CN105328285A - 一种高回转精度球头柱状电极的在线制备修整装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高回转精度球头柱状电极的在线制备修整装置及方法，本发明在得到柱状电极的基础上，利用电解加工机床上的单脉冲火花放电系统，对柱状电极尖端放电，得到电极球头，再以球头电极为阳极，片状修整槽为阴极，接通脉冲电源进行电解修整，得到高回转精度的球头柱状电极。本发明利用单脉冲火花放电电路，在圆柱状电极的尖端放电，利用瞬时产生的巨大能量使尖端熔融，同时在表面张力作用下收缩为球形，球头和电极基体之间结合紧密，不存在电极球头和电极基体的结合力难以控制的问题。同时利用球型片状修整槽，对得到的电极球头进行电化学修整，可去除电极球头表面的微细裂痕以及气孔等缺陷，极大地提高球头电极的表面质量及回转精度。

Description

一种高回转精度球头柱状电极的在线制备修整装置及方法

技术领域

本发明涉及一种高回转精度球头柱状电极的在线制备修整装置及方法。

背景技术

近年来，微机电系统技术的发展，促进了产品向微型化、集成化方向发展。随之而来的，对生产这些产品的微型加工工具电极以及测量它们的超微测量工具的需求，也在日益增加。这些微细工具电极的制备，已经成为影响微机电系统技术发展的因素之一。此外，球头电极是一种尖端带有微尺寸球体的异形电极工具，其广泛应用于微测量、微电子、细胞无损检测以及航空航天等技术领域。尤其在微测量领域，微球形电极安装在三坐标测量仪中，可用于测量大深径比深小孔、复杂型腔三维结构等。同时，微球头电极的尺寸以及回转精度，对于实际测量的精度有重大影响，电极尺寸越小、回转精度越高，测量的精度也越高。因此，微球头工具电极的高效、高精度制备具有重要意义。

目前，对于微球头电极的制备，主要有线放电研磨、精车削、精磨削以及工艺组装等工艺方法，但在实际加工过程中它们都或多或少存在一些问题，使得到的微球头电极并不十分理想。

目前，制备球头电极最主要采用的还是工艺组装方法，它采用在柱状电极的端部焊接或粘结微球头的方法，获得球头电极。但是在实际操作中，工艺组装存在电极球头和柱状电极主体的结合力以及球体位置难以控制等问题，而且加工工艺过程比较复杂。此外，虽然它确实可以制备球头电极，但加工效率太低，面对微机电系统技术的快速发展，工艺组装方法将很难满足工业对球头电极的需求。

采用线放电研磨加工方法，利用电火花对工件电极进行逐层磨削，蚀除多余的材料获得所需的球头电极。但加工耗时太长，加工效率太低。同时，由于采用电火花去除材料，会在电极以及球头表面留下放电凹坑，是球头电极精度不高，不能满足对高精度的要求。

采用精车削和精磨削加工，制备球头电极。通过传统的切削加工原理，去除材料，获得所需的球头电极。由于传统加工过程中，存在加工应力，所以在获得的球头电极中也会存在残余应力，不利于电极的使用。同时，要加工高精度电极，需要更高要求的加工设备，成本太高。

电极球头的制作，目前除了以上几种方法外，还有一种新的思路，即利用单脉冲火花放电技术。单脉冲火花放电技术在加工时，注重对一个脉冲的相关参数的控制，利用一次放电的能量来实现单次加工；在放电能量较大的情况下，将产生使材料融化后气化而被蚀除，但当能量控制合适，就可以使材料只发生融化。此处，即是通过控制放电能量，在电极尖端放电，使尖端熔融，之后冷却收缩为球形。台湾的Dong-YeaSheu等采用线电火花放电磨削和单脉冲火花放电组合工艺技术，先利用线电火花放电磨削制备柱状电极，再利用单脉冲火花放电技术获得球头，成功制备出直径最小可达10μm的微球头电极。但该方法不仅在柱状电极的表面存在放电凹坑、表面再铸层，而且获得的球头表面也会存在波浪状纹路的再铸层，并且再铸层表面还散布着微细裂痕以及气孔等缺陷，严重影响球头电极的精度。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种高回转精度球头柱状电极的在线制备修整装置及方法，该发明基于阳极溶解的加工工艺，加工过程以离子的形式对材料进行蚀除，具有加工精度高、加工过程不存在加工应力和加工后不存在再铸层等独特优势。所以，为解决球头柱状电极的制备以及球头电极基体和球头表面再铸层的消除问题，可先采用电化学加工的方法加工柱状电极，再利用单脉冲火花发电电路对柱状电极进行火花放电，得到球头电极，最后再采用电化学加工手段对获得的电极球头进行修整，即可消除以上缺陷，制备得到高回转精度的球头电极。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种高回转精度球头柱状电极的在线制备修整装置，包括脉冲电源、电解加工机床、控制系统、单脉冲火花放电系统和修整槽，其中，单脉冲火花放电系统设置于电解加工机床上，控制系统控制电解加工机床做x、y和z向运动，使夹持在电解加工机床夹头的工件浸入电解液中一定深度，阴极板设置于电解液中，电解加工机床使工件保持一定转速，脉冲电源以工件为阳极，以阴极板为阴极，施加电流，使工件形成柱状电极；控制系统控制机床作x、y、z向运动，使主轴下的柱状电极尖端对准单脉冲火花放电系统的放电尖端，并保持合适距离；同时，控制放电脉冲的电压、峰值电流和放电时间，接通放电电路，使其对柱状电极尖端放电，让电极尖端熔融后收缩得到电极球头；待电极球头冷却后，控制电解加工机床运动使电极球头位于固定在电解液中的修整槽内，脉冲电源阳极接旋转的球头电极，阴极接修整槽，接通电源，对电极球头进行电化学修整。

