一种高回转精度球头柱状电极的在线制备修整装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种高回转精度球头柱状电极的在线制备修整装置及方法，本发明专利技术在得到柱状电极的基础上，利用电解加工机床上的单脉冲火花放电系统，对柱状电极尖端放电，得到电极球头，再以球头电极为阳极，片状修整槽为阴极，接通脉冲电源进行电解修整，得到高回转精度的球头柱状电极。本发明专利技术利用单脉冲火花放电电路，在圆柱状电极的尖端放电，利用瞬时产生的巨大能量使尖端熔融，同时在表面张力作用下收缩为球形，球头和电极基体之间结合紧密，不存在电极球头和电极基体的结合力难以控制的问题。同时利用球型片状修整槽，对得到的电极球头进行电化学修整，可去除电极球头表面的微细裂痕以及气孔等缺陷，极大地提高球头电极的表面质量及回转精度。

【技术实现步骤摘要】
一种高回转精度球头柱状电极的在线制备修整装置及方法
本专利技术涉及一种高回转精度球头柱状电极的在线制备修整装置及方法。
技术介绍
近年来，微机电系统技术的发展，促进了产品向微型化、集成化方向发展。随之而来的，对生产这些产品的微型加工工具电极以及测量它们的超微测量工具的需求，也在日益增加。这些微细工具电极的制备，已经成为影响微机电系统技术发展的因素之一。此外，球头电极是一种尖端带有微尺寸球体的异形电极工具，其广泛应用于微测量、微电子、细胞无损检测以及航空航天等
尤其在微测量领域，微球形电极安装在三坐标测量仪中，可用于测量大深径比深小孔、复杂型腔三维结构等。同时，微球头电极的尺寸以及回转精度，对于实际测量的精度有重大影响，电极尺寸越小、回转精度越高，测量的精度也越高。因此，微球头工具电极的高效、高精度制备具有重要意义。目前，对于微球头电极的制备，主要有线放电研磨、精车削、精磨削以及工艺组装等工艺方法，但在实际加工过程中它们都或多或少存在一些问题，使得到的微球头电极并不十分理想。目前，制备球头电极最主要采用的还是工艺组装方法，它采用在柱状电极的端部焊接或粘结微球头的方法，获得球头电极。但是在实际操作中，工艺组装存在电极球头和柱状电极主体的结合力以及球体位置难以控制等问题，而且加工工艺过程比较复杂。此外，虽然它确实可以制备球头电极，但加工效率太低，面对微机电系统技术的快速发展，工艺组装方法将很难满足工业对球头电极的需求。采用线放电研磨加工方法，利用电火花对工件电极进行逐层磨削，蚀除多余的材料获得所需的球头电极。但加工耗时太长，加工效率太低。同时，由于采用电火花去除材料，会在电极以及球头表面留下放电凹坑，是球头电极精度不高，不能满足对高精度的要求。采用精车削和精磨削加工，制备球头电极。通过传统的切削加工原理，去除材料，获得所需的球头电极。由于传统加工过程中，存在加工应力，所以在获得的球头电极中也会存在残余应力，不利于电极的使用。同时，要加工高精度电极，需要更高要求的加工设备，成本太高。电极球头的制作，目前除了以上几种方法外，还有一种新的思路，即利用单脉冲火花放电技术。单脉冲火花放电技术在加工时，注重对一个脉冲的相关参数的控制，利用一次放电的能量来实现单次加工；在放电能量较大的情况下，将产生使材料融化后气化而被蚀除，但当能量控制合适，就可以使材料只发生融化。此处，即是通过控制放电能量，在电极尖端放电，使尖端熔融，之后冷却收缩为球形。台湾的Dong-YeaSheu等采用线电火花放电磨削和单脉冲火花放电组合工艺技术，先利用线电火花放电磨削制备柱状电极，再利用单脉冲火花放电技术获得球头，成功制备出直径最小可达10μm的微球头电极。但该方法不仅在柱状电极的表面存在放电凹坑、表面再铸层，而且获得的球头表面也会存在波浪状纹路的再铸层，并且再铸层表面还散布着微细裂痕以及气孔等缺陷，严重影响球头电极的精度。
