一种提高大气压冷等离子体射流中电火花加工效率的装置的制作方法

本实用新型涉及一种提高大气压冷等离子体射流中电火花加工效率的装置，属于机械加工及工具领域。

背景技术：

加工介质对电火花加工的效率、质量、成本以及环境等方面具有重要的影响。电火花加工油和去离子自水等液体介质是目前电火花常用的加工介质，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，还需使用丙酮等有机溶剂对工件进行清洗。若以去离子水作为工作液，可以获得较大的放电间隙和较高的加工速度，但水作为工作液时加工中杂散腐蚀严重，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(KUNIEDA M,YOSHIDA M,TANIGUCHI N 1997.Electrical Discharge Machining in Gas.CIRP Annals-Manufacturing Technology[J],46:143-146.)。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，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)by External Blowing Mode Based on RC Pulse Generator[J]Advanced Materials Research 317-319:334-340.)。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。申请号为201610874299.2的实用新型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。因此可以采用其他辅助措施帮助去除电蚀产物，而关于这方面的相关研究，至今未见报道。

技术实现要素：

本实用新型旨在提出一种提高大气压冷等离子体射流中电火花加工效率的装置，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。一种提高大气压冷等离子体射流中电火花加工效率的方法利用同轴高速射流与冷等离子体射流组成的混合介质作为电火花加工介质，同轴高速射流的引入可以增大介质流量，加速电蚀产物的排出，从而改善极间状态，提高其加工效率。

本实用新型还提供了一种用于产生所述混合介质的装置，该装置结构简单、成本低廉、操作方便，使用安全可靠。

本实用新型的技术方案：

一种提高大气压冷等离子体射流中电火花加工效率的装置，在电火花加工机床基础上，增设冷等离子体射流与同轴高速射流复合发生装置；

所述的冷等离子体射流与同轴高速射流复合发生装置包括冷等离子体射流与同轴高速射流复合发生组件9、第一号气体质量流量控制器14、第一号减压阀15、高纯工作气源16、第二号气体质量流量控制器17、第二号减压阀18、高压气源19、高压电源20和万向固定支架21；

高纯工作气源16依次经第一号减压阀15和第一号气体质量流量控制器14进入冷等离子体射流与同轴高速射流复合发生组件9，再利用高压电源20对冷等离子体射流与同轴高速射流复发生组件9输入电压即生成冷等离子体射流10；高压气源19则依次经第二号减压阀18和第二号气体质量流量控制器17进入冷等离子体射流与同轴高速射流复合发生组件9生成同轴高速射流；冷等离子体射流10与同轴高速射流的混合即为混合介质11；通过万向固定支架21将冷等离子体射流与同轴高速射流复合发生组件9固定到电火花加工机床上，并利用其调节位置；

