CN105033374A - 磁力进给式电解电火花复合加工方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种磁力进给式电解电火花复合加工方法和装置，由电磁装置生成磁场，在磁场同性相斥作用下产生推力推动滑座，滑座带动工件进给；设置力传感器和距离传感器，分别检测工具电极和工件的接触力以及工件被加工深度，由数据采集卡采集数据并上传计算机，由计算机进行分析比较，控制系统精确调节工具电极和工件间接触力大小，以及调节工件在不同加工深度时的接触力大小，构建力反馈调节系统和加工深度反馈调节系统。本发明适用于绝缘硬脆材料的高效精密加工，属于制造技术中特种加工领域。

Description

磁力进给式电解电火花复合加工方法和装置

技术领域

本发明涉及制造技术中的特种加工领域，特指一种磁力进给式电解电火花复合加工方法和装置。

背景技术

微机电系统(MEMS，Micro-electromechanicalSystems)是指可批量制作，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。目前，微机电系统己在通信、新能源、生物医疗、航空航天、精密仪器等领域发挥了重要的作用。以玻璃为代表的绝缘硬脆材料，具有高硬度、耐化学腐蚀、透明和良好的生物相容性等优良属性，在MEMS中的微加速器、微反应器、微型泵、医疗器械和光学系统中应用越来越多，但由于它们的硬脆性使得加工工艺性低下，传统加工工艺很能难对其进行微细加工。

目前针对这些材料的加工方法有激光加工、化学刻蚀、超声加工、电解电火花加工等。激光加工效率高，但是其加工设备昂贵，并且被加工零件表面容易受热影响而出现微裂纹等瑕疵。化学刻蚀加工精度高，但是加工过程工艺复杂，腐蚀速率低，对环境要求高等限制了对其应用的推广。超声加工适用于加工脆性材料，加工时，材料去除率高、表面完整性好，但是在其加工过程中由于机械力的作用容易导致被加工材料出现裂纹以及加工工具的快速损耗。电解电火花复合加工方法效率相对较高、装置简单、成本低、加工柔性好，对绝缘硬脆材料是一种有效的加工方法。

电解电火花复合加工是利用工具电极表面发生电解反应形成气膜层，使电极与溶液之间短期绝缘；当工具电极和工作液之间电位差不断增大至击穿气膜的放电电压时，发生电火花放电，所产生的瞬间高温和冲击波作用于玻璃类绝缘材料表面，使材料被热蚀去除。目前对于电解电火花复合加工运用较多的是对绝缘硬脆材料的孔加工。在孔加工中，电极的进给方式对加工的结果有重要影响。通常采用恒力进给方式，就是在工具电极和工件之间保持一个恒定的压力，也就意味着工具电极和工件之间在加工时始终保持着接触。恒力进给中比较易于实现的是利用配重使电极和工件间保持恒定压力，这种方法简易有效。但重力进给的缺点是：整个加工过程中电极和工件之间的压力恒定，不能控制改变。当材料厚度很小，或者随着加工的进行，剩余材料厚度很小时，材料可能会直接被压力破坏，从而影响加工精度，并且机械结构间的摩擦和阻尼使得控制精度受到影响，需要给予良好的润滑。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述的缺点，提出了一种磁力进给式电解电火花复合加工方法和装置。利用磁场同性相斥的原理使得工件进给、并和工具电极保持恒力接触，同时通过将力传感器检测到的工具电极与工件的接触力大小以及距离传感器检测到的工件被加工深度作为输入信号，上传到控制系统，来控制电解电火花加工的进给过程。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下。

一种磁力进给式电解电火花复合加工装置，其特征在于，包括电解电火花加工系统、工件垂直运动系统、力反馈和加工深度反馈调节系统；

所述电解电火花加工系统包括机床、工作槽、可调脉冲电源、工具电极、辅助电极，所述工具电极连接所述可调脉冲电源负极，所述辅助电极连接所述可调脉冲电源正极，所述工作槽中能够容纳碱性溶液，所述机床位于工作槽的上方，所述工具电极装在机床上、且工具电极的头部位于所述工作槽内；

