专利名称：放电加工方法和设备的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及一种用于控制放电加工设备的方法以及这种放电加工设备。
背景技术：
—般地，在已知的放电加工中，在充满加工流体或液体电介质(例如，油)的加工间隙上以离散电脉冲的形式施加电能。离散电脉冲导致工具电极与工件之间的连续放电。工具电极与工件之间的窄空间限定了加工间隙，也被称作工作间隙。放电导致从工件的材料移除，并且另外导致工具电极的磨损。典型地，随着材料移除继续进行，工具电极通过伺服进给装置相对于工件前进。根据瞬时过程条件，连续控制加工间隙距离。将表示当前工作间隙距离的信号(例如，点火延迟和/或平均电压)与表示期望工作间隙距离的值(参考值)进行比较，并计算这些值之间的结果产生的误差，以生成针对驱动电动机的新命令值，以便调整正确的工作间隙距离。这样，对工件和电极的相对位置的控制允许创建连续材料移除放电。材料移除和放电导致电介质和气体的腐蚀碎片、过程副产物、热分解产物对加工间隙区的污染。已知通过利用新鲜的加工流体冲刷加工间隙区并通过将工具电极循环地收缩离开工件来移除这种污染。从US 4，288，675 A中已知，使用(放电)脉冲串(每个脉冲串由多个加工脉冲构成)，以及改变连续脉冲串的持续时间和/或不工作时间(off-time)，以减少电极磨损。每个单个脉冲的脉冲持续时间和脉冲串的每个单个脉冲之间的不工作时间是在加工之前预置的，并取决于例如电极材料。根据所检测到的、工具电极的相对前进移动的速率，在加工期间调整脉冲串的持续时间或工作时间(on-time)和/或连续脉冲串之间的不工作时间，以将沿加工表面的电流密度维持基本上恒定在期望值，而不管在工具电极的相对前进移动期间加工区域中的改变。从US 4, 503, 309 A中已知，在脉冲串中间断地使用增大的电流脉冲，以实现期望电流密度并提高过程稳定性。如所述，典型地，工具电极易于磨损。从US 3，558，842 A中已知，保护膜在放电加工过程中在具体条件下形成在工具电极上。保护膜例如由工作液体的产物形成和/或由因加工间隙上的放电而产生的产物形成。保护膜的形成可以用于保护工具电极，并且从而减少其磨损。例如，可在http://www.gfac.com/fileadmin/user_upload/dev-agiecharmilles/News/Result_today_4/Results_today_04_E_articlell.pdf 处下载的文章“Zero wear - The“Perpetuum Mobile” of die-sinking EDM”在第28页描述了一种放电加工，其中，在刻模(die-sinking) EDM中使用石墨电极。石墨不会熔化,但它会升华。根据该文献，EDM过程一开始，所移除的材料就与分解产物一起从含碳电介质漂移至石墨电极。通过在该过程期间控制温度的降低，碳沉淀到电极表面上。从而，在电极上形成保护原始电极的层。对EDM过程进行控制，使得该层在电极上的生长和由放电脉冲导致的发生在保护层上的磨损处于平衡。因此，可以减少电极的磨损。然而，特别是在中加工和微加工中卿，例如，在中尺度(瞬时电极表面积10 mm2至I mm2)中以及在微尺度(瞬时电极表面积处于I mm2至0.010 mm2之间或更小，或者在电极上的最小尺寸低于I mm)中)，对于上述加工过程，电极磨损也是可观的。瞬时电极表面被定义为其上出现放电(火花)的电极表面的投影表面积，并且，工具电极的最小尺寸可以指代电极的结构，例如肋状物，其中，肋状物的厚度低于I mm (不考虑肋状物的长度和宽度)。因此，本发明的目的是提供用于控制EDM过程的改进方法(特别用于中-微加工)和改进的放电加工设备(特别用于中-微加工)。
发明内容
根据第一方面，本发明提供了一种控制至少具有工具电极和工件的放电加工设备的方法，所述方法包括以下步骤:相对于所述工件定位所述工具电极；生成至少一个第一类型放电脉冲和至少一个第二类型放电脉冲，其中，所述至少一个第一类型放电脉冲具有比所述至少一个第二类型放电脉冲的脉冲持续时间更长的脉冲持续时间，并且其中，所述第一类型放电脉冲导致在所述工具电极上形成对抗磨损的保护膜，并且所述第二类型放电脉冲导致至少在所述工具电极上的腐蚀；针对从所述工件的材料移除，将所述第一类型放电脉冲和所述第二类型放电脉冲应用于所述工具电极与所述工件之间的间隙，其中，对所述工具电极应用的所述第一类型放电脉冲与所述第二类型放电脉冲之间的比率被定义为使得导致所述工具电极的预定义磨损。根据第二方面，本发明提供了一种放电加工设备，包括:工具电极；工作台，用于接纳工件；脉冲发生器，用于生成放电脉冲；以及控制器，用于控制所述放电加工设备，其中，所述控制器适于执行根据前述权利要求中任一项所述的方法。在从属权利要求、附图的以下描述中阐述了本发明的其他方面。
关于附图，以示例的方式解释本发明的实施例，在附图中:
图1示出了根据本发明的刻模放电加工设备的实施例；
图2a至2f示出了根据本发明的脉冲串的不同实施例；
图3a和3b示意了具有根据第一组的长放电脉冲和根据第二组的短放电脉冲的实施例，其中，这些脉冲具有增大斜坡部分；
图4 出了具有不同初始电流、最终电流和路径的脉冲的另一实施例；
