可控气膜微细电化学放电线切割加工装置及方法
【专利摘要】一种可控气膜微细电化学线切割加工装置及方法，其特征在于：加工装置包括工件夹持装置、行丝装置、导轮、电极丝、辅助电极和工作液箱；加工时，在电极丝和辅助电极两端通以直流电源，利用电解液形成的回路，产生电化学反应，通过控制由此生成的气泡的量形成覆盖于电极丝表面的气膜，再通以脉冲电源，在气膜两端形成高的电位梯度，引起气膜击穿发生火花放电并蚀除材料，两个电源并联工作，分别独立可调；主轴带动行丝装置向工件作进给。本发明克服了常规微细电化学放电线切割加工采用单一直流电源或脉冲电源带来的电化学反应和放电过程串联进行无法独立控制的弊端，实现气泡生成与放电过程独立可控，可广泛应用于非导电材料的微细线切割加工。
【专利说明】可控气膜微细电化学放电线切割加工装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于特种加工【技术领域】，具体来说，是可控气膜微细电化学线切割加工装置及方法。
技术背景
[0002]近年来，随着现代高科技产品的发展，器械朝着小型化、微细化发展，复杂微小零件的加工正日趋重要。像陶瓷、耐热玻璃、石英等非导电材料具有耐磨、耐高温、耐腐蚀和良好的耐热冲击等性能，已经被广泛应用于微机电系统、微流体系统、生物医学及航空航天等领域。然而，绝大部分陶瓷材料和耐热玻璃等非导电材料属于脆性材料，加工难度大，不导电，加工精度、表面质量和损伤层深度将对陶瓷器件的性能产生影响，所以难以用传统的机械切削方法和常规的电火花线切割加工技术对其进行切割加工。
[0003]目前，非导电硬质材料零件的制造加工通常采用微细超声加工方法、等离子体切割法、辅助电极法电火花线切割加工和电解电火花放电复合加工等加工方法。
[0004]微细超声加工方法虽然可以加工非导电陶瓷和耐热玻璃，也可以达到较好的精度，但其加工效率十分低下，很难实现高效加工，同时也难以对较厚的材料进行切割加工。等离子体切割法存在加工精度低，表面粗糙度高，加工零件相对于微型系统中的零件较厚。辅助电极电火花线切割方法加工时，在非导电工件表面欲切割处，安装与切缝形状一致的金属，作为辅助电极，电极丝和辅助电极放电，辅助电极被部分蚀除，被蚀除的金属粉末和煤油在放电过程中产生的炭黑一起，集聚在工件表面，形成导电膜，使之具备导电性，然后利用电极丝与导电膜之间的放电蚀除工件材料，但是该过程不可控，难以保证稳定的加工，加工效率低。
[0005]经过对现有技术的检索发现，中国专利号为CN103231134A，记载了“一种非导电材料的电解电火花线切割将装置及方法”，该专利的技术简述为:非导电材料的电解电火花线切割装置包括一用于固定工件的主轴、若干导轮、一电极丝、一辅助电极和一盛有电解液的加工槽；在对零件加工前，先对电极丝进行绝缘处理，即浸入电解液中的电极丝表面附近发生电化学反应和电解电火花现象并在电极丝表面迅速附着一层绝缘层；随着电极丝的往复直线运动，与工件接触的电极丝的绝缘层瞬间被磨掉并发生电解电火花放电，电解电火花放电产生的瞬间高温和冲击作用去除工件材料，主轴继续带动工件以恒定的速度向电极丝做进给运动。
[0006]但是该现有技术采用的是单一直流电源或脉冲电源，而采用单一直流电源或脉冲电源带来的电化学反应和放电过程串联进行且无法独立控制，而理想稳定的连续放电需要匹配一定量和一定发生速度的气膜，但气膜不可控导致难以实现合理的匹配，放电的稳定性和连续性受到影响。因此通常的电解电火花加工技术具有加工效率较低的缺陷。
【发明内容】
[0007]针对上述问题，本发明的目的在于克服已有技术的不足，提供可控气膜微细电化学放电线切割加工装置及方法。
[0008]实现本发明的技术方案是:可控气膜微细电化学放电线切割加工装置及方法，其特征在于:非导电材料的微细电化学线切割加工装置包括一用于固定工件的夹持装置，安装主轴上的行丝装置，若干导轮、一微细电极丝、一辅助电极和一盛有电解液的工作液箱；所述的微细电极丝通过外部运丝装置连接外部并联工作的直流电源和脉冲电源，且所述的微细电极丝的其中一段通过所述连接在主轴上的行丝装置浸没在所述的电解液中，并且通过行丝装置上的导轮的支撑和导向作用水平设置在电解液中；所述的辅助电极设在所述的电解液中，且所述的辅助电极的一端连接外部并联工作的直流电源和脉冲电源。
