一種提高電火花高速穿孔加工表面完整性的方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種能提高電火花高速穿孔加工表面完整性的電火花加工方法及裝置。方法是在采用電火花高速穿孔機加工時，將具有一定壓力和流速的低溫水霧施加在工件待加工孔的入口和出口表面，從而快速冷卻和排除加工產(chǎn)物，減少熱影響區(qū)和二次放電現(xiàn)象，以達到提高加工表面完整性的目的。提高電火花高速穿孔加工表面完整性的裝置包括電火花高速穿孔機、空氣壓縮機、微量潤滑噴霧裝置、加工工件、工具電極和夾具。本方法工藝穩(wěn)定、高效、低成本。
【專利說明】一種提高電火花高速穿孔加工表面完整性的方法及裝置
[0001]
【技術領域】
[0002]本發(fā)明涉及一種電火花加工技術，尤其是一種能提高電火花高速穿孔加工表面完整性的電火花加工方法及裝置，具體地說是一種通過采用專用夾具將具有一定壓力和流速的低溫水霧施加在加工區(qū)域的工件待加工孔進出口表面，以提高電火花高速穿孔加工表面完整性的方法及裝置。
[0003]【背景技術】
[0004]傳統(tǒng)電火花加工采用油類作為放電介質，加工穩(wěn)定且效率高，但也存在一些缺點:高溫分解出的氣體對人體和環(huán)境有害；有火災危險；使用后的廢棄物對環(huán)境有害；使用成本高；加工表面存在白層等熱影響層。水基工作液在電火花線切割加工中應用廣泛，在某些成形加工中也有所應用，如電火花高速穿孔加工。水基工作液對環(huán)境和人體不利影響小，沒有火災危險，但也存在一些問題，如熱量損失大，排屑效果不佳，由于急冷易形成白層，容易銹蝕機床。20世紀90年代，日本東京農(nóng)工大學的國枝正典學者提出并實現(xiàn)了氣體介質電火花加工有效地解決了油基工作液的上述缺點，但氣體介質放電間隙很小，對機床伺服系統(tǒng)等要求高，使用普通電火花加工機床加工時加工不穩(wěn)定，使得不正常放電幾率增大，有效脈沖利用率降低，因此加工效率低。
[0005]在干式電火花加工的基礎上，上海交通大學和美國密西根大學分別提出了以霧為介質的放電加工。霧作為加工介質加工同樣具有對環(huán)境和人體友好，無火災危險等優(yōu)點。由于霧的電學和熱學性質介于氣體和液體之間，故期望能集二者之優(yōu)點而避免它們的缺
[0006]以上所述的電火花加工方法中，以煤油、水、霧等作為工作介質，在工件表面完整性方面都存在一個共同的問題，即只注重了加工間隙的冷卻及產(chǎn)物的排除，忽略了加工區(qū)域工件進出口表面的冷卻，且電火花加工過程中，熔化和氣化了的工具及工件材料在拋離電極表面時，向四處飛濺，除絕大部分拋入工作液中外，有一小部分飛濺在工件的上下表面，即發(fā)生在工件待加工孔的入口和出口表面的微粒再附著，這就使得工件表面熱影響區(qū)較大，工件表面完整性不佳。
[0007]
【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明目的是解決現(xiàn)有電火花高速穿孔加工方法中，由于在加工中主要以高壓水基工作液對加工區(qū)域實施強迫冷卻和排屑，忽略了工件待加工孔入口、出口表面及側壁的冷卻與排屑，使得加工后的工件表面熱影響區(qū)較大，二次放電現(xiàn)象嚴重，表面粗糙度值較大，從而使得工件表面完整性差，以及加工效率低等問題。發(fā)明提出一種可以提高電火花高速穿孔加工表面完整性的方法，主要是將具有一定壓力和流速的低溫水霧施加在加工區(qū)域的工件進出口表面，從而快速帶走工件待加工孔入口和出口表面的熱量，迅速冷卻和排除加工產(chǎn)物，以此減少熱影響區(qū)和二次放電現(xiàn)象，進而提高加工表面完整性和加工效率，采用的具體技術方案是:
一種提高電火花高速穿孔加工表面完整性的方法，所述的方法是在電火花高速穿孔加工的過程中，向加工工件待加工孔的入口和出口表面施加水霧。
