專利名稱：一種難加工材料的微精加工系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及ー種難加工材料的微精加工系統(tǒng)，屬于復(fù)合精密微細特種加工技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
難加工材料(如電子陶瓷、高溫合金、硬質(zhì)合金等)、復(fù)雜異形面(如三維曲面、異形孔槽等)零部件在現(xiàn)代制造業(yè)中的應(yīng)用愈來愈廣泛，其精密、微細加工問題已成為限制制造業(yè)技術(shù)進步的瓶頸難題。難加工材料、異形面零部件的超精加工有傳統(tǒng)機械加工及現(xiàn)代特種加工技術(shù)兩大類。傳統(tǒng)精密機械加工常用方法有精密車削、精密磨削、精密研磨及精密數(shù)控多軸聯(lián)動加工等方法，但傳統(tǒng)精密機床對難加工材料(如電子陶瓷、高溫合金、硬質(zhì)合金等)的加工有相當(dāng)難度，一般均需要采用特別的輔助性措施，加工周期及生產(chǎn)成本高；而對復(fù)雜異形面(三維曲面、異形孔槽等)零部件加工因為受到機床成形機理限制，一般難以實現(xiàn)復(fù)雜、異形面加工；再有這類傳統(tǒng)機械加工設(shè)備及維護成本均很高，因此傳統(tǒng)超精機械加工對此類零部件的加工應(yīng)用受到很大限制。特種加工在發(fā)展微精加工中顯示獨特優(yōu)勢，它具有不受エ件硬度影響、加工作用力小、工具損耗很小等優(yōu)點而受到特別重視。在微精特種加工技術(shù)領(lǐng)域，有許多加工裝置，如微細電火花加工、微細電解加工、微細超聲加工、微細高能束流加工以及由兩種或兩種以上加工裝置組合而成的微細復(fù)合加エ等，這些加工裝置能解決普通切削加工難以實現(xiàn)的精密、微細加工難題，在零部件微精加エ中發(fā)揮了重要作用。然而，現(xiàn)有微細加工裝置在各具優(yōu)點的同時，亦有一定的局限性。微精超聲加工特別適合于非金屬硬脆材料微小孔、槽加工，具有效率高、精度及表面質(zhì)量好的エ藝特點，但在材料硬度及韌性高、加工面積及深徑比大時，加工效率很低，且由于超聲工具的相對磨損大，微細加工精度很難保證；電化學(xué)加工是“分子”級單位去除加工，具有微精加工機理優(yōu)勢，存在微細加工甚至是nm級加工的可行性，其中基于電化學(xué)陰極沉積原理的微細電鑄技術(shù)可制作形狀復(fù)雜、精度很高的細小金屬零件，但存在材料可鑄性、廢品率高及效率低的技術(shù)局限性；基于電化學(xué)陽極溶解的微細電解加工由于大電流密度時的雜散腐蝕作用，加工精度較難控制，而微電流電解由于鈍化作用，加工過程難以持續(xù)，采用高頻窄脈沖微細電解可消除鈍化，實現(xiàn)小間隙微精加工，但微小間隙過程變化復(fù)雜，加工須要合理的陰極結(jié)構(gòu)、電解液系統(tǒng)，且須要精密微位移進給系統(tǒng)、高頻窄脈沖電源及快速短路保護系統(tǒng)，設(shè)備投資成本很高。中國實用新型專利“97250167. 3”公開了ー種非導(dǎo)電材料超聲電解放電復(fù)合加工裝置，將超聲波電源、電火花電源和電解電源組合在一起，形成ー個復(fù)合電源，將エ件浸入電解液磨料中，將電解電源的陰極與工具電極相聯(lián)，將電解電源的陽極與電解磨料中的輔助陽極相聯(lián)，電解電源與電火花電源相聯(lián)接，電火花電源與超聲波電源的調(diào)制電路相聯(lián)接，將超聲磨料的破碎加工與電解、電火花放電加工復(fù)合，對非導(dǎo)電材料進行加工，設(shè)備簡單、加工精度與效率有所提高。