一种使用平面薄金属片电极的电解电火花加工方法技术

本发明专利技术属于微细加工领域，特别涉及一种使用平面薄金属片电极的电解电火花加工方法及其装置，所述所设计的装置的加工过程包括：电解反应产生气泡、气泡聚集合与绝缘层形成、平面电极弯曲形变与放电通道形成、材料的蚀除与抛出、消电离与电极形变恢复五个阶段，实现了加工中电极位置的微进给，解决了电解电火花加工中间隙控制的难题，与传统单点放电的加工方法相比，平面薄金属片电极可以实现整个平面的放电加工，大大提高了加工效率，装置结构简单，成本低廉，使高精度、低成本、高效率的微细加工方法成为可能，具有重要的理论意义和工程应用价值。

Electrolytic electrical discharge machining method using flat thin metal sheet electrode

The invention belongs to the field of micro machining, in particular to a flat sheet metal electrode electrochemical discharge machining method and device, processing device of the design include: electrolysis bubbles, bubble coalescence set and forming an insulating layer, the planar electrode bending deformation and discharge channel formation and material removal and throw, deionization and electrode deformation recovery in five stages, the micro feed position of electrode machining, solves the problem of electro spark machining gap control, compared with the traditional processing methods of single point discharge, flat sheet metal electrode discharge machining can achieve the whole plane, greatly improving the processing efficiency the device has simple structure, low cost, and the micro machining method of high precision, low cost and high efficiency becomes possible, which has important theoretical significance and Engineering Application value.