图5a示出了描绘对于给定表面积、每脉冲的电流和其他过程参数、针对不同脉冲类型(初始电流、最终电流和电流上升的路径)、正面(frontal)磨损值相对于脉冲持续时间的曲线 图5b示出了描绘对于给定表面积、每脉冲的电流和其他过程参数、针对不同脉冲类型(初始电流、最终电流和电流上升的路径)、侧面磨损值相对于脉冲持续时间的曲线 图6a至6c示出了根据本发明的用于形成脉冲串的属于第一组的长放电脉冲和属于第二组的短放电脉冲的不同序列；
图7示出了根据本发明的两个连续脉冲串的序列；以及 图8a和8b示出了将长放电脉冲与短放电脉冲的比率保持恒定的实施例。
具体实施例方式图1示意了根据本发明的刻模放电加工设备I的实施例。然而，在进一步继续图1的详细描述之前，将讨论几个一般项目。如在开头已经描述的那样，在放电加工中，在充满加工流体或液体电介质(例如，油)的加工间隙上以离散电脉冲的形式应用电能。离散电脉冲导致工具电极与工件之间连续放电。工具电极与工件之间的窄空间限定了加工间隙或工作间隙。放电导致从工件的材料移除，并且另外导致工具电极的磨损。典型地，随着材料移除继续进行，工具电极通过伺服进给装置相对于工件前进。根据瞬时过程条件，连续控制加工间隙距离。将表示当前工作间隙距离的信号(例如，点火延迟和/或平均电压)与表示期望工作间隙距离的值(参考值)进行比较，并计算这些值之间的结果产生的误差，以生成针对驱动电动机的新命令值。这样，对工件和电极的相对位置的控制允许创建连续材料移除放电。材料移除和放电导致电介质和气体的腐蚀碎片、过程副产物、热分解产物对加工间隙区的污染。已知通过利用新鲜的加工流体冲刷加工间隙区并通过将工具电极循环地收缩离开工件来移除这种污染。从在开篇中提到的US 4,288,675中已知，使用(放电)脉冲串(每个脉冲串由多个加工脉冲构成)，以及改变连续脉冲串的持续时间和/或不工作时间，以减少电极磨损。每个单个脉冲的脉冲持续时间和脉冲串的每个单个脉冲之间的不工作时间是在加工之前预置的，并取决于例如电极材料。根据所检测到的、工具电极的相对前进移动的速率，在加工期间调整脉冲串的持续时间或工作时间和/或连续脉冲串之间的不工作时间，以将沿加工表面的电流密度维持基本上恒定，而不管在工具电极的相对前进移动期间加工区域中的改变。此外，从US 4，503, 309中已知，在脉冲串中间断地使用增大的电流脉冲，以实现
期望电流密度并提高过程稳定性。如所讨论的，典型地，工具电极易于磨损。从US 3，558，842和同族成员CH 466452中已知，保护膜在放电加工过程中在具体条件下形成在工具电极上。保护膜例如由工作液体的产物形成和/或由因加工间隙上的放电而产生的产物形成。US 3，558，842描述了周期性地重复由包括其序列的电压的特定持续时间、幅度和形式表征的电压和电流的至少三个脉冲，以导致工件上的较高材料移除并在工具电极表面上形成保护膜。在一个脉冲中合并三种类型的脉冲(即，点火、热和保护类型)，这是该方法的主要缺陷，特别对于中-微尺度加工。原因在于:针对持续时间约为20-40 us (取决于其他技术参数)的短脉冲实现每脉冲的最高材料移除率，而且此外，指定技术对中-微尺度加工的小尺寸所需的较低电流来说不兼容。另一缺陷是所谓的磨损预算，其中，在单个脉冲内包装的不同脉冲难以利用过程控制而监视，以实现低工具磨损或零工具磨损。此外，放电通道的位移导致形状失真。与该文献相比，本发明人认识到可以通过选择磨损的中性脉冲串位于单个区中的这种技术来实现较高的形状精度，从而将工具电极的原始形状保持完整。此外，在放电物理学中，已经观察到电极表面上的碳沉积，尤其对于在碳的热解开始时达到1400°C以上的温度。根据温度和压力，碳通过热解从分解产物构建。保护膜的形成可以用于保护工具电极，并且从而减少其磨损，如在上述文章“Zerowear - The “Perpetuum Mobile” of die-sinking EDM”中所公开。如在开头所讨论的，在放电期间，在(多个)电极表面上以石墨的形式形成碳。所形成的石墨类型取决于在放电期间在过程和电流控制中涉及的温度。电极表面(阳极和/或阴极)上沉积的碳还可以包含在放电期间以及在放电结束时形成的腐蚀产物或碎片。从而，在电极上由包括保护原始电极的电介质分解产物的腐蚀产物和石墨形成层。对EDM过程进行控制，使得该层在电极上的生长和由放电脉冲导致的发生在保护层上的磨损处于平衡。因此，可以减少电极的磨损。在该已知方法中，可以使用脉冲串，脉冲串由例如具有相同脉冲持续时间且在放电脉冲之间具有相同不工作时间的三个相同放电脉冲构成。根据该方法的脉冲串之间的不工作时间大于单个脉冲串的单个放电脉冲之间的不工作时间。此外，利用该方法，不可能针对复合电极(具有多个不同结构(例如，中尺度和微尺度)的电极)应用高放电电流(例如，8A以上)而不导致工具电极上的高磨损。因此，利用上述方法，总体加工速率较小。这里，该过程可以被视为处于多尺度:
处于微秒级一等离子体反应动力学；
处于单火花级——故障之后温度和压力随持续时间的改变；
处于多火花级一平均电流密度(占空因数)和脉冲串形成；
处于百毫秒级一两个冲刷周期之间的时间间隔；以及