但此裝置放電、電解作用機理不適于對導(dǎo)電材料進行復(fù)合加工，而且在復(fù)合加工過程中，輔助電極與工具間火花放電與電解作用很難聯(lián)合控制及進行有效能量匹配，超聲頻振動只是與電解/電火花作用簡單組合；同時裝置中エ件與電極間接觸力用砝碼、杠桿施加，無法進行精密微細連續(xù)調(diào)節(jié)，因此加工精度很難精確控制。中國實用新型專利“ZL200620068677.X”公開了ー種可實現(xiàn)微器件的超聲電解復(fù)合微細加工裝置，將超聲波電源產(chǎn)生的超聲頻交變電信號利用調(diào)制電路轉(zhuǎn)換為電解直流電源的斬波信號，使電解直流電壓成為與工具陰極超聲頻振動保持相位有序同步的脈沖電壓，在工具陰極超聲振動與微加工器件接近區(qū)間加電解脈沖，進行電解加工，超聲振動分開區(qū)間關(guān)斷電解脈沖，使微細加工過程同電解產(chǎn)物排除及電解液更新過程交替進行，有利于改善微細加工精度。實用中必須在加工電解液中混入粒度較大、硬度較高的超聲磨粒，阻止 エ件與陰極的直接接觸造成的電解短路，但超聲磨料在消除鈍化，起一定去除材料作用同時，也不可避免對工具陰極產(chǎn)生磨損，使微細加工中陰極使用壽命受到限制，特別在面積、深徑比大的微細加工中，加工效率極低，同時由于陰極相對磨損量大，也難以達到微細加工精度要求。中國實用新型專利“ZL200820038927. 4”公開了ー種復(fù)合同步超聲頻振動微細電解加工裝置，將微細電解與超聲頻振動同頻、同步有機復(fù)合，實現(xiàn)低電壓、小間隙、微電流密度、高頻脈沖電解與超聲頻振動復(fù)合加工。但由于加工間隙產(chǎn)物阻滯，鈍化常不能完全消除，使加工效率降低；增加電流密度又加大電解作用，加工間隙產(chǎn)生電解雜散腐蝕，實用中難以穩(wěn)定獲得精密加工的效果。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的是提供ー種難加工材料的微精加工系統(tǒng)，上述各實用新型專利存在的相關(guān)不足，可通過本實用新型來解決。本實用新型的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，ー種難加工材料的微精加工系統(tǒng)，包括放電ー電解加工単元、超聲頻振動単元、超聲調(diào)制單元、超聲斬波單元和工作臺裝置；所述的放電ー電解加工單元包括工具電極、超聲斬波電路、電渦流傳感器和電加工電源；所述的超聲頻振動単元包括超聲波發(fā)生器、壓電式換能器、壓電陶瓷片和振動輻射頭；所述的超聲調(diào)制單元包括激光微位移傳感器、數(shù)字存儲示波器和控制計算機；所述的超聲斬波單元包括超聲振動測量基準(zhǔn)片和超聲斬波電路；所述的工作臺裝置包括工作臺和底座，其特征是，所述放電ー電解加工單元中的電加工電源可采用直流或脈沖電源，工作電壓幅值不高于6V，電源正負極分別與エ件及工具電極連接且在回路中接入限流電阻；所述超聲斬波單元中的超聲斬波電路設(shè)置減法器、信號選擇開關(guān)和兩個電壓比較器并聯(lián)的構(gòu)成窗ロ電壓比較器，超聲發(fā)生器產(chǎn)生的超聲頻交變電信號通過電阻耦合接減法器的正負端子，減法器輸出信號經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后接信號選擇開關(guān)的ー個輸入端，激光微位移傳感器的輸出電信號接信號選擇開關(guān)的另一個輸入端，信號選擇開關(guān)的輸出端接窗ロ電壓比較器的比較信號輸入端，窗ロ電壓比較器窗ロ電壓的高、低基準(zhǔn)值由控制計算機設(shè)置，窗ロ電壓比較器的輸出端接光電耦合器；所述工作臺裝置中的工作臺與其底座分別固定一個磁極，通過螺紋調(diào)節(jié)機構(gòu)調(diào)節(jié)兩個磁極之間的距離，以調(diào)節(jié)工具電極與エ件間的接觸壓力，工作臺與其底座由設(shè)置的彈簧機構(gòu)聯(lián)接。