利用电极引弧微爆轰加工工程陶瓷的方法及其装置

摘要

本发明涉及利用电极引弧微爆轰加工工程陶瓷的方法及其装置，属于特种加工技术领域；该方法为利用电极引弧瞬间产生的微爆炸轰击波对准陶瓷工件表面，在陶瓷工件局部表面冲蚀出直径约1－2mm、深度为0.01－1mm的圆形凹坑，实现工件表面的去除加工。该装置包括空气压缩机、专用脉冲电源、数控三维工作台、轰击波发射器；该空气压缩机的输出的压缩空气经专用脉冲电源的阴极电源导管通入轰击波发射器的内腔，该专用脉冲电源的阴极与轰击波发射器的芯极相连，专用脉冲电源阳极接轰击波发射器的喷嘴；轰击波发射器的喷嘴朝向数控三维工作台的台面。本发明具有结构简单、价格低廉、参数易于控制、可实现对异形曲面加工的显著特点。

说明书

技术领域

本发明属于特种加工技术领域，特别涉及工程陶瓷等难加工材料的加工方法及装置。

背景技术

目前工程陶瓷的主要加工方法仍然是采用传统的金刚石砂轮磨削技术，各国都在大力开发新的高效、低成本、低损伤的陶瓷磨削方法。经过几十年的发展，人们在磨削加工技术的基础上，开发了高速(超高速)磨削、在线电解修锐(ELID)磨削以及电解磨削、超声磨削、电解电火花磨削、界面化学反应磨削等复合加工技术，应用于工程陶瓷加工，在表面质量方面取得了一定的效果，但效率提高幅度不大，加工成本仍然居高不下。于是人们把更多的目光投向特种加工方法的研究，如激光烧蚀加工和激光加热辅助加工陶瓷技术、电火花加工陶瓷技术、电熔爆技术和等离子切割工程陶瓷的技术等。

激光烧蚀加工工程陶瓷材料，从能量密度(高达10⁸～10¹⁰W/cm²)的角度考虑是可行的，但是早在1983年，美国南加州大学的Copley等学者就发现激光烧蚀加工会在材料的加工区域产生微裂纹，因此必须进行加工后处理。这种方法不仅激光设备体积庞大，价格昂贵，而且仅适合于微钻孔、微切割、制作微结构等用刀具切削很难实现的场合。对于激光加热辅助加工技术，美国Purdue大学的Shin Yung C.、Powell P.N.等人在1997-2000年采用激光加热切削陶瓷获得成功，成本降低50％，在这一领域的研究很有代表性，但仍存在刀具同时被加热硬度也同时下降的问题，且设备投资较大，因此一直未得到应用。

电火花加工工程陶瓷的技术比较成功的是2002-2006年日本长冈科技大学的福泽康教授和东京大学的毛利尚武教授的研究。他们用金属板或金属网覆盖于陶瓷绝缘体表面作为辅助电极，辅助电极和工作液分解出的碳颗粒等电导复合材料不断在已加工陶瓷表面生成，从而保证了加工的持续进行。他们用电火花线切割技术在50mm³的陶瓷立方体中加工出椅子形状，加工时间虽然长达24小时，但以目前的传统机械加工方法是难以完成的。此外，2005年在中国重庆举办的第11届全国特种加工学术会议上，中国石油大学的刘永红教授介绍了他自主研发的双电极同步伺服跟踪电火花磨削加工陶瓷技术，使陶瓷加工效率提高了6～8倍。该方法的原理是借助砂轮高速旋转产生的高频机械脉冲作用，在导电石墨乳和专用脉冲电源作用下，在砂轮双电极之间与工件表面的接触弧附近产生微短拉弧放电和火花放电综合作用，所产生的瞬时高温使工件表面材料局部熔化、汽化冲蚀出一个个小坑，同时随着工作台的进给，砂轮与工件之间的机械磨削作用将电火花作用过的表层材料磨去。电火花加工在不降低材料表面质量的条件下可提高加工效率，而且该技术特别适于陶瓷异型件的加工，可以完成传统加工技术很难完成的工作。电火花加工陶瓷材料的技术目前仍然处于实验室研究阶段，提高其加工效率的关键在于辅助电极技术、电参数的选择以及放电间隙的控制等，而其中辅助电极的形成和连续稳定放电的实现是该技术的难点。

