旋转超声电极微细电解电火花切割加工装置及方法与流程

本发明涉及一种旋转超声电极微细电解电火花切割加工装置及方法。

背景技术：

在科技迅速发展的今天，非导电硬脆材料如玻璃、陶瓷等，越来越多的被应用在航空航天、国防、医疗器械领域，这些材料具有高硬度、高脆性、高抗氧化性、耐磨损、耐腐蚀、绝缘、透明以及生物相容性等优良属性。在微加速度计、微流量传感器、微反应容器、微型泵和生物医疗等应用广泛。但是由于材料本身的特性造成其切割加工困难，其零部件的制造已成为现代制造技术的研究热点，核心问题在于如何高效、稳定、精密加工。

目前，非导电脆硬材料的微细切割方法主要有电火花线切割、超声振动复合线锯切割、超声波多线切割、超声波多砂浆线切割、电解电火花线切割。

电火花线切割非导电材料是设置两根平行且可移动的电极丝作为电极，两电极丝接脉冲电源两极，调整两平行电极丝之间的距离，电极丝之间冲入工作液，形成脉冲放电，蚀除微量的非导电脆硬材料，但该方法加工效率极低，放电长度远大于加工长度。

超声振动复合线锯切割非导电硬脆材料一方面通过锯丝切割，锯丝进行单向或往复运动，实现主切割运动，同时锯丝沿垂直于其主切割运动的方向运动，实现进给运动；另一方面，在非导电硬脆材料上附加有超声振动，该超声振动使非导电硬脆材料的振动方向至少与锯丝主切割运动方向和进给方向的一个方向一致。但该方法使用的游离磨料锯丝，磨料与切屑混合，回收困难，固结磨料锯丝制造精度要求较高。

超声波多线切割将超声发射表面直接安装在非导电材料表面上，使超声波直接传递到待切割物体，极大地提高了超声传递的效果。但该方法对待切割物体形状有一定要求，需预留足够的超声发射安装空间。

超声波多砂浆线切割在该切割加工装置中通过滚筒给电极丝和辅助电极通直流或者脉冲电压，使电极丝和辅助电极通过电解液形成回路；浸入电解液中的电极丝发生电化学反应和电解电火花放电，并在电极丝表面形成一层硬质保护膜；在电机的驱动和导轮的导向作用下，滚筒带动电极丝做往复直线运动；喷嘴喷出带研磨颗粒的切削液，在电极丝的带动下，研磨颗粒进入电极丝和工件相互接触的区域，对工件进行磨削。但该方法存在排屑困难、易短路的问题。

电解电火花线切割将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放电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。但该方法电极丝周围的气膜依赖气体浮力成型，气膜的厚度不均匀导致加工过程中放电过程不稳定，加工精度和稳定性较差，同时，该方法属于开环线切割，不能加工封闭图形。

技术实现要素：

本发明为了解决上述问题，提出了一种旋转超声电极微细电解电火花切割加工装置及方法，本发明能够有效的维持电解液循环，利于加工产物的排出，提高加工效率，节约能源，使放电过程更加稳定，加工精度更高。

本发明的第一目的是提供一种旋转超声电极微细电解电火花切割加工装置，本装置将超声辅助加持在旋转主轴上，使得超声振动区域与工具尖端加工区域为同一区域，工具在垂直方向上下振动并不断高速旋转，有利于电解液循环，加工产物排出。

本发明的第二目的是提供一种基于上述加工装置的工作方法，本方法能够形成更薄，更均匀的气膜，降低电解电流和放电电流，提高加工效率，节约能源，同时，可以加工封闭图形，扩大加工装置的用途。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种旋转超声电极微细电解电火花切割加工装置，包括脉冲电源、三维运动机构、超声辅助振动旋转主轴、测控单元和电解液槽，其中：

所述三维运动机构夹持超声辅助振动旋转主轴，使其能够沿x、y或z轴方向运动，所述超声辅助振动旋转主轴末端设置有工具电极，所述电解液槽放置于工具电极下端，其内部设置有辅助阳极；

所述脉冲电源为辅助阳极和工具电极提供脉冲方波电压信号，测控单元通过控制超声辅助振动旋转主轴的运动方向、振动频率与幅度，实现对电解液槽内浸置在电解液中的工件的二维封闭结构切割。

