CN117020342B - 一种旋转线电极辅助式电解线切割加工装置及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种旋转线电极辅助式电解线切割加工装置，包括脉冲电源、切割线电极系统、运动进给系统、电解液循环系统、工控机和运动控制卡，所述切割线电极系统包括机床立粱、Z向精密移动平台、换向连接板、换向柱、线电极夹具和切割线电极。本发明中旋转的绝缘线电极对加工间隙内的电场不产生影响，光滑的切割线电极能够保证电场的均匀分布，绝缘线电极和切割线电极组成的复合运动可以加速间隙内电解液的快速流动更新、产物排出，使得加工过程中间隙内的新鲜电解液更加充足，能够减少加工产物和气泡附着在电极丝和工件表面，电导率分布更加均匀，提高了加工的精度、效率和稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及电化学微细制造技术领域，具体为一种旋转线电极辅助式电解线切割加工装置及其使用方法。
背景技术
电解线切割采用金属丝或棒作为工具阴极，基于金属电化学阳极溶解原理去除材料，加工过程中，工件阳极发生氧化反应离子形式蚀除材料，加工表面无应力，不存在重铸层、微裂纹、热影响区域，工具电极简单，避免了常规电解成形加工复杂的阴极设计、流场设计，大大缩短加工准备时间，而且电解液沿程特性对加工精度的影响相对简单，更容易实现高精度加工，特别适应高硬度等难加工材料加工，逐渐成为国内外学术界和工业界关注和聚集的热点研究课题。
在电解线切割加工中，微缝结构的电解成型过程伴随着大量加工产物的产生，阴极产生的气泡、阳极产生的离子和不溶性加工产物大部分产生于微缝结构的前端的加工间隙内，尤其是当加工金属工件的厚度较大时，加工间隙内的加工产物排出更加困难，产物的扩散不及时会导致加工质量和加工速度的下降，甚至出现线电极变形、加工短路等，造成加工失败。
采用合理的传质方案，增强加工间隙内的传质效率，可以使加工产物的产生和扩散形成动态平衡，在加工稳定的前提下提高加工精度、效率和稳定性，具有重要意义。
目前，已有科研人员提出了环形线电极单向走丝线和电极轴向往复微幅振动，但由于线电极表面光滑，其对电解液的拖曳、扰动作用有限，加工产物和气泡易附着在电极丝和工件表面；而线电极轴向低速冲液又容易造成线电极的扰动，诱发短路；另外，也有科研人员提出了非圆截面电解切割电极及其装置，该方法提出的非圆截面电极虽然可以提高电解液的流动更新，但是线电极直径尺寸相对较大同时不规则截面的电极会造成电场的分布不均匀，降低了加工精度。
因此，本申请提供一种旋转线电极辅助式电解线切割加工装置及其使用方法，用以解决上述问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有的缺陷，提供一种旋转线电极辅助式电解线切割加工装置及其使用方法，旋转的绝缘线电极对加工间隙内的电场不产生影响，光滑的切割线电极能够保证电场的均匀分布，绝缘线电极和切割线电极组成的复合运动可以加速间隙内电解液的快速流动更新、产物排出，使得加工过程中间隙内的新鲜电解液更加充足，能够减少加工产物和气泡附着在电极丝和工件表面，电导率分布更加均匀，提高了加工的精度、效率和稳定性，可以有效解决背景技术中的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种旋转线电极辅助式电解线切割加工装置，包括脉冲电源、切割线电极系统、运动进给系统、电解液循环系统、工控机和运动控制卡，所述切割线电极系统包括机床立粱、Z向精密移动平台、换向连接板、换向柱、线电极夹具和切割线电极，所述Z向精密移动平台安装在机床立粱上，所述换向连接板固定连接在Z向精密移动平台上，所述换向柱的上端通过螺栓固定在换向连接板上，所述线电极夹具安装在换向柱的下端，所述切割线电极安装在线电极夹具的线电极定位槽中，所述线电极夹具通过其侧壁上设置的微拉力计和引电螺钉进行切割线电极的预紧，所述机床立粱上设置有旋转线电极系统，所述旋转线电极系统包括支撑板、微精密电机和竖向的微精密转轴，所述支撑板的一端固定连接在机床立粱上，所述微精密电机安装在支撑板的另一端，所述微精密转轴的上端固设在微精密电机的驱动轴上，所述微精密转轴的下端安装有微夹头，所述微夹头下方安转有非圆形截面的绝缘线电极，所述绝缘线电极并列设置在切割线电极的正后方并用于加速切割线电极后方的电解液流动，所述支撑板上开设有与换向柱对应的通孔，且换向柱活动穿插在通孔中。
