专利名称：基于力反馈控制进给系统的电化学放电加工装置与方法
技术领域：
本发明涉及一种特种加工领域内对非导电脆性材料进行微细加工的装置与方法，尤其涉及一种基于力反馈控制进给系统的电化学放电加工装置与方法。
背景技术：
近年来，非导电脆性材料，例如，各种玻璃、陶瓷等都得到了广泛的应用，玻璃材料具有耐化学腐蚀、透明、低导电率和良好的生物相容性等特征，从而被应用在微加速器、微反应器、微型泵、医疗器械和光学系统中；而陶瓷材料具有高强度、高硬度、耐高温、耐磨损、抗腐蚀、绝缘性好等优异性能，在机械电子、航空航天、化工机械、陶瓷发动机、生物陶瓷 和精密仪表等领域日益显示出广泛的应用前景，对非导电脆性材料加工技术的开发与研究已经受到世界各国的高度重视。与非导电脆性材料的其它加工方法相比，电化学放电加工(Electrochemical DischargeMachining,ECDM)技术具有较高的加工效率、宏观作用力小、表面质量高等优点，从而成为非导电脆性材料微细加工的理想方法。在电化学放电加工装置中，工具电极接电源的负极，辅助电极接电源的正极，电解质溶液多采用氢氧化钠(NaOH)或者氢氧化钾(KOH)等碱性电解质溶液，加工工件浸没在电解质溶液中，电解质溶液液面高于工件表面2mm左右，工具电极位于加工工件的上方并且工具电极的端部与工件表面保持接触或者位于工件表面的附近，工具电极的端部和辅助电极也同时浸入在电解质溶液中，当在工具电极和辅助电极之间施加电压之后，电解质溶液中便会有电解反应发生，在辅助电极发生的反应为4 (OH) — 2H20+202 i +4e，在辅助电极上生成氧气；在工具电极上发生的反应为2H20+2e — 2 (OH) +H2 个在工具电极上产生氢气泡，氢气泡生成以后会附着在工具电极的表面，并且随着气泡的增多而不断进行合并，最终在工具电极表面形成一个氢气膜，氢气膜对电极产生绝缘作用，因此在工具电极和电解质溶液之间形成电势差，当该电势差超过电火花放电的临界电压值以后，电火花放电现象就会发生。当工具电极和工件之间的距离小于25 μ m的时候，工件材料就会在不断放电产生的热量和化学腐蚀的作用下被蚀除。在利用电化学放电加工对非导电脆性材料进行打孔过程中，氢气膜不具有一个恒定的状态，加工不同深度表现出不一样的状态，从而导致材料去除率一直发生变化。为了提高电化学放电加工的加工效率和加工质量，需尽量保证工具电极进给速度等于孔深的加工速度，这对进给系统提出了重要的要求。电化学放电加工的常规进给方式一般包括恒速进给和重力进给，这些进给方式存在不少弊端。恒速进给，即机床主轴带动工具电极以恒定的速度进给。电化学放电加工的工作过程中，孔的加工速度不是恒定的，而是随着加工深度的增加不断下降。加工一定深度以后，当恒速进给设置的速度大于孔深的加工速度时，会造成工具电极的变形、破损以及工件的破裂；当恒速进给设置的速度过小时，加工效率低，而且会造成侧面放电剧烈、孔径扩大等不良现象，严重影响电化学放电加工的质量，因此恒速进给无法满足电化学放电加工的要求。重力进给是指施加一个恒定的力使工具电极和工件紧密接触的一种进给方式。虽然重力进给能保证进给速度等于孔加工的速度，但加工一定深度后，重力进给中工具电极紧贴工件，而电化学放电加工的放电发生在工具电极与电解质溶液之间，需要加工孔中工具电极端面与工件上孔底面之间有一定的电解质溶液和绝缘气膜间隙，重力进给无法提供电化学放电加工所需要的新鲜的电解质溶液和绝缘气膜间隙，工具电极端面加工很难继续进行，加工速度大幅度降低，工具电极侧面放电加剧，加工孔的质量下降。因此，本领域的技术人员致力于开发一种可以提高加工质量的电化学放电加工的方法。