CN111215710A - 一种可在线修整的剖槽电极微细放电加工装置及加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可在线修整的剖槽电极微细放电加工装置及加工方法，涉及电加工技术领域，工作液系统包括工作槽、第一过滤器、第一高压泵和喷嘴，工作液系统一侧设有冷却液系统，冷却液系统包括冷却槽、第二过滤器和第二高压泵，冷却液系统一侧设有传动系统，传动系统包括伺服电机、电机主轴和高速轴承；电机主轴通过夹头与工具电极的一端连接，工具电极底部开设有凹槽，工具电极一侧设有用于修整工具电极的线电极。本发明突破现有颗粒增强金属基复合材料微细放电加工技术的瓶颈，同时新方法的工具电极具有可在线修整性，以及优异的排屑能力以及工作液的更新能力还有望突破现有金属基复合材料微细放电加工中高精度，高表面质量的制造瓶颈。

Description

一种可在线修整的剖槽电极微细放电加工装置及加工方法

技术领域

本发明涉及电加工技术领域，具体是一种可在线修整的剖槽电极微细放电加工装置及加工方法。

背景技术

金属基复合材料与传统的金属材料相比较，比刚度和比强度比较高；与碳化硅基材材料相比较，韧性和冲击性能更高。在金属基复合材料中，应用得最为广泛的是铝基复合材料，颗粒增强铝基复合材料是以铝或铝合金为连续相而陶瓷颗粒为第二组成相的复合材料，铝基复合材料的性能取决于基体合金和增强相的特性、含量、分布等。与基体合金相比，铝基复合材料具有许多优良的性能。

金属基复合材料本身的成分以及结构特点，使其具有不同于增强相与金属基体的物理特性，甚至产生比组合物更强的性能，这些优良的性能就决定了金属基复合材料是一种超难加工的材料，尤其是铝基复合材料更是一种典型的硬度高、强度大、难切削的材料，并且随着增强相分数的增加和陶瓷颗粒的增大，加工会变得越发地困难，尤其是二次加工的困难更是限制其工业应用的瓶颈问题。目前加工金属基复合材料的加工方法主要有传统加工方法与特种加工方法，传统加工方法主要是机械切削加工，特种加工方法主要包括磨料水射流加工、激光加工、激光辅助微切削加工、超声辅助磨削加工、电火花加工、电火花磨削加工、电化学放电加工,特种加工方法的加工机理各有区别，也各自有各自的优缺点。

尽管电火花加工方法的加工速度相对来说比较低，但由于电火花成型以及电火花线切割的加工精度相对比较高，而且能够加工出复杂的几何结构，目前放电加工是一种较为有效的金属基复合材料加工方法，研究者对颗粒增强金属基复合材料电火花加工技术进行了大量的研究。而在采用电火花加工工艺对金属基复合材料进行加工的过程中，一方面，由于材料中的陶瓷颗粒熔点非常高，在加工过程中难以汽化或者熔化，随着加工的进行，高熔点的陶瓷颗粒将不断在加工表面集结，从而引起不正常的电弧放电现象，造成电极损坏，此外电火花加工后的工件表面质量也很难满足实际需要。

尤其值得一提的是，材料中的颗粒增强相一般为陶瓷或氮化硅等绝缘颗粒，并且该类材料熔点高。因此在加工过程中颗粒相很难以汽化或者熔化的形式去除，而是随着加工的进行，该类增强相颗粒材料不断的堆积在间隙中，并难以排出加工间隙，易导致不正常的放电加工现象，出现加工质量差、加工效率低以及电极损耗大等问题。

传统的机械加工在加工颗粒增强金属基复合材料时，刀具存在较大的损耗，并且频繁更换刀具易导致加工效率低，成本高等问题。此外采用开槽、削边、中空以及多边形等工具电极，均能一定程度上促进在电火花加工颗粒增强金属基复合材料时，颗粒增强相的排出。但是在实际的电火花加工中存在的颗粒相尺度大小不均，并且开槽、削边以及多边形等电极对于较大尺度的颗粒相排屑能力有限，此外这些电极一般直径较大，若在线修整，不能保持其尺寸特征，并不适合与微细放电加工。

