充气加压电化学放电加工装置及方法
【专利摘要】本发明适用于绝缘硬脆材料的微细精密加工，属于制造技术中特种加工领域，具体提供了一种充气加压电化学放电加工装置及方法。通过供气系统向密闭工作腔中充入氦气，增大并控制工作腔内的压强。构建了气压反馈和供气系统以调节工作腔内的压强；构建了力反馈和工具电极运动系统，以控制工具电极有效进给，保障加工间隙。压强增大能加速气膜层的形成并提高气膜层的稳定性，提高了放电加工精度和加工表面质量；压强增大还可使得工作液更易渗透到加工区域以增大加工深度；对压强的控制可间接控制气膜层厚度，从而控制放电加工半径和加工精度。
【专利说明】
充气加压电化学放电加工装置及方法
技术领域
[0001]本发明涉及制造技术中的特种加工领域，特指一种充气加压电化学放电加工装置及方法，可用于加工绝缘硬脆类材料。
【背景技术】
[0002]以玻璃为代表的绝缘硬脆材料，具有高硬度、耐化学腐蚀、透明和良好的生物相容性等优良属性。目前针对这些材料的加工方法有激光加工、化学刻蚀、超声加工、电化学放电加工等。激光加工很难加工玻璃等透明材料。化学刻蚀加工过程工艺复杂，腐蚀速率低。超声加工过程中由于机械力的作用容易导致被加工材料出现裂纹。电化学放电加工方法效率相对较高、装置简单、成本低、加工柔性好，对绝缘硬脆材料是一种有效的加工方法。
[0003]电化学放电加工是利用工具电极表面发生电化学反应形成气膜层，使电极与溶液之间短期绝缘；当工具电极和工作液之间电位差不断增大至击穿气膜的放电电压时，发生火花放电，所产生的瞬间高温和冲击波作用于玻璃类绝缘材料表面，使材料被热蚀去除。
[0004]电化学放电加工的关键在于形成稳定且致密的气膜层，气膜层不稳定会影响加工精度和加工表面质量。在现有关于电化学放电加工气膜层的研究中，专利号为CN102528187 A的中国发明专利公开了一种“倒置式电化学放电加工方法及装置”，该方法将工具电极安装在工件的下方，电解反应产生的气泡会富集在电极端部周围，形成稳定的气膜，从而增加电化学放电加工的稳定性和加工深度，但易造成电极顶端的气液分离，使侧面放电显著，且气膜层厚度会随孔深增大。专利号为CN 103920952 A的中国发明专利提出了一种“变厚度电化学放电线切割加工装置”，该方法通过控制浸入电解液的走丝长度适应不同厚度的工件，减少了非加工区域产生气泡带来的无效工具损耗。哈工大郭永丰教授等(非导电材料的电化学电火花复合加工工艺研究[J].机械工艺师2000.2)研究了采用管形电极进行物理充气对电化学放电加工的影响。实验结果表明，物理充气可以替代部分需靠电化学反应产生的气体，加快气膜层的形成，减少加工中的电化学反应，提高火花放电率，但管型电极尺寸相对较大，且气膜层厚度受气体流量影响而不稳定。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是为了克服上述的缺点，实现快速生成致密且厚度可控制的气膜层，提供了一种充气加压电化学放电加工装置及方法。
[0006]本发明的技术方案工作机理为:通过供气系统向密闭工作腔中充入不与氢气和氧气反应的惰性气体氦气，以增大并控制工作腔内的压强。压强增大使得气泡体积减小，降低了气泡浮力，同时大的压强增大了气泡对电极的正压力，使得气泡与电极间的黏附力增大。气泡浮力减小和黏附力增大均使其更容易在电极附近驻留而加快气膜层的形成。气膜层的快速形成可减少电化学反应时间，降低了无效电极损耗。压强的提高还使气膜层组织更致密，使得放电加工时气层不易溃散，提高了气膜层稳定性，提高了加工精度和加工表面质量。加大压强可将电解液迫入深孔或深槽内，从而解决深槽深孔尤其是细小孔的难加工问题;通过调节压强大小可控制气膜层的厚度，压强越大，则气膜层越薄，反之亦反。放电加工半径与工具电极半径和气膜层厚度相关，气膜层厚度越小越稳定，放电加工半径变化则越小，故可通过控制气膜厚度得到所需的放电加工半径和加工精度:气膜层越厚，则击穿电压和放电加工半径越大，加工精度越低，反之，气膜层越薄，则击穿电压和放电加工半径越小，加工精度越高。