CN114700568A - 一种带式电极电火花电解复合加工沟槽结构的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带式电极电火花电解复合切割沟槽结构的方法及装置，利用截面为所需沟槽形状的带式电极作为工具电极进行电火花电解复合线切割加工，中性盐溶液高速喷射于两极之间，控制电压幅值在高于或低于电火花放电临界电压范围内变化，进而改变材料去除方式的占比，实现电火花电解复合切割；切割过程结合了带式电极沿走丝回路的回转往复运动、单向走丝运动以及待加工的工件的轴向进给运动，实现异形槽高效、多种结构一次成形跨尺度制造，同时有效避免非加工区域的电解杂散腐蚀，实现跨尺度异形槽高效、高精密、无重铸层的制造目标。
Description
技术领域
本发明涉及沟槽结构的特种加工技术，具体来说是一种基于带式电极的电火花电解复合切割沟槽结构的方法及装置。
背景技术
异形槽结构广泛应用于航空、航天、电子、能源等领域，例如涡轮叶片的榫头结构、燃料电池电极板以及化工领域传热微通道等。此类核心零部件往往具有特征结构数量大、尺度跨度大、加工精度要求高的特点。同时，零件所用材料多为高温合金、钛合金、金属间化合物等难加工材料，且多为薄壁零件，加工后要求无重铸层、无裂纹、无变形等，对加工制造技术提出极大挑战。与此同时，作为各领域核心部件，其加工质量直接决定了产品设备的性能、工作可靠性以及耐用度。因此，复杂异形槽结构部件的高效、精密、无重铸层制造已成为制约航空航天等国民经济关键领域发展的技术难题。
与传统线切割技术相比，基于带式电极的电火花电解复合切割沟槽结构的方法是利用截面形状为所需加工沟槽形状的带式电极或多种异形电极丝结构阵列组合而成的非金属基带式电极进行电火花电解复合线切割加工，利用辅助轮对工具电极进行实时修行及校正以确保切割精度。该方法灵活满足异形槽高效、多种结构一次成形跨尺度制造的同时，有效避免非加工区域的电解杂散腐蚀，实现跨尺度异形槽高效、高精密、无重铸层制造的工艺目标。
2018年11月23日，公开号为：CN108856923A的中国专利公开了一种两用多线电火花线切割装置。针对现有的多线电火花线切割机不能加工复杂图形零件的问题，该装置实现了使用一台多线电火花线切割机一次能切割多片的切割能力，同时还实现了像普通电火花线切割机那样加工复杂图形零件的能力，使一台机器同时具有多线电火花线切割机的多线切割功能和普通电火花线切割机的单线切割功能。然而，该装置电极丝形状单一，限制了异形沟槽切割；同时，电火花线切割表面质量难以保证，需要后处理步骤，降低了加工效率。
2018年11月2日，公开号为CN108723529A的中国专利公开了种电解电火花同步复合线切割加工装置，包括电解液供应模块、电解槽、高压脉冲电源、走丝机构、旋转主轴和卡盘；本发明走丝机构采用慢走丝的形式，通过不断引进新的电极丝而保证了电极丝的完整性，避免了因电极丝损耗而出现的加工误差，既提高电解电火花线切割加工效率，又解决电解电火花线切割加工过程中电极损耗的问题。然而，为了保证加工稳定性，采用慢走丝的形式仍然降低了加工效率，仅依靠导向轮保证电极丝校正，难以保证加工精度。
综上所述，现有技术由于电极丝形状单一，无法对复杂形状沟槽进行切割，且走丝速度与脉冲电源保持恒定的条件下，无法根据实时加工条件选择最合适的加工方式，降低了表面质量。电极丝的校正及连续走丝的稳定性难以保证，存在加工精度较低以及加工效率差等缺点。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种带式电极电火花电解复合切割沟槽结构的方法及装置，采用电火花电解复合加工方法，利用带式电极切割沟槽的加工方式，实现异形槽高效、多种结构一次成形跨尺度制造。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种带式电极电火花电解复合切割沟槽结构的方法，包括如下步骤：
(1)采用截面轮廓与所需要加工沟槽形状匹配的带式电极作为工具电极；
(2)将带式电极穿过主动轮和辅助轮，通过辅助轮将带式电极的放电端面压紧在主动轮上；待加工的工件由工件夹具夹持；通过主动轮的引电功能将带式电极连接脉冲电源负极，待加工的工件连接脉冲电源正极；
(3)带式电极以一定的张力张紧在走丝机构上，通过恒张力控制系统，调节带式电极张紧力；通过设定储丝筒电机转速，调节带式电极走丝速度，使带式电极以不同的速度沿走丝回路上运动；
(4)待加工的工件与工具电极之间通入工作介质，在待加工的工件与工具电极两极之间施加脉冲波形，随后进行电火花电解复合切割，利用两极之间同步的电火花放电与电化学溶解；所述电火花电解复合切割包括带式电极沿走丝回路的回转往复运动、单向走丝运动以及待加工的工件的进给运动，实现异形沟槽的高效、高精度、无重铸层加工，并结合带式电极微米级截面轮廓可实现毫米级甚至米级长度的单一或着阵列沟槽跨尺度切割成型。
进一步的，步骤(1)中，所述带式电极为单一导电带，用以实现单个沟槽的加工；所述单一导电带是指具有一个导电截面的带式电极，所述导电截面形状与待加工的单个沟槽形状匹配。
