利用超聲振動的電火花研磨拋光方法及設備的製作方法

2023-06-01 12:01:06

專利名稱：利用超聲振動的電火花研磨拋光方法及設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種利用超聲振動的電火花研磨拋光方法及設備，屬於電火花加工領域，適用於碳鋼、合金鋼、硬質合金以及其它導電材料製作的模具研磨與拋光。
在模具製造中，研磨和拋光是主要的工序之一，目前，使用整體磨具或分散磨料的超聲波研磨拋光設備，縮短了研磨拋光工時，能使工件最終粗糙度降到Ra0.1μm以內。但是，超聲波加工對脆性材料有較高生產率，而對於韌性的金屬及其金合加工效率很低。為了提高研磨拋光粗糙表面的效率，利用超聲波振動的電火花研磨拋光方法和設備，用火花放電來蝕除金屬工作，達到研磨拋光的目的。目前電火花加工中利用超聲波振動的方法有以下三種1、工具電極與工件之間的放電由放電間隙伺服控制裝置來維持，工具電極的超聲頻振動僅起攪拌工作介質，促進排屑的作用。這種方法僅應用在微小孔電火花成型加工或電火花線切割加工中，對於成型加工，其加工電極要相似於所加工的形狀。
2、使工具電極超聲頻振動，周期地接觸工件，當電極與工件之間距離處於放電距離時，產生火花放電蝕除工件。這種方法當電極與工件接觸時，由於無短路控制將流過較大的短路電流，甚至會在工件表面產生燒傷的疵點。
3、採用超聲頻信號控制脈衝發生的調製電路，這可見發明專利申請87101455聚晶金剛石電火花超聲波複合加工設備，其加工方法是在工具與工件之間加入磨料，工具產生超聲頻振動，工具縮短時進行電火花放電，而在工具伸長時進行單純的超聲波加工。這種方法的特點是在每一個超聲頻振動周期T內，1/2T用於電火花加工，而在工具伸長時進行單純的超聲波加工。這種方法的特點是在每一個超聲頻振動周期T內，1/2T用於電火花加工，另1/2T進行單純的超聲波加工，可用於聚晶金剛石材料的加工。當被加工工件材料是韌性的金屬及其合金時，由於有一半時間是單純的超聲波加工，加工效率仍然很低。
本發明的目的是提供一種利用超聲振動，不用放電間隙伺服裝置，不在加工間隙添加磨料能對超聲振動周期T內因工具電極與工件接觸而產生的短路進行控制的高效率電火花研磨拋光方法和設備。
本發明的加工方法構思是第一步在工具電極與被加工工件之間構成的放電間隙內加入液體工作介質;第二步超聲換能器縮短時，使連接在超聲換能器上的工具電極離開工件形成放電間隙;第三步在上述工具與工件之間加入電火花放電脈衝，產生火花放電蝕除工件表面;第四步超聲換能器伸長時，使工具電極伸長並接近工件，工具與工件之間仍然加入電火花放電脈衝，繼續產生火花放電，使工件蝕除;第五步換能器伸長到使工具電極接觸工件產生短路時，停止輸出電火花放電脈衝，上述第二步至第五步循環反覆進行以達到提高電火花研磨拋光效率的目的。
本發明的加工方法採用以下的方式實施，超聲發生器輸出的超聲頻電振蕩通過換能器轉換為超聲頻機械振動，使連接其上的工具產生伸長和縮短，同時用超聲發生器輸出的超聲頻信號控制短路控制器，產生短路控制信號，使電火花脈衝發生器在大於二分之一超聲頻周期的時間內輸出脈衝，而在工具和工件短路時停止輸出脈衝。
本發明的設備方案是由超聲頻振蕩器、緩衝器、超聲功率放大器、阻抗匹配器、調諧迴路、超聲換能器、變幅杆和工具電極組成超聲波發生器和超聲頻振動系統;由主振級、脈衝波形合成器、脈衝控制器、脈衝前置放大器和脈衝功率放大器組成電火花脈衝發生器;脈衝控制器的輸入端連接有一個能使放電脈衝在大於12超聲波振動周期內輸出，而在工具電極和工件相接觸瞬間停止的短路控制器。
本發明實施例結合附圖加以進一步說明。


圖1為本發明設備的原理方框圖;
圖2為第一種短路控制器組成框圖;
圖3為第一種短路控制器的信號波形圖;
圖4為第二種短路控制器電路原理圖;
圖5為第二種短路控制器信號波形圖;
圖6為脈衝功率放大器電路原理圖。
