CN1256652A - 电化学机械加工工件的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于以电极(3)对工件(2)进行电化学机械加工的设备(1)。具有一个操作机构(8)用于调定电极(3)与工件(2)之间的间隙(4),还具有一个通道(11)用于以电解液(5)淹没间隙(4),和一个装电解液(5)的容器(10)。此外,还配备有电源线(12,13),用于将电电源(40)供应的电流(1)通入间隙( 4)的电解液中。间隙(4)附近配备有天线(21),用以接收间隙(4)来的电磁波。天线(21)接带通滤波器(22)。带通滤波器(22)让40至100兆赫频带的信号通过,传送给电平检测器(23)。电平检测器(23)将滤波后信号(Ub)的幅值与阈值相比较,并在幅值超过阈值时给控制机构(30)提供停止信号(Us)以打开电源(40)的开关(43)。天线(21)、带通滤波器(22)、电平检测器(23)和控制机构(30)在一起构成防损系统,该系统可用于现存的ECM设备中,起防止电火花放电的作用。

Description

电化学机械加工工件的方法

本发明涉及一种用电极对工件进行电化学机械加工的方法，所述方法包括下列步骤：

调定电极与工件之间的间隙，该间隙充有电解液；

通过电极和工件将电流通入间隙的电解液中，对工件进行机械加工；

产生测量信号，测量信号中含有关于间隙中可能产生电火花的信息；和

当测量信号的参数超过一定阈值时减小电流，保护电极和工件，使其不致损伤。

本发明还涉及一种用电极对工年进行电化学机械加工的设备，所述设备包括：

一个操作机构，用于调定电极与工件之间的间隙；

一个流体输送装置，用于使电解液淹没间隙；

一个电源装置，用于经电极和工件将电流通入间隙的电解液中，对工件进行机械加工；和

一个防损装置，包括：

一个测量装置，用于产生测量信号，测量信号中含有关于间隙中可能有电火花放电的信息；

一个检测装置，用于在测量信号的参数超过阈值时产生停止信号；和

一个减流装置，用于在检测出所述停止信号时减小所述电流。

本发明还涉及一种防损装置，所述防损装置包括：

一个测量装置，用于产生测量信号，测量信号中含有关于电极间隙中可能有电火花放电的信息；

一个检测装置，用于在测量信号的参数超过阈值时产生停止信号；和

一个减流装置，用于在检测出所述停止信号时减小所述电流。

从英国专利GB 2140824可以了解到这种方法、设备和防损装置。该专利的方法用于一种用电极对工件进行电化学机械加工(ECM)的设备中。这种方法是先调定电极与工件之间的间隙，再将间隙灌满电解液，通过电极和工件往电解液中供以来于电源的电流。为防止间隙中产生电弧，用与电极和工件连接的电路检测个别的电火花放电。所述电路有一个滤波装置用以辨别电火花放电引起的噪音和电源产生的噪音。当检测出电火花放电时，切断电源，从而避免电弧引起的损伤。这种方法、设备和防损装置的缺点是，电火花放电本身也损害电极和工件。尤其是当电极间的间隙小于50微米时，由于由此产生的损害需要更换电极，因而应避免电火花放电。

本发明的目的是减小电极和/或工件损坏的风险。为达到此目的，本发明的方法具有这样的特征：用检测间隙产生的高频电磁波的天线以产生测量信号。由于这项措施，测量信号含有关于电火花放电开始的信息。通过在检测出此信息时减小电流，电火花的放电受到阻碍，从而降低了损害的风险。

本发明是根据这样的见解提出的：电火花放电开始时，部分放电在间隙内的中间层产生。这个中间层可以是阳极上的钝化层、阴极上氢气的泡沫层或阳极上氧气的泡沫层。这类中间层的导电率比电解液低，因而几乎所有全部间隙电压出现在中间层两端。这类中间层的厚度仅为间隙宽度的一部分，从而使间隙电压引起的电场强度高到在此中间层产生部分放电的程度。这种部分放电对电解液起局部加热的作用，从而有气泡产生。产生的气体量若多到一定的程度就足以在电极与工件之间形成绝缘桥，且通过雪崩效应在电极与工件之间产生电火花放电。因此，可以这样理解：部分放电是电火花放电的前兆。我们知道，部分放电引起的危害比火花放电小。此外，我们知道，这类部分放电引起的高频电磁波可用天线检测出来。因此，通过监控电磁波并在检测出与部分放电相应的电磁波时减小电流，可以防止电极和/或工件损坏。这样，可以用较小的间隙提高机械加工的速度和精确度。