进一步的，步骤(1)中，所述带式电极为非金属基多截面带式电极，用以实现阵列沟槽的加工；所述非金属基多截面带式电极包括非金属基底和一个以上连接于非金属基底的导电带，所述导电带之间互相绝缘；所述非金属基多截面带式电极的截面形状与阵列沟槽截面形状相匹配。
进一步的，步骤(1)中，所述带式电极截面特征尺度为微米级或者毫米级，带式电极长度为毫米级或者米级。
进一步的，所述带式电极包括高导电性高韧性材料，所述高导电性高韧性材料为铜、钼、铝、钨、铜钨合金、铝铜合金、钨钼合金、铬镍合金、铜锌合金、钛合金和不锈钢的一种或者几种的组合。
所述带式电极材料为无镀层带式电极、镀层带式电极或者复合带式电极，所述镀层带式电极为镀锌电极或者以无氧铜为电极芯材的扩散退火型带式电极，所述复合带式电极为钢芯电极或者以高碳钢为电极芯材的钢琴带式电极。
所述带式电极的制作方法为辊压成型工艺、拉伸成型工艺、机械磨削加工工艺或者激光3D打印制造工艺。
进一步的，步骤(3)中，所述恒张力控制系统包括张力传感器、检测轮和张紧力电机；所述张力传感器通过检测轮检测带式电极的恒张力，自适应调节张紧力电机控制带式电极的张紧力。
进一步的，步骤(2)中，所述脉冲电源为恒压脉冲电源或者高低压复合脉冲电源；所述高低压复合脉冲电源包括低频高幅值脉冲电源和高频低幅值脉冲电源。
进一步的，步骤(3)中，所述带式电极走丝速度包括恒速走丝和变速走丝；变速走丝下，低速走丝是指带式电极的运动速度低于2m/s；高速走丝是指带式电极的运动速度范围为2～10m/s；所述变速走丝根据带式电极阻力传感器自适应调整走丝速度和走丝方向。步骤(4)中，不同的走丝速度匹配不同的频率幅值的脉冲波形，高速走丝匹配低频高幅值脉冲电源，低速走丝过程匹配高频低幅值脉冲电源；所述低频高幅值脉冲电源是指高幅值脉冲电压为50～90V，电源频率为1×104Hz～3×104Hz，高频低幅值脉冲电源是指低幅值脉冲电压为5～50V，电源频率为3×104Hz～5×104Hz。
进一步的，步骤(4)中，所述工作介质为低电导率中性盐溶液，所述低电导率中性盐溶液包括基础液和添加剂，所述基础液为NaCl、NaNO3、NaClO3，KCl和Na2SO4中的任意一种；所述添加剂为爆破剂、防锈剂和表面活性剂中的任意一种或者几种的组合；所述爆破剂为松香和葡萄糖中的任意一种或几种的组合；所述防锈剂为无机硼酸盐和三乙醇胺的任意一种或几种的组合；所述表面活性剂为聚乙二醇400、OP-10、Span80和十二烷基苯磺酸钠中的任意一种或几种的组合。步骤(4)中，根据加工沟槽长度，待加工的工件与工具电极之间通入工作介质的方式为在加工区间内往复运动冲液或根据加工尺度对加工区域范围内内进行冲液。
本发明公开了用以实施一种带式电极电火花电解复合加工沟槽结构的方法的装置，包括带式电极、机床本体、走丝机构、工件装夹进给系统、工作液循环及过滤系统以及控制系统；
所述带式电极具有与所需要加工沟槽形状匹配的截面轮廓；
所述机床本体上方设有用以回收工作介质的电解槽，所述走丝机构位于电解槽底部上方；
所述走丝机构包括连接于电解槽底部上方的Z轴立柱、上丝架、上丝架导轮、主动轮、辅助轮、用以检测带式电极回转阻力的阻力传感器、固定连接于Z轴立柱的第一丝杠、恒张力控制系统、下丝架、辅助轮对、储丝筒以及储丝筒电机，用以实现带式电极的张紧力调节及沿走丝回路的运动；所述第一丝杠设有滑块，第一丝杠的一端与Z轴电机的输出轴连接，用以将Z轴电机输出轴的旋转运动转换成第一丝杠中滑块的沿Z轴上下直线运动；所述Z轴电机与控制系统连接；所述上丝架呈水平设置且通过滑块与第一丝杠连接；所述上丝架一端与上丝架导轮连接，另一端与主动轮以及辅助轮连接；阻力传感器与辅助轮连接，用以检测带式电极的回转阻力；所述下丝架与Z轴立柱的下部固定连接，下丝架的一端与辅助轮对连接，另一端设有恒张力控制系统连接；
所述恒张力控制系统包括用以伺服控制第二丝杠的张紧力电机、第一检测轮、用以采集带式电极张紧压力值的张力传感器、第二检测轮以及第二丝杠；所述张紧力电机的输出轴与第二丝杠的一端相连，第二丝杠的滑块第二检测轮连接，通过调节第二检测轮滑块的高低从而调节第一检测轮与第二检测轮的相对位置，从而实现带式电极的张紧力调节；
带式电极从储丝筒开始，依次经过第一检测轮、第二检测轮、上丝架导轮，穿过主动轮与辅助轮之间，穿过连接于下丝架的辅助轮对，返回储丝筒，形成环形的走丝回路；上丝架在第一丝杠的滑块带动下，可实现Z轴方向上下位移，进而实现走丝环路在Z轴方向上的跨度调整；电火花电解复合加工沟槽结构过程中，通过辅助轮将带式电极的放电端面压紧在主动轮上；储丝筒电机转动带动带式电极沿环形走丝回路运动；
张紧力电机与控制系统连接，所述控制系统可设置张力预期值，并且控制伺服；张紧力电机可带动第二丝杠，调节检测轮与第二检测轮之间的距离，实现恒张力控制；
工件装夹进给系统包括位于电解槽底部上方的X轴运动平台、位于X轴运动平台上方的Y轴运动平台、连接于Y轴运动平台上方的工件夹具及带式电极导丝器；待加工的工件通过工件夹具与Y轴运动平台可拆卸的连接；在所述X轴运动平台和Y轴运动平台的带动下实现待加工的工件在XY平面内的位移调节；所述带式电极导丝器与机床本体连接且位于工件下方，用以保证带式电极的稳定；
