CN112475491A - 一种适用于绝缘硬脆性材料的双极性电极电火花加工装置及方法 - Google Patents

一种适用于绝缘硬脆性材料的双极性电极电火花加工装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种适用于绝缘硬脆性材料的双极性电极电火花加工装置及方法，该装置包括双极性电极、绝缘介质层、机床主轴、数控系统、电源、金属薄膜、待加工的绝缘工件和工作台。本发明还公开了使用上述装置的加工方法：将两个电极使用绝缘介质层隔开并固定在一起组成一个双极性电极，将双极性电极夹持在机床主轴上，两个电极分别与电源正极和负极相连；双极性电极缓慢向待加工的绝缘工件靠近，当一个电极与金属薄膜接触时，另一个电极与金属薄膜之间产生强大的电场，引起火花放电；金属薄膜被高温熔化并被击穿，实现绝缘硬脆性材料的蚀除。本发明中的双极性电极制造工艺简单方便，本发明的加工方法可广泛应用于绝缘硬脆性材料电火花加工中。

Description

一种适用于绝缘硬脆性材料的双极性电极电火花加工装置及 方法
技术领域
本发明涉及特种加工技术领域，具体而言，尤其涉及一种适用于绝缘硬脆性材料的双极性电极电火花加工装置及方法。
背景技术
硬脆性材料如光学玻璃、工程陶瓷、硅片等已被广泛应用于航空航天、传感器等领域，是高新技术产业中应用广泛的材料，在许多国家已经成为了研究重点。然而，由于其自身具有较高的硬度以及较大的脆性特点，采用传统方式加工时工件容易存在裂纹等缺陷，加工困难。电火花加工具有无切削力、无物理接触、不受材料强度和硬度限制等特性，对于非绝缘硬脆性材料，电火花加工是一种有效地加工方法。然而对于绝缘硬脆性材料，受制于材料特性，电火花加工及其它电加工方式很难有用武之地。目前常用的绝缘硬脆性材料加工方法是采用金刚石砂轮对工件进行磨削加工，但其成本较高并且由于砂轮与工件之间存在物理接触，存在很大的机械去除力。
不少学者针对绝缘硬脆性材料开展电火花加工放电研究，目前常见的绝缘硬脆性材料电火花加工方法是电解电火花加工方法。
现有技术中，面向非导电硬脆性材料的微细高效加工方法及装置，将超声振动、电解、电火花、高速钻削等加工方法有机的结合在一起，完成非导电微结构的加工。但由于该加工过程在电解液(电解液通常为氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液)中进行，会排出一些有害的电解气体易污染环境，锈蚀机床。
发明内容
根据上述提出的由于现有加工过程在电解液(电解液通常为氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液)中进行，会排出一些有害的电解气体易污染环境，锈蚀机床的技术问题，而提供一种适用于绝缘硬脆性材料的双极性电极电火花加工装置及方法。本发明主要利用两个相同或不同材质的电极使用绝缘介质层隔开并固定在一起组成一个双极性电极，制造工艺简单方便；将双极性电极夹持在机床主轴上，两个电极分别与电源正极和负极相连，设定电火花放电参数，双极性电极缓慢向待加工的绝缘工件靠近，当双极性电极中一个电极与金属薄膜接触时，另一个电极与金属薄膜之间产生强大的电场，引起火花放电，金属薄膜被高温熔化并被击穿，从而实现绝缘硬脆性材料的蚀除。
本发明采用的技术手段如下：
一种适用于绝缘硬脆性材料的双极性电极电火花加工装置，包括：双极性电极、绝缘介质层、用于夹持双极性电极的机床主轴、数控系统、电源、金属薄膜、待加工的绝缘工件和工作台；
