CN113146389B - 一种微细电极端面自动磨平装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微细电极端面自动磨平装置和方法，属于微细加工领域，包括龙门架、底座、z轴高速/微动电移台、x轴微动电移台、直角支架、电极夹具、砂纸、柔性支架、支架座、滑轨、位移传感器、应变传感器等；微细电极固定在电极夹具上，通过z轴高速/微动电移台和位移传感器实现微细电极磨削的自动对刀，电极与砂纸接触后，利用柔性支架克服重力后的弹性张力提供电极的磨削力，通过x轴微动电移台控制电极在砂纸上沿x轴方向往复运动实现微细电极端平面的微量、高精度自动磨削加工；通过应变传感器实时检测柔性支架应变量进而控制磨削力大小并实现电极磨削量的自动补偿。本发明解决了电化学腐蚀或在线磨削微细电极端面难以二次加工的难题。

Description

一种微细电极端面自动磨平装置及方法

技术领域

本发明涉及微细加工技术领域，尤其是一种微细电极端面自动磨削装置及方法。

背景技术

微细电解加工过程中，微电极的尺寸和形状精度对电解加工所能达到的尺寸和精度有重要影响。尤其是微细电化学铣削加工，微电极端面平整度直接决定了铣削平面的粗糙度和尺寸精度。目前，常用的微细电极制备方法有电化学腐蚀加工和线电极电火花磨削(WEDG, Wire Electrical Discharge Grinding)，受加工原理和工艺方法限制，采用这两种方法制备的微电极均无法获得高精度的电极端平面。

此外，在微细加工完成后，工具电极也会存在明显损耗或者附着难溶性杂质，需要不断对微细电极进行修整。由于微细电极刚度极差，传统的机械磨削方式磨削力较大，无法用于微细零件的磨削加工。线电极电火花磨削方式主要用于柱状电极侧面的磨削和修整，但是其加工效率低下，且对机床的精度要求高，适应性差。对于精度与质量要求高、加工特征尺寸小、截面形状多样的微细电极，现有的加工装置难以实现对其端面的精密、高效加工，无法满足微细加工领域加工制造多样性的需求。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种微细电极端面自动磨平装置及方法，能够实现微细电极端平面的高精度、全自动高效磨削加工，解决了电化学腐蚀或在线磨削微细电极端面难以二次加工的难题，尤其在电化学铣削加工中具有重要应用价值。

为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种微细电极端面自动磨平装置，包括底座、设置在底座上端的龙门架、固定在龙门架上的z轴高速电移台、固定在z轴高速电移台下部的x轴微动电移台、固定在x轴微动电移台上的z轴微动电移台、一端固定在z轴微动电移台下部侧面的直角支架、固定在直角支架另一端的位移传感器和电极夹具、固定在底座中心沿y轴方向上的滑轨、固定在滑轨上并能够沿滑轨移动的支架座、一端固定在支架座上的柔性支架；所述支架座通过锁紧螺钉能够固定在滑轨的特定位置；所述柔性支架的另一端上固定有块状砂纸并悬空；所述柔性支架为四分之一圆环状，其内侧固定有用于检测柔性支架形变量的应变传感器。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述z轴高速电移台的速度大于10mm/s，重复定位精度小于0.005mm，用于微细电极的初步快速定位。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述z轴微动电移台和x轴微动电移台重复定位精度均小于0.003mm，细分后其最小进给分辨率能够达到10nm，z轴微动电移台用于微细电极与砂纸之间接触对刀，x轴微动电移台用于实现微细电极和砂纸之间沿x轴方向的往复机械运动，来实现微细电极的端平面磨削加工。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述电极夹具采用三抓夹头用于装夹微细电极，根据需加工微细电极的尺寸范围来选择不同规格的夹头。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述砂纸规格采用2000-10000目。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述位移传感器采用激光位移传感器、超声波位移传感器、红外线位移传感器或者其他类型的高精度位移传感器。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述柔性支架采用厚度为0.1mm或0.2mm的亚克力矩形板。

