CN114406372B - 一种弱导电材料自放电辅助加工装置、加工方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种弱导电材料自放电辅助加工装置，包括：固定基座，所述固定基座可导电；工作台，所述工作台与所述固定基座对向设置，所述工作台用于放置待磨削或切割的工件；电源，所述电源的正极与所述固定基座串联连接，所述电源的负极与所述工件串联连接；喷嘴，所述喷嘴的一端固定在所述固定基座上，所述喷嘴的另一端用于喷射电解液。本发明的弱导电材料自放电辅助加工装置，可以兼顾金刚石磨削和电火花加工的优点，克服以往电极放电辅助磨削电极损耗大、放电稳定性差的问题，提高了加工效率。

Description

一种弱导电材料自放电辅助加工装置、加工方法及其应用
技术领域
本发明属于材料加工技术领域，具体涉及一种弱导电材料自放电辅助磨削加工装置、加工方法及其应用。
背景技术
半导体材料、导电陶瓷材料和金属基复合材料等弱导电材料具有重要的应用价值。以Si和SiC为代表的半导体材料是芯片领域至关重要的原材料。导电陶瓷材料如ZnO/Al2O3和TiN/Si3N4等广泛应用于石油、地质、电子、机械、冶金、化工、航空航天等。金属基复合材料如PCD复合片，是制作超硬刀具的材料，在有色金属加工、陶瓷切削、复合地板切割、木材加工、石料切削、石油钻井、地质勘探、工程施工、宝石切割等领域得到了广泛的使用。虽然这些材料具有优异的性能和十分重要的应用价值，但是其较高的硬度和脆性，给加工带来了很大的困难。
现有加工方法主要包括金刚石磨削加工、电火花加工和电极放电辅助磨削加工。金刚石磨削是目前使用最广泛、技术最成熟的一种加工方法，其去除机理是机械与热化学的混合作用，但是该方法存在金刚石砂轮消耗大、加工效率较低、加工成本高、磨削量控制不好导致加工表面出现微裂纹和崩碎等问题。电火花加工利用电极和弱导电材料之间放电实现加工，其电极材料成本低，无机械切削力，但是，由于工件材料电阻率较大，其加工效率较低。电极放电辅助磨削是利用表面固结了金刚石颗粒的金属做电极，金属与工件发生放电，使工件材料融化或软化，再利用金刚石磨粒将融化或软化的材料从工件上去除，该方法综合了金刚石磨削加工和电火花加工的优势，提高了加工效率和加工表面质量。然而，由于电极的金属材料直接参与放电，导致金属损耗较大，金属对金刚石颗粒的固结作用减弱，加速了金刚石磨粒的脱落，另外，由于电极的金属基体与工件之间被金刚石颗粒隔离开，如果金刚石颗粒较大，则金属基体和工件的距离较大，很难在二者之间产生电火花放电。
发明内容
本发明解决的技术问题是现有技术中的电极放电辅助磨削技术加工弱导电材料时电极损耗大，难以维持稳定放电的问题，提出了一种弱导电材料自放电辅助加工装置，可以兼顾金刚石磨削和电火花加工的优点，克服以往电极放电辅助磨削电极损耗大、放电稳定性差的问题，提高了加工效率。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
第一方面，本发明提出了一种弱导电材料自放电辅助加工装置，包括：
固定基座，所述固定基座可导电；
工作台，所述工作台与所述固定基座对向设置，所述工作台用于放置待磨削或切割的工件；
电源，所述电源的正极与所述固定基座串联连接，所述电源的负极与所述工件串联连接；
喷嘴，所述喷嘴的一端固定在所述固定基座上，所述喷嘴的另一端用于喷射电解液。
具体地，所述喷嘴可以是一体成型的喷嘴，也可以在喷嘴上设置供液管，所述供液管的一端固定在所述固定基座上，所述供液管的另一端安装喷嘴，电解液经所述供液管，由所述喷嘴流出。
本发明对电解液不作特别限定，凡是电解电火花加工适用的电解液，例如氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液、氯化钠溶液和硝酸钠溶液等。
作为本发明的具体实施方式，所述弱导电材料自放电辅助加工装置还包括夹具和磨具；所述夹具设置在所述固定基座上，所述夹具可随所述固定基座转动而转动，所述夹具与所述固定基座间设置有绝缘层；所述磨具的一端固定在所述夹具上，所述磨具的另一端靠近所述工作台，用于磨削加工所述工件。
作为本发明的具体实施方式，所述磨具为金刚石磨具。
作为本发明的具体实施方式，所述弱导电材料自放电辅助加工装置还包括线锯和线锯走丝机构；所述线锯走丝机构设置在所述固定基座上，所述线锯走丝机构与所述固定基座间设置有绝缘层；所述线锯设置在所述线锯走丝机构上，用于切割加工所述工件。