应该指出的是，英国专利GB 2095153是用天线测量电火花的，但这个测量是用在旨在产生反复以10至30兆赫频率出现的电火花放电的放电机(EDM)中的。在这种EDM机中，间隙现象完全不同，而且该专利中没有提到部分放电。其中的天线是用于产生表示电火花放电的频率和幅度的信号而不是检测电火花放电前的部分放电。

合适且易于监控的参数，举例说有经传输高频带的带通滤波器滤波之后的测量信号的幅值。通过滤除较低的频率，可以避免例如电源频率干扰部分放电的检测过程。

在工业环境中，通常有许多设备在接通和切除大电流时放射出高频脉冲串。这些高频脉冲串若为天线所接收可能会导致所谓“伪警报”。为减少“伪警报”的风险，最好监控测量信号高频带能量的多少。

用于与所监控的部分放电相应的参数的阈值不难通过实验确定，其中，有意识地产生电火花放电并观测电火花发生之前某一时隙中的测量信号。这稍后即将参看附图说明。

本发明的设备和防损装置的特点在于，具有一个测量装置，它包括一个用于检测间隙产生的高频电磁波的天线。

天线与电极和工件在电气上都绝缘的措施有这样的好处，与电极和/或工件连接的电源线上的高频噪音不直接耦合到天线上，从而提高了检测的质量。

天线采用偶极天线的好处是，天线可放在工作区之外，从而可轻易触及和改变电极和工件而不致受天线的妨碍。

天线采用安置在间隙周围的环形天线有这样的好处：天线对间隙中放电产生的电磁波非常敏感，而对来自环境的起干扰作用的电磁波不太敏感。

检测装置的带通滤波器后面的电平检测器检测着10和100兆赫之间的频率测量信号的电平有这样的好处：即价格性能比好。这个频带的测量设备不难获得，价钱较便宜。部分放电引起的电磁波还含有100兆赫以上的频率成分。但能检测出100兆赫以下的频率成分也就够了。

本发明的防损装置的特点在于，具有一个天线，用于检测电极间间隙产生的高频电磁波。

现在参看附图更详细地举例说明本发明。

图1示出了本发明设备的第一实施例。

图2示出了本发明第二实施例中的偶极天线。

图3示出了本发明第三实施例中的环形天线。

图4示出了产生电火花放电之前和期间经滤波的天线信号Ua和间隙两端的电压Ub的时间t的关系曲线。

图1示出了本发明的第一实施例。设备1是用电极3对工作2进行电化学机械加工的设备。设备1的操作机构8用于调定电极3与工件2之间的间隙4。设备还有一个流体输送装置和一个容器10。流体输送装置呈通道11的形式，用于使电解液5淹没间隙4。容器10用于装电解液5用。在此情况下，电解液由2-25％的NaNO₃水溶液组成。电源装置呈电源线12和13的形式，用于将电源40来的电流I经电极3和工件2通入间隙4的电解液中，以便对工件2进行机械加工。间隙4附近配备有一个天线21用以接收间隙4放射来的电磁波。天线21与带通滤波器22连接。带通滤波器22让40至100兆赫频带的信号通过，传送到电平检测器23上。电平检测器23将滤波后信号的幅值Ua与阈值相比较，在幅值超过阈值时给控制机构30提供停止信号Us。控制机构30编程得使其根据停止信号Us打开电源40中的开关43。天线21、带通滤波器22、电平检测器23和控制机构30一起形成防损系统，可用于现存的ECM设备中。

天线21位于容器10中，并浸在电解液5中。由于电解液5的导电率低，因而天线21实际上与电极4和工件2绝缘，从而使电源40与天线21不耦合，使电源40产生的噪音和电源线12和13检到的其它噪音不致传送到带通滤波器22。

图2示出了本发明第二实施例的偶极天线。偶极天线121安置在电极103与工件102之间的电极间间隙204的旁边，且使其取向得能以最佳状态接收间隙204产生的电磁波。天线121还可以加屏蔽罩，将其与间隙204以外的其它位置来的电磁波屏蔽起来。天线121与微处理器122连接。微处理器122对天线信号取样，并计算所取样的信号在1微秒时隙期间10至20兆赫频带范围的能量。当计算出的能量超过一定的阈值时，微处理机构122给电源提供停止信号，如图1中所示。

