CN107790834B - 电加工的装置和方法，混合加工的系统和方法 - Google Patents

电加工的装置和方法，混合加工的系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明是电加工的装置和方法，混合加工的系统和方法。一种电加工方法包括：用包括电极的电加工装置加工工件；如果流过所述电极和所述工件的放电电流低于参考放电电流，以第一加速度增大所述电极的进给率；如果所述放电电流高于所述参考放电电流，以第二加速度减小所述电极的所述进给率，其中所述第二加速度的绝对值大于所述第一加速度的绝对值。

Description

电加工的装置和方法，混合加工的系统和方法
技术领域
本发明公开的实施例涉及电加工的装置和方法，及混合加工的系统和方法。
背景技术
电加工是一种制造工艺，其通过电火花放电来使工件形成预先设计好的形状，其通过电极和工件间的一系列的快速循环放电过程来去除工件上的多余材料。传统的电加工方法存在效率低和稳定性差的问题。
传统的混合加工工艺通常需要依次设置的两个或两个以上的相互独立的加工装置，其中每一个都需要特定的硬件和软件资源，这样就会导致系统设计的复杂性较高，且工具的安装、拆卸需要耗费较长的时间。
因此，有必要提供新的电加工装置和方法，以及混合加工的系统和方法来解决上述的至少一个问题。
发明内容
一种电加工方法包括：用包括电极的电加工装置加工工件；如果流过所述电极和所述工件的放电电流低于参考放电电流，以第一加速度增大所述电极的进给率；如果所述放电电流高于所述参考放电电流，以第二加速度减小所述电极的所述进给率，其中，所述第二加速度的绝对值大于所述第一加速度的绝对值。
一种电加工装置包括：用于加工工件的电极和进给率调节器。所述进给率调节器用于在流过所述电极和所述工件的放电电流低于参考放电电流时，以第一加速度增大所述电极的进给率；在所述放电电流高于所述参考放电电流，以第二加速度减小所述电极的所述进给率，其中，所述第二加速度的绝对值大于所述第一加速度的绝对值。
一种混合加工系统包括：用于在第一模式下加工工件的刀具、用于在第二模式下加工所述工件的电极，及混合控制器。所述混合控制器用于在所述第一模式下控制所述刀具加工所述工件。在第二模式下，所述混合控制器还用于在流过所述电极和所述工件的放电电流低于参考放电电流时，以第一加速度增大所述电极的进给率，及在所述放电电流高于所述参考放电电流，以第二加速度减小所述电极的所述进给率，其中，所述第二加速度的绝对值大于所述第一加速度的绝对值。
一种使用混合加工系统的加工方法包括：操作所述混合加工系统使其在第一模式下工作，及操作所述混合加工系统使其在第二模式下工作，其中，所述混合加工系统包括刀具、电极和工具夹。所述操作混合加工系统使其在第一模式下工作的步骤包括：用所述工具夹夹持所述刀具，及用所述刀具加工所述工件。所述操作所述混合加工系统使其在第二模式下工作的步骤包括：用所述工具夹夹持所述电极；用所述电极加工所述工件；如果流过所述电极和所述工件的放电电流低于参考放电电流，则以第一加速度增大所述电极的进给率；及如果所述放电电流高于所述参考放电电流，则以第二加速度减小所述电极的所述进给率，其中，所述第二加速度的绝对值大于所述第一加速度的绝对值。
附图说明
当参照附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面及优点将变得更好理解，在附图中，相同的元件标号在全部附图中用于表示相同的部件，其中：
图1所示为本发明的一具体实施例的电加工装置的示意图；
图2所示为本发明的一具体实施例的混合加工系统的示意图；
图3所示为本发明的一具体实施例的进给率的调节倍率和所述电加工装置的放电电流的关系图。