有研究人员设计了开槽、削边、中空以及多边形等新颖的工具电极，试图促进增强相颗粒等碎屑的排出，提高加工颗粒增强金属基复合材料的加工效率，改善加工质量以及降低电极损耗等，但是实际的加工效果并不理想。由于金属基复合材料的增强相一般为数十微米，其尺寸超过了放电加工的间隙，而且增强相很难被放电能量熔融去除，加工过程中极易堵塞间隙，造成加工难以进行。尤其是微细放电加工时，由于放电能量小，放电间隙一般在数微米至十微米左右，显然放电间隙远小于加工屑的尺寸。如何对金属基复合材料进行微加工一直是制造领域的一个难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可在线修整的剖槽电极微细放电加工装置及加工方法，具有排屑能力强、可对工具电极进行在线修整的有益效果，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种可在线修整的剖槽电极微细放电加工装置，包括加工槽，加工槽内侧设有工件支撑座，加工槽一侧设有工作液系统，工作液系统包括工作槽、第一过滤器、第一高压泵和喷嘴，工作槽内设有浸入工作液的导液管，导液管一端与第一过滤器的进液口连接，第一过滤器的出液口通过导液管与第一高压泵的进液口连接，第一高压泵的出液口通过导液管与喷嘴的进液口连接；加工槽的出液口连接有导液管，导液管一端伸入工作槽内；工作液系统一侧设有冷却液系统，冷却液系统包括冷却槽、第二过滤器和第二高压泵，冷却槽内设有浸入冷却液的导液管，导液管一端与第二过滤器的进液口连接，第二过滤器的出液口通过导液管与第二高压泵的进液口连接；冷却液系统一侧设有传动系统，传动系统包括伺服电机、电机主轴和高速轴承，电机主轴设于伺服电机输出端，高速轴承设于电机主轴的外侧；电机主轴中部设有通孔，导液管一端与通孔连接，另一端伸入冷却槽的冷却液中，导液管一端与通孔连接，另一端与第二高压泵的出液口连接；高速轴承上设有引电螺钉；电机主轴上固设有夹头，所述夹头一侧设有工具电极，所述电机主轴通过夹头与工具电极的一端连接，工具电极底部开设有凹槽，工具电极一侧设有用于修整工具电极的线电极，线电极通过导线与脉冲电源电连接。

作为本发明再进一步的方案：工件支撑座与工件相匹配。

作为本发明再进一步的方案：工件支撑座由易导电金属材料制作而成，工件为颗粒增强金属基复合材料。

作为本发明再进一步的方案：脉冲电源的正极通过导线与工件电连接，脉冲电源的负极通过导线与引电螺钉电连接。

作为本发明再进一步的方案：还包括控制系统，控制系统通过导线与引电螺钉电连接，控制系统通过导线与工件支撑座电连接，控制系统通过信号线与传动系统连接。

本发明还提供一种采用上述在线修整的剖槽电极微细放电加工方法，所述方法包括以下步骤：

S1:将工件放置在工件支撑座上；

S2:通过线电极将工具电极修整到所需的直径；

S3：通过第一高压泵使工作槽内的工作液通过导液管进入第一过滤器，第一过滤器对导液管的工作液进行过滤，过滤后的工作液在第一高压泵的作用下通过导液管，再由导液管将过滤后的工作液输送至喷嘴，喷嘴将工作液喷至加工区域，喷嘴喷出的工作液冲刷加工间隙中的颗粒增强相碎屑，颗粒增强相碎屑通过工具电极的凹槽排出加工区域；

S4：加工槽内的工作液通过导液管进入工作槽；

S5：通过第二高压泵使冷却槽内的冷却液通过导液管进入第二过滤器，第二过滤器对导液管的冷却液进行过滤，过滤后的冷却液在第二高压泵的作用下通过导液管进入电机主轴的通孔，对电机主轴进行冷却；

