專利名稱：場致射流微細放電加工方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是一種微納特種加工領域的方法，具體是一種利用極微細的間歇性場致射流作為工具電極進行微細放電加工的加工方法。
背景技術：
放電加工(Electrical Discharge Machining,EDM)是一種非接觸式加工方法,具有不受工件材料強度、硬度等機械性能限制及宏觀加工力小等優(yōu)點，因而能夠加工各種性能特殊的導電材料和各種表面形貌復雜的工件，在微細加工領域占有重要的地位。它可以通過控制微小的放電能量來獲得最小的加工去除單位，具備納米尺度加工的潛力。目前，國內外學者已對納米放電加工的可能性、工藝及機理等進行了多方面的探索。美國內布拉斯加-林肯大學的K.P.Rajurkar等用鎢探針在原子力顯微鏡(AFM)上分別對置于空氣、去離子水和油等不同介質中的金和銅涂層進行了放電加工試驗，觀察到了一系列現(xiàn)象，如在空氣中探針經過工件表面會引起金原子的堆積，而在去離子水和油中則引起材料的去除。此外還研究了 AFM掃描力對涂層表面的影響。美國阿肯色大學的A.P.Malshe以STM為加工平臺，絕緣油(正葵烷)為工作介質，使用尖端半徑為35nm的鉬銥合金探針或鎢探針作為工具電極，在金試樣表面加工出直徑約為IOnm的小坑。上海交通大學陳寅等以納米尺度放電加工為對象，采用粒子模擬方法，結合蒙特卡羅碰撞模型和二次電子發(fā)射模型，對納米尺度等離子體放電通道擊穿過程的粒子運動、電磁場變化等進行了仿真模擬，探索了納米尺度下放電加工的機理，并對納米尺度的加工特征進行理論預測。雖然納米放電加工的機理還未獲得很好的解釋，但K.P.Rajurkar和A.P.Malshe均認為這種納米尺度材料去除的機理應該是以放電加工為主，而沒有微機械加工或電化學加工的證據(jù)。放電加工是在一定介質中，利用工具和工件(正、負電極)之間脈沖性火花放電時所產生的局部、瞬時高溫的電腐蝕現(xiàn)象將材料蝕除下來，因此放電加工過程中不可避免地存在著工具電極損耗。在微細電火花加工過程中，由于工具電極本身尺寸微小及加工規(guī)準微細化，使得電極的損耗變得非常嚴重，從而對工件最終的尺寸精度和表面質量產生不良影響。因此必須對工具電極的損耗進行有效的補償，以獲得較高的加工精度，但由于很難在線測量微細電極的實際損耗量，故微細電極損耗補償一直是微細電火花加工的難題之一。目前納米放電加工一般采用掃面探針顯微鏡作為實驗平臺，以具有納米尺度的探針尖端作為工具，放電過程使電極尖端迅速損耗，這也是制約納米放電加工走向實用化的一個重要障礙。電流體動力學(Electrohydrodynamics, EHD)是流體力學的一個分支，它考慮了電場對流體介質的作用；同時，它也可以被看作是在運動電介質中的電動力學。在流體中，介質運動對電場的影響，及電場對運動流體的作用，兩者相互作用會出現(xiàn)很多有趣的電流體現(xiàn)象。研究發(fā)現(xiàn)毛細管管口的帶電液滴在強電場力作用下形成液體錐，即所謂的泰勒錐(Taylor cone，理論錐頂角為98.6° )，并在錐頂端產生一股極細的溶液射流。
毛細管管口的帶電液滴在高壓電場作用下，同時受到表面張力和電場力的作用。電勢差不高時，液滴只受到有限靜電拉力；隨著電場強度增大，溶液中的同性電荷聚集在液滴表面，表面電荷產生的電場引起液滴變形并最終形成泰勒錐；當達到臨界電場強度，電場力與表面張力平衡被打破，錐頂端溶液破裂形成一股極細的射流，即為場致射流。經過對現(xiàn)有技術的檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利文獻號CN169481