进一步的，所述电解液槽放置于可升降平台上。以便更好的控制工具电极与电解液的距离。

进一步的，所述三维运动机构为微细电解电火花加工机床。

进一步的，所述辅助阳极一半浸泡在电解液槽中，另一半暴露在电解液之外接通电源正极。

优选的，所述辅助阳极为石墨矩形块。

进一步的，所述工具电极为直径为20-100um的螺旋体。

进一步的，所述测控单元，包括检测脉冲电源的电流值的电流传感器、控制三维运动机构的控制器、控制所述超声辅助振动旋转主轴的变频变幅器和采集加工情况的ccd视觉监测系统。

一种基于上述装置的工作方法，包括以下步骤：

(1)将工件水平装夹在电解液槽内，电解液槽中添加电解液，直至电解液的液面高度高于工件上表面；

(2)控制超声辅助振动旋转主轴的x、y与z轴方向的运动，使得工具电极浸入电解液的同时高于工件上表面，脉冲电源正极连接工件，负极连接工具电极，接通电源；

(3)控制主轴旋转和超声振动，即夹具顶端的工具电极在电解液中旋转并伴随z轴轴向的超声振动；

(4)控制z轴进给，完成加工微孔操作，直至使用ccd视觉监测系统观察到加工出一个贯穿通孔；

(5)控制x、y轴运动，完成目标轨迹的运动，即可切割一个封闭二维结构。

工具电极在加工过程中，一直处于旋转振动状态，转速范围为：0-24000r/min，振动幅度为：0-15um，振动频率为：24-40khz。

在加工时，在电解作用下，工具电极作为阴极，其表面生成气膜，工具电极与作为阳极的电解液瞬间绝缘，脉冲电源在阴阳极之间加载电压，当加载电压高于临界击穿电压时，工具电极与电解液之间产生火花放电，当工件足够靠近放电位置，放电产生的热量熔化、去除工件，随着控制超声辅助振动旋转主轴的x和y轴运动，工具电极按照目标轨迹完成切割任务，获得封闭结构。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)电解电火花线切割，覆盖电解液的电极丝均会产生电解电火花放电，而本发明可通过控制浸入电解液的长度控制放电长度，放电区域覆盖待加工区域即可，在切割轻薄工件时，冗余量少，节约能源；

(2)相比与电解电火花加工，本发明将工具作为阴极，超声辅助加持在旋转主轴上，超声振动区域即为工具尖端加工区域，工具在垂直方向上下振动并不断高速旋转，有利于电解液循环，加工产物排出，加工过程中气膜的厚度更薄更均匀，电解电流和放电电流均较小，加工可控性更好，加工精度更高；

(3)采用螺旋柱状电极代替金属丝线切割，在切割二维微细结构时，选择加工路线上合适的一个点为起点，先完成加工通孔操作，不需要换丝、暂停加工，只需继续完成切割目标轨迹操作，即可切割封闭图形。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本发明的结构示意图；

图2是工具电极在不旋转不添加超声辅助振动情况下气膜形状图；

图3是工具电极在只旋转不添加超声辅助振动情况下气膜形状图；

图4是工具电极在既旋转又超声辅助振动情况下气膜形状图。

其中，1为计算机，2为超声振动辅助旋转电主轴，3为ccd视觉监测系统，4为工件，5为电解液槽，6为电解液，7为辅助阳极，8为霍尔电流传感器，9为手动升降台，10为实验平台，11为工具电极，12为气膜。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

术语解释部分：超声辅助振动旋转主轴，指的是旋转主轴上施加超声波，进行辅助振动。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在超声波多线切割方法对待切割物体形状有一定要求，需预留足够的超声发射安装空间；超声波多砂浆线切割方法有排屑困难、易短路的问题；电解电火花线切割方法电极丝周围的气膜依赖气体浮力成型，气膜的厚度不均匀导致加工过程中放电过程不稳定，加工精度和稳定性较差，同时，该方法属于开环线切割，不能加工封闭图形的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种非导电硬脆材料的旋转超声电极微细电解电火花切割加工装置及方法，该方法将工具作为阴极，超声辅助加持在旋转主轴上，超声振动区域即为工具尖端加工区域，工具在垂直方向上下振动并不断高速旋转，有利于电解液循环，加工产物排出；形成更薄，更均匀的气膜，降低电解电流和放电电流，提高加工效率，节约能源；使放电过程更加稳定，加工精度更高；可加工封闭图形，用途更加广泛。