工作液循环系统及过滤系统包括连接于上丝架的喷嘴、与电解槽连通的回液管、废液箱、废液泵、废液流量控制阀、废液过滤器、储液箱、工作液泵、工作液流量控制阀、工作液过滤器以及进液管；已加工介质通过回液管进入废液箱，通过废液泵经废液流量控制阀及废液过滤器后回到储液箱；工作液泵将储液箱内的工作液通过工作液流量控制阀、工作液过滤器及进液管后由喷嘴喷射于两极之间，实现工作液供给及复合盐溶液的净化过滤；
控制系统包括设有高低压复合脉冲电源的机床电源及控制柜、示波器；
所述机床电源及控制柜通过控制X轴运动平台和Y轴运动平台实现待加工的工件在XY平面内的位移调节；所述机床电源及控制柜通过控制Z轴电机实现走丝环路在Z轴方向上的跨度调整；所述机床电源及控制柜通过上丝架的阻力传感器自适应控制主动轮的旋转方向和转动速度，进而调节带式电极走丝速度及走丝方向；所述示波器控制机床电源及控制柜，为工件与带式电极之间提供与走丝速度匹配的不同能量级脉冲电源；所述机床电源及控制柜与恒张力控制系统中的张紧力电机以及张力传感器电连接，自适应调节带式电极走丝回路的张紧力，实现恒张力控制。
有益效果：
(1)本发明公开的一种带式电极电火花电解复合加工沟槽结构的方法，采用带式电极制备沟槽，创新性地提出带式电极和非金属基多截面带式电极设计，将带式电极截面设计为所需要加工沟槽形状，实现米级长度难加工异形沟槽一次成型加工，加工效率高。切割过程中，辅助轮始终紧压于工具电极表面，一方面能对弯曲的工具电极进行校直，使走丝过程连续稳定，另一方面又能对放电损耗后的电极进行修形，从而使带式电极保持较高的几何形状精度。
(2)本发明公开的一种带式电极电火花电解复合加工沟槽结构的方法，通过人为控制加工介质、调控电火花和电化学溶解加工电源、自适应控制走丝速度及进给速度，实现电火花重铸层完全被电解作用去除。并且在多种异形电极丝结构阵列组合加工过程中，以非金属基体作为环形宽带，在其内圈镶嵌多条具有所需加工沟槽截面轮廓的环形金属楔，保证各金属丝之间相互绝缘，有效避免复合加工过程中非加工区域电解杂散腐蚀，从而能灵活满足所需跨尺度异形槽高效、多种结构一次成形制造。
(3)本发明公开的一种带式电极电火花电解复合加工沟槽结构的方法，提出变速走丝的工具电极传动方式，解决电火花电解复合线切割传质难题。电火花电解复合线切割过程中，瞬间产生大量的气泡、金属颗粒、电化学絮状物等混合物，混合物在狭长的切缝内因工作介质流通不畅难以及时冲刷排出，本发明通过带式电极或线电极走丝速度的高低变换，实现了微小放电间隙内工作液迅速更新，从而将放电颗粒、电化学溶解产物等带离加工区域，促进加工产物及时排出，有效保证电火花放电与电化学反应的有序进行，为实现复合加工平衡去除提供良好加工环境。
(4)本发明公开的一种带式电极电火花电解复合加工沟槽结构的方法，提出变速走丝匹配不同能量级脉冲的方式进行电火花电解复合切割，在加工初始阶段采用高速走丝大能量切割，加工后半段采用低速走丝小能量精修。通过走丝速度调控以及匹配不同能量级脉冲电压，在保证加工效率的同时，可大幅改善切缝特征尺寸精度及其表面质量。同时利用示波器对加工过程中的电压和电流进行实时检测，对加工过程加工间隙的放电及化学反应进行实时检测并伺服控制系统控制电极进给速度，根据重铸层电化学去除效果调整加工间隙大小，实现电化学平衡去除重铸层，既保证电火花加工的精密性，又能实现电火花放电产生的重铸层被电化学溶解反应完全去除。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。
图1为本发明实施例部分提供的一种带式电极电火花电解复合加工沟槽结构的装置结构示意图；
图2为图1所示的本发明实施例部分提供的一种带式电极电火花电解复合加工沟槽结构的局部放大视图；
图3为本发明实施例部分提供的一种基于带式电极的电火花电解复合切割沟槽结构的方法原理图；
图4a为本发明实施例部分提供的一种设有单一半圆形导电带的带式电极截面形状以及相应的主动轮截面形状示意图；
图4b为本发明实施例部分提供的一种设有单一梯形导电带的带式电极截面形状以及相应的主动轮截面形状示意图；
图4c为本发明实施例部分提供的一种设有单一三角形导电带的带式电极截面形状以及相应的主动轮截面形状示意图；
图4d为本发明实施例部分提供的一种设有单一圆顶角矩形导电带的带式电极截面形状以及相应的主动轮截面形状示意图；
图5为本发明实施例部分提供的非金属基多截面带式电极示意图；
图6a为本发明实施例部分提供的变速走丝匹配不同能量级脉冲电压的电火花电解复合线切割方法中高速走丝大能量切割匹配低频高幅值脉冲的原理示意图；
图6b为本发明实施例部分提供的变速走丝匹配不同能量级脉冲电压的电火花电解复合线切割方法中低速走丝小能量切割匹配高频低幅值脉冲的原理示意图。
其中，各附图标记分别代表：Z轴立柱1，上丝架2，上丝架导轮3，主动轮4，辅助轮5，阻力传感器6，喷嘴7，带式电极导丝器8，工件夹具9，滑块10，第一丝杠11，张紧力电机12，第一检测轮13，张力传感器14，第二检测轮15，第二丝杠16，下丝架17，储丝筒18，储丝筒电机19，X轴运动平台20，Y轴运动平台21，回液管22，废液箱23，废液泵24，废液流量控制阀25，废液过滤器26，储液箱27，工作液泵28，工作液流量控制阀29，工作液过滤器30，进液管31，机床电源及控制柜32，示波器33，Z轴电机34，待加工的工件35，带式电极36，电火花脉冲37，热缺陷层38，放电颗粒39，絮状物40，气泡41，电解脉冲42，辅助轮对43。