S6：电机主轴中使用后的冷却液由导液管输送至冷却槽内。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.工具电极的凹槽具有较强的排屑能力，特别适用于颗粒增强金属基复合材料的加工，加工过程中，剖槽式的工具电极旋转，工作液经由工具电极的侧面以及工具电极的剖槽流向加工区域，加工过程中产生的颗粒增强相等加工屑在喷嘴喷出的工作液冲刷下，由工具电极的剖槽排出，相比于传统的开槽、削边、中空以及多边形等工具电极具有更强的排屑能力。

2.通过线电极对工具电极进行在线修整，以获得所需的电极直径，工具电极修整后，其凹槽(槽宽可在50微米至200微米之间调节)并不会消失，且槽宽保持不变，依旧会起到对加工区域供液和排屑的作用。

3.由于工具电极的剖槽可以根据不同金属基复合材料的增强相特征进行设计，具有较大的排屑空间，并且在工具电极的修整之后中保持这一排屑能力，不仅可以有效地用于微细放电加工，而且具有极强的尺寸灵活性。

4.本发明突破现有颗粒增强金属基复合材料微细放电加工技术的制造瓶颈，同时新方法的电极具有可在线修整性，以及优异的排屑能力以及工作液的更新能力还有望突破现有微细放电加工中高精度，高表面质量的制造瓶颈。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明剖槽工具电极排屑原理图。

图3为剖槽工具电极在线修整初始状态示意图。

图4为剖槽电极在线修整的示意图。

图中标识：

加工槽1，工件支撑座2，

工作液系统3，工作槽31，第一过滤器32，第一高压泵33，喷嘴34，工作液35，

冷却液系统4，冷却槽41，第二过滤器42，第二高压泵43，冷却液44，

传动系统5，伺服电机51，电机主轴52，高速轴承53，

引电螺钉6，夹头7，工具电极8，凹槽9，线电极10，控制系统11，工件12，脉冲电源13，颗粒增强相碎屑14，

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图1-4，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

请参阅附图1-4，本发明实施例中，一种可在线修整的剖槽电极微细放电加工装置，包括加工槽1，加工槽1内装有工作液35，加工槽1内侧设有用于放置工件12的工件支撑座2，工件支撑座2与工件12相匹配，工件支撑座2由易导电金属材料制作而成；工件12为颗粒增强金属基复合材料；加工槽1一侧设有工作液系统3，工作液系统3包括工作槽31、第一过滤器32、第一高压泵33和喷嘴34，工作槽31内设有浸入工作液35的导液管，导液管一端与第一过滤器32的进液口连接，第一过滤器32的出液口通过导液管与第一高压泵33的进液口连接，第一高压泵33的出液口通过导液管与喷嘴34的进液口连接；加工槽1的出液口连接有导液管，导液管一端伸入工作槽31内，加工槽1内的工作液35进一步通过导液管进入工作槽31，使得工作液35能够循环流动，从而用于加工工具电极8的工作液35能够更新，提高了放电加工过程中加工的稳定性，从而提高加工效率，改善加工质量，在深小孔的加工中，相比于传统的排屑方式，本发明的加工效果将更为明显；当工作液35更换为具有导电性的电解液时，还可以将本发明的排屑方式用于电解加工和电化学放电加工等工艺中，适用于各类材料的高效率、高质量的微小孔加工；工作液系统3一侧设有冷却液系统4，冷却液系统4包括冷却槽41、第二过滤器42和第二高压泵43，冷却槽41内设有浸入冷却液44的导液管，导液管一端与第二过滤器42的进液口连接，第二过滤器42的出液口通过导液管与第二高压泵43的进液口连接；冷却液系统4一侧设有传动系统5，传动系统5包括伺服电机51、电机主轴52和高速轴承53，电机主轴52设于伺服电机51输出端，高速轴承53设于电机主轴52的外侧，通过电机主轴52和高速轴承53可控制工具电极8的高速旋转，从而进一步提高排屑能力；电机主轴52中部设有通孔，导液管一端与通孔连接，另一端伸入冷却槽41的冷却液44中，导液管一端与通孔连接，另一端与第二高压泵43的出液口连接；导液管在第二高压泵43的作用下，将冷却液44输送至电机主轴52中，并对电机主轴52进行冷却，电机主轴52中使用后的冷却液44由导液管输送至冷却槽41内，从而形成冷却液44的循环流动，使得电机主轴52的冷却液44及时更新，提高了电机主轴52使用过程中的稳定性；高速轴承53上设有引电螺钉6，脉冲电源13的负极通过导线与引电螺钉6电连接；电机主轴52上固设有夹头7，所述夹头7一侧设有工具电极8，所述电机主轴52通过夹头7与工具电极8的一端连接，工具电极8底部开设有凹槽9，工具电极8一侧设有用于修整工具电极8的线电极10，线电极10通过导线与脉冲电源13电连接，脉冲电源13的正极通过导线与工件12电连接；请参阅附图3～4，通过线电极10对工具电极8进行修整，以到达工具电极8所需的直径，工具电极8修整后，其凹槽特征并不会消失，凹槽宽度也将保持不变，依旧会起到对加工区域供液和排屑的作用；由于工具电极8的凹槽9可以根据不同金属基复合材料的增强相特征进行设计，可具有较大的排屑空间，并且在工具电极8被修整后仍能保持这一排屑能力，不仅可以有效地用于微细放电加工，而且具有极强的尺寸灵活性。本发明的目的是突破现有颗粒增强金属基复合材料微细放电加工技术的制造瓶颈，同时新方法的工具电极具有可在线修整性，以及优异的排屑能力以及工作液35的更新能力还有望突破现有微细放电加工中高精度，高表面质量的制造瓶颈。