所述待加工的绝缘工件放置在所述工作台上，位于所述机床主轴的正下方；所述金属薄膜放置在所述待加工的绝缘工件表面；
所述双极性电极安装在所述机床主轴上，位于所述待加工的绝缘工件的正上方，由通过绝缘介质层固定在一起的电极Ⅰ和电极Ⅱ组成，所述电极Ⅰ与所述电源的正极相连，所述电极Ⅱ与所述电源的负极相连；所述电源与所述数控系统电连接；所述数控系统与所述机床主轴电连接，控制所述机床主轴带着所述双极性电极移动，靠近所述待加工的绝缘工件，当所述双极性电极中一个电极与所述金属薄膜接触时，另一个电极与所述金属薄膜之间产生强大的电场，引起火花放电，从而完成放电蚀除过程。
进一步地，所述电极Ⅰ和所述电极Ⅱ的材质为相同或不同的导电材料。
进一步地，所述导电材料为紫铜、黄铜、石墨、铝、铁等。
进一步地，所述电极Ⅰ的形状为圆柱体或半圆柱体，所述电极Ⅱ的形状为圆柱体或半圆柱体。
进一步地，所述电极Ⅰ的直径为1-5mm，长度为3-10cm；所述电极Ⅱ的直径为1-5mm，长度为3-10cm。
进一步地，所述绝缘介质层为绝缘胶水或绝缘橡胶。
进一步地，所述金属薄膜的厚度为10-200μm。
进一步地，所述电源为电火花加工脉冲电源。
进一步地，所述机床主轴带动所述双极性电极沿Z轴负方向运动，实现对待加工的绝缘工件的打孔加工。
本发明还提供了一种适用于绝缘硬脆性材料的双极性电极电火花加工方法，所述方法使用上述适用于绝缘硬脆性材料的双极性电极电火花加工装置对待加工的绝缘工件进行加工，包括如下步骤：
步骤一、在工作台上放置待加工的绝缘工件，在待加工的绝缘工件表面放置金属薄膜；
步骤二、通过数控系统调整机床主轴的位置，使其位于待加工的绝缘工件上方；
步骤三、将双极性电极安装在机床主轴上，其中，双极性电极的电极Ⅰ和电极Ⅱ分别接到电源的正极和负极；
步骤四、设定电火花放电参数，包括电流参数、电压参数、脉宽参数和脉间参数；
步骤五、通过数控系统控制机床主轴使其沿Z轴负方向运动，然后进行电火花放电加工；
步骤六、当电源检测到极间放电短路后，向数控系统发出信号，数控系统立即将机床主轴抬起，完成单次放电过程。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明提供的适用于绝缘硬脆性材料的双极性电极电火花加工装置及方法，无需将绝缘硬脆性材料放置电解液中进行加工，避免了电解电火花加工中产生污染气体以及锈蚀机床等问题。
2、本发明提供的适用于绝缘硬脆性材料的双极性电极电火花加工装置及方法，双极性电极制造工艺简单方便，广泛应用于普通电火花加工机床，具有通用性，降低了设备采购成本。
3、本发明提供的适用于绝缘硬脆性材料的双极性电极电火花加工装置及方法，通过改变电源放电参数可以实现粗、精加工，加工过程稳定，加工质量较好。
综上，应用本发明的技术方案能够解决由于现有加工过程在电解液(电解液通常为氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液)中进行，会排出一些有害的电解气体易污染环境，锈蚀机床的问题。
基于上述理由本发明可在绝缘硬脆性材料电火花加工等领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的适用于绝缘硬脆性材料的双极性电极电火花加工装置总体结构示意图。
图2为本发明的双极性电极结构示意图。
图中：1、电极Ⅰ；2、电极Ⅱ；3、绝缘介质层；4、机床主轴；5、数控系统；6、电源；7、金属薄膜；8、待加工的绝缘工件；9、工作台。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
