CN105269094B - 超声振动辅助微细电解电火花线切割加工方法及装置 - Google Patents

超声振动辅助微细电解电火花线切割加工方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明属于复合微细加工领域，是一种面向非导电硬脆材料加工的超声振动辅助微细电解电火花线切割加工方法及装置。本发明加工方法利用超声振动沿电极丝的轴向激励工件，电极丝与辅助电极在电解液中发生电解反应，使电极丝周围析出氢气，进而形成气膜使电极丝与电解液绝缘。本发明加工装置包括机床床身、电解‑电火花线切割装置、超声振动单元和工作台；机床床身上设有贮丝筒、主动轮、张紧装置、导轮支架；电解‑电火花线切割装置包括固定工件的夹持装置、工件、主轴、走丝装置、电极丝、盛有电解液的工作液箱、辅助电极、电解‑电火花电源；辅助电极接电解‑电火花电源的正极，电极丝通过外部送丝装置接负极。本发明的方法和装置简单易行，在保证精度和效率的同时降低了生产成本，可以广泛应用于各种非导电硬脆材料的微细加工中。

Description

超声振动辅助微细电解电火花线切割加工方法及装置
技术领域
本发明属于复合微细加工领域，涉及一种面向非导电材料加工的超声振动辅助微细电解电火花线切割加工方法及装置。
背景技术
随着科学技术的发展，微型化已成为航空航天、生物工程和精密仪器等众多领域的发展趋势，机械零件正朝着“小”的方向发展。同时，石英、玻璃和陶瓷等非导电材料具有耐磨、耐高温、耐腐蚀和良好的耐热冲击等性能，已经被广泛应用于微机电系统(MEMS)、微流体系统、生物医学及航空航天等领域，但由于材料本身的特性使其精密、微细加工问题成为了限制制造业技术进步的瓶颈难题。随着MEMS的发展，微加速度计、微流量泵、微管道、微探针这样的应用越来越广泛，高深宽比微结构件在其中发挥着越来越重要的作用。非导电硬脆材料高深宽比微结构件的加工已成为当前的研究热点之一。
目前，非导电材料高深宽比微结构的加工方法主要有激光刻蚀、等离子体法、辅助电极电火花线切割、电解电火花辅助砂浆线切割和电解电火花线切割等方法。激光刻蚀、等离子体法等方法都存在加工精度低、表面粗糙度高、成本高等问题，此外还要求工件的厚度不能太大，即深宽比低。辅助电极电火花线切割方法将绝缘陶瓷表面覆盖一层导电材料作为辅助电极，利用金属电极丝和辅助电极之间在煤油中发生击穿放电产生的热量来去除绝缘陶瓷的一种加工方法，该方法中涂覆辅助电极非常麻烦，虽然减少了裂纹的产生，但难以保证稳定加工，在高深宽比工件的加工中排屑困难，易短路，加工效率低。电解电火花辅助砂浆线切割方法是在传统砂浆线切割加工的基础上，利用阴极微弧电沉积技术，在加工过程中实时对工具丝表面进行氧化铝陶瓷膜涂层，随着电极丝的往复直线运动，喷嘴喷出带研磨颗粒的切削液，在电极丝的带动下，研磨颗粒进入电极丝和工件相互接触的区域，对工件进行磨削，该方法往往只能简单的切割工件，也存在排屑困难、易短路的问题。电解电火花线切割方法是电极丝与辅助电极反应生成气泡膜，然后通过火花放电击穿气泡膜产生的高温去除非导电工件材料，该方法排屑困难，加工稳定性差，加工精度不高，加工效率低。
公开号为“CN103920949A”的中国专利，记载了一种电解液循环式慢走丝电解电火花线切割加工装置，该专利技术简述为：一种电解液循环式慢走丝电解电火花线切割加工装置，主要应用于非导电硬脆材料的电解电火花线切割加工，放电加工运丝过程采用慢走丝方式，更容易使气泡富集于电极丝上，形成完整的气体薄膜，提高放电效率，同时避免电解液对行丝装置的腐蚀和提高加工精度。这种方法虽然能够加工非导电硬脆材料，但是其加工效果并不好，尤其是在加工深高宽比结构时，容易造成电火花蚀除产物的堆积，排屑困难，加工效率和精度受到限制。
公开号为“CN103203506A”的中国专利，公开了一种非导电材料的砂浆线切割加工装置及方法，在该切割加工装置中给电极丝和辅助电极通直流或者脉冲电压，使电极丝和辅助电极通过电解液形成回路浸入电解液中的电极丝发生电化学反应和电解电火花放电，并在电极丝表面形成一层硬质保护膜在电机的驱动和导轮的导向作用下，滚筒带动电极丝做往复直线运动喷嘴喷出带研磨颗粒的切削液，在电极丝的带动下，研磨颗粒进入电极丝和工件相互接触的区域，对工件进行磨削。这种方法无法对深高宽比的结构进行高精度加工，因为磨屑难以排出，还可能引起机械应力和热应力；用这种方法加工的表面存有微裂纹，在磨削之后由于应力的作用会使裂纹生长。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种非导电材料的超声振动辅助微细电解电火花线切割加工方法及装置。
本发明是通过以下方式实现的：
超声振动辅助微细电解电火花线切割加工方法，其特征是：利用超声振动沿电极丝的轴向激励工件，电极丝与辅助电极在电解液中发生电解反应，使电极丝周围析出氢气，进而形成气膜使电极丝与电解液绝缘；由于超声振动的空化作用使气膜厚度均匀，通过电极丝与非导电工件表面的电解液发生电火花放电击穿气泡膜，利用瞬时的高温和冲击作用蚀除工件材料；将辅助电极接电源的正极，电极丝通过外部送丝装置接电源的负极，然后按加工要求控制工件的进给运动。
