CN1864903A - 化学蚀刻辅助电火花加工头 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种化学蚀刻辅助电火花加工头，其特征在于，该加工头包括一体部(2)，一电极(4)穿过该体部延伸，并且该体部限定一沿径向围绕该电极(4)延伸的反电极(14)，所述体部(2)包括将电解液供给到由该电极(4)和该反电极(14)限定的空间中的装置(6)。
Description
技术领域
本发明涉及一种化学蚀刻辅助电火花加工头。本发明具体地涉及一种用于在非导电材料如玻璃板中加工孔的加工头。
背景技术
在1968年，首次公开了利用电解液中的电化学反应产生的放电在玻璃板中钻小直径的孔。这种已知的方法从那时起一直进行改进。目前，该方法包括使待加工玻璃板浸入由例如苛性钠NaOH形成的浓度为30％的电解槽中。在形成阴极的蚀刻工具和与该电解液接触但是与工作区域相距一定距离的阳极反电极之间施加通常在25V和40V之间的恒定电压。在蚀刻工具上形成的氢气泡通过聚结而集中，并形成覆盖电极的气膜。发生在该气膜内部的放电局部腐蚀玻璃。
上述方法具有需要将必须加工的部件的整个表面浸入电解液中的缺点。像苛性钠这种液体腐蚀性非常强，并且如果溅到眼睛里非常危险。在必须处理具有宽大表面的大尺寸部件的工业化过程中，这一方法将需要使用大容积的电解槽和管理大量的电解液，这使得该方法的操作条件苛刻且危险。
从Nippon平板玻璃有限公司名义下的日本专利No.JP 92-34629中可知一种用于通过电化学放电在玻璃板中钻孔的方法和装置。该装置主要包括直线棒形式的工作电极，该电极被设置成与待加工的玻璃板齐平的环形反电极环绕。一筒状管道将电解液滴入由反电极限定的环形空间中。过量的电解液溢出反电极边缘的顶部，并向其顶部表面设置有待加工玻璃板的容器排放。
有利地，上述装置意味着不必将整个待加工玻璃板浸入电解槽，并因而减少了使用的电解液量。从而减小了电解液溅射的危险。但是，这只是一种难以转化成工业规模的实验性装置。实际上，如何使由电极和反电极形成的组件能够被移动以在玻璃板上其它位置加工孔是难以想象的。相反地，可以设想在保持电极/反电极组件静止不动的同时移动玻璃板。这一方案也不是非常便利，因为这将在玻璃板相对于反电极进行相对运动时浪费电解液。
发明内容
本发明的一个目的是通过提供一种加工头来克服上述及其它缺点，该加工头允许大尺寸玻璃板以符合工业要求的速度被处理，同时优化电解液的使用并使电解液在工作区域内的散布最少。
因此，本发明涉及一种化学蚀刻辅助电火花加工头，其特征在于，该加工头包括一体部，一电极穿过该体部延伸，并且该体部限定一沿径向围绕该电极延伸的反电极，所述体部包括用于将电解液供给到由该电极和该反电极限定的空间中的装置。
由于这些特征，本发明提供一种主要由可以进行三维移动的体部形成的化学蚀刻辅助电火花加工头。因此，可以设想在保持大的玻璃板固定不动并且仅仅精确地移动加工头的同时加工该玻璃板，这赋予本发明的加工头很大的使用灵活性。而且，电解液被限制在由沿径向围绕该电极延伸的反电极限定的空间中，因此使用的电解液的量较低，并且减少了所述电解液溅射的危险。
根据本发明的一个补充特征，该加工头还包括用于排放使用后的电解液的装置。
这一特征确保本发明加工头的使用更加安全，因为电解液在使用后被立即排放。因而避免了任何与电解液接触的危险。而且，电解液的受压流动使得工作区域中的电解液不断更新，并因而确保电火花加工方法的物理化学参数具有良好的稳定性。
根据本发明的另一特征，电解液的排放流量大于电解液的供给流量。
因此，不仅可以排放用过的电解液，而且可以排放加工方法中产生的气体。而且，如果待加工的玻璃板被浸入水中，则将在排出用过的电解液的同时排出工作区域附近的水，从而使电解槽的水恒保持清洁。