本发明中一个较佳的实施例，还包括控制系统11，控制系统11通过导线与引电螺钉6电连接，控制系统11通过导线与工件支撑座2电连接，所述控制系统11通过信号线与传动系统5连接。

本发明的工作原理是：

请参阅附图1-4，本发明需要对工件12进行加工时，通过第一高压泵33使工作槽31内的工作液35通过导液管进入第一过滤器32，第一过滤器32对导液管的工作液35进行过滤，过滤后的工作液35在第一高压泵33的作用下通过导液管，再由导液管将过滤后的工作液35输送至喷嘴34，喷嘴34将工作液35喷至加工区域；请参阅附图2，在工具电极8的高速转动过程中，加工间隙中的颗粒增强相碎屑14通过工具电极8的凹槽9排出加工区域，利用排屑空间大以及排屑能力更强的剖槽式电极作为工具电极8，同时喷嘴34喷出的工作液35形成较大的冲刷力，并冲刷加工间隙中的颗粒增强相碎屑14，本发明相比于传统的开槽、削边、中空以及多边形等工具电极8有着更强的排屑能力。如图3，加工过程中可以根据加工的需要，通过线电极10对工具电极8进行在线修整，以获得所需的直径(比如用直径接近1mm电极，加工几个1mm的孔后，需要加工0.5mm的孔时，可以不用换电极，而是直接在线修整，将原来的电极修细至接近0.5mm即可，修细的电极的剖槽排屑空间和原电极宽度一致，排屑能力相当)，工具电极8修整后，其剖槽特征并不会消失，依旧会起到对加工区域供液和排屑的作用。

