CN108907375B - 一种电场控形的液相金属电极电火花加工系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电场控形的液相金属电极电火花加工系统，包括液相金属电极和工件，所述液相金属电极电火花加工系统还包括平面电极板，所述平面电极板上设有绝缘隔离层，所述工件设置在所述绝缘隔离层上，所述液相金属电极、平面电极板之间连接有高压电源，所述高压电源在所述液相金属电极、平面电极板之间形成强电场，所述工件位于所述强电场之内。本发明还提供一种电场控形的液相金属电极电火花加工方法。本发明的有益效果是：相比于不加电场的加工方式，外加强电场的方式可以显著提升液相金属电极的加工精度。

Description

一种电场控形的液相金属电极电火花加工系统与方法

技术领域

本发明涉及电火花加工，尤其涉及一种电场控形的液相金属电极电火花加工系统与方法。

背景技术

电火花加工技术原理就是使加工工具与被加工工件之间保持一定的距离，在工具电极和工件之间加上脉冲电源，让工具电极和工件之间产生连续的电火花放电，利用电火花蚀除现象来蚀除工件材料，从而实现对工件加工的目的。由于电火花加工是非接触加工，加工时无切削力，不存在机械应变等缺陷，因此电火花加工广泛应用于加工微细零件，微细孔，微细结构，精密元器件方面各种硬、脆材料，如硬质合金和淬火钢等。传统的电火花加工一般采用导电性较好的铜作为工具电极，然而在电火花放电瞬间，铜电极也会出现少量的损耗。随着加工的微细化，需要的铜电极也越来越细，越细的铜电极则意味着相对电极损耗比越大，这会严重影响电火花加工的精度。为了解决电火花加工这方面的缺陷，国内外学者做了大量研究与尝试。赵万生等人提出用CCD摄像机实时检测电极形状，根据对图像处理的结果获得电极损耗量并进行电极补偿的方法；裴景玉、邓容建立了应用于单层单通道的电极损耗预测模型，提出定长补偿法。哈尔滨工业大学的白基成、郑春花等人提出利用径向基函数（RBF）网络构建了电极损耗的数学模型预测电极损耗量进行补偿的方法。但是这些方法都侧重于对电极损耗进行检测并补偿，不能从根本上解决问题。

哈尔滨工业大学深圳研究生院的黄瑞宁提出一种用液相金属电极替代传统固态电极进行微细电火花加工的方法，如图1所示，包括液相金属电极1和工件2，该方法利用液相金属的流动性来进行电极损耗补偿，为解决电极损耗的难题提供了一种新的思路。但是这种方法在放电时由于液相金属的流动性导致末端电极形状不稳定，导致加工精度不高。

因此，如何解决液相金属电极末端形状不稳定是本领域技术人员所亟待解决的技术问题。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种电场控形的液相金属电极电火花加工系统与方法。

本发明提供了一种电场控形的液相金属电极电火花加工系统，包括液相金属电极和工件，所述液相金属电极电火花加工系统还包括平面电极板，所述平面电极板上设有绝缘隔离层，所述工件设置在所述绝缘隔离层上，所述液相金属电极、平面电极板之间连接有高压电源，所述高压电源在所述液相金属电极、平面电极板之间形成强电场，所述工件位于所述强电场之内。

作为本发明的进一步改进，所述液相金属电极电火花加工系统还包括脉冲电源，所述脉冲电源的正极与所述液相金属电极连接，所述脉冲电源的负极与所述工件连接。

作为本发明的进一步改进，所述液相金属电极电火花加工系统还包括高压二极管，所述高压电源为直流高压电源，所述直流高压电源的正极与所述高压二极管的阳极连接，所述高压二极管的阴极与所述液相金属电极连接，所述直流高压电源的地与所述平面电极板连接；所述直流高压电源的正极与所述高压二极管的阳极之间串联有保护电阻。

作为本发明的进一步改进，所述液相金属电极电火花加工系统还包括反向高压硅堆，所述脉冲电源的正极与所述反向高压硅堆的阳极连接，所述反向高压硅堆的阴极与所述液相金属电极连接。