所述的限流電阻的阻值為0. I 9Q。[0013]所述的減法器采用UA741。所述的窗ロ電壓比較器中的電壓比較器采用LM339N。所述的工作臺裝置保持待加工エ件與工具電極之間0. ION 5. ON恒壓カ接觸。所述的工作臺與底座安裝在具有X軸微位移驅(qū)動機構(gòu)和I軸微位移驅(qū)動機構(gòu)的進
ムAムU5ロロ 丄 本實用新型作超聲頻振動的工具電極與エ件分別接直流(或脈沖)電源的負極與正極，通過磁懸浮工作臺保證工具電極與エ件之間的恒壓カ接觸，采用幅值6V及以下的低電壓，通過超聲斬波電路保證電源加電與超聲振動之間的實時同步，實際加工時，在電極與エ件的間隙中，充滿摻入納米級半導(dǎo)體微粉的低電導(dǎo)率工作液，本實用新型可通過調(diào)制エ 具電極的超聲振幅、頻率及電源加電間隙，實現(xiàn)在低電壓、靜液條件下的放電ー電解復(fù)合方式的材料去除,實現(xiàn)不同特性材料異形面的精密、高效、低成本加工。

圖I為本實用新型結(jié)構(gòu)框圖；圖2為本實用新型中超聲斬波電路原理圖；圖3為本實用新型復(fù)合同步加電方式示意圖；圖I中，I壓電式換能器、2壓電陶瓷片組合、3超聲振動輻射頭、4微細陰扱、5激光微位移傳感器、6超聲振動測量基準(zhǔn)片、7工作液、8超聲頻振動、9軸測微儀、10エ件、11エ作臺、12彈簧機構(gòu)、13磁極、14螺紋調(diào)節(jié)機構(gòu)、15工作臺底座、16進給臺、17 X軸微位移驅(qū)動機構(gòu)、18機構(gòu)底座、19 y軸微位移驅(qū)動機構(gòu)軸套、20信號選擇開關(guān)、21超聲斬波電路、22斬波信號、23電渦流傳感器、24電加工電源、25數(shù)字存儲示波器、26控制計算機、27超聲頻交變電信號、28超聲波發(fā)生器。圖2中，2a超聲頻交變電信號、2b UA741減法器、2c信號選擇開關(guān)、2d激光微位移傳感器輸出電信號、2e窗ロ電壓比較器l、2f窗ロ電壓比較器2、2g光電I禹合器、2h斬波脈沖、2i MOS斬波管、2j續(xù)流ニ極管、2k復(fù)合加工電源、21加工區(qū)。圖3中3a設(shè)置的窗ロ電壓高電平、3b設(shè)置的窗ロ電壓低電平、3c超聲頻交變電信號、3d窗ロ電壓低電平對應(yīng)電極振動位移、3e窗ロ電壓高電平對應(yīng)電極振動位移、3f電極振動位移、3g電源加電電壓波形、3h加電脈沖高電平、3i加電脈沖低電平。
具體實施方式

以下結(jié)合附圖，對本實用新型的具體實施方式
作進ー步詳細說明。如圖I所示，由超聲發(fā)生器28產(chǎn)生頻率范圍為16KHz 24KHz連續(xù)可調(diào)超聲頻交變電信號，超聲功率為30W 500W連續(xù)可調(diào)，壓電式換能器I與超聲頻振動輻射頭3將此超聲頻交變電信號轉(zhuǎn)換、放大為精密工具電極4端面的同頻超聲頻機械振動，振幅可達0. 001mm 0. 015 mm,滿足復(fù)合加工超聲頻振動振幅要求，超聲頻振動輻射頭端部通過螺紋聯(lián)接工具電極4，用凡士林耦合，避免超聲能量損失。放電ー電解加工単元，包括工具電極4、エ件10、電加工電源24 (工作電壓幅值不高于6V)、超聲斬波器21、磁懸浮工作臺，工具電極4與エ件10間充滿低電導(dǎo)率納米級混粉工作液7，電源正負極分別與エ件10及工具電極4連接，且在回路中接入限流電阻R13(0. I 9Q )。