所述工件形成柱状电极时，设置霍尔电流传感器检测加工电流，并通过数据采集单元将电流信号传递给控制系统，控制系统根据电流信号的大小，反馈控制直流脉冲电源的电压幅值。

优选的，电解加工机床为微细电解加工机床。

所述电解液放置于电解液槽内，电解液槽放置在可升降平台上。

所述阴极板为中心位置设有小孔的金属板。

优选的，所述金属板为不锈钢板。

优选的，所述孔的直径为3-6mm。

所述脉冲电源为直流脉冲电源。

优选的，柱状电极尖端和单脉冲火花放电系统的放电尖端距离为1-2μm。

优选的，单脉冲放电的脉冲电压为100±3V。

所述峰值电流和放电时间需要根据具体的电极基体直径大小来决定，优选的，峰值电流不超过20A，放电时间不超过200μs。

所述工件为圆柱状钨丝，加工过程中，所述工件置于阴极板的孔中心。钨丝使用前进行过校直。

所述修整槽浸没于电解液中，为球型薄片状。

所述电化学修整将电极球头表面的放电凹坑、裂痕、气孔等缺陷蚀除掉。

一种基于上述装置的工作方法，包括以下步骤：

(1)制作工件，将其安装在电解加工机床的电主轴夹头上，阴极板放置于电解液槽内，向电解液槽中添加电解液，确保电解液刚好浸没阴极板上表面；

(2)控制电解加工机床x、y和z轴方向的运动，使得工件电极位于阴极板小孔中心，脉冲电源正极连接主轴夹头，负极连接阴极板，接通电源；

(3)控制电主轴旋转，并带动由其夹头夹持的工件，使工件在电解液中不停地旋转；

(4)采用霍尔电流传感器测量脉冲电源电流，并采集电流信号，作为控制系统反馈控制信号，控制直流脉冲电源输出电压，保持加工电流随时间按理论规律变化，得到均匀柱状电极；

(5)将柱状电极移出电解液，利用控制系统控制机床运动，使电极尖端与单脉冲火花放电系统的放电尖端对齐并保持合适距离，同时保持柱状电极旋转，根据电极直径的大小确定峰值电流和放电时间，单脉冲火花放电使电极尖端熔融，并在表面张力的作用下收缩为球状，得到电极球头；

(6)待电极球头冷却之后，控制系统控制电解加工机床运动，使电极球头位于修整槽的中心，以修整槽为阴极、电极球头为阳极，再次接通直流脉冲电源，并使电极球头在机床主轴的带动下旋转，对其进行修整，得到高回转精度的球头电极。

所述步骤(1)中，制作工件的方法为：截取钨丝作为工件，并对其进行校直。

所述步骤(5)中，优选的柱状电极旋转的转速为2000-2800r/min，放电电压为100±3V，合适距离为1-2μm。

所述步骤(6)中，修整时的脉冲电压以及加工时间，由柱状基体直径决定，优选的加工电压不超过20V。

本发明的工作原理为：

利用电化学加工原理，采用板状带小孔构件为阴极、工件为阳极，利用电解加工机床的电主轴带动工件旋转，在加工过程中可保证加工电场和加工流场的均匀，使工件各径向刻蚀速度相同，从而得到高回转精度的柱状电极。得到的基础电极回转精度高，使其在火花放电后熔融收缩时，各方向收缩比较均匀对称，得到的球头具有较好的回转精度，为高回转精度球头柱状电极的制备做准备。

