本發(fā)明涉及一種旋轉(zhuǎn)超聲電極微細(xì)電解電火花切割加工裝置及方法。

背景技術(shù)：

在科技迅速發(fā)展的今天，非導(dǎo)電硬脆材料如玻璃、陶瓷等，越來越多的被應(yīng)用在航空航天、國防、醫(yī)療器械領(lǐng)域，這些材料具有高硬度、高脆性、高抗氧化性、耐磨損、耐腐蝕、絕緣、透明以及生物相容性等優(yōu)良屬性。在微加速度計(jì)、微流量傳感器、微反應(yīng)容器、微型泵和生物醫(yī)療等應(yīng)用廣泛。但是由于材料本身的特性造成其切割加工困難，其零部件的制造已成為現(xiàn)代制造技術(shù)的研究熱點(diǎn)，核心問題在于如何高效、穩(wěn)定、精密加工。

目前，非導(dǎo)電脆硬材料的微細(xì)切割方法主要有電火花線切割、超聲振動(dòng)復(fù)合線鋸切割、超聲波多線切割、超聲波多砂漿線切割、電解電火花線切割。

電火花線切割非導(dǎo)電材料是設(shè)置兩根平行且可移動(dòng)的電極絲作為電極，兩電極絲接脈沖電源兩極，調(diào)整兩平行電極絲之間的距離，電極絲之間沖入工作液，形成脈沖放電，蝕除微量的非導(dǎo)電脆硬材料，但該方法加工效率極低，放電長度遠(yuǎn)大于加工長度。

超聲振動(dòng)復(fù)合線鋸切割非導(dǎo)電硬脆材料一方面通過鋸絲切割，鋸絲進(jìn)行單向或往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)主切割運(yùn)動(dòng)，同時(shí)鋸絲沿垂直于其主切割運(yùn)動(dòng)的方向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)；另一方面，在非導(dǎo)電硬脆材料上附加有超聲振動(dòng)，該超聲振動(dòng)使非導(dǎo)電硬脆材料的振動(dòng)方向至少與鋸絲主切割運(yùn)動(dòng)方向和進(jìn)給方向的一個(gè)方向一致。但該方法使用的游離磨料鋸絲，磨料與切屑混合，回收困難，固結(jié)磨料鋸絲制造精度要求較高。

超聲波多線切割將超聲發(fā)射表面直接安裝在非導(dǎo)電材料表面上，使超聲波直接傳遞到待切割物體，極大地提高了超聲傳遞的效果。但該方法對(duì)待切割物體形狀有一定要求，需預(yù)留足夠的超聲發(fā)射安裝空間。

超聲波多砂漿線切割在該切割加工裝置中通過滾筒給電極絲和輔助電極通直流或者脈沖電壓，使電極絲和輔助電極通過電解液形成回路；浸入電解液中的電極絲發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)和電解電火花放電，并在電極絲表面形成一層硬質(zhì)保護(hù)膜；在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和導(dǎo)輪的導(dǎo)向作用下，滾筒帶動(dòng)電極絲做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)；噴嘴噴出帶研磨顆粒的切削液，在電極絲的帶動(dòng)下，研磨顆粒進(jìn)入電極絲和工件相互接觸的區(qū)域，對(duì)工件進(jìn)行磨削。但該方法存在排屑困難、易短路的問題。

電解電火花線切割將浸入電解液中的電極絲表面附近發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)和電解電火花放電現(xiàn)象并在電極絲表面迅速附著一層絕緣層；隨著電極絲的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，與工件接觸的電極絲的絕緣層瞬間被磨掉并發(fā)生電解電火花放電，電解電火花放電產(chǎn)生的瞬間高溫和沖擊作用去除工件材料。但該方法電極絲周圍的氣膜依賴氣體浮力成型，氣膜的厚度不均勻?qū)е录庸み^程中放電過程不穩(wěn)定，加工精度和穩(wěn)定性較差，同時(shí)，該方法屬于開環(huán)線切割，不能加工封閉圖形。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決上述問題，提出了一種旋轉(zhuǎn)超聲電極微細(xì)電解電火花切割加工裝置及方法，本發(fā)明能夠有效的維持電解液循環(huán)，利于加工產(chǎn)物的排出，提高加工效率，節(jié)約能源，使放電過程更加穩(wěn)定，加工精度更高。