处于更大得多的时间级一间隙区中的腐蚀和污染的深度。在一些实施例中，可以根据工具电极在腐蚀期间的运动方向，将碳在工具电极上的生长主要表征为侧面生长和正面生长。通过在火花的初始几微秒(1-30 us)期间控制对加工间隙上的放电(也被称作“火花”)应用的电流，可以降低电极表面上的高初始温度，从而脉冲持续时间的其余部分提高电极的表面温度，这导致(多个)工具电极表面上的碳形成。如前所述，在高于1400°C的温度下，碳的热解开始，这可以是在(多个)电极表面上形成包含石墨和腐蚀产物的保护层的主要因素。所形成的层可以是多孔的，或者其可以甚至比工具电极的基底材料更硬，从而保护工具电极免受典型地导致工具电极磨损的热和/或研磨力。在一些实施例中，通过控制占空因数或平均电流密度来控制工具电极表面和放电区的平均温度，从而可以控制石墨电极上的碳构建的体积。在一些实施例中，可以利用以下三个主要参数来调节每火花的电流电平:初始电流(0.01-25 A)、最终电流(0.1-120 A)及其间的路径，S卩，电流上升时的不同斜率或梯度。因此，碳构建的速率基于包括阳极/阴极材料属性(例如，比热、热导率和电阻率)的所有这些影响。在一些实施例中，每火花的电流上升、电流斜率和初始电流的概图(prof iIe)可以减少工具电极的磨损，并可以增加碳保护层在工具电极表面上的径向生长。此外，电极尺寸的几何尺度效果对碳生长速率和碳构建的特性起作用。尽管这里仅提到了热方面，但是在一些实施例中，碳生长的性质也可以归于其他方面，例如，电磁场、物理-化学气相沉积、阴极/阳极斑点生成、随时间变化的高电流密度(0.1-20A或更高)和/或表面积等。
然而，在一些实施例中，特别是在中加工和微加工中(即，例如，在中尺度(瞬时电极表面积10 mm2至I mm2)中以及在微尺度(瞬时电极表面积处于I mm2至0.010 mm2之间或更小，或者工具电极处的最小尺寸结构低于I mm)中)，对于上述加工过程，电极磨损也是可观的。本发明人认识到，特别是在上述限定的中加工尺度和微加工尺度中，通过引入至少两种类型的放电脉冲，可以显著减少工具电极的磨损，从而可以提高材料移除率和过程稳定性。第一类型放电脉冲被配置为在工具电极上形成保护层，并且第二类型放电脉冲被配置为分别导致工具电极和工件上的磨损/腐蚀。通过针对从工件的材料移除而应用所定义的第一和第二类型放电脉冲的比率，可以控制工具电极的磨损。此外，第一和第二类型放电脉冲可以形成具体脉冲串，其中，对于每个脉冲串，磨损几乎为零。此外，脉冲串包括预定义比率的第一类型和第二类型放电脉冲。第一类型放电脉冲具有比第二类型放电脉冲更长的脉冲持续时间。可以也在脉冲串内按任何顺序设置或生成这两种不同类型的脉冲的序列和组合。可以将脉冲串定义为放电脉冲的组,其中,通过暂停时间将每个组(即，每个脉冲串)与先前和连续放电脉冲组(脉冲串)分离，或者，脉冲串还可以由加工期间的放电脉冲的具体模式定义。在一些实施例中，第一类型放电脉冲主要导致在工具电极上径向形成和/或在工作电极上正面形成对抗磨损的保护膜。第二类型放电脉冲导致(多个)工具电极表面上的腐蚀。主要根据诸如电流、占空因数、电极尺寸、阳极-阴极材料属性和电介质之类的参数,短脉冲持续时间还可以导致更高的材料移除率(MRR)、更高的电极磨损、同时保持过程稳定。在一些实施例中，可以通过比在脉冲串内的相同或不同类型的脉冲之间使用的暂停持续时间值中的任一个更长的暂停持续时间，将脉冲串与连续脉冲串分离。在一些实施例中，至少两种放电类型可以分别属于第一和第二组(例如，如图5a和5b所示的组I和组2)。从图5a中可见，对于具有增大的脉冲持续时间的特定类型的放电(具有所定义的初始电流、最终电流、电流上升的路径)，工具电极上的正面碳生长增加，并在特定放电持续时间值(在图5a中利用参考标记34而标记)处从工具电极上的磨损情形跨越至零磨损，并进一步至电极上的正面碳构建。因此，可以形成两种放电类型的组:
-第一组(组1)，表示第一类型放电，包括作为工具电极的正面磨损达到零时的值的最低脉冲持续时间值，并包括大于该值的任何脉冲持续时间值；以及
-第二组(组2)，表示第二类型放电，包括小于正面磨损达到零值时的脉冲持续时间值的脉冲持续时间值。同时(S卩，在正面磨损达到零值时的相同脉冲持续时间值处)，具有增大的脉冲持续时间的相同类型的放电达到工具电极的侧面磨损变为零时的值(在图5b中利用参考标记35而标记)。脉冲持续时间的进一步增大导致进一步的径向碳生长，如图5b所示。在一些实施例中，有可能的是，在指定电流脉冲的脉冲持续时间值处，工具电极上的正面磨损达到零，但侧面磨损尚未达到零。因此，在一些实施例中，还可以基于侧面磨损值来定义两个组，其中，在增大的脉冲持续时间下，达到侧面磨损变为零或接近于零(35)时的脉冲持续时间值: -侧面磨损变为零或最小值(35)时的脉冲持续时间值和大于该值的任何脉冲持续时间值属于表示第一类型放电脉冲的第一组(组I);以及
