CN1850411A - 微尺度线电极电解加工方法及微振动线电极系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种微尺度线电极电解加工方法，属微细电化学加工领域。该方法特点在于：在线电极对金属材料进行电解微切割加工过程中，利用微振动装置使线电极产生垂直其进给方向的微振动，以利于加工间隙中的电解产物排除，从而避免了短路现象的发生，使得电解质量大幅提高，同时提高了加工效率，减少了加工成本。本发明还涉及一种实现本发明方法的线电极系统。该系统安装在数控机床的Z轴上，其特征在于：它由线电极框架(3)，安装在线电极框架(3)上的微尺度线电极(4)，以及使线电极框架(3)带动微尺度线电极(4)产生垂直其进给方向微振动的微振动装置组成。
Description
技术领域
本发明涉及一种微尺度线电极电解加工方法及微振动线电极系统，属微细电化学加工领域。
背景技术
微细加工技术是本世纪最活跃的科学研究方向之一，金属材料的微细加工有着广泛的发展需求。对于微系统来说，在推进、驱动、执行、传动等单元系统方面，常常涉及到平面线圈、微流道、微型齿轮、传动轴、臂、舵、桨、减速器等金属材料微小零件的制造。现有的金属材料微细加工技术还存在很大的局限性，不能满足发展的需求。电化学加工技术是基于阳极溶解原理的减材制造技术，如电解加工等，加工过程都是以离子的形式进行的，由于金属离子的尺寸非常微小，小于纳米尺度，因此微细电化学加工方法相对于其它很多微细加工方法在原理上具有优势。
在20世纪80年代提出了宏观的电解线切割加工工艺，由于电解加工的间隙不能有效地控制到微米尺度，所以宏观的电解线切割加工工艺仅用于切断具有一定厚度的难加工材料的毛坯，不能直接用来加工零件。
近年来高频窄脉宽电解加工电源的出现使电解加工的侧面间隙缩小到微米尺度，有效地避免了电解加工定域性加工能力不强这一缺点。微尺度电解加工成为新兴的微细加工方法倍受同行关注。最近，韩国的研究人员B.H.Kim等人采用10微米的铂丝作线电极，开展了微尺度线电极电解加工的初步研究，有望解决普通微尺度电解加工中难以加工出的高深宽比微细结构。
但是，用微尺度线电极去电解加工高深宽比微细结构的时候，由于侧面间隙通常缩小到微米级甚至是亚微米级，如果加工中的电解产物不能顺利排出，新的电化学反应离子无法及时补充，则经常会出现短路现象，使加工无法持续进行。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有微细电化学加工技术中电解产物不能顺利排出的困难，提供一种微尺度线电极电解加工方法及微振动线电极系统，使加工过程中，电解产物顺利排除，避免了短路，提高加工效率与加工质量。
一种微尺度线电极电解加工方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)、使微尺度线电极通过线电极框架准确定位在数控机床Z轴上，将电解液槽固定在数控工作台上，工件通过工件夹具固定在电解液槽中，并使电解液充满电解液槽，浸没工件；(2)、利用高频窄脉宽电解加工电源作为电解电源，使正极接通工件，负极接通微尺度线电极，同时，通过电流传感器采集线电极与工件发生短路时的电解电流突变，发生电流突变时，控制Z轴停止对刀运动，退回初始位置；(3)、利用金属在电解液中发生电化学阳极溶解的原理，通过微尺度线电极的X、Y、Z三轴数控运动将工件切割加工成型；(4)、在微尺度线电极电解加工过程中，利用微振动装置使线电极框架带动微尺度线电极产生垂直其进给方向的微小幅度的往复振动，以排除电解产物，并使新的电化学反应离子及时补充到加工区。
一种用于微尺度线电极电解加工的微振动线电极系统，其特征在于：它包括安装在数控机床的Z轴上线电极框架，安装在线电极框架上的微尺度线电极，以及使线电极框架带动微尺度线电极产生垂直其进给方向微小往复振动的由电压放大器和压电陶瓷片所组成的微振动装置，且计算机控制电压放大器输出脉冲电压，驱动压电陶瓷片产生微小幅度的往复振动。
