CN104668675B - 一种具有微锥塔阵列端面的电极及其加工方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有微锥塔阵列端面的电极及其加工方法与应用。电极包括相互连接的电极端头和配气导向杆；电极端头的放电端面上加工微锥塔阵列，多个微锥塔在电极端头的平面上纵横依次成排连接；其中微锥塔为微小的锥形结构，V形沟槽底部通过半径为1～5微米的过渡圆弧连接；微锥塔的底部之间均匀分布着通气孔；配气导向杆中部设有导向杆空腔，导向杆空腔与通气孔连通。本发明随着电极不断地向工件进给，阵列结构中每个微锥塔尖端都将产生电火花腐蚀，最终每个锥塔尖端都会在工件表面加工出微结构，该加工方法在一次加工行程中能形成多个微结构，加工效率大大提高，大大缩短加工时间，降低加工成本，适合于批量生产。

Description

一种具有微锥塔阵列端面的电极及其加工方法与应用
技术领域
本发明涉及一种电火花加工技术，具体涉及一种具有微锥塔阵列端面的电极及其加工方法与应用；该应用是应用该电极的脉冲气流辅助聚热排屑的微阵列放电加工方法，属于机械加工中的特种加工领域。
技术背景
由于在工件表面加工出微结构可以产生新的功能特性，如光学性能、湿润性、摩擦性能、散热性能等，可以提高工作***的性能，这些具有特定功能的工件一般采用模具注塑、冲压等方法加工。目前此类模具表面微结构常用的加工方法主要是刻蚀加工。刻蚀加工分为干法刻蚀和湿法刻蚀。湿法刻蚀虽然加工成本低，设备简单，但该加工方法钻刻严重、图形的控制性较差，并且会产生大量的化学废液；采用干法刻蚀虽然没有化学废液产生，易实现自动化加工，但其加工成本高，设备复杂。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术的缺点，提供具有微锥塔阵列端面的电极的脉冲气流辅助聚热排屑的微阵列放电加工方法，提高加工效率，降低成本，而且清洁无污染。
本发明首先在电极端面上加工出微锥塔阵列结构，运用电火花气中放电原理，使得电极端面上的微锥塔结构与工件表面产生电火花气中放电，在工件表面上形成微结构；在放电同时加以正向脉冲气流可以辅助聚热，以使电火花放电产生的热量更加集中，一次放电蚀除工件材料更多。一次脉冲放电结束后通入的反向气流可以辅助排屑，放电产生的碎屑更快排出，可以使后续脉冲的放电更容易进行，提高放电加工的效率和加工表面质量。
该方法所用电极端面微锥塔形貌为微小的锥形结构，锥塔角度为45～60度，高度为5～100微米，间距为5～100微米。气孔直径50μm>d>2μm，通气孔在微锥塔之间均匀分布。所使用的脉冲气流的通气频率和微放电脉冲电源频率相同，但气流脉冲比电源脉冲提前0.5～1微秒。在一次电火花放电周期内，电极与工件表面发生电火花放电时，电极与工件表面发生电火花放电时，通入的脉冲气流为正向，一次脉冲放电结束后，此时脉冲气流为反向。
本发明目的通过如下技术方案实现：
一种具有微锥塔阵列端面的电极，包括相互连接的电极端头和配气导向杆；所述电极端头的放电端面上加工微锥塔阵列，多个微锥塔在电极端头的平面上纵横依次成排连接；其中微锥塔为微小的锥形结构，锥塔角度为45～90度，高度为5～200微米，间距为5～200微米；微锥塔之间形成V形沟槽结构，V形沟槽底部通过半径为1～5微米的过渡圆弧连接；微锥塔的底部之间均匀分布着通气孔；配气导向杆中部设有导向杆空腔，导向杆空腔与通气孔连通。
优选地，所述通气孔为圆柱形，通气孔的直径为2～500微米。
所述电极端头和配气导向杆通过卡槽连接。
所述电极端头的材料为紫铜，黄铜或红铜。
所述放电端面的尺寸为2～50mm×2～50mm。
所述具有微锥塔阵列端面的电极的加工方法：采用高速旋转V形尖端金刚石砂轮，在放电端面上沿刀具轨迹在冷却液冷却下运动，每次进给深度为1～3微米，逐渐加工出V形沟槽阵列，在两个互相垂直方向加工出V形沟槽阵列组合形成微锥塔阵列；其中金刚石砂轮转速为2000～3000转/分，进给速度为0.1～0.2米/分，使用水冷却；具轨迹为电极端头的纵向或横向分别上间隔微锥塔和过渡圆弧宽度之和的往返折叠线。
