CN210125784U - 一种准干式高速电火花加工装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种准干式高速电火花加工装置，属于机械加工及工具领域。准干式高速电火花加工装置包括电火花加工机床、大气压冷等离子体射流发生装置、同轴喷雾射流发生装置和超声振动装置。加工前，将工件、工具电极与脉冲电源的对应极性相连，调整混合介质发生组件的位置，使工具电极的端部、工件的待加工区域，完全浸没在混合介质中。本实用新型提出了一种大气压冷等离子体射流中高速电火花加工方法，可在相同加工能量下，以低廉的成本获得远高于纯大气压冷等离子体射流中、大气压冷等离子体射流与同轴高速空气射流混合介质中的材料去除率。

Description

一种准干式高速电火花加工装置

技术领域

本实用新型涉及一种准干式高速电火花加工装置，属于机械加工及工具技术领域。

背景技术

电火花加工介质直接影响着该种加工工艺的效率、精度、表面质量以及环保等指标。工业上常用的电火花加工介质主要包括油基工作液与水基工作液。油基工作液加工精度高，但存在火灾隐患，加工过程中会释放出有害气体，加工过程中析出的碳会影响加工稳定性和效率；水基工作液不存在火灾隐患，但是加工中存在电解腐蚀，会严重影响加工精度，并且可能锈蚀机床。国枝正典等在1997年提出了气中电火花加工，即以压缩气体作为加工介质，其优点在于电极损耗率低。但加工中短路率非常高(KUNIEDA M,YOSHIDA M,TANIGUCHI N 1997.Electrical Discharge Machining in Gas.CIRP Annals-Manufacturing Technology[J],46:143-146.)。并且，气中电火花加工的所用工具电极多为管状电极。但在加工微细结构或特征时，工具电极的直径通常在100μm 以下，一般需要在线制作，在线制造出外径低于100μm的管状电极非常困难，即使可以在线制备，由于微小孔的节流效应，也难以通过直径低于100μm的微孔向加工间隙中通入足够加工所用的气流，这使得利用内喷气的方式进行气中电火花微细结构加工较难实现。其后，虽有学者采用外部通气的方式，进行气中电火花微孔加工研究，但效果欠佳，加工中短路率高，电极损耗严重(超过 30％)(LI L Q,ZHU G Z 2011.Investigate on Micro-EDM in Air(dry MEDM)byExternal Blowing Mode Based on RC Pulse Generator[J]Advanced MaterialsResearch 317-319:334-340.)。将大气压冷等离子体射流喷至电极与工件之间作为加工介质，可以获得与液中、气中电火花加工均不同的加工效果。专利号为 201610874299.2的专利介绍了一种基于冷等离子体射流的电火花加工方法，使用该方法加工时，极间状态、加工效率与工作气体流量息息相关，要获得较好的极间状态和较高的加工效率需要使用较大流量的高纯气体以去除加工中产生的电蚀产物，但若仅仅依靠用以产生冷等离子体射流的高纯气体，则成本甚高。专利201710023496.8提出了添加同轴高速空气射流的方式来提高大气压冷等离子体射流中的电火花加工效率，但是提高有限，未超过2倍。因此，必须采取其他辅助措施进一步提高大气压等离子体射流中的加工效率，而关于这方面的相关研究，至今未见报道。

实用新型内容

本实用新型旨在提出一种准干式高速电火花加工装置，该设备简单、成本低廉、对环境没损害，是一种可持续制造方法。一种准干式高速电火花加工装置在利用同轴喷雾射流与专利201610874299.2提出的大气压冷等离子体射流组成的混合介质作为电火花加工介质，并同时对工件施加超声振动。同轴喷雾射流的引入可以提高熔融电蚀产物的冷却速度，而超声振动的加入则可以提高电蚀产物的抛出效率，从而获得远高于专利201610874299.2和201710023496.8中所提出加工方法的放电加工稳定性与加工效率。

本实用新型的技术方案：

一种准干式高速电火花加工装置，所述的准干式高速电火花加工装置包括电火花加工机床、大气压冷等离子体射流发生装置、同轴喷雾射流发生装置和超声振动装置。

所述的电火花加工机床包括：机床基座1、控制计算机2、数据采集卡3、加工状态检测装置4、XYZ三轴联动运动平台5、脉冲电源6、旋转主轴7、工具电极8、工件10、工件夹持装置11和万向固定支架21；