-小于零或最小值侧面磨损脉冲持续时间值的任何脉冲持续时间值属于表示第二类型放电脉冲的第二组(组2)。在一些实施例中，基于根据正面磨损和/或侧面磨损针对指定脉冲类型(具有给定的初始电流、最终电流和电流上升的路径)而定义的两个不同脉冲持续时间组(组1、2)，形成具体脉冲串，该具体脉冲串包括具有来自组I的脉冲持续时间的至少一个脉冲和具有来自组2的脉冲持续时间的至少一个脉冲，并被应用于两个电极(阳极、阴极)之间的间隙，这导致较低或几乎为零的工具磨损、高材料移除率和稳定的过程。在一些实施例中，该脉冲串包括至少两个脉冲:由具体脉冲暂停持续时间分离的属于组I的第一类型放电脉冲和属于组2的第二类型放电脉冲。在一些实施例中，可以在脉冲串内的任何序列中应用第一类型放电脉冲(组1，例如图3a)和第二类型放电脉冲(组2，例如图3b)(参见图6a至6c和2a中的示例)。在一些实施例中，该脉冲串包括(组I的)至少一个第一类型放电脉冲和(组2的)至少一个第二类型放电脉冲。在这些实施例中，两个连续脉冲串之间的暂停持续时间大于在脉冲串内的连续脉冲之间使用的任何暂停持续时间(同样参见图7)。在一些实施例中，例如，在单个或简单的工具电极几何结构的情况下，使用本领域技术人员一般公知的消弧方法，并通过引入动态消弧电压电平并将其适配为动态脉冲抑制方法来修改该消弧方法。在这些实施例中，所规定的脉冲串暂停条件不再有效。因此，在一些实施例中，确定第二类型放电(组2放电)相对于第一类型放电(组I放电)的量，并维持第一和第二类型放电之间的恒定比率(在给定的容限内)。在这些实施例中，可以基于具有电压/电流特性和其他脉冲特性(例如，延迟时间、开路电压、从开路电压至放电电压的下降时间、放电电压的高频分量等)的各种算法或自适应过程控制来生成具有不同属性的至少两种类型的放电脉冲。因此，例如，基于对消弧电平的调节，可以在腐蚀期间生成两种或更多种类型的放电脉冲(组1、2)。在这些实施例中，可以在不创建显式脉冲串的情况下，在多火花级上执行保护层构建和磨损过程(还参见图8a、8b以及以下相关描述)。因此，用于针对中-微尺度加工实现低磨损的这种动态脉冲抑制也落在本发明的范围内。在一些实施例中，第一类型(组I)和第二类型(组2)放电脉冲的(例如，脉冲串的)具体参数(例如，初始电流、最终电流、初始和最终电流之间的电流上升的路径、(多个)脉冲持续时间、脉冲串内的(多个)暂停持续时间、以及在脉冲串内包括其序列的第一类型(组I)放电脉冲和第二类型(组2)放电脉冲的数目)取决于固定参数，例如，工具电极的表面结构和/或尺寸、电极材料、加工液体、间隙条件、腐蚀深度等。相应地，一些实施例涉及一种控制放电加工(EDM)设备(特别地，刻模EDM设备或钻孔EDM设备或铣削EDM设备)的方法。EDM设备至少具有工具电极和工件以及例如本领域技术人员公知的其他单元或元件，例如，发生器、控制器、工作台等。相对于工件定位工具电极，使得在工具电极与工件之间限定加工间隙。工具电极可以具有不同形状，例如本领域技术人员公知的那些。例如，工具电极可以是单个电极、具有多个相同结构的一批电极、具有多个不同结构的复合电极或者可具有任何形状的特殊电极。
在一些实施例中，工具电极具有至少一个部分，该至少一个部分具有如上定义的中尺度或微尺度区中的瞬时表面积/尺寸。接下来，生成至少一个第一类型放电脉冲和至少一个第二类型放电脉冲，例如由EDM设备的发生器生成。该至少一个第一类型放电脉冲具有比该至少一个第二类型放电脉冲的脉冲持续时间更长的脉冲持续时间，并且，该第一类型放电脉冲导致在工具电极上形成对抗磨损的保护膜，并且该第二类型放电脉冲导致至少工具电极上的腐蚀。如上所讨论，在一些实施例中，该第一类型放电脉冲属于第一组，并且该第二类型放电脉冲属于第二组。尽管第一类型放电脉冲的功能是导致在工具电极上形成保护层，该保护层可以是在工具电极上侧面和/或径向生长的，同样如上所讨论，但是第一类型放电脉冲还可以造成除形成保护层外的另外其他效果(例如，从工件的材料移除)。这对于第二类型放电脉冲也适用，其也可以造成除仅导致工具电极上的磨损和/或工件上的材料移除外的其他效果(例如，过程稳定性)。针对从工件的材料移除，将第一和第二类型放电脉冲应用于工具电极。对工具电极应用的第一和第二类型放电脉冲之间的比率被定义为使得导致工具电极的预定义磨损。在一些实施例中，将多个第一和第二类型放电脉冲应用于工具电极。因此，分别通过第一类型和第二类型放电脉冲的数目来计算第一类型和第二类型放电脉冲之间的比率。通过定义第一和第二类型放电脉冲的特定比率，可以实现保护层在工具电极上的构建与工具电极的磨损量之间的预定义平衡，从而控制工具电极的磨损。在一些实施例中，第一和第二类型放电脉冲的序列可以按任何顺序。在其他实施例中，第一和第二类型放电脉冲是按预定义顺序布置的，例如，一个第一类型放电脉冲后紧跟至少一个第二类型放电脉冲，其中，第一和第二类型放电脉冲通过过程暂停而彼此分离。在一些实施例中，以具体放电脉冲模式将第一和第二类型放电脉冲成组为例如脉冲串，同样如上所述。在这些实施例中，EDM发生器生成包括至少一个第一类型放电脉冲和至少一个第二类型放电脉冲的至少一个脉冲串。在第一类型放电脉冲的任何序列中生成(多个)第二类型放电脉冲，例如，一个单个第一类型放电脉冲在脉冲串中第一个出现，并且至少一个第二类型(组2)放电脉冲跟在第一类型放电脉冲之后(同样如图2a至2f所示)。在其他实施例中，脉冲串内的脉冲序列包括一个单个第一类型放电脉冲(组I)处于至少一个或多个第二类型(组2)放电脉冲之后(如图6a示例性地示出)，或者一个单个第一类型放电脉冲(组I)插入到两个或更多个第二类型(组2)放电脉冲之间(如图6b至6c所示)。针对材料移除，将至少一个脉冲串应用于工具电极。