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明提出了一种基于力反馈控制进给系统的电化学放电加工装置与方法。本发明使用力传感器检测工具电极与工件的接触力信号，以检测到的接触力信号为进给系统的输入信号来控制电化学放电加工的进给过程。为实现上述目的，本发明提供了一种基于力反馈控制进给系统的电化学放电加工装置，包括电解质溶液、加工工件、工具电极、辅助电极、加工电源、机床数控系统、机床伺服系统，该加工工件为非导电脆性材料，如玻璃或者陶瓷，还包括力传感器、数据采集卡、工具电极与力传感器的安装夹具，所述力传感器的输出端与所述数据采集卡的输入端相连，所述数据采集卡的输出端连接到所述机床数控系统，所述力传感器用于检测所述工具电极和加工工件之间的接触力，并输出对应于所述接触力的电压信号到所述数据采集卡，所述数据采集卡用于对所述电压信号进行采样并将经过采样的所述电压信号传送到所述机床数控系统，所述机床数控系统将所述经过采样的所述电压信号转换为所述接触力，所述机床数控系统根据所述接触力控制所述机床伺服系统的进给速度。优选地，加工电源为脉冲直流电源。优选地，工具电极通过工具电极与力传感器的安装夹具安装在机床的Z轴的进给端。优选地，力传感器安装在机床的Z轴上。优选地，还包括放大器，所述力传感器的输出信号经放大器处理后接入数控系统。本发明所涉及的基于力反馈控制进给系统的电化学放电加工方法，是通过力传感器检测工具电极与工件之间的接触力，机床数控系统将此接触力与事先设定的参考力进行比较，进而通过机床伺服系统控制工具电极的进给或回退。这种控制方法既能保证进给速度近似等于孔深加工的速度，又能在加工速度很小的时候提供电化学放电加工所需要的新鲜的电解质和绝缘气膜间隙。本发明上述方法包括以下步骤(I)将力传感器安装在机床的Z轴上，将工具电极通过工具电极与力传感器的安装夹具固定在所述机床的Z轴的进给端，所述工具电极向加工工件以设定的速度进给，所述力传感器检测所述工具电极与所述加工工件之间的接触力，并输出与所述接触力对应的电压信号到数据采集卡；(2)所述数据采集卡对所述力传感器输出的所述电压信号进行采样；
(3)所述数据采集卡将经过采样的所述电压信号传送到所述机床的机床数控系统中，所述机床数控系统把经过所述采样的所述电压信号转换成所述接触力；(4)将所述接触力与设置的参考力进行比较，若所述接触力小于所述参考力，则所述机床伺服系统按照设置的进给速度控制所述机床的Z轴的进给；若所述接触力大于所述参考力，则所述机床伺服系统按照设置的回退速度控制所述机床的Z轴回退；(5)所述机床的Z轴的进给深度达到目标深度，进给系统停止；若所述机床的Z轴的进给深度未达到所述目标深度，则重复步骤(I) - (4)，直至达到所述目标深度。优选地，步骤(4)中，将该接触力与设置的参考力进行比较，若该接触力小于所述参考力，则机床伺服系统按照设置的进给速度控制机床Z轴的进给；若该接触力大于参考力，则机床伺服系统按照设置的回退速度控制机床Z轴回退，机床Z轴回退的距离为IO-20 u ITio与电化学放电加工的常规进给系统相比，基于力反馈控制进给系统的电化学放电 加工装置与方法的优点主要在于通过力反馈控制进给系统，避免了工具电极与工件之间接触力过大而引起工具电极变形、断裂而损坏，也能保证加工通孔时工件不会因为接触力过大而发生破裂等不良现象，这样很大程度上提高了电化学放电加工的工件表面质量。