CN1820884A - 加工非导电硬质材料的电火花成型加工机床及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种加工非导电硬质材料的电火花成型加工机床及其加工方法，该加工机床具有设置在所述机床的工作台上的工作液糟及盛在所述工作液槽中的循环工作液，一个用于夹持工件的绝缘底座设置在所述工作液槽内，一对电极放电端靠近加工位置，相对地设置在所述工作液槽内，并浸在所述循环工作液中，所述两电极顶端之间具有微米级的间距；一个脉冲电源的两极分别接到所述两电极上。该加工方法主要是在液体介质中，采用在两电极间一连串迅速重复的脉冲放电的方法移除工件材料。本发明的机床设备简单，加工过程稳定。

Description

加工非导电硬质材料的电火花成型加工机床及其加工方法

技术领域

本发明涉及一种加工非导电硬质材料的电火花成型加工机床及其加工方法，具体的说，是在液体介质中，采用在两电极间一连串迅速重复的脉冲放电的方法移除工件材料的机械方法。

背景技术

非导电的工程陶瓷等非导电硬质材料因其优良的性能在现代高新技术领域具有广阔的应用前景，但是这些材料一般均具有极高的硬度和较大的脆性，要对其进行加工十分困难，这在相当程度上限制了这些材料的应用。

目前，对这些非导电硬质材料的机械加工方法主要是金刚石砂轮磨削加工方法，但这种方法一般仅限于加工平面和简单曲面，而且金刚石砂轮成本很高，加工时磨损也很大，因为材料的脆性较大以及导热性较差，加工时易使工件表面产生微裂纹，工艺要求严，加工效率低。

另外，在电火花加工领域中也出现了电解电火花放电复合加工方法和辅助电极电火花加工方法这两种特殊的电火花加工方法。

电解电火花放电复合加工方法，是在NaOH、NaNO₃、NaCl等电解液中，利用电化学反应在工具电极上产生气泡，即非导电相，在工具电极与工件之间形成电位梯度，导致放电，蚀除工件材料。但该方法中气体相形成速度慢，受许多不确定因素影响，且放电击穿延时长，因此加工过程很不稳定，加工效率低；另外大量电能消耗于电解过程，而非用于蚀除工件材料，因此能量消耗较大。辅助电极法是以煤油作工作液，在非导电工件表面固定一金属板作为辅助电极。工具电极先对辅助电极进行穿孔加工。辅助电极被加工穿透后，工件表面上会附着辅助金属板被蚀除的金属粉末，以及因煤油在放电过程中分解形成的导电碳黑。随后在工具电极与工件表面的金属粉末、碳黑之间就可以进行脉冲放电，蚀除其下的工件材料。要达到加工稳定进行，必须使非导电工件表面导电膜的生成与工件材料的去除达到一定的平衡，在工作液流动以及其他许多不确定因素的印象下，在实际加工中很难稳定实现并维持，。该方法能量消耗大，加工范围受到很大限制，一般只能加工平底型腔，加工精度很不理想。

电解电火花放电复合加工方法和辅助电极法电火花加工方法沿袭了常规的电火花成形加工方法的思路，在成形工具电极与导电工件待加工表面之间形成脉冲放电，利用放电释放的能量去除工件材料，使工具电极的形状复制到工件上。由于工件材料是非导电的，因此首先要在工具电极与非导电工件之间创造可以产生脉冲放电的条件(其中电解电火花放电复合加工方法是利用电解液中的电火花反应，产生气泡，在工具电极与非导电工件之间形成电位梯度；而辅助电极法电火花加工方法是利用放电蚀除辅助金属板后的金属粉末以及煤油分解而成的碳黑聚集在工件表面)，然后再进行脉冲放电。这导致工艺复杂，影响加工的不确定因素很多，加工过程很难稳定，电能利用率很低。基于以上方法发展的电火花加工机床相应地存在一系列目前难以解决的问题。目前，这些方法及相应的机床只有在实验室中受严格限制的加工条件下，才可进行实验研究，尚无进行工业生产的报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工艺简单可靠、工作过程稳定的加工非导电硬质材料的电火花成型加工机床及其加工方法。

