專利名稱：一種非導(dǎo)電材料的電解電火花復(fù)合加工方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種非導(dǎo)電材料的加工方法及裝置，特別是關(guān)于一種非導(dǎo)電材料的電解電火花復(fù)合加工方法及裝置。
背景技術(shù)：
石英、玻璃和工程陶瓷等非導(dǎo)電材料具有耐磨、耐熱、耐腐蝕等性能，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于微機(jī)電系統(tǒng)、微流體系統(tǒng)、生物醫(yī)學(xué)及航空航天等領(lǐng)域。然而，這些材料通常具有硬脆性，而且不導(dǎo)電，所以很難用傳統(tǒng)的切削方法或常規(guī)的電火花加工技術(shù)進(jìn)行加工。其它加工方法如激光加工、超聲加工和金剛石砂輪磨削加工也各有弊端。近些年，非導(dǎo)電材料的電解電火花復(fù)合加工技術(shù)已經(jīng)成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。該技術(shù)利用導(dǎo)電的工具電極和電解液之間放電時(shí)產(chǎn)生的高溫來實(shí)現(xiàn)非導(dǎo)電材料的去除加工。加工時(shí)，工具電極和輔助電極均浸入電解液中(電解液通常為氫氧化鈉溶液、氯化鈉溶液或硝酸鈉溶液)，并分別連接電源的負(fù)極和正極。通電后，兩電極附近發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，其中，工具電極表面產(chǎn)生氣體薄膜，氣體薄膜使工具電極和電解液之間絕緣，繼而在電壓的作用下，工具電極表面和電解液之間發(fā)生放電，利用放電產(chǎn)生的高溫將非導(dǎo)電材料去除。該方法要求浸入電解液中的電極表面全部被氣體薄膜覆蓋，否則不能發(fā)生放電。但該方法存在一定的缺陷，一方面完整的氣體薄膜不容易產(chǎn)生，因?yàn)榻腚娊庖褐械碾姌O面積越大，越不容易產(chǎn)生完整的氣體薄膜；另一方面即使生成了完整的氣體薄膜，在實(shí)際的加工中也存在一定的問題，如在打孔和銑削加工中，只需要電極的底面或者靠近電極底面的部分參與加工，而如果生成了完整的氣體薄膜，那么浸入電解液中電極的整個(gè)表面都將發(fā)生放電，這就導(dǎo)致工件上不需要去除的部分被加工掉。由此可見，這種加工方法既分散了加工能量，使加工效率降低，又給控制加工精度帶來了困難。因此，為了提高該加工方法的加工效率和加工精度，需要對(duì)電極側(cè)壁進(jìn)行絕緣處理，使放電僅發(fā)生在實(shí)際參與加工的電極表面。目前，國內(nèi)外現(xiàn)有的電極側(cè)壁絕緣方法有氣相沉積法、浸潰提拉法、滴涂法、旋涂法和陽極微弧氧化法等。氣相沉積法利用化學(xué)氣相沉積技術(shù)(CVD)或物理氣相沉積技術(shù)(PVD)在電極側(cè)壁沉積一層絕緣材料，這種方法制作的絕緣層厚度可控且覆蓋均勻，但這種工藝制作環(huán)境溫度較高，要求電極材料和絕緣材料有相近的熱膨脹系數(shù)，成本較高。滴涂法是將電極端面朝上，豎直放置，在電極表面滴一滴經(jīng)稀釋過的瓷釉，當(dāng)瓷釉層變干后，電極端面與一個(gè)堅(jiān)固的平面進(jìn)行摩擦，然后利用電火花加工方法去除端面剩余的瓷釉層，使電極端面不被瓷釉層覆蓋，這種方法同樣存在工藝復(fù)雜，成本高的問題。浸潰提拉法和旋涂法使用的絕緣材料均是絕緣樹脂，絕緣樹脂耐高溫性能較差，隨著放電的進(jìn)行絕緣層很快被破壞。陽極微弧氧化法是利用陽極微弧氧化原理，以鋁合金作為工具電極，連接電源正極，在電解液中(通常為硅酸鈉溶液)進(jìn)行微弧氧化處理，在電極表面覆蓋一層氧化鋁陶瓷，去除底面絕緣層后，用該電極在電解電火花的電解液中加工非導(dǎo)電材料。