CN110561627A - 应用于碳化硼的切割加工装置及方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种应用于碳化硼的切割加工装置及方法，包括：控制计算机、电化学放电加工模块、主轴控制模块、进给模块以及旋转主轴。电化学放电加工模块中，高频脉冲电源的正、负极分别连接于工具电极和辅助电极工具电极和辅助电极浸于电解槽中的电解液里。主轴控制模块中的驱动电机和超声振动组件均连接于旋转主轴，工具电极固定于旋转主轴的输出轴。进给模块包括：X轴、Y轴和Z轴进给器，用于控制工具电极与碳化硼工件之间的相对运动。本申请中的应用于碳化硼的切割加工方式，采用负极性电化学放电加工工艺，并结合工具电极的高速旋转和超声振动，以及控制工具电极与碳化硼工件之间的相对运动，高效率、高精度的实现对碳化硼工件的切割。

Description

应用于碳化硼的切割加工装置及方法

技术领域

本申请涉及特种加工技术领域，尤其涉及一种应用于碳化硼的切割加工装置及方法。

背景技术

碳化硼是世界上已知最坚硬的三种材料之一，其坚硬度仅次于金刚石与立方氮化硼。基于碳化硼成型与烧制的碳化硼陶瓷厚板常用来制作超硬研磨板，碳化硼陶瓷厚板制作的超硬研磨板具有高化学位、热稳定性和耐磨性，适用于金属、陶瓷、玻璃等平面零件的超精密研磨加工。

目前，碳化硼陶瓷厚板的加工成型方式主要有传统机械加工及特种加工技术两大类。传统机械加工常采用金刚石线切割，即采用金刚石线单向循环或往复循环运动的方式，使金刚石线与被切割物件间形成相对的磨削运动，从而实现切割。对于特种加工技术来说，常用的为电火花加工方式和高能激光束加工方法。其中，电火花加工方式为在一定的介质中，通过工具电极和工件电极之间的脉冲放电的电蚀作用，对工件进行加工。高能激光束加工方法则是利用能量密度很高的激光束去除工件材料。

上述碳化硼陶瓷厚板的加工方式中，对于金刚石线切割方法来说，由于碳化硼陶瓷厚板的硬度较大，导致金刚石线刀具损耗大，并且在碳化硼陶瓷厚板切口处，残余应力及微裂纹会降低碳化硼陶瓷厚板的质量和寿命。电火花线切割要求工件具有一定的导电性，因此需要对碳化硼陶瓷厚板的表面镀一层金属，工序繁琐，导致切割效率低。采用高能激光束进行切割时，由于聚焦问题，单次切除深度不能超过其光斑直径，需要采用多次循环切法，这会使得切口边缘出现明显的崩塌缺陷，进而会降低碳化硼陶瓷厚板的质量和寿命。

发明内容

本申请提供了一种应用于碳化硼的切割加工装置及方法，以解决现有技术中，碳化硼陶瓷厚板的切割效率低，且切割后降低碳化硼陶瓷厚板质量和寿命的技术问题。

为了解决上述技术问题，本申请实施例公开了如下技术方案：

第一方面，本申请实施例公开了一种应用于碳化硼的切割加工装置，所述切割加工装置包括：控制计算机、电化学放电加工模块、主轴控制模块、进给模块以及旋转主轴，其中：

所述电化学放电加工模块包括：高频脉冲电源、工具电极、辅助电极和电解槽，所述高频脉冲电源与所述控制计算机通讯连接，所述高频脉冲电源的正极连接于所述工具电极，负极连接于所述辅助电极，所述电解槽内设有电解液，所述工具电极和所述辅助电极浸于所述电解液中，所述工具电极和所述辅助电极通过所述电解液形成电化学放电回路；

所述主轴控制模块与所述控制计算机通讯连接，所述主轴控制模块包括：驱动电机和超声振动组件，所述超声振动组件包括依次连接的超声发生器、换能器和变幅杆，所述驱动电机和所述变幅杆均连接于所述旋转主轴，所述工具电极固定连接于所述旋转主轴的输出轴；

所述进给模块与所述控制计算机通讯连接，所述进给模块包括：X轴进给器、Y轴进给器和Z轴进给器，所述电解槽设置于所述X轴进给器上，所述X轴进给器用于控制所述电解槽沿x轴方向移动，所述Z轴进给器设置于所述Y轴进给器上，所述Y轴进给器用于控制所述Z轴进给器沿Y轴方向移动，所述旋转主轴设置于所述Z轴进给器上，所述Z轴进给器用于控制所述旋转主轴沿z轴方向移动。