冷等离子体射流与同轴高速射流复合发生组件9，包括同轴高速射流喷嘴9-1、密封堵头9-2、端盖9-3、喷嘴中筒9-4、针电极9-5、绝缘喷嘴9-6和放电喷嘴9-7；喷嘴中筒9-4为圆筒结构，其中轴线上设有一个盲孔，用来安装针电极9-5，为了保证二者的同轴度和使用过程中针电极9-5不会滑落，二者间选用偏紧的过渡配合或过盈量较小的过盈配合；在此盲孔周围还均布有数个平行于喷嘴中筒9-4中轴线的通孔，用来通入高纯工作气体；喷嘴中筒9-4还设有垂直于其中轴线的通孔，该通孔不仅可以通过金属顶丝等配件将高压电源20的高压输出线与针电极9-5相连，还可以对针电极9-5进行进一步的固定与夹紧；喷嘴中筒9-4的前端设有内螺纹，后端设有外螺纹，前端的内螺纹与放电喷嘴9-7的外螺纹配合安装，放电喷嘴9-7是中空的回转体，为了对气流产生压缩作用，放电喷嘴9-7前端的内表面为圆锥面，前端的中心处有一通孔，作为放电喷嘴9-7的出口，喷射出等离子体射流10，安装时保证针电极9-5与放电喷嘴9-7的出口同轴，以保证产生稳定、均匀的冷等离子体射流；喷嘴中筒9-4后端的外螺纹则与端盖9-3前端的螺纹孔配合连接；端盖9-3为一个中空的圆筒状结构，其后端设有螺纹孔，后端的螺纹孔与第一号气体质量流量控制器14出口用气管及其配套接头相连；端盖9-3除了前后端各自的螺纹孔外，其还设有外螺纹与密封堵头9-2后端的螺纹孔连接固定；密封堵头9-2同样是中空的回转体结构，其前端的螺纹孔与绝缘喷嘴9-6的外螺纹连接，绝缘喷嘴9-6的结构与放电喷嘴9-7类似，其前端亦有一个位于中轴线上的通孔，用来确保不影响等离子体射流10的正常喷出，安装时保证该通孔与放电喷嘴9-7的出口同轴，同时为了保证密封性，安装绝缘喷嘴9-6时要旋转螺纹至其与放电喷嘴9-7接触；密封堵头9-2还设有2个与其中心轴线平行的走线槽，用以排布与针电极9-5相连的高压电源线和与放电喷嘴9-7相连的低压电源线；密封堵头9-2的外螺纹与同轴高速射流喷嘴9-1末端的螺纹孔配合安装；同轴高速射流喷嘴9-1位于冷等离子体射流与同轴高速射流复合发生组件9的最外围，其结构也与放电喷嘴9-7类似，也是中空的回转体结构；同轴高速射流喷嘴9-1中后端的内表面是圆柱面，前端的内表面是圆锥面，为了可以喷射出混合介质11或纯等离子体射流10，前端同样开设有位于中心轴线上的通孔，安装完成后该通孔应与放电喷嘴9-7的出口及绝缘喷嘴9-6的出口同轴；同轴高速射流喷嘴9-1的侧面还有一个垂直于其中心轴线的通孔，通过气管和配套的接头与第二号气体质量流量控制器17的出口相连，用于通入同轴的高压气体。

同轴高速射流喷嘴9-1、密封堵头9-2和端盖9-3对材料无特殊要求，采用可加工性好的材料即可，为了降低成本、减轻自重，一般选用常见的聚四氟乙烯、PMMA、尼龙等非金属材料。

针电极9-5要求材料导电性好、熔点高、耐热腐蚀性好，比如：钨棒、碳化钨等金属材料。

喷嘴中筒9-4和绝缘喷嘴9-6要求材料绝缘性良好，并且在温度超过200℃时绝缘性能不会明显下降，因此可选用PEEK、聚四氟乙烯等材料。

放电喷嘴9-7只要是导电性好、机械加工性能好的材料即可，可选用黄铜等。

一种提高大气压冷等离子体射流中电火花加工效率的方法，利用冷等离子体射流与同轴高速射流复合发生装置生成冷等离子体射流和同轴高速射流的混合介质；工作时，将工具电极接脉冲发生器的负极，工件连接脉冲发生器的正极，将冷等离子体射流和同轴高速射流的混合介质的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高速射流复合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为大气压冷等离子体射流与同轴高速射流组成。同轴高速射流的加入可以极大的提高加工介质的流量，从而加速电蚀产物的排出，改善极间状态，降低短路率，提高其加工效率。同轴高速射流对纯度没有要求，可以是任何无毒、非易燃易爆的压缩气体介质，普通的压缩空气即可，所以成本极其低廉；该混合介质可以保留冷等离子体射流中富集的大量离子、电子、激发态原子、分子等活性粒子，使得工件与电极之间的火花放电比在纯压缩气体射流中更易发生，获得较大的放电间隙，从而获得比纯压缩气体射流中更好的极间放电状态。因此，本实用新型可在相同加工能量下，以较低的成本获得较纯大气压冷等离子体射流中电火花加工更高的材料去除率，和较压缩气体中更好的表面质量。除此之外，该混合介质获取容易，对环境没有损害，其宏观温度低至室温或略高于室温，亦不会对待加工区域金属材料表面造成热损伤。

