CN105522445A - 一种在线抛光微细工具的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在线抛光微细工具的装置及方法，所述装置包括微细电加工机床和在线抛光加工工作液槽，所述微细电加工机床包括机床本体、主轴系统、微三维运动工作台和微细电加工装置；所述工作液槽的底部设置有超声振动系统，所述工作液槽内相对设置有块电极和电泳辅助电极，所述工作液槽内分布有超微磨粒，所述装置还包括电泳直流电源，电泳电源的正负极与所述块电极和电泳辅助电极相对应连接；本发明提供的在线抛光微细工具的方法通过细化超微磨粒及控制超声电源功率，使微细工具表面抛光质量达到镜面，加工精度更高，并且降低了加工成本。

Description

一种在线抛光微细工具的装置及方法

技术领域

本发明涉及微纳超精密加工技术领域，具体涉及一种在线抛光微细工具的装置及方法。

背景技术

科技日新月异，微型智能化的产品在军工与民用方面的需求与日俱增，巨大的市场发展潜力促使人们对微细加工工艺进行了广泛的探索与研究。由传统机械加工工艺发展而来的微细车铣削加工已无法满足加工需求，人们已开始利用电、磁、声、光等各种能量场对材料进行有效的加工，比如目前应用广泛的微细电火花加工、微细电化学加工、微细超声加工、微细激光加工。微细工具的制作是实施微细电火花加工、微细电化学加工与微细超声加工的基础。

目前适合微细工具在线制作的方法主要有块/线电极电火花磨削加工或电化学加工，高精度的微细工具能有效的提高微细加工质量，当前采用的提高微细工具加工质量的方法通常是使相对应的脉冲电源高频化与微能化，这一常规方法使得微细工具加工质量在一定程度上获得了较大的改善；如果要使微细工具表面加工质量更进一步提高，相应的会对制作脉冲电源的技术以及微细加工机床的运动控制系统提出更高的要求；尽管如此，微细工具的表面质量也很难达到镜面。因此，仍需寻求一种可以提高微细工具表面质量的装置及加工方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种在线抛光微细工具的装置，使用所述装置对微细工具进行在线抛光，该方法能够通过细化超微磨粒及控制超声电源功率，使微细工具表面抛光质量达到镜面，加工精度更高，并且降低了加工成本。

本发明的另一目的在于提供一种在线抛光微细工具的方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种在线抛光微细工具的装置，包括微细电加工机床和在线抛光加工工作液槽，所述微细电加工机床包括机床本体、主轴系统、微三维运动工作台和微细电加工装置；所述工作液槽的底部设置有超声振动系统，所述工作液槽内相对设置有块电极和电泳辅助电极，所述工作液槽内分布有超微磨粒，所述装置还包括电泳直流电源，电泳电源的正负极与所述块电极和电泳辅助电极相对应连接。

在本发明中，所述微细电加工机床可以为微细电火花加工机床、微细超声加工机床或微细电化学加工机床。

发明人发现，超微磨粒越细，电泳效应越强，使用所述装置在适当的超声功率作用下抛光加工质量越好；优选地，所述超微磨粒的直径小于1μm。

一种使用上述装置在线抛光微细工具的方法，具体包括如下步骤：

使用微细电加工装置将毛坯工具加工到所需的微细尺寸得微细工具；将微细工具在线置于工作液槽中并靠近块电极，将块电极和电泳辅助电极与电泳电源的正负极连接；开启超声振动系统使超微磨粒在微细工具附近做高频机械振动，同时旋转微细工具，抛光预定时间后即得抛光好的微细工具。

微细工具的加工难度较大，主要存在如下三方面难点：一是其直径细小，无法承受宏观力的作用，否则会损坏工具；二是微细工具二次加工的余量极小，加工去除量相应的也极低，较大的去除量反而会影响加工质量；三是为保证二次装夹精度，微细工具经一次加工之后，不能从机床的主轴上拆卸下来，必须在线进行二次加工；所以在对微细工具进行二次加工时不能采用宏观力作用，也要精确控制好微细工具的去除量。发明人经过众多尝试之后，发现通过电场力与超声振动同时作用使超微磨粒对微细工具表面进行冲击或滑擦，可以很好的抛光微细工具表面，达到抛光加工的目的。