可选地，在上述应用于碳化硼的切割加工装置中，所述切割加工装置还包括：电极夹具，所述电极夹具的一端固定于所述旋转主轴，另一端平行设有两根横梁，所述横梁均设有通孔，两个所述通孔的连线垂直于所述横梁；

两个所述通孔均镶嵌有导向器，所述工具电极为线电极，所述工具电极贯穿两个所述导向器。

可选地，在上述应用于碳化硼的切割加工装置中，所述切割加工装置还包括：数据采集模块，所述数据采集模块包括依次连接的霍尔电流传感器和数据采集卡，所述数据采集卡与所述控制计算机通讯连接，所述霍尔电流传感器与所述电化学放电回路连接。

可选地，在上述应用于碳化硼的切割加工装置中，所述工具电极包括疏水区，所述疏水区的长度大于碳化硼工件的高度，所述工具电极上除所述疏水区的部分均为绝缘区。

可选地，在上述应用于碳化硼的切割加工装置中，所述高频脉冲电源的控制参数为：

电压调节范围为27V-54V；频率调节范围为500Hz-1000Hz；占空比为60％-80％。

可选地，在上述应用于碳化硼的切割加工装置中，所述工具电极为铂或铂铱合金，所述辅助电极为石墨。

可选地，在上述应用于碳化硼的切割加工装置中，所述电解液为氢氧化钠与硝酸钠的混合溶液。

第二方面，本申请实施例公开了一种应用于碳化硼的切割加工方法，利用上述任一所述的应用于碳化硼的切割加工装置，所述方法包括：

将碳化硼工件通过夹具固定在电解槽中；

控制计算机通过高频脉冲电源向工具电极和辅助电极施加高频恒压直流矩形波信号；

所述控制计算机通过主轴控制模块控制旋转主轴旋转并振动，所述旋转主轴带动所述工具电极旋转并振动；

所述控制计算机通过进给模块控制所述碳化硼工件与所述工具电极之间在X轴、Y轴和Z轴方向上的相对运动，最终完成碳化硼工件的切割。

可选地，在上述应用于碳化硼的切割加工方法中，

在所述碳化硼工件的切割过程中，所述控制计算机实时采集电化学放电回路中的电信号；

根据所述电信号，所述控制计算机实时调整所述高频脉冲电源的电压、频率及占空比。

与现有技术相比，本申请的有益效果为：

本申请提供了一种应用于碳化硼的切割加工装置及方法，所述切割加工装置包括：控制计算机、电化学放电加工模块、主轴控制模块、进给模块以及旋转主轴。使用该切割加工装置进行切割时，先将待切割的碳化硼工件放置于电化学放电加工模块中的电解槽中，电化学放电加工模块中的高频脉冲电源的正极连接于工具电极，负极连接于辅助电极，工具电极和辅助电极均放置于电解槽中，且电解槽中盛有电解液。控制计算机通过控制高频脉冲电源，使得工具电极、辅助电极和电解液形成电化学放电回路，由于发生电解反应，接于正极的工具电极表面析出氧气形成绝缘气膜，随后发生火花放电击穿气膜，由此产生的瞬时高温促使碳化硼工件的氧化蚀除。本申请中，通过负极性电化学放电加工将碳化硼工件置于氧化环境中，其中结合电加工和化学去除的方式，使得碳化硼工件于在高于800℃的时候就会呈气相流失，并且还降低了对工具电极的损坏。控制计算机通过控制主轴控制模块中的驱动电机驱动旋转主轴进行高速旋转，同时依次通过超声振动组件中的超声发生器、换能器和变幅杆，控制旋转主轴进行高频振动。由于工具电极固定连接于旋转主轴的输出轴，所以旋转主轴带动工具电极旋转且振动。超声振动有利于工具电极表面气膜的均匀化，同时促进加工间隙内电解液的循环更新。工具电极的高速旋转及超声振动，能够改善间隙流场，大大提高切割效率，且提高了碳化硼切割表面的切割质量。除此之外，控制计算机还能够通过进给模块中的X轴进给器、Y轴进给器和Z轴进给器，实时控制碳化硼工件和工具电极之间的相对运动，最终实现对碳化硼工件的精准切割。本申请中的应用于碳化硼的切割加工方式，采用负极性电化学放电加工工艺，并结合工具电极的高速旋转和超声振动，以及控制工具电极与碳化硼工件之间的相对运动，高效率、高精度的实现对碳化硼工件的切割，提高了碳化硼工件切割面的质量。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种应用于碳化硼的切割加工装置的基本结构示意图；

