CN111151831A - 双极性电解放电加工工件的方法及实施装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双极性电解放电加工工件的方法及实施装置，该双极性电解放电加工工件的方法包括以下步骤：提供电源，所述电源的正极连接导电工件，所述电源的负极连接导电电极；将所述导电工件和所述导电电极浸泡于电解液中；接通所述电源加工所述导电工件，所述电源输出双极性脉冲电压，所述双极性脉冲电压包括正极性电压和负极性电压，所述负极性电压的电压值大于25V。利用正极性电压对导电工件进行氧化腐蚀，利用负极性电压产生火花，提高了正极性电压脉冲周期中电极的电解加工效率，能够实现厘米级的加工间隙下仍然具有较高的加工效率。
Description
技术领域
本发明涉及电极加工技术领域，尤其是涉及一种双极性电解放电加工工件的方法及实施装置。
背景技术
目前在微机电系统、生物医疗、精密模具及高端钟表表盘上应用了大量微孔、微槽结构，其中孔径或槽宽尺寸一般在10～100μm之间。这类表面微结构具有结构尺寸小、阵列数目多、加工精度要求高、表面质量要求高等特点，使得其加工问题成为制约产品使用性能及大规模应用的关键因素。在表面微结构加工方法中，传统的钻削、铣削加工尺寸一般在100μm以上，面对更小尺寸加工时由于刀具本身制造困难，同时加工过程中存在机械力，使得加工过程极易出现断刀情况，因此很难实现低成本、高效率加工100μm以下的微结构。非传统加工方法中的电解、电火花加工具有加工过程无机械力，能加工高硬度薄壁材料的特点，是实现100μm以下微结构加工的主要技术，但是要实现这类非传统加工方法的前提是制备精密微电极，因此微电极的加工技术研究十分关键。
目前微电极的加工方法主要有精密磨削、精密金刚石车削、丝线电火花磨削和微细电解加工等。精密磨削是用微小的多刃刀具进行材料微量去除的一种加工方法，一般是通过氧化铝和碳化硅砂轮来实现，能实现1μm以下的加工精度。但是由于这种方法加工过程中砂轮和工件接触，相互之间存在一定机械作用力，容易导致工件挤压变形，并且尺寸越小时变形越严重，因此加工尺寸受限，一般加工直径在50μm以上；精密金刚石车削是工件旋转，利用金刚石车刀具在平面内作直线或曲线移动的切削加工技术，精密金刚石车削可以达到纳米级的加工精度，是加工微电极的主要方法。但是精密金刚石车削与精密磨削相同，刀具与工件之间存在一定机械作用力，加工细长轴时容易变形，并且精密金刚石车床设备昂贵，金刚石刀具成本高，因此使用过程中存在一定局限性；丝线电火花磨削(wireelectrical discharge grinding，WEDG)是一种基于电火花加工原理，利用金属丝线当做工具电极，利用工具电极的径向或轴向运动以及工件本身的旋转运动不断热蚀工件材料，最终将工件磨削成微棒状的加工方法，是目前制备微细电极的常用的加工技术，电极加工直径能达到20μm以下。但是这种加工方法需要设置细小的外部电极，安装便捷性差，同时这种加工方法对平台要求极高，定位精度一般要求在1μm以下，并且由于细线电极一般进给较慢(1μm/s以下)，因此加工效率较低，导致这种技术在大规模应用上有一定局限性。微细电解加工是一种基于电解加工原理，利用块状或者细线工具电极，通过调控电源电压、频率、占空比等参数减低加工区电流密度，进而实现工件材料微量去除，理论上能实现光滑表面加工。加工过程中工具电极轴向或径向进给，同时工件自身转动，最终将工件材料加工成微棒状。但是这种加工方法与细线电火花磨削加工方法类似，都需要精密设备，因此设备投入成本高，并且由于进给速度低，导致加工效率同样较低。
