專利名稱：倒置式電化學(xué)放電加工方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種特種加工領(lǐng)域內(nèi)對非導(dǎo)電脆性材料進(jìn)行微細(xì)加工的技術(shù)方法，具體是一種結(jié)合電化學(xué)技術(shù)和電火花技術(shù)并利用火花放電產(chǎn)生的熱能和化學(xué)腐蝕對非導(dǎo)電脆性材料進(jìn)行加工的一種新的方法。
背景技術(shù)：
近年來，非導(dǎo)電脆性材料例如各種玻璃、陶瓷等都得到了廣泛的應(yīng)用。玻璃材料具有耐化學(xué)腐蝕、透明、低導(dǎo)電率和良好的生物相容性等特征，從而被應(yīng)用在微加速器、微反應(yīng)器、微型泵、醫(yī)療器械和光學(xué)系統(tǒng)中；而陶瓷材料具有高強(qiáng)度、高硬度、耐高溫、耐磨損、 抗腐蝕、絕緣性好等優(yōu)異性能，在機(jī)械電子、航空航天、化工機(jī)械、陶瓷發(fā)動機(jī)、生物陶瓷和精密儀表等領(lǐng)域日益顯示出廣泛的應(yīng)用前景。對非導(dǎo)電脆性材料加工技術(shù)的開發(fā)與研究已經(jīng)受到世界各國的高度重視。與非導(dǎo)電脆性材料的其它加工方法相比，電化學(xué)放電加工 (Electrochemical Discharge Machining, ECDM)技術(shù)具有較高的加工效率、宏觀作用力小、表面質(zhì)量高等優(yōu)點，從而成為非導(dǎo)電脆性材料微細(xì)加工的理想方法。日本學(xué)者Kurafuji 和Suda在1968年首次利用電化學(xué)放電加工(ECDM)技術(shù)在非導(dǎo)電脆性材料上進(jìn)行打孔實驗，從此以后，許多學(xué)者對電化學(xué)放電加工(ECDM)技術(shù)進(jìn)行了研究。臺灣的^ii-Ping Zheng利用電化學(xué)放電加工(ECDM)技術(shù)對耐熱玻璃進(jìn)行銑削加工，加工出結(jié)構(gòu)復(fù)雜的微細(xì)三維結(jié)構(gòu)；韓國學(xué)者Xuan Doan Cao在鈉鈣玻璃上加工出深30 μ m、寬40 μ m、長度為 1000 μ m的微通道，并且加工出厚度為10 μ m、高度為90 μ m的微細(xì)壁；印度、韓國學(xué)者對陶瓷材料的電化學(xué)放電加工(ECDM)方法進(jìn)行了研究。瑞士學(xué)者R WUthrich對電化學(xué)放電加工(ECDM)中不同的進(jìn)給方法進(jìn)行了分析，并且對采用重力進(jìn)給方法的電化學(xué)放電加工 (ECDM)對玻璃工件進(jìn)行鉆孔的加工過程進(jìn)行了研究。在實際的電化學(xué)放電加工(ECDM)裝置中，工具電極(陰極)接電源負(fù)極，輔助電極(陽極)接電源的正極，電解質(zhì)溶液多采用氫氧化鈉(NaOH)或者氫氧化鉀(KOH)等堿性電解質(zhì)溶液，加工工件浸沒在電解質(zhì)溶液中，電解質(zhì)溶液液面高于工件表面2mm左右，工具電極位于加工工件的上方并且工具電極的端部與工件表面保持接觸或者位于工件表面的附近，工具電極的端部和輔助電極也同時浸入在電解質(zhì)溶液中，當(dāng)在工具電極和輔助電極之間施加電壓之后，電解質(zhì)溶液中便會有電解反應(yīng)發(fā)生，在輔助電極(陽極)發(fā)生的反應(yīng)為4 (OH) “ — 2H20+202 +4e"在輔助電極(陽極)上生成氧氣。在工具電極(陰極)上發(fā)生的反應(yīng)為2H20+2e" — 2 (OH) >H2 個在工具電極(陰極)上產(chǎn)生氫氣泡，氫氣泡生成以后會附著在工具電極的表面，并且隨著氣泡的增多而不斷進(jìn)行合并，最終在工具電極表面形成一個氫氣膜，氫氣膜對電極產(chǎn)生絕緣作用，這樣就在工具電極和電解質(zhì)溶液之間形成電勢差，當(dāng)這個電勢差超過電火花放電的臨界電壓值以后，電火花放電現(xiàn)象就會發(fā)生。當(dāng)工具電極和工件之間的距離小于