由圖1所示，超聲頻振蕩器1產生中心頻率為20KHz至40KHz之間的電振蕩，經緩衝器2、超聲功率放大器3、阻抗匹配器4和調諧迴路5加到超聲換能器6上，使超聲頻電振蕩轉換成相同頻率的機械振動。再經變幅杆7放大振幅後推動工具電極8振動，同時，脈衝發生器的主振級10產生頻率為100KHz至KHz的脈衝，經脈衝波形合成器11變換成同頻率的脈寬為0.2μs至4.0μs的窄脈衝，然後通過脈衝控制器12輸出受控的成組窄脈衝，經脈衝前置放大器13和脈衝功率放大器14向由工具電極8和被加工工件15組成的放電間隙輸出放電脈衝。同時，由阻抗匹配器4或調諧迴路5輸出的超聲頻振動信號經短路控制器9變換成與超聲頻振動同步的控制信號，以此信號控制脈衝控制器12，使放電脈衝在大於1/2T的時間內輸出，而在電極與工件接觸的瞬間停止輸出，從而既提高了電火花研磨拋光的效率，又防止了出現短路電流。超聲波發生器可以是自激式，也可以是他激式。發生器的頻率可以採取手動調節，也可以是自動跟蹤。本發明採取頻率自動跟蹤的他激式超聲波發生器，輸出功率為10-50W。
圖2所示，第一種方案的短路控制器9由兩級延時單穩電路16、17連接而成，由阻抗匹配器4輸出的超聲頻方形波周期T控制短路控制器，使短路控制器9輸出的控制信號的發生時間和寬度與周期T相對應，以此信號控制脈衝控制器12。圖3為其波形圖，由阻抗匹配器4輸出的信號Vin經延時單穩電路16延時時間t1，並使t1滿足0＜t1＜ 1/4 T，得到信號V1，信號V1再經延時單穩電路17延時時間to，並使to滿足 1/4 T-t1＜t0＜ (T)/2 -t1得到控制信號Vo，由Vo來控制脈衝控制器12，使在to時間內停止輸出放電脈衝。適當選擇延時時間t1和to，就能使工具電極與工件接觸瞬時正是在to時間內，避免了在工具電極和工件之間流過短路電流，而且只要t1＞0，就能使t0＜ (T)/2 ，也即實現在大於1/2T的時間內輸出放電脈衝。
圖4所示的第二種方案短路控制器9由二極體D1，電阻R1、電容C1構成的峰值測量迴路、R2和R3組成的分壓電路，輸出電阻R4及電壓比較器IC組成，輸入電阻R4與IC的反相端連接，峰值測量迴路經R2和R3的分壓電路與IC同相端連接，由調諧迴路5輸出的超聲基波Vin的幅值控制短路控制器，使短路控制器輸出的控制信號的發生時間和寬度與超聲頻基波的幅值相對應，以此信號來控制脈衝控制器12。圖5為其波形圖。調諧迴路5輸出的正弦波電壓Vin經二極體D1、電阻R1、和電容C1構成的峰值測量迴路得到Vin的峰值電壓，再經R2、R3分壓取得V1作為比較電壓輸入電壓比較器IC同相端，電壓Vin還經電阻R4輸入到IC的反相端。當反相端的輸入電壓低於V1時，電壓比較器IC輸出Vo為高電平，控制脈衝控制器12使放電脈衝輸出。當反相端輸入電壓高於V1時，IC輸出Vo為低電平，使放電脈衝停止輸出。根據上述原理，工具電極與工件接觸的瞬時，必定發生在低電平時間t0內。調節電阻R2，改變比較電壓V1值，使滿足t0＜ 1/2 T，即可實現以超聲基波幅值控制短路控制器，使電火花脈衝發生器在大於1/2T的時間內輸出放電脈衝。
脈衝功率放大器由圖6所示，圖中FET為MOS功率管，該功率管工作在線性放大區，具有恆流特性。R5為源極負反饋電阻。電阻R6和電容C2組成阻容吸收回路。電阻R7和二極體D2組成放電間隙負波吸收回路。E為脈衝功率放大器的直流電源，其電壓在30V-40V之間。由於本發明採用的功率放大器工作在線性放大區，具有恆流特性，並採用低電壓直流電源，同現有技術中採用的高電壓的集電極或漏極輸出迴路，或者射極或源極輸出迴路相比，明顯地提高了功率放大器的效率，降低了對功率管的耐壓要求，改善了加工性能和工作可靠性、操作安全性。特別是當某種偶然因素造成工具電極與工件短路時，其短路電流的峰值也與正常工作時的脈衝電流值相當，進一步防止了因短路電流產生的表面缺陷，提高了表面加工質量。
本發明與現有技術相比具有以下優點1、短路控制器有效地防止了短路電流的產生，因此不需要採用火花間隙伺服控制系統，就能穩定地進行電火花加工，防止工作表面燒傷，使本發明既可可用於機械操作的研磨拋光設備，也可用於手工操作的研磨拋光設備。