由于該方法生成的絕緣膜會(huì)不可避免地存在孔隙， 而電解電火花加工過程中，工具電極附近的電解液通常具有較強(qiáng)的腐蝕性，電解電壓越大，腐蝕性越強(qiáng)，電解液由孔隙進(jìn)入絕緣膜層，會(huì)腐蝕鋁合金基體，導(dǎo)致絕緣膜脫落。在電解電火花加工中，電解液的濃度和加工電壓都較大，所以通電后絕緣膜層將迅速剝落而失效。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種能夠使電極側(cè)壁保持絕緣的非導(dǎo)電材料的電解電火花復(fù)合加工方法及裝置。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明米取以下技術(shù)方案:一種非導(dǎo)電材料的電解電火花復(fù)合加工方法，其包括以下步驟:1)設(shè)置一電解電火花復(fù)合加工裝置，該裝置包括一電源、一機(jī)床主軸、一夾持在機(jī)床主軸上的工具電極、一輔助電極、一盛有電解液的加工槽和一用來固定工件且放置在加工槽中的絕緣基座；電源的正極連接輔助電極，電源的負(fù)極通過機(jī)床主軸連接工具電極的一端；2)對(duì)工具電極進(jìn)行絕緣處理的過程，其包括以下步驟:①通過機(jī)床主軸將工具電極懸在電解液的液面以上，輔助電極置于電解液中；②通過電源給機(jī)床主軸和輔助電極之間施加直流或脈沖電壓；③機(jī)床主軸帶動(dòng)工具電極逐漸向下運(yùn)動(dòng)并使工具電極進(jìn)入電解液中在電化學(xué)反應(yīng)、電解電火花的共同作用下，電解液中的鋁離子以氧化鋁的形式迅速附著在工具電極表面，并形成一層絕緣膜；⑤隨著工具電極浸入電解液中深度的增加，覆蓋有絕緣膜的工具電極的長度增加至滿足加工需求；3)對(duì)工件進(jìn)行加工的過程，其包括以下步驟:①機(jī)床主軸帶動(dòng)經(jīng)絕緣處理后的工具電極運(yùn)動(dòng)到工件需要加工的位置；②機(jī)床主軸以恒定速度向下運(yùn)動(dòng)，并帶動(dòng)工具電極做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；③工具電極與工件接觸后，工具電極底面絕緣膜被迅速磨掉；④工具電極底面和電解液之間發(fā)生電解電火花放電現(xiàn)象，同時(shí)工具電極底面再次生成絕緣膜，而未與工件接觸的工具電極部分始終覆蓋有絕緣膜；⑤通過電解電火花放電作用，僅在工具電極底面生成氣體薄膜，工具電極側(cè)壁仍被絕緣膜覆蓋，利用火花放 電時(shí)的瞬間高溫和沖擊作用來實(shí)現(xiàn)對(duì)工件材料的去除，完成對(duì)工件的加工。所述步驟3)中，當(dāng)機(jī)床主軸帶動(dòng)工具電極始終以恒定速度向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的打孔加工。所述步驟3)中，當(dāng)機(jī)床主軸不僅帶動(dòng)工具電極以恒定速度向下運(yùn)動(dòng)，同時(shí)還帶動(dòng)工具電極平移時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的銑削加工。實(shí)現(xiàn)所述方法的一種非導(dǎo)電材料的電解電火花復(fù)合加工裝置，其特征在于:其包括一電源、一機(jī)床主軸、一夾持在所述機(jī)床主軸上的工具電極、一輔助電極、一盛有電解液的加工槽和一用來固定工件且放置在所述加工槽中的絕緣基座；所述電源的正極連接所述輔助電極，所述電源的負(fù)極通過所述機(jī)床主軸連接所述工具電極的一端。所述工具電極為圓柱形，材料為鈦合金。 所述輔助電極的材料為不銹鋼。所述絕緣基座的材料為氧化鋁陶瓷。所述電解液為硝酸鋁溶液。所述電源提供直流或脈沖電壓。