具体实施方式
根据下述实施例，可以更好地理解本发明。
说明书附图所绘示地结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示地内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“前”、“后”、“中间”等用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
本实施例公开了一种带式电极电火花电解复合切割沟槽结构的方法，包括如下步骤：
(3)采用截面轮廓与所需要加工沟槽形状匹配的的带式电极36作为工具电极；
(2)将带式电极36穿过导向装置以及设有主动轮4和辅助轮5的传动轮对，通过辅助轮5将带式电极36的放电端面压紧在主动轮4上；待加工的工件35由工件夹具9夹持；通过主动轮4的引电功能将带式电极36连接脉冲电源负极，待加工的工件35连接脉冲电源正极；
(3)带式电极36以一定的张力张紧在走丝机构上，通过恒张力控制系统，调节带式电极36张紧力；通过设定储丝筒电机19转速，调节带式电极36走丝速度，使带式电极36以不同的速度沿走丝回路上运动；
(4)待加工的工件35与工具电极之间通入工作介质，在待加工的工件35与工具电极两极之间施加脉冲波形，随后进行电火花电解复合切割，利用两极之间同步的电火花放电与电化学溶解；所述电火花电解复合切割包括带式电极36沿走丝回路的回转往复运动、单向走丝运动以及待加工的工件35的轴向进给运动，实现异形沟槽的高效、高精度、无重铸层加工，并结合带式电极36微米级截面轮廓可实现毫米级甚至米级长度的单一或着阵列沟槽跨尺度切割成型。
切割过程中，由于辅助导轮始终紧压于工具电极表面，一方面能对弯曲的工具电极进行校直，从而使走丝过程连续稳定，另一方面又能对放电损耗后的电极进行修形，从而使带式电极36保持较高的几何形状精度。
本实施例所述的一种带式电极电火花电解复合切割沟槽结构的方法中，步骤(1)中，所述带式电极36为单一导电带，用以实现单个沟槽的加工；所述单一导电带是指具有一个导电截面的带式电极36，所述导电截面形状与待加工的单个沟槽形状匹配，可以为半圆形、梯形、三角形、圆顶角矩形。
本实施例所述的一种带式电极电火花电解复合切割沟槽结构的方法中，步骤(1)中，所述带式电极36为非金属基多截面带式电极36，用以实现阵列沟槽的加工；所述非金属基多截面带式电极36包括非金属基底和一个以上连接于非金属基底的导电带，所述导电带之间互相绝缘；所述非金属基多截面带式电极36的截面形状与阵列沟槽截面形状相匹配。
本实施例所述的一种带式电极电火花电解复合切割沟槽结构的方法中，步骤(1)中，所述带式电极36截面特征尺度为微米级或者毫米级，带式电极36长度为毫米级或者米级。
本实施例所述的一种带式电极电火花电解复合切割沟槽结构的方法中，所述带式电极36包括高导电性高韧性材料，所述高导电性高韧性材料为铜、钼、铝、钨、铜钨合金、铝铜合金、钨钼合金、铬镍合金、铜锌合金、钛合金和不锈钢的一种或者几种的组合。
本实施例所述的一种带式电极电火花电解复合切割沟槽结构的方法中，所述带式电极36材料为无镀层带式电极、镀层带式电极或者复合带式电极，所述镀层带式电极为镀锌电极或者以无氧铜为电极芯材的扩散退火型带式电极，所述复合带式电极为钢芯电极或者以高碳钢为电极芯材的钢琴带式电极。
本实施例所述的一种带式电极电火花电解复合切割沟槽结构的方法中，所述带式电极36的制作方法为辊压成型工艺、拉伸成型工艺、机械磨削加工工艺或者激光3D打印制造工艺。
本实施例所述的一种带式电极电火花电解复合切割沟槽结构的方法中，步骤(3)中，所述恒张力控制系统包括检测轮、张力传感器及张紧力电机；所述张力传感器通过检测轮检测带式电极的恒张力，自适应调节张紧力电机控制带式电极的张紧力。
本实施例所述的一种带式电极电火花电解复合切割沟槽结构的方法中，步骤(4)中，所述脉冲电源为恒压脉冲电源或者高低压复合脉冲电源；所述高低压复合脉冲电源包括低频高幅值脉冲电源和高频低幅值脉冲电源。
本实施例所述的一种带式电极电火花电解复合切割沟槽结构的方法中，步骤(3)中，所述带式电极36走丝速度包括恒速走丝和变速走丝；变速走丝下，低速走丝是指带式电极36的运动速度低于2m/s；高速走丝是指带式电极36的运动速度范围为2～10m/s；所述变速走丝可以根据带式电极36阻力传感器6自适应调整走丝速度和走丝方向。
本实施例所述的一种带式电极电火花电解复合切割沟槽结构的方法中，不同的走丝速度匹配不同的频率幅值的脉冲波形，高速走丝匹配低频高幅值脉冲电源，低速走丝过程匹配高频低幅值脉冲电源。所述低频高幅值脉冲电源是指高幅值脉冲电压为50～90V，电源频率为1×104Hz～3×104Hz，高频低幅值脉冲电源是指低幅值脉冲电压为5～50V，电源频率为3×104Hz～5×104Hz。