325 μ m的時候，工件材料就會在不斷放電產(chǎn)生的熱量和化學(xué)腐蝕的作用下被蝕除。在利用電化學(xué)放電加工(ECDM)對非導(dǎo)電脆性材料進(jìn)行打孔過程中，隨著加工深度的增加，電化學(xué)放電加工(ECDM)的打孔過程會表現(xiàn)出兩種不同的狀態(tài)。在電化學(xué)放電加工(ECDM)剛開始時，火花放電穩(wěn)定，此時電化學(xué)放電加工(ECDM)的加工速度比較快(在對玻璃工件進(jìn)行加工時，最快速度可以達(dá)到ΙΟΟμπι/s)。但是當(dāng)加工超過一定深度后(約 300 μ m)，電化學(xué)放電加工(ECDM)的加工速度降為幾微米每秒甚至停止，加工深度很難超過500 μ m。出現(xiàn)這種情況的主要原因是，隨著電化學(xué)放電加工(ECDM)深度的增加，電極端部與加工工件之間的電解質(zhì)溶液的更新變得困難，而且由于電解反應(yīng)生成的氣泡在浮力的作用下很難在工具電極的端部形成穩(wěn)定的氣膜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明根據(jù)電化學(xué)放電加工(ECDM)技術(shù)現(xiàn)有的不足，提出了一種新的加工方法。在本發(fā)明提出的電化學(xué)放電加工(ECDM)方法中工具電極和加工工件采用倒置布局， 改變了工具電極和加工工件之間的相對位置，工具電極和加工工件同時浸沒在電解質(zhì)溶液中，但是工具電極位于加工工件的下方。在本發(fā)明中，將工具電極位于加工工件下方的力口工方法稱為倒置電化學(xué)放電力口工(Reversed Alignment Electrochemical Discharge Machining, RA-ECDM)方法。具體地根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種倒置電化學(xué)放電加工方法，將工具電極安裝在工件的下方，工具電極通過電極夾具固定在工作槽的底面并且浸沒在電解質(zhì)溶液中，工件與機(jī)床的進(jìn)給裝置相連接，通過工件的進(jìn)給來實現(xiàn)加工過程中的進(jìn)給運動。優(yōu)選地，在安裝工具電極之前，對工具電極進(jìn)行側(cè)面絕緣。優(yōu)選地，工具電極的未絕緣部分位于電極靠近工件的端部。優(yōu)選地，工具電極的未絕緣部分長度為0_6mm。優(yōu)選地，工件在機(jī)床伺服系統(tǒng)的帶動下進(jìn)給，使工具電極端面和工件上孔底面之間的距離保持在25 μ m以內(nèi)。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供一種倒置電化學(xué)放電加工裝置，包括電極夾頭、工具電極、工件夾具、輔助電極、電源、進(jìn)給裝置、以及工作槽，工具電極通過電極夾頭固定在工作槽的底面、并浸沒在工作槽的電解質(zhì)溶液中，輔助電極固定在工作槽的槽壁，電源正極連接輔助電極，電源負(fù)極連接工具電極，工件夾具連接進(jìn)給裝置且位于工具電極的上方。優(yōu)選地，工具電極的側(cè)面絕緣。優(yōu)選地，工具電極的未絕緣部分位于電極靠近工件夾具的端部。優(yōu)選地，工具電極的未絕緣部分長度為0_6mm。優(yōu)選地，進(jìn)給裝置用于帶動工件夾具所夾持工件的進(jìn)給，使工具電極端面和工件上孔底面之間的距離保持在25 μ m以內(nèi)。在本發(fā)明所提出的倒置電化學(xué)放電加工(RA-ECDM)方法中，由于采用工具電極浸沒在電解質(zhì)溶液中的倒置加工布局，增加了工具電極和電解質(zhì)溶液的接觸面積，這就使得利用電解反應(yīng)中產(chǎn)生的氣泡對電極進(jìn)行絕緣變得非常困難。為了減小工具電極與電解質(zhì)溶液的接觸面積，在本發(fā)明中對倒置電化學(xué)放電加工(RA-ECDM)中使用的電極進(jìn)行了側(cè)面絕緣，減小了工具電極與電解質(zhì)溶液的接觸面積，增大了電流密度，從而保證了放電加工的順利進(jìn)行。與常規(guī)電化學(xué)放電加工方法相比，倒置電化學(xué)放電加工(RA-ECDM)方法的優(yōu)點主要有
1.采用倒置布局，加工過程中產(chǎn)生的加工屑在重力的作用下能夠比較容易地排出，這就使得加工孔內(nèi)電解質(zhì)溶液的流動性增強(qiáng)，火花放電加工狀態(tài)更加穩(wěn)定。
2.在倒置布局中，電解反應(yīng)產(chǎn)生的氣泡會富集在加工工件下方工具電極的端部周圍，易于在電極表面形成穩(wěn)定性的氣膜，從而保證了加工的順利進(jìn)行。
3.在火花放電以后，在加工區(qū)域會形成負(fù)壓，此時新鮮的電解質(zhì)溶液可以在電解質(zhì)溶液壓力的作用下進(jìn)入加工區(qū)域，確保加工的繼續(xù)進(jìn)行。
