专利名称：利用超声振动的电火花研磨抛光方法及设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种利用超声振动的电火花研磨抛光方法及设备，属于电火花加工领域，适用于碳钢、合金钢、硬质合金以及其它导电材料制作的模具研磨与抛光。
在模具制造中，研磨和抛光是主要的工序之一，目前，使用整体磨具或分散磨料的超声波研磨抛光设备，缩短了研磨抛光工时，能使工件最终粗糙度降到Ra0.1μm以内。但是，超声波加工对脆性材料有较高生产率，而对于韧性的金属及其金合加工效率很低。为了提高研磨抛光粗糙表面的效率，利用超声波振动的电火花研磨抛光方法和设备，用火花放电来蚀除金属工作，达到研磨抛光的目的。目前电火花加工中利用超声波振动的方法有以下三种1、工具电极与工件之间的放电由放电间隙伺服控制装置来维持，工具电极的超声频振动仅起搅拌工作介质，促进排屑的作用。这种方法仅应用在微小孔电火花成型加工或电火花线切割加工中，对于成型加工，其加工电极要相似于所加工的形状。
2、使工具电极超声频振动，周期地接触工件，当电极与工件之间距离处于放电距离时，产生火花放电蚀除工件。这种方法当电极与工件接触时，由于无短路控制将流过较大的短路电流，甚至会在工件表面产生烧伤的疵点。
3、采用超声频信号控制脉冲发生的调制电路，这可见发明专利申请87101455聚晶金刚石电火花超声波复合加工设备，其加工方法是在工具与工件之间加入磨料，工具产生超声频振动，工具缩短时进行电火花放电，而在工具伸长时进行单纯的超声波加工。这种方法的特点是在每一个超声频振动周期T内，1/2T用于电火花加工，而在工具伸长时进行单纯的超声波加工。这种方法的特点是在每一个超声频振动周期T内，1/2T用于电火花加工，另1/2T进行单纯的超声波加工，可用于聚晶金刚石材料的加工。当被加工工件材料是韧性的金属及其合金时，由于有一半时间是单纯的超声波加工，加工效率仍然很低。
本发明的目的是提供一种利用超声振动，不用放电间隙伺服装置，不在加工间隙添加磨料能对超声振动周期T内因工具电极与工件接触而产生的短路进行控制的高效率电火花研磨抛光方法和设备。
本发明的加工方法构思是第一步在工具电极与被加工工件之间构成的放电间隙内加入液体工作介质;第二步超声换能器缩短时，使连接在超声换能器上的工具电极离开工件形成放电间隙;第三步在上述工具与工件之间加入电火花放电脉冲，产生火花放电蚀除工件表面;第四步超声换能器伸长时，使工具电极伸长并接近工件，工具与工件之间仍然加入电火花放电脉冲，继续产生火花放电，使工件蚀除;第五步换能器伸长到使工具电极接触工件产生短路时，停止输出电火花放电脉冲，上述第二步至第五步循环反复进行以达到提高电火花研磨抛光效率的目的。
本发明的加工方法采用以下的方式实施，超声发生器输出的超声频电振荡通过换能器转换为超声频机械振动，使连接其上的工具产生伸长和缩短，同时用超声发生器输出的超声频信号控制短路控制器，产生短路控制信号，使电火花脉冲发生器在大于二分之一超声频周期的时间内输出脉冲，而在工具和工件短路时停止输出脉冲。
本发明的设备方案是由超声频振荡器、缓冲器、超声功率放大器、阻抗匹配器、调谐回路、超声换能器、变幅杆和工具电极组成超声波发生器和超声频振动系统;由主振级、脉冲波形合成器、脉冲控制器、脉冲前置放大器和脉冲功率放大器组成电火花脉冲发生器;脉冲控制器的输入端连接有一个能使放电脉冲在大于12超声波振动周期内输出，而在工具电极和工件相接触瞬间停止的短路控制器。
本发明实施例结合附图加以进一步说明。
图1为本发明设备的原理方框图;
图2为第一种短路控制器组成框图;
图3为第一种短路控制器的信号波形图;
图4为第二种短路控制器电路原理图;
图5为第二种短路控制器信号波形图;
图6为脉冲功率放大器电路原理图。
