一種具有微錐塔陣列端面的電極及其加工方法與應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種電火花加工技術(shù)，具體涉及一種具有微錐塔陣列端面的電極及其加工方法與應(yīng)用；該應(yīng)用是應(yīng)用該電極的脈沖氣流輔助聚熱排肩的微陣列放電加工方法，屬于機(jī)械加工中的特種加工領(lǐng)域。
技術(shù)背景
[0002]由于在工件表面加工出微結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生新的功能特性，如光學(xué)性能、濕潤(rùn)性、摩擦性能、散熱性能等，可以提高工作系統(tǒng)的性能，這些具有特定功能的工件一般采用模具注塑、沖壓等方法加工。目前此類模具表面微結(jié)構(gòu)常用的加工方法主要是刻蝕加工。刻蝕加工分為干法刻蝕和濕法刻蝕。濕法刻蝕雖然加工成本低，設(shè)備簡(jiǎn)單，但該加工方法鉆刻嚴(yán)重、圖形的控制性較差，并且會(huì)產(chǎn)生大量的化學(xué)廢液；采用干法刻蝕雖然沒(méi)有化學(xué)廢液產(chǎn)生，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化加工，但其加工成本高，設(shè)備復(fù)雜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的確定，提供加工效率高的具有微錐塔陣列端面的電極及其加工方法。
[0004]本發(fā)明的另一目的在于提供一種應(yīng)用上述電極的脈沖氣流輔助聚熱排肩的微陣列放電加工方法，提高加工效率，降低成本，而且清潔無(wú)污染。
[0005]本發(fā)明首先在電極端面上加工出微錐塔陣列結(jié)構(gòu)，運(yùn)用電火花氣中放電原理，使得電極端面上的微錐塔結(jié)構(gòu)與工件表面產(chǎn)生電火花氣中放電，在工件表面上形成微結(jié)構(gòu)；在放電同時(shí)加以正向脈沖氣流可以輔助聚熱，以使電火花放電產(chǎn)生的熱量更加集中，一次放電蝕除工件材料更多。一次脈沖放電結(jié)束后通入的反向氣流可以輔助排肩，放電產(chǎn)生的碎肩更快排出，可以使后續(xù)脈沖的放電更容易進(jìn)行，提高放電加工的效率和加工表面質(zhì)量。
[0006]該方法所用電極端面微錐塔形貌為微小的錐形結(jié)構(gòu)，錐塔角度為45?60度，高度為5?100微米，間距為5?100微米。氣孔直徑50 μ m>d>2 μ m，通氣孔在微錐塔之間均勻分布。所使用的脈沖氣流的通氣頻率和微放電脈沖電源頻率相同，但氣流脈沖比電源脈沖提前0.5?I微秒。在一次電火花放電周期內(nèi)，電極與工件表面發(fā)生電火花放電時(shí)，電極與工件表面發(fā)生電火花放電時(shí)，通入的脈沖氣流為正向，一次脈沖放電結(jié)束后，此時(shí)脈沖氣流為反向。
[0007]本發(fā)明目的通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0008]一種具有微錐塔陣列端面的電極，包括相互連接的電極端頭和配氣導(dǎo)向桿；所述電極端頭的放電端面上加工微錐塔陣列，多個(gè)微錐塔在電極端頭的平面上縱橫依次成排連接；其中微錐塔為微小的錐形結(jié)構(gòu)，錐塔角度為45?90度，高度為5?200微米，間距為5?200微米；微錐塔之間形成V形溝槽結(jié)構(gòu)，V形溝槽底部通過(guò)半徑為I?5微米的過(guò)渡圓弧連接；微錐塔的底部之間均勻分布著通氣孔；配氣導(dǎo)向桿中部設(shè)有導(dǎo)向桿空腔，導(dǎo)向桿空腔與通氣孔連通。
[0009]優(yōu)選地，所述通氣孔為圓柱形，通氣孔的直徑為2?500微米。