本实施例所述的一种带式电极电火花电解复合切割沟槽结构的方法中，步骤(4)中，根据加工沟槽长度，待加工的工件35与工具电极之间通入工作介质的方式为在加工区间内往复运动冲液或根据加工尺度对加工区域范围内内进行冲液。
本实施例所述的一种带式电极电火花电解复合切割沟槽结构的方法中，步骤(4)中，所述工作介质为低电导率中性盐溶液，所述低电导率中性盐溶液包括基础液和添加剂，所述添加剂为爆破剂、防锈剂和表面活性剂中的任意一种或者几种的组合；所述基础液为NaCl、NaNO3、NaClO3，KCl和Na2SO4中的任意一种；所述爆破剂为松香和葡萄糖中的任意一种或几种的组合；所述防锈剂为无机硼酸盐和三乙醇胺的任意一种或几种的组合；所述表面活性剂为聚乙二醇400、OP-10、Span80和十二烷基苯磺酸钠中的任意一种或几种的组合。
图1为本发明实施例部分提供的一种带式电极电火花电解复合加工沟槽结构的装置结构示意图。图2为图1所示的本发明实施例部分提供的一种带式电极电火花电解复合加工沟槽结构的局部放大视图。如图1和图2所示，本实施例还公开了一种带式电极电火花电解复合加工沟槽结构的装置，用以实施本实施例所述的一种带式电极电火花电解复合切割沟槽结构的方法。该装置包括带式电极36、机床本体、走丝机构、工件装夹进给系统、工作液循环系统及过滤系统以及控制系统。
所述带式电极36具有与所需要加工沟槽形状匹配的截面轮廓。
所述机床本体上方设有用以回收工作介质的电解槽，所述走丝机构位于电解槽底部上方。
所述走丝机构包括连接于电解槽底部上方的Z轴立柱1、上丝架2、上丝架导轮3、主动轮4、辅助轮5、用以检测带式电极36的回转阻力的阻力传感器6、固定连接于Z轴立柱1的第一丝杠11、恒张力控制系统、下丝架17、辅助轮对43、储丝筒18以及储丝筒电机19，用以实现带式电极36的张紧力调节及沿走丝回路的运动。所述第一丝杠11设有滑块10，第一丝杠11的一端与Z轴电机34的输出轴连接，用以将Z轴电机34输出轴的旋转运动转换成第一丝杠11中滑块10的沿Z轴上下直线运动。所述Z轴电机34与控制系统连接。所述上丝架2呈水平设置且通过滑块10与第一丝杠11连接。所述上丝架2一端与上丝架导轮3连接，另一端与主动轮4以及辅助轮5连接；所述阻力传感器6与辅助轮5连接。所述下丝架17与Z轴立柱1的下部固定连接，下丝架17的一端与辅助轮对43连接，另一端设有恒张力控制系统连接；
所述恒张力控制系统包括用以伺服控制第二丝杠16的张紧力电机12、第一检测轮13、用以采集带式电极张紧压力值的张力传感器14、第二检测轮15以及第二丝杠16；所述张紧力电机12的输出轴与第二丝杠16的一端相连，第二丝杠16的滑块与第二检测轮15连接，用于调节第一检测轮13及第二检测轮15之间的相位位置，进行张紧力调节。
带式电极36从储丝筒18开始，依次经过第一检测轮13、第二检测轮15、上丝架导轮3，穿过主动轮4与辅助轮5之间，穿过连接于下丝架17的辅助轮对43，返回储丝筒18，形成环形的走丝回路。上丝架2在第一丝杠11中滑块10的带动下，可实现Z轴方向上下位移，进而实现走丝环路在Z轴方向上的跨度调整。电火花电解复合加工沟槽结构过程中，通过辅助轮5将带式电极36的放电端面压紧在主动轮4上。储丝筒电机19转动带动带式电极36沿环形走丝回路运动。
张紧力电机12与控制系统连接，所述控制系统可设置张力预期值，并且控制伺服。张紧力电机12可带动第二丝杠16，调节第一检测轮13与第二检测轮15之间的距离，实现恒张力控制。
工件装夹进给系统包括位于电解槽底部上方的X轴运动平台20、位于X轴运动平台20上方的Y轴运动平台21、连接于Y轴运动平台21上方的工件夹具9及带式电极导丝器8。待加工的工件35通过工件夹具9与Y轴运动平台21可拆卸的连接。在所述X轴运动平台20和Y轴运动平台21的带动下实现待加工的工件35在XY平面内的位移调节。带式电极导丝器8与机床本体连接且位于待加工的工件35下方，用以保证带式电极的稳定。
工作液循环系统及过滤系统包括连接于上丝架2的喷嘴7、与电解槽连通的回液管22、废液箱23、废液泵24、废液流量控制阀25、废液过滤器26、储液箱27、工作液泵28、工作液流量控制阀29、工作液过滤器30以及进液管31。已加工介质通过回液管22进入废液箱23，通过废液泵24经废液流量控制阀25及废液过滤器26后回到储液箱27；工作液泵28将储液箱27内的工作液通过工作液流量控制阀29、工作液过滤器30及进液管31后由喷嘴7喷射于两极之间，实现工作液供给及复合盐溶液的净化过滤。
控制系统包括设有脉冲电源的机床电源及控制柜32以及示波器33。
所述机床电源及控制柜32通过控制X轴运动平台20和Y轴运动平台21实现待加工的工件35在XY平面内的位移调节；所述机床电源及控制柜32通过控制Z轴电机34实现走丝环路在Z轴方向上的跨度调整；所述机床电源及控制柜32通过上丝架2的阻力传感器6自适应控制储丝筒电机19的旋转方向和转动速度，进而调节带式电极36走丝速度及走丝方向；所述示波器33控制机床电源及控制柜32，为工件与带式电极36之间提供与走丝速度匹配的不同能量级脉冲电源；所述机床电源及控制柜32与恒张力控制系统中的张紧力电机12以及张力传感器14连接，自适应调节带式电极36走丝回路的张紧力，实现恒张力控制。熟悉本领域的技术人员在本发明的启示下即可实现该装置。
