電火花加工液體的製作方法
2023-06-28 13:51:01
專利名稱：電火花加工液體的製作方法
技術領域：
本發明一般涉及電火花加工(「EDM」)的液體，更具體地涉及精加工的EDM液體，該液體是將粉末摻和於液態電介質而生成的。
在電火花加工中，一般使用像油或水那樣的液態電介質作為EDM液體。使用將導電粉末或半導電粉末摻和於液態電介質而生成的EDM液體亦為人所知，使用與導電粉末摻混的液態電介質，利用通過導電粉末的放電來加工工件，有關該技術的申請敘述於下。
公布於1977年7月13日的日本專利公開52-26357號公開了將導電粉末加入到液態電介質中並依據所需的加工尺寸控制該粉末量的方法，液態電介質供入工具電極和工件間的縫隙中。所加入的導電粉末是將粒徑為5到10微米的金屬粉末或石墨粉末與像直徑為10到100埃的石墨和碳黑那樣的切削屑相混合而產生的。然後，混合而成的導電粉末與密度為0.05-15克/升的液態電介質相摻混。
公布於1980年7月23日的日本專利公開55-27810號公開了將能蒸發的(即具有高汽壓的)金屬粉末與供入切削縫隙間的液態電介質相摻混的方法。該金屬粉末在放電的高溫下容易蒸發，分散在液態電介質中的金屬蒸汽增加了導電性，由此利用施加的電壓脈衝易於引起放電。用作金屬粉末的是鎘、銦、鋅、鎂、錫、鉛和鉍。
公布於1980年10月16日的日本專利公開55-500783公開了液態電介質與體積含量為0.001%到1%，粒徑達到5微米的金屬粉末或石墨那樣的導電粉末相混合，可增加切削率，同時降低了電極的磨損率和改善了加工表面。
公布於1979年7月25日的日本專利公開54-20718號公開了一種電火花加工方法。在該方法中，主要包含導電粉末的粉末與液態電介質的混合物經攪和生成的膏體進入所需的切削縫隙中。用作導電粉末的是石墨、黃銅、鎢、銀鎢合金、銀、銅、銅鎢合金。膏體也可由攪和導電粉末和鐵酸鋇及高碳鋼組成的磁粉末與少量液態電介質的混合物而生成。
公布於1990年3月23日的日本專利公開2-83119號公開了利用放電形成工件表層的方法。在該方法中形成表層的材料以粉末狀加到工具電極與工件之間。EDM液體中含有20克/升的與液態電介質混和的矽，矽的粒徑平均為20到40微米。另外，還提出碳化鎢和硼化鋯那樣的半導體材料，及其他材料作為粉末材料。
本發明的一個目的是提供一種EDM液體以及一種電火花加工方法，根據該方法可作出精細的、非常光滑的工件表面。
本發明的另一個目的是提供一種EDM液體以及一種電火花加工方法，根據該方法，粉末均勻分布在液態電介質中，從而將工件加工成具有一致的、高加工精度的所需形狀，甚至在工具電極很大的情況下也是如此。
本發明的其他一些目的、優點和新穎性將部分陳述於下，且這些對熟悉本專業的技術人員來說，通過閱讀本說明書或實施本發明後將變得更為明白。可以從本發明所附屬權利要求書中實現或獲得本發明的目的與優點。
從總方面看，本發明提供一種由液態電介質和矽粉末的混合物組成的、改進的EDM液體。矽粉末主要含有多晶矽與少量的無機氧化物。粉末最好是以0.1%到5.0%的重量百分比含量提供的，粉末含量為液態電介質重量的0.2%到3.0%時為更佳。另外無機氧化物包括氧化矽、氧化鐵和/或氧化鈣，所提供的含量為矽重量的0.01%到10%，且矽的平均粒徑為0.1到100微米。
根據本發明，EDM液體是通過攪和粉末與可溶於液態電介質的液態攪和介質，製成一種液態濃縮物，並將溶液態濃縮物分散於液態電介質中而生產的。液態攪和介質最好包含油，這些油主要由攝氏15°時密度大於0.93克/毫升的芳香烴組成。
本發明的另一方面是提供使用工具電極進行放電來加工工件的EDM方法。其步驟為，將主要含有多晶矽與少量無機氧化物的矽粉末分散地混合於液態電介質中，而形成精加工用的EDM液體，所提供的粉末的含量為液態電介質重量的0.1%到5.0%，且在精加工過程中將這種精加工EDM液體供入工件與工具電極的加工縫隙中。
聯繫附圖，通過以下詳細描述將使本發明更為精晰，其中
