CN107350584B - 工件往复运动微细电解线切割方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种工件往复运动微细电解线切割方法，属于微细电化学加工领域。本发明方法的特点在于：涉及一种工件往复运动微细电解线切割方法，即利用工件在平行于线电极轴线方向上往复运动，使工件待加工区域主动脱离受到电解产物影响的加工区域，加工间隙内及时补充新鲜的电解液，减少加工间隙内电解产物对电解液电导率所产生的影响，保证加工间隙内的电导率分布相对均匀，从而实现高质量的微细电解线切割加工。同时，涉及多种电压脉冲与工件往复运动，进给运动的耦合形式。
Description
技术领域
本发明涉及一种工件往复运动微细电解线切割方法，属于微细电化学加工领域。
背景技术
微机电系统的制备和应用中，金属材料的微纳米加工有着广泛的发展需求。现有的针对金属材料的微细制造方法在加工高深宽比复杂微结构方面还存在着一些局限性和不足，例如：精密机械加工存在表面残余应力，加工薄壁零件时，工件容易变形；激光加工的表面质量较低，对于一些表面质量要求严格的结构需要进行二次加工；电火花加工表面存在再铸层、热影响区，且由于工具电极有损耗，电极尺寸受到严重限制。电解线切割是基于电化学阳极溶解原理，利用金属丝作为工具阴极，结合高精度的多轴数控运动，对金属材料进行精密加工的一种电化学加工方法。电解线切割加工过程中，材料的转移是以离子尺度进行的，金属离子的尺寸在十分之一纳米甚至更小，因此电解线切割在微细制造领域、以至于纳米制造领域有着很大的发展潜力。
尽管电解线切割加工技术在金属材料微结构加工中展现了显著的优越性和广泛的应用前景，但是在电解线切割加工过程中仍存在一些问题。和其它电解加工方法一样，加工间隙对电解线切割加工技术至关重要。一方面减小加工间隙可以有效的提高加工精度、减小切缝宽度，从而提高其微结构加工能力；但是另一方面，过小的加工间隙又会影响间隙内电解产物的排出和电解液的及时更新，从而降低加工精度以及加工效率。据文献报道，目前针对微细电解线切割加工的微小间隙内强化传质的方法主要有：（1）线电极轴向冲液；（2）线电极环形走丝；（3）线电极轴向微振动。其中，轴向冲液传质的方法对线电极会产生一定的扰动影响，不适用于直径只有数十微米的细丝；走丝传质和线电极振动传质的方法，阳极工件依旧处于“原位”，工件表面的不溶性产物离线电极较远，加工面上黏附的固体产物排出效果有限，对线电极 “拖拽”不溶性产物的能力要求更高。因此在保证较小的加工间隙和稳定加工状态的前提下，如何提高间隙内电解产物的排出效率成为制约电解线切割加工技术实际应用水平提高的关键问题。
发明内容
本发明的目的在于，针对微细电解线切割的微小加工间隙内产物排出、电解液更新困难及加工稳定性差的问题，提出了利用工件往复运动强化间隙内传质效果的方法，即利用工件在平行于线电极轴线方向上往复运动，使工件待加工区域主动脱离受到电解产物影响的加工间隙，减少电解产物对加工间隙内电解液电导率所产生的影响，从而保证加工间隙内电导率分布相对均匀。
工件往复运动强化传质方式与线电极运动强化传质方式相比，虽然都是实现线电极与工件之间的相对运动，但两者排出产物的原理并不相同。线电极运动时，间隙内电解液由线电极驱动，通过线电极表面对电解液的固壁引力将电解产物“拖拽”出加工间隙，且越靠近工件加工面，电解液流速越低，对工件加工面附近的固体产物排出效果有限；而工件往复运动时，间隙内电解液由工件驱动，工件加工面附近的电解液流速大，一方面通过工件的“移形换位”，主动“抛弃”电解产物，另一方面在工件运动换向时，由于间隙内电解液速度的变化相对滞后，靠近工件加工面的电解液与加工面之间产生相对速度，使电解液有冲刷加工面的效果，可防止产物黏附在加工面上。
