CN105215487A - 一种面向非导电硬脆材料的微细高效加工方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于复合微细加工领域，公开了一种面向非导电硬脆材料的微细高效加工方法及装置。本发明加工方法将超声振动、电解、电火花、高速钻铣削等加工方法有机的结合在一起，完成非导电微结构的加工；即将工件、工具电极和辅助电极浸入电解液中，辅助电极与工具电极发生电解反应，接负极的工具电极表面析氢形成绝缘气膜，超声振动的空化作用有利于工具电极表面气膜的产生和均匀化，加工时，工具电极与工件表面的电解液发生火花放电击穿气泡膜，由此产生的高温蚀除非导电工件材料。本发明加工装置包括机床床身、电解-电火花加工单元、超声振动工作台和进给工作台；由于螺旋形工具电极的高速旋转及工件的超声振动，间隙流场能高效更新电解液。本发明具有高效率、高精度及成本低等优点，非常适合非导电硬脆材料的微细加工。
Description
技术领域
本发明属于复合微细加工领域，涉及一种面向非导电硬脆材料的微细高效加工方法及装置。
背景技术
硬脆材料等难加工材料的微细加工有传统加工及特种加工技术两大类。传统机械加工常用金刚石车削、精密磨削及精密研磨等加工方法，但是传统机械加工在加工硬脆材料时往往很难获得良好的加工效果，加工周期及生产成本高；残余应力及微裂纹往往使加工后的零件报废。特种加工在微精加工中具有独特的优势，不受工件硬度影响、残余应力小、工具损耗小等优点使其特别适合硬脆材料的微细加工，因而硬脆材料的微细加工往往使用特种加工或复合加工。
硬脆材料的特种加工技术通常使用微细电火花加工、微细电解加工、辅助电极电火花加工、微细激光束加工及微细超声加工，或者采用多种加工装置组合而成的微细复合加工等，这些加工方式在硬脆材料的微细加工中发挥着重要的作用，但是也有一定的局限性。微细电火花和微细电解加工硬脆材料都要求工件导电，并且加工效率不高，工作液或者电解液更新缓慢，排屑效率低；辅助电极电火花加工虽然可以加工非导电硬脆材料，但是其排屑困难，加工效率不高；微细超声加工对于硬度高的材料加工效率较低，且精度不高。
公开号为“CN1400077A”的中国发明专利公开了一种动压轴承装置的制造方法及动压轴承装置，其内容是利用超声波振动发生装置对电解液给予超声波振动激励进行电解加工，加工精度良好。此专利应用范围有限，主要用于动压轴承的高精度凹槽加工，很难实现零件的微细加工；另一方面因其加工利用电解原理，要求工件导电，限制了推广使用。
公开号为“CN101972874A”的中国专利公开了一种电解电火花切削复合微细加工装置及其加工方法，其内容是利用加工电极和非导电待加工工件可物理接触的特点，引入切削加工，使其成为一种新的电解电火花切削复合微细加工，但这种加工方法仍存在宏观切削力，容易产生微裂纹及热应力。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足，提供一种面向非导电硬脆材料的微细高效加工方法及装置。
本发明是通过以下技术方案实现的。
一种面向非导电硬脆材料的微细高效加工方法，其特征是：在超声激励的同时进行微细电解-电火花加工，对非导电硬脆材料进行微精去除加工；工具电极做高速旋转，工件沿主轴方向做超声振动，工具电极与工件浸没在电解液中；加电加工时，在电解液中的工具电极与辅助电极发生电解作用，接负极的工具电极周围产生电解氢气泡，由于超声的空化作用，气泡将会均匀分布在工具电极周围，然后工具电极与非导电工件表面电解液产生微细电火花放电作用击穿气泡膜，利用电火花加工产生的高温将工件材料去除，同时工具电极的高速旋转所带动的间隙流场能高效更新电解液。