[0010]所述電極端頭和配氣導(dǎo)向桿通過(guò)卡槽連接。
[0011 ] 所述電極端頭的材料為紫銅，黃銅或紅銅。
[0012]所述放電端面的尺寸為2?50mmX 2?50mm。
[0013]所述具有微錐塔陣列端面的電極的加工方法:采用高速旋轉(zhuǎn)V形尖端金剛石砂輪，在放電端面上沿刀具軌跡在冷卻液冷卻下運(yùn)動(dòng)，每次進(jìn)給深度為I?3微米，逐漸加工出V形溝槽陣列，在兩個(gè)互相垂直方向加工出V形溝槽陣列組合形成微錐塔陣列；其中金剛石砂輪轉(zhuǎn)速為2000?3000轉(zhuǎn)/分，進(jìn)給速度為0.1?0.2米/分，使用水冷卻；具軌跡為電極端頭的縱向或橫向分別上間隔微錐塔和過(guò)渡圓弧寬度之和的往返折疊線。
[0014]應(yīng)用所述具有微錐塔陣列端面的電極的脈沖氣流輔助聚熱排肩的微陣列放電加工方法:電極向工件方向進(jìn)給，電極由電極端頭和配氣導(dǎo)向桿組成，導(dǎo)向桿的導(dǎo)向桿空腔與通氣孔連通，電極端頭加工的微錐塔陣列的微錐塔尖端產(chǎn)生電火花腐蝕，隨著電極不斷地向工件進(jìn)給，每個(gè)微錐塔尖端都將產(chǎn)生電火花腐蝕，在進(jìn)行微放電的時(shí)候，向電極的通氣孔通入脈沖氣流；所述微放電脈沖電源頻率的開(kāi)路電壓2?50V ;所述脈沖氣流的通氣頻率和微放電脈沖電源頻率的頻率都為300?100Hz，脈沖氣流比微放電脈沖電源的電源脈沖提前0.5 -1微秒，使得每次電火花放電時(shí)脈沖氣流都能準(zhǔn)時(shí)到達(dá)放電尖端；最終在工件表面加工出微結(jié)構(gòu)陣列。
[0015]優(yōu)選地，所述冷卻液為水。
[0016]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0017](I)在電極放電端面上加工出微錐塔陣列，隨著具有微錐塔陣列的電極不斷地向工件進(jìn)給，陣列結(jié)構(gòu)的每個(gè)微錐塔尖端都將產(chǎn)生電火花腐蝕，因此在一次加工行程中能形成多個(gè)微結(jié)構(gòu)，大大提高了加工效率。
[0018](2)應(yīng)用時(shí)，微放電加工方法是以通入空氣當(dāng)作放電介質(zhì)的一種氣中放電的電火花加工方法，無(wú)需工作液，沒(méi)有化學(xué)廢液產(chǎn)生，減少污染物排放，是一種綠色環(huán)保型的加工方法。
[0019](3)采用氣中陣列結(jié)構(gòu)微放電，與傳統(tǒng)的刻蝕表面微結(jié)構(gòu)加工方法相比，可以加工出尺寸更小，形狀和位置精度更高的微結(jié)構(gòu)。
[0020](4)在脈沖氣流輔助聚熱下使得微錐塔尖端電火花放電更加集中，溫度更加集中，爆炸力更強(qiáng)，一次放電蝕除工件材料更多，加工效率更高。
[0021](5)通入的反向脈沖氣流可以將放電產(chǎn)生的碎肩排出，從而加快排肩，提高加工效率和加工表面質(zhì)量。
【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1為具有微錐塔陣列端面的電極端面的微錐塔陣列加工示意圖。
[0023]圖2為脈沖氣流輔助聚熱微放電加工示意圖。
[0024]圖3為脈沖氣流輔助聚熱微放電加工局部示意圖。
[0025]圖4為脈沖氣流輔助排肩局部示意圖。
[0026]圖5為實(shí)施例1所用紫銅電極端頭掃描電鏡圖。
[0027]圖6為實(shí)施例1電極在鋁基碳化硅材料表面加工效果圖。
[0028]圖7為實(shí)施例2電極在鈦合金圓柱塊端面加工效果圖。