本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn):1、本發(fā)明由于對(duì)非導(dǎo)電材料進(jìn)行打孔加工前先對(duì)工具電極進(jìn)行絕緣處理，在電化學(xué)反應(yīng)、電解電火花的共同作用下，使工具電極表面形成一層氧化鋁絕緣膜，在對(duì)工件進(jìn)行打孔加工的過程中，工具電極側(cè)壁保持絕緣，僅在工具電極與工件接觸的底面發(fā)生電解電火花放電，在電解電火花放電時(shí)的瞬間高溫和沖擊作用以及磨削的共同作用下，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件材料的去除，完成對(duì)工件的加工，因此本發(fā)明能夠集中加工能量、提高加工精度和加工效率。2、本發(fā)明由于對(duì)工具電極進(jìn)行絕緣處理時(shí)，在電化學(xué)反應(yīng)、電解電火花的共同作用下，工具電極表面形成了一層氧化鋁絕緣膜，因此本發(fā)明的工具電極具有良好的耐高溫和耐腐蝕的性能。3、本發(fā)明由于工具電極的絕緣處理工藝簡單，對(duì)工具電極的絕緣處理和對(duì)工件的加工可以在同一裝置中進(jìn)行，因此本發(fā)明能夠簡化設(shè)備、降低加工成本?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于非導(dǎo)電材料的打孔和銑削加工中。


圖1是本發(fā)明裝置對(duì)工具電極表面進(jìn)行絕緣處理的示意2是本發(fā)明裝置對(duì)工件進(jìn)行打孔加工的示意3是本發(fā)明裝置對(duì)工件進(jìn)行銑削加工的示意圖
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。如圖1所示，本發(fā)明的電解電火花復(fù)合加工裝置包括一提供直流或脈沖電壓的電源1、一機(jī)床主軸2、一夾持在機(jī)床主軸2上的工具電極3、一輔助電極4、一盛有電解液7的加工槽8和一用來固定工件5且放置在加工槽8中的絕緣基座6。電源I的正極連接輔助電極4的一端，電源I的負(fù)極通過機(jī)床主軸2連接工具電極3的一端。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，工具電極3為圓柱形,材料為鈦合金。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，輔助電極4的材料為不銹鋼。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，絕緣基座6的材料為氧化鋁陶瓷，電解液7為硝酸鋁溶液。如圖2所示，根據(jù)本發(fā)明提供的電解電火花復(fù)合加工裝置，本發(fā)明還提出了一種能夠使電極側(cè)壁保持絕緣的非導(dǎo)電材料的電解電火花復(fù)合加工方法，其包括對(duì)工具電極3進(jìn)行絕緣處理的過程以及對(duì)非導(dǎo)電材料進(jìn)行打孔加工的過程:1、對(duì)工具電極3進(jìn)行絕緣處理的過程，包括:I)通過機(jī)床主軸2將工具電極3懸在電解液7的液面以上，同時(shí)將輔助電極4置于電解液7中；2)電源I給機(jī)床主軸2和輔助電極4之間施加直流或脈沖電壓；3)機(jī)床主軸2帶動(dòng)工具電極3逐漸向下運(yùn)動(dòng)，使工具電極3進(jìn)入電解液7中；4)在電化學(xué)反應(yīng)、電解電火花的共同作用下，電解液7中的鋁離子以氧化鋁的形式迅速附著在工具電極3表面，在工具電極3表面形成一層絕緣膜；5)隨著工具電極3浸入電解液7中深度的增加，覆蓋有絕緣膜的工具電極3的長度增加至滿足加工需求。2、對(duì)工件5進(jìn)行打孔加工的過程，包括:I)機(jī)床主軸2帶動(dòng)經(jīng)絕緣處理后的工具電極3運(yùn)動(dòng)到工件5需要加工的位置；2)機(jī)床主軸2以恒定速度向下運(yùn)動(dòng)，并帶動(dòng)工具電極3做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；