本發(fā)明的第一目的是提供一種旋轉(zhuǎn)超聲電極微細(xì)電解電火花切割加工裝置，本裝置將超聲輔助加持在旋轉(zhuǎn)主軸上，使得超聲振動(dòng)區(qū)域與工具尖端加工區(qū)域?yàn)橥粎^(qū)域，工具在垂直方向上下振動(dòng)并不斷高速旋轉(zhuǎn)，有利于電解液循環(huán)，加工產(chǎn)物排出。

本發(fā)明的第二目的是提供一種基于上述加工裝置的工作方法，本方法能夠形成更薄，更均勻的氣膜，降低電解電流和放電電流，提高加工效率，節(jié)約能源，同時(shí)，可以加工封閉圖形，擴(kuò)大加工裝置的用途。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種旋轉(zhuǎn)超聲電極微細(xì)電解電火花切割加工裝置，包括脈沖電源、三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、超聲輔助振動(dòng)旋轉(zhuǎn)主軸、測控單元和電解液槽，其中：

所述三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)夾持超聲輔助振動(dòng)旋轉(zhuǎn)主軸，使其能夠沿x、y或z軸方向運(yùn)動(dòng)，所述超聲輔助振動(dòng)旋轉(zhuǎn)主軸末端設(shè)置有工具電極，所述電解液槽放置于工具電極下端，其內(nèi)部設(shè)置有輔助陽極；

所述脈沖電源為輔助陽極和工具電極提供脈沖方波電壓信號(hào)，測控單元通過控制超聲輔助振動(dòng)旋轉(zhuǎn)主軸的運(yùn)動(dòng)方向、振動(dòng)頻率與幅度，實(shí)現(xiàn)對(duì)電解液槽內(nèi)浸置在電解液中的工件的二維封閉結(jié)構(gòu)切割。

進(jìn)一步的，所述電解液槽放置于可升降平臺(tái)上。以便更好的控制工具電極與電解液的距離。

進(jìn)一步的，所述三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)為微細(xì)電解電火花加工機(jī)床。

進(jìn)一步的，所述輔助陽極一半浸泡在電解液槽中，另一半暴露在電解液之外接通電源正極。

優(yōu)選的，所述輔助陽極為石墨矩形塊。

進(jìn)一步的，所述工具電極為直徑為20-100um的螺旋體。

進(jìn)一步的，所述測控單元，包括檢測脈沖電源的電流值的電流傳感器、控制三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的控制器、控制所述超聲輔助振動(dòng)旋轉(zhuǎn)主軸的變頻變幅器和采集加工情況的ccd視覺監(jiān)測系統(tǒng)。

一種基于上述裝置的工作方法，包括以下步驟：

(1)將工件水平裝夾在電解液槽內(nèi)，電解液槽中添加電解液，直至電解液的液面高度高于工件上表面；

(2)控制超聲輔助振動(dòng)旋轉(zhuǎn)主軸的x、y與z軸方向的運(yùn)動(dòng)，使得工具電極浸入電解液的同時(shí)高于工件上表面，脈沖電源正極連接工件，負(fù)極連接工具電極，接通電源；

(3)控制主軸旋轉(zhuǎn)和超聲振動(dòng)，即夾具頂端的工具電極在電解液中旋轉(zhuǎn)并伴隨z軸軸向的超聲振動(dòng)；

(4)控制z軸進(jìn)給，完成加工微孔操作，直至使用ccd視覺監(jiān)測系統(tǒng)觀察到加工出一個(gè)貫穿通孔；

(5)控制x、y軸運(yùn)動(dòng)，完成目標(biāo)軌跡的運(yùn)動(dòng)，即可切割一個(gè)封閉二維結(jié)構(gòu)。

工具電極在加工過程中，一直處于旋轉(zhuǎn)振動(dòng)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速范圍為：0-24000r/min，振動(dòng)幅度為：0-15um，振動(dòng)頻率為：24-40khz。