[0009]由于水霧噴射到加工區(qū)域時速度較快，可以更有效地將加工產(chǎn)物帶離工件的表面，并且在水霧中，液相的顆粒很小，遇高溫極易汽化，能夠滲透到加工工件的表面并對表面降溫，因此，能夠防止高溫的工件屑在加工工件的表面附著，從而快速冷卻和排除加工產(chǎn)物，減少熱影響區(qū)和由于排屑不佳所引起的二次放電現(xiàn)象。
[0010]上述的工件材料為能進行放電加工的材料，如導電性能良好的金屬材料(如:銅，鋼等)，具有導電性能的半導體材料(如硅、鍺等)，某些熱膨脹系數(shù)小，比熱小，易發(fā)生氧化的復合材料(如碳纖維復合材料等)。
[0011]上述的水霧是可以由去離子水或水與壓縮空氣或氮氣形成的，在實施操作中可以是經(jīng)微量潤滑噴霧裝置而形成的包含小液滴的水霧，液滴直徑優(yōu)選為10~200 μ m，水霧在加工表面的流速最優(yōu)是在5(Tl00m/s范圍內(nèi)，水霧中氣、液體積比范圍200:1-50000:1，水霧氣源壓力范圍0.4~0.7MPa，水霧溫度范圍-10~20°C。上述的水霧流速太低可能導致排屑效果不明顯，太高可能對專用夾具造成過大的沖擊，影響加工精度；水霧中氣、液比太大或太小都可能導致排屑、冷卻效果不佳。
[0012]本發(fā)明的另一個目的是提供一種提高電火花高速穿孔加工表面完整性的夾具，所述的夾具包括有上導塊和下導塊，上導塊與下導塊在夾合時內(nèi)部呈空腔，上導塊和下導塊上分別設置有水霧入口和排屑槽，上導塊的頂面上還開設有工具電極入口，工具電極入口、水霧入口和排屑槽均與所述的空腔相連通。
[0013]在使用時，利用上導塊與下導塊將加工工件夾合在其中，然后將工具電極從上導塊的工具電極入口穿過，開始電火花高速穿孔加工，與此同時，由水霧入口射入水霧，使水霧能夠排除加工區(qū)域產(chǎn)生的熱量、廢屑等，使加工過程更加順利并使表面平整。
[0014]作為對本夾具進一步的改進，所述的水霧入口與排屑槽位于上、下導塊相對的面上。這樣可以保證水霧在進入到夾具內(nèi)部時，避免過多的彎折流動，使排屑、降溫的效果更好。
[0015]上述的夾具可以構成電火花高速穿孔加工裝置，包括有依次連接的機床伺服系統(tǒng)、機床旋轉頭、工具電極、夾具。工具電極穿過夾具上導塊的工具電極入口，工具電極與泵連接，加工工件與工具電極分別與脈沖電源的正、負極相連接。
[0016]作為對上述的電火花高速穿孔加工裝置的改進，噴霧裝置最好是采用微量潤滑噴霧裝置。其產(chǎn)生的水霧液滴大小可控，液滴可以更好地滲入到加工工件的表面，液滴與工件接觸后可以瞬間汽化，帶走熱量。
[0017]作為對上述的電火花高速穿孔加工裝置的改進，在工具電極位于機床旋轉頭與上導塊之間的位置上還設置有導向器。導向器可以對工具電極的方向作更好的控制。
[0018]
有益效果綜上，本發(fā)明提供的提高電火花高速穿孔加工表面完整性的方法及裝置具有如下有益效果:
(O電火花高速穿孔加工時的高速水基工作液從管狀電極噴出，對加工區(qū)域實施強迫排屑及冷卻，加速了電蝕產(chǎn)物的排除。通過專用夾具在工件加工區(qū)域施加噴霧作用之后，能夠及時冷卻并吹離加工中未被拋出的、依然附著在工件表面的高溫熔滴、小屑等顆粒，以此降低表面粗糙度值。在沖走表面廢屑的同時，低溫水霧還會帶走大量的熱量，快速冷卻工件和工具電極，使脈沖火花放電時產(chǎn)生的熱量及時傳導出去，充分消電離，有利于減少拉弧等不正?，F(xiàn)象的發(fā)生，提高了整個加工過程的穩(wěn)定性。
[0019](2)某些金屬材料如鈦合金，復合材料如碳纖維復合材料，在高溫時極易氧化，放電后易繼續(xù)燃燒，采用專用夾具將低溫水霧施加在工件表面之后，可以將這些燃燒的材料吹滅，防止工件燒傷，提高了工件表面完整性。
[0020](3)工件材料局部高溫分解后可能結炭，在該處聚成焦粒而在兩極間搭橋，會燒傷電極和工件，低溫水霧不斷輸送至工件待加工孔的入口和出口表面，可以在降低工件表面溫度的同時，吹滅并破壞這種可能的搭橋，提高了工件的表面完整性。