电熔爆技术是中国新疆电熔爆技术研究所叶良才发明的一种强电加工技术(专利号：9108920)，它采用低电压(3～30V)大电流(600～3000A)分别作用于工具电极和被加工件表面，在10^-4～10^-6s时间内使放电通道中心温度高达10000℃左右，使被加工面在高密度电子流的冲击下瞬间产生高温而熔化，在工作液的作用下，熔化的金属与基体爆离，从而被去除。电熔爆技术不但能够对难加工材料进行高效低成本加工，而且也可进行精密加工，加工硬质合金表面粗糙度Ra<0.5μm。电熔爆技术发展至今已被广泛应用于各种高硬、超黏、特脆、热敏感、表面高低不平等难加工金属材料的加工，实践证明，与传统加工方法相比，该可提高生产率5～50倍，成本降低50～90％，机床使用寿命提高5～10倍，但能否通过附加电极的方法用于工程陶瓷材料的加工仍存在疑义。此外，电熔爆技术存在的突出问题是加工时产生强烈的噪声和电磁波辐射污染，影响数控系统的正常工作。

用等离子切割工程陶瓷的技术，中国大连理工大学徐文骥教授在2001-2003年提出了附加阳极等离子弧加工工程陶瓷的技术并进行了系统研究。发表在大连理工大学学报2003年23期第1卷的研究论文结果表明，通过对输出等离子弧的综合约束，切割厚度为6mm的Al₂O₃陶瓷板材，得到了切口宽度小于5mm，切口角小于3°，无渣切速可达0.8-1m/min的结论。据《现代制造》2007年5月期刊报道，2006年德国的Kjelberg公司已经把这一技术转化到生产上，并推向市场，将该技术应用于混凝土、玻璃和其他非金属材料的切割。该项技术切割工程陶瓷突出存在的缺点是，必须要求等离子弧必须具备极高的功率密度和严格的切割工艺参数，否则在切割未完成之前，陶瓷材料可能会因热应力集中而导致崩裂。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，研制了一种利用电极引弧微爆轰加工工程陶瓷的方法及其装置，具有结构简单、价格低廉、参数易于控制、可实现对异形体加工的显著特点。

本发明的技术特点及效果：

本发明的加工方法去除材料主要利用电极引弧瞬间产生的微爆轰作用进行加工，依靠的是该轰击波的高密度能量，而不是象现有的一些加工方法那样依赖于大电流产生的电弧或等离子弧所输入的持续热量进行加工，由于在稳定电弧被引出前电路已经关断，所以无需复杂的维弧电路，因此该加工方法不仅所需的电源功率小、能耗低，而且设备投资和运行成本都很低，属经济型加工方法。

本发明的加工方法可以加工各种孔、平面、回转体等，特别适用于异形孔、面的加工。

本发明的加工方法可通过调整加工参数如工作电流、脉冲频率与宽度、轰击距离等控制加工过程，从而保证加工效率与质量。

本发明的加工对象几乎可以加工任何难加工材料，且不受材料导电性能的影响，特别适合于绝缘工程陶瓷材料的加工。

附图说明

图1为本发明的利用电极引弧微爆轰加工工程陶瓷的装置结构示意图；

图2为专用脉冲电源工作电路图；

图3为材料Si₃N₄陶瓷的实施例照片。

具体实施方法

本发明研制的利用电极引弧微爆轰加工工程陶瓷的方法及其装置结合附图及实施例进一步说明如下：

本发明的方法是利用电极引弧的瞬间产生的微爆炸轰击波对准陶瓷工件表面，在陶瓷工件表面冲蚀出直径约1-2mm、深度为0.01-1mm的圆形凹坑，随着微爆炸轰击波的脉冲控制发射和工作台承载工件相应速度的进给运动，实现对表面的去除加工。上述方法的具体实现步骤为：

在两电极间加载脉冲控制的工作电流，通过高频电火花引燃电弧的瞬间，随工作电流同时输入的压缩空气被电离，在所述两电极间产生微爆炸轰击波，将置于轰击波发射器正下方的工程陶瓷工件表面冲蚀出直径约1-2mm、深度为0.01-1mm的圆形凹坑。所述输入的工作电流可调范围为20-100A，输入压缩空气的调节范围为0.3-0.5MPa，轰击波发射器喷嘴距工程陶瓷工件距离可调范围为0-15mm，所述微爆炸轰击波一次输出的时间可调范围为0.05-0.1s，两次输出的中间间隔可调范围为3-10s，在两次微爆炸轰击波形成的间隔时间内，工程陶瓷工件以相应的速度(该速度与不同电参数条件下轰击形成的蚀坑直径成线性关系)作二维进给运动，所述的微爆炸轰击波陆续在该工件上冲蚀形成一个个间隔距离均匀密排分布的小凹坑，从而实现对工件表面的去除加工。