图4所示为本发明的一具体实施例的电加工方法的流程示意图；及
图5所示为本发明的一具体实施例的使用混合加工系统的加工方法的流程示意图。
具体实施方式
为帮助本领域的技术人员能够确切地理解本发明所要求保护的主题，下面结合附图详细描述本发明的具体实施方式。在以下对这些具体实施方式的详细描述中，本说明书对一些公知的功能或构造不做详细描述以避免不必要的细节而影响到本发明的披露。
除非另作定义，本权利要求书和说明书中所使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本说明书以及权利要求书中所使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“具有”等类似的词语意指出现在“包括”或者“具有”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“具有”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。
一方面，本发明的实施例涉及可在零件加工领域广泛应用的一种电加工装置。在一些实施例中，所述电加工装置为高速电腐蚀(HSEE)装置，其可执行高速电腐蚀加工流程。所述高速电腐蚀加工，例如：BlueArcTM，可用于对高强度合金进行粗加工。
图1为根据本发明一具体实施例的用于加工工件20的电加工装置10的示意图。
参照图1，电加工装置10包括电极11和进给率调节器13。电极11用于以一进给率加工工件20。进给率调节器13用于在流过所述电极和所述工件的放电电流低于参考放电电流时，以第一加速度增大电极11的进给率。进给率调节器13还用于在流过所述电极和工件的放电电流高于参考放电电流时，以第二加速度减小电极11的进给率。所述第二加速度的绝对值大于所述第一加速度的绝对值。这里的第一或第二加速度可为平均加速度。这里提及的“加速度的绝对值”是指在不考虑加速度方向的情况下的加速度的大小。
电加工装置10还包括电源14，电源14与电极11和工件20耦合，用于为电极和工件供电，使电极和工件其中之一为阳极，另一个为阴极，这样，当电极11靠近工件20时，在电极11和工件20间会产生电火花。在这样的情况下，也会产生流经电极11和工件20的放电电流，所述放电电流在加工过程中会变化。在一些实施例中，电源14包括恒压源，其用于输出一预设的电压，该预设的电压在所述加工过程中大致保持不变。
电加工装置10进一步包括放电电流检测器12和比较器17。放电电流检测器12耦合于电极11和工件20，以对放电电流进行检测，从而获得实时放电电流。比较器17用于将检测到的实时放电电流与参考放电电流相比较，以获得比较结果。进给率调节器13根据该比较结果增大或减小电极11的进给率。参考放电电流可基于电加工装置的工作条件而预先设置。例如，所述参考放电电流可基于最大放电电流、最小放电电流、参考调节倍率或它们的组合来预先设置。在一些实施例中，参考放电电流设置为2500A。
电加工装置10进一步包括工具夹15和运动单元16。电极11由工具夹15夹持，运动单元16耦合于工具夹15和工件20的至少其中之一，以使工具夹15和电极11相对于工件20产生移动。在图1所示的实施例中，所述运动单元16与工具夹15耦合，从而可相对于工件20移动工具夹15和电极11。在其他一些实施例中，运动单元16也可与工件耦合，从而可相对于电极移动工件。
当电加工装置10工作时，电源14被打开以给电极11和工件20供电。运动单元16驱动电极11以一初始进给率向工件20推进。当电极11靠近工件20时，将产生流经电极11和工件20的放电电流。该放电电流可表征加工过程中的负载状态，所以可基于实时放电电流调节进给率。