[0029]圖8為實(shí)施例3電極在模具鋼表面加工效果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030]為更好理解本發(fā)明，下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明，但是本發(fā)明要求保護(hù)的范圍并不局限于實(shí)施例表述的范圍。
[0031]傳統(tǒng)的電火花加工電極端面是平面的。本發(fā)明是在電極端面上加工具有微錐塔陣列的端面。如圖1所示，電極端頭I放電端面上加工微錐塔陣列2，多個(gè)微錐塔2在電極尖端平面上縱橫依次成排分布；其中微錐塔2形貌為微小的錐形結(jié)構(gòu)，錐塔角度為45?90度，高度為5?200微米，間距為5?200微米；微錐塔2之間形成V形溝槽結(jié)構(gòu)，V形溝槽底部通過(guò)半徑為I?5微米的過(guò)渡圓弧5連接，這樣可以減少V形溝槽底部聚電，加強(qiáng)微錐塔尖端4放電效果。微錐塔2之間均勻分布著通氣孔3，通氣孔3優(yōu)選為圓柱形，通氣孔的直徑d優(yōu)選為2?500微米。
[0032]圖1所示是具有微錐塔陣列端面的電極電火花放電的加工方法，其加工方法為:采用高速旋轉(zhuǎn)V形尖端金剛石砂輪6，在電極端面上沿刀具軌跡7運(yùn)動(dòng)，每次進(jìn)給深度a為I?3微米，逐漸加工出V形溝槽陣列，在兩個(gè)互相垂直方向加工出V形溝槽陣列組合形成微錐塔陣列2 ;其中金剛石砂輪6轉(zhuǎn)速為2000?3000轉(zhuǎn)/分，進(jìn)給速度為0.1?0.2米/分，使用水冷卻；具軌跡7為電極端頭I的縱向或橫向分別上間隔微錐塔2和過(guò)渡圓弧5寬度之和的往返折疊線。
[0033]如圖2所示，具有微錐塔陣列端面的電極包括電極端頭I和配氣導(dǎo)向桿10，通過(guò)卡槽使兩部分連接，當(dāng)電極需要更換的時(shí)候只需更換電極端頭I部分，而不需要更換整個(gè)電極，從而降低加工成本。配氣導(dǎo)向桿10中部設(shè)有導(dǎo)向桿空腔11，導(dǎo)向桿空腔11與通氣孔5連通，在進(jìn)行電火花加工時(shí)，氣泵通過(guò)圖2中的導(dǎo)向桿10的導(dǎo)向桿空腔11通入脈沖氣流，所使用的脈沖氣流8的通氣頻率和微放電脈沖電源頻率(頻率為300?lOOOHz/s)相同，氣流脈沖比電源脈沖提前0.5?I微秒，在每次電火花放電時(shí)脈沖氣流8都能準(zhǔn)時(shí)到達(dá)放電尖立而。
[0034]如圖3所示，當(dāng)脈沖氣流8為正向時(shí)，電極端頭I上的微錐塔尖端4與工件12表面發(fā)生電火花9放電瞬時(shí)產(chǎn)生高溫在脈沖氣流輔助聚熱下更加集中，達(dá)到輔助聚熱的效果，使得爆炸力更強(qiáng)，電火花放電更加集中，一次放電腐蝕工件材料更多。
[0035]如圖4所示，當(dāng)脈沖氣流8為反向時(shí)，反向的脈沖氣流8可以輔助排肩，放電產(chǎn)生的碎肩更快排出，可以使后續(xù)脈沖的放電更容易進(jìn)行，提高放電加工的效率和加工表面質(zhì)量。
[0036]實(shí)施例1
[0037]在CNC精密機(jī)床(SMRART Β818)上采用直徑150毫米的微細(xì)金剛石砂輪6，金剛石砂輪的粒度為3000目，結(jié)合劑為樹(shù)脂，濃度為100%，金剛石砂輪V形尖端角度為60度，數(shù)控機(jī)床驅(qū)動(dòng)金剛石砂輪6的V形尖端在紫銅電極端面I上沿垂直交叉的刀具軌跡7按箭頭所指的方向運(yùn)動(dòng)，砂輪每次進(jìn)給深度a為I微米，進(jìn)給速度Vf= 0.05m/min，砂輪轉(zhuǎn)速N =2000r/min,采用水作為冷卻液，最終在2mmX 2mm矩形紫銅電極端面上加工出高度為578微米、頂角為60度、間距667微米的錐塔陣列空間結(jié)構(gòu)。
[0038]本實(shí)施例所用電極由電極端頭(圖5