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是实施例中所用冷等离子体射流与同轴高速射流复合发生组件装配图及连接示意图。

图3是实施例中分别在氮气冷等离子体射流、氮气冷等离子体射流与同轴高速空气射流混合介质、氮气射流、氮气射流与同轴高速空气射流混合介质中电火花加工的材料去除率MRR对比图。

图4是实施例中分别在氮气冷等离子体射流、氮气冷等离子体射流与同轴高速空气射流混合介质、氮气射流、氮气射流与同轴高速空气射流混合介质中电火花加工的表面粗糙度Ra值对比。

图中：1机床基座；2控制计算机；3A/D转换卡；4极间状态检测装置；

5XYZ三轴联动运动平台；6脉冲发生器；7旋转主轴；8工具电极；

9冷等离子体射流与同轴高速射流复合发生组件；9-1同轴高速射流喷嘴；

9-2密封堵头；9-3端盖；9-4喷嘴中筒；9-5针电极；9-6绝缘喷嘴；

9-7放电喷嘴；10冷等离子体射流；11混合介质；12工件；

13工件夹持装置；14第一号气体质量流量控制器；15第一号减压阀；

16高纯工作气源；17第二号气体质量流量控制器；18第二号减压阀；

19高压气源；20高压电源；21万向固定支架。

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提高大气压冷等离子体射流中电火花加工效率的方法及其装置，所用的设备为电火花加工机床、冷等离子体射流与同轴高速射流复合发生装置。电火花加工机床包括：机床基座1、控制计算机2、A/D转换卡3、极间状态检测装置4、XYZ三轴联动运动平台5、脉冲发生器6、旋转主轴7、工具电极8、工件12、工件夹持装置13。

冷等离子体射流与同轴高速射流复合发生装置包括：冷等离子体射流与同轴高速射流复合发生组件9、第一号气体质量流量控制器14、第一号减压阀15、高纯工作气源16、第二号气体质量流量控制器17、第二号减压阀18、高压气源19、高压电源20、万向固定支架21。

冷等离子体射流与同轴高速射流复合发生组件9包括：同轴高速射流喷嘴9-1、密封堵头9-2、端盖9-3、喷嘴中筒9-4、针电极9-5、绝缘喷嘴9-6、放电喷嘴9-7。