所述的大气压冷等离子体射流发生装置包括：端盖9-3、喷嘴中筒9-4、针电极9-5、放电喷嘴9-7、气体质量流量控制仪12、调压阀13、高纯工作气源14、等离子体发生电源16；

本实用新型新增同轴喷雾射流发生装置包括同轴喷雾喷嘴9-1、过渡柱体 9-2、防水绝缘喷嘴9-6和喷雾射流发生组件15；喷雾射流发生组件15包括风扇 15-1、雾滴收集罩15-2、工作水源15-4、超声雾化片15-5、风扇支架15-6和蓄水箱15-7；

本实用新型新增的超声振动装置包括：超声波发生器17和超声波换能器18。

高纯工作气源14依次经过调压阀13和气体质量流量控制仪12进入混合介质发生组件9，再利用等离子体发生电源16对混合介质发生组件9施加电压即可生成冷等离子体射流20；喷雾射流发生组件15产生的喷雾介质施加到混合介质发生组件9中与冷等离子体射流20即可生成冷等离子体射流与同轴喷雾射流的混合介质19；通过万向固定支架21将混合介质发生组件9固定至机床基座1 上，并利用其调节位置；与此同时，保持超声波发生器17打开，即可将超声振动施加到工件10上。

同轴喷雾喷嘴9-1、过渡柱体9-2、防水绝缘喷嘴9-6均为中空回转类零件。过渡柱体9-2前后均设有内螺纹，通过后端的内螺纹与端盖9-3上的外螺纹连接；前部的内螺纹则用于安装固定防水绝缘喷嘴9-6。防水绝缘喷嘴9-6的外侧设有从头部开始的外螺纹，与同轴喷雾喷嘴9-1上的内螺纹连接。为了防止雾滴进入放电区域带来安全隐患，防水绝缘喷嘴9-6与过渡柱体9-2的连接部位必须处于防水绝缘喷嘴9-6与同轴喷雾喷嘴9-1连接部位之外。为保证持续的高绝缘性，防水绝缘喷嘴9-6应采用绝缘强度高且吸水率低的材料，比如：PEEK、聚四氟乙烯等。同轴喷雾喷嘴9-1和过渡柱体9-2对材料无特殊要求，采用成本低、自重轻、可加工性好的材料即可，一般选用聚四氟乙烯、PP、ABS、PMMA、尼龙等常见非金属材料。

超声雾化片15-5直接平置于蓄水箱15-7的底部，风扇15-1通过向风扇支架15-6与蓄水箱15-7相连，雾滴收集罩15-2置于蓄水箱15-7上方即可。

为了减少电解反应的发生，同轴高速射流的工作水源15-4最好选取去离子水、蒸馏水等高纯度水。

超声波换能器18尾部设有通孔，通过螺栓固定至工件夹持装置11上，前段则通过专用夹具固定工件10。超声波发生器17平置于工作台或者地面即可，通过配套电缆与超声波换能器18连接。

一种准干式高速电火花加工方法，利用大气压冷等离子体射流与本实用新型提出的同轴喷雾射流组成的混合物作为电火花加工介质，同时对工件施加超声振动；工作时，将工具电极接脉冲电源的负极，工件连接脉冲电源的正极，将冷等离子体射流和同轴喷雾射流组成的混合介质施加到工具电极和工件之间，调整喷嘴位置确保待加工区域完全淹没在混合介质中，并且在加工中不会与机床发生干涉。通过控制计算机将运动指令传递给机床运动平台，并根据加工反馈信号及时调整进给速度等。加工完成后关闭冷等离子体射流与同轴喷雾射流混合介质发生装置和电火花加工机床。

本实用新型的有益效果：本实用新型中所用混合介质由大气压冷等离子体射流与同轴喷雾射流组成。同轴喷雾射流的引入可以大幅提高熔融电蚀产物的冷却速度，有效地防止其重新粘附到加工表面或工具电极端部，与此同时超声振动的加入可以将冷却凝固之后的电蚀产物迅速从极间抛出，从而提高放电加工稳定性与加工效率。同轴高速射流的工作水源获取方便、价格低廉，实际加工中，用量亦非常少，因此成本很低；同轴喷雾射流中的雾状介质通过超声雾化片产生，超声雾化片的振动频率在MHz级别，该种方式产生的雾状液滴直径仅有数微米，非常适合电火花加工。由于高速等离子体射流和超声振动的存在，被喷雾射流冷却、凝固成金属颗粒的电蚀产物可以从放电间隙内迅速排出，因此该混合介质可以获得比专利201610874299.2、201710023496.8和 201720026465.3中更高的电蚀产物抛出效率、更稳定的加工过程，从而获得更高的材料去除率速度。