作为本发明的一种优选技术方案，所述线电极夹具对应绝缘线电极的位置设置有直通微孔，绝缘线电极穿设在直通微孔内并与其间隙配合。
作为本发明的一种优选技术方案，所述绝缘线电极中部的截面形状为半圆形、菱形、三角形、矩形中的任意一种。
作为本发明的一种优选技术方案，所述绝缘线电极中部的表面设置有微凸起、微槽中的一种。
作为本发明的一种优选技术方案，所述切割线电极的截面为圆形。
作为本发明的一种优选技术方案，所述运动进给系统包括隔震平台、X-Y精密移动平台、电解液槽、工件夹具；所述工件夹具通过定位螺钉固定在电解液槽内，工件夹具的卡槽内通过紧固螺钉固定连接有金属工件，工控机控制X-Y精密移动平台带动的金属工件向切割线电极进给，进行电解线切割加工。
作为本发明的一种优选技术方案，所述电解液循环系统包括管道、流量计、流量阀、过滤器、微量泵、储液箱、加热器和温控仪，电解液通过电解液槽底部的管道和外部的储液箱相连，并保持加工过程中电解液的循环流动更新，沿储液箱到电解液槽的方向，管道上依次设置微量泵、过滤器、流量阀和流量计，且加热器和温控仪均安装在储液箱，保持加工过程中电解液的恒温状态。
作为本发明的一种优选技术方案，所述工控机通过运动控制卡控制运动进给系统动作。
一种旋转线电极辅助式电解线切割加工装置的使用方法，使用上述旋转线电极辅助式电解线切割加工装置；所述旋转线电极辅助式电解线切割加工装置的使用方法包括如下步骤：
步骤1：把金属工件安装在运动进给系统中的工件夹具上；
步骤2：将电解液完全浸没金属工件，线电极夹具通过引电螺钉与脉冲电源负极电连接，金属工件与脉冲电源正极电连接；
步骤3：切割线电极沿其轴向的往复运动和绝缘线电极绕自身轴线的旋转运动组成复合运动；
步骤4：通过工控机经运动控制卡控制运动进给系统实现金属工件相对于切割线电极和绝缘线电极的切割运动；
其中，当Z向精密移动平台换向停顿时，切割线电极后方的绝缘线电极通过微精密转轴按照设定的转速旋转带动电解液流动，更新微缝结构加工间隙内的电解液、促进产物排出；
当Z向精密移动平台带动切割线电极按照设定的速度上下往复运动时，切割线电极将加工产物从金属工件的上方或者下方拖曳带出，绝缘线电极的旋转运动将加工产生的气泡和不溶性产物向加工间隙外扩散，提高加工间隙内的传质效率；
步骤5：分离并清洗金属工件，从而完成金属工件的电解线切割加工。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明中，微拉力计能够保证线电极在整个加工中始终保持恒拉力状态不因电解液的流动而产生扰动，绝缘线电极的旋转运动和切割线电极的切割加工互相独立不产生相互影响。
2、本发明中，不规则的绝缘线电极的旋转运动促进加工间隙内电解液的更新流动、产物排出，切割线电极的轴向往复运动带动加工产物和气泡从金属工件上部和下部扩散。
3、本发明中，旋转的绝缘线电极对加工间隙内的电场不产生影响，光滑的切割线电极能够保证电场的均匀分布，绝缘线电极和切割线电极组成的复合运动可以加速间隙内电解液的快速流动更新、产物排出，使得加工过程中间隙内的新鲜电解液更加充足，能够减少加工产物和气泡附着在电极丝和工件表面，电导率分布更加均匀，提高了加工的精度、效率和稳定性。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为绝缘线电极辅助切割线电极切割金属工件的加工示意图；
图3为切割线电极向上运动时向上排出加工产物的示意图；
图4为切割线电极向下运动时向下排出加工产物的示意图；
