CN110340466B - 工具电极端部多棱角放电约束的放电辅助化学加工工艺 - Google Patents

工具电极端部多棱角放电约束的放电辅助化学加工工艺 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种工具电极端部多棱角放电约束的放电辅助化学加工工艺，其中，方法包括：在接收到加工指令时，调整电火花反拷加工装置中反拷面和反拷片的位置；根据反拷面的位置移动原始工具电极的端部，以使原始工具电极的端部位于反拷面的正上方；根据竖直坐标确定原始工具电极的竖直移动距离；通过电火花反拷加工来修平端部；控制修平后的端部移动至反拷片的一侧，控制预设的电参数，根据加工工艺参数控制原始工具电极向反拷片进给，通过电火花反拷加工，实现对修平后原始工具电极端部的通槽反拷加工，获取具有多瓣多棱角端部的目标工具电极。本发明可实现工具电极端部放电约束和电解液更新改善，可提高能量利用率、改善加工效率和精度。

Description

工具电极端部多棱角放电约束的放电辅助化学加工工艺
技术领域
本发明涉及微细特种加工技术领域，尤其涉及一种基于工具电极的放电辅助化学加工方法和装置。
背景技术
放电辅助化学加工(Spark Assisted Chemical Engraving，简称SACE)技术，基本原理是利用工具电极上电解形成气泡，绝缘气泡内瞬间火花放电产生的高温高压，在电解液内综合物理和化学作用进行材料蚀除加工，可实现玻璃、石英、陶瓷等绝缘材料的加工。与超声加工等加工方法相比，放电辅助化学加工是一种非接触放电原理的加工过程，可减小甚至避免由于加工力造成的加工缺陷和工具损耗等不利现象。而且，由于放电辅助化学加工中具有化学溶解蚀除作用，具有实现表面无损伤加工的可能性。
放电辅助化学加工过程中，浸没在电解液内的工具电极表面都会产生电解气泡，这样使工具电极端部和侧壁都可能发生火花放电过程，放电过程是SACE加工中能量转换和消耗的主要过程。通常情况下，电火花放电在工具电极的端部和侧壁同时产生。然而，在SACE加工过程中，我们希望将电火花放电约束到工具电极端部。因为端部放电才能有效作用到工具电极下端的工件表面上，这样才可以有效去除工件材料。相比之下，工具电极侧壁放电不仅浪费能量，而且还会造成加工域难以精确控制问题，从而降低加工精度。研究实验已表明：(1)如果工具电极侧壁放电严重时，能量耗散增加且加工精度较差。比如，微孔加工的入口直径较大。(2)加工电压、脉宽、脉间、电解液浓度和浸液深度等实验参数对工具电极的侧壁放电情况具有重要影响。比如，高电压加工会增强工具电极侧壁放电现象。此外，工具电极与工件之间的电解液更新，也是影响加工效率、加工工艺效果的重要因素。
现有的工具电极端部放电约束和电解液更新改善的方法主要有：(1)陶瓷套管侧壁绝缘电极：在工具电极上套上陶瓷微管，来避免侧壁放电。该方法操作简单，但在放电辅助化学加工中陶瓷微管容易崩碎，且由于绝缘层较厚，电极难以进行深孔加工；(2)金刚石镀膜侧壁绝缘电极：在电极侧壁镀上一层微米级金刚石绝缘薄膜，来避免电极侧壁放电。该方法适用于各种形状的微细电极，且绝缘层较薄可进行深孔加工；但是成本昂贵，且绝缘层在放电辅助化学加工中容易失效；(3)微钻电极：采用微细钻头作为工具电极，通过电机旋转可以促进电极端部电解液的更新。该方法成本较低，可以有效改善工具电极端部电解液的更新；但无法实现工具电极端部的放电约束。因此，目前尚缺一种成本低、耐用并能有效约束工具电极端部放电且较好实现电解液更新的SACE加工工艺。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的第一个目的在于提出一种基于工具电极的放电辅助化学加工方法，以实现工具电极端部放电约束和电解液更新改善，可提高能量利用率、改善加工效率和精度。
