CN110961734A - 一种超声振动辅助微细电解线切割加工方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种超声振动辅助微细电解线切割加工方法及装置，包括电解槽、超声振动装置、线电极、脉冲电源和移动装置；所述电解槽用于盛放浸没线电极和工件的电解液，所述超声振动装置用于提供沿所述线电极的轴向的振动力；所述线电极固定于所述移动装置的活动端上，并能够在所述移动装置的驱动下沿垂直于所述线电极的轴向的方向移动；所述脉冲电源的负极用于连接所述线电极，正极用于连接工件。本发明中，微细电解线切割工件时，在加工间隙下方产生超声振动，进入加工间隙，使电解液中溶气和电解反应产生的气泡充当形成空化气泡的核，随空化作用而被去除，改善了加工间隙中气泡分布不均匀、电解产物排出受阻的现象，电场分布均匀性得到提高。

Description

一种超声振动辅助微细电解线切割加工方法及装置
技术领域
本发明属于电化学加工技术领域，具体涉及一种超声振动辅助微细电解线切割加工方法及装置。
背景技术
微细加工很好地顺应了当前产品的微型化与精密化发展趋势，微细加工技术是微机电系统技术的基础和核心，也是制造近年来不断涌现的新型微器件或局部具有微结构的零件的关键技术。微细电解加工基于离子去除原理对金属材料进行加工成型，工具与电源负极相连作为阴极，金属工件与电源正极相连作为阳极，在电解液中发生电化溶解。工件以离子的形式被蚀除，工具阴极不会溶解且不与工件接触，工具阴极上仅析出氢气，因此工件不存在裂纹、机械应力、热变形、变质层等缺陷，加工精度高，并且可忽略金属材料的强度、硬度等机械加工性能，适用性强。对航空工业、集成电路、高端数控机床、高性能医疗机械等各领域都起着重要作用。
微细电解线切割是采用直径为微米级的导电丝作为工具阴极，结合多轴数控运动，使线电极和工件按加工轨迹进行相对运动实现对工件的切割。相对其他电解加工方法，由于其工具电极为线电极，形状简单，大大减少了加工制造工具阴极的成本，更易于进行间隙实时控制。
微细电解线切割加工过程中，线电极表面发生还原反应产生氢气，大量实验表明气泡容易附着在工件加工区域，不仅造成加工间隙的电解液不均匀，而且气泡积聚阻碍电解产物排出，造成电场分布不均，电场较强的部分被蚀除的较多，电场较弱的部分蚀除的较少，导致加工精度大大降低；堆积在加工间隙的不溶性电解产物甚至附着在电极丝上，是电极丝实际直径改变，容易引起短路，使加工稳定性降低、表面粗糙度值增大；总体会使加工区域电解液电导率降低，降低蚀除速度，从而降低加工效率。
针对上述问题，国内外诸多学者进行了大量研究，并提出了一些改进方法。比如：线电极轴向往复走丝和阳极低频振动等微细电解线切割方法，利用线电极相对工件做轴向运动，线电极表面粘性对加工间隙内电解液沿线电极轴向进行拖拽，促进电解产物的排出和电解液的更新，但是线电极表面光滑，对电解液的扰动能力有限，切缝中电解液更新仍然较慢，且不溶性电解产物会在线电极表面沉积，改变线电极的形状和尺寸，影响电场的分布；阴极间歇回退微细电解线切割加工方法，当加工区域有加工产物的积累，线电极回退一个固定的位移K，断开电源，电极的快速回退可以带动其周边的电解液运动，会将加工产物带离加工区域，电解液得到更新，电极向前进给K + dk，但操作过程繁琐，加工效率较低，易产生偏差积累，降低加工精度；微纳米气泡辅助微细电解线切割加工方法，通过微纳米气泡发生器在线电极下部向加工间隙持续送入大量微纳米气泡，带走加工间隙中的电解产物和气泡并充满加工间隙，提高了加工间隙内电场分布的一致性，改善了加工精度，但是大量微纳米气泡的充入降低了电解液的电导率，造成效率降低，大量气泡与工件接触，会扰动工件。