一种工件往复运动微细电解线切割方法，其特征在于：工件同时做平行于线电极轴线方向的连续往复运动，和垂直于线电极轴线的径向进给运动；线电极采用以下运动方式之一：静止不动、轴向往复振动、轴向单向运动。
上述工件垂直于线电极轴线的径向进给运动为一直连续的。
上述工件垂直于线电极轴线的径向进给运动为不连续的，与电源输出的分组脉冲相耦合，具体为：当有脉冲输出时，工件进行垂直于线电极轴线的径向进给；当无脉冲输出时，工件停止垂直于线电极轴线的径向进给。
上述工件做平行于线电极轴线方向的连续往复运动过程中，在轴向工件向下运动时，气泡和固体产物主要从工件加工间隙的上部排出；当向上运动时，气泡和固体产物主要从工件加工间隙的下部排出。
一种工件往复运动微细电解线切割方法，其特征在于：线电极做轴线方向的连续往复运动；工件运动与电源的分组脉冲相耦合，具体为：当有脉冲输出时，工件只做垂直于线电极轴线的径向进给运动；当无脉冲输出时，工件只做平行于线电极轴线方向的往复运动。
上述电源有脉冲输出时，加工产生的气泡主要从工件的加工间隙上部排出，固体产物主要从工件的加工间隙下部排出；电源无脉冲输出时，气泡和固体产物全部被排出工件的加工间隙，加工间隙内充满全新电解液。
本发明的有益效果在于：
1. 工件沿线电极轴线方向上做连续往复运动或者与分组脉冲耦合的断续往复运动，使加工间隙内及时补充新鲜的电解液，减少了电解产物的集聚，改善加工间隙内的流场分布，保证加工间隙内的电导率分布相对均匀，避免短路现象的发生，从而提高加工稳定性和效率，降低加工成本。
2. 对于本身含有不溶性非金属元素或是极易形成不溶性产物的合金材料（例如大多数金属玻璃含有非金属成分、钛合金离子易形成不溶性氧化物），工件运动更有利于提升传质效率，提高微细电解线切割技术的加工能力和大块金属材料的加工质量。
附图说明
图1是工件往复运动微细电解线切割原理示意图；
图2是工件轴向连续往复运动，径向连续加工模式，电源脉冲（U）与工件进给速度（v）、往复运动速度（f）关系示意图；
图3是工件轴向连续往复运动，径向连续加工模式时，轴向向下运动的传质示意图；
图4是工件轴向连续往复运动，径向连续加工模式时，轴向向上运动的传质示意图；
图5是工件轴向连续往复运动，径向断续加工模式，电源脉冲（U）与工件进给速度（v）、往复运动速度（f）关系示意图;
图6是工件轴向连续往复运动，径向断续加工模式，加工过程中轴向向下运动的传质示意图；
图7是工件轴向连续往复运动，径向断续加工模式，加工过程中轴向向上运动的传质示意图；
图8是工件轴向连续往复运动，径向断续加工模式，停止加工间隙内传质示意图；
图9是工件轴向断续往复运动，径向断续加工模式，电源脉冲（U）与工件进给速度（v）、往复运动速度（f）关系示意图；
图10是工件轴向断续往复运动，径向断续加工模式，加工过程中间隙内传质示意图；
图11是工件轴向断续往复运动，径向断续加工模式，停止加工间隙内传质示意图;
其标号名称为：1、线电极；2、气泡；3、工件；4、固体产物；5、电解液；6、电源。
具体实施方式
将厚度0.1~10mm的工件3装在工件夹具上，接电源6正极，将直径数微米或者数十微米的线电极1装在线电极夹具上，接电源6负极，工件3和线电极1都置于装有适量电解液5的电解槽中。根据工件的材料特性，电解液5可以选择相应的酸性，中性，或者碱性溶液。工件3沿线电极轴向做往复运动的行程一般为0.1~10mm，频率为0.1~10Hz，线电极1采用以下运动方式之一：静止不动、轴向往复振动、轴向单向运动。轴向往复振动时幅值一般为10~1000μm，频率为0.1~10Hz；轴向单向运动时，走丝速度一般为1~500mm/s。加工过程中，电源6的可选参数为：电压3~50V、脉宽20~1000ns、周期1~100μs，加工速度0.1~10μm/s；可以通过视觉辅助装置观察线电极和工件在初始对刀或者加工过程中的状态，通过示波器监测加工过程中的电流变化。