本发明的第二个目的在于提出一种工具电极。
为达上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种基于工具电极的放电辅助化学加工方法，包括：在接收到加工指令时，调整反拷电火花加工装置中反拷面和反拷片的位置，其中，所述反拷片位于所述反拷面中间的微槽内；根据所述反拷面的位置移动原始工具电极的端部，以使所述原始工具电极的端部位于所述反拷面的正上方；获取所述反拷面的竖直坐标，根据所述竖直坐标确定所述原始工具电极的竖直移动距离；通过预设的电参数，控制所述原始工具电极根据所述竖直移动距离向下移动，通过电火花反拷加工来修平所述原始工具电极的端部；控制修平后的所述端部移动至所述反拷片的一侧，控制所述预设的电参数，根据加工工艺参数控制原始工具电极向反拷片进给，以使得所述反拷片在与所述修平后的所述端部进行电火花反拷加工，实现对所述修平后原始工具电极端部的通槽反拷加工，获取具有多瓣多棱角端部的目标工具电极。
本发明实施例的基于工具电极的放电辅助化学加工方法，解决了现有技术中工具电极侧壁放电不仅浪费能量，而且还会造成加工域难以精确控制的技术问题。
在本发明的一个实施例中，所述加工工艺参数，包括：所述通槽的水平位置信息和竖直深度信息，所述控制所述预设的电参数，根据加工工艺参数控制所述原始工具电极与所述反拷片的进给，包括：控制所述预设的电参数，根据所述水平位置信息和所述反拷片的水平位置，控制所述原始工具电极水平移动；控制所述预设的电参数，根据所述水平位置信息和所述反拷片的竖直位置，控制所述原始工具电极竖直移动。
在本发明的一个实施例中，所述基于工具电极的放电辅助化学加工方法，还包括：控制所述目标工具电极的多瓣多棱角端部向下深入至预设的电解液中；通过预设的电参数，对放入所述电解液中所述目标工具电极供电；获取深入至预设的电解液中的所述目标工具电极在供电时的放电视频信息；根据所述放电视频信息分析所述多瓣多棱角端部的放电范围；若所述放电范围不集中在所述多瓣多棱角端部，则调整所述多瓣多棱角端部的工艺参数，直至所述放电范围集中在所述多瓣多棱角端部。
在本发明的一个实施例中，所述基于工具电极的放电辅助化学加工方法，所述电参数包括电压、脉冲脉宽、脉冲脉间。
在本发明的一个实施例中，所述基于工具电极的放电辅助化学加工方法，还包括：所述反拷加工装置还包括塞片，其中，所述塞片，用于固定所述反拷片。
在本发明的一个实施例中，所述反拷加工装置还包括反拷面，其中，所述反拷面，用于电火花反拷加工来修平所述工具电极端部。
在本发明的一个实施例中，所述反拷加工装置还包括反拷片，其中，所述反拷片，用于所述工具电极端部多瓣多棱角的电火花反拷加工。
为达上述目的，本发明第二方面实施例提出了一种工具电极，所述工具电极的端部包含至少一个通槽。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明实施例所提供的一种基于工具电极的放电辅助化学加工方法的流程图；
图2为本发明实施例所提供的工具电极端部修平和多瓣多棱角制备步骤示意图；
图3为本发明实施例所提供的不同类型的多瓣多棱角工具电极制备后的端部示意图；
图4为本发明实施例所提供的工具电极端部修平和多瓣多棱角制备一个具体实施例；
图5为本发明实施例所提供的另一种基于工具电极的放电辅助化学加工方法的流程图；
图6为本发明实施例所提供的利用多瓣多棱角工具电极端部放电约束的放电辅助化学加工工艺的一个具体实施例；