图3是本实施例所述的一种基于带式电极的电火花电解复合切割沟槽结构的方法原理图。截面特征尺度为微米级的带式电极，套接于传动轮对之间作回转往复运动，由辅助轮5将带式电极36挤压于主动轮4中，对弯曲的工具电极进行校直且使走丝过程连续稳定，同时对放电损耗后的电极进行修形，使带式电极36保持较高的几何形状精度。加工介质经喷嘴7高速喷射于带式电极36与待加工的工件35之间。当电火花脉冲37作用极间时，与加工介质相接触的超大长度区域内的带式电极36将发生高能量密度、高稳定性的电火花等离子体放电，通过等离子放电瞬时高温蚀除工件材料，实现米级长度的异形槽高效切割加工。而当电解脉冲42施加于极间时，由于材料去除机制已转变为电化学溶解为主，因此火花放电所致的表面热缺陷层38将会以金属离子的形式溶解去除，从而可实现切缝粗糙表面高质量、高精密修整，确保异形槽截面微米级特征精度。在工作液循环系统及过滤系统中，加工介质依次流经回液管22、废液箱23、废液泵24、废液流量控制阀25、废液过滤器26、储液箱27、工作液泵28、工作液流量控制阀29、工作液过滤器30、进液管31、喷嘴7，形成工作液循环回路。
图4a到图4d给出了本实施例所述的四种设有单一导电带的带式电极截面形状以及主动轮截面形状示意图。由图4a到图4d可知，单一带式电极截面轮廓结构为需要加工沟槽形状，分别为半圆形、梯形、三角形、圆顶角矩形。主动轮中与带式电极相对的区域截面形状与带式电极截面匹配。
图5为本实施例所述的非金属基多截面带式电极示意图。如图5所示，带式电极36为非金属基多截面带式电极结构，截面分别为独立的半圆形36-1、梯形36-2、三角形36-3等异形截面电极丝与非金属材料组合。通过独立的多种异形电极丝结构阵列组合，灵活满足所需异形槽高效、多种结构一次成形制造，同时各金属丝相互绝缘，有效避免复合加工中非加工区域电解杂散腐蚀。
图6a和图6b为变速走丝匹配不同能量级脉冲电压的电火花电解复合线切割方法原理图。如图6a所示，高速走丝大能量切割匹配低频高幅值脉冲，利用高速走丝可实现微小放电间隙内工作液迅速更新，从而将放电颗粒39、电化学溶解产物等带离加工区域，利用极间放电通道内产生高速、高能电子流对工件进行轰击，从而对金属材料较高效率蚀除，实现复杂形状零件快速切割成形。如图6b所示，低速走丝低能量修正表面匹配高频低幅值脉冲，采用低速走丝使电极丝保持较高的空间位置精度以及稳定性，同时利用匹配的高频低幅值电解脉冲42进一步强化电化学溶解反应，从而对切缝表面进行高质量的电化学整平，并有效去除微裂纹、重铸层等表面缺陷。
实施例1
采用如图1所示的装置实施一种带式电极电火花电解复合切割沟槽结构的方法。
步骤如下：
(1)采用截面轮廓与所需要加工沟槽形状匹配的带式复合电极作为工具电极；
(2)将带式电极36依次经过储丝筒18、恒张力控制系统内的第一检测轮13、第二检测轮15，上丝架导轮3，进入主动轮4和辅助轮5间隙，由辅助轮5将带式电极36的放电端面压紧在主动轮4上，通过辅助轮对43后返回储丝筒18，将待加工的工件35连接于工件夹具9上；带式电极36连接脉冲电源负极，待加工的工件35连接脉冲电源正极；
(3)带式电极36以一定的张力张紧在走丝机构上，通过恒张力控制系统，调节带式电极36张紧力：回转过程中张力传感器14检测带式电极36张紧力，通过张紧力电机12控制丝杠16长度以及通过Z轴电机34调节上丝架2的高度实现带式电极36的张紧力调节；通过设定储丝筒电机19转速，采用一定的带式电极36走丝速度，使带式电极36环绕于传动轮对作单向走丝运动；
(4)将待加工的工件35安装在工件夹具9中，通过控制系统调节X轴运动平台20及Y轴运动平台21实现待加工的工件35进给。
(5)工作液循环系统及过滤系统中，工作液泵28将储液箱27内的工作液通过工作液流量控制阀29、工作液过滤器30及进液管31后通过喷嘴7向加工区提供工作介质；已加工介质通过回液管22进入废液箱23，通过废液泵24经废液流量控制阀25及废液过滤器26后回到储液箱27，完成了工作液供给及复合盐溶液的净化过滤。
(6)电火花电解复合切割加工开始阶段，采用高速走丝匹配低频高幅值电火花脉冲电源，同时通过辅助轮5及阻力传感器6检测带式电极36回转阻力，当切缝内加工产物较多导致较大走丝阻力时，通过机床电源及控制柜32调节走丝速度和走丝方向，促进加工产物排出。加工后半段，采用低速走丝使电极丝保持较高的空间位置精度以及稳定性，同时利用匹配的高频低幅值电解脉冲42进一步强化电化学溶解反应。通过在电火花电解复合线切割过程中，采用变速走丝匹配不同能量级脉冲的方式，在保证加工效率的同时，可大幅改善切缝特征尺寸精度及其表面质量。
随着加工过程的进行，利用示波器33对加工过程中的电压和电流进行实时检测，对加工过程加工间隙的放电及化学反应进行实时检测并利用控制系统控制X轴运动平台20及Y轴运动平台21实现待加工的工件35进给，根据重铸层电化学去除效果调整加工间隙大小，实现电化学平衡去除重铸层，既保证电火花加工的精密性，又能实现电火花放电产生的重铸层被电化学溶解反应完全去除。最终实现异形沟槽的高效、高精度、无重铸层加工。