实现本发明目的的技术方案是：本发明的机床，具有设置在所述机床的工作台上的工作液槽及盛在所述工作液槽中的循环工作液，一个用于夹持工件的绝缘底座设置在所述工作液槽内，其特征在于：一对电极放电端靠近加工位置，相对地设置在所述工作液槽内，并浸在所述循环工作液中，所述两电极顶端之间具有微米级的间距；一个脉冲电源的两极分别接到所述两电极上。

本发明的机床还具有一个电极夹持长度测量装置和两个电极直接驱动装置；所述电极夹持长度测量装置用于测量两电极在电极直接驱动装置上各自的夹持长度；所述电极直接驱动装置用于维持两电极空间位置以及两电极顶端间距符合脉冲放电的条件。

所述两个电极直接驱动装置并排安装在所述机床的主轴头上，所述两个电极直接驱动装置上各夹持一个所述电极。

所述电极夹持长度测量装置设置在工作台上的，所述电极夹持长度测量装置上设有高精度电感位移传感器。

本发明的方法具有以下步骤：a将待加工的非导电硬质材料装夹在工作液槽中的绝缘底座上；b根据被加工的非导电硬质材料的性能及其表面几何特性，调整好脉冲电源电参数，并调整好两电极的空间位置、两电极顶端间距、两电极顶端与非导电硬质材料之间的距离以及加工的起始位置；c两电极的顶端与非导电硬质材料均浸没在工作液中；启动脉冲电源工作，两电极顶端形成脉冲放电，蚀除微量的非导电硬质材料，工作液及时带走被蚀除的材料，形成一个微凹坑；d随后，通过伺服机构的驱动，两电极作为一个整体与非导电硬质材料按数控程序，以指定速度沿指定空间轨迹作相对运动，并随时根据剩余非导电硬质材料表面几何特性调整脉冲电源参数，逐次蚀除非导电硬质材料，最终形成所需加工表面。

在b步骤中两电极顶端间距为微米级的间距；在b步骤中使所述电极顶端与非导电硬质材料接触；在b步骤中使所述电极顶端与非导电硬质材料保持适当间隙。

另外，当脉冲计数大于规定的脉冲计数时，可以暂时中止加工过程，并用高精度电感位移传感器对两电极的损耗情况进行测量，根据测量结果，通过改变两电极直接驱动装置的角度以及沿电极轴向移动电极的方式补偿电极的损耗，维持两电极空间位置以及两电极顶端间距符合脉冲放电的条件。

本发明具有的积极效果：(1)本发明设置了两个电极，两电极顶端距离根据加工需要，选取一个最佳值。通过在两个电极顶端之间的放电，蚀除非导电硬质材料，不需要象电解电火花复合加工方法以及辅助电极电火花加工方法那样人为制造适合脉冲放电的条件。工艺简单可靠，电能利用率高。(2)现有的电火花加工方法一般都是工件不动，工具电极垂直进给。加工时，要对工具电极和工件的间隙进行测量，以保证只在间隙合适时进行脉冲放电，避免电弧放电和短路现象发生。而本发明在加工时，已经预先调整好两电极顶端间距，加工过程中又可以进行电极补偿，电极顶端间距一直处于可控状态，无需进行电极和工件的间隙测量。不仅简化了加工过程，而且可以避免因加工间隙过小而导致的短路现象。(3)在本发明的机床上，两电极与工件相对运动，两电极间脉冲放电，沿指定运动轨迹逐次蚀除工件材料，可加工出复杂表面。而用电解电火花发电复合加工方法和辅助电极电火花加工方法加工复杂表面，必须制作相同形状的复杂成形电极，除加工成本高外，复杂电极会导致放电间隙不均匀，电场强度分布不均，加工间隙流场不稳等问题，直接影响加工精度。(4)加工期间，通过改变两电极直接驱动装置的角度，以及沿电极轴向移动电极，可以在加工过程中自动改变电极的空间位置，并保证在该空间位置时电极顶端间距符合脉冲放电蚀除工件材料的要求，提高了加工能力，可以加工一些现有电火花成形加工无法完成的工作，如加工开口比底部小的锥形孔。(5)加工期间，经过一定次数的脉冲放电后，两电极本身会因脉冲放电而损耗，使电极顶端间距增加，导致脉冲放电无法进行。本发明采用高精度电感位移传感器测量两电极的损耗情况，通过改变两电极直接驱动装置的角度以及沿电极轴向移动电极的方式精确补偿电极的损耗，确保加工顺利进行。(6)常规电火花成型加工中，工具电极要“抬刀”，以利于工作液冲走工具电极与工件极小间隙之间的加工碎屑以及散热。否则，加工碎屑、放电时产生的热量集中于工具电极与工件之间的间隙，导致脉冲放电条件恶劣，期望的稳定脉冲放电变为电弧放电。本发明中，两电极顶端的脉冲放电在一个开放的环境中进行，工作液冲走电极间微量电蚀产物及微量工件材料碎片非常容易，因此无需“电极抬刀”操作。

