線電極徑向往復(fù)振動的微細(xì)電解切割加工方法
【專利說明】線電極徑向往復(fù)振動的微細(xì)電解切割加工方法
[0001]
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及一種線電極徑向往復(fù)振動的微細(xì)電解切割加工方法，屬于電化學(xué)微細(xì)制造領(lǐng)域。
技術(shù)背景
[0003]隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)中金屬構(gòu)件的特征尺寸逐漸縮小至微米甚至亞微米級。目前，針對金屬材料的微細(xì)制造方法(精密機(jī)械加工、激光加工、電火花加工)還存在著一定的局限性和不足，尤其是在加工具有高深寬比、形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)方面。電解加工(ECM)是一種基于陽極溶解原理的非接觸式減材制造方法，加工過程中，工件材料以“離子”的形式實(shí)現(xiàn)去除。相對于其他微細(xì)制造方法，ECM不僅在制備微米、亞微米甚至納米尺度的結(jié)構(gòu)方面具有原理上的優(yōu)勢，而且還表現(xiàn)出一些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，包括加工不受材料強(qiáng)度和硬度的限制、工具電極無損耗、無加工應(yīng)力和殘余應(yīng)力、表面質(zhì)量好(粗糙度低，無微裂紋、熱影響區(qū)和再鑄層)以及加工效率高等。微細(xì)電解線切割是一種以微尺度金屬絲作為工具電極的電解加工方法，通過結(jié)合多軸數(shù)控運(yùn)動，易于實(shí)現(xiàn)微槽、微縫以及形狀復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)的制備。然而，在加工具有高寬深比的微結(jié)構(gòu)時(shí)，由于加工間隙極其微小(處于微米甚至亞微米尺度)，使得間隙內(nèi)的電解產(chǎn)物排出困難，電解液無法得到及時(shí)和充分的更新，導(dǎo)致加工表面質(zhì)量較低，甚至在加工過程中會出現(xiàn)短路和火花放電，加工穩(wěn)定性降低，從而限制了加工效率的進(jìn)一步提高。
[0004]由上述可知，探求一種能夠有效提高加工間隙內(nèi)電解產(chǎn)物排出速度，維持電解液性質(zhì)穩(wěn)定的方法，對于改善微細(xì)電解線切割加工的表面質(zhì)量、穩(wěn)定性及加工效率具有重要的意義。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)，提高微細(xì)電解線切割加工間隙內(nèi)傳質(zhì)效果的方法主要有:(I)環(huán)形線電極單向走絲；(2)線電極軸向往復(fù)微幅振動；(3)線電極軸向低速沖液等。雖然以上方法有效促進(jìn)了加工間隙內(nèi)電解產(chǎn)物的排出，但由于在整個(gè)加工過程中，端面間隙(線電極與工件沿加工方向的距離)基本保持不變，始終處于微米或亞微米級，新的電解液仍然很難補(bǔ)充到間隙內(nèi)，這也是加工效率無法得到大幅提高的主要原因之一。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于，針對微細(xì)電解線切割加工區(qū)域內(nèi)的產(chǎn)物排出、電解液更新困難及加工穩(wěn)定性差的問題，提出了一種線電極徑向往復(fù)振動的微細(xì)電解線切割加工方法，以提高加工效率、表面質(zhì)量和穩(wěn)定性。
[0006]一種線電極徑向往復(fù)振動的微細(xì)電解線切割加工方法，其特征在于:在加工過程中，利用微振動裝置使線電極產(chǎn)生平行加工方向的往復(fù)振動，利用線電極的往復(fù)振動對加工區(qū)域內(nèi)的電解液產(chǎn)生擾動作用，促進(jìn)電解液的流動，從而加快間隙內(nèi)的傳質(zhì)速度；所述微振動裝置產(chǎn)生的振動幅值小于初始加工間隙。