作为本发明的进一步改进，所述脉冲电源为晶体管可控脉冲电源或电阻电容脉冲电源，开路电压为低压电，电压范围：60-150V；所述直流高压电源输出直流电压范围为：200-50KV，输出电流范围为：0-1mA。

作为本发明的进一步改进，所述液相金属电极包括工具电极和液态金属，所述液态金属设置在所述工具电极上，所述工具电极悬挂在所述工件之上；所述工具电极为毛细管，所述液态金属注入所述毛细管中并悬挂在所述毛细管靠近所述工件的管口。

作为本发明的进一步改进，所述液态金属采用导电的镓基合金，常温下为液态，电火花放电时，悬挂在所述毛细管靠近所述工件的管口上的液态金属放电，而所述毛细管不放电；所述毛细管为玻璃管或金属管，所述金属管外镀敷有使其不导电的绝缘膜。

作为本发明的进一步改进，所述液相金属电极电火花加工系统还包括数控运动平台，所述液相金属电极、工件分别设置在所述数控运动平台上；所述毛细管连接有供液系统，所述供液系统包括存储有液态金属的储液桶，所述储液桶内充满隔绝空气防止液态金属氧化的2%的硫酸溶液。

本发明还提供一种电场控形的液相金属电极电火花加工方法，在液相金属电极、工件之间施加强电场，使液相金属电极的末端在强电场的电场力的作用下，形成稳定的倒圆锥；通过施加脉冲电源来控制液相金属电极、工件之间的放电间隙，使倒圆锥的尖端放电。

作为本发明的进一步改进，在电火花加工过程中，在强电场作用下，液态金属电极末端形成由液态金属构成的倒圆锥，当脉冲电源高电平到来并且在极间满足放电条件时，进行放电加工，在这一阶段会蚀除部分工件材料，同时液态金属也会有部分损耗，但在强电场的电场力作用下，液态金属电极不但能够自动补偿并且在末端始终保持倒圆锥的形状；当脉冲电源低电平到来时，进行消电离，以等待下一个脉冲到来，如此反复循环，实现加工的目的。

本发明的有益效果是：用外加强电场的方式可以很好的控制液相金属电极的末端形状，在强电场的作用下，液相金属电极的末端形状可以一直保持倒圆锥的形状，控制好放电间隙就可以使得只有倒圆锥的尖端部分参与放电；相比于不加电场的加工方式，外加强电场的方式可以显著提升液相金属电极的加工精度。

附图说明

图1是现有技术中不加强电场的示意图。

图2是本发明一种电场控形的液相金属电极电火花加工系统外加强电场的示意图。

图3是本发明一种电场控形的液相金属电极电火花加工系统处于放电状态的示意图。

图4是本发明一种电场控形的液相金属电极电火花加工系统处于消电离状态的示意图。

图5是本发明一种电场控形的液相金属电极电火花加工系统的整体示意图。

图6是本发明一种电场控形的液相金属电极电火花加工系统的电路连接示意图。

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图2至图6所示，一种电场控形的液相金属电极电火花加工系统，包括液相金属电极1和工件2，所述液相金属电极电火花加工系统还包括平面电极板5，所述平面电极板5上设有绝缘隔离层6，所述工件2设置在所述绝缘隔离层6上，所述液相金属电极1、平面电极板5之间连接有高压电源，所述高压电源在所述液相金属电极1、平面电极板5之间形成强电场，所述工件2位于所述强电场之内。

如图2至图6所示，所述液相金属电极电火花加工系统还包括低压的脉冲电源4，所述脉冲电源4的正极通过导线与所述液相金属电极1中的液态金属11连接，所述脉冲电源4的负极通过导线与所述工件2连接。

如图2至图6所示，所述液相金属电极电火花加工系统还包括高压二极管81，所述高压电源为直流高压电源3，所述直流高压电源3的正极与所述高压二极管81的阳极连接，所述高压二极管81的阴极与所述液相金属电极1中的液态金属11连接，所述直流高压电源3的地与所述平面电极板5连接；所述直流高压电源3的正极与所述高压二极管81的阳极之间串联有保护电阻83。

如图2至图6所示，所述液相金属电极电火花加工系统还包括反向高压硅堆82，所述脉冲电源4的正极与所述反向高压硅堆82的阳极连接，所述反向高压硅堆82的阴极与所述液相金属电极1中的液态金属11连接。