应用所述具有微锥塔阵列端面的电极的脉冲气流辅助聚热排屑的微阵列放电加工方法：电极向工件方向进给，电极由电极端头和配气导向杆组成，导向杆的导向杆空腔与通气孔连通，电极端头加工的微锥塔阵列的微锥塔尖端产生电火花腐蚀，随着电极不断地向工件进给，每个微锥塔尖端都将产生电火花腐蚀，在进行微放电的时候，向电极的通气孔通入脉冲气流；微放电脉冲电源的开路电压为2～50V；所述脉冲气流的通气频率和微放电脉冲电源频率的频率都为300～1000Hz，脉冲气流比微放电脉冲电源的电源脉冲提前0.5‐1微秒，使得每次电火花放电时脉冲气流都能准时到达放电尖端；最终在工件表面加工出微结构阵列。
优选地，所述冷却液为水。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)在电极放电端面上加工出微锥塔阵列，随着具有微锥塔阵列的电极不断地向工件进给，阵列结构的每个微锥塔尖端都将产生电火花腐蚀，因此在一次加工行程中能形成多个微结构，大大提高了加工效率。
(2)应用时，微放电加工方法是以通入空气当作放电介质的一种气中放电的电火花加工方法，无需工作液，没有化学废液产生，减少污染物排放，是一种绿色环保型的加工方法。
(3)采用气中阵列结构微放电，与传统的刻蚀表面微结构加工方法相比，可以加工出尺寸更小，形状和位置精度更高的微结构。
(4)在脉冲气流辅助聚热下使得微锥塔尖端电火花放电更加集中，温度更加集中，***力更强，一次放电蚀除工件材料更多，加工效率更高。
(5)通入的反向脉冲气流可以将放电产生的碎屑排出，从而加快排屑，提高加工效率和加工表面质量。
附图说明
图1为具有微锥塔阵列端面的电极端面的微锥塔阵列加工示意图。
图2为脉冲气流辅助聚热微放电加工示意图。
图3为脉冲气流辅助聚热微放电加工局部示意图。
图4为脉冲气流辅助排屑局部示意图。
图5为实施例1所用紫铜电极端头扫描电镜图。
图6为实施例1电极在铝基碳化硅材料表面加工效果图。
图7为实施例2电极在钛合金圆柱块端面加工效果图。
图8为实施例3电极在模具钢表面加工效果图。
具体实施方式
为更好理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，但是本发明要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。
传统的电火花加工电极端面是平面的。本发明是在电极端面上加工具有微锥塔阵列的端面。如图1所示，电极端头1放电端面上加工微锥塔阵列2，多个微锥塔2在电极尖端平面上纵横依次成排分布；其中微锥塔2形貌为微小的锥形结构，锥塔角度为45～90度，高度为5～200微米，间距为5～200微米；微锥塔2之间形成V形沟槽结构，V形沟槽底部通过半径为1～5微米的过渡圆弧5连接，这样可以减少V形沟槽底部聚电，加强微锥塔尖端4放电效果。微锥塔2之间均匀分布着通气孔3，通气孔3优选为圆柱形，通气孔的直径d优选为2～500微米。
图1所示是具有微锥塔阵列端面的电极电火花放电的加工方法，其加工方法为：采用高速旋转V形尖端金刚石砂轮6，在电极端面上沿刀具轨迹7运动，每次进给深度a为1～3微米，逐渐加工出V形沟槽阵列，在两个互相垂直方向加工出V形沟槽阵列组合形成微锥塔阵列2；其中金刚石砂轮6转速为2000～3000转/分，进给速度为0.1～0.2米/分，使用水冷却；具轨迹7为电极端头1的纵向或横向分别上间隔微锥塔2和过渡圆弧5宽度之和的往返折叠线。
如图2所示，具有微锥塔阵列端面的电极包括电极端头1和配气导向杆10，通过卡槽使两部分连接，当电极需要更换的时候只需更换电极端头1部分，而不需要更换整个电极，从而降低加工成本。配气导向杆10中部设有导向杆空腔11，导向杆空腔11与通气孔5连通，在进行电火花加工时，气泵通过图2中的导向杆10的导向杆空腔11通入脉冲气流，所使用的脉冲气流8的通气频率和微放电脉冲电源频率(频率为300～1000Hz/s)相同，气流脉冲比电源脉冲提前0.5～1微秒，在每次电火花放电时脉冲气流8都能准时到达放电尖端。