3)工具電極3與工件5接觸后，工具電極3底面的絕緣膜被迅速磨掉；4)工具電極3底面與電解液7之間發(fā)生電解電火花放電現(xiàn)象，而未與工件5接觸的工具電極部分始終覆蓋有絕緣膜，不發(fā)生放電；5)通過電解電火花放電作用，在工具電極3底面生成氣體薄膜，利用電解電火花放電時(shí)的瞬間高溫和沖擊作用先在工件5表面加工出一個(gè)圓柱形孔，圓柱形孔的直徑大于工具電極3的直徑，隨著工具電極3的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來去除工件材料，由于工具電極3側(cè)壁與圓形孔側(cè)面之間存在側(cè)面間隙，因此工具電極3側(cè)壁仍被絕緣膜覆蓋，不發(fā)生放電；6)重復(fù)步驟1) 步驟5)，在放電和磨削的共同作用下，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件5材料的去除，完成對(duì)工件5的加工。如圖3所示，本發(fā)明中電極側(cè)壁絕緣方法制作的電極也適用于電解電火花銑削加工非導(dǎo)電材料，此時(shí)機(jī)床主軸2還同時(shí)帶動(dòng)工具電極3平移，工具電極3的軌跡與常規(guī)電火花加工類似，只要保證工具電極3底面和工件材料始終接觸即可實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的銑削加工。上述各實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明，其中各部件的結(jié)構(gòu)、連接方式和各實(shí)施步驟等都是可以有所變化的，凡是在本發(fā)明技術(shù)方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行的等同變換和改進(jìn)，均不應(yīng)排除在本發(fā)明的保 護(hù)范圍之外。
權(quán)利要求
1.一種非導(dǎo)電材料的電解電火花復(fù)合加工方法，其包括以下步驟: 1)設(shè)置一電解電火花復(fù)合加工裝置，該裝置包括一電源、一機(jī)床主軸、一夾持在機(jī)床主軸上的工具電極、一輔助電極、一盛有電解液的加工槽和一用來固定工件且放置在加工槽中的絕緣基座；電源的正極連接輔助電極，電源的負(fù)極通過機(jī)床主軸連接工具電極的一端; 2)對(duì)工具電極進(jìn)行絕緣處理的過程，其包括以下步驟: ①通過機(jī)床主軸將工具電極懸在電解液的液面以上，輔助電極置于電解液中； ②通過電源給機(jī)床主軸和輔助電極之間施加直流或脈沖電壓； ③機(jī)床主軸帶動(dòng)工具電極逐漸向下運(yùn)動(dòng)并使工具電極進(jìn)入電解液中； ④在電化學(xué)反應(yīng)、電解電火花的共同作用下，電解液中的鋁離子以氧化鋁的形式迅速附著在工具電極表面，并形成一層絕緣膜； ⑤隨著工具電極浸入電解液中深度的增加，覆蓋有絕緣膜的工具電極的長度增加至滿足加工需求； 3)對(duì)工件進(jìn)行加工的過程，其包括以下步驟: ①機(jī)床主軸帶動(dòng)經(jīng)絕緣處理后的工具電極運(yùn)動(dòng)到工件需要加工的位置； ②機(jī)床主軸以恒定速度向下運(yùn)動(dòng)，并帶動(dòng)工具電極做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)； ③工具電極與工件接觸后，工具電極 底面絕緣膜被迅速磨掉； ④工具電極底面和電解液之間發(fā)生電解電火花放電現(xiàn)象，同時(shí)工具電極底面再次生成絕緣膜，而未與工件接觸的工具電極部分始終覆蓋有絕緣膜； ⑤通過電解電火花放電作用，僅在工具電極底面生成氣體薄膜，工具電極側(cè)壁仍被絕緣膜覆蓋，利用火花放電時(shí)的瞬間高溫和沖擊作用來實(shí)現(xiàn)對(duì)工件材料的去除，完成對(duì)工件的加工。