总的来说基于非传统制造技术的电火花加工技术及电解加工技术，由于工具电极与工件电极无接触，不存在相互机械力作用，加工过程中工件不容易变形，因此更加适用于微电极加工。其中电火花加工相比电解加工，由于工件是依靠瞬间高温的方式(微观爆炸)进行材料热去除，因此在工件表面存在一定亚表明损伤(凹坑或微裂纹)，同时存在一定的热应力，使微电极产生一定热变形。而基于电化学原理的电解加工技术，由于工件材料发生氧化还原反应，工件材料的原子反应成离子，即利用逐渐溶解的方式将工件加工成棒状电极，一般加工表面完整性好，粗糙度低，不存在微裂纹，是100μm以下精密电极加工的理想方法。电解加工微电极的方法中工具电极和工件之间存在一定间隙，加工间隙越小加工精度越高，一般加工间隙在微米级，但是电解加工间隙越小则加工能量越低，又会导致加工效率低，即表现出电解加工效率低的结果。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种双极性电解放电加工工件的方法及实施装置，能够用来提高微电极加工效率。
本发明所采取的技术方案是：
本发明的第一方面，提供一种双极性电解放电加工工件的方法，包括以下步骤：
提供电源，所述电源的正极连接导电工件，所述电源的负极连接导电电极；
将所述导电工件和所述导电电极浸泡于电解液中；
接通所述电源加工所述导电工件，所述电源输出双极性脉冲电压，所述双极性脉冲电压包括正极性电压和负极性电压。上述“电压值”表示电压的数值大小。
根据本发明的一些实施例，所述导电电极在所述电解液中的浸泡面积与所述导电工件在所述电解液中的浸泡面积之比大于100，目的是使导电工件表面集中的电流更大。
根据本发明的一些实施例，所述导电工件和所述导电电极之间的间隙为10～50mm。
根据本发明的一些实施例，所述电解液包括NaOH溶液、KOH溶液、无机盐溶液中的至少一种。
根据本发明的一些实施例，所述导电电极包括石墨板、铂金板、银板、不锈钢中的任一种，具备耐腐蚀的特点。
本发明的第二方面，提供一种用于实施上述的双极性电解放电加工工件的方法的实施装置，包括：
供电系统，所述供电系统能够输出双极性脉冲电压，所述双极性脉冲电压包括正极性电压和负极性电压，所述负极性电压的电压值大于25V，所述供电系统的正极连接导电工件，所述供电系统的负极连接导电电极；
工作液系统，所述工作液系统包括加工槽，所述加工槽用以盛装电解液，在工作状态时，所述导电工件和所述导电电极浸泡于所述电解液中。
根据本发明的一些实施例，所述供电系统包括电连接的双极性脉冲电源、脉冲发生器、示波器和电源探头。
根据本发明的一些实施例，还包括进给调节装置，所述进给调节装置连接所述导电工件，用以调节所述导电工件的移动。
根据本发明的一些实施例，所述工作液系统还包括电解液循环槽，所述电解液在所述加工槽和所述电解液循环槽之间循环流动。
本发明实施例的有益效果是：
本发明实施例提供了一种双极性电解放电加工工件的方法，利用正极性电压对导电工件进行氧化腐蚀，利用负极性电压产生火花，火花产生时能够实现对加工区的电解液进行加热，温度可达200℃至600℃，高温促进正极性电压对工件材料的腐蚀，提高了正极性电压周期中电极的电解加工效率，并且由于是电压波形驱动下的高温诱导高速刻蚀，因而整个过程不需要外部热源，不需要外部装置进行时域上的微调匹配，能够实现厘米级的加工间隙下仍然具有较高的加工效率。
此外，现有采用双极性波形的加工技术中，一般都会采用电压较低的负极性电压，一般在1V以下，主要是由于其加工时的接电方式决定，在其接电方式中电压变成负极性电压时，工具电极(一般是管电极)将转变成阳极，有可能发生电极损耗，所以负极性电压不能太大。而发明实施例将双极性波形与电火花放电加工技术相结合，利用正极性电压对导电工件进行腐蚀加工，利用负极性电压击穿气膜产生火花以促进下一周期的正极性电压的加工效率，为了产生火花需要要求负极性电压高于产生火花的临界值(临界值约25V)，低的负极性电压值并不起作用。
附图说明
图1为实施例1中常规电解加工工件采用的电压波形图和加工后的电极形貌图；
图2为实施例1中双极性电解放电加工工件采用的电压波形图和加工后的电极形貌图；
图3为实施例2中用于实施双极性电解放电加工工件的方法的实施装置的结构示意图；
图4为实施例2中用以消除“葫芦”针尖现象的电极运动调控示意图。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。
实施例1