其中，所述的压电陶瓷片与数控机床Z轴刚性连接，压电陶瓷片的振动方向与微尺度线电极的进给方向始终垂直，其产生的振动通过Z轴传递给电极框架，再传递给微尺度线电极。
其中，线电极框架下端有一个用于限制微尺度线电极位置的沟槽、在沟槽中部有一个加工中可以容纳工件的缺口结构，在线电极框架两侧面分别有一个用于固定微尺度线电极的导电螺钉，在线电极框架上还有用于把线电极框架定位到机床Z轴上的定位孔。
本发明的有益效果在于：
1、利用微振动装置使线电极产生垂直其进给方向的微振动，以利于加工间隙中的电解产物排除，从而避免了短路现象的发生，使得电解质量大幅提高，同时提高了加工效率，减少了加工成本。
2、本发明的线电极系统，结构简单。且线电极通过一个框架结构定位在主轴上，定位精度好，装夹方便，提高了加工精度和加工效率。
附图说明
图1是微尺度线电极电解加工装置整体结构示意图。
图2是线电极框架结构示意图。其中图2(a)是线电极框架结构的正面示意图；图2(b)是线电极框架结构的侧面示意图。
图3是加工示意图。其中图3(c)是加工中线电极框架与工件示意图；图3(d)是加工区的放大示意图。
图1中标号名称：1、机床本体，2、Z轴，3、线电极框架，4、微尺度线电极，5、工件，6、工件夹具，7、电解液，8、电解液槽，9、XY两维数控工作台，10、压电陶瓷，11、电流传感器，12、脉冲电源，13、计算机，14、螺钉，15、电压放大器。
图2中的标号名称：16、线电极框架的沟槽结构，17、线电极框架的缺口结构，18、线电极框架的定位孔，19、可导电的螺钉。
具体实施方式
根据图1所示，本发明的微尺度线电极电解加工装置，由以下部分组成：
(1)、包含机床本体1、Z轴2、压电陶瓷10、XY两维数控工作台9、计算机13、电压放大器15等能实现三自由度移动的数控机床；
(2)、由安装在XY数控工作台9，上的电解液槽8，以及固定在电解液槽中的工件夹具6及工件5。电解液7充满电解液槽8，浸没工件；
(3)、缠绕在一种线电极框架结构3中的线电极4被上下两个可导电的螺钉19两端固定住，并使线电极4保持一定的张力。用两个螺钉14把此线电极框架结构3通过其上的定位孔18连接到机床的Z轴2上；
(4)、脉冲电源12的正极通过金属导线和工件5相连；脉冲电源12的负极通过金属导线和线电极框架结构上的可导电的螺钉19相连；
(5)、实现加工实时数据采集与伺服控制的电流传感器11和计算机系统13。
根据图1，图2和图3所示，为了实现微米尺度的线电极精确而又方便地装夹在Z轴上，与工件产生X、Y、Z的多维数控相对运动，而且又要保证运动台与通电的线电极之间绝缘，所以采用绝缘材料制作了了一种线电极框架结构3作为线电极的载体。并且，通过螺钉与定位孔的配合来确定线电极与高深宽比工件的初始位置，保证线电极与工件的宽度方向平行，与加工的深度方向垂直。此外，不能直接通过金属导线把微米尺度线电极和脉冲电源的负极连接起来，所以本发明在线电极框架结构的上下两端采用两个导电性能良好的螺钉，既可以有效的固定线电极，又可以把脉冲电源的负极连接到微米尺度的线电极上。
用微尺度线电极去电解加工高深宽比微细结构的时候，由于侧面间隙通常缩小到微米级甚至是亚微米级，如果加工中的电解产物不能顺利排出，新的电化学反应离子无法及时补充，则经常的出现短路现象，使加工无法持续进行。利用压电陶瓷片的压电效应产生一个与进给平面始终垂直的微幅振动，可明显改善加工区内的流场，保证加工的顺利进行，并且也提高了加工效率。
下面结合图1、图2和图3说明本发明的方法，实施过程依次经过以下几个步骤：
1、参考图2，用有机玻璃等绝缘材料制作线电极框架结构3，在此结构上有沟槽16、缺口结构17和定位孔18。将1微米到10微米左右的钨丝或铂丝作微米尺度线电极4，将其缠绕在线电极框架3的沟槽16里，用上下两个可导电的螺钉19两端固定线电极，并使线电极保持一定的张力。处于缺口17的那部分线电极就是电解加工时的有效线电极部分。
