CN107511933A - 喷涂低温合金的电火花放电加工非导电陶瓷的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种喷涂低温合金的电火花放电加工非导电陶瓷件的装置，包括数控机床、电控装置、工作台以及喷涂装置，工作台上支撑有待加工的非导电陶瓷件。本发明还公开了使用上述装置的加工方法，依次按以下步骤进行：在工作台上安放待加工的非导电陶瓷件，安装喷涂装置；在线喷涂低温合金蒸汽，生成低温合金薄膜；设定电加工参数，进行电火花放电加工；检测放电过程，抬刀及继续在线喷涂，继续进行电火花放电加工；重复进行直到加工完成。本发明方便、快捷、效率高，加工准备周期短；能平衡喷涂效率和质量的关系；薄膜的均匀性更好，厚度一致；能实现精加工；加工不同型号零件时，方便规划导流嘴运动轨迹，不需要更换电磁铁装置。

Description

喷涂低温合金的电火花放电加工非导电陶瓷的装置及方法

技术领域

本发明涉及特种加工技术领域，尤其涉及辅助电极电火花放电加工非导电陶瓷的加工装置及方法。

背景技术

非导电陶瓷类零件烧结时尺寸变化较大，因此烧结后通常需要进一步加工才能使用，但非导电陶瓷晶体由阴阳离子之间的化学键结合而成的，具有很大的硬脆性，采用传统“以硬碰硬”的机械加工方法难以加工此类复杂形状零件，特别是一些薄壁类的特殊零件。稍有不慎即可能产生裂纹和烧伤。由于电火花加工无宏观作用力，作为非传统加工技术对于这类零件加工非常合适。但是放电加工必须是在电极对双方都局部导电的条件下才能进行的一种热加工方法。因此，必须使被加工的非导电陶瓷工件表面具有放电的加工条件，才能对其进行电火花放电加工。

通过对现有技术文献检索发现，日本长冈科技大学的福泽康教授和东京大学的毛利尚武在用电火花加工金属和绝缘陶瓷的结合面时，发现金属侧面被电火花加工蚀除的同时，绝缘陶瓷也被加工蚀除，从而发明了辅助电极法电火花加工绝缘陶瓷的方法，其绝缘陶瓷材料的放电加工工艺是：在陶瓷表面放置薄铜片或者金属网作为辅助电极，并放置在煤油介质中，加工过程中，煤油碳化附着在汽化、熔化的区熔，从而形成新的辅助电极，使得电火花加工能继续下去。但是，在实际的放电加工过程中，生成的“导电碳化薄膜”是一种自然过程，容易受到外围条件的干扰。因而，薄膜与陶瓷表面结合不牢固，厚度也不太均匀，表面质量不高，影响加工稳定及其加工后的性能，因而，其放电参数主要是长脉冲脉宽加工，对于精加工的短脉冲不能很好生成“导电碳化薄膜”，电火花加工应用受到限制。

国内方面，上海交通大学提出了“利用导电磁粉加工非导电陶瓷的放电加工方法”发明专利，其申请号为200510111502.2。该方法在非导电陶瓷件下面安置电磁铁，利用磁场效应将导电磁粉吸附在非导电陶瓷件的表面上，有一定的应用价值。但是该方法利用导电磁粉生成的辅助电极其均匀性不好控制，加工的精度与导电磁粉颗粒直径有很大关系，而且还需要在煤油沉浸方式中加工，对于冲刷或者气中电火花加工不适用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，提供一种既适用于长脉冲脉宽放电加工，也适用于中短脉冲放电精加工的喷涂低温合金的电火花放电加工非导电陶瓷的装置。

为实现上述目的，本发明的喷涂低温合金的电火花放电加工非导电陶瓷件的装置包括数控机床、电控装置、工作台以及用于喷涂低温金属合金的喷涂装置，工作台上支撑有待加工的非导电陶瓷件；

电控装置与数控机床的数控系统相连接，喷涂装置包括低温合金蒸汽箱，低温合金蒸汽箱连接有蛇形金属软管，蛇形金属软管的另一端连接有万向喷嘴，万向喷嘴连接有喷嘴支架，电控装置与万向喷嘴相连接；