因此，本实用新型可在相同加工能量下，以低廉的成本获得比纯大气压冷等离子体射流中(专利201610874299.2)、大气压冷等离子体射流与同轴高速空气射流混合介质中(专利201710023496.8)更高的材料去除率。并且保留了专利201610874299.2和201710023496.8中介质制备容易、对环境没有损害、不会对待加工区域金属材料表面造成热损伤的优点。

附图说明

图1是本实用新型实施例中所用设备结构组成及连接示意图。

图2是实施例中所用混合介质发生组件9与喷雾射流发生组件15的装配图及连接示意图。

图3是实施例中分别在冷等离子体射流中(专利201610874299.2)、大气压冷等离子体射流与同轴高速空气射流混合介质中(专利201710023496.8)、施加了超声振动辅助的冷等离子体射流与同轴喷雾射流混合介质(本实用新型)中电火花加工的材料去除率MRR对比图。

图中：1机床基座；2控制计算机；3数据采集卡；4加工状态检测装置； 5XYZ三轴联动运动平台；6脉冲电源；7旋转主轴；8工具电极；9混合介质发生组件；9-1同轴喷雾喷嘴；9-2过渡柱体；9-3端盖；9-4喷嘴中筒；9-5针电极；9-6防水绝缘喷嘴；9-7放电喷嘴；10工件；11工件夹持装置；12气体质量流量控制仪；13调压阀；14高纯工作气源；15喷雾射流发生组件；15-1风扇；15-2 雾滴收集罩；15-3雾滴；15-4工作水源；15-5超声雾化片；15-6风扇支架；15-7 蓄水箱；16等离子体发生电源；17超声波发生器；18超声波换能器；19混合介质；20冷等离子体射流；万向固定支架21。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本实用新型的具体实施方式。

本实用新型涉及一种准干式高速电火花加工装置，所用设备包括：专利201710023496.8提出的电火花加工机床与大气压冷等离子体射流发生装置，以及本实用新型增设同轴喷雾射流发生装置与超声振动装置。

所述的电火花加工机床包括：机床基座1、控制计算机2、数据采集卡3、加工状态检测装置4、XYZ三轴联动运动平台5、脉冲电源6、旋转主轴7、工具电极8、工件10、工件夹持装置11；

所述的大气压冷等离子体射流发生装置包括：端盖9-3、喷嘴中筒9-4、针电极9-5、放电喷嘴9-7、气体质量流量控制仪12、调压阀13、高纯工作气源14、等离子体发生电源16；

本实用新型新增同轴喷雾射流发生装置包括：同轴喷雾喷嘴9-1、过渡柱体 9-2、防水绝缘喷嘴9-6、喷雾射流发生组件15；喷雾射流发生组件15包括：风扇15-1、雾滴收集罩15-2、工作水源15-4、超声雾化片15-5、风扇支架15-6、蓄水箱15-7；本实用新型新增的超声振动装置包括：超声波发生器17、超声波换能器18。

进行电火花加工之前，首先按照附图2对本实用新型新增同轴喷雾射流发生装置进行装配：同轴喷雾喷嘴9-1、防水绝缘喷嘴9-6上、过渡柱体9-2之间依次通过螺纹连接的方式安装固定，再利用过渡柱体9-2尾部的内螺纹与大气压冷等离子体射流发生装置的端盖9-3相连；超声雾化片15-5直接平置于蓄水箱 15-7的底部，风扇15-1通过向风扇支架15-6与蓄水箱15-7相连，向蓄水箱15-7 内注入工作水源15-4，工作水源15-4的液面超过超声波雾化片15-5上表面 20～50mm为宜，雾滴收集罩15-2置于蓄水箱15-7上方。