[0028]超聲頻振動単元，包括超聲波發(fā)生器28、壓電式換能器I及振動輻射頭3，超聲波發(fā)生器28產(chǎn)生連續(xù)可調(diào)超聲頻交變電信號，通過壓電式換能器I與振動輻射頭3轉(zhuǎn)換放大后連接微細工具電極4，工具電極4端面產(chǎn)生同頻超聲頻機械振動。超聲調(diào)制單元，包括電渦流傳感器23、數(shù)字存儲示波器25及控制計算機26，電渦流傳感器25將極間電流轉(zhuǎn)換為電壓信號，由數(shù)字存儲示波器25進行顯示、測量、存儲，由串行ロ傳送到控制計算機26中，控制計算機26可自動控制、調(diào)節(jié)超聲發(fā)生器的激振電容，改變超聲頻交變電信號振蕩頻率，激勵超聲振動系統(tǒng)達共振，調(diào)節(jié)超聲功率改變工具電極4端面振幅；調(diào)節(jié)放電ー電解加工回路的電壓幅值、限流電阻值及工作液7的電導(dǎo)率，可改變單個放電火花能量及電解作用強度，調(diào)節(jié)超聲功率可改變工具電極端面的振幅，形成微火花放電與消電離的良性循環(huán)。多參數(shù)綜合調(diào)節(jié)可改變放電作用與電解作用的能量比例及加 エ精度與效率的關(guān)系，從而對不同特性材料及加工要求，尋求加工效果的優(yōu)化，超聲斬波單元，激光微位移傳感器5對工具電極4的位置進行動態(tài)快速測量，并將其轉(zhuǎn)換為包含超聲振動頻率、相位、幅值信息的電信號傳送到斬波器產(chǎn)生切斷與開通電解電源的斬波信號，對電解回路進行開通與關(guān)斷，使電解加電與陰極超聲頻振動實現(xiàn)同頻、同
止/J/ o微壓カ調(diào)節(jié)單元，調(diào)節(jié)磁懸浮工作臺內(nèi)置磁極13極間距離，可調(diào)節(jié)エ件10與工具電極4間接觸力的大小，保持加工中エ件10與工具電極4之間恒定接觸壓力。在加工區(qū)21人工滴注低電導(dǎo)率工作液7，亦可將加工區(qū)完全置于工作液中。エ作液為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60% 99. 99%的こ醇水溶液或硝酸鈉。質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于1%的こ醇水溶液，其中均摻入納米級半導(dǎo)體微粉(20-50納米B4C)通過激光微位移傳感器對微細電極的超聲頻振動位置進行動態(tài)快速測量，并將其轉(zhuǎn)換為包含超聲振動頻率、相位、幅值信息的電信號，再傳送到斬波電路處理、轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生切斷與開通電源的斬波信號，對電源回路進行開通或關(guān)斷，實現(xiàn)復(fù)合加工電源加電與陰極超聲頻振動的精確同頻、同步；微壓カ調(diào)節(jié)裝置利用螺旋副調(diào)節(jié)ー個磁極對之間的距離，保持エ件與電極之間0. ION 5. ON的恒定接觸壓力，隨加工深度增加，磁懸浮彈性伸縮工作臺自動向上進給；水平面內(nèi)X、y工作臺進給由電致伸縮微位移進給裝置驅(qū)動，實現(xiàn)高剛度無間隙位移和極精細的微量位移，分辨カ可達0. 0005mm。間隙電壓、電流測量及分析裝置是由電流傳感器、數(shù)字存儲示波器、控制計算機組成，電流傳感器將電流轉(zhuǎn)換為電壓信號，由數(shù)字存儲示波器進行顯示、測量、存儲，用數(shù)字存儲示波器兩個通道，可觀測超聲振動位置(或超聲頻交變電信號)與電源加電電壓(或電流)的同步精度與變化情況，電信號可由串行ロ傳送到控制計算機中顯示、處理，進行超聲參數(shù)和電參數(shù)的自動調(diào)節(jié)，保持加工過程優(yōu)化。