根据本发明的一个优选实施例，反电极具有围绕电极设置的回转体部件的形状，并且一个最外侧的部分确保抽取电解液时对电解液进行限制并且不具有导电功能。在本发明的加工头中，电解液仅存在于紧邻由电极的与待加工玻璃板相对的端部限定的工作区域处。因而反电极必须靠近工作电极，否则反电极不能执行其电化学功能。因此，利用其回转体形状，反电极非常靠近该电极，并因而执行限制和监测电解液围绕工作区域的流动的功能。
附图说明
在下文的对根据本发明的加工头的实施例的详细说明中，本发明的其它特征和优点将变得更明显，该示例仅通过结合附图的非限制性举例给出，其中：
图1是本发明加工头的第一角度的透视图；
图2是本发明加工头的不同于第一角度的第二角度的透视图；
图3是本发明加工头的分解透视图；
图4是本发明加工头的正视图；
图5是图4所示加工头的俯视图；
图6是本发明加工头的剖视图；
图7是本发明加工头的另一透视图；
图8是连接到泵和控制监测计算机上的加工头的示意图；以及
图9A-9C示出工作电极的各种实施例。
具体实施方式
本发明源于提供可以进行三维移动的化学蚀刻辅助电火花加工头这一总的创造性思想，它可以容易地、精确地并且以符合工业规模生产的速度加工大的玻璃板。而且，在本发明的优选变型中，该加工头设置有用于供给和排放电解液的装置，它可以使所用的电解液的数量减少并避免任何电解液溅射的危险。
下面将参照在玻璃板中加工孔或腔体来说明本发明。当然，本发明不限于该材料，并且本发明可应用于在任何类型的非导电材料如塑料材料、陶瓷或半导体材料中钻孔。
本文所附的图1和2示出整体由总的参考标号1表示的根据本发明的加工头。该加工头1包括体部2，工作电极4延伸穿过该体部2。体部2设置有用于供给电解液的装置6和用于排放电解液的装置8，该电解液例如为苛性钠NaOH。加工头1的体部2通过固定支架10连接到三轴机器(未示出)的机架上。为此，固定支架10包括用于通过螺纹件进行装配的通孔12。
根据本发明的一种简化变型，体部2形成根据本发明的加工头1的阳极反电极。
根据本发明的优选实施例，该反电极为采取中空圆柱体形式的回转体形状的部件14。该部件14与该部件接合在其中的体部2相区别，并且沿径向围绕工作电极4设置。反电极14的端部被部分截平，以允许其电连接到电压源上。
如下文中将看到的，工作电极4必须能够在被电连接到与反电极14相同的电压源上时绕其自身转动。一个简单的技术方案是提供具有两个直线槽18并安装到—例如通过螺纹件20螺纹连接到—反电极14上的接触带16。在接触带16和反电极14之间设置有绝缘板22，以防止这两个部件之间的任何短路。形成在接触带16中的两个直线槽18将该接触带分为三个分部，其中间分部24比两个端部分部26宽。采取直线棒形式的工作电极4经过接触带16的端部分部26的顶部上方和中间分部24的下方，以便轻微地挤压并通过所述电极4和所述接触带16之间的摩擦形成电接触。用于将接触带16固定到反电极14上的螺纹件20还可以用于固定电连接线28，该电连接线28用于将工作电极4连接到电源30(见图8)上。
同样地，直接旋拧在反电极14中的螺纹件32可用于通过电线34将反电极14连接到电源30上。
最后，工作电极4可以通过联接件38由马达36(见图8)驱动转动。
工作电极4为可以由例如不锈钢或者甚至钨制成的圆柱形直线棒。钨材料具有导电性优良、熔点温度高以及耐化学性良好的优点。工作电极4的直径有利地在0.1mm和1mm之间。反电极14例如由镀镍钢制成以抵抗腐蚀。
现在我们将参考图3-7讨论根据本发明的加工头1的结构的细节。