进行电火花加工前，按照附图将这些设备分别连接：

按照附图2对冷等离子体射流与同轴高速射流复合发生组件9进行装配。喷嘴中筒9-4为圆筒结构，其中轴线上设有一个盲孔，用来安装针电极9-5，为了保证这二者的同轴度和使用过程中针电极9-5不会滑落，它们之间选用偏紧的过渡配合或过盈量较小的过盈配合；在此盲孔周围还均布有数个平行于喷嘴中筒9-4中轴线的通孔，用来通入高纯工作气体；喷嘴中筒9-4还设有垂直于其中轴线的通孔，该通孔不仅可以通过金属顶丝等配件将高压电源20的高压输出线与针电极9-5相连，还可以对针电极9-5进行进一步的固定与夹紧；喷嘴中筒9-4的前端设有内螺纹，后端设有外螺纹，前端的内螺纹与放电喷嘴9-7的外螺纹配合安装，放电喷嘴9-7是中空的回转体，为了对气流产生压缩作用，放电喷嘴前端的内表面为圆锥面，前端的中心处有一通孔，作为放电喷嘴9-7的出口喷射出等离子体射流10，安装时需保证针电极9-5与放电喷嘴9-7的出口同轴，以保证可以产生稳定、均匀的冷等离子体射流；喷嘴中筒9-4后端的外螺纹则与端盖9-3前端的螺纹孔配合连接；端盖9-3为一个中空的圆筒状结构，其后端设有螺纹孔，后端的螺纹孔与第一号气体质量流量控制器14出口用气管及其配套接头相连；除了前后端各自的螺纹孔外，端盖9-3还设有外螺纹与密封堵头9-2后端的螺纹孔连接固定；密封堵头9-2同样是中空的回转体结构，其前端的螺纹孔与绝缘喷嘴9-6的外螺纹连接，绝缘喷嘴9-6的结构与放电喷嘴9-7类似，其前端亦有一个位于中轴线上的通孔，用来确保不影响等离子体射流10的正常喷出，安装时保证该通孔与放电喷嘴9-7的出口同轴，同时为了保证密封性，安装绝缘喷嘴9-6时要旋转螺纹至其与放电喷嘴9-7接触；密封堵头9-2还设有2个与其中心轴线平行的走线槽，用以排布与针电极9-5相连的高压电源线和与放电喷嘴9-7相连的低压电源线；密封堵头9-2的外螺纹与同轴高速射流喷嘴9-1末端的螺纹孔配合安装。同轴高速射流喷嘴9-1位于冷等离子体射流与同轴高速射流复合发生组件的最外围，其结构也与放电喷嘴9-7类似，也是中空的回转体结构。中后端的内表面是圆柱面，前端的内表面是圆锥面，为了可以喷射出混合介质11或纯等离子体射流10，前端同样开设有位于中心轴线上的通孔，安装完成后该通孔应与放电喷嘴9-7的出口及绝缘喷嘴9-6的出口同轴；同轴高速射流喷嘴9-1的侧面还有一个垂直于其中心轴线的通孔，通过气管和配套的接头与第二号减压阀18的出口相连，用于通入同轴的高压气体。

待冷等离子体射流与同轴高速射流复合发生组件9装配完成后，将高纯工作气源16、第一号减压阀15、第一号气体质量流量控制器14、端盖9-3和高压气源19、第二号减压阀18、第二号气体质量流量控制器17、同轴高速射流喷嘴9-1按照附图所示的连接顺序通过气管及其配套接头连接。

冷等离子体射流与同轴高速射流复合发生组件9一旦组装完成，除非维修或者改造，一般不需要再拆卸，再装配，只需要一次装配，以后直接使用即可。冷等离子体射流与同轴高速射流复合发生组件9与第一号减压阀15、第一号气体质量流量控制器14、高压气源19、第二号减压阀18、第二号气体质量流量控制器17等配套供气系统和高压电源20以及万向固定支架21的连接或组装完成后，除非更换气源、维修或改造等特殊情况，一般也不需要重新连接，使用完毕后按顺序关闭设备，下次直接开机使用即可。

工具电极8安装到旋转主轴7上，旋转主轴7与XYZ三轴联动运动平台5相连；工件12安装于工件夹持装置13上，XYZ三轴联动运动平台5和工件夹持装置13均通过T型槽固定到到机床基座1上。冷等离子体射流与同轴高速射流复合发生组件9通过万向固定支架21与机床基座1相连，通过万向固定支架21调节冷等离子体射流与同轴高速射流复合发生组件9的位置和角度。

同轴高速射流喷嘴9-1、密封堵头9-2和端盖9-3对材料无特殊要求，采用可加工性好的材料即可，为了降低成本、减轻自重，一般选用常见的聚四氟乙烯、PMMA、尼龙等非金属材料。针电极9-5要求材料导电性好、熔点高、耐热腐蚀性好，比如：钨棒、碳化钨等金属材料。喷嘴中筒9-4和绝缘喷嘴9-6要求材料绝缘性良好，并且在温度超过200℃时绝缘性能不会明显下降，因此可选用PEEK、聚四氟乙烯等材料。放电喷嘴9-7只要是导电性好、机械加工性能好的材料即可，可选用黄铜等。

