压电自激脉冲式微细电火花加工装置及其加工方法转让专利
申请号 : CN200910211750.2
文献号 : CN101700589A
文献日 : 2010-05-05
发明人 : 张勤河 , 苏树朋
申请人 : 山东大学
摘要 :
本发明涉及一种压电自激脉冲式微细电火花加工装置，包括直线运动轴、致动器和电极，直线运动轴和致动器一端连接，致动器的另一端与电极连接；其中，致动器、直流电源、电容、电阻R1和电阻R2构成一个等效的RC电路；直流电源的两极分别与电极和工件连接。同时直流电源的两极还分别连接于致动器的压电陶瓷两端。本发明同时公开了利用前述装置的加工方法。本发明通过将直流电源和致动器相结合，通过致动器自激振动产生脉冲放电。加工过程中电极的自适应性振动，促进了电蚀产物的排出，明显改善了加工的效率和质量。
权利要求 :
1.一种压电自激脉冲式微细电火花加工装置，包括直线运动轴、致动器、电极、电阻R1、电阻R2和电容，致动器一端和直线运动轴连接，致动器的另一端与电极连接；其特征在于：致动器、直流电源、电容、电阻R1和电阻R2构成一个等效的RC电路，直流电源的两极分别与电极和工件连接，同时直流电源的两极还分别连接于致动器的压电陶瓷两端。
2.如权利要求1所述的压电自激脉冲式微细电火花加工装置，其特征在于：所述RC电路为致动器、直流电源、电阻R1和电阻R2串联，电容与串联的致动器和电阻R1并联。
3.如权利要求1或2所述的压电自激脉冲式微细电火花加工装置，其特征在于：所述致动器为压电陶瓷致动器。
4.一种采用如权利要求1或2的压电自激脉冲式微细电火花加工装置的电火花加工方法，其特征在于，包括以下步骤：A.首先将工件固定在工作台上，滴上工作液，调整直线运动轴头，直线运动轴带动致动器和电极进给，直到电极与工件的间距为2～3μm；
B.然后打开直流电源，直流电源开始给致动器和电容充电，致动器和电容两端的电压逐渐上升，同时致动器开始伸长；在电压作用下，致动器驱动电极靠近工件，当电极与工件距离达到放电间隙时，致动器等效电容和电容开始瞬时放电，放电通道形成，电极和工件构成闭合回路，致动器和电容两端电瞬时压降为0；致动器缩回初始位置，拉断放电通道，完成一次脉冲放电；然后直流电源又开始给致动器和电容充电，最后致动器带动电极重新进给，进行下一次脉冲放电，如此周而复始；
C.最后，当电极与工件的间隙大于致动器的最大位移与放电间隙的和时，即无火花放电现象，将直线运动轴旋转进给1μm，如此往复，直到电极穿透工件为止。
说明书 :
技术领域
本发明涉及一种微细电火花加工技术，尤其是一种压电自激脉冲式微细电火花加工装置及其加工方法。
背景技术
微细电火花加工技术由于加工过程中工件和工具之间不存在显著的机械切削力，加工材料不受硬度限制，所以作为微细加工技术的一个重要分支与传统机械加工相比有着明显的优势。
微进给机构作为微细电火花加工装置中的关键技术，是实现微细电火花加工的前提和保证。传统的滚珠丝杠进给机构传动链长，传动装置之间存在间隙，其精度和频响都难以满足微细电火花加工技术的要求。
另外，加工过程中的排屑问题也是微细电火花加工技术的一个难点。由于加工尺度较小，工具电极细微，放电脉冲能量和放电间隙小。当采用传统电火花加工中的冲液排屑方式时，电蚀产物不易从加工区排出，尤其是大深径比的微细孔或异型孔排屑更困难，排不出去的电蚀产物会引起短路和拉弧，加工过程稳定性低和加工工件精度差。
现有的微细电火花加工装置都是通过独立的控制系统来控制电极的进给的，需要独立的控制系统，这种系统不但结构较复杂，而且成本昂贵。
在普通的电火花加工中，引入工具电极的超声振动，可以改善放电间隙状况，提高生产率。其工作原理是在电火花加工机床的主轴下面加一个超声振动头附件。该附件是由压电陶瓷和变幅杆组成。超声波发生器把超声频率的脉冲电压输出给压电陶瓷，压电陶瓷把电能转化为超声频的机械伸缩振动能传给变幅杆，变幅杆把超声频的机械振动波传给电极工具，使工具电极作几万次每秒的超声频振动，此时晶体管矩形脉冲电源向工具电极和工件间输出脉冲电压，如果间隙合适，就会在工作液中产生火花放电。该方法的缺点是需要一套超声波发生装置和脉冲电源，而且二者之间是独立的，所以超声振动不能100％利用；工具电极和工件的距离也不能自动调整。