数控机床上设有加工电极，加工电极位于待加工的非导电陶瓷件的正上方，万向喷嘴的喷出口朝向非导电陶瓷件；数控机床的数控系统以及电控装置分别通过导线连接加工电极；

非导电陶瓷件上喷涂有低温合金薄膜，低温合金薄膜连接有导电块，导电块通过导线与电控装置和数控机床的数控系统相连接。

所述万向喷嘴前端设有导流嘴。

所述蛇形金属软管包括由绝缘保温材料制成并位于外层的绝缘保温层，以及位于内层并与绝缘保温层固定连接的加热层，加热层内设有电加热装置，电加热装置与电控装置相连接。

本发明的目的还在于提供一种使用上述喷涂低温合金的电火花放电加工非导电陶瓷的装置进行的加工方法，依次按以下步骤进行：

第一步骤是在工作台上安放待加工的非导电陶瓷件，安装喷涂装置，使喷涂装置位于待加工的非导电陶瓷件的上方；

第二步骤是电控装置控制喷嘴对待加工的非导电陶瓷件在线喷涂低温合金蒸汽，在待加工的非导电陶瓷件待加工区域生成导电的低温合金薄膜，从而在线构造辅助电极；使导电块与待加工区域的低温合金薄膜相连；

第三步骤是通过数控机床的数控系统设定电加工参数，包括电流参数，脉冲宽度参数、脉冲间隔参数、加工深度参数和抬刀周期时间参数，确保加工电极处于升起位置，然后进行电火花放电加工；加工过程中数控机床对加工位置使用冷却液进行冲刷；

第四步骤是电控装置在电火花放电加工过程中持续采集电火花放电加工的脉冲电压及放电电流，当检测到放电过程由火花放电主导变为开路状态主导，且进刀量超过了预定的一次喷涂的低温合金薄膜的厚度，则电控装置向数控机床的数控系统发出信号，数控机床的数控系统控制加工电极向上升起，进行电极抬刀，同时停止冷却液冲刷动作；

然后，数控机床向非导电陶瓷件表面喷射热空气，将加工表面的油污和残渣清理掉，从而为重新在线喷涂生成低温合金薄膜做好准备；

再然后，电控装置控制喷嘴对非导电陶瓷件在线喷涂低温合金蒸汽，在非导电陶瓷件的下一待加工区域生成导电的低温合金薄膜，从而在线构造辅助电极；使导电块与待加工区域的低温合金薄膜相连，从而继续进行电火花放电加工；

重复进行第四步骤，直到加工完成。

第三步骤中，设定的电加工参数是：电流参数为5A，脉冲宽度参数为50μs,、脉冲间隔参数为50μs,、加工深度参数为0.5毫米，抬刀周期时间参数为5秒。

长期工作、蛇形金属软管内壁附着较多的低温合金之后，通过电控装置启动电加热装置，将蛇形金属软管内壁附着的低温合金熔化后回收，从而恢复喷涂装置的在线喷涂性能。

喷嘴支架上方安装有两个正交设置的步进电机，两个步进电机均与电控装置相连接；两个步进电机均与喷嘴支架传动连接。

本发明具有如下的优点：

1）采用实时在线喷涂“低温合金薄膜”，这样形成的最初导电、放电条件相比预放金属板（或金属网）相比更方便、快捷、效率高，加工准备周期短；

2）在线主动喷涂“低温合金薄膜”，其导电的“低温合金薄膜”表面质量可以由用户干预并控制，只对待加工的区域进行定点喷涂，平衡喷涂效率和质量的关系；

3）在放电加工中，以“低温合金薄膜”为主，不再需要考虑高温析出的碳化薄膜，从而所形成的导电、放电条件与自然形成的导电薄膜的导电条件先比，其薄膜的均匀性更好，厚度一致；

4）由于导电、放电条件由“低温合金薄膜”承担，不再依赖电源的宽脉冲放电环境，扩展了放电环境，在中、短脉冲宽度放电条件下也能加工（50μs），因此能够实现精加工，解决金属片（网）+煤油的加工方式不适用于中、短脉冲宽度放电条件、不能实现精加工的问题。

5）加工不同批次、不同型号零件时候，只需要通过设置电控装置的参数，就可以规划低温合金喷涂装置的喷嘴导流嘴运动轨迹，不需要像其他方法更换电磁铁装置；

6）本发明的喷涂低温合金的电火花放电加工非导电陶瓷的装置及加工方法不仅仅可用于传统的煤油介质中加工非导电陶瓷，也可用于气中电火花加工，扩展了电加工非导电陶瓷的工作环境。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是喷涂装置的结构示意图；