图7为本发明实施例所提供的工具电极端部多瓣多棱角放电辅助化学加工装置示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参考附图描述本发明实施例的基于工具电极的放电辅助化学加工方法和装置。图1为本发明实施例所提供的一种基于工具电极的放电辅助化学加工方法的流程示意图。
针对上述实施例，本发明实施例提供了基于工具电极的放电辅助化学加工方法，如图1和图2所示，该基于工具电极的放电辅助化学加工方法包括以下步骤：
步骤101，在接收到加工指令时，调整电火花反拷加工装置中反拷面和反拷片的位置，其中，反拷片位于反拷面中间的微槽内。
具体的，预先安装反拷面和反拷片，并将反拷片安装到反拷装置中间的微槽内并且调平反拷片上棱边水平，通过塞片塞入反拷片旁边的微槽来夹紧固定反拷片，在接收到加工指令时，开始调平反拷装置的反拷面。
步骤102，根据反拷面的位置移动原始工具电极的端部，以使原始工具电极的端部位于反拷面的正上方。
具体的，根据反拷面的位置移动原始工具电极的端部，将工具电极的端部移动到反拷面正上方，移动过程可以根据X-Y坐标系中的坐标进行调节，以便反拷面对工具电极的端部的修平。
步骤103，获取反拷面的竖直坐标，根据竖直坐标确定原始工具电极的竖直移动距离。
具体的，将工具电极移动到反拷面正上方后，通过电接触法实现反拷面的对准并得到此点的Z轴位置坐标，如图2中的z0，根据坐标确定工具电极向下进给的竖直移动距离，如图2中的d。
步骤104，通过预设的电参数，控制原始工具电极根据竖直移动距离向下移动，通过电火花反拷加工来修平原始工具电极的端部。
具体的，通过脉冲电源供电，控制工具电极竖直向下伺服进给一定距离，如图2中的d，使得反拷面与原始工具电极的端部接触，利用反拷面的反拷电火花加工实现工具电极端部的反拷修平，可通过再反拷面多个点重复操作，并保持较小的伺服进给距离，如图2中的d，改善工具电极反拷修平效果。
步骤105，控制修平后的端部移动至反拷片的一侧，控制预设的电参数，根据加工工艺参数控制原始工具电极向反拷片进给，以使得反拷片在与修平后的端部进行电火花反拷加工，实现对修平后原始工具电极端部的通槽反拷加工，获取具有多瓣多棱角端部的目标工具电极。
具体的，控制修平后的端部移动至反拷片的一侧包括确定反拷片的水平位置；根据反拷片的水平位置确定修平后的端部的水平移动位置；根据水平移动位置将修平后的端部移动至反拷片的一侧。其中，加工工艺参数，包括：通槽的水平位置信息和竖直深度信息，控制预设的电参数，根据加工工艺参数控制原始工具电极与反拷片的进给，包括：控制预设的电参数，根据水平置信息和反拷片的水平位置，控制原始工具电极水平移动；控制预设的电参数，根据水平置信息和反拷片的竖直位置，控制原始工具电极竖直移动。作为本发明实施例的一种可能实现的方式，移动工具电极到反拷片的一侧，通过电接触法实现反拷片侧面的对准，并获得此点的X轴位置坐标，如图2中的x0，移动工具电极到反拷片的正上方x1＝r+m/2+x0，其中，r是工具电极半径，m是反拷片厚度；移动工具电极到反拷片的正上方后，通过电接触法实现反拷片上表面的对准并获得此点的Z轴位置坐标，如图2中的z1；通过脉冲电源供电，控制工具电极向下伺服进给一定距离，如图2中的d1，利用反拷片的反拷电火花加工实现工具电极端部通槽的反拷加工，通过旋转和移动工具电极，重复上述过程即可完成端部多瓣多棱角工具电极的在线制备，其中，工具电极的端部包含至少一个通槽，如图3所示。