作为本发明的具体实施方式，所述线锯为金刚石线锯。
作为本发明的具体实施方式，所述喷嘴为导电材料，如不锈钢、石墨等。
作为本发明的具体实施方式，所述喷嘴为非导电材料非导电材料，例如聚乙烯、聚丙烯等塑料，且当所述喷嘴为非导电材料时，所述固定基座上还设置有辅助电极，所述辅助电极通过所述固定基座与所述电源的正极串联连接。
作为本发明的具体实施方式，所述辅助电极为金属电极或石墨电极。
作为本发明的具体实施方式，所述电源为直流电源或脉冲电源。
作为本发明的具体实施方式，所述固定基座为环形。
第二方面，本发明提出了一种弱导电材料自放电辅助加工方法，包括如下步骤：
S101：将待磨削或切割的工件固定在工作台上，将所述待磨削或切割的工件与电源的负极串联连接，所述电源的正极与可导电的固定基座串联连接；其中，所述固定基座与所述工作台对向设置；
S102：在所述固定基座上固定用于切割或磨削加工所述工件的装置以及辅助电极的一端；
S103：在所述固定基座上固定喷嘴的一端，所述喷嘴的另一端同时向所述辅助电极和所述工件喷射电解液；
S104：当所述电源的输出电压超过预设电压时，所述工件表面产生火花放电，所述用于切割或磨削加工所述工件的装置对所述工件进行切割或磨削。
作为本发明的具体实施方式，所述用于磨削所述工件的装置为夹具和磨具；所述夹具设置在所述固定基座上，所述夹具可随所述固定基座转动而转动，所述夹具与所述固定基座间设置有绝缘层；所述磨具的一端固定在所述夹具上，所述磨具的另一端靠近所述工作台，用于磨削加工所述工件；优选地，所述磨具为金刚石磨具。
作为本发明的具体实施方式，所述用于切割所述工件的装置为线锯和线锯走丝机构；所述线锯走丝机构设置在所述固定基座上，所述线锯走丝机构与所述固定基座间设置有绝缘层；所述线锯设置在所述线锯走丝机构上，用于切割加工所述工件。
优选地；所述线锯为金刚石线锯。
第三方面，本发明提出了所述的加工装置和/或加工方法在半导体材料、导电陶瓷材料和金属基复合材料领域中的应用。
本发明和现有技术相比具有以下优点：
本发明兼顾了金刚石磨削和电火花加工的优点，克服了以往电极放电辅助磨削放电稳定性差的问题，提高了加工效率。本发明利用电解电火花放电原理在工件表面产生火花放电，同时利用带有金刚石磨粒的工具(金刚石磨具)去除放电区域的工件材料。金刚石磨具不参与放电，金刚石磨具损耗小，另外，本发明的工艺流程简单，设备成本低。
附图说明
图1为本发明一实施例的弱导电材料自放电辅助加工装置示意图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例进行详细描述。
如图1所示，本发明提供了一种弱导电材料自放电辅助加工装置，包括固定基座1、工作台8、工件4、电源7、喷嘴2、夹具5、金刚石磨具6和辅助电极3。
固定基座1为环形，且固定基座1可导电。
工作台8与固定基座1对向设置，工作台8上放置待磨削的工件4。
电源7为直流电源。电源7的正极与固定基座1串联连接，电源7的负极与工件4串联连接。
喷嘴2的一端固定在固定基座1上，喷嘴2的另一端用于喷射氢氧化钠溶液。喷嘴2为聚乙烯。
夹具5设置在固定基座1上，夹具5可随固定基座1转动而转动，夹具5与固定基座1间设置有绝缘层。金刚石磨具6的一端固定在夹具5上，金刚石磨具6的另一端靠近工作台8，用于磨削加工工件4。
辅助电极3设置在固定基座1上，辅助电极3通过固定基座1与电源7的正极串联连接。辅助电极3为石墨电极。
本实施例以工件为阴极，辅助电极为阳极，加工工具为金刚石磨具。利用喷嘴向加工位置提供氢氧化钠溶液，喷嘴和辅助电极能与加工工具同步运动，所喷射的氢氧化钠溶液覆盖工件的待加工表面和辅助电极，形成电源-工件-氢氧化钠溶液-辅助电极的电路通路。当电源输出电压时，在工件表面产生氢气，随着电压的增大，氢气增多从而形成氢气膜，将工件和氢氧化钠溶液隔离开，当电压超过一定值，工件和氢氧化钠溶液之间的氢气膜被击穿形成火花放电。放电对工件材料有融化、软化和化学刻蚀等作用，部分工件材料直接被去除，另一部分未被去除的材料能够轻易地被加工工具上的金刚石磨粒移除。该方法既能提高效率，又减少了加工工具的损耗。但是，由于电解液覆盖的区域难以精确控制，加工过的表面如果接触到电解液可能会再次发生放电，形成重熔层。虽然半导体材料、导电陶瓷材料和金属基复合材料熔点很高，放电融化的材料很少，重熔层厚度极薄，但对加工表面要求较高时，仍然可能带来负面影响。针对这种情况，只需在最后用金刚石磨具精磨工件表面即可，由于所需去除工件材料的量极少，对加工效率、金刚石磨具损耗和加工表面质量的影响都较小。