本发明技术方案的进一步改进在于：固定砂纸的柔性支架上端平面与水平面夹角为1-5°，当电极与砂纸接触施加一定力并使柔性支架产生变形后砂纸平面与水平面平行，通过柔性支架克服自身重力后的弹性张力为微细电极端平面磨削提供磨削力。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述应变传感器为电阻式应变片，在柔性支架未安装且未弯曲变形时固定在柔性支架内侧，通过对其电阻的测量检测柔性支架的形变量，进而通过控制柔性支架形变量的大小来控制微细电极磨削力的大小。

一种微细电极端面自动磨平方法，包括以下步骤：

步骤1，定义所需要磨削加工的微细电极端面中心为坐标系原点，通过z轴高速电移台沿z轴方向快速抬起电极夹具，为微细电极装夹预留足够的操作空间；

步骤2，将需要磨削加工的微细电极装夹在电极夹具上，根据微细电极柄尺寸范围选择电极夹具的夹头规格；

步骤3，微细电极装夹完成后，移动支架座调整砂纸在y方向上的位置，并转动x轴微动电移台调整微细电极端面在x方向上的位置，使微细电极端面在xy平面内的投影落在砂纸的中间区域，利用z轴高速电移台使微细电极端面快速靠近砂纸，通过位移传感器实时测量微细电极端面与砂纸所在平面之间的相对位置；

步骤4，当微细电极端面距砂纸所在平面的距离减小至1-2mm时，停止z轴高速电移台，启动z轴微动电移台使微细电极端面沿z轴方向缓慢靠近砂纸，根据所磨削电极直径尺寸适当调整z轴微动电移台的进给速度；

步骤5，当微细电极端面与砂纸接触后，z轴的持续进给会压迫柔性支架弯曲变形，固定在柔性支架内侧的应变传感器12能够实时检测柔性支架应变量，通过控制柔性支架的应变量能够控制磨削力的大小；当柔性支架应变量达到预设值后，停止z轴微动电移台，启动x轴微动电移台，使微细电极端面在砂纸上沿x轴方向做往复直线运动来完成微细电极端平面的磨削加工；

步骤6，随着电极磨削量的增加，柔性支架的变形量会减小，通过z轴微动电移台的进给对微细电极磨削量进行补偿，确保微细电极端面磨削力恒定；

步骤7，磨削加工完成后，启动z轴高速电移台快速抬起完成微细电极端平面磨削加工。

由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：

1、本发明将微细电极固定在电极夹具上，通过z轴高速/微动电移台和位移传感器实现微细电极磨削的自动对刀，电极与砂纸接触后，利用柔性支架克服重力后的弹性张力提供微电极的磨削力，通过x轴微动电移台控制微电极在砂纸上沿x轴方向往复运动实现微电极端平面的微量、高精度自动磨削加工；通过应变传感器实时检测柔性支架应变量进而控制磨削力大小并实现微电极磨削量的自动补偿，能够实现微细电极端平面的高精度、全自动高效磨削加工，解决了电化学腐蚀或在线磨削微细电极端面难以二次加工的难题，尤其在电化学铣削加工中具有重要应用价值。

2、本发明能够实现直径10μm以下微细电极端平面的高精度磨削加工。

3、本发明装置结构简单紧凑、生产加工成本低。

4、本发明能够实现微电极的全自动高效磨削加工，便于集成化生产作业。

附图说明

图1是本发明所述装置总体结构的左右二等角轴测图；

图2是本发明所述装置总体结构的主视图；

图3是本发明所述装置总体结构的侧视图；

图4是本发明所述装置总体结构的俯视图；

其中，1、龙门架，2、z轴微动电移台，3、直角支架，4、位移传感器，5、电极夹具，6、砂纸，7、锁紧螺钉，8、支架座，9、滑轨，10、底座，11、柔性支架，12、应变传感器，13、x轴微动电移台，14、z轴高速电移台。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明：