通过力反馈控制进给系统，设置了工具电极回退程序，保证了工具电极端面与工件上孔底面之间有一定的间隙，电解质溶液能在此间隙中循环，绝缘气膜也能在此间隙形成，加工过程中产生的加工屑在电解质溶液循环运动的作用下能够比较容易地排出，可以大大提高电化学放电加工的稳定性。采用力反馈控制进给后，采样频率比较高，系统的进给速度近似等于孔深的加工速度，而且使得电化学放电加工稳定进行，所以电化学放电加工的效率得到了很大提高。本发明的基于力反馈控制进给系统的电化学放电加工装置与方法在打孔过程中，当加工孔到达一定深度后，工具电极端面火花放电加工仍然能够比较稳定地进行，这样保证了加工区域的高温以及化学刻蚀加工稳定地进行，从而提高了加工的稳定性，加工孔的最大深度也得到了增加。根据本发明提供的方法，工具电极的端面与加工工件的表面保持位于加工工件上孔底面25μπι以内，保持了一定的加工间隙。本发明提出的基于力反馈控制进给系统的电化学放电加工装置与方法中，用力反馈控制进给系统来保证工具电极端面与工件上孔底面之间的间隙是本发明的核心。采用力反馈控制进给系统，保证了工具电极端面与工件上孔底面之间有一定的间隙，新鲜的电解质溶液容易进入此间隙中，绝缘气膜也能在此间隙形成，提高了工具电极端面气膜的稳定性，电化学放电加工端面放电能稳定地进行；采用力反馈控制进给系统，加工过程中产生的加工屑在电解质溶液循环运动的作用下能够比较容易地排出。在工具电极和辅助电极之间施加电压以后，工具电极上便有火花放电产生，采用力反馈控制进给系统，使工件始终处于电化学放电加工的范围之内，随着加工过程的不断进行，工件的材料不断被去除，当加工孔的深度超过常规进给方式的电化学放电加工所能到达的深度以后，工具电极端面放电仍能继续稳定进行，并且对工具电极侧面也有所抑制，从而有效地增加了电化学放电加工的稳定性和加工孔的最大深度。以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
图1是本发明的一个较佳实施例中基于力反馈控制进给系统的电化学放电加工装置的结构示意图；图2是本发明的一个较佳实施例中的工具电极和加工工件接触的示意图；图3是本发明的一个较佳实施 例中方法的流程图。
具体实施例方式如图1所示，在本实施例中，本发明的基于力反馈控制进给系统的电化学放电加工装置包括电解质溶液1、工具电极2、加工工件3、辅助电极4、电解液槽5、工具电极与传感器的安装夹具6、加工电源7、力传感器8、机床Z轴9、机床伺服系统10、机床数控系统11、数据采集卡12。其中，B处表示工具电极与加工工件的接触部(距离为25μπι左右)，电解质溶液I为氢氧化钠(NaOH)电解质溶液，工具电极2接电源负极，辅助电极4接电源正极，工具电极2和加工工件3同时浸没在氢氧化钠(NaOH)电解质溶液I中。在本实施例中使用脉冲直流电源作为加工电源7，加工电压为50V，频率为500Hz，占空比设置为50%，氢氧化钠(NaOH)溶液的质量浓度为30%，工具电极2材料为钨，电极直径为200μπι，力传感器8采用高精度应变传感器，并接上与之配套的放大器来处理信号，工件材料为Imm厚度的石英玻璃或微晶云母陶瓷。当加工电源7在工具电极2和辅助电极4之间施加电压以后，工具电极2表面有氢气泡产生，随着气泡的不断增多，气泡通过不断合并，在工具电极2表面形成气膜，由于气膜的绝缘作用使得在工具电极2和氢氧化钠(NaOH)溶液之间形成电势差，当该电势差超过临界电压值以后，在工具电极2和氢氧化钠溶液(NaOH)之间就会有火花放电发生，放电产生的热能和化学腐蚀将工件材料蚀除。此时，启动基于力反馈控制进给系统，在加工中保持工具电极端面和工件加工面的距离为25 μ m左右。