图5为切割线电极向上运动、绝缘线电极旋转时加工产物扩散示意图；
图6为切割线电极向下运动、绝缘线电极旋转时加工产物扩散示意图。
图中：1切割线电极、2绝缘线电极、3金属工件、4半圆形、5菱形、6三角形、7脉冲电源、8机床立粱、9电解液槽、10线电极夹具、11微拉力计、12引电螺钉、13定位螺钉、14微夹头、15通孔、16支撑板、17 Z向精密移动平台、18换向连接板、19换向柱、20螺栓、21微精密电机、22工控机、23运动控制卡、24温控仪、25加热器、26微精密转轴、27紧固螺钉、28工件夹具、29直通微孔、30线电极定位槽、31 X-Y精密移动平台、32流量计、33流量阀、34过滤器、35管道、36隔震平台、37微量泵、38储液箱。
具体实施方式
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。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。
请参阅图1-6，本发明提供一种技术方案：一种旋转线电极辅助式电解线切割加工装置，包括脉冲电源7、切割线电极系统、运动进给系统、电解液循环系统、工控机22和运动控制卡23，切割线电极系统包括机床立粱8、Z向精密移动平台17、换向连接板18、换向柱19、线电极夹具10和切割线电极1，Z向精密移动平台17安装在机床立粱8上，换向连接板18固定连接在Z向精密移动平台17上，换向柱19的上端通过螺栓20固定在换向连接板18上，线电极夹具10安装在换向柱19的下端，切割线电极1安装在线电极夹具10的线电极定位槽30中，线电极夹具10通过其侧壁上设置的微拉力计11和引电螺钉12进行切割线电极1的预紧，微拉力计11能够保证线电极在整个加工中始终保持恒拉力状态不因电解液的流动而产生扰动，绝缘线电极2的旋转运动和切割线电极1的切割加工互相独立不产生相互影响。
机床立粱8上设置有旋转线电极系统，旋转线电极系统包括支撑板16、微精密电机21和竖向的微精密转轴26，支撑板16的一端固定连接在机床立粱8上，微精密电机21安装在支撑板16的另一端，微精密转轴26的上端固设在微精密电机21的驱动轴上，微精密转轴26的下端安装有微夹头14，微夹头14下方安转有非圆形截面的绝缘线电极2，绝缘线电极2并列设置在切割线电极1的正后方并用于加速切割线电极1后方的电解液流动，支撑板16上开设有与换向柱19对应的通孔15，且换向柱19活动穿插在通孔15中。
进一步的，线电极夹具10对应绝缘线电极2的位置设置有直通微孔29，绝缘线电极2穿设在直通微孔29内并与其间隙配合。
进一步的，绝缘线电极2中部的截面形状为半圆形4、菱形5、三角形6、矩形中的任意一种，不规则的绝缘线电极2的旋转运动促进加工间隙内电解液的更新流动、产物排出，切割线电极2的轴向往复运动带动加工产物和气泡从金属工件上部和下部扩散。
进一步的，绝缘线电极2中部的表面设置有微凸起、微槽中的一种，设置有微凸起、微槽时，在绝缘线电极2的旋转运动时，可以促进加工间隙内电解液的更新流动、产物排出。
进一步的，切割线电极1的截面为圆形，光滑的切割线电极1能够保证电场的均匀分布。
进一步的，运动进给系统包括隔震平台36、X-Y精密移动平台31、电解液槽9、工件夹具28；工件夹具28通过定位螺钉13固定在电解液槽9内，工件夹具28的卡槽内通过紧固螺钉27固定连接有金属工件3，工控机22控制X-Y精密移动平台31带动的金属工件3向切割线电极1进给，进行电解线切割加工。
进一步的，电解液循环系统包括管道35、流量计32、流量阀33、过滤器34、微量泵37、储液箱38、加热器25和温控仪24，电解液通过电解液槽9底部的管道35和外部的储液箱38相连，并保持加工过程中电解液的循环流动更新，沿储液箱38到电解液槽9的方向，管道35上依次设置微量泵37、过滤器34、流量阀33和流量计32，且加热器25和温控仪24均安装在储液箱38，保持加工过程中电解液的恒温状态，微量泵37可以将储液箱38中的电解液输送到电解液槽9中，保持电解液的循环流动更新。