在加工時(shí)，在電解作用下，工具電極作為陰極，其表面生成氣膜，工具電極與作為陽極的電解液瞬間絕緣，脈沖電源在陰陽極之間加載電壓，當(dāng)加載電壓高于臨界擊穿電壓時(shí)，工具電極與電解液之間產(chǎn)生火花放電，當(dāng)工件足夠靠近放電位置，放電產(chǎn)生的熱量熔化、去除工件，隨著控制超聲輔助振動(dòng)旋轉(zhuǎn)主軸的x和y軸運(yùn)動(dòng)，工具電極按照目標(biāo)軌跡完成切割任務(wù)，獲得封閉結(jié)構(gòu)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

(1)電解電火花線切割，覆蓋電解液的電極絲均會(huì)產(chǎn)生電解電火花放電，而本發(fā)明可通過控制浸入電解液的長度控制放電長度，放電區(qū)域覆蓋待加工區(qū)域即可，在切割輕薄工件時(shí)，冗余量少，節(jié)約能源；

(2)相比與電解電火花加工，本發(fā)明將工具作為陰極，超聲輔助加持在旋轉(zhuǎn)主軸上，超聲振動(dòng)區(qū)域即為工具尖端加工區(qū)域，工具在垂直方向上下振動(dòng)并不斷高速旋轉(zhuǎn)，有利于電解液循環(huán)，加工產(chǎn)物排出，加工過程中氣膜的厚度更薄更均勻，電解電流和放電電流均較小，加工可控性更好，加工精度更高；

(3)采用螺旋柱狀電極代替金屬絲線切割，在切割二維微細(xì)結(jié)構(gòu)時(shí)，選擇加工路線上合適的一個(gè)點(diǎn)為起點(diǎn)，先完成加工通孔操作，不需要換絲、暫停加工，只需繼續(xù)完成切割目標(biāo)軌跡操作，即可切割封閉圖形。

附圖說明

構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分的說明書附圖用來提供對(duì)本申請(qǐng)的進(jìn)一步理解，本申請(qǐng)的示意性實(shí)施例及其說明用于解釋本申請(qǐng)，并不構(gòu)成對(duì)本申請(qǐng)的不當(dāng)限定。

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是工具電極在不旋轉(zhuǎn)不添加超聲輔助振動(dòng)情況下氣膜形狀圖；

圖3是工具電極在只旋轉(zhuǎn)不添加超聲輔助振動(dòng)情況下氣膜形狀圖；

圖4是工具電極在既旋轉(zhuǎn)又超聲輔助振動(dòng)情況下氣膜形狀圖。

其中，1為計(jì)算機(jī)，2為超聲振動(dòng)輔助旋轉(zhuǎn)電主軸，3為ccd視覺監(jiān)測系統(tǒng)，4為工件，5為電解液槽，6為電解液，7為輔助陽極，8為霍爾電流傳感器，9為手動(dòng)升降臺(tái)，10為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，11為工具電極，12為氣膜。

具體實(shí)施方式：

下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

應(yīng)該指出，以下詳細(xì)說明都是例示性的，旨在對(duì)本申請(qǐng)?zhí)峁┻M(jìn)一步的說明。除非另有指明，本文使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語具有與本申請(qǐng)所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通常理解的相同含義。

需要注意的是，這里所使用的術(shù)語僅是為了描述具體實(shí)施方式，而非意圖限制根據(jù)本申請(qǐng)的示例性實(shí)施方式。如在這里所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數(shù)形式也意圖包括復(fù)數(shù)形式，此外，還應(yīng)當(dāng)理解的是，當(dāng)在本說明書中使用術(shù)語“包含”和/或“包括”時(shí)，其指明存在特征、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。

在本發(fā)明中，術(shù)語如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“豎直”、“水平”、“側(cè)”、“底”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，只是為了便于敘述本發(fā)明各部件或元件結(jié)構(gòu)關(guān)系而確定的關(guān)系詞，并非特指本發(fā)明中任一部件或元件，不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。

本發(fā)明中，術(shù)語如“固接”、“相連”、“連接”等應(yīng)做廣義理解，表示可以是固定連接，也可以是一體地連接或可拆卸連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連。對(duì)于本領(lǐng)域的相關(guān)科研或技術(shù)人員，可以根據(jù)具體情況確定上述術(shù)語在本發(fā)明中的具體含義，不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。