力传感器8检测检测工具电极与工件的接触力信号，并输出与所述接触力对应的电压信号；数据采集卡12对力传感器输出的电压信号进行采样，采样频率为18kHz ;采样得到的电压信号引入到机床数控系统11中，机床数控系统11把此信号转换成原接触力的大小，传感器测量的接触力和机床数控系统转换得到的接触力误差范围在±5mN内，因此可认为二者等同；并将该接触力与设置的参考力进行比较，机床伺服系统10根据机床数控系统11提供的指令控制机床Z轴9的进给或回退，从而带动工具电极的进给或回退。如图2所示，是本发明的一个较佳实施例中的工具电极和加工工件接触的示意图，包括工具电极2、加工工件3、气膜13、气泡14、加工屑15。工具电极2表面有氢气泡14产生，随着气泡的不断增多，气泡通过不断合并，在工具电极2表面形成气膜13;本实施例中工具电极2端面与工件3上孔底面之间有一定的间隙，新鲜的电解质溶液容易进入此间隙中，绝缘气膜13也能在此间隙形成，提高了工具电极端面气膜的稳定性，电化学放电加工端面放电能稳定地进行；另一方面，加工过程中产生的加工屑15在电解质溶液循环运动的作用下能够比较容易地排出。如图3所示，基于力反馈控制进给系统的电化学放电加工方法的控制流程图中，力传感器检测工具电极与工件之间的接触力F，并输出与所述接触力对应的电压信号；数据采集卡对力传感器输出的电压信号进行采样；采样得到的电压信号引入到机床数控系统中，把该电压信号转换成对应的接触力，并将其与设置的参考力进行比较；若该接触力小于参考力，则系统按照设置的进给速度进给；若该接触力大于参考力，则系统按照设置的回退速度回退一定距离，机床Z轴回退的距离为10-20 μ m;当进给深度达到目标深度，进给系统停止；若系统的进给深度未达到目标深度，则继续加工，重复进给控制步骤，直至达到目标深度。在本发明中提出的基于力反馈控制进给的电化学放电加工装置与方法中，采用力反馈系统控制进给速度，保证了工具电极端面与工件上孔底面之间有一定的间隙，电解质溶液能在此间隙中循环，绝缘气膜也能在此间隙形成，提高了工具电极端面气膜的稳定性，让电化学放电加工的端面放电和化学刻蚀稳定地进行，并且加工过程中产生的加工屑在电解质溶液循环运动的作用下能够容易地排出。采用力反馈系统控制进给，使工件始终处于 火花放电的加工范围之内，随着加工过程的不断进行，工件的材料便被不断被去除，当加工孔的深度超过常规电化学放电加工所能达到的深度以后，工具电极端面放电仍能继续稳定进行，而且对工具电极侧面也有所抑制，从而有效地增加了电化学放电加工的稳定性和加工深度。实施过程中发现，0-300 μ m深度范围内基于力反馈控制进给的电化学放电加工方法与常规电化学放电加工方法的加工速度相差无几。但是当加工深度超过400 μ m以后，常规进给方式电化学放电加工中，由于加工间隙几乎为0，由于很难提供电化学放电加工所需要的新鲜的电解质溶液和绝缘气膜间隙，工具电极端面电化学放电加工很难继续进行，力口工速度大幅度降低，工具电极侧面放电加剧，加工孔的质量下降。然而基于力反馈控制进给的电化学放电加工深度超过400 μ m以后，由于具备电化学放电加工所需的新鲜的电解质溶液和绝缘气膜间隙，工具电极端面放电仍能继续稳定进行。以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
权利要求