在本发明中，工作液槽安装在微细加工机床的微三维运动工作台上，微细工具安装在主轴上并随主轴一起做旋转运动，毛坯工具事先经加工装置加工到所需的尺寸后，控制微三维运动工作台运动使块电极靠近微细工具，块电极与微细工具之间的距离调节好后保持不变，块电极与电泳辅助电极浸没于工作液中，根据超微磨粒吸附工作液中电荷后所具有的极性，将电泳直流电源的正负极连接到块电极与电泳辅助电极上，使块电极与电泳辅助电极之间形成一电场强度足够大的电场，溶液中的超微磨粒由于电泳特性呈现带电性，超微磨粒在电场力的作用下泳向块电极，使靠近块电极的微细工具周围超微磨粒质量分数提高；超声振动系统安装在工作液槽的底部，在超声电源的作用下能够驱动工作液做超声振动；超声在工作液中传播会产生正负液压冲击以及超声空化现象，微细工具附近的超微磨粒在正负液压冲击以及超声空化作用下冲击、滑擦微细工具表面，对微细工具表面的材料进行微去除，从而达到抛光微细工具表面的目的。

在本发明中，使用微细电加工装置对毛坯工具进行加工后得到微细工具之后不能将微细工具从主轴上拆卸，微细工具的二次加工必须在线进行，否则无法保证二次装夹精度；因此，发明人采取将加工装置从微三维运动工作台上取下，将微细工具在线抛光加工工作液槽安装至微三维运动工作台上实现在线加工。

优选地，采用块/线电极电火花磨削加工或电化学加工方法对毛坯工具进行加工。

优选地，所述工作液槽中超微磨粒的质量分数为0.1～1%；进一步优选地，所述工作液槽中超微磨粒的质量分数为0.8%。

在本发明中，所述块电极与毛坯工具之间的距离大于磨粒平均粒径。

优选地，所述超声振动系统的振动频率为20KHz～40KHz。

保持微细电加工机床以一定的转速旋转，有利于微细工具抛光均匀；优选地，微细工具的转速为1000rpm～3000rpm。

优选地，抛光加工时间为10～25min。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明利用电泳辅助超声振动驱动超微磨粒对块/线电极电火花磨削加工或电化学加工后的微细工具进行在线抛光，溶液中的超微磨粒在电场力的作用下泳动到微细工具附近，同时在超声作用下超微磨粒冲击、滑擦微细工具表面以去除材料；本发明提供的在线抛光加工方法通过细化超微磨粒及控制超声电源功率，使微细工具表面抛光质量达到镜面，加工精度更高，改变了现有技术中通过微能、高频脉冲电源提高微细工具表面加工质量的程度有限的情况，并且本发明提供的方法降低了抛光微细工具的加工成本。

附图说明

图1为本发明所述微细工具在线抛光加工的加工原理图；

图中，1为超微磨粒，2为块电极，3为微细工具，4为电泳辅助电极，5为工作液槽，6为超声振动系统。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的描述。这些实施例仅是对本发明的典型描述，但本发明不限于此。下述实施例中所用的试验方法如无特殊说明，均为常规方法，所使用的原料，试剂等，如无特殊说明，均为可从常规市场等商业途径得到的原料和试剂。

实施例1

本实施例提供了一种在线抛光微细工具的装置，包括微细电加工机床（图中未示出）和在线抛光加工工作液槽5，所述微细电加工机床包括机床本体、主轴系统、微三维运动工作台和微细电加工装置；所述工作液槽5的底部设置有超声振动系统6，所述工作液槽5内相对设置有块电极2和电泳辅助电极4，所述工作液槽5内分布有超微磨粒1，所述装置还包括电泳直流电源（图中未示出），电泳电源的正负极与所述块电极2和电泳辅助电极4相对应连接。

微细工具在线抛光加工是利用超微磨粒的电泳特性，在电场力的作用下泳向块电极，使靠近块电极的微细工具周围超微磨粒质量分数提高，同时在超声作用下，超微磨粒对微细工具表面进行冲击、滑擦以去除材料，达到抛光加工的目的，其加工原理图如图1所示，工作液槽5安装在微细加工机床的微三维运动工作台上，微细工具3安装在主轴上并随主轴一起做旋转运动，微细工具3是由块/线电极电火花磨削加工或电化学加工方法加工到所需的尺寸。控制微三维运动工作台运动使块电极2靠近微细工具3，块电极2与微细工具3之间的距离调节好后保持不变。块电极2与电泳辅助电极4浸没于工作液中，根据超微磨粒1吸附工作液中电荷后所具有的极性，将电泳直流电源的正负极连接到块电极2与电泳辅助电极4上，使块电极2与电泳辅助电极4之间形成一电场强度足够大的电场，超微磨粒1在电场力的作用下泳向块电极2。超声振动系统6安装在工作液槽5的底部，在超声电源的作用下能够驱动工作液作超声振动。超声在工作液中传播会产生正负液压冲击以及超声空化现象，微细工具3附近的超微磨粒1在正负液压冲击以及超声空化作用下冲击、滑擦微细工具3表面，对微细工具3表面的材料进行微去除，以达到抛光微细工具3表面的目的。

