大气压冷等离子体射流中电火花加工方法与流程

本发明涉及一种在大气压冷等离子体射流中电火花加工的方法，属于机械加工及工具领域。

背景技术：

加工介质是电火花加工系统的重要组成部分，对电火花加工的生产效率、加工质量、成本以及环保安全等方面具有重要的影响。电火花加工中目前广泛应用的为液体介质，主要分为电火花加工油和去离子自水。液中电火花加工的通病是电极损耗较大。此外，用电火花加工油作为工作液，存在着火灾隐患，加工中分解的气体对环境有污染，加工完成之后，需要用丙酮等有机溶剂对工件进行清洗。以去离子水替代电火花加工油作为工作液，获得了较大的放电间隙和较高的加工速度，但水作为工作液加工中还存在着电解电流，会直接影响到加工精度。1997年，有学者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。并且，该介质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，电火花加工用工具电极一般需要在线制作，直径通常也在100μm以下。在线加工出外径低于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有的气流。这使得利用气中电火花加工微细结构较难实现。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％)。将大气压下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。而关于以大气压下冷等离子体射流作为电火花加工介质的相关研究，至今未见报道。

技术实现要素：

本发明提供了一种以大气压冷等离子体射流作为加工介质的电火花加工方法，设备简单、使用方便、对环境没损害。可在相同加工能量下，获得较去离子水和气体中表面质量更好的加工表面，以及较去离子水中更低的电极损耗。

本发明的技术方案：

一种大气压冷等离子体射流中电火花加工方法，所用的设备为电火花加工机床与冷等离子体射流发生装置；

电火花加工机床包括大理石床身1、XYZ三轴联动运动平台2、脉冲发生器3、旋转主轴4、工具电极5、工件7和工件夹持装置8；

冷等离子体射流发生装置包括冷等离子体射流发生器6、高压电源9、气体质量流量控制器10、减压阀11和工作气源12；高压电源9的高压输出端和低压输出端分别与冷等离子体射流发生器6对应的电极相连；工作气体由工作气源12经过减压阀11和气体质量流量控制器10通入冷等离子体射流发生器6；工作时，打开工作气源12的阀门，调整减压阀11进而调节进入气体质量流量控制器10的压力，调整气体质量流量控制器10，使工作气体以设定的流量进入冷等离子体射流发生器6中；开启高压电源9，逐渐提高输出电压，调整放电频率，直到冷等离子体射流发生器6的出口产生稳定的冷等离子体射流13；调整冷等离子体射流发生器6的位置，使待加工区域完全淹没在冷等离子体射流13中；开启电火花加工用脉冲发生器3和控制计算机14，控制计算机14将运动指令传递给XYZ三轴联动运动平台2和旋转主轴4，XYZ三轴联动运动平台2和旋转主轴4的根据运动指令在工件7上加工出特定的结构与特征。

本发明的有益效果：本发明中所用大气压冷等离子体射流宏观温度低至室温或略高于室温，不会对待加工区域金属材料表面造成热损伤。其中富集大量的离子、电子、激发态原子、分子及自由基等活性粒子，可能使得工件与电极之间的火花放电更易发生，增大放电间隙。放电间隙的增大，可能会改善极间的放电状态，加工屑更易排出，短路率降低，加工效率提高。因此，可以在保留气中电火花加工电极损耗率低的前提下，获得比气中更高的加工效率。