術(shù)語解釋部分：超聲輔助振動(dòng)旋轉(zhuǎn)主軸，指的是旋轉(zhuǎn)主軸上施加超聲波，進(jìn)行輔助振動(dòng)。

正如背景技術(shù)所介紹的，現(xiàn)有技術(shù)中存在超聲波多線切割方法對(duì)待切割物體形狀有一定要求，需預(yù)留足夠的超聲發(fā)射安裝空間；超聲波多砂漿線切割方法有排屑困難、易短路的問題；電解電火花線切割方法電極絲周圍的氣膜依賴氣體浮力成型，氣膜的厚度不均勻?qū)е录庸み^程中放電過程不穩(wěn)定，加工精度和穩(wěn)定性較差，同時(shí)，該方法屬于開環(huán)線切割，不能加工封閉圖形的不足，為了解決如上的技術(shù)問題，本申請(qǐng)?zhí)岢隽艘环N非導(dǎo)電硬脆材料的旋轉(zhuǎn)超聲電極微細(xì)電解電火花切割加工裝置及方法，該方法將工具作為陰極，超聲輔助加持在旋轉(zhuǎn)主軸上，超聲振動(dòng)區(qū)域即為工具尖端加工區(qū)域，工具在垂直方向上下振動(dòng)并不斷高速旋轉(zhuǎn)，有利于電解液循環(huán)，加工產(chǎn)物排出；形成更薄，更均勻的氣膜，降低電解電流和放電電流，提高加工效率，節(jié)約能源；使放電過程更加穩(wěn)定，加工精度更高；可加工封閉圖形，用途更加廣泛。

本發(fā)明的工作原理為：電解液為陽極，螺旋工具電極為陰極，在加工過程中，工具電極隨主軸旋轉(zhuǎn)、振動(dòng)。在加工時(shí)，在電解作用下，工具電極表面生成氣膜，工具電極與電解液瞬間絕緣，脈沖電源在陰陽極之間加載電壓，當(dāng)加載電壓高于臨界擊穿電壓時(shí)，工具電極與電解液之間產(chǎn)生火花放電，當(dāng)工件足夠靠近放電位置，放電產(chǎn)生的熱量熔化、去除工件，隨著計(jì)算機(jī)控制x、y軸運(yùn)動(dòng)，工具電極按照目標(biāo)軌跡完成切割任務(wù)，獲得封閉結(jié)構(gòu)。主軸的超聲振動(dòng)使電極周圍的氣膜變更均勻、更薄，放電過程與不加超聲振動(dòng)的電解電火花加工相比更加穩(wěn)定，更容易發(fā)生，有利于加工出高質(zhì)量的微結(jié)構(gòu)。

本申請(qǐng)的一種典型的實(shí)施方式中，如圖1所示，旋轉(zhuǎn)超聲電極微細(xì)電解電火花切割加工裝置，包括脈沖電源提供脈沖方波電壓信號(hào)(可調(diào)節(jié)電壓、頻率、占空比)，超聲輔助電解電火花加工機(jī)床作為工作平臺(tái)，控制系統(tǒng)提供可供操作的x、y、z軸，來控制工具電極11的運(yùn)動(dòng)，即可以完成復(fù)雜二維封閉結(jié)構(gòu)切割，螺旋工具電極11作為陰極并裝夾在超聲輔助振動(dòng)旋轉(zhuǎn)主軸2末端，石墨矩形塊輔助陽極7，ccd視覺監(jiān)測系統(tǒng)3同步觀察加工情況，工件4固定、浸泡在電解液槽5中。