其次，按照附图1将这些设备分别连接：工件10和工具电极8分别与脉冲电源6的正负极相连；等离子体发生电源16的高压输出端与针电极9-5相连，其低压输出端则与放电喷嘴9-7相连；等离子体工作气体的供给回路为：高纯工作气源14→调压阀13→气体质量流量控制仪12→混合介质发生组件9；同轴喷雾射流的供给回路为：喷雾射流发生组件15→混合介质发生组件9。工具电极8 和工件10分别通过各自的专用夹具安装在旋转主轴7和超声波换能器18上，超声波换能器18则通过螺栓安装至工件夹持装置11上，进而固定于工作台上。

连接完成之后，打开超声波发生器17，使安装于超声波换能器18上的工件 10以超声频率振动。开启高纯工作气源14的阀门，调节调压阀13使高纯工作气源14输出的高纯工作气体以合适的压力进入气体质量流量控制仪12，调节气体质量流量控制仪12至设定值，此时高纯工作气体就会以设定的流量进入针电极9-5和放电喷嘴9-7组成的放电区域。此时，开启等离子体发生电源16，调节其电压和频率至合适值，便会在放电喷嘴9-7的出口处产生稳定的冷等离子体射流20。打开超声雾化片15-5的开关，可以利用超声振动将其上方的工作水源15-4 雾化成直径只有数微米的小液滴，从而在雾滴收集罩15-2内形成雾滴15-3，风扇15-1可以将雾滴收集罩15-2内形成的雾滴15-3吹入同轴喷雾喷嘴9-1中，形成喷雾射流，与冷等离子体射流20混合之后，即可在混合介质发生组件9的出口处形成冷等离子体射流与同轴喷雾射流的混合介质19，调节超声雾化片15-5 的驱动电流可以控制喷雾射流的流量。

调节混合介质发生组件9的位置，确保混合介质19可以完全覆盖加工区域并且不会在加工过程中与机床其他部位发生干涉。打开脉冲电源6，调节至所需的加工参数，开启控制计算机2将运动指令传递给XYZ三轴联动运动平台5和旋转主轴7，XYZ三轴联动运动平台5和旋转主轴7根据运动指令，完成相应的运动，从而在工件10上加工出特定的结构与特征，同时加工状态检测装置4 会将检测到的放电信号经数据采集卡3传递给控制计算机2，控制计算机2则根据放电信号即时调整运动指令，以维持合适的加工间隙，从而保证放电加工稳定进行。加工完成后，依次关闭等离子体发生电源16、高纯工作气源14、气体质量流量控制仪12、超声雾化片15-5、风扇15-1和控制计算机2。

实施例

将结合电火花铣削微细槽实验的实例，说明本实用新型对电火花加工速度的显著提升。首先将实验设备按照图1所示连接。本实施例中工具电极8的材料为钨，工件10的材料为H62黄铜，高纯工作气源14采用纯度为99.999％的高纯氮气，工作水源15-4为去离子水、超声波发生器17产生的频率在。电火花加工介质分别为冷等离子体射流(专利201610874299.2)、冷等离子体射流与同轴高速空气射流混合介质(专利201710023496.8)、冷等离子体射流与同轴喷雾射流混合介质(在此介质中加工时，同时在工件上施加超声振动)。脉冲电源类型选择为RC脉冲电源，加工能量分别设置为电压100V电容8200pF、电压80V电容3300pF和电压80V电容470pF。打开超声波发生器17(输出频率约 35kHz的信号)，使安装于超声波换能器18上的工件10以超声频率振动；调节调压阀13的出口压力和气体质量流量控制仪12的输出流量，使得进入混合介质发生组件9的气体流量为1500mL/min(标准状况下)。

开启等离子体发生电源16，逐渐提高其输出电压，调整放电频率，直到混合介质发生组件9的出口产生稳定的冷等离子体射流20；打开超声雾化片15-5，调整其驱动电流，使喷雾射流的流量为5mL/min，产生冷等离子体射流与同轴喷雾射流混合介质19。调整混合介质发生组件9的位置和角度，使待加工区域完全淹没在混合介质19中，并且确保混合介质发生组件9不会在加工过程中与机床其他部位发生干涉。此时即可将预先编制好的NC代码输入控制计算机2，执行电火花放电加工命令。