最后还可用普通树脂结合剂SiC砂轮磨削去除微爆炸轰击波冲蚀后陶瓷工件表面存在的变质层，以提高工件表面加工质量。

实现上述方法的装置组成如图1所示，主要包括空气压缩机1、专用脉冲电源2、数控三维工作台9、轰击波发射器5四部分。该四部分的连接关系为：空气压缩机1的输出的压缩空气3经专用脉冲电源的阴极电源导管4通入轰击波发射器5的内腔，专用脉冲电源的阴极经轰击波发射器的后端与发射器芯极10相连，专用脉冲电源阳极接轰击波发射器的喷嘴4；轰击波发射器竖直固定在数控三维工作台立柱上，轰击波发射器的喷嘴朝向数控三维工作台9的台面。待加工的陶瓷工件8放置在工作台上。

本发明的装置的工作原理为：空气压缩机1产生的压缩空气3随专用脉冲电源阴极电源导管4接入轰击波发射器5的内腔，专用脉冲电源工作时，高频振荡电流和工作电流同时施加在轰击波发射器的芯极10和喷嘴4之间，形成高频脉冲放电，对芯极和喷嘴之间的压缩空气进行电离并引爆电离后的等离子气形成轰击波，轰击波沿喷嘴冲出，冲击置于喷嘴下方、固定在工作台9上的Si₃N₄陶瓷工件8，瞬间即可冲蚀出一个圆形小坑7，由数控三维工作台带动工件做X和Y方向的运动，从而实现对工件表面的微爆轰加工。此外，数控三维工作台立轴带动轰击波发射器做Z方向的运动，可实现对喷嘴与工件间的距离进行合理调整，通过对蚀坑直径和深度的调整，进而对加工的质量和效率实现控制。

本发明的各组成部分的功能及实施例详细说明如下：

本实施例采用常州凯达电器设备有限公司生产的JG-100型等离子切割枪作为轰击波发射器，该轰击波发射器内，电源阴极连接装置内置放电电极即芯极，电极材料为铪丝，电源阳极连接装置喷嘴，喷嘴材料为黄铜，用其发射的轰击波加工工程陶瓷工件；采用中国北京京城豹压缩机械有限公司生产的V-0.17/8型空气压缩机提供压缩空气；采用中国深圳顺尚机械有限公司生产的ss-ks01型数控三维工作台承载工件。

本发明的核心设备是专用脉冲电源，该电源接入380V工频电，最大输出功率15KW，输出工作电流可通过电流调节端子i实现20～100A连续可调，该电路组成如图2所示，主要包括依次相连的脉冲控制模块I、滤波整流模块II、高频逆变模块III、高频振荡模块IV和工作电路模块V。

本实施例的脉冲控制模块I主要由主电路可复位开关K(采用无锡市昌林自动化科技有限公司生产的型号为：E-TEN 423-2的产品)、工作计时器t₁、间歇计时器t₂(采用深圳市飞扬电气有限公司生产的型号为：HB72的产品)和由t₁控制的电磁铁M(采用上海超诚电子科技有限公司生产的型号为：TAU-0738Z的产品)组成；其中，t₁与M的线圈绕组串联后与t₂并联，通过独立的低压直流电源实现控制。t₁、t₂时间可根据需要任意设定，同步信号s保证t₁、t₂计时工作交替进行，即t₁开始工作同时t₂停止工作；相反t₂开始工作同时t₁停止工作。当t₁工作时，与其连接的电磁铁M的线圈绕组电路接通，M产生磁性，吸引可复位控制开关K闭合，专用脉冲电源电路与380V工频电接通，专用脉冲电源进入工作状态；工作时间结束后，线圈绕组电路断开，M失去磁性，K复位，电路断开，专用脉冲电源进入待机状态，从而实现对输出工作直流电可调脉宽和频率的脉冲输出。