上述超声振动辅助微细电解电火花线切割加工方法，其特征是：所述电解液为氢氧化钾溶液；电极丝为钢丝或钨丝；辅助电极为石墨材料。
上述超声振动辅助微细电解电火花线切割加工方法，其特征是：所述电源为直流高频脉冲电源。
上述超声振动辅助微细电解电火花线切割加工方法，其特征是：所述电极丝缠绕于贮丝筒，经固定导轮导向，由主动轮带动做走丝运动。
上述超声振动辅助微细电解电火花线切割加工方法，其特征是：所述工件的超声振动方向是沿电极丝轴向；进给运动是由主轴带动工件完成的，可以实现Y和Z两个方向的进给运动。
超声振动辅助微细电解电火花线切割加工装置，包括机床床身、电解-电火花线切割装置、超声振动单元和工作台；机床床身上设有贮丝筒、主动轮、张紧装置、导轮支架；电解-电火花线切割装置包括固定工件的夹持装置、工件、主轴、走丝装置、电极丝、盛有电解液的工作液箱、辅助电极、电解-电火花电源；辅助电极接电解-电火花电源的正极，电极丝通过外部送丝装置接负极；走丝装置和工作液箱均固定在工作台上，走丝装置由贮丝筒、固定导轮、张紧装置、V型固定导轮、主动轮组成；超声振动单元包括超声波电源、超声波换能器和变幅杆；电极丝的其中一段通过走丝装置浸没在所述的电解液中，并且通过走丝装置上V型固定导轮的支撑和导向作用水平设置在电解液中，通过张紧装置拉紧。
上述超声振动辅助微细电解电火花线切割加工装置，其特征是：超声振动单元与工件是螺纹固定连接，且保证工件加工部分浸没在电解液中及超声振动沿电极丝轴向。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于在对工件进行加工时，主轴带动工件以恒定的速度向电极丝作进给运动，工件沿电极丝的轴向超声振动，电极丝在主动轮的带动和V型固定导轮的导向作用下做直线运动，接电源负极的电极丝和接电源正极的辅助电极通过电解液形成回路，浸入电解液中的电极丝表面附近发生电化学反应生成气泡，电极丝与工件表面的电解液放电击穿气膜，产生的瞬间高温和冲击作用去除工件材料，主轴带动工件继续以恒定的速度作进给运动，直到完成对工件的复杂切割加工，本发明在相对狭小空间内更容易形成完整的气体薄膜，增大参与切割的电极丝的最大长度，从而明显增大所能加工工件的厚度。2、本发明由于工件沿电极丝轴向进行超声振动，加快了电解液的更新和排屑作用，能保证加工精度和加工稳定性，提高了加工效率。3、本发明的方法和装置可实现非导电硬脆材料高深宽比微结构件的加工，并且具有良好的加工效果。4、本发明的方法和装置简单易行，在保证精度和效率的同时降低了生产成本。综上所述，本发明可以广泛应用于各种非导电材料的微细加工中。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图中：1—控制计算机、2—数字存储示波器、3—超声波电源、4—夹持装置、5—变幅杆、6—超声波换能器、7—主轴(Y、Z轴)、8—V型固定导轮、9—固定导轮、10—张紧装置、11—主动轮、12—工作液箱、13—电解液、14—电极丝、15—工件、16—辅助电极、17—液面、18—电解-电火花电源、19—贮丝筒。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明的三个最佳实施例。
实施例一：
如图1所示，本发明超声振动辅助微细电解电火花线切割加工方法及装置，主要包括电解-电火花线切割装置、超声振动单元和工作台。在控制计算机1的控制下，超声波电源3发出超声信号，通过超声波换能器6将电信号变为机械振动信号，由变幅杆5放大并通过夹持装置4传递给工件15，使工件15沿电极丝14的轴向振动；变幅杆5与夹持装置4、夹持装置4与工件15之间均采用螺纹固定连接；主轴7带动工件15作进给运动(包括Y、Z两个方向的进给)，进给速度由控制计算机1控制；主动轮11带动电极丝14从贮丝筒19里出来通过张紧装置10、固定导轮9、再由V型固定导轮8的导向做直线运动，经固定导轮9、张紧装置10，完成走丝运动；电极丝14的松紧程度由张紧装置10进行调节；主动轮11、贮丝筒19、张紧装置10、固定导轮9、V型固定导轮8、工作液箱12均采用螺栓连接固定在工作台上；电解-电火花电源18采用直流高频脉冲电源，电极丝14采用钨丝，辅助电极16为石墨电极，电解液13采用质量分数为20％的氢氧化钾溶液；电极丝14接电源负极，辅助电极16接电源正极，电极丝14与辅助电极16在电解液13中发生电解反应，使电极丝14周围析出氢气，进而形成气膜使电极丝14与电解液13绝缘，通过电极丝14与非导电工件15表面的电解液13发生电火花放电击穿气泡膜，利用瞬时的高温和冲击作用蚀除工件材料。
实施例二：
如图1所示，电解-电火花电源18采用直流脉冲电源，电解液13采用氢氧化钠溶液，其他如实例一。
实施例三：
如图一所示，电极丝14采用钢丝，变幅杆5与夹持装置4、夹持装置4与工件15之间均采用粘接固定连接，其他如实例一。
本发明面向非导电硬脆材料的微细加工，并且对高深宽比微结构件的加工效果良好，利用超声振动辅助电解-电火花加工，由于工件沿电极丝方向进行超声振动，加快了电解液的更新和排屑作用，能保证加工精度和加工稳定性，提高了加工效率。