图3示出了本发明第三实施例中的环形天线。环形天线221安置在电极203与工件202之间的间隙204周围，与带通滤波器222连接。带通滤波器222让35至45兆赫的频率成分通过。第三实施例的其它各部分与参照图1所述的类似。

图4示出了电火花放电发生之前滤波后的天线信号Ua和间隙两端的电压Ub与时间的关系曲线。这种电火花放电可以通过实验产生，例如减少电解液的流量使间隙中形成的气体泡沫增加。在时间t＝t0时，电源40中的开关43接通(见图1)，电压Ub加到电极3与工件2之间的间隙4两端。在t＝t1和t＝t2之间，天线信号Ua呈现出高频成分，促使电极间间隙4中产生部分放电。在t＝t2和t＝t3之间，间隙4两端的电压Ub因多起电火花放电而消失，从而使电极3在t＝t3时焊到工件2上，从而产生短路，且电压Ub降到零。信号Ua的幅值在ECM正常工作期间显然保持低于阈值Uc，在t1和t2之间当产生部分放电时显然超过阈值。我们发现，视乎诸如间隙宽度、电解液5通过间隙4的流量等之类的工艺参数而定，t1与t2之间的时间可以长达30微秒。这个较长的时间足以使电源断电，从而避免真的产生电火花并损害电极3和/或工件2。从图4还可清楚地看到。虽然在产生部分放电期间，电压Ub上可检测出一些噪音，但天线信号Ua更好地显示出电火花放电的开始状况，因此本发明的方法和设备大大改进了ECM技术。

应该指出的是，本发明并不局限于这里所示的一些实施例。在本发明的范围内是可以提出其它各种实施例的。例如，可以采用脉冲的电源和其它象NaCl的水溶液之类的电解液。此外，其它适当的天线几何尺寸也不难通过实验求出，可应用其它根据停止信号以减小流过间隙的电流。

Claims (10)

1.一种用电极对工作进行电化学机械加工的方法，所述方法包括下列步骤：

调定电极与工作之间的间隙，所述间隙淹没在电解液中；

通过电极和工件往电解液中通以电流，对工件进行机械加工；

产生测量信号，测量信号中含有关于间隙中可能产生电火花放电的信息；和

当测量信号的参数超过一定阈值时，通过减小电流以保护电极和/或工件使其不致损坏；

所述方法的特征在于：

用检测间隙产生的高频电磁波的天线产生所述测量信号。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述参数为高频带测量信号的幅值。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述参数为高频带能量的大小。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述阈值通过观测电火花产生之前某一时隙中的测量信号确定。

5.一种用电极对工件进行电化学机械加工的设备，包括：

一个操作机构，用于调定电极与工件之间的间隙；

一个流体输送装置，用于使间隙为电解液所淹没；

一个电源装置，用于通过电极和工件往电解液中通以电流，从而对工件进行机械加工；和

一个防损装置，包括：

一个测量装置，用于产生测量信号，测量信号中含有关于间隙中可能产生火花放电的信息；

一个检测装置，用于在测量信号的参数超过阈值时产生停止信号；和

一个减流装置，用于在检测出所述停止信号时减小所述电流；

所述设备的特征在于：

所述测量装置有一个天线，用于检测间隙产生的高频电磁波。

6.如权利要求5所述的设备，其特征在于，所述天线与电极和工件电绝缘。

7.如权利要求5所述的设备，其特征在于，所述天线为偶极天线。

8.如权利要求5所述的设备，其特征在于，所述天线为位于间隙周围的环形天线。

9.如权利要求5所述的设备，其特征在于，检测装置包括一个带通滤波器，设于该带通滤波器后面的电平检测器用于检测10与100兆赫之间的频率的测量信号的电平。

10.一种防损装置，包括：

一个测量装置，用于产生测量信号，测量信号中含有关于电极间间隙可能产生电火花放电的信息；

一个检测装置，用于测量信号的参数超过阈值时产生停止信号；和

一个减流装置，用于在检测出所述停止信号时减小所述电流；

所述防损装置的特征在于：

所述测量装置有一个天线，用于检测电极间间隙产生的高频电磁波。

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