[0007]本發(fā)明的方法，(I)在振動中當(dāng)線電極運(yùn)動方向與加工相同時(shí)，端面間隙減小，陽極工件溶解速度增加，提高加工效率；(2)在振動中當(dāng)線電極運(yùn)動方向與加工方向相反時(shí)，端面間隙增大，陽極工件溶解速度降低，電解產(chǎn)物、反應(yīng)熱順利排出，電解液得到充分的更新，提高了加工表面的質(zhì)量及加工穩(wěn)定性。
[0008]所述的線電極徑向往復(fù)振動微細(xì)電解線切割的加工方法，其特征在于:將上述往復(fù)振動視為正向運(yùn)動和反向運(yùn)動的結(jié)合，其中線電極沿加工方向的運(yùn)動為正向運(yùn)動，線電極沿加工方向相反的方向的運(yùn)動為反向運(yùn)動；上述線電極的正向運(yùn)動和反向運(yùn)動的速度不相等；線電極的正向運(yùn)動的速度小于反向運(yùn)動的速度。正向振動的速度較小時(shí)，可降低電極絲振動對加工穩(wěn)定性的影響；當(dāng)設(shè)定負(fù)向振動速度較大時(shí)，由于線電極的迅速回退，使得端面間隙內(nèi)的壓力瞬間減小，與周圍環(huán)境形成壓力差，促使新的電解液補(bǔ)充到加工間隙內(nèi)。
[0009]微振動裝置的參數(shù)可調(diào)，如振動方向、頻率、幅值等。
[0010]所述線電極的直徑可以為Ιμπι?ΙΟΟμπι。所述微振動裝置的振動頻率可以為IHz ?IMHz，幅值可以為 0.01 μπι ?100 μπι。
[0011]所述的正向振動是指振動方向與加工方向相同，負(fù)向振動是指振動方向與加工方向相反。
[0012]所述微振動裝置可產(chǎn)生沿XY平面內(nèi)任意方向的往復(fù)振動。
【附圖說明】
[0013]圖1為線電極徑向往復(fù)振動微細(xì)電解線切割加工的示意圖；圖1中標(biāo)號名稱:1、脈沖電源；2、往復(fù)振動方向；3、端面間隙；4、線電極；5、工件；6、加工方向
圖2為線電極徑向往復(fù)振動微細(xì)電解線切割加工裝置的整體示意圖；
圖2中標(biāo)號名稱:1、氣浮平臺；2、機(jī)床本體；3、Χ-Υ軸精密運(yùn)動平臺；4、電解液槽；5、工件夾具；6、脈沖電源；7、電流傳感器；8、數(shù)據(jù)采集卡；9、工控機(jī)；10、工件；11、線電極；12、線電極夾具；13、壓電陶瓷；14、V-H轉(zhuǎn)向連接板15、PCI運(yùn)動控制卡；16、Z軸精密運(yùn)動平臺；17、H-V轉(zhuǎn)向連接板；18、CXD攝像頭。
【具體實(shí)施方式】
[0014]根據(jù)圖2所示，線電極徑向往復(fù)振動微細(xì)電解線切割的加工裝置由以下幾部分組成:氣浮平臺1，機(jī)床本體2，以及固定于機(jī)床本體2上的X-Y軸精密運(yùn)動平臺3和Z軸精密移動平臺16 ;壓電陶瓷13通過V-H轉(zhuǎn)接板14沿水平方向固定于Z軸精密移動平臺16上；裝有線電極11的線電極夾具12通過H-V轉(zhuǎn)接板17連接在壓電陶瓷13上；工件10與工件夾具5相連，且被固定在電解液槽4中；脈沖電源6 ;電流傳感器7 ;數(shù)據(jù)采集卡采集8采集脈沖電源5的電壓波形、電流傳感器7的電流波形及壓電陶瓷13的振動波形；工控機(jī)9通過PCI運(yùn)動控制卡15實(shí)現(xiàn)對X-Y軸精密移動平臺3、Z軸精密移動平臺16的控制；CCD攝像頭18可對加工過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。
[0015]下面結(jié)合附圖1和圖2說明本發(fā)明的方法，具體分為以下幾個(gè)步驟:
(I)、線電極11采用直徑為1ym的鎢絲，并以一定的張緊力固定在線電極夾具12內(nèi)。利用微拉力計(jì)，將線電極11的張緊力控制在0.3 N左右。張緊力過大，線電極11在加工過程中容易發(fā)生斷裂；張緊力太小，線電極11在加工過程中容易產(chǎn)生抖動，造成短路，降低加工的穩(wěn)定性。