圖1是表示加工後工件表面橫截面的顯微照片;
圖2是表示使用本發明的EDM液體進行加工後工件表面的橫截面的顯微照片;
圖3是表示加工前工件表面的俄歇電子能譜分析結果的能譜圖;
圖4是表示加工後工件表面的俄歇電子能譜分析結果的能譜圖;
圖5是表示使用本發明的EDM液體進行加工後的工件表面的俄歇電子能譜分析結果能譜圖;
圖6是表示加工後工件表面粗糙度的圖;
圖7是表示用本發明的EDM液體進行加工後工件表面粗糙度的圖。
本發明人已用實驗方法詳細研究了製成工業生產中需要精加工工件光滑表面的方法，充分利用了工件金屬結構的特性。本發明人發現分散於液態電介質中的特殊半導體粉末的成分能夠與其他成分(例如液態電介質中的成分和工件中的成分)發生作用，而形成具有所需金屬結構的工件的光滑表面。
本發明涉及實驗發現的現象，列於下文。
(a)儘管矽粉末被放電加熱熔化，但它不會粘於工件成為其表層。
(b)當使用加入了多晶矽粉末與少量其他具有特殊成分的粉末的液態電介質進行電火花加工時，α-鐵基材料的工件將形成具有矽及所加入的其他粉末中未包含的成分的合金表面。
(c)該合金是碳-鐵-矽合金，且具有該合金的α-鐵基材料的工件表面非常均勻。
(d)所形成的均勻的工件表面與某種物理操作無關，即與工具電極和工件之間的相互接近的移動無關。
於是，鑑於這些現象，發明人發現了本發明的EDM液體，其中多晶矽與少量無機氧化物粉末均勻地分散於液態電介質中。
矽可用來製備本發明的EDM液體的矽是多晶矽。就是說，雖然已知有非晶矽、多晶矽和單晶矽，但從實驗中篩選出多晶矽來形成光滑的工件表面。
然而所有矽粉不必全是多晶矽。已發現本發明的EDM液體，除多晶矽外，甚至包含少量的其他矽，如非晶矽及另外的矽時，仍能獲得所期望的優點。如果包含了其他矽，它們的含量最好不大於多晶矽重量的2%到3%。然而，某些情況時，它們的含量可大約為多晶矽重量的20%，這取決於電火花加工的條件。於是，所需多晶矽量要按大於矽粉末重量的80%來提供。
主要由多晶矽組成的矽粉分散在液態電介質中的粒徑與粒徑分布需滿足要求。如果粉末粒經過小，易發生絮凝和沉澱。若粒徑太大，則會擾亂加工過程的穩定或引起工具電極與工件之間的短路，對工件造成損壞。已發現0.01到100微米的平均粒徑是可取的。平均粒徑最好為0.1到80微米，因為通過研磨加工氧化的粒子表面而將削弱其導電性。更佳的平均粒徑為1.0到50微米。
在工業生產實際中，經研磨變細的粉末不便於分選。在這種情況下，考慮到粒徑分布，最好保證有1/3以上的粒徑大約為1.0到50微米的矽粉末最好佔1/3以上，以便使工件表面變得光滑。
無機氧化物無機氧化物可以是金屬元素氧化物或非金屬元素氧化物，它被用來製備本發明的EDM液體，形成具有碳-鐵-矽合金的鐵基工件表面。另外，無機氧化物可由一種或多種組成，它可與多晶矽一起，也可單獨組成粉末。
無機氧化物最好由氧化矽、氧化鐵和/或氧化鈣組成。這樣發現，若將少量的這種無機氧化物加到粉末中，則可在各種加工條件下獲得光滑的工件表面。
另外，允許用少量的無機氧化物。少量的意思是，當多晶矽與無機氧化物分散於液態電介質中，通過電火花加工工藝來完成上述工件表面時的有效量。具體地說，無機氧化物最好是主要成分為多晶矽的矽的重量的0.01%到10%。
液態電介質多晶矽與無機氧化物分散於其中的液態電介質可以是水基電介質，或是油基電介質。一般使用水或含有水溶性物質的水作為水基電介質，例如水溶性寡聚物和水溶性高聚物。而礦物油一般被用作油基電介質，且油溶性物質能溶解於礦物油。然而要獲得本發明的優點，最好由分子結構為若干碳原子的成份組成油。例如，使用芳香烴組成的油或加入了芳香烴的油。
製備EDM液體時，摻入液態電介質中的粉末的量最好是液態電介質重量的0.1%到5.0%，更好為0.2%到3.0%的重量百分成。只要製備EDM液態時採用了上述混合比例，就在本發明的範圍內，即使在加工過程中EDM液體供到工具電極和工件之間的切削縫隙，並且後一部分粉末在電火花工具機中沉澱的情況下仍是如此。