粗加工时调节较小的压强以获得厚的气膜层，提高加工效率，反之，精加工则应采用大的压强。为此，本发明构建气压反馈和供气系统，由气压传感器实时检测工作腔内的压强，数据采集卡采集气压传感器采集的数据并上传计算机，由计算机进行分析比较并控制双向微量栗供气。通过微量栗供气和气压反馈来控制工作腔内的压强，间接控制气膜层的厚度，从而控制放电加工半径和加工表面质量。此外，本发明还构建力反馈和工具电极运动系统，由力传感器实时检测工具电极和工件之间的接触力，数据采集卡采集数据并上传计算机，由计算机进行分析比较并控制χ-γ-ζ三坐标数控平台Z轴进给以保障加工间隙。
[0007]为了实现本发明的技术目的，本发明提供的一种充气加压电化学放电加工装置的技术方案为:该装置包括工作腔和双向微量栗，所述双向微量栗连接在所述工作腔上;所述工作腔底部安装有工作台，所述工作腔顶部安装有X-Y-Z三坐标数控平台，所述X-Y-Z三坐标数控平台通过力传感器与工具电极连接;所述工作腔内还安装有气压传感器和辅助电极，所述辅助电极和所述工具电极与可调脉冲电源连接。
[0008]上述方案中，所述力传感器和所述气压传感器与数据采集卡连接，所述数据采集卡、所述X-Y-Z三坐标数控平台、所述可调脉冲电源和所述双向微量栗均与计算机连接。
[0009]上述方案中，所述双向微量栗上还安装有流量调节阀。
[0010]上述方案中，所述工作腔上设有盖板，所述盖板通过密封装置保证工作腔为密闭空腔。
[0011]上述方案中，所述可调脉冲电源的电压O?60V，频率I?5000Hz，占空比O?100%;所述工具电极为碳化钨电极，所述辅助电极为石墨电极。
[0012]本发明提供的一种充气加压电化学放电加工方法，包括如下步骤:
(I)将工件安装在工作台上，向工作腔内添加溶液，使工件浸入溶液；
(2 )操作计算机使X-Y-Z三坐标数控平台朝Z轴向下进给，直到与工件接触产生接触力；操作计算机启动双向微量栗，排掉工作腔内空气，使工作腔充满氦气;操作计算机启动可调脉冲电源，由可调脉冲电源在工具电极和辅助电极之间加载电压形成气膜层，构成电化学放电回路产生火花放电刻蚀工件；
(3 )计算机控制X-Y-Z三坐标数控平台按照设定的路径完成对工件的电化学放电加工。
[0013]上述方案中，计算机将检测到的工作腔气压值与设置值进行比较，若气压值小于设置值，则由计算机控制双向微量栗供气;若气压值大于设置值，则由计算机控制双向微量栗排气;重复上述步骤，直至气压值等于设置值。
[0014]上述方案中，计算机将检测到的接触力与设置值进行比较，若接触力小于设置力的下极限值，则由计算机控制X-Y-Z三坐标数控平台的Z轴正向进给;若接触力大于设置力的上极限值，则由计算机控φι」Χ-Υ-Ζ三坐标数控平台的Z轴逆向进给以保障放电间隙；重复上述步骤，直至工件被加工完成。
[0015]上述方案中，所述工件为绝缘硬脆材料，所述溶液为碱性溶液，所述工件浸入溶液面下方2mm，
上述方案中，所述X-Y-Z三坐标数控平台带动所述工具电极旋转的转速O?5000rpm。
[0016]本发明有益效果是:1.通过充气增大工作腔内的压强加快了气膜层的形成，减少了电化学反应带来的电极损耗，提高了工作效率。2.压强的增大使气膜层更致密，提高了气膜层的稳定性，从而提高加工精度和加工表面质量。3.压强的增大使气膜层变薄，降低了击穿电压，增大了电化学放电适用范围，同时放电能量的减小进一步提高了气膜层的稳定性及加工精度。4.加大压强可将电解液迫入深孔或深槽内，从而解决深槽深孔尤其是细小孔的难加工问题;5.通过气压反馈和供气系统调节压强以控制气膜层厚度，从而得到所需的放电加工半径和加工精度。
【附图说明】
[0017]图1是充气加压电化学放电加工装置的示意图。
[0018]图中:1.计算机，2.密封装置，3.气压传感器，4.X-Y-Z三坐标数控平台，5.力传感器，6.工作腔，7.溶液，8.工件，9.工具电极，10.工作台，11.辅助电极，12.可调脉冲电源，