上述一种面向非导电硬脆材料的微细高效加工方法，其特征是：电解-电火花加工电源采用直流高频脉冲电源，电源正负极分别与工件及工具电极连接；工件沿主轴轴向做超声振动；工具电极是螺旋形，并与主轴通过精密螺纹连接，主轴采用电主轴，转速为0-50000r/min；辅助电极采用石墨电极；工具电极及工件的相对运动可实现X、Y和Z方向的移动。
一种面向非导电硬脆材料的微细高效加工装置，包括机床床身、电解-电火花加工单元、超声振动工作台和进给工作台；进给工作台安装在机床床身上，超声振动台固定连接在进给工作台上，工件固定在超声振动台上；电解-电火花加工单元包括主轴、工具电极、辅助电极、电解-电火花电源，主轴垂直于超声振动台放置；超声振动工作台包括超声波电源、超声换能器、变幅杆、及振动圆盘；其特征是：进给工作台具有X和Y两个自由度，主轴具有Z方向的移动；超声振动工作台与工件固定连接，将超声振动传递给工件，驱动工件沿主轴轴向进行超声振动；主轴采用电主轴，转速为0-50000r/min。
本发明将微细超声辅助电解-电火花加工有机复合在一起，依靠工具电极与辅助电极电解产生的气泡，并通过工件超声振动的空化等作用形成均匀的气膜，工具电极与工件表面的电解液放电击穿气膜，达到去除工件材料的目的；工具电极的高速旋转有效加快电解液的更新和加工产物的排除，工件的超声频振动使得工具电极周围气泡均匀化，并且能优化间隙电场，使加工过程更加稳定，在显著提高加工效率的同时，降低生产成本，有效提高加工精度和表面质量。
附图说明
图1为本发明装置示意图；
图2为本发明工件超声振动对气泡分布的影响图。
图中：1—主轴、2—工具电极、3—电解液、4—工件、5—振动圆盘、6—变幅杆、7—超声波换能器、8—进给工作台、9—超声波电源、10—辅助电极、11—电解-电火花电源、12—电流传感器、13—数字存储示波器、14—控制计算机。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明的三个最佳实施例。
实施例一：
一种面向非导电硬脆材料的微细高效加工方法—超声电解-电火花微细加工，用微细电解-电火花加工带有超声激励的工件；电解-电火花加工单元的电源采用直流高频脉冲电源；工具电极是螺旋形的，并且在加工时高速旋转。
超声电解-电火花微细加工装置，包括电解-电火花加工单元、超声振动工作台和进给工作台等。电解-电火花单元由主轴1、工具电极2、电解液3、工件4、进给工作台8、辅助电极10及电解-电火花电源11组成；其中工具电极2、辅助电极10和工件4浸没在电解液3中；工具电极2接电源的负极，辅助电极10接电源正极；主轴1具有Z方向的位移，并且可以高速旋转，进给工作台8可以实现X和Y两个方面的位移及转动。超声振动工作台包括超声波电源9、超声波换能器7、变幅杆6和振动圆盘5；其中工件4通过精密螺栓固定在振动圆盘5上，振动圆盘5与变幅杆6使用精密螺栓连接；超声波电源9发出信号经超声波换能器7将电信号转变成机械振动，再经变幅杆6放大，将超声振动传递给振动圆盘5和工件4。电解-电火花加工单元及超声振动振动工作台的控制，加工过程中的进给运动，主轴转速的调整，超声振动的启动时间等均由控制计算机14控制。对非导电硬脆材料加工时，非导电工件4沿主轴1方向做超声振动，电解-电火花电源11采用直流高频脉冲电源，首先工具电极2与辅助电极10在电解液3中发生电解反应，工具电极2采用钨针，电解液3采用的是20％的氢氧化钾溶液，工具电极2周围析出氢气，形成氢气泡，工件4的超声振动使工具电极2周围的气泡分布均匀化，形成厚度一致的气膜；由于气膜的阻隔、绝缘，工具电极2与工件4表面的电解液之间形成放电通道击穿气泡膜，瞬时的高温将工件材料以气化、熔化等方式去除工件材料，螺旋形工具电极2的高速旋转及工件4的超声振动带动电解液3的快速更新，进而使排屑大大加快，减少阻塞，大大提高了加工效率和加工质量。