本发明提供了一种带式电极电火花电解复合切割沟槽结构的方法及装置的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅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。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。
Claims (10)
1.一种带式电极电火花电解复合切割沟槽结构的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)采用截面轮廓与所需要加工沟槽形状匹配的带式电极作为工具电极；
(2)将带式电极穿过主动轮和辅助轮，通过辅助轮将带式电极的放电端面压紧在主动轮上；待加工的工件由工件夹具夹持；通过主动轮的引电功能将带式电极连接脉冲电源负极，待加工的工件连接脉冲电源正极；
(3)带式电极以一定的张力张紧在走丝机构上，通过恒张力控制系统，调节带式电极张紧力；通过设定储丝筒电机转速，调节带式电极走丝速度，使带式电极以不同的速度沿走丝回路上运动；
(4)待加工的工件与工具电极之间通入工作介质，在待加工的工件与工具电极两极之间施加脉冲波形，随后进行电火花电解复合切割，利用两极之间同步的电火花放电与电化学溶解；所述电火花电解复合切割包括带式电极沿走丝回路的回转往复运动、单向走丝运动以及待加工的工件的进给运动，实现异形沟槽的高效、高精度、无重铸层加工，并结合带式电极微米级截面轮廓可实现毫米级甚至米级长度的单一或着阵列沟槽跨尺度切割成型。
2.根据权利要求1所述的一种带式电极电火花电解复合切割沟槽结构的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述带式电极为单一导电带，用以实现单个沟槽的加工；所述单一导电带是指具有一个导电截面的带式电极，所述导电截面形状与待加工的单个沟槽形状匹配。
3.根据权利要求1所述的一种带式电极电火花电解复合切割沟槽结构的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述带式电极为非金属基多截面带式电极，用以实现阵列沟槽的加工；
所述非金属基多截面带式电极包括非金属基底和一个以上连接于非金属基底的导电带，所述导电带之间互相绝缘；
所述非金属基多截面带式电极的截面形状与阵列沟槽截面形状相匹配。
4.根据权利要求2或3所述的一种带式电极电火花电解复合切割沟槽结构的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述带式电极截面特征尺度为微米级或者毫米级，带式电极长度为毫米级或者米级。
5.根据权利要求2或者3所述的一种带式电极电火花电解复合切割沟槽结构的方法，其特征在于，所述带式电极包括高导电性高韧性材料，所述高导电性高韧性材料为铜、钼、铝、钨、铜钨合金、铝铜合金、钨钼合金、铬镍合金、铜锌合金、钛合金和不锈钢的一种或者几种的组合；
所述带式电极材料为无镀层带式电极、镀层带式电极或者复合带式电极，所述镀层带式电极为镀锌电极或者以无氧铜为电极芯材的扩散退火型带式电极，所述复合带式电极为钢芯电极或者以高碳钢为电极芯材的钢琴带式电极；
所述带式电极的制作方法为辊压成型工艺、拉伸成型工艺、机械磨削加工工艺或者激光3D打印制造工艺。
6.根据权利要求1所述的一种带式电极电火花电解复合切割沟槽结构的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述恒张力控制系统包括张力传感器、检测轮和张紧力电机；所述张力传感器通过检测轮检测带式电极的恒张力，自适应控制调节张紧力电机带式电极的张紧力。
7.根据权力要求1所述的一种带式电极电火花电解复合切割沟槽结构的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述脉冲电源为恒压脉冲电源或者高低压复合脉冲电源；所述高低压复合脉冲电源包括低频高幅值脉冲电源和高频低幅值脉冲电源。
8.根据权利要求1所述的一种带式电极电火花电解复合切割沟槽结构的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述带式电极走丝速度包括恒速走丝和变速走丝；变速走丝下，低速走丝是指带式电极的运动速度低于2m/s；高速走丝是指带式电极的运动速度范围为2～10m/s；所述变速走丝根据带式电极阻力传感器自适应调整走丝速度和走丝方向；步骤(4)中，不同的走丝速度匹配不同的频率幅值的脉冲波形，高速走丝匹配低频高幅值脉冲电源，低速走丝过程匹配高频低幅值脉冲电源；所述低频高幅值脉冲电源是指高幅值脉冲电压为50～90V，电源频率为1×104Hz～3×104Hz，高频低幅值脉冲电源是指低幅值脉冲电压为5～50V，电源频率为3×104Hz～5×104Hz。
9.根据权利要求1所述的一种带式电极电火花电解复合切割沟槽结构的方法，其特征在于，步骤(4)中，所述工作介质为低电导率中性盐溶液，所述低电导率中性盐溶液包括基础液和添加剂，
所述基础液为NaCl、NaNO3、NaClO3，KCl和Na2SO4中的任意一种；所述添加剂为爆破剂、防锈剂和表面活性剂中的任意一种或者几种的组合；