[0021](4)本發(fā)明提高電火花高速穿孔加工表面完整性的方法及裝置，還具有方法簡單、易于實現(xiàn)、低成本、高效等特點，可以實現(xiàn)任何能進行脈沖放電加工的材料的表面完整性的提聞，為提聞電火花聞速穿孔加工的表面完整性提供了一種新方法。
[0022]
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1是本發(fā)明提供的提高電火花高速穿孔加工表面完整性的裝置示意圖。
[0024]I是機床伺服系統(tǒng)，2是機床旋轉頭，3是工具電極，4是脈沖電源，5是導向器，6是夾具，7是加工工件，8是噴霧裝置，9是空氣壓縮機，10是水基工作液，11是過濾網(wǎng)，12是栗。
[0025]圖2是專用夾具的結構示意圖。
[0026]13是工具電極入口，14是上導塊，15是水霧入口，16是下導塊，17是底座，18是排屑槽。
[0027]圖3中，a圖是夾具的上導塊的主視圖與剖視示意圖；b圖是夾具的下導塊的主視圖與剖視示意圖。
[0028]圖4是采用傳統(tǒng)電火花高速穿孔加工后工件表面形貌。
[0029]圖5是采用本發(fā)明加工后的工件表面形貌。
[0030]【具體實施方式】
[0031]實施例1
一種提高電火花高速穿孔加工表面完整性的裝置，夾具6的結構如圖2，夾具6包括有上導塊14和下導塊16，上導塊14與下導塊16在夾合之后內(nèi)部呈空腔，上導塊14和下導塊16上分別設置有水霧入口 15和排屑槽18，上導塊14的頂面上還開設有工具電極入口 13，工具電極入口 13、水霧入口 15和排屑槽18都與所述的空腔相連通。下導塊16設置于底座17上，上述的上、下導塊14、16及底座17是絕緣材料。夾具的上導塊和下導塊的結構如圖3a和圖3b所示。
[0032]總體裝置示意圖如圖1，機床伺服系統(tǒng)1、機床旋轉頭2、工具電極3依次相連，加工中通過機床伺服系統(tǒng)I實現(xiàn)進給，同時，由機床旋轉頭2帶動電極做回轉運動，工具電極3與脈沖電源4的負極相連，并穿過導向器5，再由夾具6的上導塊14的工具電極入口 13，進入夾具6內(nèi)部，高速水基工作液10通過泵12的作用從管狀的工具電極3噴射到加工工件7表面，加工工件7被夾具6夾緊于上、下導塊14、16之間，工件加工區(qū)域控制于上、下導塊14、16形成的空腔之間，并與脈沖電源4的正極相連，夾具6固定于底座17上，底座17安裝在工作臺上。噴霧裝置8采用微量潤滑噴霧裝置，產(chǎn)生的低溫水霧由夾具6側邊的水霧入口 15施加到加工工件的上、下表面，廢液及廢屑由另一側的排屑槽18排除。
[0033]上述的低溫水霧是由去離子水或水經(jīng)壓縮空氣9和微量潤滑噴霧裝置8，霧狀化為微小水滴的，水滴直徑為10-200 μ m,空氣壓縮機壓力范圍0.4~0.7MPa，水霧壓力控制在0.4MPa以上。下面結合實例對本發(fā)明的技術方案作進一步地說明:
采用的加工工件7的材質是碳纖維增強樹脂基復合材料(厚度2.5mm)，采用的工具電極3是黃銅管(外徑2mm,內(nèi)徑0.5mm,長400mm)。
[0034]利用電火花高速穿孔機的脈沖電源4產(chǎn)生的放電脈沖脈寬為20μ S，占空比1:1，開路電壓80V，平均電流8Α，施加在工件7和工具電極3之間，形成放電通道，將放電通道中的材料熔化、氣化，進而去除材料。
[0035]高速去離子水10從銅管電極3噴出，壓力為5MPa，對加工區(qū)域實施強迫排屑及冷卻，加速了電蝕產(chǎn)物的排除。與此同時，由去離子水經(jīng)空氣壓縮機，通過微量潤滑噴霧裝置形成的水霧(水霧在加工工件表 面的流速是100 m/s，氣液體積比是800:1)，由夾具6的水霧入口 15輸送到工件待加工孔的入口和出口表面，控制水霧壓力為0.4MPa。
[0036]本實施例中直徑2mm，深度2.5mm的小孔平均加工時間約為35s，而同種材料，同種加工參數(shù)下的普通高速電火花加工，平均加工時間約為47s，加工效率提高約25.5%，通過三維視頻顯微鏡觀察其表面形貌，如圖5所示，常規(guī)方法得到的加工工件形貌如圖4，可以看出本方法制備得到的工件的表面完整性明顯提高。