Claims (5)

1.超声振动辅助微细电解电火花线切割加工方法，其特征是：利用超声振动单元使工件(15)沿电极丝(14)轴向作超声频振动，电极丝(14)与辅助电极(16)在电解液(13)中发生电解反应，使电极丝(14)周围析出氢气，进而形成气膜使电极丝与电解液(13)绝缘；由于超声振动的空化作用使气膜厚度均匀，通过电极丝(14)与非导电工件(15)表面的电解液(13)发生电火花放电击穿气泡膜，利用瞬时的高温和冲击作用蚀除工件(15)材料，将辅助电极(16)接电解-电火花电源(18)的正极，电极丝(14)通过外部送丝装置接电解-电火花电源(18)的负极，然后按加工要求控制工件(15)的进给运动。
2.根据权利要求1所述超声振动辅助微细电解电火花线切割加工方法，其特征是：所述电解液(13)为氢氧化钾溶液；电极丝(14)为钢丝或钨丝；辅助电极(16)为石墨材料；电极丝(14)缠绕于贮丝筒(19)，经V型固定导轮(8)导向，由主动轮(11)带动做走丝运动；超声振动方向是沿电极丝(14)的轴向；进给运动是由主轴(7)带动工件(15)完成的，可以实现Y和Z两个方向的进给运动。
3.根据权利要求1或2所述超声振动辅助微细电解电火花线切割加工方法，其特征是：所述电解-电火花电源(18)为直流高频脉冲电源。
4.根据权利要求1所述超声振动辅助微细电解电火花线切割加工方法的装置，包括机床床身、电解-电火花线切割装置、超声振动单元和工作台；机床床身上设有贮丝筒(19)、主动轮(11)、张紧装置(10)、导轮支架；其特征是：电解-电火花线切割装置包括固定工件的夹持装置(4)、工件(15)、主轴(7)、走丝装置、电极丝(14)、盛有电解液(13)的工作液箱(12)、辅助电极(16)、电解-电火花电源(18)；辅助电极(16)接电解-电火花电源(18)的正极，电极丝(14)通过外部送丝装置接负极；走丝装置和工作液箱(12)均固定在工作台上，走丝装置由贮丝筒(19)、固定导轮(9)、张紧装置(10)、V型固定导轮(8)、主动轮(11)组成；超声振动单元包括超声波电源(3)、超声波换能器(6)和变幅杆(5)；电极丝(14)的其中一段通过走丝装置浸没在所述的电解液(13)中，并且通过走丝装置上V型固定导轮(8)的支撑和导向作用水平设置在电解液(13)中，通过张紧装置(10)拉紧。
5.根据权利要求4所述超声振动辅助微细电解电火花线切割加工装置，其特征是：超声振动单元与工件(15)是螺纹固定连接，且保证工件(15)加工部分浸没在电解液(13)中及超声振动沿电极丝(14)轴向。
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