工件3轴向连续往复运动，径向连续加工模式时，线电极1轴向静止，工件3同时做在平行于线电极1轴线方向的连续往复运动，和在垂直于线电极1轴线的径向连续进给运动。在轴向工件3向下运动时，气泡2和固体产物4主要从工件3加工间隙的上部排出；当向上运动时，气泡2和固体产物4主要从工件3加工间隙的下部排出。
工件3轴向连续往复运动，径向断续加工模式时，线电极1轴向静止，工件3在平行于线电极1轴线方向做连续往复运动，而在垂直于线电极1轴线的径向做断续进给运动，且与分组脉冲耦合。接通电源6，工件3在径向持续进给，在轴向向下运动时，气泡2和固体产物4主要从工件3加工间隙的上部被排出；当向上运动时，气泡2和固体产物4主要从工件3加工间隙的下部排出。关闭电源6，工件3在径向停止进给，在轴向依旧连续运动，气泡2和固体产物4全部被排出工件3的加工间隙，加工间隙内充满全新电解液5。
工件3轴向断续往复运动，径向断续加工模式时，线电极1沿轴向连续往复振动，工件3分别做在平行于线电极1轴线方向的往复运动和在垂直于线电极1轴线的径向进给运动，并与分组脉冲耦合。首先接通电源6，工件3不做轴向往复运动，只做径向进给运动，加工一段时间后，关闭电源6，同时停止进给运动；工件3沿轴向开始做往复运动，移动到一个充满全新电解液5的位置静止，再接通电源6后，只做径向进给运动，加工一段时间后，关闭电源6，同时停止进给运动；工件3沿轴向再移动到一个充满全新电解液5的位置静止，依此规律周期循环进行。接通电源时间内，线电极1沿轴向往复振动，加工产生的气泡2主要从工件3的加工间隙上部排出，固体产物4主要从工件3的加工间隙下部排出。
Claims (4)
1.一种工件往复运动微细电解线切割方法，其特征在于：
工件（3）同时做平行于线电极（1）轴线方向的连续往复运动，和垂直于线电极（1）轴线的径向进给运动；线电极（1）采用以下运动方式之一：静止不动、轴向往复振动、轴向单向运动;
上述工件（3）垂直于线电极（1）轴线的径向进给运动为不连续的，与电源（6）输出的分组脉冲相耦合，具体为：当有脉冲输出时，工件（3）进行垂直于线电极（1）轴线的径向进给；当无脉冲输出时，工件（3）停止垂直于线电极（1）轴线的径向进给。
2.根据权利要求1所述的一种工件往复运动微细电解线切割方法，其特征在于：
上述工件（3）做平行于线电极（1）轴线方向的连续往复运动过程中，在轴向，工件（3）向下运动时，气泡（2）和固体产物（4）主要从工件（3）加工间隙的上部排出；当向上运动时，气泡（2）和固体产物（4）主要从工件（3）加工间隙的下部排出。
3.一种工件往复运动微细电解线切割方法，其特征在于：
线电极（1）做轴线方向的连续往复运动；工件（3）运动与电源（6）的分组脉冲相耦合，具体为：当有脉冲输出时，工件（3）只做垂直于线电极（1）轴线的径向进给运动；当无脉冲输出时，工件（3）只做平行于线电极（1）轴线方向的往复运动。
4.根据权利要求3所述的一种工件往复运动微细电解线切割方法，其特征在于：
上述电源（6）有脉冲输出时，加工产生的气泡（2）主要从工件（3）的加工间隙上部排出，固体产物（4）主要从工件（3）的加工间隙下部排出；电源（6）无脉冲输出时，气泡（2）和固体产物（4）全部被排出工件（3）的加工间隙，加工间隙内充满全新电解液（5）。
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