公開日2005-11_09，公開了一種“靜電吸引式流體噴射裝置”，該技術將通過施加電壓而帶電的流體在靜電吸引下以液滴的狀態(tài)從由絕緣材料構成的噴嘴的流體排出孔排出，所述噴嘴的流體排出孔的直徑設定在8 μ m以下。但該技術所用裝置需要在噴嘴上制作極為微細的流體排出孔，且裝置只能用于排出液滴，而無法產生連續(xù)的射流。

發(fā)明內容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術存在的上述不足，提出一種場致射流微細放電加工方法，利用高壓電場作用下噴口尖端電解液所形成動態(tài)場致射流作為微細的工具電極，實現(xiàn)微米級甚至更小尺度的微細放電蝕除加工。因此，不需要在線制作微細電極，且場致射流在放電過程中崩潰后，會在下一個周期動態(tài)生成，這一過程循環(huán)往復，不存在常規(guī)的微細電火花加工所固有的電極損耗及補償問題。本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的，本發(fā)明通過將直流高壓電源的正負極分別與加工工件和噴射機構相連并施加直流電壓，使加工工件和噴射機構的噴嘴之間形成高壓電場；然后通過調整加工工件和噴嘴的間距，使得噴射機構出口端的帶電液滴形成泰勒錐并在錐尖端產生間歇性場致射流，進而被高壓電場擊穿射流尖端與工件間的氣體介質并產生放電及熱量，從而實現(xiàn)微細蝕除加工。所述的噴射機構上包括正對加工工件的噴嘴，所述的噴嘴的內徑小于等于500 μ m且為導電材料制成。所述的直流高壓電源通過導線分別與加工工件和噴射機構的噴嘴相連，其中:工件與高壓電源輸出端正極相連，噴嘴與高壓電源輸出端負極相連。所述的工件為導電材料制成。所述的噴射機構還包括:噴射液容器，其中:噴射液容器內儲存有作為噴射流體的電解液。所述的噴射機構安裝在用于調整噴射機構和加工工件之間的間距的運動平臺上。本發(fā)明涉及一種用于實現(xiàn)上述加工方法的裝置，包括:帶有噴嘴和噴射液容器，且設置于用于調整噴射機構和加工工件之間的間距的運動平臺上的噴射機構，以及正負極分別與加工工件和噴嘴相連的高壓電源。
技術效果與常規(guī)的微細電火花加工相比，本發(fā)明優(yōu)點主要在于:I)噴嘴出口的帶電液滴在電場力和表面張力的共同作用下產生的場致射流其直徑遠小于噴嘴內徑，因此可利用內徑較大的噴嘴產生極細的場致射流，避免噴管過細導致易于堵塞的問題；2 )場致射流微細放電加工過程中，微細場致射流的生成和對工件的放電蝕除加工幾乎是同時進行的，因此不存在微細工具電極的安裝誤差及變形誤差等；
3)場致射流放電后儲液器和噴嘴內的電解液及會在毛細管效應和電場力的作用下及時快速地自動補充，無需使用泵閥等元件，裝置結構簡單可靠，且不存在電極損耗及補償問題；4)場致射流微細放電加工過程中，放電現(xiàn)象只發(fā)生在場致射流的尖端和工件表面之間，因此對于作為溶液支撐的噴嘴本身不會造成損耗。


圖1為實施例應用示意圖。圖2為實施例中工件和噴嘴之間的泰勒錐、場致射流及放電現(xiàn)象示意圖。圖3為實施例中放電結束后工件表面放電點局部材料被蝕除及噴嘴出口溶液形態(tài)示意圖。
具體實施例方式下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發(fā)明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。
實施例1如圖1所示，本裝置包括:高壓電源1、工件2、安裝工件的工作臺3、絕緣基座4、運動平臺5、安裝噴嘴與儲液器的夾具6、電解液7、儲液器8和噴嘴9，其中:A處表示工件和噴嘴之間的局部。在本實施例中，電解液7是質量百分比濃度為20%的硝酸鈉(NaNO3)溶液，工件2為表面平整且光滑的不銹鋼材料，噴嘴9采用工業(yè)用的點膠針頭，內徑為200 μ m，材料為不銹鋼，高壓電源I連接于工件2和噴嘴9之間，工件2接高壓電源I輸出端的正極，噴嘴9接高壓電源I輸出端的負極。運動平臺5為三軸移動滑臺，精度可達到ΙΟμπι。