加工头1的体部2为具有用于安装固定支架10的平面部40的基本为圆柱形的中空部件。为此，平面部40具有两个用于将所述支架10螺纹连接的孔42。体部2贯穿有两个通向体部2的内部空间且用于安装两个插入件48和50的孔44和46，电解液的供给管道52和排放管道54分别固定在该插入件上。这些管道52和54连接到泵56上，下文将参考图8对该泵进行详细说明。
体部2沿轴向接合在反电极14上，该反电极也是基本呈圆柱形的中空部件。体部2在反电极14上沿轴向固定不动，并靠接在朝向反电极14的顶端设置的环形台肩58上(见图6)。反电极14上在其高度上的一个位置处具有圆形槽60，在该圆形槽处形成有一个并且优选地多个规则间隔开的通孔62，该通孔62通向所述反电极14的内部空间。这些通孔62设置在这样的高度处，即，当体部2在反电极14上沿轴向固定不动时，形成在所述体部2中并且电解液从中流入的孔44位于与所述通孔62相同高度处。因而电解液可以沿圆形槽60流动并通过多个通孔62进入反电极14的内部空间。多个通孔62从而可使电解液更好地流动。而且，不需要指示反电极14在体部2中的位置以确保电解液供给孔44与将在反电极14中加工出的单个孔62相对。
反电极14比体部2高。从体部2突出的反电极14的部件64可具有用于旋拧在锁紧螺母68中的外螺纹66，该锁紧螺母迫使体部2抵靠在反电极14上并使体部2固定不动。
反电极14朝向底部具有减小的直径70，该直径70与体部2的内壁一起限定环形腔72，该环形腔与设置成穿过所述体部2的厚度以便排放电解液的孔46连通。
反电极14的底部具有向外倾斜的圆形边缘74和向内倾斜的圆形边缘76。在简化的实施例中，反电极14的圆形边缘可以是平直的。但是，这将使通过抽吸进行的电解液排放更困难。这是为什么设置为电解液自由通过留出较大空间的外侧倾斜边缘74的原因。同样，内侧边缘76也是倾斜的，以便为在电极4和反电极14之间建立的电场线提供尽可能大的分布表面，以防止尖端现象(tip phenomena)。希望防止电场线过度集中在可能发生电火花电-化学反应的反电极上。
最后，反电极14具有两个其中容纳有两个密封垫82和84的圆形槽78和80。这两个密封垫82和84的作用是防止通过供给孔44流入的电解液在加工头1内上升和下降。
在反电极14中加工用于插入电极4的小直径长孔可能较困难。这是为什么优选地在反电极14中加工较大直径的孔的原因，在该孔中将沿轴向插入用于电极4的引导组件86。引导组件86从底部到顶部顺序由以下部件组成：开孔底盘88，电解液可穿过该底盘流出并且在该底盘的中心设置有用于电极4通过的孔90；第一中间管件92，该管件92用作隔离件并在其高度上的一个位置处具有多个通孔94，该通孔94与用于电解液通过的反电极14的孔62和体部2的孔44相对；圆形中间隔离件96，该隔离件96贯穿有单独一个用于通过和引导电极4的中心孔98并从而防止电解液上升；仅用作隔离件的第二中间管件100；和贯穿有单独一个用于引导电极4的中心孔104的顶部圆形隔离件102。引导组件84通过其底盘88和弹性环87沿轴向锁止在反电极14内部，该底盘88靠接在设置于所述反电极14的内表面底部的台肩106上，该弹性环87容纳在形成于反电极14内壁中的圆形槽内。
最后，电极4沿轴向插入引导组件86内部。因而电极4在引导组件86内部同心地延伸，该引导组件86本身在反电极14内部同心地延伸，该反电极14本身在体部2内部同心地延伸。
根据本发明的一个优选实施例，工作电极4通过被引入由非导电材料如玻璃制成的套筒108内而与电解质绝缘，并且只有电极4的紧邻工作区域的端部是暴露的。因此，这确保工作电极4的与电解液接触的表面区域和反电极14的与同一电解液接触的表面区域之间的比率足够低，典型地为大约1∶100，以便根据本发明的加工头1可以制造成足够小的尺寸。可以设想用于使工作电极4与电解液绝缘的其它方法。例如，一种方法可以是将不导电的耐化学蚀刻涂层例如Teflon直接沉积在电极4上。然后可以将如此涂覆的电极4引入一金属管件中。