如图1-4所示，一种微细电极端面自动磨平装置，包括龙门架1、底座10、z轴高速电移台14、z轴微动电移台2、x轴微动电移台13、直角支架3、位移传感器4、电极夹具5、砂纸6、柔性支架11、应变传感器12、支架座8、锁紧螺钉7、滑轨9；所述z轴高速电移台固14定在龙门架1上，x轴微动电移台13固定在z轴高速电移台14上，z轴微动电移台2固定在x轴微动电移台13上，通过三个电移台实现z轴方向的快速、大行程运动以及x和z轴方向的精密、微量运动；直角支架3一端固定在z轴微动电移台2上，另一端固定有位移传感器4和电极夹具5；底座10中心沿y轴方向上固定有滑轨9，支架座8固定在滑轨9上并能够沿滑轨9移动，支架座8通过锁紧螺钉7能够固定在滑轨9的特定位置；柔性支架11一端固定在支架座8上，另一端上固定有块状砂纸6并悬空，柔性支架11成四分之一圆环状，其内侧固定有应变传感器12，用于检测柔性支架11的形变量。

所述龙门架1和底座10均采用大理石材质。

所述z轴高速电移台14速度大于10mm/s，重复定位精度小于0.005mm，用于微细电极的初步快速定位。

所述z轴微动电移台2和x轴微动电移台13重复定位精度均小于0.003mm，细分后其最小进给分辨率能够达到10nm，z轴微动电移台2用于微细电极与砂纸6之间接触对刀，x轴微动电移台13用于实现微细电极和砂纸6之间沿x轴方向的往复机械运动，来实现微细电极的端平面磨削加工。

所述位移传感器4可以采用激光位移传感器、超声波位移传感器、红外线位移传感器或者其他类型的高精度位移传感器，主要用于实时检测微细电极和砂纸6之间的距离，便于z轴快速进给对刀。

所述电极夹具5采用三抓夹头用于装夹微细工具电极，可根据为电极尺寸范围来选择不同规格夹头。

所述砂纸6规格采用2000-10000目，根据磨削微细电极尺寸选择，微细电极直径尺寸在10μm以下选10000目，砂纸6通过粘贴的方式固定在柔性支架11上。

所述柔性支架11采用厚度0.1mm或0.2mm的亚克力矩形板，根据所需磨削力的大小选择。柔性支架11一端固定在支架座8上，另一端固定有砂纸6悬空。固定砂纸6的平面与水平面夹角为1-5°，当微细电极与砂纸6接触施加一定力并使柔性支架11产生变形后砂纸平面与水平面平行，通过柔性支架11克服自身重力后的弹性张力为微细电极端平面磨削提供磨削力。

所述应变传感器12为电阻式应变片，在柔性支架11未安装且未弯曲变形时固定在柔性支架11内侧，通过对其电阻的测量检测柔性支架11的形变量，进而通过控制柔性支架11形变量的大小来控制微细电极磨削力的大小。

所述支架座8包括前后两块，通过螺纹连接方式夹持固定柔性支架11，支架座11上开有滑轨槽并与滑轨9形成小间隙配合，支架座8能够沿滑轨9滑动并通过锁紧螺钉7固定。

所述滑轨9沿y轴方向通过螺钉固定在底座中心。

特别地，为了消除磨削加工时空气中气流对柔性支架11的影响，所述装置四周需附加防风罩，为便于观察加工情况防风罩采用透明材料，防风罩位于装置正前方一侧可以开启，以便于工件拆装。