[0009]所述的直流电源与脉冲电源并联工作，分别独立可调。
[0010]所述电极丝外接直流电源为低压、电流可调的直流电源。
[0011 ] 所述辅助电极外接脉冲电源为高电压、脉宽、脉间、峰值电流均独立可调的脉冲电源。
[0012]所述的电解液为氢氧化钠溶液。
[0013]所述的行丝装置结构为U型或V型倒置结构，连接在主轴上。
[0014]所述电极丝为钨丝。
[0015]所述电极丝为水平设置，其运动方式是单向慢走丝直线运动。
[0016]采用所述装置的可控气膜微细电化学放电线切割加工装置，其包括以下步骤:a、安装在主轴行丝装置带动电极丝以一定的速度向待加工工件作进给运动，电极丝在外部送丝和收丝装置的带动和行丝装置上的导轮的支撑和导向作用下做单向慢走丝直线运动。b、电极丝与辅助电极通以低电压、可调电流的直流电源来控制其中浸没在电解液中电极丝表面电化学反应生成气泡的量，再与脉冲电源并联通以高电压、脉宽、脉间、峰值电流均独立可调的脉冲电源用于击穿气泡。C、在直流电源控制下，浸入电解液中的电极丝表面附近发生电化学反应，在电极丝表面产生气泡，当脉冲电压到来时，在电极丝表面和气泡外表面形成高的电位梯度，进而击穿电极丝表面的气泡发生放电，从而对非导电工件进行电火花蚀除。d、安装在主轴行丝装置带动电极丝继续以稳定的速度向待加工工件作进给运动，直到完成对工件的切割加工。
[0017]本发明具有的积极效果:1、本发明方法是微细线切割加工与电化学放电加工两种差异极大的加工方法的集成，可实现对非导电硬脆材料的线切割加工。2、该方法克服了常规微细电化学放电加工采用单一直流电源或脉冲电源带来的电化学反应和放电过程串联进行且无法独立控制的弊端，实现了气泡膜生成与放电过程独立可控，可提高放电频率和材料去除率。3、采用可调电流低电压直流电源控制电化学反应生成气泡的量；采用可调高电压脉冲电源击穿气泡，实现放电加工，二者并联工作，分别独立可调。工艺简单实用、加工精度高，可以广泛应用于非导电材料的微细线切割加工中。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1为本发明的可控气膜电化学放电线切割加工的结构示意图
[0019]图2为本发明加工过程中图
【具体实施方式】[0020]以下结合附图实例对本发明作进一步详细描述。
[0021]如图1所示，本发明的可控气膜电化学放电线切割加工装置包括一用于固定工件9的夹持装置10，安装主轴2上的行丝装置1，若干导轮8、一微细电极丝3、一辅助电极6和一盛有电解液7的工作液箱11。其中微细电极丝3通过外部送丝与收丝装置(图中为示出)连接外部并联工作的直流电源5和脉冲电源4的负极，且电极丝3的其中一段通过连接在主轴2上的行丝装置I浸没在工作液箱11中的电解液7中，并且通过行丝装置I上的导轮8的支撑和导向作用水平浸没在电解液7中。辅助电极6浸没在电解液7中，且辅助电极6的一端连接外部并联工作的直流电源5和脉冲电源4的正极。在外部电源通电的情况下，与之相连接的电极丝3和辅助电极6通过电解液7形成放电回路。
[0022]如图2所示，电极丝3和辅助电极6在外接直流电源5和脉冲电源4的作用下，通过电化学反应产生气泡12，并依靠脉冲放电击穿气泡，实现非导电材料的蚀除加工。
[0023]依据本发明提供的微细电化学放电线切割加工装置，本发明还提出了可控气膜微细电化学放电线切割加工方法，其包括以下步骤:
[0024]a、行丝装置I上的电极丝3通过主轴2，以一定的稳定速度向工件9作进给运动，并且电极丝3通过外部送丝和收丝装置的带动和行丝装置I上的导轮8的支撑和导向作用做单向慢走丝直线运动。
[0025]b、电极丝3与辅助电极6通以低电压、可调电流的直流电源5来控制其中浸没在电解液7中电极丝3表面电化学反应生成气泡12的量，再通以与脉冲电源4并联工作的高电压、脉宽、脉间、峰值电流均独立可调的脉冲电源4用于击穿气泡12。