进一步的，工控机22通过运动控制卡23控制运动进给系统动作。
一种旋转线电极辅助式电解线切割加工装置的使用方法，使用上述旋转线电极辅助式电解线切割加工装置；该旋转线电极辅助式电解线切割加工装置的使用方法包括如下步骤：
步骤1：把金属工件3安装在运动进给系统中的工件夹具28上；
步骤2：将电解液完全浸没金属工件3，线电极夹具10通过引电螺钉12与脉冲电源7负极电连接，金属工件3与脉冲电源7正极电连接；
步骤3：切割线电极1沿其轴向的往复运动和绝缘线电极2绕自身轴线的旋转运动组成复合运动；
步骤4：通过工控机22经运动控制卡23控制运动进给系统实现金属工件3相对于切割线电极1和绝缘线电极2的切割运动；
其中，当Z向精密移动平台17换向停顿时，切割线电极1后方的绝缘线电极2通过微精密转轴26按照设定的转速旋转带动电解液流动，更新微缝结构加工间隙内的电解液、促进产物排出；
当Z向精密移动平台17带动切割线电极1按照设定的速度上下往复运动时，切割线电极1将加工产物从金属工件3的上方或者下方拖曳带出，绝缘线电极2的旋转运动将加工产生的气泡和不溶性产物向加工间隙外扩散，提高加工间隙内的传质效率；
步骤5：分离并清洗金属工件3，从而完成金属工件3的电解线切割加工。
如图2所示，当绝缘线电极2旋转运动时，加工产生的气泡和不溶性产物会按照旋转方向迅速的被电解液带出加工间隙。
如图3和图4所示，当切割线电极1向上运动时，加工产物被切割线电极1从金属工件3上部拖曳带出；当切割线电极1向下运动时，加工产物被切割线电极从金属工件3下部拖曳带出。
如图5和图6所示，当切割线电极1向上运动时，加工产物被切割线电极1从金属工件3上部拖曳带出，此时绝缘线电极2旋转运动，并将加工产生的气泡和不溶性产物向外扩散；当切割线电极1向下运动时，加工产物被切割线电极从金属工件3下部拖曳带出，此时绝缘线电极2旋转运动，并将加工产生的气泡和不溶性产物向外扩散。
本发明中所使用的切割线电极1、绝缘线电极2、脉冲电源7、Z向精密移动平台17、微精密电机21、运动控制卡23、温控仪24、加热器25、X-Y精密移动平台31和微量泵37等均为现有技术中的常用电子元件，其工作方式及电路结构均为公知技术，在此不作赘述。
本发明旋转的绝缘线电极2对加工间隙内的电场不产生影响，光滑的切割线电极1能够保证电场的均匀分布，绝缘线电极2和切割线电极1组成的复合运动可以加速间隙内电解液的快速流动更新、产物排出，使得加工过程中间隙内的新鲜电解液更加充足，能够减少加工产物和气泡附着在电极丝和工件表面，电导率分布更加均匀，提高了加工的精度、效率和稳定性。
本发明中未公开部分均为现有技术，其具体结构、材料及工作原理不再详述。尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.一种旋转线电极辅助式电解线切割加工装置，包括脉冲电源（7）、切割线电极系统、运动进给系统、电解液循环系统、工控机（22）和运动控制卡（23），所述切割线电极系统包括机床立粱（8）、Z向精密移动平台（17）、换向连接板（18）、换向柱（19）、线电极夹具（10）和切割线电极（1），所述Z向精密移动平台（17）安装在机床立粱（8）上，所述换向连接板（18）固定连接在Z向精密移动平台（17）上，所述换向柱（19）的上端通过螺栓（20）固定在换向连接板（18）上，所述线电极夹具（10）安装在换向柱（19）的下端，所述切割线电极（1）安装在线电极夹具（10）的线电极定位槽（30）中，所述线电极夹具（10）通过其侧壁上设置的微拉力计（11）和引电螺钉（12）进行切割线电极（1）的预紧，其特征在于：所述机床立粱（8）上设置有旋转线电极系统，所述旋转线电极系统包括支撑板（16）、微精密电机（21）和竖向的微精密转轴（26），所述支撑板（16）的一端固定连接在机床立粱（8）上，所述微精密电机（21）安装在支撑板（16）的另一端，所述微精密转轴（26）的上端固设在微精密电机（21）的驱动轴上，所述微精密转轴（26）的下端安装有微夹头（14），所述微夹头（14）下方安转有非圆形截面的绝缘线电极（2），所述绝缘线电极（2）并列设置在切割线电极（1）的正后方并用于加速切割线电极（1）后方的电解液流动，所述支撑板（16）上开设有与换向柱（19）对应的通孔（15），且换向柱（19）活动穿插在通孔（15）中。
