S‐star)，外形尺寸为长40毫米、宽40毫米、厚8毫米。将加工有微沟槽的电极夹持在HAN SPARK精密电火花成型机床上，电流设定为2A，电压为60V，电源频率300Hz，加工深度为4毫米。本例同样通过控制m值来控制孔的弯曲程度，本例中m取值为60。最终在工件表面加工出深度为3.1毫米、直径为1.2毫米的孔。孔底相对于孔切入点，沿与电极进给方向垂直的方向偏离距离为0.8毫米(图5中W)，加工时间为6分钟。本实施例所加工的工件为注塑模具钢，主要应用于注塑模具中微弯孔的制作。
实施例3
按如图1所示的方法加工出放电电极，在CNC精密磨床(SMRART B818)上采用直径150毫米的微细金刚石砂轮，金刚石砂轮的粒度为3000目，结合剂为树脂，浓度为100％，金刚石砂轮V形尖端角度为60度。在直径为1毫米，通风孔直径为0.2毫米的圆柱形的电极表面加工V形的微沟槽3，微沟槽方向沿圆柱电极的轴向，微沟槽的深度变化规律为：hn＝h(n‐1)+D/m，h1＝0.01毫米，D＝1毫米，m＝80。最终在圆柱电极外表面加工出46条微沟槽，微沟槽呈V形，两侧面夹角为60度。由于本实施例制作的电极(如图2所示)表面的沟槽呈左右对称分布，最浅的微沟槽的深度h1＝0.01毫米，最深的微沟槽的深度hn＝h23＝0.3毫米。
加工工件材料为WC硬质合金，外形尺寸为长10毫米、宽10毫米、厚8毫米。将加工有微沟槽的电极夹持在HAN SPARK精密电火花成型机床上，电流设定为2A，电压为80V，电源频率300Hz，加工深度为4毫米。本例同样通过控制m值来控制孔的弯曲程度，本例中m取值为80。最终在工件表面加工出深度为3.3毫米、直径为1.2毫米的孔。孔底相对于孔切入点，沿与电极进给方向垂直的方向偏离距离为0.61毫米(图5中W)，加工时间为9分钟。本实施例加工的工件材料为硬质合金，主要应用于冲压模具中异形微弯孔的制作。

Claims (8)

1.一种不对称深度微沟槽电极，其特征在于，在圆柱形的电极整个圆周上沿轴向布有V形的微沟槽，微沟槽在整个圆周上呈左右对称，上下为不对称分布，微沟槽的深度呈上下逐渐变深趋势，其中最上面微沟槽为第一微沟槽，第一微沟槽的深度h1最浅，从上到下左右对称地为第二微沟槽到第n微沟槽，微沟槽的沟槽深度变化规律为：hn＝h(n‐1)+D/m，其中h(n‐1)为电极表面第n‐1条微沟槽的深度，hn为第n条微沟槽的深度，n的取值范围为1<n<30，D为电极的外径，m是一个正实数，取值范围为50<m<80；电极的中心设有通气孔，通气孔的直径为0.1～2.5毫米；所述微沟槽的表面涂有绝缘涂层。
2.根据权利要求1所述的不对称深度微沟槽电极，其特征在于，所述微沟槽的V形结构两侧面的夹角为45～60度。
3.根据权利要求1所述的不对称深度微沟槽电极，其特征在于，所述第一微沟槽的深度h1为0.01毫米。
4.根据权利要求1所述的不对称深度微沟槽电极，其特征在于，所述电极的材料为紫铜。
5.根据权利要求1所述的不对称深度微沟槽电极，其特征在于，所述微沟槽的深度为10～300微米。
6.根据权利要求1所述的不对称深度微沟槽电极，其特征在于，所述绝缘涂层的厚度为0.006～0.01毫米，绝缘涂层的材料为芳基聚酰亚胺。
7.应用权利要求1所述不对称深度微沟槽电极放电加工微弯孔的方法，其特征在于，电极连接脉冲电源的负极，工件连接脉冲电源的正极，脉冲电源的电压为20～300V，电流为0.5～50A，脉冲电源频率20～1000Hz；电极中的通气孔通入脉冲气流，频率与脉冲电源频率相同。
8.根据权利要求7所述的应用不对称深度微沟槽电极放电加工微弯孔的方法，其特征在于，脉冲电压与脉冲气体的频率都为20～1000Hz，占空比30～70％。
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