微进给机构作为微细电火花加工装置中的关键技术，是实现微细电火花加工的前提和保证。传统的滚珠丝杠进给机构传动链长，传动装置之间存在间隙，其精度和频响都难以满足微细电火花加工技术的要求。
另外，加工过程中的排屑问题也是微细电火花加工技术的一个难点。由于加工尺度较小，工具电极细微，放电脉冲能量和放电间隙小。当采用传统电火花加工中的冲液排屑方式时，电蚀产物不易从加工区排出，尤其是大深径比的微细孔或异型孔排屑更困难，排不出去的电蚀产物会引起短路和拉弧，加工过程稳定性低和加工工件精度差。
现有的微细电火花加工装置都是通过独立的控制系统来控制电极的进给的，需要独立的控制系统，这种系统不但结构较复杂，而且成本昂贵。
在普通的电火花加工中，引入工具电极的超声振动，可以改善放电间隙状况，提高生产率。其工作原理是在电火花加工机床的主轴下面加一个超声振动头附件。该附件是由压电陶瓷和变幅杆组成。超声波发生器把超声频率的脉冲电压输出给压电陶瓷，压电陶瓷把电能转化为超声频的机械伸缩振动能传给变幅杆，变幅杆把超声频的机械振动波传给电极工具，使工具电极作几万次每秒的超声频振动，此时晶体管矩形脉冲电源向工具电极和工件间输出脉冲电压，如果间隙合适，就会在工作液中产生火花放电。该方法的缺点是需要一套超声波发生装置和脉冲电源，而且二者之间是独立的，所以超声振动不能100％利用；工具电极和工件的距离也不能自动调整。
发明内容
本发明新型是不同于现有放电模式的新型加工技术，克服了现有技术所存在的缺点。该技术将直流电源和压电致动微进给机构集成在一起，利用压电致动器的自身电容和外加的电容、电阻一起构成RC振荡电路。加工过程中，RC振荡电路提供脉冲放电能量的同时也把脉冲电压施加到压电陶瓷致动器的两极，使致动器带动工具电极一起振动。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种压电自激脉冲式微细电火花加工装置，包括直线运动轴、致动器和电极，致动器一端通过平板和直线运动轴刚性连接，另一端安装有固定电极的三爪机构，并与电极连接；其中，致动器、直流电源、电容、电阻R1和电阻R2构成一个等效的RC电路；直流电源的两极分别与电极和工件相连，同时直流电源的两极还分别连接于致动器的压电陶瓷两端。
所述直线运动轴为电火花加工机床的纵向位移轴，在数控系统控制下，可以实现纵向进给，定位精度和分辨率均为1μm。
所述致动器为电致伸缩致动器中的压电陶瓷致动器。其主要由压电陶瓷构成，在电压作用下，利用压电陶瓷的逆压电效应，使致动器伸长，而且其伸长的距离与电压近似成正比。
所述RC电路为致动器、直流电源、电阻R1和电阻R2串联，电容与串联的致动器和电阻R1并联。
一种压电自激脉冲式微细电火花加工装置的电火花加工方法，包括以下步骤：
A.首先将工件固定在工作台上，滴上工作液，调整直线运动轴头，直线运动轴带动致动器和电极进给，直到电极与工件的间距为2～3μm；
B.然后打开直流电源，直流电源开始给致动器和电容充电，致动器和电容两端的电压逐渐上升，同时致动器在逆压电效应下开始伸长；在电压作用下，致动器驱动电极靠近工件，当二者之间距离达到放电间隙时，致动器和电容器开始瞬时放电，放电通道形成，电极和工件构成闭合回路，致动器和电容两端电瞬时压降为0；致动器缩回初始位置，拉断放电通道，完成一次脉冲放电；然后致动器缩回，直流电源又开始给致动器和电容充电，最后致动器带动电极重新进给，进行下一次脉冲放电，如此周而复始；
C.最后，当电极与工件的间隙大于致动器的最大位移与放电间隙的和时，即无火花放电现象，将直线运动轴旋转进给1μm，如此往复，直到电极穿透工件为止。
本发明的致动器的主体是压电陶瓷，而压电陶瓷本身具有电容的特性，因此致动器可以和电容一样充电和放电，在电路中完全等效于一般电容。另外，致动器的位移与加在两端的电压成正比。因此利用致动器、直流电源、电容、电阻和电阻，可以构成一个等效的RC电路。