本实施例的滤波整流模块II主要由四个整流二极管(Z1、Z2、Z3、Z4)(采用漳州市路路电子有限公司生产的型号为：1N5408的产品)和高压电容C1(采用深圳市凯富利电子科技有限公司生产的型号为：MKP-LS的产品)组成。Z₁、Z₂和Z₃、Z₄先串联后并联，输入交流电的两端分别接在Z₁、Z₂和Z₃、Z₄的连接线上，形成桥式整流电路，然后通过并联的高压电容C₁实现滤波。该模块的功能是将输入的380V工频电进行整流、滤波，为高频逆变模块提供所需的平稳直流电。

本实施例的高频逆变模块III主要由IGBT功能模块(采用德国EUPEC公司生产的型号是BSM150GB120DN2的产品，参数为150A、1200V)和主变压器T(采用德国西门子公司生产的型号为：6QN1032-7AD的产品)组成。滤波整流模块II输出端分别接IGBT功能模块的正、负输入端口，IGBT功能模块输出的两端接主变压器T的输入线圈，经变压后的电路分为两路，一路与高频振荡模块IV的电路输入端相连，另一路与工作电路模块V的输入端相连。该高频逆变模块的功能是将从外电源接入并整流滤波后的直流电逆变成高频脉冲方波交流电，并通过变压器T对高频电压进行隔离、降压，以适用不同特性的负载需求。

高频振荡模块IV主要由高漏抗升压耦合变压器T’(采用广东东林电气设备有限公司生产的型号为：50VA—200KVA的产品)、高压电容C₃(采用深圳市凯富利电子科技有限公司生产的型号为：MKP-LS的产品)、电感L(耦合变压器T’的元件)和火花放电器P(自制件，主要由材料为钨、直径为4mm、间隔2-4mm的两圆柱形电极构成)所组成。其中L与C₃串联后与P并联接入主变压器T的输出端1形成振荡电路，且L与L’形成耦合变压器T’。该模块的功能是C₃和L组成LC振荡回路以产生高频，P实质上起开关作用。当火花放电器P未被击穿时，电路向电容C₃充电，当P两端电压达到火花放电器的击穿电压时，P被击穿，电容C₃进入振幅衰减的高频振荡放电的过程。随着振荡的衰减，LC振荡回路中的电流和电路输出的短路电流不足以维持火花放电，则火花放电器P停止放电，极间空气隙的绝缘恢复，B1又重新向电容C₃充电。

工作电路模块V主要由整流滤波元件组(Z₅、Z₆、Z₇、Z₈、C₂)(产地及型号同上述Z1、C1)、电感L’(耦合变压器T’的元件)和冲击波发射器D组成。三者彼此串联接入主变压器T的输出端2，工作时该工作电路模块中存在两种电流，一是经进一步整流滤波后输出的平稳的工作直流电，二是经电感L’提供的来自耦合变压器T’的感应振荡电流，二者共同作用于冲击波发射器D，以实现稳定引弧。

本实施例选用反应烧结Si₃N₄陶瓷材料作为加工对象。加工参数设定为：压缩空气压力P＝0.35MPa，工作电流I＝90A，冲击波发射器喷嘴距陶瓷工件表面距离H＝6mm，工作计时时间t₁＝0.1s，间隔计时时间t₂＝5s。测定一次轰击蚀坑直径为约r＝2mm，因此设定工作台进给速度为v＝r/t₂＝4×10^-4m/s。用以上设定参数控制的电极引弧微爆炸轰击波对Si₃N₄陶瓷工件的同一点进行多次轰击，可在厚度为5mm的薄板上打出直径大于2mm的通孔，如图3a所示；仅改变工作电流I＝50A，通过三维数控工作台二维进给运动，可在厚度为8mm的薄板上加工出深度为3mm的矩形槽和深度为2mm的工形槽，如图3b、3c所示。

本发明与已有技术的比较如下：

 

本发明加工激光加工电火花加工电熔爆加工等离子切割设备成本<1万元>10万元>5万元>10万元<1万元        运行成本  低  高  中  中  低        加工效率  中  高  低  高高被加工材料各种难加工材料各种难加工材料          以导电材料为主导电材料以导电材料为主加工类型孔、平面、回转体、异形曲面  孔、切割孔、平面、回转体、异形曲面  回转体、平面仅用于切割加工精度低中较高中低加工稳定性好好差中差参数可控性好好差好中