由图1所示，超声频振荡器1产生中心频率为20KHz至40KHz之间的电振荡，经缓冲器2、超声功率放大器3、阻抗匹配器4和调谐回路5加到超声换能器6上，使超声频电振荡转换成相同频率的机械振动。再经变幅杆7放大振幅后推动工具电极8振动，同时，脉冲发生器的主振级10产生频率为100KHz至KHz的脉冲，经脉冲波形合成器11变换成同频率的脉宽为0.2μs至4.0μs的窄脉冲，然后通过脉冲控制器12输出受控的成组窄脉冲，经脉冲前置放大器13和脉冲功率放大器14向由工具电极8和被加工工件15组成的放电间隙输出放电脉冲。同时，由阻抗匹配器4或调谐回路5输出的超声频振动信号经短路控制器9变换成与超声频振动同步的控制信号，以此信号控制脉冲控制器12，使放电脉冲在大于1/2T的时间内输出，而在电极与工件接触的瞬间停止输出，从而既提高了电火花研磨抛光的效率，又防止了出现短路电流。超声波发生器可以是自激式，也可以是他激式。发生器的频率可以采取手动调节，也可以是自动跟踪。本发明采取频率自动跟踪的他激式超声波发生器，输出功率为10-50W。
图2所示，第一种方案的短路控制器9由两级延时单稳电路16、17连接而成，由阻抗匹配器4输出的超声频方形波周期T控制短路控制器，使短路控制器9输出的控制信号的发生时间和宽度与周期T相对应，以此信号控制脉冲控制器12。图3为其波形图，由阻抗匹配器4输出的信号Vin经延时单稳电路16延时时间t1，并使t1满足0＜t1＜ 1/4 T，得到信号V1，信号V1再经延时单稳电路17延时时间to，并使to满足 1/4 T-t1＜t0＜ (T)/2 -t1得到控制信号Vo，由Vo来控制脉冲控制器12，使在to时间内停止输出放电脉冲。适当选择延时时间t1和to，就能使工具电极与工件接触瞬时正是在to时间内，避免了在工具电极和工件之间流过短路电流，而且只要t1＞0，就能使t0＜ (T)/2 ，也即实现在大于1/2T的时间内输出放电脉冲。
图4所示的第二种方案短路控制器9由二极管D1，电阻R1、电容C1构成的峰值测量回路、R2和R3组成的分压电路，输出电阻R4及电压比较器IC组成，输入电阻R4与IC的反相端连接，峰值测量回路经R2和R3的分压电路与IC同相端连接，由调谐回路5输出的超声基波Vin的幅值控制短路控制器，使短路控制器输出的控制信号的发生时间和宽度与超声频基波的幅值相对应，以此信号来控制脉冲控制器12。图5为其波形图。调谐回路5输出的正弦波电压Vin经二极管D1、电阻R1、和电容C1构成的峰值测量回路得到Vin的峰值电压，再经R2、R3分压取得V1作为比较电压输入电压比较器IC同相端，电压Vin还经电阻R4输入到IC的反相端。当反相端的输入电压低于V1时，电压比较器IC输出Vo为高电平，控制脉冲控制器12使放电脉冲输出。当反相端输入电压高于V1时，IC输出Vo为低电平，使放电脉冲停止输出。根据上述原理，工具电极与工件接触的瞬时，必定发生在低电平时间t0内。调节电阻R2，改变比较电压V1值，使满足t0＜ 1/2 T，即可实现以超声基波幅值控制短路控制器，使电火花脉冲发生器在大于1/2T的时间内输出放电脉冲。
脉冲功率放大器由图6所示，图中FET为MOS功率管，该功率管工作在线性放大区，具有恒流特性。R5为源极负反馈电阻。电阻R6和电容C2组成阻容吸收回路。电阻R7和二极管D2组成放电间隙负波吸收回路。E为脉冲功率放大器的直流电源，其电压在30V-40V之间。由于本发明采用的功率放大器工作在线性放大区，具有恒流特性，并采用低电压直流电源，同现有技术中采用的高电压的集电极或漏极输出回路，或者射极或源极输出回路相比，明显地提高了功率放大器的效率，降低了对功率管的耐压要求，改善了加工性能和工作可靠性、操作安全性。特别是当某种偶然因素造成工具电极与工件短路时，其短路电流的峰值也与正常工作时的脉冲电流值相当，进一步防止了因短路电流产生的表面缺陷，提高了表面加工质量。
本发明与现有技术相比具有以下优点1、短路控制器有效地防止了短路电流的产生，因此不需要采用火花间隙伺服控制系统，就能稳定地进行电火花加工，防止工作表面烧伤，使本发明既可可用于机械操作的研磨抛光设备，也可用于手工操作的研磨抛光设备。