综上可知，如何快速高效排出加工间隙中的电解产物，提高加工的精度和稳定性仍是微细电解线切割加工中存在的重要难题。
发明内容
针对微细电解线切割加工时加工间隙内电解产物排出困难、加工精度及稳定性难以保证的问题，本发明提出了一种超声振动辅助微细电解线切割加工方法及装置。
为解决现有技术问题，本发明提供了一种超声振动辅助微细电解线切割加工装置，包括电解槽（2）、超声发生器（15）、超声换能器（1）、线电极（4）、脉冲电源（14）和移动装置（6）；
所述电解槽（2）用于盛放浸没线电极（4）和工件（9）的电解液（3）；所述超声发生器（15）连接所述超声换能器（1），所述超声发生器（15）和所述超声换能器（1）均设于所述电解槽（2）的外部，所述超声换能器（1）用于提供沿所述线电极（4）的轴向传导的振动力；所述移动装置（6）的具有一个用于固定线电极（4）的活动端；所述脉冲电源（14）的负极用于连接所述线电极（4），正极用于连接工件（9）。
进一步地，所述超声换能器（1）设于所述电解槽（2）的底部。
进一步地，还包括悬臂支架（11）、工件夹具（10）和电极夹具（5）；所述悬臂支架（11）设于所述电解槽（2）的一侧，所述工件夹具（10）固定设于所述悬臂支架（11）上并悬垂至所述电解槽（1）中；所述电极夹具（5）固定于所述移动装置（6）的活动端上，所述线电极（4）固定于所述电极夹具（5）上。
本发明还提供了一种超声振动辅助微细电解线切割加工装置，包括电解槽（2）、超声发生器（15）、超声换能器（1）、线电极（4）、脉冲电源（14）和移动装置（6）；
所述线电极（4）和所述超声换能器（1）均固定在所述电解槽（2）中，所述线电极（4）从所述超声换能器（1）的凹槽中穿过；所述电解槽（2）用于盛放浸没线电极（4）和工件（9）的电解液（3）；所述超声发生器（15）连接所述超声换能器（1），所述超声发生器（15）设于所述电解槽（2）的外部，所述超声换能器（1）用于提供沿所述线电极（4）的轴向传导的振动力；所述移动装置（6）的具有一个用于固定工件（9）的活动端；所述脉冲电源（14）的负极用于连接所述线电极（4），正极用于连接工件（9）。
进一步地，还包括悬臂支架（11）、工件夹具（10）和电极夹具（5）；所述悬臂支架（11）设于所述电解槽（2）的一侧，所述超声换能器（1）固定设于所述悬臂支架（11）上并悬垂至所述电解槽（1）中；所述工件夹具（10）固定于所述移动装置（6）的活动端上，所述电极夹具（5）固定于所述电解槽（2）上，所述线电极（4）固定于所述电极夹具（5）上。
进一步地，所述移动装置（6）为三坐标移动平台，其活动端能够在X、Y、Z轴移动，所述X轴和所述Y轴相互垂直并均平行于水平面，所述Z轴垂直于水平面。
进一步地，所述线电极（4）竖直设置。
进一步地，所述移动装置（6）还包括运动控制器（12）和工控机（13），所述工控机（13）通过所述运动控制器（12）控制所述移动装置（6）的活动端移动。
本发明还提供了一种超声振动辅助微细电解线切割加工方法，包括如下步骤：
将线电极（4）固定设置于移动装置（6）的活动端上；
将工件（9）固定设置于电解槽（2）内合适位置；
将超声换能器（1）设于相应位置以产生能够沿线电极（4）的轴向传导至加工区域（16）的振动；
将电解液（3）注入电解槽（2）并浸没工件（9）和线电极（4）；
将脉冲电源（14）的正极连接工件（9），负极连接线电极（4），然后启动脉冲电源（14）和超声换能器（1）；
控制移动装置（6）使其活动端带动线电极（4）沿预设路线移动而完成对工件（9）进行加工。
本发明还提供了一种超声振动辅助微细电解线切割加工方法，包括如下步骤：
将工件（9）固定设置于移动装置（6）的活动端上；
将线电极（4）固定设置于电解槽（2）内合适位置；