附图说明

图1为本发明的电火花成型加工机床的结构示意图

图2为本发明的加工过程示意图

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本发明的机床具有控制电柜1、工作液箱2以及加工主机3，其中控制电柜1中具有脉冲电源、电火花加工数控系统以及操作面板，电火花加工数控系统实现对机床的控制和管理。工作液箱2为电火花成型加工过程提供循环工作液。加工主机3包括床身31、立柱32、主轴头33、工作台34、工作液槽35、电极直接驱动装置36、电极37、电极夹持长度测量装置38、高精度电感位移传感器39以及绝缘底座30。工作台34具有完成X-Y两坐标轴联动的上层和完成圆周进给运动的下层。工作液槽35安装在工作台34的上面，工作液槽35里面设有绝缘底座30。两个电极直接驱动装置36并排安装在主轴头33上，每个电极直接驱动装置36各夹持一个电极37。这两个电极夹持装置可分别左右摆动一定角度，并在此范围内的任一角度处锁紧。因此，电极的空间布局可根据需要，在加工过程中适当改变。另外，两个电极直接驱动装置36可根据需要随时松开电极，使电极沿轴向进行精确移动从而改变两电极顶端的间距。电极夹持长度测量装置38固定在工作台34上面，电极夹持长度测量装置38上设有高精度电感位移传感器39，该高精度电感位移传感器39用于测量电极损耗。

如图2所示，将待加工非导电工程陶瓷材料4装夹在绝缘底座30上，两电极37分别接脉冲电源11的两极。根据被加工的非导电工程陶瓷材料4的力学、热学性能、预期蚀除碎片的大小与形态，调整好脉冲电源电参数；通过调整两电极37在电极直接驱动装置36上的初始安装位置以及两电极直接驱动装置36的角度，来调整两电极的空间布局以及两电极顶端之间的距离；通过调整主轴头33与工作台34来调整两电极顶端与非导电工程陶瓷材料4之间的距离以及起始加工位置；两电极顶端间距精确调整至10微米；电极底部与被加工的非导电工程陶瓷材料4之间的距离精确调整至3微米。将两电极的顶端与非导电工程陶瓷材料4均浸没在工作液中。启动脉冲电源11，在两电极顶端间形成脉冲放电，蚀除微量非导电工程陶瓷材料4，工作液及时带走被蚀除的材料碎片，同时形成一个微凹坑。随后，通过伺服机构的驱动，两电极37作为一个整体与非导电工程陶瓷材料4按数控程序，以指定速度按指定空间轨迹作相对运动，并随时根据剩余非导电工程陶瓷材料4的表面几何特性调整脉冲电源电参数，逐次蚀除非导电工程陶瓷材料4，最终形成所需加工表面。