本发明实施例提供一种双极性电解放电加工工件的方法，包括以下步骤：
(1)提供电源，电源的正极连接导电工件，电源的负极连接导电电极；
(2)将导电工件和导电电极浸泡于电解液中；
(3)接通电源加工导电工件，电源输出双极性脉冲电压，负极性电压的电压值大于25V。
本实施例中导电工件为直径200μm的钨棒，导电电极为50mm*30mm*5mm的石墨板，电解液为20％NaOH溶液。
为了对比常规电解加工工件的方法与本实施例双极性电解放电加工工件的方法的效果，首先采用如图1中(a)所示的常规电解加工工件的电压波形加工直径200μm的钨棒，钨棒接入电源的正极、石墨板接入电源的负极，加工参数为：整个脉冲周期为ρ，正脉冲电压周期t1中电压＝5V，负脉冲电压周期t2中电压＝0V，频率＝1kHz，占空比50％，电解液为20％NaOH，浸入深度1mm，加工时石墨板的浸泡面积与钨棒浸泡面积之比大于100，钨棒与石墨板的距离约为3cm，加工时间12s。加工后的电极形貌如图1中(b)所示，钨棒的初始加工直径为200μm，加工后的钨电极表面光滑直径为193μm，电解加工后直径减小量仅7μm，表明钨棒在5V电压下电解加工量很小，造成这一结果的主要原因是此时加工电压较低，同时两电极距离较远(约30mm)，导致电极表面电流密度较低，从而腐蚀量较小，这一加工工况与电解抛光类似，说明采用常规的电解加工工件的方法在5V加工电压下工件加工效率低。
本实施例提供的双极性电解放电加工工件的方法采用如图2中(a)所示的电压波形，整个脉冲周期为ρ，正脉冲电压周期t1中电压＝5V，负脉冲电压周期t2中电压＝35V，频率＝1kHz，占空比50％，电解液为20％NaOH，浸入深度1mm，加工时石墨板的浸泡面积与钨棒浸泡面积之比大于100，钨棒与石墨板的距离约为3cm，加工时间12s。在正脉冲电压周期t1时，钨棒发生氧化腐蚀，离子反应方程式如下：
W+8OH-→WO4 2-+4H2O+6e-
当在负脉冲电压周期t2时，钨棒表面发生还原反应，并且由于石墨板浸泡面积与钨棒浸泡面积之比大于100，使电流密度在钨棒尖端集中，在电场作用下电解液迅速被电解产生大量氢气泡，随着气泡长大、聚集，最终形成气膜，当电压达到临界值时，形成电弧击穿。电弧击穿时形成一定温度的等离子体通道(温度300℃--600℃)，瞬间的高温强化了下一时间周期钨棒的电解加工效率。加工后的电极形貌如图2中(b)所示，从图中可以发现，电解加工段的电压同样为5V，但钨棒加工量大大提高，扫描电镜测量加工后的电极小径为29μm(初始直径200μm)，电解加工后直径减小量达到171μm，实验结果显示利用本发明实施例的双极性电解放电加工工件方法能够在厘米级加工间隙下高效、高质量、高稳定性、低成本加工出直径小于50μm的微电极。得到这一结果的主要原因是，电解加工效率受加工区的温度影响，而在电压负极性35V段，钨电极表面形成气膜，并进一步的形成火花击穿气膜，击穿时局部温度达到300--600℃，瞬间的高温强化了下一时间周期钨棒的电解加工效率。如图2中(b)得到的中间颈缩的“葫芦”针尖，在后续利用该电极进行电解打孔试验时，在葫芦针尖的径缩处能强化排屑，并且在径缩处的电流密度更低，从而能够降低微孔加工时的侧向腐蚀，提升微孔侧壁垂直度。
实施例2
本实施例提供一种用于实施双极性电解放电加工工件的方法的实施装置，参见图3，该实施装置包括供电系统，该供电系统包括电连接的双极性脉冲电源1、脉冲发生器2、用于监测的示波器3和电流探头4，在进行加工时调整该供电系统输出双极性脉冲电压，双极性脉冲电压包括正极性电压和负极性电压，负极性电压的电压值大于25V，上述供电系统的正极连接导电工件5，供电系统的负极连接导电电极6；该实施装置还包括工作液系统，工作液系统包括加工槽7，加工槽用以盛装电解液8，在工作状态时，导电工件5和导电电极6浸泡于电解液8中。为便于控制调节导电工件5的加工深度，在优选的实施例中该实施装置还可以进一步包括进给调节装置9，具体地，进给调节装置9可以为机床运动平台，其通过电极夹头10与导电工件5连接，进而控制调整导电工件5的移动。在一些实施例中，工作液系统还包括电解液循环槽，在工作状态时，通过电解液流出泵将电解液从加工槽中抽到电解液循环槽中，通过电解液流入泵将电解液从电解液循环槽抽出，经过过滤器流入到加工槽中。