将超声换能器（1）设于相应位置，使线电极（4）从超声换能器（1）的凹槽中穿过从而产生能够沿线电极（4）的轴向传导至加工区域（16）的振动；
将电解液（3）注入电解槽（2）并浸没工件（9）和线电极（4）；
将脉冲电源（14）的正极连接工件（9），负极连接线电极（4），然后启动脉冲电源（14）和超声换能器（1）；
控制移动装置（6）使其活动端带动工件（9）沿预设路线移动而完成对工件（9）进行加工。
本发明具有的有益效果：
1、本发明中，微细电解线切割工件时，在加工间隙下方产生超声振动，进入加工间隙，使电解液中溶气和电解反应产生的气泡充当形成空化气泡的核，随空化作用而被去除，改善了加工间隙中气泡分布不均匀、电解产物排出受阻的现象，电场分布均匀性得到提高。
2、本发明中，超声振动可以促进加工过程中电解液的流动和微观粒子的扩散，保证溶液电导率分布的均匀性。
3、本发明中，空化气泡形成过程中，微小气泡可以在加工区域振动，改善加工间隙的表面质量，然后空化气泡闭合产生局部冲击，使加工间隙中的不溶性电解产物破碎，附着在线电极上的不溶性电解产物被剥离，随气泡扩散，减小了加工间隙内电导率不均匀对电解反应的影响，提高了加工精度和稳定性。
4、本发明中，超声振动由位于电解槽下方的超声换能器间歇产生，振动沿线电极轴向传播进入加工间隙，避免了径向振动导致线电极径向偏移引起短路，保证了加工稳定性。
附图说明
图1为本发明中一个实施例中超声振动辅助微细电解线切割加工装置的结构示意图；
图2为图1所示超声振动辅助微细电解线切割加工装置中加工区域的放大图；
图3为本发明中另一个实施例中超声振动辅助微细电解线切割加工装置的结构示意图；
图4为图3所示超声振动辅助微细电解线切割加工装置中加工区域的放大图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例一
如图1和2所示，一种超声振动辅助微细电解线切割加工装置，包括电解槽2、超声振动装置、线电极4、脉冲电源14和移动装置6。
电解槽2用于盛放浸没线电极4和工件9的电解液3，超声振动装置用于提供沿线电极4的轴向的振动力。线电极4固定于移动装置6的活动端上，并能够在移动装置6的驱动下沿垂直于线电极4的轴向的方向移动；脉冲电源14的负极用于连接线电极4，正极用于连接工件9。
超声振动装置包括超声发生器15和超声换能器1，超声发生器15与超声换能器1相连，超声换能器1设于电解槽2的外部。超声振动由超声换能器1间歇产生，频率大于20KHz，在液体中可以产生空化作用，对加工间隙起到搅拌、冲击和清洗作用。
超声换能器1和电解槽2均固定在支撑架7上，电解槽2位于超声换能器1的上方，这样超声换能器1不会与工件9和线电极4直接接触，其振动方向与线电极4的轴向一致，避免了径向振动导致线电极径向偏移引起短路，保证了加工稳定性。
液体中的微小气泡核在超声波作用下产生振动，气泡将迅速膨胀，然后突然闭合，在气泡闭合时产生冲击波，可改善加工间隙的表面质量。
移动装置6为三坐标移动平台，其活动端能够在X、Y、Z轴移动，X轴和Y轴相互垂直并均平行于水平面，Z轴垂直于水平面。通过移动装置6可以实现线电极4在不同方向上的移动，提高加工能力。移动装置6还包括运动控制器12和工控机13，工控机13通过运动控制器12控制移动装置6的活动端移动。
为了固定线电极4和工件9，本实施例中的加工装置还包括悬臂支架11、工件夹具10和电极夹具5；悬臂支架11设于电解槽2的一侧，工件夹具10固定设于悬臂支架11上并悬垂至电解槽1中；电极夹具5固定于移动装置6的活动端上，线电极4固定于电极夹具5上。
线电极4竖直设置，这样便能够垂直地切割工件9。
基于同样的发明构思，本实施例还提供了一种超声振动辅助微细电解线切割加工方法，包括如下步骤：