在一些实施例中，生成多个脉冲串，并针对材料移除，将该多个脉冲串应用于工具电极。如上所讨论，第一类型放电脉冲(属于组I)主要导致在工具电极上生成或形成对抗磨损的保护膜或保护层。如以上结合US 3，558，842所讨论，保护膜可以由加工流体和/或工具电极和/或工件的反应粒子形成，例如通过热解。在一些实施例中，工具电极保护膜包括石墨或嵌入有腐蚀产物的石墨。在这些实施例中，第一类型放电脉冲(组I)适于在工具电极上形成或生成热解石墨层，该热解石墨层可以具有与基底电极材料相比更高的硬度。在一些实施例中，特别地在工具电极的正面区中形成保护层，例如通过正面生长，其中，发生大多数放电。第二类型放电脉冲(属于组2)导致至少工具电极上的腐蚀，并且还导致工件上的腐蚀。由于工具电极主要受由单个第一类型放电(组I)脉冲产生的保护膜保护，因此工具电极自身不磨损或稍微磨损，而通常，已在工具电极上形成的保护层磨破。如上所述，(例如，每个脉冲串的)单个第一类型放电脉冲(组I)具有比第二类型放电脉冲(组2)更长的脉冲持续时间。第一类型和第二类型放电脉冲(即，组I和组2放电脉冲)可以分离时的特定脉冲持续时间值取决于脉冲类型/特性(初始电流、最终电流、电流上升的路径)和关联的过程参数(例如，电极表面积、介电油、工件材料、电极材料、两个连续脉冲串之间的暂停持续时间等)。对于具有具体特性(同样参见图5a，线32 ;图513，线37 ;具有正方形的线)和过程条件的给定脉冲类型，基于工具电极的正面磨损，可以在图5a中找到组I和组2放电脉冲的脉冲持续时间的定义的示例，和/或，基于工具电极的侧面磨损，可以在图5b中找到该示例，如以上已更详细讨论。在一些实施例中，例如基于以上讨论的特性，定义包含第一类型放电脉冲的持续时间的第一组(组I)和包含第二类型放电脉冲的持续时间的第二组(组2)中的每一个。第一和/或第二组的放电脉冲的持续时间由以下过程参数中的至少一个确定:电极表面积、脉冲类型(初始电流、最终电流、路径)、电极-工件材料、连续脉冲串之间的暂停持续时间、介电油、工具电极与工件之间的间隙、两个冲刷周期之间的时间间隔、加工深度、放电电压和/或电流。在一些实施例中，考虑这些参数中的至少一些，以指定第一和/或第二类型放电脉冲。在一些实施例中，从放电脉冲的第二组中选择第二类型放电脉冲的持续时间，并从放电脉冲的第一组中选择第一类型放电脉冲的持续时间。在一些实施例中，第一和/或第二类型放电脉冲至少由初始电流值、最终电流和针对电流上升而取得的路径指定，从而还定义脉冲的具体曲线。在一些实施例中，脉冲串内的脉冲的脉冲类型可以不同。例如，属于组I和组2的脉冲的脉冲类型可以不同，其中，组I脉冲可以针对更快的碳生长而具有增大倾斜电流，并且组2脉冲可以针对从工具电极和/或工件的更高材料移除而具有矩形电流形状。在一些实施例中，在一个脉冲串内，由第一类型放电脉冲在工具电极上生成的对抗磨损的保护膜几乎完全被脉冲串的第二类型放电脉冲腐蚀。将具有第一和第二类型放电脉冲的脉冲串应用于工具电极，使得对应的放电发生在工具电极与工件之间的加工间隙上。因此，在实施例中，在一个脉冲串内腐蚀在一个脉冲串内产生的保护层的情况下，工具电极在应用每个脉冲串之后(几乎)具有原始形状。换言之，在一些实施例中，脉冲串由于组I和2脉冲的组合而中性磨损，同时由于(多个)组2脉冲而大部分实现甚至更高的材料移除率和过程稳定性。在一些实施例中，由于该形状精度特性，还可以利用高精度和形状精确度来加工中尺度和微尺度的所定义的域中的结构，其中，加工所需的电极的甚至更少数目导致更高的生产率、更低的资源需求，并因此导致针对许多工程材料(例如，钢、不锈钢、镍合金、钛合金、铝、陶瓷、硅等)在宏-中-微尺度中的任何类型的加工(复杂特征，包括多至3:1及以上的较高长宽比的组合电极)的总体成本节约。在一些实施例中，第二类型放电脉冲的持续时间低于30微秒。脉冲持续时间值取决于各种参数，例如电极表面积、间隙条件、每火花所应用的电流、平均电流等。这允许对阳极和/或阴极区的快速加工，特别是与上述已知“零磨损”方法或单个类型放电过程技术相比。在一些实施例中，火花期间的放电电流处于0.1 A至120 A的范围内，并且特别地，约为8 A，并且特别地用于第二类型的放电脉冲(组2脉冲持续时间)。这种高放电电流还允许工具电极上更高的磨损，并且还可以导致更快的加工过程，特别是与上述“零磨损”方法相比，这是由于在该所述方法中，工具电极的磨损非常高，特别是在高放电电流和低于10 mm2的小电极表面积或低于I mm的最小电极尺寸(例如,肋状物)的情况下。在一些实施例中，第一类型和/或第二类型放电脉冲具有正方形形状、增大斜坡部分和/或下降斜坡部分，具有以下主要参数:初始电流、最终电流和针对这两点之间的电流上升/下降而使用的路径。在一些实施例中，增大斜坡部分(特别地，增大边沿)具有以下效果:放电脉冲以较低电流开始，并随脉冲持续时间增大。在一些实施例中，这允许针对电极的给定表面积使用放电脉冲的较高峰值电流和/或电流密度，并且还可以便于工具电极上的更快碳生长。类似地，下降斜坡部分(特别地，下降边沿)具有以下效果:仅在短时间内存在放电脉冲的较高峰值电流。因此，这种脉冲形状允许更高峰值放电电流的应用。