工作时，工件12和工具电极8分别与脉冲发生器6的正负极相连；针电极9-5和放电喷嘴9-7分别与高压电源20的高压输出端与低压输出端相连。

开启高纯工作气源16，调节第一号减压阀15使高纯工作气源16输出的高纯工作气体以合适的压力进入第一号气体质量流量控制器14，调节第一号气体质量流量控制器14至合适值，此时高纯工作气体就会以设定的流量进入端盖9-3，再经过喷嘴中筒9-4进入针电极9-5和放电喷嘴9-7组成的放电区域。此时，开启高压电源20，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10。开启高压气源19，调节第二号减压阀18和第二号气体质量流量控制器17至设定值，确保高压气源19输出的高压气体以合适的压力和流量从侧面进入同轴高速射流喷嘴9-1，此时在冷等离子体射流与同轴高速射流复合发生组件9的出口处便会形成混合介质11。通过万向固定支架21调节冷等离子体射流与同轴高速射流复合发生组件9的位置，确保混合介质11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。打开脉冲发生器6，调节至合适的加工参数，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根据运动指令在工件12上加工出特定的结构与特征，同时极间状态检测装置4会将检测到的放电信号经A/D转换卡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，以保证放电加工稳定进行。加工完成后，依次关闭高压电源20、高纯工作气源16、第一号气体质量流量控制器14、高压气源19、第二号气体质量流量控制器17、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，说明本实用新型对冷等离子体射流中电火花加工特性的影响。首先将实验设备按照图1、图2所示连接。本实施例中工具电极8的材料为钨，工件12的材料为H62黄铜，高纯工作气源16采用纯度为99.999％的高纯氮气，高压气源19采用空气压缩机，即实验中所用的同轴高速射流为压缩空气射流。电火花加工介质分别为氮气冷等离子体射流、氮气冷等离子体射流与同轴高速空气射流混合介质、氮气射流、氮气射流与同轴高速空气射流混合介质。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和电压80V电容3300pF。调整第一号减压阀15和第一号气体质量流量控制器14，使得进入冷等离子体射流与同轴高速射流复合发生组件9的气体流量为15slm。开启高压电源20，逐渐提高其输出电压，调整放电频率，直到冷等离子体射流与同轴高速射流复合发生组件9的出口产生稳定的冷等离子体射流10，开启高压气源19，调节第二号减压阀18和第二号气体质量流量控制器17使高速空气射流流量为47.5slm，产生混合介质11；通过万向固定支架21调整冷等离子体射流与同轴高速射流复合发生组件9的位置和角度，使待加工区域完全淹没在混合介质11中，并且确保同轴冷等离子体射流与同轴高速射流复合发生组件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，开动机床进行电火花放电加工。

图3为开路电压100V电容8200pF和开路电压80V电容3300pF下，在不同的加工介质中，材料去除率MRR对比，在氮气射流中的加工实验均因为连续短路而失败，因此并未进行材料去除率MRR计算，从图2中可以看出，同等放电条件下氮气冷等离子体射流和高速空气射流的混合介质中的材料去除率MRR与单纯的冷等离子体射流中的材料去除率MRR、氮气射流和高速空气射流的混合介质中的材料去除率MRR相比，均有大幅提升。

图4为开路电压100V电容8200pF和开路电压80V电容3300pF下，在不同的加工介质中，加工表面的粗糙度Ra值对比。由于在氮气射流中的加工实验均因为连续短路而失败，因此也并未进行粗糙度Ra值测量。从图3中可以看出，同样的放电条件下，氮气冷等离子体射流和高速空气射流的混合介质中的Ra与单纯的冷等离子体射流中的Ra相比虽有小幅上升，但仍远低于氮气射流和高速空气射流的混合介质中的Ra值。

因此使用大气压冷等离子体射流与高速空气射流的混合介质作为放电加工介质，可以获得比纯冷等离子体射流更高的加工效率，比氮气射流和高速空气射流的混合介质更好的加工质量。

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作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。