图2为本发明实施例提供的电极夹具的基本结构示意图；

图3为本发明实施例提供的工具电极的基本结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种应用于碳化硼的切割加工方法的流程示意图；

附图标记说明：1、控制计算机；2、电化学放电加工模块；21、高频脉冲电源；22、工具电极；221、疏水区；222、绝缘区；23、辅助电极；24、电解槽；25、电解液；3、主轴控制模块；4、进给模块；41、X轴进给器；42、Y轴进给器；43、Z轴进给器；5、旋转主轴；51、输出轴；6、电极夹具；61、横梁；62、通孔；63、导向器；7、数据采集模块；71、霍尔电流传感器；72、数据采集卡；8、碳化硼工件；9、工作台。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

参见图1，为本发明实施例提供的一种应用于碳化硼的切割加工装置的基本结构示意图。结合图1，本申请中的切割加工装置包括：控制计算机1、电化学放电加工模块2、主轴控制模块3、进给模块4以及旋转主轴5，其中：控制计算机1通过电化学放电加工模块2实现对碳化硼工件8的负极性电化学放电加工，同时通过主轴控制模块3控制旋转主轴的运动，进而带动工具电极22对碳化硼工件8实施切割，另外，控制计算机1还能够通过进给模块4实现碳化硼工件8和工具电极22之间的相对运动。

电化学放电加工模块2包括：高频脉冲电源21、工具电极22、辅助电极23和电解槽24。高频脉冲电源21与控制计算机1通讯连接，通过控制计算机能够实现电源的幅频特性控制，本申请中高频脉冲电源21的控制参数为：电压调节范围为27V-54V；频率调节范围为500Hz-1000Hz；占空比为60％-80％。高频脉冲电源21在该参数范围内能够调控单位时间内放电次数，提高碳化硼工件8的切割效率和切割稳定性。

高频脉冲电源21的正极连接于工具电极22，负极连接于辅助电极23，电解槽24内设有电解液25，工具电极22和辅助电极23浸于电解液25中，工具电极22和辅助电极23通过电解液25形成电化学放电回路。其中，工具电极22为铂或铂铱合金，辅助电极23为石墨，电解液25为氢氧化钠与硝酸钠的混合溶液。控制计算机1通过控制高频脉冲电源21，使得工具电极22、辅助电极23和电解液25形成电化学放电回路，由于发生电解反应，接于正极的工具电极22表面析出氧气形成绝缘气膜，同时在工具电极22超声振动的空化作用下，气泡将会均匀分布在工具电极22周围。随后发生火花放电击穿气膜，由此产生的瞬时高温促使碳化硼工件8的氧化蚀除。

本申请中，通过负极性电化学放电加工将碳化硼工件8置于氧化环境中，其中结合电加工和化学去除的方式，使得碳化硼工件于在高于800℃的时候就会呈气相流失，并且还降低了对工具电极22的损坏，且提高碳化硼切割表面的切割质量。采用负极性电化学放电加工的加工方式，利用电化学放电能量对碳化硼工件8进行化学蚀除，避免了正极性电化学放电加工时物理去除过程中的电极损耗问题。

另外，本申请中由于采用了负极性加工，故工具电极22必须是惰性，否则被电解。为了达到去除碳化硼材料的目的，工具电极22的熔点要高，且为了防止变形，其需要具备高硬度，再考虑成本，本申请中工具电极22为铂或铂铱合金。本申请中电解液25为碱性溶液，进一步选用氢氧化钠与硝酸钠的混合溶液，利用硝酸根的氧化性促进碳化硼工件8的氧化。

主轴控制模块3与控制计算机1通讯连接，主轴控制模块3包括：驱动电机和超声振动组件，超声振动组件包括依次连接的超声发生器、换能器和变幅杆。控制计算机1通过控制驱动电机驱动旋转主轴5进行高速旋转，同时依次通过超声振动组件中的超声发生器、换能器和变幅杆，控制旋转主轴5进行高频振动。由于工具电极22固定连接于旋转主轴5的输出轴51，所以旋转主轴5带动工具电极22旋转且振动。工具电极22的高速旋转及振动有效加快加工产物的排除，并且超声振动有利于工具电极22表面气膜的均匀化，同时促进加工间隙内电解液的循环更新，改善间隙流场，即工具电极22和碳化硼工件8切面存在加工间隙，切割过程中，工具电极22的高速旋转及超声振动使得加工间隙内旧的电解液要与外部新的电解液快速循环更新，以保证反应能够加速进行，此方式能够大大提高切割效率。

