旋转超声电极微细电解电火花切割加工装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开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，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，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，超声辅助振动旋转主轴末端设置有工具电极，电解液槽放置于工具电极下端，其内部设置有辅助阳极；脉冲电源为辅助阳极和工具电极提供脉冲方波电压信号，本发明专利技术通过超声振动辅助加工和旋转电极的配合，降低电解电流和放电电流，控制加工过程中形成更薄、更均匀的气膜，放电时间增加，放电更容易发生，放电过程更加稳定，从而保证加工工件边缘高表面质量，并提高了加工稳定性和精度；同时，采用螺旋柱状电极代替金属丝线切割，可切割封闭图形。

Rotary ultrasonic electrode micro electrolytic spark cutting device and method

The invention discloses a rotary ultrasonic electrode electrochemical micro electric spark cutting device and method, device comprises a pulse power source, a three-dimensional moving mechanism, ultrasonic rotary spindle, auxiliary vibration control unit and an electrolytic bath, the three-dimensional motion mechanism for holding ultrasonic vibration of rotating main shaft, so that it can be along the X, Y or Z axis direction ultrasonic vibration, rotating spindle is arranged at the tail end of the tool electrode, an electrolytic bath tool placed in the bottom electrode, which is provided with auxiliary anode; pulse power supply square wave pulse voltage signal to the anode and auxiliary tools, the invention by ultrasonic vibration assisted machining and rotating electrode, reducing electrolytic current and discharge current, gas formation the film was thinner and more uniform in the control process, the discharge time increases, the discharge is more likely to occur, the discharge process is more stable, from While ensuring the high surface quality of the workpiece edge, and improving the processing stability and accuracy; at the same time, using spiral cylindrical electrode instead of metal wire cutting, can cut the closed figure.

【技术实现步骤摘要】
旋转超声电极微细电解电火花切割加工装置及方法
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术为了解决上述问题，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，本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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，本专利技术采用如下技术方案：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，本专利技术的有益效果为：(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，而本专利技术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，本专利技术将工具作为阴极，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是本专利技术的结构示意图；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。具体实施本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种旋转超声电极微细电解电火花切割加工装置，其特征是：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。

【技术特征摘要】
1.一种旋转超声电极微细电解电火花切割加工装置，其特征是：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。2.如权利要求1所述的一种旋转超声电极微细电解电火花切割加工装置，其特征是：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。3.如权利要求1所述的一种旋转超声电极微细电解电火花切割加工装置，其特征是：所述三维运动机构为微细电解电火花加工机床。4.如权利要求1所述的一种旋转超声电极微细电解电火花切割加工装置，其特征是：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。5.如权利要求1所述的一种旋转超声电极微细电解电火花切割加工装置，其特征是：所述辅助阳极为石墨矩形块。6.如权利要求1所述的一种旋转超声电极微细电解电火花切割加工装置，其特征是：所述工具电极为直径为20-100um的螺旋体。7.如权利要求1所述的一种旋转超声电极微细电解电火花切割加工装置，其特征是：所述测控单元，包括检测脉冲电源的电流值的电流传...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘勇，魏志远，王明宇，邓世辉，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37