三维微细展成电解加工方法及加工装置

摘要

本发明公开了一种三维微细展成电解加工方法，该方法通过一个电极对另一个电极的展成电解加工，或者两个电极的相互交替展成电解加工，实现电极在线精密制作；采用上述方法得到的工具电极，相对工件作一定轨迹的运动，对工件进行精密展成加工；控制系统控制电极与工件的位置以及运动轨迹，并实现加工间隙自适应控制，快速反馈；本发明同时公开了一种加工装置，包括机械运动机构、控制系统、脉冲电源、观测装置、电解液供给系统五部分组成，本发明可以实现微小零部件的低成本、高精度加工。

说明书

技术领域

本发明涉及精密电解加工方法及加工装置，具体涉及三维微细展成电解加工方法及加工装置。

背景技术

随着科学技术的不断发展，许多领域诸如医学、生物工程、机械工程、电工电子以及航空航天等，对微细器械的需求越来越大；为了提高这些微细器械的使用寿命，要求在加工过程中没有材料，没有发生理、化方面的变化；电解加工技术因其无宏观切削力、工具电极无损耗、工件材料无变质层、材料去除方式为离子溶解等优点，特别适合于微细部件的加工，有望成为未来微机电系统技术与微电子技术的支柱之一。

现有的微细电解加工装置与小型铣床相似，工具电极安装在电机主轴上，工件安装在工作台上；工作时，工具电极相对工件作简单的平动或转动，对工件进行加工。

现有的微细电解加工方法主要有：

(1)成型电极在几个方向上对工件进行拷贝式加工，得到复杂形状的微细零件。

(2)成型电极或简单电极对零件的孔、槽进行铣削加工。

以上加工方法存在的问题是：

(1)需要采用其他微细加工方法加工成型电极，形状过于复杂零件的电极很难加工，电极的加工周期长。

(2)电极的制作与使用独立进行，在采用工具电极加工工件的过程中，需要重新对微细电极进行精密定位。

在电解加工大型叶轮过程中，已有很多科研机构采用简单电极作展成运动对工件复杂的三维曲面进行加工，并取得了良好的效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三维微细零件电解加工的方法；该方法为三维微细展成电解加工，即采用高频、超短脉冲电源，通过控制系统控制工具电极与待加工零件的运动，使工具电极相对于待加工零件作一定轨迹的展成运动，实现工具电极的在线制作与微细三维零件的精密电解加工。

本发明的目的还在于提供进行上述加工的三维微细展成电解加工装置。

该装置可以在线加工微米级以下的工具电极，并利用该电极，对零部件进行加工。加工的零部件2个方向上的尺寸在1毫米以下，加工精度可达到纳米级，并将显著地降低加工成本，且不会对环境有污染。

本发明的作用原理

在电解加工中，采用高频、窄脉冲电源，可以改善电解加工流场的理、化特性，减小加工的放电间隙，导致阳极溶解集中蚀除能力的强化以及散蚀能力的减弱，从而大大提高电解加工的精度。简单电极的展成加工，可以改善微小间隙的加工流场，从而使电解加工的整平能力更强，成型精度更高。

以工具电极的某个点或某条直线或曲线作为切削刃，根据工具电极运动轨迹的包络面，对工件材料进行展成加工。通过控制工具电极的位置与运动轨迹，并保持加工间隙在稳定的微小间隙内，可以实现复杂三维零件的精密加工。

本发明所述的三维微细展成电解加工方法是，(1)通过一个电极对另一个电极的展成电解加工，或者两个电极的相互交替展成电解加工，实现电极在线精密制作；(2)采用上述方法得到的工具电极，相对工件作一定轨迹的运动，对工件进行精密展成加工；其中，工件和工具电极的位置可以根据情况装夹在不同的位置；(3)控制系统控制电极与工件的位置以及运动轨迹，并实现加工间隙自适应控制，快速反馈。

本发明所述的加工装置，包括机械运动机构、控制系统、脉冲电源、观测装置、电解液供给系统五部分构成，上述机械运动机构中的微动数控十字工作台安装在机架底座上，U轴旋转机构和微型旋转工作台安装在微动数控十字工作台上，由机架底座支撑的立柱支撑机构安装有Z轴方向微动伺服机构，V轴旋转机构安装在Z轴方向微动伺服机构上，微细工具电极或工件分别装夹在U轴旋转机构和微型旋转工作台和V轴旋转机构上。

上述控制系统包括计算机设备、控制程序、加工间隙自适应控制系统、驱动器以及电源。

上述脉冲电源为高频、超短脉冲电源，并分别与电极或工件连接。

上述电解液供给系统的电解液实行滴注式供给，或者根据情况，进行浸入式加工；滴注式供给时，能够保证加工区域充满电解液；根据加工材料与加工精度、速度的不同，上述电解液可以为NaNO3，NaCl，CuSO4等中性溶液，也可以为添加HClO4，HCl等酸性溶液，或者以上溶液一定比例的混合。

本发明装置如图1所示，它由机械运动机构、控制系统、脉冲电源、观测装置、电解液供给系统等5部分组成。

机械运动机构是该发明的核心部分，它能够实现直线运动的纳米级微步距进给和快速响应，并能够实现精确的旋转速度与旋转角度。它主要包括图1中所表示的机架底座1，微动数控十字工作台2，U轴旋转机构3，微细工具电极或工件4、7、11，V轴旋转机构8，Z轴方向微动伺服机构9，微型旋转工作台13，立柱支撑机构14以及各个部分的辅助机构，如装夹机构等。

控制系统是指能够控制装备进行微步距进给、加工间隙自适应控制、电极或者工件的旋转速度以及旋转角度，它包括计算机设备、控制程序、加工间隙自适应控制部分的电压或电流监测装置、电机驱动器以及电源等。