图3是蛇形金属软管的管壁剖面示意图；

图4是本发明的加工流程图。

具体实施方式

如图1至图4所示，本发明的喷涂低温合金的电火花放电加工非导电陶瓷件的装置包括数控机床1、电控装置2、工作台3以及用于喷涂低温金属合金的喷涂装置，工作台3上支撑有待加工的非导电陶瓷件4；电控装置2可以采用PLC或单片机或集成电路。

电控装置2与数控机床1的数控系统相连接，喷涂装置包括低温合金蒸汽箱5，低温合金蒸汽箱5连接有蛇形金属软管6，蛇形金属软管6的另一端连接有万向喷嘴7，万向喷嘴7连接有喷嘴支架8，电控装置2与万向喷嘴7相连接；

数控机床1上设有加工电极9（加工电极9的材料为铜、石墨等导电材料），加工电极9位于待加工的非导电陶瓷件4的正上方，万向喷嘴7的喷出口朝向非导电陶瓷件4；数控机床1的数控系统以及电控装置2分别通过导线连接加工电极9；

非导电陶瓷件4上喷涂有低温合金薄膜10，低温合金薄膜10连接有导电块11，导电块11通过导线与电控装置2和数控机床1的数控系统相连接。

所述万向喷嘴7前端设有导流嘴12。从而更精准地控制喷涂位置。

（制备低温合金蒸汽为本领域常规技术，不再赘述如何在低温合金蒸汽箱5中生产低温合金蒸汽）

所述蛇形金属软管6包括由绝缘保温材料制成并位于外层的绝缘保温层13，以及位于内层并与绝缘保温层13固定连接的加热层14，加热层14内设有电加热装置（电加热装置为常规技术，图未示），电加热装置与电控装置2相连接。图3中标号15所示为蛇形金属软管6的中心线。

其中，数控机床1采用苏州德菲克的EDM450型电火花成型机床。加工电极9为铜棒，直径10毫米，长30毫米。

本发明还公开了使用上述的喷涂低温合金的电火花放电加工非导电陶瓷件4的装置的加工方法，其特征在于依次按以下步骤进行：

第一步骤是在工作台3上安放待加工的非导电陶瓷件4，安装喷涂装置，使喷涂装置位于待加工的非导电陶瓷件4的上方；

第二步骤是电控装置2控制喷嘴对待加工的非导电陶瓷件4在线喷涂低温合金蒸汽，在待加工的非导电陶瓷件4待加工区域生成导电的低温合金薄膜10，从而在线构造辅助电极；使导电块11与待加工区域的低温合金薄膜10相连；

第三步骤是通过数控机床1的数控系统设定电加工参数，包括电流参数，脉冲宽度参数、脉冲间隔参数、加工深度参数和抬刀周期时间参数，确保加工电极9处于升起位置（即抬刀位置），然后进行电火花放电加工；（根据加工目标设定上述参数是本领域技术人员的常规技能）加工过程中数控机床1对加工位置使用冷却液进行冲刷；

第四步骤是电控装置2在电火花放电加工过程中持续采集电火花放电加工的脉冲电压及放电电流，当检测到放电过程由火花放电主导变为开路状态主导，且进刀量超过了预定的一次喷涂的低温合金薄膜10的厚度，则电控装置2向数控机床1的数控系统发出信号，数控机床1的数控系统控制加工电极9向上升起，进行电极抬刀，同时停止冷却液冲刷动作；

然后，数控机床1向非导电陶瓷件4表面喷射热空气，将加工表面的油污和残渣清理掉，从而为重新在线喷涂生成低温合金薄膜10做好准备；

再然后，电控装置2控制喷嘴对非导电陶瓷件4在线喷涂低温合金蒸汽，在非导电陶瓷件4的下一待加工区域生成导电的低温合金薄膜10，从而在线构造辅助电极；使导电块11与待加工区域的低温合金薄膜10相连，从而继续进行电火花放电加工；

重复进行第四步骤，直到加工完成。

第三步骤中，设定的电加工参数是：电流参数为5A，脉冲宽度参数为50μs,、脉冲间隔参数为50μs,、加工深度参数为0.5毫米，抬刀周期时间参数为5秒。

长期工作、蛇形金属软管6内壁附着较多的低温合金之后，通过电控装置2启动电加热装置，将蛇形金属软管6内壁附着的低温合金熔化后回收，从而恢复喷涂装置的在线喷涂性能。

喷嘴支架8上方安装有两个正交设置的步进电机（即两个步进电机的传动方向相互垂直），两个步进电机均与电控装置2相连接；两个步进电机均与喷嘴支架8传动连接；步进电机为常规装置，图未示。