步骤1、线电极4安装在电极夹具5中，将电极夹具5安装在移动装置6的活动端上。
步骤2、工件夹具10安装在悬臂支架11上，工件9装夹在工件夹具10中。
步骤3、将超声换能器1安装在电解槽2下方，一并安装在支撑架7上，使超声换能器1工作时，振动沿线电极4的轴向传入加工区域16。
步骤4、向电解槽2中注入电解液3，浸没工件9和线电极4。
步骤5、工件9接脉冲电源14的正极，线电极4接脉冲电源14的负极，启动脉冲电源，启动超声发生器15和超声换能器1，随着加工进行，超声振动不断传入加工区域16，加速阴极气泡18溢出，其空化作用使不溶性电解产物17破碎，并随空化气泡闭合迅速扩散。
步骤6、利用工控机13通过程序操控运动控制器12控制移动装置6，使线电极4相对工件9沿Y轴方向运动，实现对工件9的电解加工。Y轴为垂直于工件9的边沿。
步骤7、加工完毕，分离、清洗工件9。
实施例二
如图3和4所示，与实施例一不同之处在于，本实施例中，线电极4和超声换能器1均固定在电解槽2中，线电极4从超声换能器1的凹槽中穿过；电解槽2用于盛放浸没线电极4和工件9的电解液3；超声发生器15连接超声换能器1，超声发生器15设于电解槽2的外部，超声换能器1用于提供沿线电极4的轴向传导的振动力；移动装置6的具有一个用于固定工件9的活动端；脉冲电源14的负极用于连接线电极4，正极用于连接工件9。
为了固定线电极4和工件9，本实施例中的加工装置还包括悬臂支架11、工件夹具10和电极夹具5；悬臂支架11设于电解槽2的一侧，超声换能器1固定设于悬臂支架11上并悬垂至电解槽1中；工件夹具10固定于移动装置6的活动端上，电极夹具5固定于电解槽2上，线电极4固定于电极夹具5上。
可以理解的是，线电极4还可以这样固定：线电极4的一端固定在电解槽2的槽底，另一端由电极夹具5固定，电极夹具5固定在电解槽2顶部，这样线电极4的一部分浸没于电解液3中，另一部分则位于液面以上。
基于同样的发明构思，本实施例还提供了一种超声振动辅助微细电解线切割加工方法，包括如下步骤：
步骤1、线电极4安装在线电极夹具5中，将线电极夹具5安装在电解槽2上。
步骤2、工件夹具10安装在移动装置6上，工件9装夹在工件夹具10中。
步骤3、将超声换能器1安装在悬臂支架11上，线电极4从超声换能器1的凹槽中穿过，使超声振动沿线电极4轴向传入加工区域16。
步骤4、注入电解液3，浸没工件9和线电极4。
步骤5、工件9接脉冲电源14的正极，线电极4接脉冲电源14的负极，启动脉冲电源，启动超声发生器15和超声换能器1，随着加工进行，超声振动不断传入加工区域16，加速阴极气泡18溢出，其空化作用使不溶性电解产物17破碎，并随空化气泡闭合迅速扩散。
步骤6、利用工控机13通过程序操控运动控制器12控制移动装置6，使线电极4相对工件9沿Y轴方向运动，实现对工件9的电解加工。
步骤7、加工完毕，分离、清洗工件9。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种超声振动辅助微细电解线切割加工装置，其特征在于：包括电解槽（2）、超声发生器（15）、超声换能器（1）、线电极（4）、脉冲电源（14）和移动装置（6）；
所述电解槽（2）用于盛放浸没线电极（4）和工件（9）的电解液（3）；所述超声发生器（15）连接所述超声换能器（1），所述超声发生器（15）和所述超声换能器（1）均设于所述电解槽（2）的外部，所述超声换能器（1）用于提供沿所述线电极（4）的轴向传导的振动力；所述移动装置（6）的具有一个用于固定线电极（4）的活动端；所述脉冲电源（14）的负极用于连接所述线电极（4），正极用于连接工件（9）。
2.根据权利要求1所述的一种超声振动辅助微细电解线切割加工装置，其特征在于：所述超声换能器（1）设于所述电解槽（2）的底部。