在一些实施例中，第二类型放电脉冲(图2b、2e)和/或第一类型放电脉冲(图2f)包括峰值部分，其中，例如，该放电脉冲具有比其余放电脉冲显著更高的电流/电压。在一些实施例中，这种峰值部分改进了加工速率和/或工具电极上保护层或基底电极材料的移除。在一些实施例中，(多个)第一类型放电脉冲和(多个)第二类型放电脉冲具有正极性，而在其他实施例中，第一类型放电脉冲具有正极性，并且(多个)第二类型放电脉冲具有负极性。负极性可以增加从工具电极对保护层的移除。第二类型放电脉冲还可以由电容性放电生成(参见图2d)。如上所述，一些实施例涉及中尺度和/或微尺度或者甚至更小表面积(纳米尺度)中的加工。在这些实施例中，工具电极具有至少一个截面或表面积或最小尺寸结构，其小于10 mm2,相应地为Imm,在一些实施例中，甚至小于0.010 mm2。在一些实施例中，两个连续脉冲串之间的不工作时间大于在单个脉冲串内的不同脉冲之间使用的(多个)暂停持续时间。本发明人已经认识到，在一些实施例中，可以通过在连续脉冲串之间引入更长的暂停或不工作时间(>200 u s)来改进总体加工速率，这是由于更长的暂停可以允许加工间隙的更好恢复，并主要取决于脉冲类型(初始电流、最终电流、电流上升的路径)和过程参数(例如，电极表面积、两个冲刷周期之间的时间间隔、介电油、工件和电极材料)。在一些实施例(例如，中-微尺度的单个电极)中，可以利用维持属于组I的脉冲(更长脉冲持续时间)与属于组2的脉冲(更短脉冲持续时间)的特定比率的算法来替换单个脉冲串，如上所讨论。可以利用预置编程或动态地通过自适应电流控制算法(例如，使用消弧电平)来进行对两个不同放电类型的生成。在一些实施例中，将第一和第二类型放电脉冲的比率控制在期望值(例如维持恒定)，以提供工具电极的预定义磨损量。—些实施例涉及适于执行如上所述的控制方法的至少一些步骤的放电加工设备，特别地，刻模EDM设备或钻孔EDM设备。这种EDM设备包括本领域技术人员典型公知的部件，例如，工具电极、用于接纳工件的工作台、用于生成放电脉冲的脉冲发生器和用于控制EDM设备的控制器。控制器适于执行如上所述的方法。返回至图1，其示意了根据本发明的刻模放电加工(EDM)设备I。刻模EDM设备的一般结构也是本领域技术人员公知的。刻模EDM设备I具有用于执行上述EDM过程的控制块2。控制块2具有一般控制模块7、用于控制脉冲发生器4的发生器控制模块8、用于控制工具电极11与工件12之间的加工间隙13的加工间隙控制模块9、以及用于在加工过程期间接收与加工间隙相关的数据的间隙获取模块10。工具电极11和工件12位于加工块3中。在插补器(interpolator)模块6和驱动模块5上执行工具电极11相对于工件12的定位，驱动模块5沿如图1的加工块3中指示的C、x、y和z方向驱动定位构件,例如伺服进给。工具电极11由石墨制成。在其他实施例中，工具电极可以由适于工具电极的任何其他已知材料(例如，铜-石墨、铜、铜-钨等)制成。在该实施例中，工件12由金属制成，但在其他实施例中，其可以由任何导电材料(例如，金属或导电陶瓷)制成，而且还可以由高电阻材料制成。图2a至2f示意了可在刻模EDM I中用于加工工件12的不同脉冲串的示例。图2a至2f在X轴上显示了脉冲串的脉冲持续时间，并在I轴上显示了脉冲串的放电电流。图2a示意了在第一位置处具有一个第一类型放电脉冲15 (组I)和三个连续第二类型放电脉冲16 (组2)的脉冲串14，所述第一类型放电脉冲15用于主要在工具电极11上形成保护层，如上所讨论，并且所述第二类型放电脉冲16用于腐蚀工件12以及工具电极11上的保护层，同样如上所讨论。这里的放电脉冲15和16具有矩形形状，即，初始电流与单个脉冲的最终电流相同。对于脉冲串14的放电脉冲15和16，放电电流相同。此外，在本实施例中，用于形成保护层的放电脉冲15与第一腐蚀放电脉冲16之间的不工作时间以及单个腐蚀放电脉冲16之间的不工作时间也是相同的。在每个脉冲串14的应用之间，可以使用不工作时间。在不工作时间期间，加工间隙、工具电极和工件恢复，使得在一些实施例中，总体加工速率比在单个脉冲串之间不存在不工作时间或仅存在较短不工作时间的实施例中更高。如上所述，即，脉冲持续时间、脉冲之间的不工作时间、腐蚀放电脉冲的数目、放电电流、脉冲串之间的不工作时间等取决于用于工具电极和工件的材料、间隙条件以及工具电极11的形状等。这些参数可以是在刻模EDM设备I中针对组I和组2放电脉冲而预存储和/或预置的。在其他实施例中，可以动态确定这些参数，例如，通过分析加工参数，诸如放电电压或电流特性的变化。在一些实施例中，还可以使用其他脉冲串。例如，在一些实施例中，与图2a的脉冲串14类似的如图2b所示的脉冲串17具有形成放电脉冲18 (组I)和三个腐蚀放电脉冲19 (组2)的保护层，这三个腐蚀放电脉冲19中的每一个具有峰值部分20。峰值部分20包括放电电流的峰值，其在电流上比腐蚀放电脉冲19的其余部分更高。在一些实施例中，该高峰值电流增强工具电极11和/或工件12的腐蚀，并且从而在一些实施例中增加工具磨损。另外，当等离子体通道崩溃时，高梯度di/dt促进熔融材料从焊口的喷射。如图2c所示，在一些实施例中，与图2a的脉冲串14类似的脉冲串21具有保护层放电脉冲22 (组I)后面紧跟具有负极性的三个腐蚀放电脉冲23 (组2)。