2、参考图1，将带有线电极4的框架结构3通过螺钉14和定位孔18固定到机床的Z轴上。
3、参考图1，将工件5固定到工件夹具上6，将工件夹具固定到电解液槽8中，在电解液槽8中充满电解液7浸没工件5。再将整个电解液槽8平放在XY两维数控工作台9上。
4、参考图1，将脉冲电源12设置为对刀参数，用导线将电源12的负极与螺钉19相连，将电源12的正极与工件5相连。驱动Z轴2运动，直到使处于缺口结构17的那部分线电极4与工件5的边缘短路现象发生，此时计算机系统13通过电流传感器11采集到电流的突变，既控制Z轴2停止对刀运动，并且回退数微米作为微尺度电解加工的初始间隙。
5、编制所要加工零件的图形文件，用计算机插补出一系列线电极和工件相对运动轨迹数据点坐标值，保存成数据点坐标文件。
6、参考图1和图3，将脉冲电源12设置为加工参数，计算机系统13从轨迹数据文件中依次读出线电极和工件相对运动的数据点坐标值，控制XYZ轴运动，工件5在电解液7中发生电化学阳极融解，微米尺度的线电极4将工件切割成型。
7、参考图1和图3，加工过程中，计算机13，控制电压放大器15输出一定频率的脉冲电压，驱动压电陶瓷片10产生微小幅度的往复振动。通过线电极框架结构3的传递，线电极4在加工进给的过程中，附加与进给平面始终垂直的微幅振动。
8、参考图1，加工中的电流信号通过电流传感器11实时采集到计算机系统13中，作为伺服进给控制的依据，可以有效地防止短路现象的发生。
9、加工完成后，计算机13控制XYZ轴数控运动台按照所切割图形文件的反向插补轨迹运动，使线电极4退出工件5，即获得所需的微细结构。
Claims (4)
1、一种微尺度线电极电解加工方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)、使微尺度线电极通过线电极框架准确定位在数控机床Z轴上，将电解液槽固定在数控工作台上，工件通过工件夹具固定在电解液槽中，并使电解液充满电解液槽，浸没工件；
(2)、利用高频窄脉宽电解加工电源作为电解电源，使正极接通工件，负极接通微尺度线电极，同时，通过电流传感器采集线电极与工件发生短路时的电解电流突变，发生电流突变时，控制Z轴停止对刀运动，退回初始位置；
(3)、利用金属在电解液中发生电化学阳极溶解的原理，通过微尺度线电极的X、Y、Z三轴数控运动将工件切割加工成型；
(4)、在微尺度线电极电解加工过程中，利用微振动装置使线电极框架带动微尺度线电极产生垂直其进给方向的微小幅度的往复振动，以排除电解产物，并使新的电化学反应离子及时补充到加工区。
2、一种用于微尺度线电极电解加工的微振动线电极系统，其特征在于：它包括安装在数控机床的Z轴上线电极框架(3)，安装在线电极框架(3)上的微尺度线电极(4)，以及使线电极框架(3)带动微尺度线电极(4)产生垂直其进给方向微小往复振动的由电压放大器(15)和压电陶瓷片(10)所组成的微振动装置，且计算机(13)控制电压放大器(15)输出脉冲电压，驱动压电陶瓷片(10)产生微小幅度的往复振动。
3、根据权利要求2所述的用于微尺度线电极电解加工的微振动线电极系统，其特征在于：所述的压电陶瓷片(10)与数控机床Z轴刚性连接，压电陶瓷片(10)的振动方向与微尺度线电极(4)的进给方向始终垂直，其产生的振动通过Z轴传递给电极框架(3)，再传递给微尺度线电极(4)。
4、根据权利要求2或3所述的用于微尺度线电极电解加工的微振动线电极系统，其特征在于：所述的线电极框架(3)下端有一个用于限制微尺度线电极(4)位置的沟槽(16)、在沟槽(16)中部有一个加工中可以容纳工件的缺口结构(17)，在线电极框架(3)两侧面分别有一个用于固定微尺度线电极(4)的导电螺钉(19)，在线电极框架(3)上还有用于把线电极框架定位到机床Z轴上的定位孔(18)。
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