一种微细电极端面自动磨平方法，使用微细电极端面自动磨平装置，包括以下步骤：

步骤1，定义所需要磨削加工的微细电极端面中心为坐标系原点，通过z轴高速电移台14沿z轴方向快速抬起电极夹具5，为微细电极装夹预留足够的操作空间；

步骤2，将需要磨削加工的微细电极装夹在电极夹具5上，根据微细电极柄尺寸范围选择电极夹具5的夹头规格；

步骤3，微细电极装夹完成后，移动支架座8调整砂纸6在y方向上的位置，并转动x轴微动电移台13调整微细电极端面在x方向上的位置，使微细电极端面在xy平面内的投影落在砂纸6的中间区域，利用z轴高速电移台14使微细电极端面快速靠近砂纸6，通过位移传感器4实时测量微细电极端面与砂纸6所在平面之间的相对位置；

步骤4，当微细电极端面距砂纸6所在平面的距离减小至1-2mm时，停止z轴高速电移台14，启动z轴微动电移台2使微细电极端面沿z轴方向缓慢靠近砂纸6，根据所磨削电极直径尺寸适当调整z轴微动电移台2的进给速度，一般z轴微动电移台2沿z轴方向的每秒进给量要小于所磨削微电极端面直径尺寸的1/5；

步骤5，当微细电极端面与砂纸6接触后，z轴的持续进给会压迫柔性支架11弯曲变形，固定在柔性支架11内侧的应变传感器12能够实时检测柔性支架11应变量，通过控制柔性支架11的应变量能够控制磨削力的大小；当柔性支架11应变量达到一定值（砂纸6所在平面基本水平，可根据磨削微细电极直径尺寸适当调整）后，停止z轴微动电移台2，启动x轴微动电移台13，使微细电极端面在砂纸6上沿x轴方向做往复直线运动来完成微电极端平面的磨削加工；x轴微动电移台13的运动速度一般取所磨削微电极端面直径尺寸的5-10倍；

步骤6，随着电极磨削量的增加，柔性支架11的变形量会减小，通过z轴微动电移台2的进给对微细电极磨削量进行补偿，确保微细电极端面磨削力恒定；

步骤7，磨削加工完成后，启动z轴高速电移台14快速抬起完成微细电极端平面磨削加工。

综上所述，本发明通过设置高速/微动电移台等结构，将微细电极固定在电极夹具上，通过z轴高速/微动电移台和位移传感器实现微细电极磨削的自动对刀，电极与砂纸接触后，利用柔性支架克服重力后的弹性张力提供微电极的磨削力，通过x轴微动电移台控制微细电极在砂纸上沿x轴方向往复运动实现微电极端平面的微量、高精度自动磨削加工；通过应变传感器实时检测柔性支架应变量进而控制磨削力大小并实现微细电极磨削量的自动补偿。

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 (7)

1.一种微细电极端面自动磨平装置，其特征在于：包括底座（10）、设置在底座（10）上端的龙门架（1）、固定在龙门架（1）上的z轴高速电移台（14）、固定在z轴高速电移台（14）下部的x轴微动电移台（13）、固定在x轴微动电移台（13）上的z轴微动电移台（2）、一端固定在z轴微动电移台（2）下部侧面的直角支架（3）、固定在直角支架（3）另一端的位移传感器（4）和电极夹具（5）、固定在底座（10）中心沿y轴方向上的滑轨（9）、固定在滑轨（9）上并能够沿滑轨（9）移动的支架座（8）和柔性支架（11）；所述支架座（8）通过锁紧螺钉（7）能够固定在滑轨（9）的特定位置；所述柔性支架（11）一端固定在支架座（8）上，另一端上固定有块状砂纸（6）并悬空，柔性支架（11）成四分之一圆环状，其内侧固定有用于检测柔性支架（11）形变量的应变传感器（12）；