本发明的工作原理为：电解液为阳极，螺旋工具电极为阴极，在加工过程中，工具电极随主轴旋转、振动。在加工时，在电解作用下，工具电极表面生成气膜，工具电极与电解液瞬间绝缘，脉冲电源在阴阳极之间加载电压，当加载电压高于临界击穿电压时，工具电极与电解液之间产生火花放电，当工件足够靠近放电位置，放电产生的热量熔化、去除工件，随着计算机控制x、y轴运动，工具电极按照目标轨迹完成切割任务，获得封闭结构。主轴的超声振动使电极周围的气膜变更均匀、更薄，放电过程与不加超声振动的电解电火花加工相比更加稳定，更容易发生，有利于加工出高质量的微结构。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，旋转超声电极微细电解电火花切割加工装置，包括脉冲电源提供脉冲方波电压信号(可调节电压、频率、占空比)，超声辅助电解电火花加工机床作为工作平台，控制系统提供可供操作的x、y、z轴，来控制工具电极11的运动，即可以完成复杂二维封闭结构切割，螺旋工具电极11作为阴极并装夹在超声辅助振动旋转主轴2末端，石墨矩形块辅助阳极7，ccd视觉监测系统3同步观察加工情况，工件4固定、浸泡在电解液槽5中。

电解液槽5放置于可升降平台上。

电解电火花加工机床为微细电解电火花加工机床。

工件4为具有一定厚度的矩形透明超白玻璃。

螺旋工具电极11的直径为20-100um。

辅助阳极7一半浸泡在电解液槽5中，另一半暴露在电解液之外接通电源正极。

将工件4装夹在电解液槽5内，放置在手动升降台9上等待加工；取工具电极11装夹在超声辅助振动旋转电主轴2的夹头上，在电解液槽5内加入电解液至刚好与工件4上表面平齐，此时，电解液液面即为工件4上表面，通过计算机1控制机床z轴上下运动调整工具电极11至刚好触及电解液表面，把这一点设置为加工原点，再通过计算机1控制机床z轴向上提升(提升距离为工具电极直径的3倍)，补充电解液至电解液表面刚好触及工具电极11，保证电解液液面高于工件4上表面适当高度；工具电极11接脉冲电源负极，辅助阳极接脉冲电源正极，通过计算机1控制超声振动辅助旋转电主轴2在一定转速下旋转，在一定频率和振幅下振动；接通脉冲电源，调整加工电压至目标电压即可开始加工；ccd视觉监测系统3可以在计算机1实时显示加工状态；加工过程中，首先通过计算机1控制z轴在工件4上加工一个通孔，再控制x、y轴促使工具电极11沿着目标轨迹运动，切割一个封闭图形。

ccd视觉监测系统可以在计算机实时显示加工状态，在加工通孔的过程中，工具电极穿过工件下表面完成通孔加工瞬间有明显现象。加工出一个贯穿通孔，保证工具电极放电部分覆盖工件待加工部分。

工具电极11在加工过程中，一直处于旋转振动状态，转速范围为：0-24000r/min，振动幅度为：0-15um，振动频率为：24-40khz。

在如图2、3、4不同加工条件下，霍尔电流传感器8测量加工过程中电流信号，比较加工条件对放电过程的影响，并为后来优化加工参数提供参考。

图2为工具电极在不旋转不添加超声辅助振动情况下气膜形状图，在电解作用下，工具电极表面生成氢气，小气泡在浮力作用下脱离工具电极表面，随着气体生成量的增加，小气泡逐渐聚集成气膜，如图2所示，气膜形状为锥形，不均匀，放电过程不稳定。切割出的工件侧面会出现锥度，边缘加工质量较差。

图3为工具电极在旋转，但不添加超声辅助振动情况下气膜形状图，如图3所示，气膜厚度与图2相比有一定程度减小，这是因为，在工具电极增加旋转之后，工具电极周围电解液的压力不再均匀，靠近工具电极的压力小，甚至是负压；远离工具电极的压力大，气体的密度又远小于电解液的密度，在压力和浮力共同作用下，气泡在向上运动的同时，向工具电极运动，最终，形成更薄的气膜。旋转工具电极还可以加快电解液循环，促进电解液更新，提高加工效率。

图4为工具电极在既旋转又超声辅助振动情况下气膜形状图，如图4所示，气膜厚度与图2、3相比是最薄、最均匀的一种情况，这是因为，在超声辅助振动作用下，电解电流与放电电流都减小。超声振动过程中，气泡更容易脱离工具电极形成气膜，气膜厚度变得更薄；单个放电过程中，气膜形成时间缩短，所以放电时间增多，放电更加充分，同时，更薄的气膜意味着电解液和电极之间更短的距离，使击穿变得更容易，加工精度更高，加工间隙更小。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。