如图2至图6所示，所述脉冲电源4优选为晶体管可控脉冲电源或电阻电容（RC）脉冲电源，开路电压优选为低压电，电压范围优选为：60-150V；所述直流高压电源3的输出直流电压范围优选为：200-50KV，输出电流范围优选为：0-1mA。

如图2至图6所示，所述液相金属电极1包括工具电极12和液态金属11，所述液态金属11设置在所述工具电极12上，所述工具电极12悬挂在所述工件2之上；所述工具电极12优选为毛细管，所述液态金属11注入所述毛细管中并悬挂在所述毛细管靠近所述工件2的管口，悬挂在所述毛细管靠近所述工件2的管口的液态金属11形成稳定的倒圆锥13。

如图2至图6所示，所述液态金属11优选采用导电的镓基合金，常温下为液态，如镓铟锡合金；电火花放电时，悬挂在所述毛细管靠近所述工件2的管口上的液态金属11放电，而所述毛细管不放电。液态金属11注入毛细管中，通过控制毛细管内压力使液态金属11悬挂在液相金属电极1末端，作为放电的液相电极。毛细管作为工具电极12，不参与火花放电。毛细管用玻璃管或金属管等，如用导电金属管则需对其镀敷绝缘膜，使其不导电，防止其参与火花放电。

如图2至图6所示，所述液相金属电极电火花加工系统还包括数控运动平台71和火花机油72，所述液相金属电极1、工件2均浸没在火花机油72之内，所述液相金属电极1、工件2分别设置在所述数控运动平台71上；所述毛细管连接有供液系统73，所述供液系统73包括存储有液态金属11的储液桶，所述储液桶内充满隔绝空气防止液态金属11氧化的2%的硫酸溶液。供液系统73使用精密压力装置来驱动供给液态金属11。

如图2至图6所示，一种电场控形的液相金属电极电火花加工方法，在液相金属电极1、工件2之间施加强电场，使液相金属电极1的末端在强电场的电场力的作用下，形成稳定的倒圆锥13；通过施加脉冲电源4来控制液相金属电极1、工件2之间的放电间隙，使倒圆锥13的尖端放电。

如图2至图6所示，在电火花加工过程中，在强电场作用下，液态金属电极1末端形成由液态金属11构成的倒圆锥13，当脉冲电源4高电平到来并且在极间满足放电条件时，进行放电加工，在这一阶段会蚀除部分工件材料，同时液态金属11也会有部分损耗，但在强电场的电场力作用下，液态金属电极1不但能够自动补偿并且在末端始终保持倒圆锥13的形状；当脉冲电源4低电平到来时，进行消电离，以等待下一个脉冲到来，如此反复循环，实现加工的目的。放电过程如图3、4所示。可以认为，在强电场的作用下，液态金属电极1末端形状不会受火花放电的影响，一直保持倒圆锥13的形状，从而保证加工精度。

如图6所示，直流高压电源3和脉冲电源4的正极通过导线共同接到液态金属电极1的液态金属11。而加工用的脉冲电源4的负极连接到工件2，直流高压电源3的地端连接到平面电极板5。这样高压电源在平面电极板5与液态金属11之间产生强电场。为了防止直流高压电输出的电流对加工结果的干扰或高压电源放电，在工件2和直流高压电源3的地端之间加入绝缘隔离层6；为了保护高压电源，需在高压电源端连接一个大于1MΩ的高阻值的保护电阻83。

如图6所示，为了防止直流高压电源3和低压加工的脉冲电源4之间的相互干扰，分别在高压电源端和低压脉冲电源端加入一个高压二极管隔离电路。

如图6所示，为了防止低压电源的电流倒灌进入高压电源内部损坏高压电源，所以在直流高压电源3端，连接一个反向的高压二极管81，来隔绝低压电源的影响，保护高压电源。同时为了防止直流高压电源3对低压电源的影响，所以在低压脉冲电源端，连接一个反向高压硅堆82(内部有多个高压二极管并联)，来隔绝直流高压电源3的影响，保护低压脉冲电源。