脉冲串21的第一放电脉冲22与腐蚀放电脉冲23之间的极性的改变增强了工具电极11上的保护层的腐蚀和/或工件12上的腐蚀。如图2d所示，在一些实施例中，脉冲串24具有第一放电脉冲25和由电容性放电生成的三个腐蚀放电脉冲26。腐蚀放电脉冲26具有负极性。为了进一步减少工具电极处的磨损或实现石墨保护层的更快径向生长，在一些实施例中以及如图3a所示，用于构建保护层的具有脉冲持续时间I；的长放电脉冲27 (组I)具有增大边沿部分28和恒定部分29。增大边沿部分28以较低初始放电电流开始，并且将最终放电电流增大至高达放电脉冲27的恒定电流区29的电流Ip该实施例中所取得的路径是线性的。然而，在其他实施例中，可以生成各种路径以从初始放电电流Imin达到最终电流Ilj，例如，图4所示的电流上升。如图3b所示，短腐蚀放电脉冲30(组2)具有随整个脉冲持续时间Ts增大的电流。电流从最小放电电流Imin增大至高达最大放电电流Is。短放电脉冲30在工具电极11上形成磨损，如上所讨论。短持续时间放电脉冲(属于组2)还可以导致更高的材料移除率。长脉冲27 (图3a)和短脉冲30 (图3b)的以上讨论的形状可以适用于任何类型的脉冲串，并且特别地，适用于如图2a至2f、图6a至6c和图7所示且如上讨论的脉冲串14、17、21、24、38、42、46、49、52 和 55。如图4所示，在一些实施例中，这样形成电流脉冲类型，使得对从初始电流至最终电流的上升31进行优化，以平衡高材料移除率和低工具磨损。这里，在前5-10 us中，针对低磨损使用低初始电流，之后，电流快速增大，在几U s内达到最终电流，以便在前0-30Us期间利用高材料移除。脉冲持续时间的进一步增大导致电极表面上的更高碳生长，并可以导致工件表面上的更高材料移除。以下结合图5a和5b示例性地讨论组I和组2放电脉冲之间的区别。如图5a所示，在一些实施例中，根据电流脉冲类型(这里，例如，脉冲类型32、33)和给定的过程参数(例如，电极表面积、每脉冲的电流、暂停持续时间、介电油、材料组合、两个冲刷周期之间的时间间隔等)，达到具体脉冲持续时间值34，其中，正面工具磨损为零或几乎为零。将包括34处的脉冲持续时间值在内的在这些条件下大于34的所有脉冲持续时间值分类为组1，组I主要导致至少工具电极上的碳产物形成。将小于34处的值的在这些条件下的所有脉冲持续时间值分类为组2，组2主要导致工具磨损并且还可以改进材料移除率、过程稳定性。点34值可以针对相同条件但由除32、33外的线示出的不同脉冲类型而偏移，并因此可以针对不同组1、2值窗口而偏移。在任何序列中组合来自组I的至少一个脉冲和来自组2的至少一个脉冲，从而形成脉冲串，例如14、17、21、24。如图5b所示，在一些实施例中，根据电流脉冲类型(这里，例如，脉冲类型32、33)和给定的过程参数(例如，电极表面积、每脉冲的电流、暂停持续时间、介电油、材料组合、两个冲刷周期之间的时间间隔等)，达到具体脉冲持续时间值35，其中，侧面工具磨损为零或几乎为零。将包括35处的脉冲持续时间值在内的在这些条件下大于35的所有脉冲持续时间值分类为组1，组I主要导致至少工具电极上的碳产物形成。将小于35处的值的在这些条件下的所有脉冲持续时间值分类为组2，组2主要导致工具磨损并且还可以改进材料移除率、过程稳定性。针对相同过程条件，脉冲持续时间35值可以针对由除图5b中的37、36外的线示出的不同脉冲类型而偏移，并因此可以针对不同组1、2值窗口而偏移。在任何序列中组合来自组I的至少一个脉冲和来自组2的至少一个脉冲，从而形成脉冲串，例如14、
17、21、24、38、42、46、49 和 52。图6a至6c和7的以下讨论参照具有第一和第二类型放电脉冲的不同序列的脉冲串的实施例。如图6a至6c所示，在一些实施例中，可以在与14、17、21、24或其他脉冲串形成的特征相组合的脉冲串中的任何序列中布置(多个)长脉冲持续时间脉冲和(多个)短持续时间脉冲。两个连续脉冲串通常由暂停持续时间分离，该暂停持续时间大于在脉冲串内的两个连续脉冲之间使用的任何暂停持续时间。图6a示意了在前三个位置处具有导致腐蚀的三个第二类型放电脉冲48，后面紧跟更长的第一类型放电脉冲47的脉冲串46。在该脉冲串47中，由第二类型放电脉冲48导致的磨损被第一类型放电脉冲47平衡，所述第一类型放电脉冲47导致在工具电极上形成保护层。图6b示意了脉冲串49，其中，在前两个位置上定位两个第二类型放电脉冲51，后面紧跟第一类型放电脉冲50，接着其后面紧跟单个第二类型放电脉冲51。在该脉冲串49中,在至少两个第二类型放电脉冲51之间插入第一类型放电脉冲50。图6c示意了脉冲串52，其中，在第一位置上定位单个第二类型放电脉冲54，后面紧跟单个第一类型放电脉冲53，接着其后面紧跟两个第二类型放电脉冲54。图7示意了以下实施例:其中，脉冲串55在第一位置上具有第一类型放电脉冲56，后面紧跟第二类型放电脉冲57和另一第二类型放电脉冲57’，该另一第二类型放电脉冲57’具有比先前的第二类型放电脉冲57略长的脉冲持续时间。第一类型放电脉冲56和第二类型放电脉冲57、57’之间的不工作时间58是相同的。两个连续脉冲串55之间的不工作时间59大于一个脉冲串55内的单个第一 /第二类型放电脉冲之间的不工作时间58。