在本发明中，使用块/线电极电火花磨削加工装置对毛坯工具进行加工后得到微细工具3后不能将微细工具3从主轴上拆卸，微细工具3的二次加工必须在线进行，否则无法保证二次装夹精度；因此，发明人采取将加工装置从微三维运动工作台上取下，将微细工具在线抛光加工工作液槽5安装至微三维运动工作台上实现在线加工。

本实施例提供的微细工具在线抛光加工方法的具体包括如下：

（1）将毛坯工具安装在微细电火花加工机床的主轴上，采用块/线电极电火花磨削加工毛坯工具到所需的微细尺寸；

（2）将块/线电极电火花磨削加工装置从微三维运动工作台上取下，将微细工具在线抛光加工工作液槽安装至微三维运动工作台上；

（3）控制微三维运动工作台运动，使块电极靠近但不接触微细工具，两者之间的距离为5μm；

（4）根据工作液中超微磨粒所带的电荷极性，正确的将电泳电源的正负极连接到块电极与电泳辅助电极上，使块电极与电泳辅助电极之间形成一场强足够大的电场，在本实施例中，所述超微磨粒的直径为0.8μm，质量分数为0.8%；

（5）打开超声电源，使工作液槽底板的超声振动系统以30KHz的高频机械振动，从而使工作液超声振动；

（6）微细电火花加工机床主轴以2000rpm转速旋转，有利于微细工具抛光均匀；

（7）抛光10min后，抛光好的微细工具即可用于微细电火花加工。

相对于现有的提高微细工具表面加工质量的技术，本发明具有以下优点：

（1）加工精度更高。

虽说微能、高频脉冲电源可以有效的提高微细工具表面加工质量，但是高频窄脉宽脉冲电源对电源的设计技术以及机床运控控制系统的要求很高，从而通过这种方法改善微细工具表面质量是有极限性的。而本发明可以通过进一步细化超微磨粒以及控制超声电源功率，使微细工具表面抛光质量达到镜面。超微磨粒越细，每个有效磨粒的材料去除量越小，能获得的表面加工精度越高。

（2）降低了加工成本。

高频窄脉宽电源对硬件与软件的要求都很苛刻，相应的加工成本就增加了。而实施本发明的装置结构简单，加工制作方便，成本低。超微磨粒越细，电泳特性越强，超微磨粒更容易被吸附到微细工具附近，因而即使是低磨粒质量分数的工作液，也能够保证加工区域磨粒的质量分数足够高；故而不会因为采用更细的超微磨粒而增加抛光加工成本。

Claims (10)

1.一种在线抛光微细工具的装置，其特征在于，包括微细电加工机床和在线抛光加工工作液槽，所述微细电加工机床包括机床本体、主轴系统、微三维运动工作台和微细电加工装置；所述工作液槽的底部设置有超声振动系统，所述工作液槽内相对设置有块电极和电泳辅助电极，所述工作液槽内分布有超微磨粒，所述装置还包括电泳直流电源，电泳电源的正负极与所述块电极和电泳辅助电极相对应连接。

2.根据权利要求1所述在线抛光微细工具的装置，其特征在于，所述微细电加工机床为微细电火花加工机床、微细超声加工机床或微细电化学加工机床。

3.根据权利要求1所述在线抛光微细工具的装置，其特征在于，所述超微磨粒的直径小于1μm。

4.一种使用如权利要求1所述装置在线抛光微细工具的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

使用微细电加工装置将毛坯工具加工到所需的微细尺寸得微细工具；将微细工具在线置于工作液槽中并靠近块电极，将块电极和电泳辅助电极与电泳电源的正负极连接；开启超声振动系统使超微磨粒在微细工具附近做高频机械振动，同时旋转微细工具，抛光预定时间后即得抛光好的微细工具。

5.根据权利要求4所述方法，其特征在于，采用块/线电极电火花磨削加工或电化学加工方法对毛坯工具进行加工。

6.根据权利要求4所述方法，其特征在于，所述工作液槽中超微磨粒的质量分数为0.1～1%。

7.根据权利要求4所述方法，其特征在于，所述工作液槽中超微磨粒的质量分数为0.8%。

8.根据权利要求4所述方法，其特征在于，所述超声振动系统的振动频率为20KHz～40KHz。

9.根据权利要求4所述方法，其特征在于，微细工具的转速为1000rpm～3000rpm。

10.根据权利要求4所述方法，其特征在于，抛光加工时间为10～25min。