如图3所示，当脉冲气流8为正向时，电极端头1上的微锥塔尖端4与工件12表面发生电火花9放电瞬时产生高温在脉冲气流辅助聚热下更加集中，达到辅助聚热的效果，使得***力更强，电火花放电更加集中，一次放电腐蚀工件材料更多。
如图4所示，当脉冲气流8为反向时，反向的脉冲气流8可以辅助排屑，放电产生的碎屑更快排出，可以使后续脉冲的放电更容易进行，提高放电加工的效率和加工表面质量。
实施例1
在CNC精密机床(SMRART B818)上采用直径150毫米的微细金刚石砂轮6，金刚石砂轮的粒度为3000目，结合剂为树脂，浓度为100％，金刚石砂轮V形尖端角度为60度，数控机床驱动金刚石砂轮6的V形尖端在紫铜电极端面1上沿垂直交叉的刀具轨迹7按箭头所指的方向运动，砂轮每次进给深度a为1微米，进给速度vf＝0.05m/min，砂轮转速N＝2000r/min，采用水作为冷却液，最终在2mm×2mm矩形紫铜电极端面上加工出高度为578微米、顶角为60度、间距667微米的锥塔阵列空间结构。
本实施例所用电极由电极端头(图5)和配气导向杆两部分组成。电极端头的材料为紫铜，长2mm、宽2mm、厚4mm的中空薄壁结构，壁厚0.5mm。电极端头的放电端面上加工有微锥塔阵列结构，微锥塔高度为578微米、顶角为60度，相邻两个微锥塔的间距为667微米，数量为9个。每四个相邻微锥塔连接处加工有一个通气孔，通气孔为圆柱直孔，直径为100微米，数量为4个。配气导向杆与电极端头连接在一起，配气导向杆的形状为圆柱形紫铜管，外径为1mm、内径为0.3mm。
将端面加工有微锥塔阵列结构的紫铜电极装夹在精密电火花机床(HANSPARK精密电火花成型机)上，工作液为煤油。所用电火花机床需要设定电压、电流、电源脉冲频率和进给深度，电流设定为1A，电压设定为130V，加工深度设定为50微米。电源频率设定为300Hz，气流脉冲与电源脉冲频率相同，但是气流脉冲比电源脉冲提前1微秒，使得在每次电火花放电时脉冲气流都能提前到达放电尖端。在一次电火花放电周期内，电极与工件表面发生电火花放电时，通入的脉冲气流为正向，一次脉冲放电结束后，此时脉冲气流变为反向。
本实施例加工的工件为长5毫米、宽5毫米、厚4毫米的铝基碳化硅结块。最终在铝基碳化硅结块表面加工出9个微坑。如图6为通过场发射扫描电镜拍摄的工件表面加工出的9个微阵列坑中的一个微坑的形貌图，从图6可以看出，放电加工出的微坑呈倒金字塔形状，微坑的形貌与放电电极端面上的微锥塔形状基本吻合。微坑的开口呈方形，长和宽皆为0.4毫米，深0.3毫米。铝基碳化硅复合材料作为一种新的结构材料，具有优良的导热性能，可以用作电子元件的散热模块，在其表面加工微阵列结构，可以增加散热面积，从而增强其散热性能。
实施例2
本实施例所用电极由电极端头(图5)和配气导向杆两部分组成。电极端头的材料为紫铜，长2mm、宽2mm、厚4mm的中空薄壁结构，壁厚0.5mm。电极端头的放电端面上加工有微锥塔阵列结构，微锥塔高度为428微米、锥塔相对的两侧面夹角为60度，锥塔顶部为圆弧，半径为150微米；相邻两个微锥塔的间距为667微米，数量为9个。每四个相邻微锥塔连接处加工有一个通气孔，通气孔为圆柱直孔，直径为100微米，数量为4个。配气导向杆与电极端头连接在一起，配气导向杆的形状为圆柱形紫铜管，外径为1mm、内径为0.3mm。
将电极装夹在精密电火花机床(HAN SPARK精密电火花成型机)上，工作液为煤油。所用电火花机床需要设定电压、电流、电源脉冲频率和进给深度，电流设定为1A，电压设定为80V，加工深度设定为300微米。电源频率设定为300Hz，气流脉冲与电源脉冲频率相同，但是气流脉冲比电源脉冲提前1微秒，使得在每次电火花放电时脉冲气流都能提前到达放电尖端。在一次电火花放电周期内，电极与工件表面发生电火花放电时，通入的脉冲气流为正向，一次脉冲放电结束后，此时脉冲气流变为反向。