所述垂直运动系统包括滑轨、滑块、滑座、上电磁装置、下电磁装置，所述滑轨固定在所述工作槽的底面上、且垂直于工作槽的底面，所述滑座上表面设有用于夹持被加工工件的夹持装置，所述滑块安装在所述滑座的侧面且安装在所述滑轨内，所述上电磁装置安装在滑座内，所述下电磁装置安装在滑轨底部，所述上电磁装置与下电磁装置能产生相向的同性磁场；

所述力反馈和加工深度反馈调节系统包括力传感器、距离传感器、数据采集卡、计算机、数控稳压电源，所述力传感器和所述距离传感器与所述数据采集卡相连，所述数据采集卡与所述计算机相连，所述计算机与所述数控稳压电源相连，所述数控稳压电源还与所述上电磁装置和所述下电磁装置相连；所述力传感器安装在所述机床的Z轴上，所述距离传感器固定在滑轨上方，并且在加工过程中所述距离传感器的顶针和所述滑座上表面保持接触。

优选地，所述被加工工件为绝缘硬脆材料，所述工具电极为碳化钨电极，所述辅助电极为石墨电极，所述可调脉冲电源电压0～60V、频率1～5000Hz、占空比0～100％。

优选地，所述滑轨、滑块的数量均为两个，两个滑轨相向设置，所述下电磁装置位于两个滑轨之间，两个滑块分别装在所述滑座相对的两个面上、并分别装于所述两个滑轨中。

磁力进给式电解电火花复合加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将被加工工件安装在滑座上，并用滑座上的夹持装置固定；所述工作槽中注入碱性溶液，使所述工具电极的头部位于碱性溶液液面以下2mm处；将工具电极安装在机床上，力传感器安装在机床的Z轴上、且位于工具电极上方；

(2)将数控稳压电源与上电磁装置和下电磁装置相连，由计算机控制数控稳压电源输出电压；上电磁装置与下电磁装置由所述数控稳压电源加载电压后发出相向的同性磁场，两磁场同性相斥产生推力推动滑座向上，滑座带动被加工工件向上进给并和工具电极接触，产生接触力；

(3)在计算机中设立数据库，对应所述工件的被加工深度的不同，设置不同的接触压力；

(4)所述力传感器检测所述工具电极和所述工件之间的接触压力，并将数据输出至数据采集卡，所述数据采集卡将数据上传计算机；

(5)所述计算机将检测到的接触压力与数据库中设置的接触压力比较，若所述检测到的接触压力小于数据库中设置的接触压力，则所述计算机控制所述数控稳压电源增大输出电压；使上电磁装置与下电磁装置之间的斥力增大，增大工件与电极的接触压力；若所述检测到的接触压力大于数据库中设置的接触压力，则所述计算机控制所述数控稳压电源减小输出电压，使上电磁装置与下电磁装置之间的斥力减小，减小工件与电极的接触压力；直至所述检测到的接触压力等于数据库中设置的接触压力；

(6)所述机床的Z轴带动所述工具电极旋转，可调脉冲电源在工具电极和辅助电极之间加载电压并超过临界电压以后，构成电解电火花回路产生火花放电刻蚀所述工件，在刻蚀过程中，距离传感器实时检测所述工件的被加工深度，力传感器实时检测所述工具电极和所述工件之间的接触压力，并分别将实时检测到的加工深度和接触压力输出至所述数据采集卡，所述数据采集卡将实时检测到的加工深度和接触压力数据上传所述计算机；

(7)所述计算机将实时检测到的加工深度与所述数据库对照，确定所述该实时加工深度下对应的接触压力；所述计算机根据实时检测到的接触压力，进行步骤(5)所述的步骤控制所述数控稳压电源改变输出电压，调节工具电极与工件之间的接触力；

(8)重复步骤(6)、(7)，直至所述工件被加工深度达到目标深度。

优选地，步骤(6)中，所述机床的Z轴带动所述工具电极旋转的转速为0～5000rpm。

本发明解决上述问题的技术方案是：

1.构建磁力进给系统，给上电磁装置与下电磁装置加载电压后发出相向的同性磁场，两磁场同性相斥产生推力推动滑座向上，向上的滑座带动工件向上进给。

2.构建力反馈调节系统，由力传感器实时检测工具电极和工件之间的接触力，数据采集卡采集数据并上传计算机，由计算机进行分析比较并调节数控稳压电源输出电压。

3.构建加工深度反馈调节系统，由距离传感器实时检测工件的被加工深度，数据采集卡采集数据并上传计算机，计算机将检测到的加工深度和数据库对照，确定所述加工深度下对应的接触压力，并由计算机调节数控稳压电源输出电压。