作为本发明的另一种具体实施方式，可以将夹具5和金刚石磨具6替换为线锯和线锯走丝机构。线锯走丝机构设置在固定基座1上，线锯走丝机构与固定基座1间设置有绝缘层；线锯设置在线锯走丝机构上，用于切割加工工件4。
作为本发明的另一种具体实施方式，线锯可以为金刚石线锯。
作为本发明的另一种具体实施方式，辅助电极3还可以为金属电极。
作为本发明的另一种具体实施方式，喷嘴2可以为导电材料，例如不锈钢或石墨，当喷嘴2为导电材料时，则喷嘴2可以用做辅助电极。
作为本发明的另一种具体实施方式，电源7还可以为脉冲电源。
本发明的弱导电材料自放电辅助加工装置，利用电解电火花放电原理在工件表面产生火花放电，同时利用带有金刚石磨粒的工具(金刚石磨具)去除放电区域的工件材料。由于金刚石磨具并不直接参与放电，其基体与工件表面被金刚石磨粒和电解液分隔开，工件表面放电产生的热量对磨具基体影响较小，不会出现基体损耗带来的金刚石磨粒脱落问题；另一方面，工件表面放电的原理是电解电火花放电，电解液能触及的地方就能发生放电，因此不存在以往放电磨削方法中金刚石颗粒较大导致的无法放电问题。
以上所述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，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种弱导电材料自放电辅助加工装置，其特征在于，包括：
固定基座，所述固定基座可导电；
工作台，所述工作台与所述固定基座对向设置，所述工作台用于放置待磨削的工件；
电源，所述电源的正极与所述固定基座串联连接，所述电源的负极与所述工件串联连接；
喷嘴，所述喷嘴的一端固定在所述固定基座上，所述喷嘴的另一端用于喷射电解液；
利用电解电火花放电原理在工件表面产生火花放电，同时利用带有金刚石磨粒的工具去除放电区域的工件材料；
还包括夹具和磨具；
所述夹具设置在所述固定基座上，所述夹具可随所述固定基座转动而转动，所述夹具与所述固定基座间设置有绝缘层；
所述磨具的一端固定在所述夹具上，所述磨具的另一端靠近所述工作台，用于磨削加工所述工件；所述磨具为金刚石磨具；
所述喷嘴为导电材料；或，所述喷嘴为非导电材料，且当所述喷嘴为非导电材料时，所述固定基座上还设置有辅助电极，所述辅助电极通过所述固定基座与所述电源的正极串联连接。
2.根据权利要求1所述的弱导电材料自放电辅助加工装置，其特征在于，所述辅助电极为金属电极或石墨电极。
3.根据权利要求1所述的弱导电材料自放电辅助加工装置，其特征在于，所述固定基座为环形。
4.一种弱导电材料自放电辅助加工装置，其特征在于，包括：
固定基座，所述固定基座可导电；
工作台，所述工作台与所述固定基座对向设置，所述工作台用于放置待切割的工件；
电源，所述电源的正极与所述固定基座串联连接，所述电源的负极与所述工件串联连接；
喷嘴，所述喷嘴的一端固定在所述固定基座上，所述喷嘴的另一端用于喷射电解液；
还包括线锯和线锯走丝机构；
所述线锯走丝机构设置在所述固定基座上，所述线锯走丝机构与所述固定基座间设置有绝缘层；
所述线锯设置在所述线锯走丝机构上，用于切割加工所述工件；
所述线锯为金刚石线锯。
5.一种弱导电材料自放电辅助加工方法，该方法使用权利要求1-4任一项所述的弱导电材料自放电辅助加工装置进行加工，其特征在于，包括如下步骤：
S101：将待磨削或切割的工件固定在工作台上，将所述待磨削或切割的工件与电源的负极串联连接，所述电源的正极与可导电的固定基座串联连接；其中，所述固定基座与所述工作台对向设置；
S102：在所述固定基座上固定用于切割或磨削加工所述工件的装置以及辅助电极的一端；
S103：在所述固定基座上固定喷嘴的一端，所述喷嘴的另一端同时向所述辅助电极和所述工件喷射电解液；
S104：当所述电源的输出电压超过预设电压时，所述工件表面产生火花放电，所述用于切割或磨削加工所述工件的装置对所述工件进行切割或磨削。
6.权利要求1-4任一项所述的加工装置和/或权利要求5所述的加工方法在半导体材料、导电陶瓷材料和金属基复合材料领域中的应用。
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