本实施例加工的工件为直径50毫米，厚8毫米的钛合金圆柱块。钛合金圆柱块两个端面在放电加工之前已经处理成镜面，如图7所示为通过场发射扫描电镜放大80倍条件下拍得的加工效果图。从图7可以看出钛合金表面被加工出了9个微阵列坑，微坑的开口呈方形，长和宽皆为500微米，微坑的整体形貌呈倒金字塔形状。呈倒金字塔塔形状的微坑和电极端面微结构的形状基本吻合。钛合金具有强度高，耐腐蚀，耐热等优良的性能，常被用于制造航空机体等，在其表面加工出微阵列结构，可以增大雷达波与机体表面的接触面积，从而增大机体表面吸收雷达波的能力，进而提高航天器的隐形性能。
实施例3
本实施例3加工的工件材料为大同S-STAR镜面注塑模具钢，尺寸为长50毫米，宽50毫米，厚8毫米。利用本发明的加工方法在模具钢表面加工出微阵列结构来制作注塑模具的模芯。具有微阵列结构的模芯可以用于生产微光电零部件，比如具有特定光效的灯罩，灯杯以及高性能的导光板等。本实施例使用的电极端头的材料为紫铜，长2mm、宽2mm、厚4mm的中空薄壁结构，壁厚0.5mm。电极端头的放电端面上加工有微锥塔阵列结构，微锥塔高度为378微米、锥塔相对的两侧面夹角为60度，锥塔顶部为圆弧，半径为200微米；相邻两个微锥塔的间距为667微米，数量为9个。每四个相邻微锥塔连接处加工有一个通气孔，通气孔为圆柱直孔，直径为100微米，数量为4个。配气导向杆与电极端头连接在一起，配气导向杆的形状为圆柱形紫铜管，外径为1mm、内径为0.3mm。
将端面加工有微锥塔阵列结构的紫铜电极装夹在精密电火花机床(HANSPARK精密电火花成型机)上，工作液为煤油。所用电火花机床需要设定电压、电流、电源脉冲频率和进给深度，电流设定为1A，电压设定为130V，加工深度设定为50微米。电源频率设定为300Hz，气流脉冲与电源脉冲频率相同，但是气流脉冲比电源脉冲提前1微秒，使得在每次电火花放电时脉冲气流都能提前到达放电尖端。在一次电火花放电周期内，电极与工件表面发生电火花放电时，通入的脉冲气流为正向，一次脉冲放电结束后，此时脉冲气流变为反向。
图8为本实施例加工的工件通过场发射扫描电镜放大80倍拍得的图像，从图8可以看出模具钢表面被加工出了9个微阵列坑，微坑的开口呈方形，长和宽皆为600微米左右，微坑的整体形貌呈倒金字塔形状，微坑的底部有圆弧过渡。
本实施例使用实施例1使用过的电极，目的是为了在模具钢表面加工出底部具有圆弧过渡的微坑，由于电极的尖端在放电过程中会产生损耗，所以使用过的电极尖端会形成圆弧(如图5)。模芯表面的微阵列结构底部具有圆弧过渡时在注塑微光电零部件时更容易脱模。

Claims (5)

1.具有微锥塔阵列端面的电极的脉冲气流辅助聚热排屑的微阵列放电加工方法，其特征在于：电极向工件方向进给，电极由电极端头和配气导向杆组成，导向杆的导向杆空腔与通气孔连通，电极端头加工的微锥塔阵列的微锥塔尖端产生电火花腐蚀，随着电极不断地向工件进给，每个微锥塔尖端都将产生电火花腐蚀，在进行微放电的时候，向电极的通气孔通入脉冲气流；微放电脉冲电源的开路电压为2～50V；所述脉冲气流的通气频率和微放电脉冲电源频率的频率都为300～1000Hz，脉冲气流比微放电脉冲电源的电源脉冲提前0.5‐1微秒，使得每次电火花放电时脉冲气流都能准时到达放电尖端；最终在工件表面加工出微结构阵列；
所述具有微锥塔阵列端面的电极包括相互连接的电极端头和配气导向杆；所述电极端头的放电端面上加工微锥塔阵列，多个微锥塔在电极端头的平面上纵横依次成排连接；其中微锥塔为微小的锥形结构，锥塔角度为45～90度，高度为5～200微米，间距为5～200微米；微锥塔之间形成V形沟槽结构，V形沟槽底部通过半径为1～5微米的过渡圆弧连接；微锥塔的底部之间均匀分布通气孔；配气导向杆中部设有导向杆空腔，导向杆空腔与通气孔连通。
2.根据权利要求1所述的微阵列放电加工方法，其特征在于，所述通气孔为圆柱形，通气孔的直径为2～500微米。
3.根据权利要求1所述的微阵列放电加工方法，其特征在于，所述电极端头和配气导向杆通过卡槽连接。
4.根据权利要求1所述的微阵列放电加工方法，其特征在于：所述电极端头的材料为紫铜，黄铜或红铜。
5.根据权利要求1所述的微阵列放电加工方法，其特征在于：所述放电端面的尺寸为2～50mm×2～50mm。
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