只要未削弱本發明的優點，任何添加劑，諸如加工效率促進劑、分散劑、再分散催化劑、抗氧化劑、防泡劑等都可加到EDM液體中。
分散方法可以使用任何方法在液態電介質中分散多晶矽與無物氧化物粉末。可以使用分散劑，例如表面活性劑。尤其是，環氧乙烷膠體分散劑就很有效。
本發明人已揭示了均勻分散粉末的先進方法。用該方法，粉末與溶於液態電介質的液態攪和介質靠剪切力被一起攪和而制出液體濃縮物，然後將該液體濃縮物溶解於液態電介質中。
將與液態攪和介質混合的一定量的粉末約佔全部重量的10%到80%，儘管粉末量取決於粒徑與粒徑分布。
雖然液態電介質可作為液態攪和介質，但當使用油基電介質時，主要組成為芳香烴的油為優先選擇，更佳選擇是主要組成為芳香烴的、在攝氏15°時密度為0.93克/毫升的、且運動粘度在攝氏40°時超過100釐沲的高密度油，因為它可防止由於相互粘結力的減弱引起的粉末沉澱。這樣，油電介質與油攪和介質的運動粘度完全不必是同一等級。
可以使用在剪切作用下攪和粉末與液態攪和介質的任何裝置。攪和設備是眾所周知的，一般用來處理高分子化合物和生產油漆和紙。例如，在處理高分子化合物時，使用的軋輥、攪和器、密封式混煉器和擠壓機具有利用二維或三維方向的高剪切力攪和高分子化合物的機理。
濃縮物是液體而不是膏體，甚至當使用上述高密度油時，儘管它的運動粘度取決於粉末含量，但它仍是液體。已發現當利用該濃縮物製備EDM液體時，粉末不會在液態電介質中形成團，從而節省了粉末材料，並且在加工過程中不會毫無意義地擴大切削縫隙。
電火花加工方法。
在應用一般用來精加工工件的EDM的條件下，使用本發明的EDM液體，可將工件表面做得非常光滑，並具有上述金屬成分。例如，下面給出有關精加工的加工電源的EDM條件。
極性工件作正極接通脈衝時間1到20微秒斷開脈衝時間2到80微秒電流值0.1到10安培(短路時)另外，對實現本發明方法的備有液體供給裝置EDM設備沒有限制。
例EDM液體使用下列粉末材料製備多晶矽95.5重量百分比(粒徑為1到80微米)二氧化矽(SiO2) 3.0重量百分比氧化鐵(Fe2O3) 1.0重量百分比氧化鈣(CaO2) 0.5重量百分比500克這種成份的粉末，20克環氧乙烷膠體分散劑、5克2，6雙特丁基(2，6-di-tert-butyl)加入攝氏40°時的運動粘度為930釐沲、攝氏15°時的密度為0.98克/毫升的500克芳香烴中製成濃縮物。它們在攝氏60°下通過攪動1小時漸漸混合。然後，該混合物被兩個轉速不同的軋輥攪和直到它成為均勻的濃縮物。該濃縮物是有流動性的液態物質。該液態濃縮物又被加到在攝氏40°時運動粘度為2釐沲的礦物油基電介質中，其重量百分比為該電介質的1%，並被攪動30分鐘，製備成EDM液體。
使用這種EDM液體，電火花加工在下列條件下完成。
電火花加工工具機型號SodickA35MARK21工具電極φ30mm工件材料SKD-61(日本工業標準)電氣情況極性工件為正極接通脈衝4微秒電流5安培(短路時)結果圖1是一張放大倍數為×1000的顯微照片，它示出了在與上例所使用EDM條件相同的情況下，使用同樣的礦物油基電介質，但未將粉末加到電介質中，對同樣的工件完成電火花加工時，工件表面的橫截面。然而，圖1中的工件表面所形成的層薄且不均勻。
圖2是一張放大倍數為×1000的顯微照片，它示出了上例中的精加工的工件表面的橫截面。圖2中的工件表面上形成的層相當精細，厚而光滑。
另外，工件表面的X射線分析按以下條件進行X射線源Rad-C系統陰極Cu(銅)
電壓50KV電流200mA測量條件時間常數1.0秒掃描範圍20到80級根據X射線分析，在加工以前，從工件上只檢測到α-鐵。而加工之後，從工件上檢測到α-鐵、γ-鐵和碳(C)-鐵(Fe)-矽(Si)合金。因此發現，由於熱交換工件表面的α-鐵部分已轉變為γ-鐵，以及在使用本發明的EDM液體時產生了碳-鐵-矽合金。另外，當產生這樣的合金時，如圖2所示，在工件表面形成精細的、厚而光滑的層。