进给率调节器13与运动单元16相耦合，用于根据比较结果调节电极11的进给率。具体地，进给率调节器13通过控制运动单元16来增大或减小进给率。如果放电电流低于参考放电电流，则进给率调节器13以第一加速度增大电极11的进给率，从而提高加工效率。如果放电电流高于参考放电电流，则进给率调节器13以第二加速度减小电极11的进给率，从而使加工过程更加稳定。如前文所述，第二加速度的绝对值大于第一加速的绝对值，这表明电极进给率的增大过程相对于减小过程来说更慢，这样，能够进一步提升加工工艺的稳定性，超速和过电流的情形可以被避免。
在一些实施例中，进给率调节器13以一大于参考调节倍率的第一调节倍率来调节进给率，以使进给率增大，以一小于该参考调节倍率的第二调节倍率来调节进给率，以使进给率减小。该参考调节倍率可以根据电加工装置的工作条件预先设置。在一些实施例中，参考调节倍率可基于最大调节倍率、最小调节倍率、参考放电电流或其组合来预先设置。例如，参考调节倍率可被设置为100％。这样，第一调节倍率大于100％，而第二调节倍率小于100％。
更具体地，进给率调节器13通过将进给率的值调节到第一目标进给率来增大进给率，第一目标进给率可通过如下公式计算：Ft1＝Fr*R1，通过将进给率的值调节到第二目标进给率来减小进给率，该其可通过Ft2＝Fr*R2计算，其中，Ft1表示第一目标进给率，Ft2表示第二目标进给率，Fr表示实时进给率值，R1表示第一调节倍率，R2表示第二调节倍率。
在一些实施例中，电加工装置10包括计算器19用于通过公式来计算第一调节倍率，且通过公式来计算第二调节倍率，其中，Ir表示实时放电电流，Iref表示参考放电电流，Imin表示最小放电电流，Imax表示最大放电电流，Rref表示参考调节倍率，Rmin表示最小调节倍率，Rmax表示最大调节倍率。与第一加速度相关，与第二加速度相关，且最小放电电流Imin、最大放电电流Imax、最小调节倍率Rmin以及最大调节倍率Rmax可依据电加工设备的工作条件预先设置。
总的来说，进给率的调节倍率和实时放电电流之间的关系可以用图3中的折线70表示。折线70包括第一区段71和第二区段72。第一区段71是由第一点A和第二点B定义的线段，其表征了第一调节倍率和放电电流间的关系。第二区段72是由第二点B和第三点C定义的线段，其表征了第二调节倍率和放电电流间的关系。第一点A表征了实时放电电流等于最小放电电流Imin，而调节倍率等于最大调节倍率Rmax时的状态。第二点B表征了实时放电电流等于参考放电电流Iref，而调节倍率等于参考调节倍率Rref时的状态。第三点C表征了实时放电电流等于最大放电电流Imax，而调节倍率等于最小调节倍率Rmin时的状态。如图3所示，第一区段和第二区段具有不同的斜率。第一区段具有的第一斜率等于而第二段具有的第二斜率等于如上所述，第一斜率的绝对值小于第二斜率的绝对值。在图3的实施例中，Iref设置为2500A，Rref设置为100％，Imin设置为0，Imax设置为3000A，Rmin设置为0％，Rmax设置为120％。
在一些其他实施例中，上述折线可包括三个或三个以上的区段，这些区段各自具有不同的斜率，这样，加工装置的性能可被进一步提升。
在一些实施例中，电加工装置10进一步包括电源控制器18，其用于控制电源14的开关。电加工装置10还可包括数据存储单元21，其用于存储实时放电电流、第一调节倍率、第二调节倍率、目标进给率、参考放电电流、参考调节倍率、最大放电电流、最小放电电流、最大调节倍率、最小调节倍率的至少其中之一。电加工装置10还可包括通信单元22，用于在放电电流检测器12、比较器17、进给率调节器13、电源14、电源控制器18、计算器19及数据存储器21之间传输信号。