本发明工具电极8的凹槽9具有较强的排屑能力，特别适用于颗粒增强金属基复合材料的加工，加工过程中产生的颗粒增强相等加工屑在喷嘴34喷出的工作液35冲刷下，由工具电极8的剖槽排出，相比于传统的开槽、削边、中空以及多边形等工具电极8具有更强的排屑能力；而且能通过线电极10对工具电极8进行在线修整，以获得工具电极8所需的电极直径，工具电极8修整后，其排屑凹槽9并不会消失，依旧会起到对加工区域供液和排屑的作用，不仅可以有效地用于微细放电加工，而且具有极强的尺寸灵活性。本发明突破现有颗粒增强金属基复合材料微细放电加工技术的制造瓶颈，同时新方法可在线修整性，以及优异的排屑能力以及工作液35的更新能力还有望突破现有微细放电加工中高精度，高表面质量的制造瓶颈。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种可在线修整的剖槽电极微细放电加工装置，其特征在于，包括加工槽(1)，所述加工槽(1)内侧设有工件支撑座(2)，所述加工槽(1)一侧设有工作液系统(3)，所述工作液系统(3)包括工作槽(31)、第一过滤器(32)、第一高压泵(33)和喷嘴(34)，所述工作槽(31)内设有浸入工作液(35)的导液管，所述导液管一端与第一过滤器(32)的进液口连接，所述第一过滤器(32)的出液口通过导液管与第一高压泵(33)的进液口连接，所述第一高压泵(33)的出液口通过导液管与喷嘴(34)的进液口连接；所述加工槽(1)的出液口连接有导液管，所述导液管一端伸入工作槽(31)内；所述工作液系统(3)一侧设有冷却液系统(4)，所述冷却液系统(4)包括冷却槽(41)、第二过滤器(42)和第二高压泵(43)，所述冷却槽(41)内设有浸入冷却液(44)的导液管，所述导液管一端与第二过滤器(42)的进液口连接，所述第二过滤器(42)的出液口通过导液管与第二高压泵(43)的进液口连接；所述冷却液系统(4)一侧设有传动系统(5)，所述传动系统(5)包括伺服电机(51)、电机主轴(52)和高速轴承(53)，所述电机主轴(52)设于伺服电机(51)输出端，所述高速轴承(53)设于电机主轴(52)的外侧；所述电机主轴(52)中部设有通孔，所述导液管一端与通孔连接，另一端伸入冷却槽(41)的冷却液(44)中，所述导液管一端与通孔连接，另一端与第二高压泵(43)的出液口连接；所述高速轴承(53)上设有引电螺钉(6)；所述电机主轴(52)上固设有夹头(7)，所述夹头(7)一侧设有工具电极(8)，所述电机主轴(52)通过夹头(7)与工具电极(8)的一端连接，所述工具电极(8)底部开设有凹槽(9)，所述工具电极(8)一侧设有用于修整工具电极(8)的线电极(10)，所述线电极(10)通过导线与脉冲电源(13)电连接。

2.根据权利要求1所述的一种可在线修整的剖槽电极微细放电加工装置，其特征在于，所述工件支撑座(2)与工件(12)相匹配。

3.根据权利要求1所述的一种可在线修整的剖槽电极微细放电加工装置，其特征在于，所述工件支撑座(2)由易导电金属材料制作而成，所述工件(12)为颗粒增强金属基复合材料。

4.根据权利要求1所述的一种可在线修整的剖槽电极微细放电加工装置，其特征在于，所述脉冲电源(13)的正极通过导线与工件(12)电连接，脉冲电源(13)的负极通过导线与引电螺钉(6)电连接。

5.根据权利要求1所述的一种可在线修整的剖槽电极微细放电加工装置，其特征在于，还包括控制系统(11)，所述控制系统(11)通过导线与引电螺钉(6)电连接，所述控制系统(11)通过导线与工件支撑座(2)电连接，所述控制系统(11)通过信号线与传动系统(5)连接。

6.根据权利要求1～5中任一项可在线修整的剖槽电极微细放电加工装置的加工方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1:将工件(12)放置在工件支撑座(2)上；

S2:通过线电极(10)将工具电极修(8)整到所需的直径；

S3：通过第一高压泵(33)使工作槽(31)内的工作液(35)通过导液管进入第一过滤器(32)，第一过滤器(32)对导液管的工作液(35)进行过滤，过滤后的工作液(35)在第一高压泵(33)的作用下通过导液管，再由导液管将过滤后的工作液(35)输送至喷嘴(34)，喷嘴(34)将工作液(35)喷至加工区域，喷嘴(34)喷出的工作液(35)冲刷加工间隙中的颗粒增强相碎屑(14），颗粒增强相碎屑(14）通过工具电极(8)的凹槽(9)排出加工区域；

S4：加工槽(1)内的工作液(35)通过导液管进入工作槽(31)；

S5：通过第二高压泵(43)使冷却槽(41)内的冷却液(44)通过导液管进入第二过滤器(42)，第二过滤器(42)对导液管的冷却液(44)进行过滤，过滤后的冷却液(44)在第二高压泵(43)的作用下通过导液管进入电机主轴(52)的通孔，对电机主轴(52)进行冷却；

S6：电机主轴(52)中使用后的冷却液(44)由导液管输送至冷却槽(41)内。

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