利用图3中的实施装置进行实施例1中双极性电解放电加工工件的加工过程，实验时采用如下操作步骤：
(1)装夹：电极夹头夹紧钨棒，在Z轴控制下调节高度，使钨棒浸泡在电解液内的深度为1mm，石墨板浸泡在电解液内。电极夹头能进行XYZ轴运动，使钨棒和石墨板的间距约为3cm。石墨板只做辅助电极使用，构成加工回路，最终钨棒的加工形貌不受石墨板形状影响。同样的对于其他类型，例如上部只作Z轴进给，下部做XY方向运动，又如下部做XYZ方向运动等其他运动控制方式，最终实现XYZ轴方向运动控制皆可。
(2)接电方式：电极夹头连接双极性脉冲电源的正极，石墨板连接双极性脉冲电源的负极。
(3)供液方式：本实施例中使用单一的加工槽进行浸泡式供液，电解液为20％NaOH溶液。在其他一些实施例中也可以采用其他类型的工作液系统，如增加电解液循环槽，使用水泵抽出，经过滤芯进行外循环。
(4)电源波形控制及监测：使用波形发生器及双极性脉冲电源对电压波形进行调控，同时利用示波器及电流探头对加工过程中的电压和电流信号进行实时监测。
(5)波形设定及加工过程：采用实施例1图2中(a)所示的波形进行加工，在负脉冲电压周期时，在电场作用下电解液8迅速被电解产生大量氢气泡，随着气泡长大、聚集，最终形成气膜11，当电压达到临界值时，形成电弧12击穿气膜11，加工后的微电极如图2中(b)所示，呈中间缩颈的“葫芦”针尖结构。在实际加工时通过控制钨棒上下运动，如图4所示，调控运动幅度，能均匀的对电极浸泡断进行腐蚀，从而消除“葫芦”针尖现象，提升电极尺寸均匀性，这类电极能应用于有电极损耗的微细电火花加工微结构领域，进行深小孔加工。
Claims (9)
1.一种双极性电解放电加工工件的方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供电源，所述电源的正极连接导电工件，所述电源的负极连接导电电极；
将所述导电工件和所述导电电极浸泡于电解液中；
接通所述电源加工所述导电工件，所述电源输出双极性脉冲电压，所述双极性脉冲电压包括正极性电压和负极性电压，所述负极性电压的电压值大于25V。
2.根据权利要求1所述的双极性电解放电加工工件的方法，其特征在于，所述导电电极在所述电解液中的浸泡面积与所述导电工件在所述电解液中的浸泡面积之比大于100。
3.根据权利要求1所述的双极性电解放电加工工件的方法，其特征在于，所述导电工件和所述导电电极之间的间隙为10～50mm。
4.根据权利要求1-3任一项所述的双极性电解放电加工工件的方法，其特征在于，所述电解液包括NaOH溶液、KOH溶液、无机盐溶液中的至少一种。
5.根据权利要求1-3任一项所述的双极性电解放电加工工件的方法，其特征在于，所述导电电极包括石墨板、铂金板、银板、不锈钢中的任一种。
6.一种用于实施权利要求1-5任一项所述的双极性电解放电加工工件的方法的实施装置，其特征在于，包括：
供电系统，所述供电系统能够输出双极性脉冲电压，所述双极性脉冲电压包括正极性电压和负极性电压，所述负极性电压的电压值大于25V，所述供电系统的正极连接导电工件，所述供电系统的负极连接导电电极；
工作液系统，所述工作液系统包括加工槽，所述加工槽用以盛装电解液，在工作状态时，所述导电工件和所述导电电极浸泡于所述电解液中。
7.根据权利要求6所述的实施装置，其特征在于，所述供电系统包括电连接的双极性脉冲电源、脉冲发生器、示波器和电源探头。
8.根据权利要求6所述的实施装置，其特征在于，还包括进给调节装置，所述进给调节装置连接所述导电工件，用以调节所述导电工件的移动。
9.根据权利要求6至8任一项所述的实施装置，其特征在于，所述工作液系统还包括电解液循环槽，所述电解液在所述加工槽和所述电解液循环槽之间循环流动。
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