[0026]C、直流电源，5控制气泡的生成后，当脉冲电压到来时，浸入电解液7中的电极丝3表面附近发生电化学反应，在电极丝3表面产生气泡12，形成高的电位梯度，进而击穿电极丝3表面的氢气泡12而对导电的工作液7放电，从而对非导电工件9进行电火花蚀除。
[0027]c、在直流电源5控制下，浸入电解液7中的电极丝3表面附近发生电化学反应，在电极丝3表面产生气泡12，当脉冲电源4的脉冲电压到来时，在电极丝3表面和气泡12外表面形成高的电位梯度，进而击穿电极丝3表面的气泡12发生放电，从而对非导电工件9进行电火花蚀除。
[0028]d、安装在主轴2的行丝装置I带动电极丝3继续以稳定的速度向待加工工件9作进给运动，直到完成对工件9的切割加工。
[0029]在上述选用的案例中所使用的微细电极丝为钨丝，所使用的电解液为氢氧化钠溶液，所使用的辅助电极材料为石墨材料，所使用的直流电源和脉冲电源并联使用。
【权利要求】
1.可控气膜微细电化学放电线切割加工装置及方法，其特征在于:非导电材料的微细电化学线切割加工装置包括一用于固定工件的夹持装置，安装主轴上的行丝装置，若干导轮、一微细电极丝、一辅助电极和一盛有电解液的工作液箱；所述的微细电极丝通过外部送丝和收丝装置连接外部并联工作的直流电源和脉冲电源的负极，且所述的微细电极丝的其中一段通过所述连接在主轴上的行丝装置浸没在所述的电解液中，并且通过行丝装置上导轮的支撑和导向作用水平设置在电解液中；所述的辅助电极设在所述的电解液中，且所述的辅助电极的一端连接外部并联工作的直流电源和脉冲电源的正极。
2.根据权利要求1所述的可控气膜微细电化学放电线切割加工装置，其特征在于:微细电极丝与辅助电极外接直流电源和脉冲电源并联工作，分别独立可调。 所述直流电源为低电压、可调电流的直流电源，脉冲电源为高电压、脉宽、脉间、峰值电流均独立可调的脉冲电源。
3.根据权利要求1或2所述的可控气膜微细电化学放电线切割加工装置，其特征在于:所述辅助电极的材料为导电性良好的石墨材料。
4.根据权利要求1?3所述的可控气膜微细电化学放电线切割加工装置及方法，其特征在于:所述电极丝为钨丝。
5.根据权利要求1?4所述的可控气膜微细电化学放电线切割加工装置，其特征在于:所述行丝装置其结构为U型或V型倒置结构，连接在主轴上。
6.根据权利要求1?5所述的可控气膜微细电化学放电线切割加工装置，其特征在于:所述电极丝为水平设置，其运动方式是单向慢走丝直线运动。
7.根据权利要求1所述的可控气膜微细电化学放电线切割加工装置，其特征在于:所述电解液为氢氧化钠溶液。
8.根据权利要求1?7所述的可控气膜微细电化学放电线切割加工方法，其特征在于以下步骤: a、安装在主轴行丝装置带动电极丝以一定的速度向待加工工件作进给运动，电极丝在外部送丝和收丝装置的带动和行丝装置上的导轮的支撑和导向作用下做单向慢走丝直线运动。 b、电极丝与辅助电极通以低电压、可调电流的直流电源来控制其中浸没在电解液中电极丝表面电化学反应生成气泡的量，再与脉冲电源并联，通以高电压、脉宽、脉间、峰值电流均独立可调的脉冲电源用于击穿气泡。 C、在直流电源控制下，浸入电解液中的电极丝表面附近发生电化学反应，在电极丝表面产生气泡，当脉冲电压到来时，在电极丝表面和气泡外表面形成高的电位梯度，进而击穿电极丝表面的气泡发生放电，从而对非导电工件进行电火花蚀除。 d、安装在主轴行丝装置带动电极丝继续以稳定的速度向待加工工件作进给运动，直到完成对工件的切割加工。
9.根据权利要求8所述的可控气膜微细电化学放电线切割加工方法，其特征在于:所述步骤a中所使用的电极丝为钨丝。
10.根据权利要求8所述的可控气膜微细电化学放电线切割加工方法，其特征在于:所述步骤b、c中所使用的辅助电极为石墨，所述电解液为氢氧化钠溶液。
【文档编号】B23H7/04GK103920948SQ201410088633
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2014年3月12日 优先权日:2014年3月12日
【发明者】蒋毅, 孔令蕾, 平雪良, 赵万生 申请人:江南大学