儲液器8采用了醫(yī)用小號兒童注射器的儲液部，安裝噴嘴與儲液器的夾具6為V型塊，便于夾緊固定噴嘴與儲液器。安裝工件的工作臺3、絕緣基座4和安裝噴嘴與儲液器的夾具6都采用具有極好的絕緣絕熱性能、良好的可加工性及極好的化學穩(wěn)定性的特氟龍PTFE (聚四氟乙烯)材料制作。在本實施例中，首先通過運動平臺5調整工件和噴嘴的間距至3_左右；其次調整高壓電源I的輸出電壓至3500伏左右；再通過運動平臺5逐步減小工件2和噴嘴9的間距，直至工件2和噴嘴9之間出現(xiàn)場致射流及放電現(xiàn)象，同時工件表面放電點局部的材料被蝕除。如圖2所示，為實施例中施加電壓后實現(xiàn)蝕除的過程，其中:工件和噴嘴之間形成場致射流、放電通道，并在工件表面產生熔池，圖中:工件2、電解液7、噴嘴9、熔池10、放電通道11和場致射流12。如圖3所示，為實施例中場致射流崩潰后的蝕除結果，其中:放電現(xiàn)象結束后工件表面可見產生蝕坑，且噴嘴出口為錐形溶液形態(tài)，圖中:工件2、電解液7、噴嘴9和電蝕產物13。
權利要求
1.一種場致射流微細放電加工方法，其特征在于，通過將直流高壓電源的正負極分別與加工工件和噴射機構相連并施加直流電壓，使加工工件和噴射機構的噴嘴之間形成高壓電場；然后通過調整加工工件和噴嘴的間距，使得噴射機構出口端的帶電液滴形成泰勒錐并在錐尖端產生間歇性場致射流，進而被高壓電場擊穿射流尖端與工件間的氣體介質并產生放電及熱量，從而實現(xiàn)微細蝕除加工。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征是，所述的噴射機構上包括正對加工工件的噴嘴，所述的噴嘴的內徑小于等于500 μ m，且為導電材料制成。
3.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征是，所述的直流高壓電源通過導線分別與加工工件和噴射機構的噴嘴相連，其中:工件與高壓電源輸出端正極相連，噴嘴與高壓電源輸出端負極相連。
4.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征是，所述的加工工件為導電材料制成。
5.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征是，所述的噴射機構包括:噴射液容器，其中:噴射液容器內儲存有作為噴射流體的電解液。
6.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征是，所述的噴射機構安裝在用于調整噴射機構和加工工件之間的間距的運動平臺上。
7.一種用于實現(xiàn)權利要求1-6中任一所述方法的裝置，其特征在于，包括:帶有噴嘴和噴射液容器，且設置于用于調整噴射機構和加工工件之間的間距的運動平臺上的噴射機構，以及正負極分別與加工工件和噴嘴相連的高壓電源。
全文摘要
一種微納特種加工領域的場致射流微細放電加工方法，通過將直流高壓電源的正負極分別與加工工件和噴射機構相連并施加直流電壓，使加工工件和噴射機構的噴嘴之間形成高壓電場；然后通過調整加工工件和噴嘴的間距，使得噴射機構出口端的帶電液滴形成泰勒錐并在錐尖端產生間歇性場致射流，進而被高壓電場擊穿射流尖端與工件間的氣體介質并產生放電及熱量，從而實現(xiàn)微細蝕除加工。本發(fā)明能夠實現(xiàn)微米級甚至更小尺度的微細放電蝕除加工，不需要在線制作微細電極，且場致射流在放電過程中崩潰后，會在下一個周期動態(tài)生成，這一過程循環(huán)往復，不存在常規(guī)微細電火花加工所固有的電極損耗補償問題。
文檔編號B23H1/00GK103084674SQ20131005152
公開日2013年5月8日 申請日期2013年2月17日 優(yōu)先權日2013年2月17日
發(fā)明者趙萬生, 康小明, 許開仙 申請人:上海交通大學