所述爆破剂为松香和葡萄糖中的任意一种或几种的组合；
所述防锈剂为无机硼酸盐和三乙醇胺的任意一种或几种的组合；
所述表面活性剂为聚乙二醇400、OP-10、Span80和十二烷基苯磺酸钠中的任意一种或几种的组合；
根据加工沟槽长度，待加工的工件与工具电极之间通入工作介质的方式为在加工区间内往复运动冲液或根据加工尺度对加工区域范围内内进行冲液。
10.实现权利要求1所述方法的一种带式电极电火花电解复合加工沟槽结构的装置，其特征在于，包括带式电极、机床本体、走丝机构、工件装夹进给系统、工作液循环及过滤系统以及控制系统；
所述带式电极具有与所需要加工沟槽形状匹配的截面轮廓；
所述机床本体上方设有用以回收工作介质的电解槽，所述走丝机构位于电解槽底部上方；
所述走丝机构包括连接于电解槽底部上方的Z轴立柱(1)、上丝架(2)、上丝架导轮(3)、主动轮(4)、辅助轮(5)、用以检测带式电极回转阻力的阻力传感器(6)、固定连接于Z轴立柱(1)的第一丝杠(11)、恒张力控制系统、下丝架(17)、辅助轮对(43)、储丝筒(18)以及储丝筒电机(19)，用以实现带式电极的张紧力调节及沿走丝回路的运动；所述第一丝杠(11)设有滑块(10)，第一丝杠(11)的一端与Z轴电机(34)的输出轴连接，用以将Z轴电机(34)输出轴的旋转运动转换成第一丝杠(11)中滑块(10)的沿Z轴上下直线运动；所述Z轴电机(34)与控制系统连接；所述上丝架(2)呈水平设置且通过滑块(10)与第一丝杠(11)连接；所述上丝架(2)一端与上丝架导轮(3)连接，另一端与主动轮(4)以及辅助轮(5)连接；阻力传感器(6)与辅助轮(5)连接，用以检测带式电极的回转阻力；所述下丝架(17)与Z轴立柱(1)的下部固定连接，下丝架(17)的一端与辅助轮对(43)连接，另一端设有恒张力控制系统；
所述恒张力控制系统包括用以伺服控制第二丝杠(16)的张紧力电机(12)、第一检测轮(13)、用以采集带式电极张紧压力值的张力传感器(14)、第二检测轮(15)以及第二丝杠(16)；所述张紧力电机(12)的输出轴与第二丝杠(16)的一端相连，第二丝杠(16)的滑块与第二检测轮(15)连接，用以调节第一检测轮(13)与第二检测轮(15)的相对位置；
带式电极从储丝筒(18)开始，依次经过第一检测轮(13)、第二检测轮(15)以及上丝架导轮(3)，穿过主动轮(4)与辅助轮(5)之间，穿过连接于下丝架(17)的辅助轮对(43)，返回储丝筒(18)，形成环形的走丝回路；上丝架(2)在第一丝杠(11)的滑块(10)带动下，可实现Z轴方向上下位移，进而实现走丝环路在Z轴方向上的跨度调整；电火花电解复合加工沟槽结构过程中，通过辅助轮(5)将带式电极的放电端面压紧在主动轮(4)上；储丝筒电机(19)转动带动带式电极沿环形走丝回路运动；
张紧力电机(12)与控制系统连接，所述控制系统可设置张力预期值，并且控制伺服；张紧力电机(12)可带动第二丝杠(16)，调节第一检测轮(13)与第二检测轮(15)之间的距离，实现恒张力控制；
工件装夹进给系统包括位于电解槽底部上方的X轴运动平台(20)、位于X轴运动平台(20)上方的Y轴运动平台(21)、连接于Y轴运动平台(21)上方的工件夹具(9)及带式电极导丝器(8)；待加工的工件通过工件夹具(9)与Y轴运动平台(21)可拆卸的连接；在所述X轴运动平台(20)和Y轴运动平台(21)的带动下实现待加工的工件在XY平面内的位移调节；所述带式电极导丝器(8)与机床本体连接且位于工件下方，用以保证带式电极的稳定；
工作液循环系统及过滤系统包括连接于上丝架(2)的喷嘴(7)、与电解槽连通的回液管(22)、废液箱(23)、废液泵(24)、废液流量控制阀(25)、废液过滤器(26)、储液箱(27)、工作液泵(28)、工作液流量控制阀(29)、工作液过滤器(30)以及进液管(31)；已加工介质通过回液管(22)进入废液箱(23)，通过废液泵(24)经废液流量控制阀(25)及废液过滤器(26)后回到储液箱(27)；工作液泵(28)将储液箱(27)内的工作液通过工作液流量控制阀(29)、工作液过滤器(30)及进液管(31)后由喷嘴(7)喷射于两极之间，实现工作液供给及复合盐溶液的净化过滤；
控制系统包括设有脉冲电源的机床电源及控制柜(32)以及示波器(33)；
所述机床电源及控制柜(32)通过控制X轴运动平台(20)和Y轴运动平台(21)实现待加工的工件在XY平面内的位移调节；所述机床电源及控制柜(32)通过控制Z轴电机(34)实现走丝环路在Z轴方向上的跨度调整；所述机床电源及控制柜(32)通过上丝架(2)的阻力传感器(6)自适应控制储丝筒电机(19)的旋转方向和转动速度，进而调节带式电极走丝速度及走丝方向；所述示波器(33)控制机床电源及控制柜(32)，为工件与带式电极之间提供与走丝速度匹配的不同能量级脉冲电源；所述机床电源及控制柜(32)与恒张力控制系统中的张紧力电机(12)以及张力传感器(14)连接，自适应调节带式电极走丝回路的张紧力，实现恒张力控制。
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