进给率调节器13、比较器17、放电电流检测器12、电源控制器18、计算器19、数据存储单元21和通信单元22可相互独立设置；或者，至少其中一部分被集成。例如，如图1所示，放电电流检测器12和通信单元22被集成为接口电路23，而进给率调节器13、比较器17、电源控制器18、计算器19及数据存储单元21被集成为电加工控制器24。
本发明的具体实施例还涉及将机械加工和电加工功能相结合的混合加工系统。该两种功能共享硬件和软件资源，从而使系统简化并降低成本。
图2为根据本发明一具体实施例的混合加工系统30的示意图。该混合加工系统30用来加工安装在基座49上的工件40。混合加工系统30包括刀具37、电极31和混合控制器44。
所述混合加工系统30具有两种工作模式，即：第一模式和第二模式，且该两种模式可自由切换。在第一模式下，混合控制器44控制刀具37以机械加工方式加工工件40，如：车削、铣削和钻孔等。在第二模式下，混合控制器44控制电极31以电加工方式加工工件40。第一模式可被用于对工件进行精加工，其具有较高的加工精度，而第二模式可被用于对工件进行粗加工，其具有较高的加工效率。当工件需要精加工时，选择第一模式；当工件需要粗加工时，选择第二模式。在一些实施例中，可首先通过第二模式快速去除工件上的多余部分并形成一个大致的形状；然后通过第一模式进行精加工，以提高工件的尺寸精度和表面质量。工件在整个加工过程中都被安装固定在基座上，没有任何装配和拆卸过程，这样，工件的加工时长可以减少且加工效率可以提升。
混合加工系统30进一步包括工具夹35和运动单元36。工具夹35用于在第一模式下夹持刀具37，及在第二模式下夹持电极31。运动单元36耦合于工具夹35和工件40的至少其中之一，用于相对于工件40移动工具夹35(以及刀具37或电极31)。混合控制器44包括耦合于运动单元36的进给率调节器33，其用于通过控制运动单元36来调节刀具37或电极31的进给率。
混合加工系统30进一步包括电源34和放电电流检测器32。混合控制器44包括比较器46。电源34、放电电流检测器32和比较器46在第二模式下工作。电源34耦合于电极31和工件40，用于给电极31和工件40供电。放电电流检测器32耦合于电极31和工件40，用来检测通过电极31和工件40的实时放电电流。比较器46用于将实时放电电流与参考放电电流进行比较，以获得比较结果。混合控制器44的进给率调节器33被配置成基于该比较结果增大或减小电极31的进给率。进给率调节器33的控制方法和图1所示的进给率调节器13的控制方法相类似，此处不再赘述。
混合控制器44还可包括电源控制器38、计算器39和数据存储单元41，它们的功能及描述与图1所示的电加工装置10中的相应元件类似，这里将不再赘述。
混合加工系统30进一步包括通信单元42，其用于在放电电流检测器32、混合控制器44和电源34之间传输信号。一些实施例中，通信单元42可与放电电流检测器32集成为接口电路43。
总的来说，第一模式和第二模式至少共享工具夹35、运动单元36及进给率调节器33，这样就节约了硬件资源，从而可以简化电路结构，降低生产成本。
一些实施例中，混合加工系统30可在机械加工设备的基础上改造而成，该机械加工设备包括刀具、工具夹、运动单元和计算机数控器(CNC)。该机械加工装置可为轻载加工装置。计算机数控器用于根据给定的调节倍率来调节工具夹(以及刀具)的进给率。在该机械加工装置上增加电极、接口电路和电极控制模块来组成混合加工系统。具体地讲，在第二模式下，接口电路耦合于电极和计算机数控器之间，用于从电极侧获得实时放电电流且将其传输到电极控制模块。该电极控制模块用于根据实时放电电流计算调节倍率，并将该调节倍率提供给计算机数控器。然后计算机数控器根据该调节倍率调节工具夹及电极的进给率。电极控制模块可与计算机数控器集成为一体。这样，计算机数控器能够在第二模式下基于放电电流来调整电极的进给率，且所述电加工方式被内嵌到机械加工装置内。