所述砂纸（6）规格采用2000-10000目；

所述柔性支架（11）采用厚度为0.1mm或0.2mm的亚克力矩形板；

固定砂纸（6）的柔性支架（11）上端平面与水平面夹角为1-5°，当微细电极与砂纸（6）接触施加一定力并使柔性支架（11）产生变形后砂纸（6）平面与水平面平行，通过柔性支架（11）克服自身重力后的弹性张力为微细电极端平面磨削提供磨削力。

2.根据权利要求1所述的一种微细电极端面自动磨平装置，其特征在于：所述z轴高速电移台（14）的速度大于10mm/s，重复定位精度小于0.005mm，用于微细电极的初步快速定位。

3.根据权利要求1所述的一种微细电极端面自动磨平装置，其特征在于：所述z轴微动电移台（2）和x轴微动电移台（13）重复定位精度均小于0.003mm，细分后其最小进给分辨率能够达到10nm，z轴微动电移台（2）用于微细电极与砂纸（6）之间接触对刀，x轴微动电移台（13）用于实现微细电极和砂纸（6）之间沿x轴方向的往复机械运动，来实现微细电极的端平面磨削加工。

4.根据权利要求1所述的一种微细电极端面自动磨平装置，其特征在于：所述电极夹具（5）采用三抓夹头用于装夹微细电极，根据需加工微细电极的尺寸范围来选择不同规格的夹头。

5.根据权利要求1所述的一种微细电极端面自动磨平装置，其特征在于：所述位移传感器（4）采用激光位移传感器、超声波位移传感器、红外线位移传感器或者其他类型的高精度位移传感器。

6.根据权利要求1所述的一种微细电极端面自动磨平装置，其特征在于：所述应变传感器（12）为电阻式应变片，在柔性支架（11）未安装且未弯曲变形时固定在柔性支架（11）内侧，通过对其电阻的测量检测柔性支架（11）的形变量，进而通过控制柔性支架形变量的大小来控制微细电极磨削力的大小。

7.一种微细电极端面自动磨平方法，使用如权利要求1-6任一项所述的微细电极端面自动磨平装置，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1，定义所需要磨削加工的微细电极端面中心为坐标系原点，通过z轴高速电移台（14）沿z轴方向快速抬起电极夹具（5），为微细电极装夹预留足够的操作空间；

步骤2，将需要磨削加工的微细电极装夹在电极夹具（5）上，根据微细电极柄尺寸范围选择电极夹具（5）的夹头规格；

步骤3，微细电极装夹完成后，移动支架座（8）调整砂纸（6）在y方向上的位置，并转动x轴微动电移台（13）调整微细电极端面在x方向上的位置，使微细电极端面在xy平面内的投影落在砂纸（6）的中间区域，利用z轴高速电移台（14）使微细电极端面快速靠近砂纸（6），通过位移传感器（4）实时测量微细电极端面与砂纸（6）所在平面之间的相对位置；

步骤4，当微细电极端面距砂纸（6）所在平面的距离减小至1-2mm时，停止z轴高速电移台（14），启动z轴微动电移台（2）使微细电极端面沿z轴方向缓慢靠近砂纸（6），根据所磨削电极直径尺寸适当调整z轴微动电移台（2）的进给速度；

步骤5，当微细电极端面与砂纸（6）接触后，z轴的持续进给会压迫柔性支架（11）弯曲变形，固定在柔性支架（11）内侧的应变传感器（12）能够实时检测柔性支架（11）应变量，通过控制柔性支架（11）的应变量控制磨削力的大小；当柔性支架（11）应变量达到预设值后，停止z轴微动电移台（2），启动x轴微动电移台（13），使微细电极端面在砂纸（6）上沿x轴方向做往复直线运动来完成微电极端平面的磨削加工；

步骤6，随着微细电极磨削量的增加，柔性支架（11）的变形量会减小，通过z轴微动电移台（2）的进给对微细电极磨削量进行补偿，确保微细电极端面磨削力恒定；

步骤7，磨削加工完成后，启动z轴高速电移台（14）快速抬起完成微细电极端平面磨削加工。

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