【技术实现步骤摘要】
一种使用平面薄金属片电极的电解电火花加工方法
本专利技术属于微细加工领域，特别涉及一种使用平面薄金属片电极的电解电火花加工方法及其装置。
技术介绍
随着微观尺寸产品在微机电系统、微流体学、生物医学测试系统等领域的广泛应用，微型零部件的加工受到了极大的重视。为了在现代工业中探寻高效、高精度、经济成本低的微型零部件加工方案，研究人员利用电火花加工、电解加工等特种加工技术以及基于光刻技术的微细加工技术展开研究。在小批量加工中，特种加工技术比光刻技术更加经济实惠。特种加工技术利用电能、热能、光能、电化学能、化学能、声能及特殊机械能等能量达到去除材料的目的。依靠热能的加工方式包括激光加工和电火花加工，激光加工常用于陶瓷、聚合物和金属材料的制造，但这种加工技术需要昂贵的设备和很高的维护费用，且加工中热影响区的存在限制了其在精密加工中的应用。微细电火花加工和电火花线切割加工同样利用热能去除材料，在微型零件加工中得到了广泛应用，但其缺点是仅能加工导电材料。依靠特殊机械能去除材料的超声加工和磨料流加工在脆硬材料制造中取得了良好的效果，且无需考虑加工材料的导电性，但因无法加工柔性材料限制了其应用。依靠化学能的电解加工可实现复杂微型结构的加工，且表面光洁度良好，但其缺点是尺寸误差大、无法加工深宽比较大的结构。基于工业应用的需要，可加工多种工件材料、无需考虑材料硬度、强度、导电性的加工方法开始引起工业界的关注。电解电火花加工通过电化学反应形成的气泡使电极和工件间形成高电位梯度，引起火花击穿放电，用火花放电的瞬时高温及冲击波等作用来达到去除工件的目的。电解电火花加工兼具电解加工和电火花加工的优点，与传统特种加工方法相比，电解电火花加工不受材料强度、硬度和导电性的限制，在导电材料和非导电材料、硬脆材料和柔性材料加工中皆可应用。加工间隙控制一直是电解电火花加工的难题，目前滚珠丝杠加交流伺服电机或直线电机是主流的伺服驱动装置，随着技术的进步，这两种驱动机构的精度也在不断提高，配合高精密光栅尺的直线电机可以达到较高的进给精度，但独立使用仍然无法完全满足电解电火花加工精密伺服进给和稳定加工的要求。同时，改善微小加工间隙内电解液的流体动力学条件，建立合理的流场，保证电解产物排除顺利也是提高电解电火花加工性能的重要手段。随着微工厂概念的提出，专门用于加工微零件的装置开始出现，其基本方法是将传统数控系统小型化，在加工过程中使用MEMS可有效解决这一问题。例如，CN105269094A提供了一种面向非导电硬脆材料加工的超声振动辅助微细电解电火花线切割加工方法及装置。本专利技术加工方法利用超声振动沿电极丝的轴向激励工件，电极丝与辅助电极在电解液中发生电解反应，使电极丝周围析出氢气，进而形成气膜使电极丝与电解液绝缘。本专利技术加工装置包括机床床身、电解-电火花线切割装置、超声振动单元和工作台；机床床身上设有贮丝筒、主动轮、张紧装置、导轮支架；电解-电火花线切割装置包括固定工件的夹持装置、工件、主轴、走丝装置、电极丝、盛有电解液的工作液箱、辅助电极、电解-电火花电源；辅助电极接电解-电火花电源的正极，电极丝通过外部送丝装置接负极，该方案仅适合线切割。另外，CN103611994A提供了一种复杂曲面无再铸层单/群孔多工位电火花-电解复合加工机床，包括机床本体、阴极系统、工作液循环系统、电源系统和控制系统，电源系统其控制电路根据不同加工需求控制不同波形电源的切换，电源信号经输出电路施加到工具电极和工件电源系统，采用单回路或多回路供电方式，对工具电极进行独立供电；工作液循环切换装置可实现电火花-电解复合加工所需管电极内外冲液自由切换的特殊需求，该方案需要精密机床和高昂的传感器以及复杂的算法来控制间隙。
技术实现思路
鉴于现有技术存在的技术问题，本专利技术提供了一种使用平面薄金属片电极的电解电火花放电加工装置，包括：固定结构、进给调节装置、脉冲电源、平面薄金属片电极和工件、溶液槽，进给调节装置固定于固定结构上，平面薄金属片电极安装于进给调节装置下方，工件安装于溶液槽内，位于平面薄金属片电极下方，进给调节装置采用伺服电机驱动，可通过程序控制实现电极垂直位置的宏进给使薄金属片与工件间距为5μm-50μm；薄金属片与工件形成一个电容C，薄金属片与工件分别为电容C的两极，两极分别与脉冲电源连接形成电解池，脉冲电源电压大约为5v-100v，溶液槽内部盛装有电解液，可以通过泵调节电解液的高度。具体如图1所示。优选工件材质可为金属如304不锈钢，所属电解液为钝化电解液硝酸钠，电解液浸没工件。硝酸钠溶液为20g/l，溶剂为去离子水。其中，平面薄片电极作为工具电极，工具电极可采用锯齿状或槽状电极，工具电极的形变量与长度成正比与厚度成反比，与宽度关系不大，一般选用电极平面电极为厚度为30μm，宽度为2500μm，长度为6000μm的矩形形状，由安装于进给调节装置下方的固定装置夹持，优选方案为平面电极一端固定于夹持装置上，另一端未固定，搭在夹持装置上。本专利技术再一目的在于提供一种使用平面薄金属片电极的电解电火花加工方法，使用前述的加工装置，包括：(1)电解反应产生气泡、(2)气泡聚集合并与绝缘层形成、(3)平面电极弯曲形变与放电通道形成、(4)材料的蚀除与抛出、(5)消电离与电极形变恢复。所述加工方法的具体方案包括：(1)电解反应产生气泡，电解反应开始后，氢气和氧气气泡分别在平面薄金属片电极和工件上产生；(2)当电源电压高于一定的阈值时，平面电极的产生氢气的速度大于氢气浮出电解液液面的速度，氢气开始在平面电极附近聚集，直至在平面电极附近形成一个气体绝缘层；(3)这个绝缘层在短时间内可以阻断极间的电流致使极间形成高强度电场，由于高强度电场的作用使两极之间形成静电力，平面薄金属片电极在静电力的作用下向工件方向发生弯曲形变，使极间距离减小从而导致两极之间电场强度继续增大，当工件和平面电极距离足够小时，绝缘介质被击穿，产生火花放电，达到去除材料的目的。(4)在放电点出瞬时具体大量的热，将放电点的工件材料融化和气化，同时产生很大的爆炸力将被融化和气化的工件材料抛出，形成放电凹坑。(5)本专利技术在工件和电极之间形成火花放电的同时，极间的电荷也被释放，使极间静电力逐渐减小，平面薄金属片电极的形变也随之恢复，使工件和电极之间的距离重新变大，避免了不规则电弧的产生，也有助于放电加工中废屑的排出。当电极的形变完全恢复后，又回到电解反应的状态，重复此加工过程，平面薄金属片电极在脉冲电源的作用下，利用电解反应中的气体绝缘层形成高强度电场，从而在静电力的驱动实现微进给进行放电加工。优选的步骤(1)电解反应阶段，如图2所示，包括，通过调节装置进给向工件靠近，将平面薄金属片电极(工具)电极浸没于电解液中，工具电极与脉冲电源负极相连，作为电解反应的阴极。脉冲电源的正极与工件连接，作为电解反应的阳极，脉冲电源通电后，工具电极和辅助电极之间产生电位差，电解液中正离子向工具电极(阴极)移动，负离子向工件移(阳极)移动，使电解液中发生化学反应。作为工具电极的平面薄金属片(阴极)周围开始产生氢气气泡，且氢气气泡的产生速率与脉冲电源电压、脉宽有关系，电压越高，气泡产生速率越快，脉宽越大，气泡产生速率越快。优选的步骤(2)气泡聚集合并本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种使用平面薄金属片电极的电解电火花放电加工装置，其特征包括：固定结构、进给调节装置、脉冲电源、平面薄金属片电极和工件、溶液槽，进给调节装置固定于固定结构上，平面薄金属片电极安装于进给调节装置下方，工件安装于溶液槽内，位于平面薄金属片电极下方，进给调节装置采用伺服电机驱动，可通过程序控制实现电极垂直位置的宏进给使薄金属片与工件间距为5μm‑50μm；薄金属片与工件形成一个电容C，薄金属片与工件分别为电容C的两极，两极分别与脉冲电源连接形成电解池，脉冲电源电压大约为5v‑100v，溶液槽内部盛装有电解液，可以通过泵调节电解液的高度。