電解液槽5放置于可升降平臺(tái)上。

電解電火花加工機(jī)床為微細(xì)電解電火花加工機(jī)床。

工件4為具有一定厚度的矩形透明超白玻璃。

螺旋工具電極11的直徑為20-100um。

輔助陽極7一半浸泡在電解液槽5中，另一半暴露在電解液之外接通電源正極。

將工件4裝夾在電解液槽5內(nèi)，放置在手動(dòng)升降臺(tái)9上等待加工；取工具電極11裝夾在超聲輔助振動(dòng)旋轉(zhuǎn)電主軸2的夾頭上，在電解液槽5內(nèi)加入電解液至剛好與工件4上表面平齊，此時(shí)，電解液液面即為工件4上表面，通過計(jì)算機(jī)1控制機(jī)床z軸上下運(yùn)動(dòng)調(diào)整工具電極11至剛好觸及電解液表面，把這一點(diǎn)設(shè)置為加工原點(diǎn)，再通過計(jì)算機(jī)1控制機(jī)床z軸向上提升(提升距離為工具電極直徑的3倍)，補(bǔ)充電解液至電解液表面剛好觸及工具電極11，保證電解液液面高于工件4上表面適當(dāng)高度；工具電極11接脈沖電源負(fù)極，輔助陽極接脈沖電源正極，通過計(jì)算機(jī)1控制超聲振動(dòng)輔助旋轉(zhuǎn)電主軸2在一定轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)，在一定頻率和振幅下振動(dòng)；接通脈沖電源，調(diào)整加工電壓至目標(biāo)電壓即可開始加工；ccd視覺監(jiān)測系統(tǒng)3可以在計(jì)算機(jī)1實(shí)時(shí)顯示加工狀態(tài)；加工過程中，首先通過計(jì)算機(jī)1控制z軸在工件4上加工一個(gè)通孔，再控制x、y軸促使工具電極11沿著目標(biāo)軌跡運(yùn)動(dòng)，切割一個(gè)封閉圖形。

ccd視覺監(jiān)測系統(tǒng)可以在計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)顯示加工狀態(tài)，在加工通孔的過程中，工具電極穿過工件下表面完成通孔加工瞬間有明顯現(xiàn)象。加工出一個(gè)貫穿通孔，保證工具電極放電部分覆蓋工件待加工部分。

工具電極11在加工過程中，一直處于旋轉(zhuǎn)振動(dòng)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速范圍為：0-24000r/min，振動(dòng)幅度為：0-15um，振動(dòng)頻率為：24-40khz。

在如圖2、3、4不同加工條件下，霍爾電流傳感器8測量加工過程中電流信號(hào)，比較加工條件對(duì)放電過程的影響，并為后來優(yōu)化加工參數(shù)提供參考。

圖2為工具電極在不旋轉(zhuǎn)不添加超聲輔助振動(dòng)情況下氣膜形狀圖，在電解作用下，工具電極表面生成氫氣，小氣泡在浮力作用下脫離工具電極表面，隨著氣體生成量的增加，小氣泡逐漸聚集成氣膜，如圖2所示，氣膜形狀為錐形，不均勻，放電過程不穩(wěn)定。切割出的工件側(cè)面會(huì)出現(xiàn)錐度，邊緣加工質(zhì)量較差。

圖3為工具電極在旋轉(zhuǎn)，但不添加超聲輔助振動(dòng)情況下氣膜形狀圖，如圖3所示，氣膜厚度與圖2相比有一定程度減小，這是因?yàn)?，在工具電極增加旋轉(zhuǎn)之后，工具電極周圍電解液的壓力不再均勻，靠近工具電極的壓力小，甚至是負(fù)壓；遠(yuǎn)離工具電極的壓力大，氣體的密度又遠(yuǎn)小于電解液的密度，在壓力和浮力共同作用下，氣泡在向上運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，向工具電極運(yùn)動(dòng)，最終，形成更薄的氣膜。旋轉(zhuǎn)工具電極還可以加快電解液循環(huán)，促進(jìn)電解液更新，提高加工效率。

圖4為工具電極在既旋轉(zhuǎn)又超聲輔助振動(dòng)情況下氣膜形狀圖，如圖4所示，氣膜厚度與圖2、3相比是最薄、最均勻的一種情況，這是因?yàn)?，在超聲輔助振動(dòng)作用下，電解電流與放電電流都減小。超聲振動(dòng)過程中，氣泡更容易脫離工具電極形成氣膜，氣膜厚度變得更??；單個(gè)放電過程中，氣膜形成時(shí)間縮短，所以放電時(shí)間增多，放電更加充分，同時(shí)，更薄的氣膜意味著電解液和電極之間更短的距離，使擊穿變得更容易，加工精度更高，加工間隙更小。

以上所述僅為本申請(qǐng)的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本申請(qǐng)，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本申請(qǐng)可以有各種更改和變化。凡在本申請(qǐng)的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本申請(qǐng)的保護(hù)范圍之內(nèi)。

上述雖然結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，但并非對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動(dòng)即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。