2.根据权利要求1所述的旋转线电极辅助式电解线切割加工装置，其特征在于：所述线电极夹具（10）对应绝缘线电极（2）的位置设置有直通微孔（29），绝缘线电极（2）穿设在直通微孔（29）内并与其间隙配合。
3.根据权利要求1所述的旋转线电极辅助式电解线切割加工装置，其特征在于：所述绝缘线电极（2）中部的截面形状为半圆形（4）、菱形（5）、三角形（6）、矩形中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的旋转线电极辅助式电解线切割加工装置，其特征在于：所述绝缘线电极（2）中部的表面设置有微凸起、微槽中的一种。
5.根据权利要求1所述的旋转线电极辅助式电解线切割加工装置，其特征在于：所述切割线电极（1）的截面为圆形。
6.根据权利要求1所述的旋转线电极辅助式电解线切割加工装置，其特征在于：所述运动进给系统包括隔震平台（36）、X-Y精密移动平台（31）、电解液槽（9）、工件夹具（28）；所述工件夹具（28）通过定位螺钉（13）固定在电解液槽（9）内，工件夹具（28）的卡槽内通过紧固螺钉（27）固定连接有金属工件（3），工控机（22）控制X-Y精密移动平台（31）带动的金属工件（3）向切割线电极（1）进给，进行电解线切割加工。
7.根据权利要求1所述的旋转线电极辅助式电解线切割加工装置，其特征在于：所述电解液循环系统包括管道（35）、流量计（32）、流量阀（33）、过滤器（34）、微量泵（37）、储液箱（38）、加热器（25）和温控仪（24），电解液通过电解液槽（9）底部的管道（35）和外部的储液箱（38）相连，并保持加工过程中电解液的循环流动更新，沿储液箱（38）到电解液槽（9）的方向，管道（35）上依次设置微量泵（37）、过滤器（34）、流量阀（33）和流量计（32），且加热器（25）和温控仪（24）均安装在储液箱（38），保持加工过程中电解液的恒温状态。
8.根据权利要求1所述的旋转线电极辅助式电解线切割加工装置，其特征在于：所述工控机（22）通过运动控制卡（23）控制运动进给系统动作。
9.一种旋转线电极辅助式电解线切割加工装置的使用方法，其特征在于：使用权利要求1所述的旋转线电极辅助式电解线切割加工装置；所述旋转线电极辅助式电解线切割加工装置的使用方法包括如下步骤：
步骤1：把金属工件（3）安装在运动进给系统中的工件夹具（28）上；
步骤2：将电解液完全浸没金属工件（3），线电极夹具（10）通过引电螺钉（12）与脉冲电源（7）负极电连接，金属工件（3）与脉冲电源（7）正极电连接；
步骤3：切割线电极（1）沿其轴向的往复运动和绝缘线电极（2）绕自身轴线的旋转运动组成复合运动；
步骤4：通过工控机（22）经运动控制卡（23）控制运动进给系统实现金属工件（3）相对于切割线电极（1）和绝缘线电极（2）的切割运动；
其中，当Z向精密移动平台（17）换向停顿时，切割线电极（1）后方的绝缘线电极（2）通过微精密转轴（26）按照设定的转速旋转带动电解液流动，更新微缝结构加工间隙内的电解液、促进产物排出；
当Z向精密移动平台（17）带动切割线电极（1）按照设定的速度上下往复运动时，切割线电极（1）将加工产物从金属工件（3）的上方或者下方拖曳带出，绝缘线电极（2）的旋转运动将加工产生的气泡和不溶性产物向加工间隙外扩散，提高加工间隙内的传质效率；
步骤5：分离并清洗金属工件（3），从而完成金属工件（3）的电解线切割加工。
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