在本發(fā)明的倒置電化學(xué)放電加工(RA-ECDM)方法的打孔過程中，當(dāng)加工孔的深度超過常規(guī)電化學(xué)放電加工方法所能達(dá)到的深度以后，火花放電加工仍然能夠比較穩(wěn)定的進(jìn)行，加工速度也保持穩(wěn)定，從而增加了加工的穩(wěn)定性，加工孔的深度也得到了增加。
更為具體地，工具電極的側(cè)壁進(jìn)行了局部或全部絕緣。工具電極的端部與加工工件的表面保持接觸或者位于加工工件表面25 μ m以內(nèi)，工具電極位于加工工件的下方，實現(xiàn)了加工過程中的倒置布局。本發(fā)明提出的倒置電化學(xué)放電加工(RA-ECDM)方法中的工具電極與工件之間的倒置布局是本發(fā)明的核心。采用倒置布局，加工過程中產(chǎn)生的加工屑在重力的作用下能夠比較容易地排出，這就使得加工孔內(nèi)電解質(zhì)溶液的流動性增強(qiáng)；采用倒置布局，加工過程中電解反應(yīng)生成的氣泡會富集在加工工件下方工具電極端部的周圍，增加了工具電極表面氣膜的穩(wěn)定性。在工具電極和輔助電極之間施加電壓以后，工具電極上便有火花放電產(chǎn)生，利用機(jī)床的進(jìn)給裝置實現(xiàn)加工進(jìn)給，使工件始終處于火花放電的加工范圍之內(nèi)，隨著加工過程的不斷進(jìn)行，工件的材料便被不斷被去除，當(dāng)加工孔的深度超過常規(guī)電化學(xué)放電加工所能達(dá)到的深度以后，加工速度仍然能夠保持穩(wěn)定，從而有效地增加了倒置電化學(xué)放電加工(RA-ECDM)加工的穩(wěn)定性和加工深度。


圖1為根據(jù)本發(fā)明提供的倒置電化學(xué)放電加工(RE-ECDM)方法的原理示意圖。
圖2為常規(guī)電化學(xué)放電加工方法的原理示意圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例做詳細(xì)說明本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實施，給出了詳細(xì)的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實施例。
如圖1所示，本實施例包括電極夾頭1、工具電極2、工件3、工件夾具4、輔助電極 5、電源6、進(jìn)給裝置7、工作槽8、電解質(zhì)溶液9、氣膜及氣泡10、加工屑11。工具電極2接電源負(fù)極，輔助電極5接電源正極，工具電極2和加工工件3同時浸沒在氫氧化鈉(NaOH)溶液中，并且工具電極2位于加工工件3的下方。在加工中使用脈沖直流電源作為加工電源，加工電壓為50V，氫氧化鈉(NaOH)溶液的質(zhì)量濃度為20%，工具電極2材料為鎢，電極直徑為 200 μ m,對鎢電極進(jìn)行側(cè)面絕緣，未絕緣部分位于電極靠近工件的端部，長度為5mm，工件材料分別為Imm厚度的石英玻璃的和微晶云母陶瓷。
當(dāng)電源6在工具電極2和輔助電極5之間施加電壓以后，工具電極2表面就會有氫氣泡產(chǎn)生，隨著氣泡的不斷增多，氣泡通過不斷合并，在工具電極2表面形成氣膜，由于氣膜的絕緣作用使得在工具電極2和氫氧化鈉(NaOH)溶液之間形成電勢差，當(dāng)施加的電源電壓超過臨界電壓值以后，在工具電極2和氫氧化鈉溶液(NaOH)之間就會有火花放電發(fā)生， 放電產(chǎn)生的能量將工件材料蝕除。此時，工件在機(jī)床伺服系統(tǒng)的帶動下進(jìn)給，保持工具電極端面和工件上孔底面之間的距離為25 μ m左右，開始下一個加工周期。
在本發(fā)明中提出的倒置電化學(xué)放電加工(RA-ECDM)過程中，由于采用倒置加工方法，加工過程中產(chǎn)生的加工屑在重力的作用下能夠比較容易地排出，這就使得加工過程中加工孔內(nèi)電解質(zhì)的流動能力得到了增強(qiáng)，而且由于采用倒置布局，電解反應(yīng)產(chǎn)生的氣泡會富集在加工工件下方電極端部的周圍，增加了氣膜的穩(wěn)定性，從而有效增加了加工穩(wěn)定性和加工深度。實施過程中發(fā)現(xiàn)，0-300 μ m深度范圍內(nèi)倒置電化學(xué)放電加工(RA-ECDM)方法與圖2所示的常規(guī)電化學(xué)放電加工方法的加工速度相差無幾。但是當(dāng)加工深度超過300 μ m 以后，通用電化學(xué)放電加工的加工速度降為3ym/s，而倒置電化學(xué)放電加工(RA-ECDM)方法仍能保持10 μ m/S的加工速度，火花放電也能保持穩(wěn)定。對Imm厚微晶云母陶瓷和石英玻璃的加工實驗表明，加工深度分別達(dá)到500 μ m和450 μ m時就常規(guī)電化學(xué)放電加工(ECDM) 方法就無法繼續(xù)進(jìn)行，而倒置電化學(xué)放電加工(RA-ECDM)在兩種材料上都加工出了 Imm的通孔。表1對比了利用常規(guī)電化學(xué)放電加工方法與本發(fā)明所提出的倒置電化學(xué)放電加工 (RA-ECDM)方法所獲得的孔深度之比。