利用单脉冲火花放电技术，在已制好的电极尖端放电，在电极尖端产生瞬时的高能使尖端熔融，之后冷却收缩，由于表面张力收缩为球状，得到电极球头。此方法，避免了传统的切削、磨削加工过程以及复杂的焊接、粘结工艺，以极为简单有效的方式，获得电极球头。

在单脉冲火花放电，获得电极球头的过程中，外界的任何小的波动，例如：风、声音等，都会对球头的形状产生影响。获得的球头，可能圆度不高，表面存在波浪状纹路的再铸层，而且再铸层表面散布着微细裂痕、凸起、凹坑、气孔等缺陷，在实际中根本无法使用。

为解决这一缺陷，本发明采用电化学加工方法进行修整，以球型薄片状修整槽为阴极，球头电极为阳极，球头电极在机床主轴的带动下旋转，利用阳极溶解去除球头表面的波浪纹路以及裂痕气孔，得到高回转精度的球头电极。

同时，加工电极从安装到主轴开始到获得修整好的球头电极的整个过程中，一直处在主轴夹头中，由电解加工机床控制其位置。电化学修整过程中，需要使电极球头中心尽量位于球形片状修整槽的球心，利用机床主轴旋转来带动电极球头在修整槽中旋转，直流脉冲电源正极接球头电极，负极接修整槽，接通电源进行修整。在修整过程中，电极球头在修整槽中旋转，由电化学原理可知，阴阳极间间距最小的地方，电场最强，电流密度最大，电解反应蚀除的材料最多，经过适当时间的修整后，就可以达到球头球面各点到相应修整上点的距离相等，由于修整槽本身是一个较理想凹半球，而且在反应过程中不会发生去除材料的反应，所以得到的电极球头的圆度会很好。同时，由于球头旋转，则从动态的看，各径向是相同的，各径向蚀除量最终会相同，从而进一步保证了电极球头的回转精度。

本发明的有益效果为：

(1)本发明采用工件回转的方法进行电化学加工，同时采用了电流反馈控制，可以获得高回转精度的柱状电极，为球头电极的制备做准备。避免了电极基体形状对球头的成型的影响。

(2)本发明采用单脉冲火花放电技术，获得电极球头。相比传统的加工方法，球头和电极基体之间结合紧密，不存在电极球头和电极基体的结合力难以控制的问题，且加工效率更高。

(3)本发明采用电化学修整的方法，对单脉冲火花放电获得的电极球头进行修整，可去除电极球头表面的微细裂痕以及气孔等缺陷，极大地提高球头电极的表面质量以及回转精度，从而得到高回转精度的表面质量好的球头电极。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2(a)是本发明的电极球头产生前示意图；

图2(b)是本发明的电极球头产生后示意图；

图3是本发明电化学修整装置示意图；

图4是加工柱状电极时的阴阳极间剖面，工件各径向方向电场分布示意图；

图5是加工柱状电极时的阴阳极间剖面，工件各径向方向电解液流场分布示意图；

图6是加工柱状电极时的工件周围扩散层的分布示意图；

其中，1、计算机，2、霍尔电流传感器，3、工件阳极，4、工具阴极，5、电解液，6、电解液槽，7、实验平台，8、单脉冲放电用的放电尖针，9、球型薄片状修整槽，10、电场线，11、流场线，12、扩散层。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，截取合适长度的加工工件3，长度大约为2.5cm，经矫直后安装在电主轴夹头中；向电解液槽6中加入适量的电解液5，确保电解液5能淹没工具阴极4；调节手动升降台和电解液槽6，使工件电极浸入电解液中并位于阴极板的小孔中；通过计算机1控制XY轴的步进电机的运动控制卡，来控制XY方向电机运动，使工件电极3位于阴极板小孔的中心，实现对中；工件3接直流脉冲电源正极，阴极板4接电源负极，通过计算机1控制电主轴以一定转速旋转，从而带动工件电极3旋转；接通直流脉冲电源，输出电压由计算机1控制，即可开始加工；在加工过程中，利用霍尔电流传感器2检测加工电流，通过数据采集卡进行信号转换后，传到计算机1，经过数据处理运算后，输出反馈信号控制直流脉冲电源输出电压幅值，从而保证加工电流随时间按理论规律变化，保证加工的微电极形状为圆柱状，且具有高回转精度。