图2中反映，工件4的超声振动对于工具电极2周围气泡分布的影响。工件4不振动时，气泡分布散乱，不均匀，有些地方气泡少，有的地方气泡多，给加工带来影响；工件4超声振动时，气泡在工具电极2周围分布均匀，形成气膜，有利于后续的加工过程。
实施例二：
电解-电火花电源11采用直流脉冲电源，电解液3采用氢氧化钠溶液，其他如实例一。
实施例三：
工具电极2采用钢针，变幅杆6与振动圆盘5、振动圆盘5与工件4之间均采用粘接固定连接，其他如实例一。
本发明方法具有低电压放电的高精度，还可获得良好的表面质量等优点；本发明方法使工件做超声振动，使得加工过程更加稳定，工件的超声振动及螺旋电极的高速旋转，大大提高了加工效率；本发明方法在加工机理上，容易实现微细、精密、高效加工，并且生产成本低；本发明方法尤其适合非导电硬脆材料的微细加工，有利于提高加工精度和表面质量，加工效率高，可适应大批量生产。
Claims (5)
1.一种面向非导电硬脆材料的微细高效加工方法，其特征是：在超声激励的同时进行微细电解-电火花加工，对非导电硬脆材料进行微精去除加工；工具电极(2)做高速旋转，工件(4)沿主轴(1)方向做超声振动，工具电极(2)与工件(4)浸没在电解液(3)中；加电加工时，在电解液(3)中的工具电极(2)与辅助电极(10)发生电解作用，接负极的工具电极(2)周围产生电解氢气泡，由于超声的空化作用，气泡将会均匀分布在工具电极(2)周围，然后工具电极(2)与非导电工件(4)表面电解液(3)产生微细电火花放电作用击穿气泡膜，利用电火花加工产生的高温将工件(4)材料去除，同时工具电极(2)的高速旋转所带动的间隙流场能高效更新电解液。
2.根据权利要求1所述的一种面向非导电硬脆材料的微细高效加工方法，其特征是：电解-电火花电源(11)采用直流高频脉冲电源，电源正负极分别与工件(4)及工具电极(2)连接。
3.根据权利要求1所述的一种面向非导电硬脆材料的微细高效加工方法，其特征是：工件(4)沿主轴(1)轴向做超声振动；高速旋转的工具电极(2)是螺旋形，工具电极(2)与主轴(1)通过精密螺纹连接，主轴(1)采用电主轴，转速为0-50000r/min。
4.根据权利要求1所述的一种面向非导电硬脆材料的微细高效加工方法，其特征是：辅助电极(10)采用石墨电极，工具电极(2)及工件(4)的相对运动可实现X、Y和Z方向的移动。
5.一种面向非导电硬脆材料的微细高效加工装置，包括机床床身、电解-电火花加工单元、超声振动工作台和进给工作台(8)；进给工作台安装在机床床身上，超声振动台固定连接在进给工作台(8)上，工件(4)固定在超声振动台上；电解-电火花加工单元包括主轴(1)、工具电极(2)、辅助电极(10)、电解-电火花电源(11)，主轴(1)垂直于超声振动台放置；超声振动工作台包括超声波电源(9)、超声换能器(7)、变幅杆(6)及振动圆盘(5)；其特征是：进给工作台(8)具有X和Y两个自由度，主轴(1)具有Z方向的移动；超声振动工作台与工件(4)固定连接，将超声振动传递给工件(4)，驱动工件(4)沿主轴(1)轴向进行超声振动。
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