[0037]
實施例2
如圖1和圖2所示，一種提高電火花高速穿孔加工表面完整性的裝置，與實施例1的區(qū)別在于采用的加工工件7的材質是Q235 (厚度7mm)，放電脈沖寬度為40 μ S，占空比5:3，開路電壓80V，平均電流28Α，高速沖液壓力5MPa，水霧壓力控制在0.6MPa，水霧在加工工件表面的流速是67 m/s，氣液體積比是200:1。
[0038]本實施例中直徑2mm，深度7mm的小孔平均加工時間約為31s，而同種材料，同種加工參數(shù)下的普通高速電火花加工，平均加工時間約為38s，加工效率提高約18.42%，通過三維視頻顯微鏡觀察其表面形貌，表面完整性明顯提高。
[0039]
實施例3
如圖1和圖2所示，一種提高電火花高速穿孔加工表面完整性的裝置，與實施例1的區(qū)別在于采用的加工工件7的材質是單晶硅錠(厚度5.5mm),電阻率0.01 Ω.cm，放電脈沖寬度為40 μ s，占空比5:3，空載電壓80V，平均電流28Α，高速沖液壓力5MPa，水霧壓力控制在0.6MPa，水霧在加工工件表面的流速是100m/S，氣液體積比是200:1。
[0040]本實施例中直徑2mm，深度5.5mm的小孔平均加工時間約為5s，而同種材料，同種加工參數(shù)下的普通高速電火花加工，平均加工時間約為6s，加工效率提高約16.67%，通過三維視頻顯微鏡觀察其表面形貌，表面完整性明顯提高。
【權利要求】
1.一種提高電火花高速穿孔加工表面完整性的方法，其特征在于:在電火花高速穿孔加工的過程中，向加工工件待加工孔的入口和出口表面施加水霧。
2.根據(jù)權利要求1所述的提高電火花高速穿孔加工表面完整性的方法，其特征在于:所述的加工工件材質是金屬、半導體或者碳纖維復合材料。
3.根據(jù)權利要求1所述的提高電火花高速穿孔加工表面完整性的方法，其特征在于:所述的水霧是由去離子水或水與壓縮空氣或氮氣形成的。
4.權利要求1所述的提高電火花高速穿孔加工表面完整性的方法，其特征在于:所述的水霧中的液滴直徑為10~200 μ m。
5.權利要求1所述的提高電火花高速穿孔加工表面完整性的方法，其特征在于:所述的水霧在加工表面的流速是在5(Tl00m/s范圍內(nèi)，水霧中氣、液體積比是200:1-50000:1。
6.權利要求1所述的提高電火花高速穿孔加工表面完整性的方法，其特征在于:所述的水霧氣源壓力范圍0.4~0.7MPa，水霧溫度范圍-10~20°C。
7.一種提高電火花高速穿孔加工表面完整性的夾具，其特征在于:所述的夾具包括有上導塊(14)和下導塊(16)，上導塊(14)與下導塊(16)在夾合之后內(nèi)部呈空腔，上導塊(14)和下導塊(16)上分別設置有水霧入口(15)和排屑槽(18)，上導塊(14)的頂面上還開設有工具電極入口(13)，工具電極入口(13)、水霧入口(15)和排屑槽(18)都與所述的空腔相連通。
8.根據(jù)權利要求7所述的提高電火花高速穿孔加工表面完整性的夾具，其特征在于:所述的水霧入口(15)與排屑槽(18)位于上、下導塊(14、16)的相對面上。
9.一種基于權利要求7或8所述夾具的電火花高速穿孔加工裝置，包括有依次連接的機床伺服系統(tǒng)(I)、機床旋轉頭(2)、工具電極(3)、夾具(6)，其特征在于:工具電極(3)穿過夾具(6)的上導塊(14)的工具電極入口(13)，工具電極(3)與泵(12)連接，脈沖電源(4)的正、負極分別與加工工件(7)和工具電極(3)相連接；水霧入口(15)與噴霧裝置(8)連接。
10.根據(jù)權利要求9所述的電火花高速穿孔加工裝置，其特征在于:所述的噴霧裝置(8)是微量潤滑噴霧裝置。
【文檔編號】B23H11/00GK103551688SQ201310511645
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年10月25日 優(yōu)先權日:2013年10月25日
【發(fā)明者】汪煒, 張俊清, 張偉, 代建東 申請人:南京航空航天大學