图8是连接到泵56和控制监测计算机110上的加工头1的示意图。待加工的玻璃板112布置在可以有利地填充有水的工作容器114中。电源30在电极4和反电极14之间提供电势差。有利地，反电极14接地并且阳极电极4和阴极反电极14之间的电势差约为-30V。可以设置两个不同的泵：一个用于向加工头1供给电解液，一个用于排放用过的电解液。但是，优选地，将使用单个蠕动泵56，该泵56包括分别连接到用于电解液的供给管道52和排放管道54上的两个级56a和56b。
当电解液被预热时加工较快。实际上，当电解液是冷的时，加工的启动可能会延迟几十秒，这对于根据本发明的加工头1的工业应用来说，会产生明显的问题。加工头1可以容易地适配成将预热的电解液直接供给到加工头1中。可以将加热体设置成直接结合在加工头1中，或者如图8所示，可以将加热体116设置在加工头1的外部但位于电解液供给管道52上的靠近加工头1处，以防止在所述电解液被加热的位置和工作区域之间的热损失。加热体116连接到由计算机100控制的电源118上。为了调节电解液的温度，可以在加工头1中有利地设置热传感器。
蠕动泵56的级56a吸取在容器120中的电解液，而所述泵56的级56b将用过的电解液排放到容器122中。
由计算机100控制的马达36驱动工作电极4转动。这种转动驱动确保更加规则地进行加工以及电解液在工作区域范围内更好地流动。最后，以图8中所示的虚线划入一个矩形内的加工头组件1可以通过三轴机器124进行三维移动，该三轴机器124也由计算机100控制。有利地，电极4和其玻璃套筒108可以缩回到加工头1中。这意味着即使加工头下降得太快，所述电极4及其套筒108也不会被损坏。还可以设想测量施加到加工头1中的由电极4及其套筒108形成的组件上的运动或力，以使加工头1的下降速度适应钻孔速度。
用过的电解液的排放流量可以大于工作区域中的电解液供给流量。可以通过选择直径不同的电解液供给管道52和排放管道54来获得这一流量差。因而在加工过程中产生的气体被排出，并且由于除了用过的电解液以外，还排放少量的受污染的水，所以待加工玻璃板浸入其中的水保持清洁。
可以设想工作电极4的端部的三个可选实施例。根据图9A中示出的第一变型，电极4具有平的端部。这一几何形状确保加工出的孔的底部是平的。但是，从场线集中这一点来说，它不是最优的。图9B示出的变型可以克服这一问题，其中，工作电极4的端部被切成尖头。场线通过尖端效应而集中。然而，加工出的孔的底部将具有与电极4的端部的形状互补的锥形。图9C中示出的第三变型提供工作电极的斜面端部。当电极4被驱动转动时，使场线集中的尖端效应有利地与获得具有平的底部的孔的可能性结合。
当然，本发明不限于刚才所说明的实施例，并且本领域技术人员可以在不偏离所附权利要求所限定的本发明范围的情况下设想各种简单的改变和变型。特别地，可将加热的笔型元件引入体部2或反电极14中。另一种方案可以是将加热体放入位于套筒108和管件92之间的空间中，同时在盘96和102中提供密封的通道。又一个方案可以是整个围绕体部2放置加热体。
Claims (24)
1.化学蚀刻辅助电火花加工头，其特征在于，该加工头包括一体部(2)，一电极(4)延伸穿过该体部，并且该体部限定一沿径向围绕该电极(4)延伸的反电极(14)，所述体部(2)包括用于将电解液供给到由该电极(4)和该反电极(14)限定的空间中的装置(6)。
2.化学蚀刻辅助电火花加工头，其特征在于，该加工头包括一反电极(14)，该反电极沿径向围绕一电极(4)设置并沿轴向接合在一体部(2)内，所述体部(2)包括用于将电解液供给到由该电极(4)和该反电极(14)限定的空间中的装置(6)。