需要说明的是，多瓣多棱角电极的一种具体制备过程所用的反拷加工装置(也就是图7中的反拷装置)包括，反拷面、反拷片、塞片。其中，反拷面用于电火花反拷加工来修平工具电极端部；反拷片用于工具电极端部多瓣多棱角的反拷电火花加工；塞片用于反拷片的固定。还用到的装置：工具电极用于被控制进给、回退、旋转或左右运动来对准工件表面和进行反拷电火花加工；其中，脉冲电源与工具电极相连，脉冲电源用于提供工具电极对准、修平和多瓣形状反拷电火花加工的放电电源；采用高速摄像机观测工具电极放电情况，以便于分析工具电极端部放电约束效果。
举例而言，如图4所示，控制工具电极对准反拷面，获得对准点Z轴位置坐标z0＝0μm。通过脉冲电源供电，控制工具电极向下伺服进给d＝0.3mm，通过反拷电火花加工完成工具电极端部的反拷修平。控制工具电极撤回，然后控制工具电极完成反拷片的侧面对准并获得对准点的X轴位置并将此点坐标初始化为坐标x0＝0μm，移动工具电极到反拷片的正上方x1＝r+m/2+x0＝250+50/2+0＝275μm。控制工具电极对准反拷片上表面，获得对准点Z轴位置坐标z1＝0μm。通过脉冲电源供电，控制工具电极向下伺服进给d1＝0.3mm，通过电火花反拷加工完成工具电极两瓣端部的反拷加工。控制工具电极撤回，并旋转θ＝90°，控制工具电极对准反拷片上表面，并向下伺服进给加工d2＝0.3mm，通过电火花反拷加工即完成工具电极四瓣端部的反拷加工，采用上述方法，通过旋转和移动工具电极，可以完成多瓣多棱角工具电极的制备，在线加工出的多瓣多棱角工具电极，可直接用于放电辅助化学加工中。
需要说明的是，在获取包括多瓣多棱角端部的目标工具电极后，进行放电辅助化学加工预实验，优化目标为得到放电过程约束到工具电极端部的优选工艺参数范围，具体的，本发明实施例提供一种基于工具电极的放电辅助化学加工方法，如图5所示，该方法包括如下步骤：
步骤201，控制目标工具电极的多瓣多棱角端部向下深入至预设的电解液中。
具体的，将已制备的多瓣多棱角工具电极进行放电辅助化学加工预实验，控制多瓣多棱角工具电极的端部浸入电解液中。
步骤202，通过预设的电参数，对放入电解液中目标工具电极供电。
具体的，通过脉冲电源对浸入电解液中的多瓣多棱角工具电极进行供电。
步骤203，获取深入至预设的电解液中的目标工具电极在供电时的放电视频信息。
具体的，通过摄像机观测并记录放电现象和工具电极在供电时的放电视频信息，包括工具电极在放电过程中的各种状态。
步骤204，根据放电视频信息分析多瓣多棱角端部的放电范围。
具体的，根据上述放电视频信息，得到多瓣多棱角端部的放电范围，其中，放电范围可以集中在端部，也可以分布在工具电极的侧壁。
步骤205，若放电范围不集中在多瓣多棱角端部，则调整多瓣多棱角端部的工艺参数，直至放电范围集中在多瓣多棱角端部。
具体的，记录放电范围集中在多瓣多棱角端部时，电解液浓度、多瓣多棱角端部的电极浓度和预设的电参数，其中，供电参数包括电压、脉冲脉宽、脉冲脉间。作为本发明实施例一种可能实现的方式，分别改变电压、脉冲脉宽、脉冲脉间、电解液浓度和工具电极浸液深度的参数，重复上述实验过程，得到工具电极端部放电更为集中的优选参数范围；根据得到的优选参数范围，得到可实现工具电极端部放电约束的最优参数组合，直至放电范围集中在多瓣多棱角端部。
作为利用多瓣多棱角工具电极端部放电约束的放电辅助化学加工工艺的一个具体实施例，如图6所示，预先安装好图7所示的工具电极端部多瓣多棱角放电约束放电辅助化学加工装置。通过反拷电火花加工装置，制备出两瓣工具电极。进行放电辅助化学加工预实验，通过高速摄像机观察工具电极端部放电情况，获得工具电极端部约束放电的最优参数：电压90V，脉宽3.2μs，脉间6.4μs，电解液浓度5wt.％，工具电极浸液深度1.5mm。在上述优化组合参数下，使用制备的两瓣工具电极在工件上进行放电辅助化学加工扫描工艺，加工出长度为3mm的槽。