技术实现思路
本专利技术为了解决上述问题，提出了一种高回转精度球头柱状电极的在线制备修整装置及方法，该专利技术基于阳极溶解的加工工艺，加工过程以离子的形式对材料进行蚀除，具有加工精度高、加工过程不存在加工应力和加工后不存在再铸层等独特优势。所以，为解决球头柱状电极的制备以及球头电极基体和球头表面再铸层的消除问题，可先采用电化学加工的方法加工柱状电极，再利用单脉冲火花发电电路对柱状电极进行火花放电，得到球头电极，最后再采用电化学加工手段对获得的电极球头进行修整，即可消除以上缺陷，制备得到高回转精度的球头电极。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种高回转精度球头柱状电极的在线制备修整装置，包括脉冲电源、电解加工机床、控制系统、单脉冲火花放电系统和修整槽，其中，单脉冲火花放电系统设置于电解加工机床上，控制系统控制电解加工机床做x、y和z向运动，使夹持在电解加工机床夹头的工件浸入电解液中一定深度，阴极板设置于电解液中，电解加工机床使工件保持一定转速，脉冲电源以工件为阳极，以阴极板为阴极，施加电流，使工件形成柱状电极；控制系统控制机床作x、y、z向运动，使主轴下的柱状电极尖端对准单脉冲火花放电系统的放电尖端，并保持合适距离；同时，控制放电脉冲的电压、峰值电流和放电时间，接通放电电路，使其对柱状电极尖端放电，让电极尖端熔融后收缩得到电极球头；待电极球头冷却后，控制电解加工机床运动使电极球头位于固定在电解液中的修整槽内，脉冲电源阳极接旋转的球头电极，阴极接修整槽，接通电源，对电极球头进行电化学修整。所述工件形成柱状电极时，设置霍尔电流传感器检测加工电流，并通过数据采集单元将电流信号传递给控制系统，控制系统根据电流信号的大小，反馈控制直流脉冲电源的电压幅值。优选的，电解加工机床为微细电解加工机床。所述电解液放置于电解液槽内，电解液槽放置在可升降平台上。所述阴极板为中心位置设有小孔的金属板。优选的，所述金属板为不锈钢板。优选的，所述孔的直径为3-6mm。所述脉冲电源为直流脉冲电源。优选的，柱状电极尖端和单脉冲火花放电系统的放电尖端距离为1-2μm。优选的，单脉冲放电的脉冲电压为100±3V。所述峰值电流和放电时间需要根据具体的电极基体直径大小来决定，优选的，峰值电流不超过20A，放电时间不超过200μs。所述工件为圆柱状钨丝，加工过程中，所述工件置于阴极板的孔中心。钨丝使用前进行过校直。所述修整槽浸没于电解液中，为球型薄片状。所述电化学修整将电极球头表面的放电凹坑、裂痕、气孔等缺陷蚀除掉。一种基于上述装置的工作方法，包括以下步骤：(1)制作工件，将其安装在电解加工机床的电主轴夹头上，阴极板放置于电解液槽内，向电解液槽中添加电解液，确保电解液刚好浸没阴极板上表面；(2)控制电解加工机床x、y和z轴方向的运动，使得工件电极位于阴极板小孔中心，脉冲电源正极连接主轴夹头，负极连接阴极板，接通电源；(3)控制电主轴旋转，并带动由其夹头夹持的工件，使工件在电解液中不停地旋转；(4)采用霍尔电流传感器测量脉冲电源电流，并采集电流信号，作为控制系统反馈控制信号，控制直流脉冲电源输出电压，保持加工电流随时间按理论规律变化，得到均匀柱状电极；(5)将柱状电极移出电解液，利用控制系统控制机床运动，使电极尖端与单脉冲火花放电系统的放电尖端对齐并保持合适距离，同时保持柱状电极旋转，根据电极直径的大小确定峰值电流和放电时间，单脉冲火花放电使电极尖端熔融，并在表面张力的作用下收缩为球状，得到电极球头；(6)待电极球头冷却之后，控制系统控制电解加工机床运动，使电极球头位于修整槽的中心，以修整槽为阴极、电极球头为阳极，再次接通直流脉冲电源，并使电极球头在机床主轴的带动下旋转，对其进行修整，得到高回转精度的球头电极。