3.根据权利要求1所述的一种超声振动辅助微细电解线切割加工装置，其特征在于：还包括悬臂支架（11）、工件夹具（10）和电极夹具（5）；所述悬臂支架（11）设于所述电解槽（2）的一侧，所述工件夹具（10）固定设于所述悬臂支架（11）上并悬垂至所述电解槽（1）中；所述电极夹具（5）固定于所述移动装置（6）的活动端上，所述线电极（4）固定于所述电极夹具（5）上。
4.一种超声振动辅助微细电解线切割加工装置，其特征在于：包括电解槽（2）、超声发生器（15）、超声换能器（1）、线电极（4）、脉冲电源（14）和移动装置（6）；
所述线电极（4）和所述超声换能器（1）均固定在所述电解槽（2）中，所述线电极（4）从所述超声换能器（1）的凹槽中穿过；所述电解槽（2）用于盛放浸没线电极（4）和工件（9）的电解液（3）；所述超声发生器（15）连接所述超声换能器（1），所述超声发生器（15）设于所述电解槽（2）的外部，所述超声换能器（1）用于提供沿所述线电极（4）的轴向传导的振动力；所述移动装置（6）的具有一个用于固定工件（9）的活动端；所述脉冲电源（14）的负极用于连接所述线电极（4），正极用于连接工件（9）。
5.根据权利要求4所述的一种超声振动辅助微细电解线切割加工装置，其特征在于：还包括悬臂支架（11）、工件夹具（10）和电极夹具（5）；所述悬臂支架（11）设于所述电解槽（2）的一侧，所述超声换能器（1）固定设于所述悬臂支架（11）上并悬垂至所述电解槽（1）中；所述工件夹具（10）固定于所述移动装置（6）的活动端上，所述电极夹具（5）固定于所述电解槽（2）上，所述线电极（4）固定于所述电极夹具（5）上。
6.根据权利要求1或4所述的一种超声振动辅助微细电解线切割加工装置，其特征在于：所述移动装置（6）为三坐标移动平台，其活动端能够在X、Y、Z轴移动，所述X轴和所述Y轴相互垂直并均平行于水平面，所述Z轴垂直于水平面。
7.根据权利要求1或4所述的一种超声振动辅助微细电解线切割加工装置，其特征在于：所述线电极（4）竖直设置。
8.根据权利要求1或4所述的一种超声振动辅助微细电解线切割加工装置，其特征在于：所述移动装置（6）还包括运动控制器（12）和工控机（13），所述工控机（13）通过所述运动控制器（12）控制所述移动装置（6）的活动端移动。
9.一种超声振动辅助微细电解线切割加工方法，其特征在于：包括如下步骤：
将线电极（4）固定设置于移动装置（6）的活动端上；
将工件（9）固定设置于电解槽（2）内合适位置；
将超声换能器（1）设于相应位置以产生能够沿线电极（4）的轴向传导至加工区域（16）的振动；
将电解液（3）注入电解槽（2）并浸没工件（9）和线电极（4）；
将脉冲电源（14）的正极连接工件（9），负极连接线电极（4），然后启动脉冲电源（14）和超声换能器（1）；
控制移动装置（6）使其活动端带动线电极（4）沿预设路线移动而完成对工件（9）进行加工。
10.一种超声振动辅助微细电解线切割加工方法，其特征在于：包括如下步骤：
将工件（9）固定设置于移动装置（6）的活动端上；
将线电极（4）固定设置于电解槽（2）内合适位置；
将超声换能器（1）设于相应位置，使线电极（4）从超声换能器（1）的凹槽中穿过从而产生能够沿线电极（4）的轴向传导至加工区域（16）的振动；
将电解液（3）注入电解槽（2）并浸没工件（9）和线电极（4）；
将脉冲电源（14）的正极连接工件（9），负极连接线电极（4），然后启动脉冲电源（14）和超声换能器（1）；
控制移动装置（6）使其活动端带动工件（9）沿预设路线移动而完成对工件（9）进行加工。
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