表1.本發(fā)明與常規(guī)電化學(xué)放電加工(ECDM)方法加工深度的比較
加工方法微晶云母陶瓷石英玻璃常規(guī)電化學(xué)放電加工(ECDM)方法500 μ m450 μ m倒置電化學(xué)放電加工(RA-ECDM)方法Imm通孑LImm通孑L
權(quán)利要求
1.一種倒置電化學(xué)放電加工方法，其特征在于，將工具電極安裝在工件的下方，工具電極通過電極夾具固定在工作槽的底面并且浸沒在電解質(zhì)溶液中，工件與機(jī)床的進(jìn)給裝置相連接，通過工件的進(jìn)給來實現(xiàn)加工過程中的進(jìn)給運動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的倒置電化學(xué)放電加工方法，其特征在于，在安裝工具電極之前，對工具電極進(jìn)行側(cè)面絕緣。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的倒置電化學(xué)放電加工方法，其特征在于，工具電極的未絕緣部分位于電極靠近工件的端部。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的倒置電化學(xué)放電加工方法，其特征在于，工具電極的未絕緣部分長度為0-6mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的倒置電化學(xué)放電加工方法，其特征在于，工件在機(jī)床伺服系統(tǒng)的帶動下進(jìn)給，使工具電極端面和工件上孔底面之間的距離保持在25μπι以內(nèi)。
6.一種倒置電化學(xué)放電加工裝置，包括電極夾頭、工具電極、工件夾具、輔助電極、電源、進(jìn)給裝置、以及工作槽，其特征在于，工具電極通過電極夾頭固定在工作槽的底面并且浸沒在工作槽的電解質(zhì)溶液中，輔助電極固定在工作槽的槽壁，電源正極連接輔助電極，電源負(fù)極連接工具電極，工件夾具連接進(jìn)給裝置且位于工具電極的上方。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的倒置電化學(xué)放電加工裝置，其特征在于，工具電極的側(cè)面絕緣。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的倒置電化學(xué)放電加工裝置，其特征在于，工具電極的未絕緣部分位于電極靠近工件夾具的端部。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的倒置電化學(xué)放電加工裝置，其特征在于，工具電極的未絕緣部分長度為0-6mm。
10.根據(jù)權(quán)利要求6至9中任一項所述的倒置電化學(xué)放電加工裝置，其特征在于，進(jìn)給裝置用于帶動工件夾具所夾持工件的進(jìn)給，使工具電極端面和工件上孔底面之間的距離保持在25 μ m以內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種特種加工領(lǐng)域的倒置電化學(xué)放電加工(RA-ECDM)方法，其將工具電極安裝在工件的下方，工具電極通過電極夾具固定在工作槽的底面并且浸沒在電解質(zhì)溶液中，工件與機(jī)床的進(jìn)給裝置相連接，通過工件的進(jìn)給來實現(xiàn)加工過程中的進(jìn)給運動。還提供相應(yīng)的裝置。本發(fā)明通過改變工具電極和工件之間的相對位置，使加工過程中產(chǎn)生的加工屑在重力的作用下能夠比較容易地排出，這就使得加工過程中加工孔內(nèi)電解質(zhì)的流動能力得到了增強(qiáng)，而且由于采用倒置布局，電解反應(yīng)產(chǎn)生的氣泡會富集在加工工件下方電極端部的周圍，形成穩(wěn)定性的氣膜，從而有效增加了電化學(xué)放電加工(ECDM)的穩(wěn)定性和加工深度。
文檔編號B23H7/26GK102528187SQ20121001291
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月16日
發(fā)明者吳杰, 康小明, 朱敬文, 趙萬生 申請人:上海交通大學(xué)