13.双向微量栗，14.盖板，15.流量调节阀，16.数据采集卡。
【具体实施方式】
[0019]下面结合图1详细说明本发明方法和装置的细节和工作情况。
[0020]如图1所示，本实施装置主要包括计算机I，密封装置2，气压传感器3，X-Y-Z三坐标数控平台4，力传感器5，工作腔6，溶液7，工件8，工具电极9，工作台10，辅助电极11，可调脉冲电源12，双向微量栗13，盖板14，流量调节阀15和数据采集卡16。其中溶液7为碱性溶液，工具电极9采用碳化钨合金，工件8为绝缘硬脆材料，辅助电极11采用石墨电极;可调脉冲电源12电压O?60V，频率I?5000Hz，占空比O?100%;流量调节阀15安装在双向微量栗13上，盖板14通过密封装置2保证工作腔6为密闭空腔。
[0021]具体实施方法为:(I)设立计算机I的数据库，根据所述工件8的加工状况不同，设置不同的接触压力值及工作腔气压值;(2)将力传感器5安装在所述X-Y-Z三坐标数控平台4上，所述工具电极9安装在所述力传感器5下方夹头上，所述力传感器5检测所述工具电极9和所述工件8之间的接触力，并将数据输出至所述数据采集卡16，将气压传感器3安装在所述工作腔6内，所述气压传感器3检测所述工作腔6内的气压，并将数据输出至所述数据采集卡16，所述数据采集卡16将数据上传所述计算机I; (3)将可调脉冲电源12的正极接所述辅助电极U，负极接所述工具电极9，由所述可调脉冲电源12在所述工具电极9和所述辅助电极11之间加载电压，当电压超过一定值以后，形成气膜层，构成电化学放电回路产生火花放电刻蚀所述工件8; (4)操作计算机I启动所述双向微量栗13，排掉工作腔6内空气，使所述工作腔6充满氦气;所述计算机I将检测到的工作腔气压值与设置值进行比较，若所述气压值小于所述设置值，则所述计算机I控制所述双向微量栗13供气;若所述气压值大于所述设置值，则所述计算机I控制所述双向微量栗13排气;重复上述步骤，直至所述气压值等于所述设置值；(5)计算机I将检测到的接触力与设置值进行比较，若所述接触力小于所述设置力的下极限值，则所述计算机I控制所述X-Y-Z三坐标数控平台4朝Z轴正向进给;若所述接触力大于所述设置力的上极限值，则所述计算机I控制所述X-Y-Z三坐标数控平台4朝Z轴逆向进给;所述X-Y-Z三坐标数控平台4可带动所述工具电极9朝Z轴旋转，转速O?5000rpm。所述计算机通过程序和所述力传感器反馈联合控制所述X-Y-Z三坐标数控平台进给。
[0022]实施例1:将工件8安装工作台10上，向工作腔6内添加溶液7，使工件8浸入溶液7越2mm。将力传感器5安装在X-Y-Z三坐标数控平台4的Z轴上，工具电极9安装在力传感器5下方夹头上，由力传感器检测工具电极9和工件8之间的接触力，并将数据输出至数据采集卡16，将气压传感器3安装在工作腔6内，由气压传感器3检测工作腔6内的气压，并将数据输出至数据采集卡16，数据采集卡16将数据上传计算机;操作计算机I使X-Y-Z三坐标数控平台4的Z轴向下进给，直到与工件8接触产生接触力;将可调脉冲电源12的正极接辅助电极11，负极接工具电极9，由可调脉冲电源12在工具电极9和辅助电极11之间加载电压，当电压超过一定值以后，形成气膜层，构成电化学放电回路产生火花放电刻蚀工件8。
[0023]操作计算机I启动双向微量栗13，排掉工作腔6内空气，使工作腔6充满氦气;计算机I将检测到的工作腔6气压值与设置值进行比较，若气压值小于设置值，则由计算机I控制双向微量栗13供气;若气压值大于设置值，则由计算机控制双向微量栗13排气;重复上述步骤，直至气压值等于设置值。
[0024]同时，计算机I将检测到的接触力与设置值进行比较，若接触力小于设置力的下极限值，则由计算机I控制X-Y-Z三坐标数控平台4朝Z轴正向进给;若接触力大于设置力的上极限值，则由计算机I控制X-Y-Z三坐标数控平台4的Z轴逆向进给以保障放电间隙；重复上述步骤，直至工件8被加工完成。