測微儀9的作用是實時測量、顯示復(fù)合電加工深度。如圖2所示為超聲斬波電路原理圖，超聲頻交變電信號2a通過UA741減法器2b及電阻R6變換為對數(shù)字地的超聲頻交變電信號，信號選擇開關(guān)2c，在圖I中是20，可將此電信號與激光微位移傳感器5輸出電信號2d選擇其一送至窗ロ電壓比較器2e和2f(LM339N),窗ロ電壓比較器2e的“ + ”端子接窗ロ比較電壓高電平UR1，窗ロ電壓比較器2f 端子接窗ロ比較電壓低電平UR2，URl及UR2的值由人工調(diào)節(jié)或控制計算機優(yōu)化確定，信號選擇開關(guān)2c送出的比較電壓信號小于URl,但大于UR2時，窗ロ電壓比較器輸出高電平，光電稱合器2g有光電作用，產(chǎn)生斬波脈沖2h的高電平，當(dāng)信號選擇開關(guān)2c送出的比較電壓信號大于URl或小于UR2時，光電耦合器2g無光電作用，此時產(chǎn)生斬波脈沖2h的低電平，斬波脈沖2h確定MOS斬波管2i的開關(guān)狀態(tài)，由斬波管2 i的開關(guān)狀態(tài)決定復(fù)合加工電源電源2k的開、關(guān)，從而控制加工區(qū)21工作狀態(tài)。續(xù)流ニ極管2j起電壓反向續(xù)流保護作用。斬波管2i采用MOSFET場效應(yīng)管，具有容量大，適合低電壓和較大電流、15kHz 35kHz工作頻率、ns級開關(guān)速度、損耗低、耐壓特性好、可靠性高等特點，尤其適合此エ藝。用激光微位移傳感器5直接采集工具電極端面超聲頻振動信號，避免了超聲振動系統(tǒng)相對于超聲頻交變電信號之間的相位滯后誤差，再通過斬波電路對激光微位移傳感器5電信號2a進行處理，得到斬波脈沖2e對電解電源2f進行開、斷控制，可實現(xiàn)電解加電區(qū)與陰極超聲頻振動精確同頻、同步。用超聲頻交變電信號斬波調(diào)制方式也能基本實現(xiàn)電源加電與電極超聲頻振動的 同頻、同步，可以滿足一般精密加工要求，此結(jié)論已被實驗證明，用此同步方式可不用激光微位移傳感器，有效節(jié)省設(shè)備成本，但在超精密加工中，采用精密激光微位移傳感器5來檢測斬波為宜。圖3所示為復(fù)合加工同步加電方式示意圖，3a為設(shè)置的窗ロ電壓高電平，3b為設(shè)置的窗ロ電壓低電平，3c為超聲頻交變電信號，3d為窗ロ電壓低電平對應(yīng)電極振動位移，3f為窗ロ電壓高電平對應(yīng)電極振動位移，3e為電極振動位移，3g為電源加電電壓波形，3h為加電脈沖高電平，3i為加電脈沖低電平。由圖3可知當(dāng)工具電極4振動至加工間隙在一定值范圍內(nèi)時(設(shè)置在振動間隙的中間區(qū)域)，加電加工，在間隙最大、最小的部分區(qū)域停止電源加電，既可避免電解短路，又利用小間隙進行放電ー電解加工，同時利用大間隙進行產(chǎn)物排除、更新工作液，均勻間隙參數(shù)，阻止雜散腐蝕，有利于提高加工精度。利用電阻R9的限流作用，可調(diào)節(jié)單個火花放電能量；綜合調(diào)節(jié)超聲頻率、振幅(功率)、限流電阻，改變工作液電導(dǎo)率及電源電壓幅值可實現(xiàn)不同能量匹配的放電ー電解加エ，滿足不同特性材料、不同加工要求零件的精密加工。