进一步，进给模块4与控制计算机1通讯连接，进给模块4包括：X轴进给器41、Y轴进给器42和Z轴进给器43。X轴进给器41和Y轴进给器42分别设置于工作台9上，电解槽24设置于X轴进给器41上，X轴进给器41用于控制电解槽24在工作台9上沿x轴方向移动。旋转主轴5设置于Z轴进给器43上，Z轴进给器43用于控制旋转主轴5沿z轴方向移动。Z轴进给器43设置于Y轴进给器42上，Y轴进给器42用于控制Z轴进给器43沿Y轴方向移动，进而实现旋转主轴5在Y轴方向的移动。控制计算机1通过进给模块4中的X轴进给器41、Y轴进给器42和Z轴进给器43，实时控制碳化硼工件8和工具电极22之间的相对运动，最终实现对碳化硼工件8的精准切割。

本申请中的应用于碳化硼的切割加工方式，采用负极性电化学放电加工工艺，并结合工具电极的高速旋转和超声振动，以及控制工具电极与碳化硼工件之间的相对运动，高效率、高精度的实现对碳化硼工件的切割，提高了碳化硼工件切割面的质量，保证了碳化硼工件的使用寿命。

参见图2，为本发明实施例提供的电极夹具的基本结构示意图。结合图2，本申请中切割加工装置还包括：电极夹具6，电极夹具6的一端固定于旋转主轴5，另一端平行设有两根横梁61，横梁61均设有通孔62，两个通孔62的连线垂直于横梁61。两个通孔62均镶嵌有导向器63，工具电极22为线电极，工具电极22贯穿两个导向器63。本申请中通过导向器63将工具电极22加工区域两端进行约束，以维持其在超频振动和高速旋转时的稳定性。工具电极22在导向器63辅助下高速旋转，转速0—3000r/min。

为了进一步优化上述技术方案，该切割加工装置还包括：数据采集模块7，数据采集模块7包括依次连接的霍尔电流传感器71和数据采集卡72，霍尔电流传感器71实时获取电化学放电回路中的电压、电流信号，控制计算机1通过数据采集卡72进行采集，根据电压、电流信号的大小，判断切割加工是否稳定，若是电压、电流信号异常，则需要实时调整高频脉冲电源的电压、频率及占空比。

参见图3，为本发明实施例提供的工具电极的基本结构示意图。结合图3，工具电极22包括疏水区221，疏水区221的长度大于碳化硼工件8的高度，工具电极22上除疏水区221的剩余其他部分均为绝缘区222。工具电极22的绝缘区222即非加工区域部分做绝缘处理，防止电能量分布。疏水区221即加工区域作疏水处理，使气泡更容易附着，提高加工效率。本申请中工具电极22经过表面处理提高气膜的黏附效果，同时约束放电区域，优化切割加工过程中能量分布，显著提高加工效率。

与上述装置相对应的，本发明实施例还提供了一种应用于碳化硼的切割加工方法，参见图4，为本发明实施例提供的一种应用于碳化硼的切割加工方法的流程示意图。结合图4，该方法包括以下步骤：

步骤S110：将碳化硼工件通过夹具固定在电解槽中；

步骤S120：控制计算机通过高频脉冲电源向工具电极和辅助电极施加高频恒压直流矩形波信号；

步骤S130：所述控制计算机通过主轴控制模块控制旋转主轴旋转并振动，所述旋转主轴带动所述工具电极旋转并振动；

步骤S140：所述控制计算机通过进给模块控制所述碳化硼工件与所述工具电极之间在X轴、Y轴和Z轴方向上的相对运动，最终完成碳化硼工件的切割。

进一步，在所述碳化硼工件的切割过程中，所述控制计算机实时采集电化学放电回路中的电信号；根据所述电信号，所述控制计算机实时调整所述高频脉冲电源的电压、频率及占空比。

由于以上实施方式均是在其他方式之上引用结合进行说明，不同实施例之间均具有相同的部分，本说明书中各个实施例之间相同、相似的部分互相参见即可。在此不再详细阐述。

需要说明的是，在本说明书中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的电路结构、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种电路结构、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，有语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的电路结构、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里发明的公开后，将容易想到本申请的其他实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由权利要求的内容指出。以上所述的本申请实施方式并不构成对本申请保护范围的限定。

Claims (9)