如图2(a)、图2(b)所示，保持得到的柱状电极在主轴夹头中，利用计算机1内部设置好的参数，来控制X、Y、Z方向步进电机运动，使电极3顶端和固定在实验平台7上的单脉冲放电用的放电尖针对齐并保持合适距离，接通单脉冲放电电路，利用放电时的瞬时高能使电极3顶端熔融，之后冷却由于表面张力而收缩为球状。

图4为阴阳电极在任一位置(工件深度内)极间剖面内电场分布情况，由于阳极工件位于阴极板的中心，则在任一位置阴阳极间径向间距相等，则在电极周围各径向电场的分布是均匀的，如图3所示。此外，由于实际对中操作，不一定十分精确，使工件电极的轴心不一定位于阴极板的小孔中心，则实际电场并不十分均匀，所以需要使工件旋转，在旋转过程中，工件各径向的电场周期性变化，整体看电极周围的电场是均匀的。从微观角度看，电场的分布反映了电流密度大小的分布，电极周围各径向电场分布均匀，则电流密度分布均匀，故工件各径向的电解蚀除速度也是均匀的，就可以得到回转精度较高的工件。

图5同为阴阳电极在任一位置(工件深度内)极间剖面内流场分布情况，由于阳极件位于阴极板的圆孔中心，且柱状工件不停的旋转，动态的看阴阳极间在各径向的情况是相同的，工件已经过校直可忽略离心力的影响，则在阴阳极间产生的流场在各径向也是相同的，从而实现了流场的均匀。流场的均匀意味着阴阳极间各径向的电解液性质是相同的，而电解液浓度是影响电解蚀除速度的重要因素之一，这样就可以进一步提高微电极的回转精度。

此外电极周围电场流场的均匀分布，有利于提高加工的稳定性和加工效率。

图6为加工过程中工件电极周围的扩散层分布情况。在电解加工过程中，扩散层的形成是不可避免的，同时扩散层的存在，使工件在轴向方向的蚀除速度可能相等，相等的关键在于控制加工电压，使加工时的电流随时间按理论规律变化，从而得到圆柱状电极。

如图3所示，柱状电极3获得球头后，再利用计算机1控制XYZ方向步进电机运动，回到图1加工位置，将图1中电解液槽6换为图3电解液槽。利用已经编好的对中程序，将电极3球头球心置于球型薄片状修整槽9的中心，通过计算机1控制电主轴以一定转速旋转，从而带动工件电极3旋转；接通直流脉冲电源，即可实现对电极3球头的修整，从而减少球头表面的裂痕和气孔，提高球头电极品质，获得高回转精度的球头电极。

具体步骤如下：

(1)制作工件，将其安装在电解加工机床的电主轴夹头上，阴极板放置于电解液槽内，向电解液槽中添加电解液，确保电解液刚好浸没阴极板上表面；

(2)控制电解加工机床x、y和z轴方向的运动，使得工件电极位于阴极板小孔中心，脉冲电源正极连接主轴夹头，负极连接阴极板，接通电源；

(3)控制电主轴旋转，并带动由其夹头夹持的工件，使工件在电解液中不停地旋转；

(4)采用霍尔电流传感器测量脉冲电源电流，并采集电流信号，作为控制系统反馈控制信号，控制直流脉冲电源输出电压，保持加工电流随时间按理论规律变化，得到柱状电极；

(5)将柱状电极移出电解液，利用控制系统控制机床运动，使电极尖端与位于实验平台上的放电尖端对齐并保持合适距离，再通过单脉冲火花放电系统对电极尖端放电，使电极尖端熔融，并在表面张力的作用下收缩为球状，得到电极球头；

(6)待电极球头冷却之后，控制系统控制机床运动，使电极球头位于修整槽的中心，以修整槽为阴极，回转球头电极为阳极，再次接通直流脉冲电源，并使球头电极在机床主轴的带动下旋转，对球头进行修整，得到高回转精度的球头电极。

利用电化学加工原理，采用板状带小孔构件为阴极，工件电极旋转，在加工过程中可保证加工电场和加工流场的均匀，使工件各径向刻蚀速度相同，从而得到高回转精度的柱状电极。基础电极回转精度高，在火花放电后熔融收缩时，各方向收缩比较均匀对称，得到的球头具有较好的回转精度，为高回转精度球头柱状电极的制备做准备。

利用单脉冲火花放电技术，在已制好的电极尖端放电，使电极尖端熔融，并在表面张力的作用下收缩为球状，得到电极球头。由于球头材料和电极基体材料一致，且在制备过程中不存在焊接和粘结工艺，球头和电极基体之间结合紧密，不存在结合力控制问题。