3.根据权利要求1或2所述的加工头，其特征在于，该加工头还包括用于排放使用后的电解液的装置(6)。
4.根据权利要求3所述的加工头，其特征在于，电解液的排放流量大于所述电解液的供给流量。
5.根据权利要求1-4中的任一项所述的加工头，其特征在于，用于所述电极(4)的引导组件(86)沿轴向被引入所述反电极(14)中。
6.根据权利要求5所述的加工头，其特征在于，至少一个用于供给电解液的通孔(44)贯穿所述体部(2)，所述通孔(44)与形成在所述反电极(14)中的至少一个通孔(62)连通，该通孔(62)本身与形成在所述用于电极(4)的引导组件(86)中的至少一个通孔(94)连通。
7.根据权利要求6所述的加工头，其特征在于，第二孔(46)贯穿所述体部(2)以排放电解液，所述孔(46)与由所述体部(2)和所述反电极(14)限定的环形空间(72)连通。
8.根据权利要求6或7所述的加工头，其特征在于，所述引导组件(86)包括至少一个开孔底盘(88)和一中间隔离件(96)，在该底盘(88)的中心具有一用于通过电极(4)的孔(90)，该中间隔离件(96)贯穿有单独一个中心孔(98)以用于通过和引导所述电极(4)，在该底盘(88)和该中间隔离件(96)之间放置有一中间管件(92)，所述至少一个通孔(94)贯穿该中间管件(92)。
9.根据权利要求1-8中的任一项所述的加工头，其特征在于，所述电极(4)为一圆柱形棒。
10.根据权利要求9所述的加工头，其特征在于，所述电极(4)的端部是平的，或者被切成尖头或斜面。
11.根据权利要求9或10所述的加工头，其特征在于，所述电极(4)的直径在0.1mm和1mm之间。
12.根据权利要求9-11中的任一项所述的加工头，其特征在于，所述电极(4)是绝缘的，以便只在电极(4)的下端部与电解液接触。
13.根据权利要求12所述的加工头，其特征在于，所述电极(4)被引入电绝缘套筒(108)中。
14.根据权利要求12所述的加工头，其特征在于，所述电极(4)涂覆有耐电解产物蚀刻的非导电涂层。
15.根据权利要求13所述的加工头，其特征在于，它还被引入一金属管件中。
16.根据权利要求9-15中的任一项所述的加工头，其特征在于，所述电极(4)由不锈钢或钨制成。
17.根据权利要求1-16中的任一项所述的加工头，其特征在于，该加工头包括用于加热使用前的电解液的装置。
18.根据权利要求1-16中的任一项所述的加工头，其特征在于，在向该加工头(1)供给电解液的管道(52)上设置有加热体(116)。
19.根据权利要求1-18中的任一项所述的加工头，其特征在于，所述反电极(14)的底部具有向内倾斜的圆形边缘(76)。
20.根据权利要求19所述的加工头，其特征在于，所述反电极(14)的底部还具有向外倾斜的圆形边缘(74)。
21.根据权利要求1-20中的任一项所述的加工头，其特征在于，该加工头包括两个管道，即用于供给电解液的管道(52)和用于排放电解液的管道(54)，所述两个管道(52，54)在第一端连接到所述通孔(44，46)并在第二端连接到蠕动泵(56)的两个级(56a和56b)。
22.根据权利要求1-21中的任一项所述的加工头，其特征在于，所述电极(4)被驱动转动。
23.根据权利要求1-22中的任一项所述的加工头，其特征在于，所述电极(4)可沿轴向移动。
24.根据权利要求23所述的加工头，其特征在于，该加工头包括用于测量施加到所述电极(4)上的轴向运动或轴向力的装置。
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