本发明公开的实施例还涉及一种电加工方法,其可以很好地平衡加工效率及加工稳定性。
图4为根据本发明一具体实施例的电加工方法50的流程示意图。参照图4，电加工方法50包括步骤51-55。
步骤51中，用电加工装置加工工件。在一些实施例中，电加工装置为高速电腐蚀(HSEE)装置，其可对工件进行高速电腐蚀加工。该电加工装置包括电极，其用于以一进给率加工所述工件。所述工件和电极由电源供电。在一些实施例中，电源包括恒压源。
步骤52中，检测流过所述电极和所述工件的放电电流，以获得实时放电电流。
步骤53中，将所述实时放电电流与参考放电电流的进行比较，以获得比较结果。所述参考放电电流可以基于电加工工艺的工作条件预先设置。
若所述实时放电电流小于所述参考放电电流，则执行步骤54。步骤54中，以第一加速度增大电极的进给率。所述增大进给率的步骤包括以大于一参考调节倍率的第一调节倍率调节进给率。所述参考调节倍率可基于电加工工艺的工作条件预先设定。在一些实施例中，参考调节倍率设定为100％。这种情况下，第一调节倍率大于100％，增大进给率的步骤可包括将进给率调节至第一目标进给率，该第一目标进给率由公式:Ft1＝Fr*R1计算而得，其中Ft1表示第一目标进给率，Fr表示实时进给率，而R1表示第一调节倍率。
在一些实施例中，第一调节倍率由 计算而得，其中，Ir表示实时放电电流，Iref表示参考放电电流，Imin表示最小放电电流，Rref表示参考调节倍率，Rmax表示最高调节倍率。
若所述实时放电电流高于所述参考放电电流，则执行步骤55。在步骤55中，以第二加速度减小电极的进给率，该第二加速度的绝对值大于第一加速度的绝对值。所述减小进给率的步骤包括以小于所述参考调节倍率的第二调节倍率调节所述进给率。在一些实施例中，参考调节倍率设定为100％。这种情况下，第二调节倍率小于100％，所述减小进给率的步骤包括将进给率调节至第二目标进给率，该第二目标进给率由公式:Ft2＝Fr*R2计算而得，其中Ft2表示第二目标进给率，R2表示第二调节倍率。
在一些实施例中，第二调节倍率由 计算而得，其中Imax表示最大放电电流，而Rmin表示最小调节倍率。
在一些实施例中，在上述步骤54或55执行完成之后，可重复多次执行步骤52-55，直至实时放电电流稳定在参考放电电流左右。
本发明揭露的电加工方法可自动调节进给率，以获得稳定的加工过程，且避免电极的短路和损坏。
本发明公开的具体实施例还涉及使用混合加工系统的加工方法，如图2所示，该混合加工系统包括刀具、电极及工具夹。
图5为根据本发明一具体实施例的使用混合加工系统的加工方法60的流程示意图。该方法的动作以功能模块的形式图示，图5所示的模块的先后顺序和模块中动作的划分并非限于图示的实施例。例如，模块可以按照不同的顺序进行；一个模块中的动作可以与另一个或多个模块中的动作组合，或拆分为多个模块。
参见图5，方法60包括步骤61-68，其中，步骤61-62涉及在第一模式下操作所述系统，即：机械加工模式。如步骤61和步骤62中分别所示，操作所述系统使其在第一模式下工作包括：用工具夹夹持刀具，及用该刀具加工工件。
步骤63–68涉及操作所述系统使其在第二模式下工作，即：电加工模式。在步骤63中，操作工具夹以夹持电极。在一些实施例中，在工具夹上安装电极之前，先将刀具从工具夹上拆卸下来。然后，如步骤64所示，用电极加工工件。
步骤65-68图4所示的步骤52-55相类似，这里不再赘述。
虽然结合特定的具体实施方式对本发明进行了详细说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。

Claims (12)

1.一种电加工方法，其特征是，包括：
用包括电极的电加工装置加工工件；