[0025]需要说明的是:以上实施例只是为了便于理解本发明申请的技术方案，并不构成对保护范围的限制，凡是未脱离本发明申请技术方案的内容或依据本发明申请的技术实质对以上方案的任何简单修改、等同变化与修饰所形成的方案，均应被纳入属于本发明申请保护范围之内。所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种充气加压电化学放电加工装置，其特征在于，包括工作腔(6)和双向微量栗(13)，所述双向微量栗(13)连接在所述工作腔(6)上；所述工作腔(6)底部安装有工作台(10)，所述工作腔(6 )顶部安装有X-Y-Z三坐标数控平台(4 )，所述X-Y-Z三坐标数控平台(4 )通过力传感器(5)与工具电极(9)连接;所述工作腔(6)内还安装有气压传感器(3)和辅助电极(11)，所述辅助电极(11)和所述工具电极(9)与可调脉冲电源(12)连接。2.根据权利要求1所述的一种充气加压电化学放电加工装置，其特征在于，所述力传感器(5)和所述气压传感器(3)与数据采集卡(16)连接，所述数据采集卡(16)、所述X-Y-Z三坐标数控平台(4)、所述可调脉冲电源(12)和所述双向微量栗(13)均与计算机(I)连接。3.根据权利要求1或2所述的一种充气加压电化学放电加工装置，其特征在于，所述双向微量栗(13)上还安装有流量调节阀(15)。4.根据权利要求1或2所述的一种充气加压电化学放电加工装置，其特征在于，所述工作腔(6)上设有盖板(14)，所述盖板(14)通过密封装置(2)保证工作腔(6)为密闭空腔。5.根据权利要求1或2所述的一种充气加压电化学放电加工装置，其特征在于，所述可调脉冲电源(12)的电压O?60V，频率I?5000Hz，占空比O?100%;所述工具电极(9)为碳化钨电极，所述辅助电极(11)为石墨电极。6.—种充气加压电化学放电加工方法，包括如下步骤: (1)将工件(8)安装在工作台(1 )上，向工作腔(6 )内添加溶液(7 )，使工件(8)浸入溶液(7); (2)操作计算机(I)使X-Y-Z三坐标数控平台(4)朝Z轴向下进给，直到与工件(8)接触产生接触力;操作计算机(I)启动双向微量栗(13)，排掉工作腔(6)内空气，使工作腔(6)充满氦气；操作计算机(I)启动可调脉冲电源(12)，由可调脉冲电源(12)在工具电极(9)和辅助电极(11)之间加载电压形成气膜层，构成电化学放电回路产生火花放电刻蚀工件(8); (3)计算机(I)控制X-Y-Z三坐标数控平台(4)按照设定的路径完成对工件(8)的电化学放电加工。7.根据权利要求5所述的一种充气加压电化学放电加工方法，其特征在于，计算机(I)将检测到的工作腔(6)气压值与设置值进行比较，若气压值小于设置值，则由计算机(I)控制双向微量栗(13)供气;若气压值大于设置值，则由计算机控制双向微量栗(13)排气;重复上述步骤，直至气压值等于设置值。8.根据权利要求5所述的一种充气加压电化学放电加工方法，其特征在于，计算机(I)将检测到的接触力与设置值进行比较，若接触力小于设置力的下极限值，则由计算机(I)控制X-Y-Z三坐标数控平台(4)的Z轴正向进给;若接触力大于设置力的上极限值，则由计算机(I)控制X-Y-Z三坐标数控平台(4)的Z轴逆向进给以保障放电间隙；重复上述步骤，直至工件(8)被加工完成。9.根据权利要求5所述的一种充气加压电化学放电加工方法，其特征在于，所述工件(8)为绝缘硬脆材料，所述溶液(7)为碱性溶液，所述工件(8)浸入溶液面下方2mm。10.根据权利要求5所述的一种充气加压电化学放电加工方法，其特征在于，所述X-Y-Z三坐标数控平台(4 )带动所述工具电极(9 )旋转的转速O?5000rpm。
【文档编号】C03C15/00GK106003444SQ201610432121
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年6月17日
【发明人】张朝阳, 刘皋, 聂昕, 陆海强, 戴学仁, 徐金磊, 曹增辉
【申请人】江苏大学