在第二步骤中，通过电控装置2控制两个步进电机的动作，通过喷嘴支架8对万向喷嘴7进行小范围的移动，对喷涂位置进行精准控制。

万向喷嘴7小范围移动参数可由用户通过电控装置2进行设置，从而能对较大的非导电陶瓷加工表面均匀的完成喷涂，生成优良的导电“低温合金薄膜10”。

以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.喷涂低温合金的电火花放电加工非导电陶瓷件的装置，其特征在于：包括数控机床、电控装置、工作台以及用于喷涂低温金属合金的喷涂装置，工作台上支撑有待加工的非导电陶瓷件；

电控装置与数控机床的数控系统相连接，喷涂装置包括低温合金蒸汽箱，低温合金蒸汽箱连接有蛇形金属软管，蛇形金属软管的另一端连接有万向喷嘴，万向喷嘴连接有喷嘴支架，电控装置与万向喷嘴相连接；

数控机床上设有加工电极，加工电极位于待加工的非导电陶瓷件的正上方，万向喷嘴的喷出口朝向非导电陶瓷件；数控机床的数控系统以及电控装置分别通过导线连接加工电极；

非导电陶瓷件上喷涂有低温合金薄膜，低温合金薄膜连接有导电块，导电块通过导线与电控装置和数控机床的数控系统相连接。

2.根据权利要求2所述的喷涂低温合金的电火花放电加工非导电陶瓷件的装置，其特征在于：所述万向喷嘴前端设有导流嘴。

3.根据权利要求3所述的喷涂低温合金的电火花放电加工非导电陶瓷件的装置，其特征在于：所述蛇形金属软管包括由绝缘保温材料制成并位于外层的绝缘保温层，以及位于内层并与绝缘保温层固定连接的加热层，加热层内设有电加热装置，电加热装置与电控装置相连接。

4.使用权利要求4所述的喷涂低温合金的电火花放电加工非导电陶瓷件的装置的加工方法，其特征在于依次按以下步骤进行：

第一步骤是在工作台上安放待加工的非导电陶瓷件，安装喷涂装置，使喷涂装置位于待加工的非导电陶瓷件的上方；

第二步骤是电控装置控制喷嘴对待加工的非导电陶瓷件在线喷涂低温合金蒸汽，在待加工的非导电陶瓷件待加工区域生成导电的低温合金薄膜，从而在线构造辅助电极；使导电块与待加工区域的低温合金薄膜相连；

第三步骤是通过数控机床的数控系统设定电加工参数，包括电流参数，脉冲宽度参数、脉冲间隔参数、加工深度参数和抬刀周期时间参数，确保加工电极处于升起位置，然后进行电火花放电加工；加工过程中数控机床对加工位置使用冷却液进行冲刷；

第四步骤是电控装置在电火花放电加工过程中持续采集电火花放电加工的脉冲电压及放电电流，当检测到放电过程由火花放电主导变为开路状态主导，且进刀量超过了预定的一次喷涂的低温合金薄膜的厚度，则电控装置向数控机床的数控系统发出信号，数控机床的数控系统控制加工电极向上升起，进行电极抬刀，同时停止冷却液冲刷动作；

然后，数控机床向非导电陶瓷件表面喷射热空气，将加工表面的油污和残渣清理掉，从而为重新在线喷涂生成低温合金薄膜做好准备；

再然后，电控装置控制喷嘴对非导电陶瓷件在线喷涂低温合金蒸汽，在非导电陶瓷件的下一待加工区域生成导电的低温合金薄膜，从而在线构造辅助电极；使导电块与待加工区域的低温合金薄膜相连，从而继续进行电火花放电加工；

重复进行第四步骤，直到加工完成。

5.根据权利要求4所述的加工方法，其特征在于：第三步骤中，设定的电加工参数是：电流参数为5A，脉冲宽度参数为50μs,、脉冲间隔参数为50μs,、加工深度参数为0.5毫米，抬刀周期时间参数为5秒。

6.根据权利要求4所述的加工方法，其特征在于：长期工作、蛇形金属软管内壁附着较多的低温合金之后，通过电控装置启动电加热装置，将蛇形金属软管内壁附着的低温合金熔化后回收，从而恢复喷涂装置的在线喷涂性能。

7.根据权利要求4所述的加工方法，其特征在于：喷嘴支架上方安装有两个正交设置的步进电机，两个步进电机均与电控装置相连接；两个步进电机均与喷嘴支架传动连接。