本发明有益效果是：

1.通过磁力进给系统，使工件和工具电极在同性磁场排斥力作用下始终保持接触，并且利用力反馈调节系统，精确控制工具电极和工件间接触力大小，避免接触力过小而引起的加工速率减慢或接触力过大而造成工件被加工表面加工质量的下降。

2.本磁力进给系统中，滑座侧面安装两对相向设置的高精度滑块和滑轨，避免了采用单滑轨时产生的倾覆力，最大程度上减小了摩擦和阻尼，提高了控制精度。

3.通过加工深度反馈调节系统，可以实时检测工件的加工深度，并能够根据加工深度的要求调节接触力大小，从而避免当工件厚度很小，或者随着加工的进行，剩余工件厚度很小时，工件被压力破坏的风险，提高工件的表面加工质量。

附图说明

图1为本发明所述磁力进给式电解电火花复合加工装置的结构图。

附图标记说明如下：

1-计算机，2-数据采集卡，3-溶液，4-工作槽，5-数控稳压电源，6-上电磁装置，7-滑座，8-距离传感器，9-机床，10-力传感器，11-可调脉冲电源，12-工具电极，13-被加工工件，14-滑块，15-滑轨，16-辅助电极，17-下电磁装置，18-磁场。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示，本发明所述的磁力进给式电解电火花复合加工装置，用于加工绝缘硬脆材料，包括电解电火花加工系统、工件垂直运动系统、力反馈和加工深度反馈调节系统。所述电解电火花加工系统包括机床9、工作槽4、可调脉冲电源11、工具电极、辅助电极16，所述工具电极连接所述可调脉冲电源11负极，所述辅助电极16连接所述可调脉冲电源11正极，所述工作槽4中能够容纳碱性溶液3，所述机床9位于工作槽4的上方，所述工具电极装在机床9上、且工具电极的头部位于所述工作槽4内。在使用时，所述工作槽4中注入碱性溶液3，使所述工具电极的头部位于碱性溶液3液面以下2mm处。所述工具电极为碳化钨电极，所述辅助电极16为石墨电极，所述可调脉冲电源11电压0～60V、频率1～5000Hz、占空比0～100％。

本发明磁力进给式电解电火花复合加工装置中，所述垂直运动系统包括滑轨15、滑块14、滑座7、上电磁装置6、下电磁装置17，所述滑轨15固定在所述工作槽4的底面上、且垂直于工作槽4的底面，所述滑座7上表面设有用于夹持被加工工件13的夹持装置，所述滑块14安装在所述滑座7的侧面且安装在所述滑轨15内，所述上电磁装置6安装在滑座7内，所述下电磁装置17安装在滑轨15底部，所述上电磁装置6与下电磁装置17能产生相向的同性磁场18。所述垂直运动系统为磁力进给系统，给上电磁装置6与下电磁装置17加载电压后发出相向的同性磁场18，两磁场18同性相斥产生推力推动滑座7向上，向上的滑座7带动工件向上进给。

所述力反馈和加工深度反馈调节系统包括力传感器10、距离传感器8、数据采集卡2、计算机1、数控稳压电源5，所述力传感器10和所述距离传感器8与所述数据采集卡2相连，所述数据采集卡2与所述计算机1相连，所述计算机1与所述数控稳压电源5相连，所述数控稳压电源5还与所述上电磁装置6和所述下电磁装置17相连；所述力传感器10安装在所述机床9的Z轴上，所述距离传感器8固定在滑轨15上方，并且在加工过程中所述距离传感器8的顶针和所述滑座7上表面保持接触。所述力反馈和加工深度反馈调节系统为力反馈调节系统、加工深度反馈调节系统，力反馈调节系统，由力传感器10实时检测工具电极和工件之间的接触力，数据采集卡2采集数据并上传计算机1，由计算机1进行分析比较并调节数控稳压电源5输出电压；加工深度反馈调节系统，由距离传感器8实时检测工件的被加工深度，数据采集卡2采集数据并上传计算机1，计算机1将检测到的加工深度和数据库对照，确定所述加工深度下对应的接触压力，并由计算机1调节数控稳压电源5输出电压。