如果流过所述电极和所述工件的放电电流低于参考放电电流，以第一加速度增大所述电极的进给率；及
如果所述放电电流高于所述参考放电电流，以第二加速度减小所述电极的进给率，其中，所述第二加速度的绝对值大于所述第一加速度的绝对值。
2.如权利要求1所述的方法，进一步包括：用恒压源给所述工件和所述电极供电。
3.如权利要求1所述的方法，进一步包括：
检测流过所述电极和所述工件的所述放电电流；及
将所述放电电流与所述参考放电电流进行比较。
4.如权利要求1所述的方法，其中，增大所述电极的进给率的步骤包括：以大于参考调节倍率的第一调节倍率调节所述进给率，减小所述电极的进给率的步骤包括：以小于所述参考调节倍率的第二调节倍率调节所述进给率。
5.如权利要求4所述的方法，其中，所述第一调节倍率的计算公式为：所述第二调节倍率的计算公式为：其中，R1表示所述第一调节倍率，R2表示所述第二调节倍率，Ir表示实时放电电流，Iref表示所述参考放电电流，Imin表示最小放电电流，Imax表示最大放电电流，Rref表示所述参考调节倍率，Rmin表示最小调节倍率，Rmax表示最大调节倍率，且
6.一种电加工装置，其特征是，包括：
电极，其用于加工工件；及
进给率调节器，其用于在流过所述电极和所述工件的放电电流低于参考放电电流时，以第一加速度增大所述电极的进给率，在所述放电电流高于所述参考放电电流时，以第二加速度减小所述电极的所述进给率，其中，所述第二加速度的绝对值大于所述第一加速度的绝对值。
7.如权利要求6所述的装置，进一步包括：
放电电流检测器，其与所述电极和所述工件耦合，用于检测所述放电电流；及
比较器，其用于将检测到的所述放电电流与所述参考放电电流进行比较。
8.如权利要求6所述的装置，进一步包括：恒压源，其用于给所述工件和所述电极供电。
9.如权利要求6所述的装置，进一步包括：
工具夹，其用于夹持所述电极；及
运动单元，其耦合于所述工具夹和所述工件的至少其中之一，用于相对于所述工件移动所述电极；
其中，所述进给率调节器耦合于所述运动单元，用于通过控制所述运动单元来增大或减小所述进给率。
10.一种混合加工系统，包括：
刀具，其用于在第一模式下加工工件；
电极，其用于在第二模式下加工所述工件；
其特征是，所述混合加工系统进一步包括：混合控制器，其用于在所述第一模式下控制所述刀具加工所述工件，其还用于在所述第二模式下，当流过所述电极和所述工件的放电电流低于参考放电电流时，以第一加速度增大所述电极的进给率，当所述放电电流高于所述参考放电电流时，以第二加速度减小所述电极的进给率，其中，所述第二加速度的绝对值大于所述第一加速度的绝对值。
11.如权利要求10所述的系统，进一步包括：
工具夹，其用于在所述第一模式下夹持所述刀具，且在所述第二模式下夹持所述电极；及
运动单元，其耦合于所述工具夹和所述工件的至少其中之一，用于相对于所述工件移动所述工具夹；
其中，所述混合控制器，其耦合于所述运动单元，用于通过控制所述运动单元来增大或减小所述进给率。
12.一种使用混合加工系统的加工方法，该混合加工系统包括刀具、电极以及工具夹，其特征是，所述方法包括：
操作所述混合加工系统使其在第一模式下工作，包括：
用所述工具夹夹持所述刀具，及
用所述刀具加工工件；及
操作所述混合加工系统使其在第二模式下工作，包括：
用所述工具夹夹持所述电极，
用所述电极加工所述工件，
如果流过所述电极和所述工件的放电电流低于参考放电电流，以第一加速度增大所述电极的进给率，及
如果所述放电电流高于所述参考放电电流，以第二加速度减小所述电极的所述进给率，其中，所述第二加速度的绝对值大于所述第一加速度的绝对值。
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