如图所示，本发明提供了一种适用于绝缘硬脆性材料的双极性电极电火花加工装置，包括：双极性电极、绝缘介质层3、用于夹持双极性电极的机床主轴4、数控系统5、电源6、金属薄膜7、待加工的绝缘工件8和工作台9。
所述待加工的绝缘工件8放置在所述工作台9上，位于所述机床主轴4的正下方；所述金属薄膜7放置在所述待加工的绝缘工件8表面。
所述双极性电极安装在所述机床主轴4上，位于所述待加工的绝缘工件8的正上方，由通过绝缘介质层3固定在一起的电极Ⅰ1和电极Ⅱ2组成，所述电极Ⅰ1与所述电源6的正极相连，所述电极Ⅱ2与所述电源6的负极相连；所述电源6与所述数控系统5电连接；所述数控系统5与所述机床主轴4电连接，控制所述机床主轴4带着所述双极性电极移动，靠近所述待加工的绝缘工件8，当所述双极性电极中一个电极与所述金属薄膜7接触时，另一个电极与所述金属薄膜7之间产生强大的电场，引起火花放电，从而完成放电蚀除过程。
实施例1
如图1-2所示，一种适用于绝缘硬脆性材料的双极性电极电火花加工装置，包括双极性电极、绝缘介质层3、可夹持双极性电极的机床主轴4、数控系统5、电源6、金属薄膜7、待加工的绝缘工件8和工作台9。双极性电极由电极Ⅰ1和电极Ⅱ2组成，如图2所示。其中，电极Ⅰ1为直径1mm、长5cm的紫铜，电极Ⅱ2为直径1mm、长5cm的黄铜，且电极Ⅰ1和电极Ⅱ2形状均为圆柱体。
将电极Ⅰ1与电极Ⅱ2使用绝缘介质层3隔开并固定在一起组成一个双极性电极，该绝缘介质层3为绝缘胶水。电极Ⅰ1与电源6的正极相连接，电极Ⅱ2与电源6的负极相连接，该电源为电火花加工脉冲电源。双极性电极安装在可夹持电极的机床主轴4上。数控系统5与可夹持电极的机床主轴4相连接，控制可夹持电极的机床主轴4移动。待加工的绝缘工件8放置在工作台9上，位于可夹持电极的机床主轴4的正下方。金属薄膜7为厚度100μm的铜片，放置在待加工的绝缘工件8表面。
根据本发明提供的一种适用于绝缘硬脆性材料的双极性电极电火花加工装置，本发明还提出了一种适用于绝缘硬脆性材料的双极性电极电火花加工方法，对待加工的绝缘工件8加工过程包括如下步骤：
步骤一、在工作台9上放置待加工的绝缘工件8，在待加工的绝缘工件8表面放置金属薄膜7。
步骤二、通过数控系统5调整机床主轴4的位置，使其位于待加工的绝缘工件8上方。
步骤三、将双极性电极安装在机床主轴4上，其中，双极性电极的电极Ⅰ1和电极Ⅱ2分别接到电源6的正极和负极。
步骤四、设定电源6电火花放电参数，包括电流参数、电压参数、脉宽参数和脉间参数。其中，放电电压为45V，放电电流为20A，放电脉宽为20μs，放电脉间为20μs。
步骤五、通过数控系统5控制机床主轴4使其沿Z轴负方向运动，然后进行电火花放电加工。
步骤六、当电源6检测到极间放电短路后，向数控系统5发出信号，数控系统5立即将机床主轴4抬起，完成单次放电过程。
具体地，通过数控系统5控制夹持着双极性电极(电极Ⅰ1和电极Ⅱ2)的机床主轴4缓慢向待加工的绝缘工件8靠近。由于金属薄膜7表面并非完全光滑，当电极Ⅰ1与金属薄膜7接触后，电极Ⅱ2与金属薄膜7之间会形成强大的电场，引起火花放电。当电源6检测到极间放电短路后，向数控系统5发出信号，数控系统5立即将夹持着双极性电极的机床主轴4抬起，完成单次放电蚀除过程。金属薄片7被高温熔化并被击穿，实现绝缘硬脆性材料的蚀除。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种适用于绝缘硬脆性材料的双极性电极电火花加工装置，其特征在于，包括：双极性电极、绝缘介质层(3)、用于夹持双极性电极的机床主轴(4)、数控系统(5)、电源(6)、金属薄膜(7)、待加工的绝缘工件(8)和工作台(9)；