利用本发明所述的磁力进给式电解电火花复合加工装置，加工绝缘硬脆材料的方法如下：

(1)将被加工工件13安装在滑座7上，并用滑座7上的夹持装置固定；所述工作槽4中注入碱性溶液3，使所述工具电极的头部位于碱性溶液3液面以下2mm处；将工具电极安装在机床9上，力传感器10安装在机床9的Z轴上、且位于工具电极上方。

(2)将数控稳压电源5与上电磁装置6和下电磁装置17相连，由计算机1控制数控稳压电源5输出电压；上电磁装置6与下电磁装置17由所述数控稳压电源5加载电压后发出相向的同性磁场18，两磁场18同性相斥产生推力推动滑座7向上，滑座7带动被加工工件13向上进给并和工具电极接触，产生接触力；

(3)在计算机1中设立数据库，对应所述工件的被加工深度的不同，设置不同的接触压力；

(4)所述力传感器10检测所述工具电极和所述工件之间的接触压力，并将数据输出至数据采集卡2，所述数据采集卡2将数据上传计算机1；

(5)所述计算机1将检测到的接触压力与数据库中设置的接触压力比较，若所述检测到的接触压力小于数据库中设置的接触压力，则所述计算机1控制所述数控稳压电源5增大输出电压；使上电磁装置6与下电磁装置17之间的斥力增大，增大工件与电极的接触压力；若所述检测到的接触压力大于数据库中设置的接触压力，则所述计算机1控制所述数控稳压电源5减小输出电压，使上电磁装置6与下电磁装置17之间的斥力减小，减小工件与电极的接触压力；直至所述检测到的接触压力等于数据库中设置的接触压力；

(6)所述机床9的Z轴带动所述工具电极旋转，可调脉冲电源11在工具电极和辅助电极16之间加载电压并临界电压以后，构成电解电火花回路产生火花放电刻蚀所述工件，在刻蚀过程中，距离传感器8实时检测所述工件的被加工深度，力传感器10实时检测所述工具电极和所述工件之间的接触压力，并分别将实时检测到的加工深度和接触压力输出至所述数据采集卡2，所述数据采集卡2将实时检测到的加工深度和接触压力数据上传所述计算机1；

(7)所述计算机1将实时检测到的加工深度与所述数据库对照，确定所述该实时加工深度下对应的接触压力；所述计算机1根据实时检测到的接触压力，进行步骤(5)所述的步骤控制所述数控稳压电源5改变输出电压，调节工具电极与工件之间的接触力；

(8)重复步骤(6)、(7)，直至所述工件被加工深度达到目标深度。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种磁力进给式电解电火花复合加工装置，其特征在于，包括电解电火花加工系统、工件垂直运动系统、力反馈和加工深度反馈调节系统；

所述电解电火花加工系统包括机床(9)、工作槽(4)、可调脉冲电源(11)、工具电极、辅助电极(16)，所述工具电极连接所述可调脉冲电源(11)负极，所述辅助电极(16)连接所述可调脉冲电源(11)正极，所述工作槽(4)中能够容纳碱性溶液(3)，所述机床(9)位于工作槽(4)的上方，所述工具电极装在机床(9)上、且工具电极的头部浸入所述工作槽(4)内的碱性溶液(3)中；

所述垂直运动系统包括滑轨(15)、滑块(14)、滑座(7)、上电磁装置(6)、下电磁装置(17)，所述滑轨(15)固定在所述工作槽(4)的底面上、且垂直于工作槽(4)的底面，所述滑座(7)上表面设有用于夹持被加工工件(13)的夹持装置，所述滑块(14)安装在所述滑座(7)的侧面且安装在所述滑轨(15)内，所述上电磁装置(6)安装在滑座(7)内，所述下电磁装置(17)安装在滑轨(15)底部，所述上电磁装置(6)与下电磁装置(17)能产生相向的同性磁场；