所述步骤(1)中，制作工件的方法为：截取钨丝作为工件，并对其进行校直。所述步骤(5)中，优选的柱状电极旋转的转速为2000-2800r/min，放电电压为100±3V，合适距离为1-2μm。所述步骤(6)中，修整时的脉冲电压以及加工时间，由柱状基体直径决定，优选的加工电压不超过20V。本专利技术的工作原理为：利用电化学加工原理，采用板状带小孔构件为阴极、工件为阳极，利用电解加工机床的电主轴带动工件旋转，在加工过程中可保证加工电场和加工流场的均匀，使工件各径本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高回转精度球头柱状电极的在线制备修整装置，其特征是：包括脉冲电源、电解加工机床、控制系统、单脉冲火花放电系统和修整槽，其中，单脉冲火花放电系统设置于电解加工机床上，控制系统控制电解加工机床做x、y和z向运动，使夹持在电解加工机床夹头的工件浸入电解液中一定深度，阴极板设置于电解液中，电解加工机床使工件保持一定转速，脉冲电源以工件为阳极，以阴极板为阴极，施加电流，使工件形成柱状电极；控制系统控制机床作x、y、z向运动，使主轴下的柱状电极尖端对准单脉冲火花放电系统的放电尖端并保持合适距离，同时，控制放电的电压、峰值电流和放电时间，接通放电电路，使其对柱状电极尖端放电，让电极尖端熔融后收缩得到电极球头；待电极球头冷却后，控制电解加工机床运动使电极球头位于固定在电解液中的修整槽内，脉冲电源正极接旋转的球头电极，负极接修整槽，接通电源对电极球头进行电化学修整。

【技术特征摘要】
1.一种高回转精度球头柱状电极的在线制备修整装置，其特征是：包括脉冲电源、电解加工机床、控制系统、单脉冲火花放电系统和修整槽，其中，单脉冲火花放电系统设置于电解加工机床上，控制系统控制电解加工机床做x、y和z向运动，使夹持在电解加工机床夹头的工件浸入电解液中一定深度，阴极板设置于电解液中，电解加工机床使工件保持一定转速，脉冲电源以工件为阳极，以阴极板为阴极，施加电流，使工件形成柱状电极；控制系统控制机床作x、y、z向运动，使主轴下的柱状电极尖端对准单脉冲火花放电系统的放电尖端并保持合适距离，并保持柱状电极以一定的速度旋转，同时，控制放电的电压、峰值电流和放电时间，接通放电电路，使其对柱状电极尖端放电，让电极尖端熔融后收缩得到电极球头；待电极球头冷却后，控制电解加工机床运动使电极球头球心位于固定在电解液中的修整槽内圆孔圆心处，脉冲电源正极接旋转的球头电极，负极接修整槽，接通电源对电极球头进行电化学修整；所述修整槽放置于电解液槽中并浸没于电解液中，为球型薄片状。2.如权利要求1所述的一种高回转精度球头柱状电极的在线制备修整装置，其特征是：所述工件形成柱状电极时，采用带孔金属板为阴极，加工时工件处于旋转状态并位于小孔中心，同时设置霍尔电流传感器检测加工电流，并通过数据采集单元将电流信号传递给控制系统，控制系统根据电流信号的大小，反馈控制直流脉冲电源的电压幅值，保证加工电流随时间按理论规律变化。3.如权利要求1所述的一种高回转精度球头柱状电极的在线制备修整装置，其特征是：所述电解液放置于电解液槽内，电解液槽放置在可升降平台上。4.如权利要求1所述的一种高回转精度球头柱状电极的在线制备修整装置，其特征是：所述阴极板为中心位置设有小孔的金属板。5.如权利要求4所述的一种高回转精度球头柱状电极的在...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘勇，郭春生，李名鸿，
申请(专利权)人：山东大学威海，
类型：发明
国别省市：山东;37