1.一种应用于碳化硼的切割加工装置，其特征在于，所述切割加工装置包括：控制计算机(1)、电化学放电加工模块(2)、主轴控制模块(3)、进给模块(4)以及旋转主轴(5)，其中：

所述电化学放电加工模块(2)包括：高频脉冲电源(21)、工具电极(22)、辅助电极(23)和电解槽(24)，所述高频脉冲电源(21)与所述控制计算机(1)通讯连接，所述高频脉冲电源(21)的正极连接于所述工具电极(22)，负极连接于所述辅助电极(23)，所述电解槽(24)内设有电解液(25)，所述工具电极(22)和所述辅助电极(23)浸于所述电解液(25)中，所述工具电极(22)和所述辅助电极(23)通过所述电解液(25)形成电化学放电回路；

所述主轴控制模块(3)与所述控制计算机(1)通讯连接，所述主轴控制模块(3)包括：驱动电机和超声振动组件，所述超声振动组件包括依次连接的超声发生器、换能器和变幅杆，所述驱动电机和所述变幅杆均连接于所述旋转主轴(5)，所述工具电极(22)固定连接于所述旋转主轴(5)的输出轴(51)；

所述进给模块(4)与所述控制计算机(1)通讯连接，所述进给模块(4)包括：X轴进给器(41)、Y轴进给器(42)和Z轴进给器(43)，所述电解槽(24)设置于所述X轴进给器(41)上，所述X轴进给器(41)用于控制所述电解槽(24)沿x轴方向移动，所述Z轴进给器(43)设置于所述Y轴进给器(42)上，所述Y轴进给器(42)用于控制所述Z轴进给器(43)沿Y轴方向移动，所述旋转主轴(5)设置于所述Z轴进给器(43)上，所述Z轴进给器(43)用于控制所述旋转主轴(5)沿z轴方向移动。

2.根据权利要求1所述的应用于碳化硼的切割加工装置，其特征在于，所述切割加工装置还包括：电极夹具(6)，所述电极夹具(6)的一端固定于所述旋转主轴(5)，另一端平行设有两根横梁(61)，所述横梁(61)均设有通孔(62)，两个所述通孔(62)的连线垂直于所述横梁(61)；

两个所述通孔(62)均镶嵌有导向器(63)，所述工具电极(22)为线电极，所述工具电极(22)贯穿两个所述导向器(63)。

3.根据权利要求1所述的应用于碳化硼的切割加工装置，其特征在于，所述切割加工装置还包括：数据采集模块(7)，所述数据采集模块(7)包括依次连接的霍尔电流传感器(71)和数据采集卡(72)，所述数据采集卡(72)与所述控制计算机(1)通讯连接，所述霍尔电流传感器(71)与所述电化学放电回路连接。

4.根据权利要求1所述的应用于碳化硼的切割加工装置，其特征在于，所述工具电极(22)包括疏水区(221)，所述疏水区(221)的长度大于碳化硼工件的高度，所述工具电极(22)上除所述疏水区(221)的部分均为绝缘区(222)。

5.根据权利要求1所述的应用于碳化硼的切割加工装置，其特征在于，所述高频脉冲电源(21)的控制参数为：

电压调节范围为27V-54V；频率调节范围为500Hz-1000Hz；占空比为60％-80％。

6.根据权利要求1所述的应用于碳化硼的切割加工装置，其特征在于，所述工具电极(22)为铂或铂铱合金，所述辅助电极(23)为石墨。

7.根据权利要求1所述的应用于碳化硼的切割加工装置，其特征在于，所述电解液(25)为氢氧化钠与硝酸钠的混合溶液。

8.一种应用于碳化硼的切割加工方法，其特征在于，利用权利要求1至7任一所述的应用于碳化硼的切割加工装置，所述方法包括：

将碳化硼工件通过夹具固定在电解槽中；

控制计算机通过高频脉冲电源向工具电极和辅助电极施加高频恒压直流矩形波信号；

所述控制计算机通过主轴控制模块控制旋转主轴旋转并振动，所述旋转主轴带动所述工具电极旋转并振动；

所述控制计算机通过进给模块控制所述碳化硼工件与所述工具电极之间在X轴、Y轴和Z轴方向上的相对运动，最终完成碳化硼工件的切割。

9.根据权利要求8所述的应用于碳化硼的切割加工方法，其特征在于，

在所述碳化硼工件的切割过程中，所述控制计算机实时采集电化学放电回路中的电信号；

根据所述电信号，所述控制计算机实时调整所述高频脉冲电源的电压、频率及占空比。