2、由于采用了短路控制器，实现了在大于二分之一超声频振动周期T的时间内进行电火花加工，即在超声换能缩短和伸长的时候均可进行电火花研磨，因而研磨淬火钢的效率比只在超声换能器缩短时才能加工提高了工效三分之一以上，并且加工区域内不必添加昂贵的金刚石磨料。比现有超声波抛光机使用金刚石整体工具的研磨效率高一至二倍，所以对于难以用超声波研磨的高硬度、韧性的金属工件加工非常有利。
3、由于不必添加磨料，在电规准转换时无须清洗工件，研磨复杂型腔、窄槽、深孔等型而更为方便。
4、可以采用黄铜等导电材料制作的简单形状的工具电极来加工复杂型面，工具电极制作和修正极为容易，而且电极的损耗对加工清度影响很小，可以研磨宽1mm深30mm以上窄槽。
5、电火花研磨后再利用该设备现有超声波发生器和振动系统，使用简单形状的工具进行单纯超声波研磨，能迅速地使粗糙度降低到Ra0.1μm以内。
权利要求
1.一种利用超声振动的电火花研磨抛光方法，其步骤是(1)在工具电极与被加工工件之间构成的放电间隙内加入液体工作介质；(2)超声换能器缩短时，使连接在超声换能器上的工具电极离开工件形成放电间隙；(3)在上述工件与工具之间加入电火花放电脉冲，产生火花放电蚀除工件表面；(4)超声换能器伸长时，使工具电极伸长并接近工件，工具与工件之间仍然加入电火花放电脉冲，继续产生火花放电，使工件蚀除；(5)换能器伸长到使工具电极接触工件产生短路时，停止输出电火花放电脉冲；(6)循环反复上述2-5的步骤。
2.一种利用超声振动的电火花研磨抛光设备，它包括由超声频振荡器1，缓冲器2、超声功率放大器3、阻抗匹配器4、调谐回路5、超声换能器6、变幅杆7和工具电极8组成超声波发生器和超声频振动系统;由主振级10、脉冲波形合成器11、脉冲控制器12、脉冲前置放大器13和脉冲功率放大器14组成电火花脉冲发生器;脉冲控制器12的输入端连接有一个能使放电脉冲在大于1/2超声波振动周期内输出，而在工具电极与工件相接触瞬间停止输出的短路控制器9。
3.根据权利要求2所述的利用超声振动的电火花研磨抛光设备，其特征在于，用超声频信号的周期T控制短路控制器9产生短路控制信号。
4.根据权利要求2所述的利用超声振动的电火花研磨抛光设备，其特征在于，由超声频信号的基波幅值控制短路控制器9产生短路控制信号。
5.根据权利要求2所述的利用超声振动的电火花研磨抛光设备，其特征在于，短路控制器由两级延时单稳电路连接而成。
6.根据权利要求2所述的利用超声振动的电火花研磨抛光设备，其特征在于，由二极管D1、电阻R1和电容C1组成的峰值测量回路经电阻R2和R3的分压电路与电压比较器IC的同相端连接，由输入电阻R4与电压比较器IC的反相端连接，组成一个短路控制器。
7.根据权利要求2所述的利用超声振动的电火花研磨抛光设备，其特征在于，脉冲功率放大器采用工作在线性放大区的MOS功率管，R5为源极反馈电阻，电阻R6和电容C2组成阻容吸收回路，电阻R7和二极管D2组成放电间隙负波吸收回路，直流电源电压选用在30-40V之间。
8.根据权利要求2所述的利用超声振动的电火花研磨抛光设备，其特征在于，超声波发生器的频率在20KHz-40KHz之间，输出功率为10-50W。
9.根据权利要求2所述的利用超声振动的电火花研磨抛光设备，其特征在于，脉冲发生器主振级产生频率为100KHZ至200KHZ的脉冲，经脉冲波形合成器变换成同频率的脉宽为0.2μSk至4.0μS的窄脉冲。
全文摘要
本发明涉及利用超声振动的电火花研磨抛光方法及设备，它是利用超声换能器伸长缩短时进行电火花加工，而只在工具与工件短路瞬时停止加工的方法。本发明设备包括低压恒流窄脉宽脉冲发生器、超声波发生器和短路控制器、利用超声波信号的周期或幅值使短路控制信号只在电极与工件接触瞬间停止脉冲，因此，提高了工效，防止了短路，改善了工件表面质量，可广泛用于由碳钢、合金钢、硬质合金等导电材料制作的模具的研磨抛光。
文档编号B24B1/04GK1054927SQ9110736
公开日1991年10月2日 申请日期1991年4月13日 优先权日1991年4月13日
发明者陈钟燮, 许亦先 申请人:机械电子工业部苏州电加工机床研究所