[0016](2)、將步驟I中裝有線電極11的線電極夾具12固定在H-V轉(zhuǎn)向連接板17上。通過觀察CXD攝像頭18，調(diào)節(jié)線電極11的軸線方向與水平面垂直。將工件10固定在工件夾具5內(nèi)，安裝過程中要防止工件10與線電極11發(fā)生觸碰，并保證工件10表面法線與線電極11的軸線平行。然后，在電解液槽4中加入電解液，并使其浸沒工件10。
[0017](3)、脈沖電源6的正極通過金屬導(dǎo)線和工件10相連，負(fù)極與線電極11相連。利用工控機(jī)9中的對刀程序，通過控制X-Y軸精密移動平臺3，調(diào)整線電極11的位置，使其相對工件10的距離為10 μπι,即初始加工間隙為10 ymo
[0018](4)、設(shè)置壓電陶瓷13的振動頻率為ΙΚΗζ，振幅為2 μ m。開啟脈沖電源6，設(shè)置頻率為10KHz，電壓為6V，脈寬為500 ns。
[0019](5)、參考圖1，通過工控機(jī)9中的運(yùn)動控制軟件設(shè)定加工路徑與進(jìn)給速度，并進(jìn)行電解加工。運(yùn)動控制軟件可以對微振動裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，保證振動方向在加工過程中始終沿加工方向。當(dāng)振動方向與加工方向相同時(shí)，端面間隙減小，陽極工件溶解速度增加，提高加工效率；振動方向與加工方向相反時(shí)，端面間隙增大，陽極工件溶解速度減小，電解產(chǎn)物、反應(yīng)熱順利排出，電解液得到充分的更新，提高了加工表面的質(zhì)量及加工穩(wěn)定性。
[0020](6)待加工完成后，按照退刀路徑，使線電極11退回到初始加工位置。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種線電極徑向往復(fù)振動的微細(xì)電解線切割加工方法，其特征在于: 在加工過程中，利用微振動裝置使線電極產(chǎn)生平行加工方向的往復(fù)振動，利用線電極的往復(fù)振動對加工區(qū)域內(nèi)的電解液產(chǎn)生擾動作用，促進(jìn)電解液的流動，從而加快間隙內(nèi)的傳質(zhì)速度； 所述微振動裝置產(chǎn)生的振動幅值小于初始加工間隙。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的線電極徑向往復(fù)振動微細(xì)電解線切割的加工方法，其特征在于: 將上述往復(fù)振動視為正向運(yùn)動和反向運(yùn)動的結(jié)合，其中線電極沿加工方向的運(yùn)動為正向運(yùn)動，線電極沿加工方向相反的方向的運(yùn)動為反向運(yùn)動；上述線電極的正向運(yùn)動和反向運(yùn)動的速度不相等； 線電極的正向運(yùn)動的速度小于反向運(yùn)動的速度。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種線電極徑向往復(fù)振動的微細(xì)電解切割加工方法，屬于電化學(xué)微細(xì)制造領(lǐng)域。在電解加工過程中，利用微振動裝置使線電極產(chǎn)生沿加工方向的往復(fù)振動，促進(jìn)加工區(qū)域內(nèi)電解液的流動，加快傳質(zhì)速度。當(dāng)振動方向與加工方向相同時(shí)，端面間隙減小，陽極工件溶解速度增加，提高加工效率；當(dāng)振動方向與加工方向相反時(shí)，端面間隙增大，陽極工件溶解速度降低，電解產(chǎn)物、反應(yīng)熱順利排出，電解液得到充分的更新，提高了加工表面的質(zhì)量及加工穩(wěn)定性。
【IPC分類】B23H3-00
【公開號】CN104801795
【申請?zhí)枴緾N201510171536
【發(fā)明人】曲寧松, 賀海東, 曾永彬
【申請人】南京航空航天大學(xué)
【公開日】2015年7月29日
【申請日】2015年4月13日