本发明提供的一种电场控形的液相金属电极电火花加工系统与方法，其加工过程如下：

(1)实验平台搭建：基于高精度数控加工平台，搭建如图5所示的电场控形的液相金属电极电火花加工系统。

(2)电火花加工过程：直流高压电一直加载在液相金属电极1上，在液相金属电极1和工件2之间就一直有高压静电场，在电场力的作用下，液相金属电极1的末端形成由液态金属11构成的稳定的倒圆锥13，如图2所示。当施加低压的脉冲电源4时，并且液相金属电极1与工件2之间的间距达到加工距离满足放电条件时，倒圆锥13的尖端部分与工件2进行放电加工。一个脉冲加工结束后，液态金属11也损耗一部分，但是在电场力的作用下，液相金属电极1不但能够自动补偿液态金属11；并且末端始终保持倒圆锥13的形状，准备下次脉冲到来。这个过程循环往复就形成连续的放电加工。

本发明提供的一种电场控形的液相金属电极电火花加工系统与方法，在液相金属电极1和工件2之间外加强电场（通过外加高电压产生），液相金属电极1的末端在电场力的作用下形成稳定的倒圆锥13，如图2所示，然后施加脉冲电源3并控制放电间隙，使倒圆锥13的尖端放电。通常认为倒圆锥13尖端的圆半径在几十纳米范围，所以这极大的提高了加工精度。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种电场控形的液相金属电极电火花加工系统，包括液相金属电极和工件，其特征在于：所述液相金属电极电火花加工系统还包括平面电极板，所述平面电极板上设有绝缘隔离层，所述工件设置在所述绝缘隔离层上，所述液相金属电极、平面电极板之间连接有高压电源，所述高压电源在所述液相金属电极、平面电极板之间形成强电场，所述工件位于所述强电场之内，所述液相金属电极电火花加工系统还包括脉冲电源，所述脉冲电源的正极与所述液相金属电极连接，所述脉冲电源的负极与所述工件连接，所述液相金属电极电火花加工系统还包括高压二极管，所述高压电源为直流高压电源，所述直流高压电源的正极与所述高压二极管的阳极连接，所述高压二极管的阴极与所述液相金属电极连接，所述直流高压电源的地与所述平面电极板连接；所述直流高压电源的正极与所述高压二极管的阳极之间串联有保护电阻，所述液相金属电极电火花加工系统还包括反向高压硅堆，所述脉冲电源的正极与所述反向高压硅堆的阳极连接，所述反向高压硅堆的阴极与所述液相金属电极连接，所述脉冲电源为晶体管可控脉冲电源或电阻电容脉冲电源，开路电压为低压电，电压范围：60-150V；所述直流高压电源输出直流电压范围为：200-50KV，输出电流范围为：0-1mA，所述液相金属电极包括工具电极和液态金属，所述液态金属设置在所述工具电极上，所述工具电极悬挂在所述工件之上；所述工具电极为毛细管，所述液态金属注入所述毛细管中并悬挂在所述毛细管靠近所述工件的管口，所述液态金属采用导电的镓基合金，常温下为液态，电火花放电时，悬挂在所述毛细管靠近所述工件的管口上的液态金属放电，而所述毛细管不放电；所述毛细管为玻璃管或金属管，所述金属管外镀敷有使其不导电的绝缘膜，所述液相金属电极电火花加工系统还包括数控运动平台，所述液相金属电极、工件分别设置在所述数控运动平台上；所述毛细管连接有供液系统，所述供液系统包括存储有液态金属的储液桶，所述储液桶内充满隔绝空气防止液态金属氧化的2%的硫酸溶液，在液相金属电极、工件之间施加强电场，使液相金属电极的末端在强电场的电场力的作用下，形成稳定的倒圆锥；通过施加脉冲电源来控制液相金属电极、工件之间的放电间隙，使倒圆锥的尖端放电，在电火花加工过程中，在强电场作用下，液态金属电极末端形成由液态金属构成的倒圆锥，当脉冲电源高电平到来并且在极间满足放电条件时，进行放电加工，在这一阶段会蚀除部分工件材料，同时液态金属也会有部分损耗，但在强电场的电场力作用下，液态金属电极不但能够自动补偿并且在末端始终保持倒圆锥的形状；当脉冲电源低电平到来时，进行消电离，以等待下一个脉冲到来，如此反复循环，实现加工的目的。

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