【技术特征摘要】
1.一种使用平面薄金属片电极的电解电火花放电加工装置，其特征包括：固定结构、进给调节装置、脉冲电源、平面薄金属片电极和工件、溶液槽，进给调节装置固定于固定结构上，平面薄金属片电极安装于进给调节装置下方，工件安装于溶液槽内，位于平面薄金属片电极下方，进给调节装置采用伺服电机驱动，可通过程序控制实现电极垂直位置的宏进给使薄金属片与工件间距为5μm-50μm；薄金属片与工件形成一个电容C，薄金属片与工件分别为电容C的两极，两极分别与脉冲电源连接形成电解池，脉冲电源电压大约为5v-100v，溶液槽内部盛装有电解液，可以通过泵调节电解液的高度。2.根据权利要求1所述的加工装置，其特征在于，工件材质为金属，所属电解液为钝化电解液硝酸钠，电解液浸没工件。3.根据权利要求1或2所述的加工装置，其特征在于，平面薄片电极作为工具电极，工具电极可采用锯齿状或槽状电极，由安装于进给调节装置下方的固定装置夹持，优选方案为平面电极一端固定于夹持装置上，另一端未固定，搭在夹持装置上。4.一种使用平面薄金属片电极的电解电火花加工方法，其特征在于，使用权利要求1至3任一权利要求所述的加工装置，包括：(1)电解反应产生气泡、(2)气泡聚集合并与绝缘层形成、(3)平面电极弯曲形变与放电通道形成、(4)材料的蚀除与抛出、(5)消电离与电极形变恢复。5.根据权利要求4所述的加工方法，其特征在于，包括：(1)电解反应产生气泡，电解反应开始后，氢气和氧气气泡分别在平面薄金属片电极和工件上产生；(2)当电源电压高于一定的阈值时，平面电极的产生氢气的速度大于氢气浮出电解液液面的速度，氢气开始在平面电极附近聚集，直至在平面电极附近形成一个气体绝缘层；(3)这个绝缘层在短时间内可以阻断极间的电流致使极间形成高强度电场，由于高强度电场的作用使两极之间形成静电力，平面薄金属片电极在静电力的作用下向工件方向发生弯曲形变，使极间距离减小从而导致两极之间电场强度继续增大，当工件和平面电极距离足够小时，绝缘介质被击穿，产生火花放电；(4)在放电点出瞬时具体大量的热，将放电点的工件材料融化和气化，同时产生很大的爆炸力将被融化和气化的工件材料抛出，形成放电凹坑；(5)在工件和电极之间形成火花放电的同时，极间的电荷也被释放，使极间静电力逐渐减小，平面薄金属片电极的形变也随之恢复，使工件和电极之间的距离重新变大，避免了不规则电弧的产生，也有助于放电加工中废屑的排出。6.根据权利要求4或5所述的加工方法，其特征在于，步骤(1)电解反应阶段，包括，通过调节装置进给向工件靠近，将工具电极浸没于电解液中，工具电极与脉冲电源负极相连，脉冲电源的正极与工件连接，作为电解反应的阳极，脉冲电源通电后，工件电极和薄金属片电极之间产生电位差，电解液中正离子向...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄瑞宁，王琨宁，李兴，赵呈路，楼云江，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：广东,44