脉冲电源为高频、超短脉冲电源，包括电源波形、频率、脉宽、占空比等参数的选择以及采集、输出、显示等。

观测装置可以实现加工过程的在线观察、工件尺寸的测量、记录等。

电解液供给系统包括电解液的存储、滴注、回收以及它们的控制部分。

该装置的加工工艺与过程如下：

1.电极在线制作：2个电极分别装夹在图1中4、7位置上，并分别通正、负脉冲电源，使电极4对电极7或电极7对电极4进行加工，或者两者相互交替加工，一直是其中一个或者2个都满足要求(如图2所示)。工具电极可以是简单形状的电极，也可以是成型电极。

2.电极加工工件：用制作的电极作为工具电极，通负电，工件通正电，对工件进行展成加工，得到合格的工件。该工具电极可根据实际情况，装夹在4、7位置，或二者均有。工件可以装夹在7、4、11位置。

3.控制系统：控制系统控制电极与工件的位置以及运动轨迹，并实现加工间隙自适应控制，快速反馈。

4.电解液供给：电解液实行滴注式供给，或者根据情况，进行浸入式加工。滴注式供给时，能够保证加工区域充满电解液。根据加工材料与加工精度、速度的不同，电解液可以为NaNO3，NaCl，CuSO4等中性溶液，也可以为添加HClO4，HCl等酸性溶液，或者以上溶液一定比例的混合。

5.观测装置：观测装置对加工过程进行观测，并对工具电极和工件的尺寸进行测量、纪录等。

本技术有益效果，本发明可以实现微小零部件的低成本、高精度加工。

附图说明

图1为本发明三维微细展成电解加工装置示意图。

图2为本发明三维微细展成电解加工示意图。

图3为本发明简单电极加工示意图。

图4为本发明成型电极加工示意图。

图5为本发明电器控制系统结构框图。

图6为本发明控制系统组成示意图。

图中各编号含义：

1机架底座    2微动数控十字工作台    3U轴旋转机构

4微细工具电极或工件    5控制系统           6脉冲电源

7工件或微细工具电极    8V轴旋转机构        9Z轴方向微动伺服机构

10电解液供给系统       11工件或工具电极    12观测装置

13微型旋转工作台       14立柱支撑机构

对图中结构的说明

微动数控十字工作台2是在X、Y两个方向实现微步距直线运动的机构；并带动U轴旋转机构3与微型旋转工作台13作相应的平动。

电极或者工件4、7分别装夹在旋转机构3、8上，并与电机旋转主轴之间绝缘；通过电刷将脉冲电源连接到4、7上。

观测装置可以根据加工情况，调节、固定放置的位置与角度。

电解液供给装置包括2个电解液容器，一个为供液用，一个为和工作台相连的回收、沉淀、过滤电解液用的。同时，可以控制电解液的液流、压力、方向。

Z轴方向微动伺服机构9固定在立柱支撑机构14上，并可以在14上手动调节固定高度。带动V轴旋转机构8作垂直方向的微动。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述，但本发明的实施方式不限于此。

1.如采用图3所示的加工方式，可以用顶端一定形状的简单工具电极加工微小螺钉、钻头等，也可以加工细小、尖长一定形状的探针等。首先进行工具电极的设计与制作，其过程如图3中两左图所示。一个电极接脉冲电源的负电，作工具电极；另一个接正电，作为待加工电极。二者也可根据加工的情况，加工过程中可互换正、负电接向，进行交互加工。根据加工零件设计待加工电极的形状，如加工微小螺钉，工具电极的尖端(加工区)的形状应与螺纹槽形状相同，考虑到加工间隙的影响，放电部分的形状尺寸要小于螺纹槽的。同样的道理，可以设计出微小钻头的工具电极。根据待加工电极的形状，如果采用简单工具电极进行加工，可以通过控制其主轴的转速、转角、转向进行电极放电加工部分特定形状的加工。也可以直接用工件作阴极，拷贝式加工出对应的工具电极。然后用该电极进行零件的加工。如加工螺钉或钻头，根据加工零件的形状，调整工具电极的位置，使工具电极与工件的主轴垂直；调整电极放电加工部分的角度，使突出尖刃方向与工件槽的方向相吻合。加工中，工具电极接近工件到放电加工的范围内(微纳米范围内)，电机带动工件作旋转运动，并同时作直线运动，获得一定导程、一定长度的工件。自适应控制系统控制工具电极向工件加工深度方向的运动，并保持恒定的加工间隙。

2.如图4所示，采用一定形状的工具电极，可以通过展成运动加工微型齿轮或者内螺纹孔等。首先采用加工一般零件的方法加工成型工具电极，如齿轮、螺旋形工件。然后用该电极加工工件。微型齿轮的展成加工，工具电极主轴与齿轮主轴平行，电极与工件按照一定的速率比转动，通过控制两主轴的间距，控制加工齿轮的尺寸。加工内螺纹孔，要求工具电极的导程与螺纹孔的导程相同，工具电极的外径尺寸，根据螺纹孔的内径与电解加工的空间分辨率({加工孔内径尺寸-电极外径尺寸}/2)确定。其加工过程类似丝锥加工螺纹孔，工具电极进给加工或者回程，同时要旋转，要根据加工情况，转速与直线运动速度成一定比例关系。

3.也可以通过电极铣削加工孔、槽、曲面、台甚至部件等。展成电解加工是根据工具运动轨迹的包络面形成工件的型面。通过控制电极运动的轨迹，作类似于铣床的铣削加工，实现上述要求的精密电解加工。