在用单脉冲火花放电技术获得电极球头后，由于球头表面会存在波浪状纹路的再铸层，而且再铸层表面散布着微细裂痕以及气孔等缺陷，此处采用电化学加工工艺进行修整。以球型薄片状修整槽为阴极，让电极球头作阳极，并在球型片状修整槽中不停回转，蚀除掉球头表面的微细裂痕以及气孔，得到高回转精度的球头电极。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种高回转精度球头柱状电极的在线制备修整装置，其特征是：包括脉冲电源、电解加工机床、控制系统、单脉冲火花放电系统和修整槽，其中，单脉冲火花放电系统设置于电解加工机床上，控制系统控制电解加工机床做x、y和z向运动，使夹持在电解加工机床夹头的工件浸入电解液中一定深度，阴极板设置于电解液中，电解加工机床使工件保持一定转速，脉冲电源以工件为阳极，以阴极板为阴极，施加电流，使工件形成柱状电极；控制系统控制机床作x、y、z向运动，使主轴下的柱状电极尖端对准单脉冲火花放电系统的放电尖端并保持合适距离，同时，控制放电的电压、峰值电流和放电时间，接通放电电路，使其对柱状电极尖端放电，让电极尖端熔融后收缩得到电极球头；待电极球头冷却后，控制电解加工机床运动使电极球头位于固定在电解液中的修整槽内，脉冲电源正极接旋转的球头电极，负极接修整槽，接通电源对电极球头进行电化学修整。

2.如权利要求1所述的一种高回转精度球头柱状电极的在线制备修整装置，其特征是：所述工件形成柱状电极时，采用带孔金属板为阴极，加工时工件处于旋转状态并位于小孔中心，同时设置霍尔电流传感器检测加工电流，并通过数据采集单元将电流信号传递给控制系统，控制系统根据电流信号的大小，反馈控制直流脉冲电源的电压幅值，保证加工电流随时间按理论规律变化。

3.如权利要求1所述的一种高回转精度球头柱状电极的在线制备修整装置，其特征是：所述电解液放置于电解液槽内，电解液槽放置在可升降平台上。

4.如权利要求1所述的一种高回转精度球头柱状电极的在线制备修整装置，其特征是：所述阴极板为中心位置设有小孔的金属板。

5.如权利要求4所述的一种高回转精度球头柱状电极的在线制备修整装置，其特征是：所述孔的直径为3-6mm。

6.如权利要求1所述的一种高回转精度球头柱状电极的在线制备修整装置，其特征是：所述脉冲电源为直流脉冲电源，电脉冲火花放电时的峰值电流和放电时间需要根据具体的电极基体直径大小来决定。

7.如权利要求1所述的一种高回转精度球头柱状电极的在线制备修整装置，其特征是：所述修整槽放置于电解液槽中并浸没于电解液中，为球型薄片状。

8.一种基于权利要求1-7中任一项所述的装置的工作方法，其特征是：包括以下步骤：

(1)制作工件，将其安装在电解加工机床的电主轴夹头上，阴极板放置于电解液槽内，向电解液槽中添加电解液，确保电解液刚好浸没阴极板上表面；

(2)控制电解加工机床x、y和z轴方向的运动，使得工件电极位于阴极板小孔中心，脉冲电源正极连接主轴夹头，负极连接阴极板，接通电源；

(3)控制电主轴旋转，并带动由其夹头夹持的工件，使工件在电解液中不停地旋转；

(4)采用霍尔电流传感器测量脉冲电源电流，并采集电流信号，作为控制系统反馈控制信号，控制直流脉冲电源输出电压，保持加工电流随时间按理论规律变化，得到均匀柱状电极；

(5)将柱状电极移出电解液，利用控制系统控制机床运动，使电极尖端与单脉冲火花放电系统的放电尖端对齐并保持合适距离，同时保持柱状电极旋转，根据电极直径的大小确定峰值电流和放电时间，放电使电极尖端熔融，并在表面张力的作用下收缩为球状，得到电极球头；

(6)待电极球头冷却之后，控制系统控制电解加工机床运动，使电极球头位于修整槽的中心，以修整槽为阴极、电极球头为阳极，再次接通直流脉冲电源，并使电极球头在机床主轴的带动下旋转，对其进行修整，得到高回转精度的球头电极。

9.如权利要求9所述的工作方法，其特征是：所述步骤(5)中，柱状电极旋转的转速为2000-2800r/min，放电电压为100±3V，合适距离为1-2μm；修整时的脉冲电压以及加工时间，由柱状基体直径决定，加工电压不超过20V。