另外，在加工前與加工後，工件的表面都用俄歇電子能譜分析法進行了分析。圖3示出了加工前工件表面的俄歇電子能譜分析的結果。圖3中，橫座標的零點表示工件的頂部表面，點「5」和點「10」分別表示5000埃和1000埃的表面深度。另外，縱座標表示元素的強度。如圖3所示，加工之前在工件的頂部表面檢測到相同量的鐵(Fe)、碳(C)、氟(O)和少量的鉻(Cr)、矽(Si)和鉬(Mo)。估計檢測到氧的原因可能是頂部表面復蓋了氧化物。但是，從表面的頂部到5000埃的表面深度，鐵(Fe)突然增加而碳(C)和氧(O)突然減少。
圖4示出了，用礦物油基電介質而未使用粉末進行加工之後工件表面的俄歇電子能譜分析的結果。可以判定碳(C)在加工過程中進入了工件。
圖5示出了，用本發明的EDM液體加工之後工件表面的俄歇電子能譜分析的結果。如圖5所示，這種加工之後，在工件表面的頂部檢測到大量的碳(C)和少量的鐵(Fe)。從表面的頂部到5000埃的表面深度範圍內，碳(C)突然減少，而鐵(Fe)突然增加，且矽(Si)相應增加。
圖6和圖7分別示出了在圖2和圖3中的顯微照片表示的所測到的工件表面粗糙度。參照圖6和7，發現用本發明的EDM液體精加工的工件表面非常光滑。
為了說明與解釋提出以上例子。這裡並不打算完全列舉本發明或將其限制於已公開的確切形式，很明顯，根據上述講解，許多修改與變化都是可能的。希望本發明的範圍由所附權利要求書限定。
權利要求
1.一種經改進的由液態電介質和矽與無機氧化物的粉末的混合物組成的EDM液體。所述粉末的量按所述液態電介質重量的0.1%到5.0%提供，所述矽的80%以上(重量百分比)為多晶矽。
2.權利要求1的EDM液體，其中所述無機氧化物包括氧化矽、氧化鐵和/或氧化鈣。
3.權利要求2的EDM液體，其中所述無機氧化物的量按所述矽的0.01%到10%(重量百分比)提供。
4.權利要求3的EDM液體，其中所述矽的平均粒徑為0.1到100微米。
5.權利要求2的EDM液體，所述EDM液體是通過攪和所述粉末與能溶於所述液態電介質的液態攪和介質，制出一種液態濃縮物，然後將所述液態濃縮物分散於所述液態電介質中而產生的。
6.權利要求5的EDM液體，其中所述液態攪和介質包括主要成份為攝氏15°時密度大於0.93克/毫升的芳香烴的油。
7.一種利用工具電極的放電來加工工件的EDM方法，其步驟包括用分散的方法將矽與無機氧化物粉末摻混於液態電介質而形成精加工EDM液體，所述粉末的量按所述液態電介質重量的0.1%到5.0%提供，多晶矽的重量佔所述矽的80%以上;以及在精加工過程中，將所述精加工EDM液體供入所述工件與所述工具電極之間的切削縫隙中。
8.權利要求7的方法，其中所述無機氧化物由氧化矽、氧化鐵和/或氧化鈣組成。
9.權利要求8的方法，其中所述無機氧化物的量按所述矽重量的0.01%到10%提供。
10.權利要求9的方法，其中所述矽的平均粒徑為0.1到100微米。
11.權利要求7的方法，其中所述摻混步驟包括，攪和所述粉末與可溶於所述液態電介質的液態攪和介質，而製成一種液態濃縮物，並將所述液態濃縮物分散於所述液態電介質中。
12.權利要求11的方法，其中所述液態攪和介質包括主要成分為攝氏15°時密度大於0.93克/毫升的芳香烴的油。
全文摘要
提供一種經改進的EDM液體，用於將工件表面製成含有碳-鐵-矽合金的光滑表面，該EDM液體由液態電介質以及多晶矽和少量無機氧化物粉末的混合物組成。該粉末的量是液態電介質重量的0.1％到5.0％。無機氧化物包括氧化矽、氧化鐵和/或氧化鈣。另外，將該粉末與主要成分為攝氏15°時密度在0.93克/毫升以上的油攪和，而生成一種濃縮物，將該濃縮物加到電介質中，並在其中均勻分散。
文檔編號B23H1/08GK1089198SQ9311968
公開日1994年7月13日 申請日期1993年11月1日 優先權日1992年11月2日
發明者高橋信之 申請人:索迪克株式會社