1.一种基于力反馈控制进给系统的电化学放电加工装置，包括电解质溶液、工具电极、 辅助电极、加工电源、机床数控系统、机床伺服系统，其特征在于，还包括力传感器、数据采集卡、工具电极与力传感器的安装夹具，所述力传感器的输出端与所述数据采集卡的输入端相连，所述数据采集卡的输出端连接到所述机床数控系统，所述力传感器用于检测所述工具电极和加工工件之间的接触力，并输出对应于所述接触力的电压信号到所述数据采集卡，所述数据采集卡用于对所述电压信号进行采样并将经过采样的所述电压信号传送到所述机床数控系统，所述机床数控系统将所述经过采样的所述电压信号转换为所述接触力， 所述机床数控系统根据所述接触力控制所述机床伺服系统的进给速度。
2.根据权利要求1所述的基于力反馈控制进给系统的电化学放电加工装置，其特征在于，所述工具电极通过所述工具电极与力传感器的安装夹具固定在机床Z轴的进给端，通过所述机床的Z轴的移动带动所述工具电极的进给或回退。
3.根据权利要求1所述的基于力反馈控制进给系统的电化学放电加工装置，其特征在于，所述力传感器安装在机床的Z轴上。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的基于力反馈控制进给系统的电化学放电加工装置，其特征在于，所述加工工件是非导电脆性材料。
5.根据权利要求4所述的基于力反馈控制进给系统的电化学放电加工装置，其特征在于，所述非导电脆性材料为玻璃或者陶瓷。
6.一种基于力反馈控制进给系统的电化学放电加工方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤(1)将力传感器安装在机床的Z轴上，将工具电极通过工具电极与力传感器的安装夹具固定在所述机床的Z轴的进给端，所述工具电极向加工工件以设定的速度进给，所述力传感器检测所述工具电极与所述加工工件之间的接触力，并输出与所述接触力对应的电压信号到数据采集卡；(2)所述数据采集卡对所述力传感器输出的所述电压信号进行采样；(3)所述数据采集卡将经过采样的所述电压信号传送到所述机床的机床数控系统中， 所述机床数控系统把经过所述采样的所述电压信号转换成所述接触力；(4)将所述接触力与设置的参考力进行比较，若所述接触力小于所述参考力，则所述机床伺服系统按照设置的进给速度控制所述机床的Z轴的进给；若所述接触力大于所述参考力，则所述机床伺服系统按照设置的回退速度控制所述机床的Z轴回退；(5)所述机床的Z轴的进给深度达到目标深度，进给系统停止；若所述机床的Z轴的进给深度未达到所述目标深度，则重复步骤(I) - (4)，直至达到所述目标深度。
7.根据权利要求6所述的基于力反馈控制进给系统的电化学放电加工装置的加工方法，其特征在于，所述步骤(4)中，将所述接触力与设置的参考力进行比较，若所述接触力小于所述参考力，则所述机床伺服系统按照设置的进给速度控制所述机床的Z轴的进给； 若所述接触力大于所述参考力，则所述机床伺服系统按照设置的回退速度控制所述机床的 Z轴回退，所述机床的Z轴回退的距离为10-20 μ m。
全文摘要
本发明公开了一种特种加工领域的基于力反馈控制进给系统的电化学放电加工装置与方法，其中工具电极通过夹具固定在机床的Z轴上，在机床的Z轴上安装一个力传感器，力传感器与数据采集卡相连，数据采集卡引入到机床数控系统，机床数控系统通过机床伺服系统对电化学放电进给控制；力传感器检测工具电极与工件的接触力信号，经过相关处理后，由数据采集卡采集信号并接入数控系统，数控系统根据此信号来控制电化学放电加工的进给或回退。若接触力小于设定的参考力，则系统按照设置的进给速度进给；若接触力大于参考力，则系统按照设置的回退速度回退一定距离。
文档编号B23H9/14GK103008807SQ20121049229
公开日2013年4月3日 申请日期2012年11月27日 优先权日2012年11月27日
发明者康小明, 赵万生, 朱敬文, 吴杰 申请人:上海交通大学