附图说明

图1是大气压冷等离子体射流中电火花加工的装置示意图。

图2是分别在大气压冷等离子体射流、氮气射流、去离子水中电火花加工的表面粗糙度(Ra)对比图。

图3是分别在大气压冷等离子体射流、氮气射流、去离子水中电火花加工的电极损耗长度对比图。

图中：1大理石床身；2XYZ三轴联动运动平台；3脉冲发生器；

4旋转主轴；5工具电极；6冷等离子体射流发生器；7工件；

8工件夹持装置；9高压电源；10气体质量流量控制器；11减压阀；

12工作气源；13冷等离子体射流；14控制计算机。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

本发明涉及一种大气压冷等离子体射流中电火花加工方法，使用此方法的设备为电火花加工机床与冷等离子体射流发生装置。

电火花加工机床包括大理石床身1、XYZ三轴联动运动系统2、脉冲发生器3、旋转主轴4、工具电极5、加工工件7、工件夹持装置8。

冷等离子体射流发生装置包括冷等离子体射流发生器6，高压电源9，气体质量流量控制器10、减压阀11、工作气源12。

进行电火花加工前，按照附图将这些设备分别连接：高压电源9的高、低压输出端分别与冷等离子体射流发生器6对应的电极相连；工作气体由工作气体源12经过减压阀11和气体质量流量控制器10通入冷等离子体射流发生器6；工作时，打开工作气源12的阀门，调整减压阀11的压力使得进入气体质量流量控制器10的压力合适，调整气体质量流量控制器10，使工作气体以合适的流量进入冷等离子体射流发生器6中；开启高压电源9，逐渐提高输出电压，调整放电频率，直到冷等离子体射流发生器6的出口产生稳定的冷等离子体射流13；调整冷等离子体射流发生器6的位置，使待加工区域完全淹没在冷等离子体射流13中。开启电火花加工用脉冲发生器3和控制计算机14，控制计算机14将运动指令传递给XYZ三轴联动运动系统2和旋转主轴4，XYZ三轴联动运动系统2和旋转主轴4的根据运动指令即可在工件7上加工出特定的结构与特征。加工结束后，依次关闭高压电源9、工作气源12的阀门、气体质量流量控制器10、脉冲发生器3和控制计算机14。

实施例

将结合电火花铣削微细槽实验为例，说明以冷等离子体射流作为电火花加工介质的特性。工具电极材料为坞，工件材料为H62黄铜，工作气源采用纯度为99.999％的高纯氮气。分别在冷等离子体射流、氮气射流、去离子水中进行电火花微细槽加工实验。脉冲电源为RC脉冲电源。脉冲电源开路电压设置为80V，电容值分别设置为3300pF、8200pF。调整减压阀11输出压力为0.3Mpa，调整气体流量质量控制仪10，使得进入冷等离子体发生器6的气体流量为15slm。调整冷等离子体发生器6的位置，使工具电极5的端部和工件7的待加工区域完全浸没在冷等离子体射流13中，并且确保冷等离子体发生器6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14，开动机床进行电火花放电加工。在以氮气射流为加工介质时，加工中短路率非常高以至于在某一点发生连续短路后，持续加工5分钟，电极仍在该位置附近徘徊，而放电信号也一直处于连续短路状态，停止加工后观察加工表面，电蚀产物堆积非常严重，表面质量非常差，因此认定加工失败。图2为相同的工具电极材料、工件材料、放电参数，不同的加工介质中，加工表面的粗糙度Ra值。鉴于在氮气射流中的两次实验均因为连续短路而失败，并未完全走完所有加工轨迹完成指定加工，并且从扫描电子显微镜中可以明显观察到加工表面质量较冷等离子体射流和去离子水中差，因此并未进行粗糙度Ra值测量。从图2中可以看出，在该实验条件下，使用大气压冷等离子体射流作为放电加工介质，可以获得更好的加工质量。图3为相同的工具电极材料、工件材料、放电参数，不同的加工介质中，电极损耗长度实验结果。由于在氮气射流中的两次实验均因为连续短路而失败，并未完全走完所有加工轨迹完成指定加工，因此并未进行电极损耗长度测量。从图3中可以看出，冷等离子体射流中工具电极分别延长了0.1μm、0.4μm，但是本实验用机床的重复定位精度为1μm，因此可认为冷等离子体射流中电火花加工的工具电极几乎未损耗或延长，这有利于提高电火花的加工精度。而在同等条件下的去离子水中加工时，工具电极分别损耗了5.1μm、3μm。因此综上可以认为冷等离子体射流中电火花加工，可以获得较去离子水中和气中更好的表面质量；比去离子水中更低的电极损耗并由此带来的更高的加工精度。