2、由於採用了短路控制器，實現了在大於二分之一超聲頻振動周期T的時間內進行電火花加工，即在超聲換能縮短和伸長的時候均可進行電火花研磨，因而研磨淬火鋼的效率比只在超聲換能器縮短時才能加工提高了工效三分之一以上，並且加工區域內不必添加昂貴的金剛石磨料。比現有超聲波拋光機使用金剛石整體工具的研磨效率高一至二倍，所以對於難以用超聲波研磨的高硬度、韌性的金屬工件加工非常有利。
3、由於不必添加磨料，在電規準轉換時無須清洗工件，研磨複雜型腔、窄槽、深孔等型而更為方便。
4、可以採用黃銅等導電材料製作的簡單形狀的工具電極來加工複雜型面，工具電極製作和修正極為容易，而且電極的損耗對加工清度影響很小，可以研磨寬1mm深30mm以上窄槽。
5、電火花研磨後再利用該設備現有超聲波發生器和振動系統，使用簡單形狀的工具進行單純超聲波研磨，能迅速地使粗糙度降低到Ra0.1μm以內。
權利要求
1.一種利用超聲振動的電火花研磨拋光方法，其步驟是(1)在工具電極與被加工工件之間構成的放電間隙內加入液體工作介質；(2)超聲換能器縮短時，使連接在超聲換能器上的工具電極離開工件形成放電間隙；(3)在上述工件與工具之間加入電火花放電脈衝，產生火花放電蝕除工件表面；(4)超聲換能器伸長時，使工具電極伸長並接近工件，工具與工件之間仍然加入電火花放電脈衝，繼續產生火花放電，使工件蝕除；(5)換能器伸長到使工具電極接觸工件產生短路時，停止輸出電火花放電脈衝；(6)循環反覆上述2-5的步驟。
2.一種利用超聲振動的電火花研磨拋光設備，它包括由超聲頻振蕩器1，緩衝器2、超聲功率放大器3、阻抗匹配器4、調諧迴路5、超聲換能器6、變幅杆7和工具電極8組成超聲波發生器和超聲頻振動系統;由主振級10、脈衝波形合成器11、脈衝控制器12、脈衝前置放大器13和脈衝功率放大器14組成電火花脈衝發生器;脈衝控制器12的輸入端連接有一個能使放電脈衝在大於1/2超聲波振動周期內輸出，而在工具電極與工件相接觸瞬間停止輸出的短路控制器9。
3.根據權利要求2所述的利用超聲振動的電火花研磨拋光設備，其特徵在於，用超聲頻信號的周期T控制短路控制器9產生短路控制信號。
4.根據權利要求2所述的利用超聲振動的電火花研磨拋光設備，其特徵在於，由超聲頻信號的基波幅值控制短路控制器9產生短路控制信號。
5.根據權利要求2所述的利用超聲振動的電火花研磨拋光設備，其特徵在於，短路控制器由兩級延時單穩電路連接而成。
6.根據權利要求2所述的利用超聲振動的電火花研磨拋光設備，其特徵在於，由二極體D1、電阻R1和電容C1組成的峰值測量迴路經電阻R2和R3的分壓電路與電壓比較器IC的同相端連接，由輸入電阻R4與電壓比較器IC的反相端連接，組成一個短路控制器。
7.根據權利要求2所述的利用超聲振動的電火花研磨拋光設備，其特徵在於，脈衝功率放大器採用工作在線性放大區的MOS功率管，R5為源極反饋電阻，電阻R6和電容C2組成阻容吸收回路，電阻R7和二極體D2組成放電間隙負波吸收回路，直流電源電壓選用在30-40V之間。
8.根據權利要求2所述的利用超聲振動的電火花研磨拋光設備，其特徵在於，超聲波發生器的頻率在20KHz-40KHz之間，輸出功率為10-50W。
9.根據權利要求2所述的利用超聲振動的電火花研磨拋光設備，其特徵在於，脈衝發生器主振級產生頻率為100KHZ至200KHZ的脈衝，經脈衝波形合成器變換成同頻率的脈寬為0.2μSk至4.0μS的窄脈衝。
全文摘要
本發明涉及利用超聲振動的電火花研磨拋光方法及設備，它是利用超聲換能器伸長縮短時進行電火花加工，而只在工具與工件短路瞬時停止加工的方法。本發明設備包括低壓恆流窄脈寬脈衝發生器、超聲波發生器和短路控制器、利用超聲波信號的周期或幅值使短路控制信號只在電極與工件接觸瞬間停止脈衝，因此，提高了工效，防止了短路，改善了工件表面質量，可廣泛用於由碳鋼、合金鋼、硬質合金等導電材料製作的模具的研磨拋光。
文檔編號B24B1/04GK1054927SQ9110736
公開日1991年10月2日 申請日期1991年4月13日 優先權日1991年4月13日
發明者陳鍾燮, 許亦先 申請人:機械電子工業部蘇州電加工工具機研究所