所述待加工的绝缘工件(8)放置在所述工作台(9)上，位于所述机床主轴(4)的正下方；所述金属薄膜(7)放置在所述待加工的绝缘工件(8)表面；
所述双极性电极安装在所述机床主轴(4)上，位于所述待加工的绝缘工件(8)的正上方，由通过绝缘介质层(3)固定在一起的电极Ⅰ(1)和电极Ⅱ(2)组成，所述电极Ⅰ(1)与所述电源(6)的正极相连，所述电极Ⅱ(2)与所述电源(6)的负极相连；所述电源(6)与所述数控系统(5)电连接；所述数控系统(5)与所述机床主轴(4)电连接，控制所述机床主轴(4)带着所述双极性电极移动，靠近所述待加工的绝缘工件(8)，当所述双极性电极中一个电极与所述金属薄膜(7)接触时，另一个电极与所述金属薄膜(7)之间产生强大的电场，引起火花放电，从而完成放电蚀除过程。
2.根据权利要求1所述的适用于绝缘硬脆性材料的双极性电极电火花加工装置，其特征在于，所述电极Ⅰ(1)和所述电极Ⅱ(2)的材质为相同或不同的导电材料。
3.根据权利要求2所述的适用于绝缘硬脆性材料的双极性电极电火花加工装置，其特征在于，所述导电材料为紫铜、黄铜、石墨、铝或铁。
4.根据权利要求1或2所述的适用于绝缘硬脆性材料的双极性电极电火花加工装置，其特征在于，所述电极Ⅰ(1)的形状为圆柱体或半圆柱体，所述电极Ⅱ(2)的形状为圆柱体或半圆柱体。
5.根据权利要求4所述的适用于绝缘硬脆性材料的双极性电极电火花加工装置，其特征在于，所述电极Ⅰ(1)的直径为1-5mm，长度为3-10cm；所述电极Ⅱ(2)的直径为1-5mm，长度为3-10cm。
6.根据权利要求1所述的适用于绝缘硬脆性材料的双极性电极电火花加工装置，其特征在于，所述绝缘介质层(3)为绝缘胶水或绝缘橡胶。
7.根据权利要求1所述的适用于绝缘硬脆性材料的双极性电极电火花加工装置，其特征在于，所述金属薄膜(7)的厚度为10-200μm。
8.根据权利要求1所述的适用于绝缘硬脆性材料的双极性电极电火花加工装置，其特征在于，所述电源(6)为电火花加工脉冲电源(6)。
9.根据权利要求1所述的适用于绝缘硬脆性材料的双极性电极电火花加工装置，其特征在于，所述机床主轴(4)带动所述双极性电极沿Z轴负方向运动，实现对待加工的绝缘工件(8)的打孔加工。
10.一种适用于绝缘硬脆性材料的双极性电极电火花加工方法，其特征在于，所述方法使用如权利要求1-9任一所述的一种适用于绝缘硬脆性材料的双极性电极电火花加工装置对待加工的绝缘工件(8)进行加工，包括如下步骤：
步骤一、在工作台(9)上放置待加工的绝缘工件(8)，在待加工的绝缘工件(8)表面放置金属薄膜(7)；
步骤二、通过数控系统(5)调整机床主轴(4)的位置，使其位于待加工的绝缘工件(8)上方；
步骤三、将双极性电极安装在机床主轴(4)上，其中，双极性电极的电极Ⅰ(1)和电极Ⅱ(2)分别接到电源(6)的正极和负极；
步骤四、设定电火花放电参数，包括电流参数、电压参数、脉宽参数和脉间参数；
步骤五、通过数控系统(5)控制机床主轴(4)使其沿Z轴负方向运动，然后进行电火花放电加工；
步骤六、当电源(6)检测到极间放电短路后，向数控系统(5)发出信号，数控系统(5)立即将机床主轴(4)抬起，完成单次放电过程。
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