为了实现上述实施例，本发明还提出一种工具电极，工具电极采用上述实施例的工艺得到，工具电极的端部包含至少一个通槽。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种工具电极端部多棱角放电约束的放电辅助化学加工工艺，其特征在于，包括以下步骤：
在接收到加工指令时，调整反拷电火花加工装置中反拷面和反拷片的位置，其中，所述反拷片位于所述反拷面中间的微槽内；
根据所述反拷面的位置移动原始工具电极的端部，以使所述原始工具电极的端部位于所述反拷面的正上方；
获取所述反拷面的竖直坐标，根据所述竖直坐标确定所述原始工具电极的竖直移动距离；
通过预设的电参数，控制所述原始工具电极根据所述竖直移动距离向下移动，通过电火花反拷加工来修平所述原始工具电极的端部；
控制修平后的所述端部移动至所述反拷片的一侧，控制所述预设的电参数，根据加工工艺参数控制原始工具电极向反拷片进给，以使得所述反拷片在与所述修平后的所述端部进行电火花反拷加工，实现对所述修平后原始工具电极端部的通槽反拷加工，获取具有多瓣多棱角端部的目标工具电极。
2.如权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述加工工艺参数，包括：所述通槽的水平位置信息和竖直深度信息，控制所述预设的电参数，根据加工工艺参数控制所述原始工具电极与所述反拷片的进给，包括：
控制所述预设的电参数，根据所述水平位置信息和所述反拷片的水平位置，控制所述原始工具电极水平移动；
控制所述预设的电参数，根据所述水平位置信息和所述反拷片的竖直位置，控制所述原始工具电极竖直移动。
3.如权利要求1所述的工艺，其特征在于，还包括：
控制所述目标工具电极的多瓣多棱角端部向下深入至预设的电解液中；
通过预设的电参数，对放入所述电解液中所述目标工具电极供电；
获取深入至预设的电解液中的所述目标工具电极在供电时的放电视频信息；
根据所述放电视频信息分析所述多瓣多棱角端部的放电范围；
若所述放电范围不集中在所述多瓣多棱角端部，则调整所述多瓣多棱角端部的工艺参数，直至所述放电范围集中在所述多瓣多棱角端部。
4.如权利要求3所述的工艺，其特征在于，所述电参数包括电压、脉冲脉宽、脉冲脉间。
5.如权利要求1所述的工艺，其特征在于，控制修平后的所述端部移动至所述反拷片的一侧，包括：
确定所述反拷片的水平位置；
根据所述反拷片的水平位置确定所述修平后的所述端部的水平移动位置；
根据所述水平移动位置将所述修平后的所述端部移动至所述反拷片的一侧。
6.如权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述反拷电火花加工装置还包括塞片，其中，所述塞片，用于固定所述反拷片。
7.如权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述反拷电火花加工装置中的反拷面，用于电火花反拷加工来修平所述工具电极端部。
8.如权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述反拷电火花加工装置中的反拷片，用于所述工具电极端部多瓣多棱角的电火花反拷加工。
9.一种工具电极，其特征在于，所述工具电极采用如权利要求1-8任一项所述的工艺得到，所述工具电极的端部包含至少一个通槽。
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