[发明专利]充气加压电化学放电加工装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及制造技术中的特种加工领域，特指一种充气加压电化学放电加工装置及方法，可用于加工绝缘硬脆类材料。

背景技术

以玻璃为代表的绝缘硬脆材料，具有高硬度、耐化学腐蚀、透明和良好的生物相容性等优良属性。目前针对这些材料的加工方法有激光加工、化学刻蚀、超声加工、电化学放电加工等。激光加工很难加工玻璃等透明材料。化学刻蚀加工过程工艺复杂，腐蚀速率低。超声加工过程中由于机械力的作用容易导致被加工材料出现裂纹。电化学放电加工方法效率相对较高、装置简单、成本低、加工柔性好，对绝缘硬脆材料是一种有效的加工方法。

电化学放电加工是利用工具电极表面发生电化学反应形成气膜层，使电极与溶液之间短期绝缘；当工具电极和工作液之间电位差不断增大至击穿气膜的放电电压时，发生火花放电，所产生的瞬间高温和冲击波作用于玻璃类绝缘材料表面，使材料被热蚀去除。

电化学放电加工的关键在于形成稳定且致密的气膜层，气膜层不稳定会影响加工精度和加工表面质量。在现有关于电化学放电加工气膜层的研究中，专利号为CN 102528187 A的中国发明专利公开了一种“倒置式电化学放电加工方法及装置”，该方法将工具电极安装在工件的下方，电解反应产生的气泡会富集在电极端部周围，形成稳定的气膜，从而增加电化学放电加工的稳定性和加工深度，但易造成电极顶端的气液分离，使侧面放电显著，且气膜层厚度会随孔深增大。专利号为CN 103920952 A的中国发明专利提出了一种“变厚度电化学放电线切割加工装置”，该方法通过控制浸入电解液的走丝长度适应不同厚度的工件，减少了非加工区域产生气泡带来的无效工具损耗。哈工大郭永丰教授等（非导电材料的电化学电火花复合加工工艺研究[J]. 机械工艺师2000.2)研究了采用管形电极进行物理充气对电化学放电加工的影响。实验结果表明，物理充气可以替代部分需靠电化学反应产生的气体,加快气膜层的形成，减少加工中的电化学反应,提高火花放电率，但管型电极尺寸相对较大，且气膜层厚度受气体流量影响而不稳定。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述的缺点，实现快速生成致密且厚度可控制的气膜层，提供了一种充气加压电化学放电加工装置及方法。

本发明的技术方案工作机理为：通过供气系统向密闭工作腔中充入不与氢气和氧气反应的惰性气体氦气，以增大并控制工作腔内的压强。压强增大使得气泡体积减小，降低了气泡浮力，同时大的压强增大了气泡对电极的正压力，使得气泡与电极间的黏附力增大。气泡浮力减小和黏附力增大均使其更容易在电极附近驻留而加快气膜层的形成。气膜层的快速形成可减少电化学反应时间，降低了无效电极损耗。压强的提高还使气膜层组织更致密，使得放电加工时气层不易溃散，提高了气膜层稳定性，提高了加工精度和加工表面质量。加大压强可将电解液迫入深孔或深槽内，从而解决深槽深孔尤其是细小孔的难加工问题；通过调节压强大小可控制气膜层的厚度，压强越大，则气膜层越薄，反之亦反。放电加工半径与工具电极半径和气膜层厚度相关，气膜层厚度越小越稳定，放电加工半径变化则越小，故可通过控制气膜厚度得到所需的放电加工半径和加工精度：气膜层越厚，则击穿电压和放电加工半径越大，加工精度越低，反之，气膜层越薄，则击穿电压和放电加工半径越小，加工精度越高。粗加工时调节较小的压强以获得厚的气膜层，提高加工效率，反之，精加工则应采用大的压强。为此，本发明构建气压反馈和供气系统，由气压传感器实时检测工作腔内的压强，数据采集卡采集气压传感器采集的数据并上传计算机，由计算机进行分析比较并控制双向微量泵供气。通过微量泵供气和气压反馈来控制工作腔内的压强，间接控制气膜层的厚度，从而控制放电加工半径和加工表面质量。此外，本发明还构建力反馈和工具电极运动系统，由力传感器实时检测工具电极和工件之间的接触力，数据采集卡采集数据并上传计算机，由计算机进行分析比较并控制X-Y-Z三坐标数控平台Z轴进给以保障加工间隙。

为了实现本发明的技术目的，本发明提供的一种充气加压电化学放电加工装置的技术方案为：该装置包括工作腔和双向微量泵，所述双向微量泵连接在所述工作腔上；所述工作腔底部安装有工作台，所述工作腔顶部安装有X-Y-Z三坐标数控平台，所述X-Y-Z三坐标数控平台通过力传感器与工具电极连接；所述工作腔内还安装有气压传感器和辅助电极，所述辅助电极和所述工具电极与可调脉冲电源连接。

上述方案中，所述力传感器和所述气压传感器与数据采集卡连接，所述数据采集卡、所述X-Y-Z三坐标数控平台、所述可调脉冲电源和所述双向微量泵均与计算机连接。