在加工过程中可以根据电极37材料的热学性能、单次脉冲放电的能量等工艺条件，确定一个脉冲计数规定值，当观察到脉冲计数值超过该规定值时，要暂时中止加工，用高精度位移传感器39对两电极各自的损耗情况进行测量，根据测量结果，分别通过改变两电极直接驱动装置36的角度和沿电极轴向移动电极的方式来精确补偿电极的损耗，恢复原有的加工放电空间位置以及两电极37顶端的距离，使之符合脉冲放电的条件。继续观察脉冲计数值并与脉冲计数规定值进行比较，只要观察到脉冲计数值大于该规定值则重复上述补偿过程。

实施例2

其余都与实施例1相同，不同之处为两电极顶端间距精确调整至7微米；电极底部与被加工的非导电工程陶瓷材料4接触。

Claims (9)

1、一种加工非导电硬质材料的电火花成型加工机床，具有设置在所述机床的工作台(34)上的工作液槽(35)及盛在所述工作液槽(35)中的循环工作液，一个用于夹持工件的绝缘底座(30)设置在所述工作液槽(35)内，其特征在于：一对电极(37)放电端靠近加工位置，相对地设置在所述工作液槽(35)内，并浸在所述循环工作液中，所述两电极(37)顶端之间具有微米级的间距；一个脉冲电源(11)的两极分别接到所述两电极(37)上。

2、根据权利要求1所述的加工非导电硬质材料的电火花成型加工机床，其特征在于还具有一个电极夹持长度测量装置(38)和两个电极直接驱动装置(36)；所述电极夹持长度测量装置(38)用于测量两电极(37)在电极直接驱动装置(36)上各自的夹持长度；所述电极直接驱动装置(36)用于维持两电极(37)空间位置以及两电极(37)顶端间距符合脉冲放电的条件。

3、根据权利要求2所述的加工非导电硬质材料的电火花成型加工机床，其特征在于所述两个电极直接驱动装置(36)并排安装在所述机床的主轴头(33)上，所述两个电极直接驱动装置(36)上各夹持一个所述电极(37)。

4、根据权利要求2所述的加工非导电硬质材料的电火花成型加工机床，其特征在于：所述电极夹持长度测量装置(38)设置在工作台(34)上的，所述电极夹持长度测量装置(38)上设有高精度电感位移传感器(39)。

5、一种非导电硬质材料的电火花成型加工方法，其特征在于具有以下步骤：

a将待加工的非导电硬质材料装夹在工作液槽中的绝缘底座上；

b根据被加工的非导电硬质材料的性能及其表面几何特性，调整好脉冲电源电参数，并调整好两电极的空间位置、两电极顶端间距、两电极顶端与非导电硬质材料之间的距离以及加工的起始位置；

c两电极的顶端与非导电硬质材料均浸没在工作液中；启动脉冲电源工作，两电极顶端形成脉冲放电，蚀除微量的非导电硬质材料，工作液及时带走被蚀除的材料，形成一个微凹坑；

d随后，通过伺服机构的驱动，两电极作为一个整体与非导电硬质材料按数控程序，以指定速度沿指定空间轨迹作相对运动，并随时根据剩余非导电硬质材料表面几何特性调整脉冲电源参数，逐次蚀除非导电硬质材料，最终形成所需加工表面。

6、根据权利要求5所述的非导电硬质材料的电火花成型加工方法，其特征在于其中两电极顶端间距为微米级的间距。

7、根据权利要求5所述的非导电硬质材料的电火花成型加工方法，其特征在于在b步骤中使所述电极顶端与非导电硬质材料接触。

8、根据权利要求5所述的非导电硬质材料的电火花成型加工方法，其特征在于在b步骤中使所述电极顶端与非导电硬质材料保持适当间隙。

9、根据权利要求5所述的非导电硬质材料的电火花成型加工方法，其特征在于当脉冲计数大于规定的脉冲计数时，可以暂时中止加工过程，并用高精度电感位移传感器对两电极的损耗情况进行测量，根据测量结果，通过改变两电极直接驱动装置的角度以及沿电极轴向移动电极的方式补偿电极的损耗，维持两电极空间位置以及两电极顶端间距符合脉冲放电的条件。