图2为开路电压100V电容8200pF、电压80V电容3300pF和电压80V电容470pF的放电参数下，在不同的介质中，材料去除率MRR对比。从图中可以发现，当加工能量为开路电压100V电容8200pF和电压80V电容3300pF时，施加了超声振动的冷等离子体射流与同轴喷雾射流混合介质(本实用新型)中的材料去除率MRR远高于相同条件下的冷等离子体射流(专利 201610874299.2)、冷等离子体射流与同轴高速空气射流混合介质(专利201710023496.8)，即使同冷等离子体射流与同轴高速空气射流混合介质(专利201710023496.8)相比，材料去除率MRR的提升已超过4倍。当加工能量为电压80V电容470pF时，由于能量太小，在冷等离子体射流(专利 201610874299.2)、冷等离子体射流与同轴高速空气射流混合介质(专利 201710023496.8)中无法正常加工，但是在施加了超声振动的冷等离子体射流与同轴喷雾射流混合介质(本实用新型)中却获得了非常高的材料去除率MRR，甚至远高于开路电压100V电容8200pF和电压80V电容3300pF能量下的冷等离子体射流(专利201610874299.2)、冷等离子体射流与同轴高速空气射流混合介质(专利201710023496.8)中的材料去除率MRR。

因此使用大气压冷等离子体射流与同轴喷雾射流的混合介质作为电火花加工介质与此同时对工件施加超声振动，可以获得比冷等离子体射流(专利 201610874299.2)、冷等离子体射流与同轴高速空气射流混合介质(专利 201710023496.8)中更高的材料去除率MRR。

申请人声明，本实用新型的上述实施例仅仅是为了清楚说明本实用新型所作的举例，而并非对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同特换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的范围之内。

Claims (2)

1.一种准干式高速电火花加工装置，其特征在于，所述的准干式高速电火花加工装置包括电火花加工机床、大气压冷等离子体射流发生装置、同轴喷雾射流发生装置和超声振动装置；

所述的电火花加工机床包括：机床基座(1)、控制计算机(2)、数据采集卡(3)、加工状态检测装置(4)、XYZ三轴联动运动平台(5)、脉冲电源(6)、旋转主轴(7)、工具电极(8)、工件(10)、工件夹持装置(11)和万向固定支架(21)；

所述的大气压冷等离子体射流发生装置包括：端盖(9-3)、喷嘴中筒(9-4)、针电极(9-5)、放电喷嘴(9-7)、气体质量流量控制仪(12)、调压阀(13)、高纯工作气源(14)、等离子体发生电源(16)；

所述的同轴喷雾射流发生装置包括同轴喷雾喷嘴(9-1)、过渡柱体(9-2)、防水绝缘喷嘴(9-6)和喷雾射流发生组件(15)；喷雾射流发生组件(15)包括风扇(15-1)、雾滴收集罩(15-2)、工作水源(15-4)、超声雾化片(15-5)、风扇支架(15-6)和蓄水箱(15-7)；所述的过渡柱体(9-2)前后均设有内螺纹，通过后端的内螺纹与混合介质发生组件(9)中端盖(9-3)上的外螺纹连接；防水绝缘喷嘴(9-6)和过渡柱体(9-2)之间螺纹连接，同轴喷雾喷嘴(9-1)套装于防水绝缘喷嘴(9-6)外部，与防水绝缘喷嘴(9-6)之间螺纹连接，再利用过渡柱体(9-2)尾部的内螺纹与大气压冷等离子体射流发生装置的端盖(9-3)相连；超声雾化片(15-5)直接平置于蓄水箱(15-7)底部，风扇(15-1)通过向风扇支架(15-6)与蓄水箱(15-7)相连，向蓄水箱(15-7)内注入工作水源(15-4)，雾滴收集罩(15-2)置于蓄水箱(15-7)上方即可；

所述的超声振动装置包括超声波发生器(17)和超声波换能器(18)；超声波换能器(18)尾部设有通孔，通过螺栓固定至工件夹持装置(11)上，前段则通过夹具固定工件(10)固定；超声波发生器(17)平置于工作台或地面即可，通过配套电缆与超声波换能器(18)连接。

2.根据权利要求1所述的准干式高速电火花加工装置，其特征在于：所述的防水绝缘喷嘴(9-6)采用绝缘强度高且吸水率低的PEEK或聚四氟乙烯；所述的同轴喷雾喷嘴(9-1)和过渡柱体(9-2)选用聚四氟乙烯、PP、ABS、PMMA或尼龙。

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