權(quán)利要求1.ー種難加工材料的微精加工系統(tǒng)，包括放電ー電解加工単元、超聲頻振動單元、超聲調(diào)制單元、超聲斬波單元和工作臺裝置；所述的放電ー電解加工単元包括工具電極、超聲斬波電路、電渦流傳感器和電加工電源；所述的超聲頻振動単元包括超聲波發(fā)生器、壓電式換能器、壓電陶瓷片組合和超聲振動輻射頭；所述的超聲調(diào)制單元包括激光微位移傳感器、數(shù)字存儲示波器和控制計算機；所述的超聲斬波單元包括超聲振動測量基準(zhǔn)片和超聲斬波電路；所述的工作臺裝置包括工作臺和底座，其特征是，所述放電ー電解加工單元中的電加工電源采用直流或脈沖電源，加工電壓幅值不高于6V，電源正負極分別與エ件及工具電極連接且在電路中接入限流電阻；所述超聲斬波單元中的超聲斬波電路設(shè)置有減法器、信號選擇開關(guān)和由兩個電壓比較器并聯(lián)構(gòu)成的窗ロ電壓比較器，超聲發(fā)生器產(chǎn)生的超聲頻交變電信號通過電阻耦合接減法器的正負端子，減法器輸出信號經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后接信號選擇開關(guān)的一個輸入端，激光微位移傳感器的輸出電信號接信號選擇開關(guān)的另一個輸入端，信號選擇開關(guān)的輸出端接窗ロ電壓比較器的比較信號輸入端，窗ロ電壓比較器窗ロ電壓的高、低基準(zhǔn)值由控制計算機設(shè)置，窗ロ電壓比較器的輸出端接光電耦合器；所述工作臺裝置中的工作臺與其底座分別固定一個磁極，通過螺紋調(diào)節(jié)機構(gòu)調(diào)節(jié)兩個磁極之間的距離，以調(diào)節(jié)工具電極與エ件間的接觸壓力，工作臺與其底座由設(shè)置的彈簧機構(gòu)聯(lián)接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種難加工材料的微精加工系統(tǒng)，其特征是，所述的限流電阻的阻值為0. I 9Q。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種難加工材料的微精加工系統(tǒng)，其特征是，所述的減法器采用UA741。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種難加工材料的微精加工系統(tǒng)，其特征是，所述的窗ロ電壓比較器中的電壓比較器采用LM339N。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種難加工材料的微精加工系統(tǒng)，其特征是，所述的工作臺裝置保持待加工エ件與工具電極之間0. ION 5. ON恒壓カ接觸。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的ー種難加工材料的微精加工系統(tǒng)，其特征是，所述的工作臺與底座安裝在具有X軸微位移驅(qū)動機構(gòu)和I軸微位移驅(qū)動機構(gòu)的進給臺上。
專利摘要本實用新型涉及一種難加工材料的微精加工系統(tǒng)，屬于復(fù)合精密微細特種加工技術(shù)領(lǐng)域。本實用新型作超聲頻振動的工具電極與工件分別接直流(或脈沖)電源的負極與正極，通過磁懸浮工作臺保證工具電極與工件之間的恒壓力接觸，采用幅值6V及以下的低電壓，通過超聲斬波電路保證電源加電與超聲振動之間的實時同步，實際加工時，在電極與工件的間隙中，充滿摻入納米級半導(dǎo)體微粉的低電導(dǎo)率工作液，本實用新型可通過調(diào)制工具電極的超聲振幅、頻率及電源加電間隙，實現(xiàn)在低電壓、靜液條件下的放電—電解復(fù)合方式的材料去除，實現(xiàn)不同特性材料異形面的精密、高效、低成本加工。
文檔編號B23H7/38GK202388079SQ201120459070
公開日2012年8月22日 申請日期2011年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月18日
發(fā)明者張超鳳, 朱永偉, 杜宇人, 繆新磊, 陳啟銀, 陳飛 申請人:揚州大學(xué)