由于每次脉冲放电，电极都在致动器的驱动下作伸长和缩短，这种伸缩运动作用于液体介质会产生扰动。电极的周期性往复运动，可向放电加工间隙区送入扰动波，冲击电蚀产物并使其分散，而后扰动波遇到工件反射形成上下压力差，电蚀产物将在的压力差和活塞(电极)的泵吸作用下，从加工放电间隙中排出，这样可有效地避免电蚀产物的沉积，有利于放电点的转移，因而可大幅度提高加工的稳定性。另外，当完成一次火花放电电极收缩回退时，还可以使介质快速的消电离，控制单脉冲放电能量；当发生短路或拉弧放电时，工具电极与工件形成通路，压电致动器将驱动电极回退，有利于消除短路和拉弧现象。
本发明将直流电源和微进给机构集成在一起，大大降低了生产制造成本。不仅实现电极的微进给，而且加工过程中电极的自适应振动，促进了电蚀产物的排出，明显改善了加工的效率和质量。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种压电自激脉冲式微细电火花加工装置，包括直线运动轴、致动器和电极，致动器一端通过平板和直线运动轴刚性连接，另一端安装有固定电极的三爪机构，并与电极连接；其中，致动器、直流电源、电容、电阻R1和电阻R2构成一个等效的RC电路；直流电源的两极分别与电极和工件相连，同时直流电源的两极还分别连接于致动器的压电陶瓷两端。
所述直线运动轴为电火花加工机床的纵向位移轴，在数控系统控制下，可以实现纵向进给，定位精度和分辨率均为1μm。
所述致动器为电致伸缩致动器中的压电陶瓷致动器。其主要由压电陶瓷构成，在电压作用下，利用压电陶瓷的逆压电效应，使致动器伸长，而且其伸长的距离与电压近似成正比。
所述RC电路为致动器、直流电源、电阻R1和电阻R2串联，电容与串联的致动器和电阻R1并联。
一种压电自激脉冲式微细电火花加工装置的电火花加工方法，包括以下步骤：
A.首先将工件固定在工作台上，滴上工作液，调整直线运动轴头，直线运动轴带动致动器和电极进给，直到电极与工件的间距为2～3μm；
B.然后打开直流电源，直流电源开始给致动器和电容充电，致动器和电容两端的电压逐渐上升，同时致动器在逆压电效应下开始伸长；在电压作用下，致动器驱动电极靠近工件，当二者之间距离达到放电间隙时，致动器和电容器开始瞬时放电，放电通道形成，电极和工件构成闭合回路，致动器和电容两端电瞬时压降为0；致动器缩回初始位置，拉断放电通道，完成一次脉冲放电；然后致动器缩回，直流电源又开始给致动器和电容充电，最后致动器带动电极重新进给，进行下一次脉冲放电，如此周而复始；
C.最后，当电极与工件的间隙大于致动器的最大位移与放电间隙的和时，即无火花放电现象，将直线运动轴旋转进给1μm，如此往复，直到电极穿透工件为止。
本发明的致动器的主体是压电陶瓷，而压电陶瓷本身具有电容的特性，因此致动器可以和电容一样充电和放电，在电路中完全等效于一般电容。另外，致动器的位移与加在两端的电压成正比。因此利用致动器、直流电源、电容、电阻和电阻，可以构成一个等效的RC电路。
由于每次脉冲放电，电极都在致动器的驱动下作伸长和缩短，这种伸缩运动作用于液体介质会产生扰动。电极的周期性往复运动，可向放电加工间隙区送入扰动波，冲击电蚀产物并使其分散，而后扰动波遇到工件反射形成上下压力差，电蚀产物将在的压力差和活塞(电极)的泵吸作用下，从加工放电间隙中排出，这样可有效地避免电蚀产物的沉积，有利于放电点的转移，因而可大幅度提高加工的稳定性。另外，当完成一次火花放电电极收缩回退时，还可以使介质快速的消电离，控制单脉冲放电能量；当发生短路或拉弧放电时，工具电极与工件形成通路，压电致动器将驱动电极回退，有利于消除短路和拉弧现象。
本发明将直流电源和微进给机构集成在一起，大大降低了生产制造成本。不仅实现电极的微进给，而且加工过程中电极的自适应振动，促进了电蚀产物的排出，明显改善了加工的效率和质量。
附图说明
图1是本发明加工原理图；
图2是本发明的等效RC电路图；