所述力反馈和加工深度反馈调节系统包括力传感器(10)、距离传感器(8)、数据采集卡(2)、计算机(1)、数控稳压电源(5)，所述力传感器(10)和所述距离传感器(8)与所述数据采集卡(2)相连，所述数据采集卡(2)与所述计算机(1)相连，所述计算机(1)与所述数控稳压电源(5)相连，所述数控稳压电源(5)还与所述上电磁装置(6)和所述下电磁装置(17)相连；所述力传感器(10)安装在所述机床(9)的Z轴上，所述距离传感器(8)固定在滑轨(15)上方，并且在加工过程中所述距离传感器(8)的顶针和所述滑座(7)上表面保持接触。

2.根据权利要求1所述的磁力进给式电解电火花复合加工装置，其特征在于，所述被加工工件(13)为绝缘硬脆材料，所述工具电极为碳化钨电极，所述辅助电极(16)为石墨电极，所述可调脉冲电源(11)电压0～60V、频率1～5000Hz、占空比0～100％。

3.根据权利要求1所述的磁力进给式电解电火花复合加工装置，其特征在于，所述滑轨(15)、滑块(14)的数量均为两个，两个滑轨(15)相向设置，所述下电磁装置(17)位于两个滑轨(15)之间，两个滑块(14)分别装在所述滑座(7)相对的两个面上、并分别装于所述两个滑轨(15)中。

4.磁力进给式电解电火花复合加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将被加工工件(13)安装在滑座(7)上，并用滑座(7)上的夹持装置固定；所述工作槽(4)中注入碱性溶液(3)，使所述工具电极的头部位于碱性溶液(3)液面以下2mm处；将工具电极安装在机床(9)上，力传感器(10)安装在机床(9)的Z轴上、且位于工具电极上方；

(2)将数控稳压电源(5)与上电磁装置(6)和下电磁装置(17)相连，由计算机(1)控制数控稳压电源(5)输出电压；上电磁装置(6)与下电磁装置(17)由所述数控稳压电源(5)加载电压后发出相向的同性磁场，两磁场同性相斥产生推力推动滑座(7)向上，滑座(7)带动被加工工件(13)向上进给并和工具电极接触，产生接触力；

(3)在计算机(1)中设立数据库，对应所述工件的被加工深度的不同，设置不同的接触压力；

(4)所述力传感器(10)检测所述工具电极和所述工件之间的接触压力，并将数据输出至数据采集卡(2)，所述数据采集卡(2)将数据上传计算机(1)；

(5)所述计算机(1)将检测到的接触压力与数据库中设置的接触压力比较，若所述检测到的接触压力小于数据库中设置的接触压力，则所述计算机(1)控制所述数控稳压电源(5)增大输出电压；使上电磁装置(6)与下电磁装置(17)之间的斥力增大，增大工件与电极的接触压力；若所述检测到的接触压力大于数据库中设置的接触压力，则所述计算机(1)控制所述数控稳压电源(5)减小输出电压，使上电磁装置(6)与下电磁装置(17)之间的斥力减小，减小工件与电极的接触压力；直至所述检测到的接触压力等于数据库中设置的接触压力；

(6)所述机床(9)的Z轴带动所述工具电极旋转，可调脉冲电源(11)在工具电极和辅助电极(16)之间加载电压并超过临界电压以后，构成电解电火花回路产生火花放电刻蚀所述工件，在刻蚀过程中，距离传感器(8)实时检测所述工件的被加工深度，力传感器(10)实时检测所述工具电极和所述工件之间的接触压力，并分别将实时检测到的加工深度和接触压力输出至所述数据采集卡(2)，所述数据采集卡(2)将实时检测到的加工深度和接触压力数据上传所述计算机(1)；

(7)所述计算机(1)将实时检测到的加工深度与所述数据库对照，确定所述该实时加工深度下对应的接触压力；所述计算机(1)根据实时检测到的接触压力，进行步骤(5)所述的步骤控制所述数控稳压电源(5)改变输出电压，调节工具电极与工件之间的接触力；

(8)重复步骤(6)、(7)，直至所述工件被加工深度达到目标深度。

5.根据权利要求4所述的磁力进给式电解电火花复合加工方法，其特征在于，步骤(6)中，所述机床(9)的Z轴带动所述工具电极旋转的转速为0～5000rpm。