2.如權(quán)利要求1所述的一種非導(dǎo)電材料的電解電火花復(fù)合加工方法，其特征在于:所述步驟3)中，當(dāng)機(jī)床主軸帶動(dòng)工具電極始終以恒定速度向下運(yùn)動(dòng)時(shí),實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的打孔加工。
3.如權(quán)利要求1 2任一項(xiàng)所述的一種非導(dǎo)電材料的電解電火花復(fù)合加工方法，其特征在于:所述步驟3)中，當(dāng)機(jī)床主軸不僅帶動(dòng)工具電極以恒定速度向下運(yùn)動(dòng)，同時(shí)還帶動(dòng)工具電極平移時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的銑削加工。
4.一種實(shí)現(xiàn)如權(quán)利要求1 3任一項(xiàng)所述方法的非導(dǎo)電材料的電解電火花復(fù)合加工裝置，其特征在于:其包括一電源、一機(jī)床主軸、一夾持在所述機(jī)床主軸上的工具電極、一輔助電極、一盛有電解液的加工槽和一用來固定工件且放置在所述加工槽中的絕緣基座；所述電源的正極連接所述輔助電極，所述電源的負(fù)極通過所述機(jī)床主軸連接所述工具電極的一端。
5.如權(quán)利要求4所述的一種非導(dǎo)電材料的電解電火花復(fù)合加工裝置，其特征在于:所述工具電極為圓柱形，材料為鈦合金。
6.如權(quán)利要求4 5任一項(xiàng)所述的一種非導(dǎo)電材料的電解電火花復(fù)合加工裝置,其特征在于:所述輔助電極的材料為不銹鋼。
7.如權(quán)利要求4 6任一項(xiàng)所述的一種非導(dǎo)電材料的電解電火花復(fù)合加工裝置,其特征在于:所述絕緣基座的材料為氧化鋁陶瓷。
8.如權(quán)利要求4 7任一項(xiàng)所述的一種非導(dǎo)電材料的電解電火花復(fù)合加工裝置,其特征在于:所述電解液為硝酸鋁溶液。
9.如權(quán)利要求4 8任一項(xiàng)所述的一種非導(dǎo)電材料的電解電火花復(fù)合加工裝置，其特征在于:所述電源提供直 流或脈沖電壓。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種非導(dǎo)電材料的電解電火花復(fù)合加工裝置及方法，其特征在于設(shè)置一種非導(dǎo)電材料的電解電火花復(fù)合加工裝置，其包括一電源、一機(jī)床主軸、一夾持在機(jī)床主軸上的工具電極、一輔助電極、一盛有電解液的加工槽和一用來固定工件且放置在加工槽中的絕緣基座；對(duì)工具電極進(jìn)行絕緣處理以及對(duì)非導(dǎo)電材料進(jìn)行打孔加工，在對(duì)工件進(jìn)行加工前，先通過電化學(xué)反應(yīng)和電解電火花的共同作用在工具電極表面形成一層氧化鋁絕緣膜；機(jī)床主軸帶動(dòng)經(jīng)絕緣處理后的工具電極運(yùn)動(dòng)到工件需要加工的位置；在工具電極底面與工件表面之間發(fā)生的放電和磨削的共同作用下，完成對(duì)工件的加工。本發(fā)明廣泛應(yīng)用于非導(dǎo)電材料的打孔和銑削加工中。
文檔編號(hào)B23H5/02GK103231133SQ201310166919
公開日2013年8月7日 申請(qǐng)日期2013年5月8日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月8日
發(fā)明者韓福柱, 王津, 陳偉 申請(qǐng)人:清華大學(xué)