其中1.直线运动轴，2.致动器，3.电极，4.工件，5.直流电源，6.电容，7.电阻R1，8.电阻R2。
图2是本发明的等效RC电路图；
其中1.直线运动轴，2.致动器，3.电极，4.工件，5.直流电源，6.电容，7.电阻R1，8.电阻R2。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1、2中，一种压电自激脉冲式微细电火花加工装置，包括直线运动轴1、致动器2和电极3，直线运动轴1和致动器2的一端连接，致动器2的另一端与电极3连接；其中，致动器2、直流电源5、电容6、电阻7和电阻8构成一个等效的RC电路；直流电源5的两极分别与电极3和工件4连接，同时直流电源5的两极还分别连接于致动器2的压电陶瓷两端。
所述RC电路为致动器2、直流电源5、电阻7和电阻8串联，电容6与串联的致动器2和电阻7并联。所述致动器2为电致伸缩致动器中的压电陶瓷致动器。
一种压电自激脉冲式微细电火花加工装置的加工方法，包括以下步骤：
A.首先将工件固定在工作台上，滴上工作液，调整直线运动轴头，直线运动轴带动致动器和电极进给，直到电极与工件的间距为2～3μm；
B.然后打开直流电源，直流电源开始给致动器和电容充电，致动器和电容两端的电压逐渐上升，同时致动器在逆压电效应下开始伸长；在电压作用下，致动器带动工具电极伸长靠近工件，当二者之间距离达到放电间隙时，致动器和电容开始瞬时放电，放电通道形成，电极和工件构成闭合回路，致动器和电容两端电瞬时压降为0；致动器缩回初始位置，拉断放电通道，完成一次脉冲放电；然后致动器缩回，直流电源又开始给致动器和电容充电，最后致动器带动电极重新进给，进行下一次脉冲放电，如此周而复始；
C.最后，当电极与工件的间隙大于致动器的最大位移与放电间隙的和时，即无火花放电现象，将直线运动轴旋转进给1μm，如此往复，直到电极穿透工件为止。
其中，上述试验参数为：工件4为厚度为0.25mm的不锈钢；电极3为直径为0.4mm圆柱形铜电极；直流电源5电压为25V；致动器2电容4.5μF，单位电压下的位移为0.45μm；电容6电容为5μF；电阻7为500Ω，电阻8为200Ω。在本实验参数条件下，总共耗时2分20秒。
图1、2中，一种压电自激脉冲式微细电火花加工装置，包括直线运动轴1、致动器2和电极3，直线运动轴1和致动器2的一端连接，致动器2的另一端与电极3连接；其中，致动器2、直流电源5、电容6、电阻7和电阻8构成一个等效的RC电路；直流电源5的两极分别与电极3和工件4连接，同时直流电源5的两极还分别连接于致动器2的压电陶瓷两端。
所述RC电路为致动器2、直流电源5、电阻7和电阻8串联，电容6与串联的致动器2和电阻7并联。所述致动器2为电致伸缩致动器中的压电陶瓷致动器。
一种压电自激脉冲式微细电火花加工装置的加工方法，包括以下步骤：
A.首先将工件固定在工作台上，滴上工作液，调整直线运动轴头，直线运动轴带动致动器和电极进给，直到电极与工件的间距为2～3μm；
B.然后打开直流电源，直流电源开始给致动器和电容充电，致动器和电容两端的电压逐渐上升，同时致动器在逆压电效应下开始伸长；在电压作用下，致动器带动工具电极伸长靠近工件，当二者之间距离达到放电间隙时，致动器和电容开始瞬时放电，放电通道形成，电极和工件构成闭合回路，致动器和电容两端电瞬时压降为0；致动器缩回初始位置，拉断放电通道，完成一次脉冲放电；然后致动器缩回，直流电源又开始给致动器和电容充电，最后致动器带动电极重新进给，进行下一次脉冲放电，如此周而复始；
C.最后，当电极与工件的间隙大于致动器的最大位移与放电间隙的和时，即无火花放电现象，将直线运动轴旋转进给1μm，如此往复，直到电极穿透工件为止。
其中，上述试验参数为：工件4为厚度为0.25mm的不锈钢；电极3为直径为0.4mm圆柱形铜电极；直流电源5电压为25V；致动器2电容4.5μF，单位电压下的位移为0.45μm；电容6电容为5μF；电阻7为500Ω，电阻8为200Ω。在本实验参数条件下，总共耗时2分20秒。