如图8a和Sb所示，在一些实施例中，(多个)长脉冲持续时间脉冲(即，属于组I的第一类型放电脉冲61 (图8a)和64 (图Sb))和(多个)短持续时间脉冲卿，属于组2的第二类型放电脉冲62 (图8a)和65 (图Sb))可以在不将该长脉冲持续时间脉冲和短持续时间脉冲布置在脉冲串中的情况下应用于单个电极。在一些实施例中，它们是在例如模式(60，图8a ;63，图8b)中布置的。在这些实施例中，还将组I和2的至少这两种不同脉冲类型之间的比率维持恒定。可以使用一个或多个过程条件信息(例如，动态消弧电平)来对该比率进行预编程或动态计算，以实现低工具磨损和/或高材料移除率。尽管结合有限数目的实施例描述了本发明，但是显而易见，本领域技术人员将容易理解，可以允许不脱离本发明的概念和范围的修改和变型。所有这些修改和变型被视为不脱离如所附权利要求限定的本发明的概念和范围。
权利要求
1.一种控制至少具有工具电极(11)和工件(12)的放电加工设备(I)的方法，所述方法包括以下步骤: -相对于所述工件(12)定位所述工具电极(11); -生成至少一个第一类型放电脉冲(15、18、22、25、27、39、43、47、50、53)和至少一个第二类型放电脉冲(16、19、23、26、30、40、44、48、51、54)，其中，所述至少一个第一类型放电脉冲具有比所述至少一个第二类型放电脉冲的脉冲持续时间(Ts)更长的脉冲持续时间(IV)，并且其中，所述第一类型放电脉冲导致在所述工具电极(11)上形成对抗磨损的保护膜，并且所述第二类型放电脉冲导致至少所述工具电极(11)上的腐蚀； -针对从所述工件(12)的材料移除，将所述第一类型放电脉冲和所述第二类型放电脉冲应用于所述工具电极(11)与所述工件(12)之间的间隙(13)，其中，对所述工具电极应用的所述第一类型放电脉冲与所述第二类型放电脉冲之间的比率被定义为使得导致所述工具电极(11)的预定义磨损。
2.根据权利要求1所 述的控制放电加工设备的方法，还包括以下步骤: -生成包括至少一个第一类型放电脉冲(15、18、22、25、27、39、43、47、50、53)和至少一个第二类型放电脉冲(16、19、23、26、30、40、44、48、51、54)的脉冲串(14、17、21、24、38、42、46、49、52)，其中，将包括所述第一类型放电脉冲和所述第二类型放电脉冲的脉冲串应用于所述工具电极与所述工件之间的间隙。
3.根据前述权利要求中任一项所述的控制放电加工设备的方法，还包括以下步骤: -定义放电脉冲的第一组(组1)，其包括作为所述工具电极的正面和/或侧面磨损达到零时的值的最低脉冲持续时间值，并包括大于该值的任何脉冲持续时间值；以及 -定义放电脉冲的第二组(组2)，其包括小于正面和/或侧面磨损达到零值时的脉冲持续时间值的脉冲持续时间值。
4.根据前述权利要求中任一项所述的控制放电加工设备的方法，其中，所述第一组和第二组的放电脉冲的脉冲持续时间还由以下过程参数中的至少一个确定:电极表面积、脉冲类型、每脉冲的最大电流；连续脉冲串之间的暂停持续时间、工具电极与工件之间的间隙、工件材料、电极材料、介电油、两个冲刷周期之间的时间间隔、加工深度。
5.根据权利要求3所述的控制放电加工设备的方法，其中，所述第二类型放电脉冲(16、19、23、26、30、40、44、48、51、54)的持续时间(Ts)是从所述第二组中选择的，并且其中，所述第一类型放电脉冲(15、18、22、25、27、39、43、47、50、53)的持续时间(Tl)是从所述第一组中选择的。
6.根据前述权利要求中任一项所述的控制放电加工设备的方法，其中，所述第一类型放电脉冲和/或第二类型放电脉冲至少由初始电流值(Imin)、最终电流(Iys)和针对电流上升(31)而取得的路径指定。
7.根据前述权利要求中任一项所述的控制放电加工设备的方法，其中，每脉冲的最大放电电流处于0.1 A与120 A之间的范围内。
8.根据前述权利要求中任一项所述的控制放电加工设备的方法，其中，所述第一类型放电脉冲(27)和/或所述第二类型放电脉冲(30)具有正方形形状和/或增大斜坡部分(28)和/或下降斜坡部分，其中主要参数有:初始电流、最终电流以及用于这两个点之间的电流上升和/或下降的路径。
9.根据前述权利要求中任一项所述的控制放电加工设备的方法，其中，所述第一类型放电脉冲(15、18、22、25、27、39、43、47、50、53)和第二类型放电脉冲(16、19、30、40、44、48、51、54)中的至少一个包括峰值部分(20)。
10.根据前述权利要求中任一项所述的控制放电加工设备的方法，其中，所述至少一个第一类型放电脉冲(15、18、22、25、27、39、43、47、50、53)具有正极性，并且所述至少一个第二类型放电脉冲(16、19、30、40、44、48、51、54)具有正或负极性(23、26)。
11.根据前述权利要求中任一项所述的控制放电加工设备的方法，其中，所述至少一个第二类型放电脉冲(26)由电容性放电生成。
12.根据前述权利要求中任一项所述的控制放电加工设备的方法，其中，所述工具电极(11)具有至少一个部分，所述至少一个部分具有处于具有10 mm2 -1 mm2之间的瞬时电极表面积的中尺度或具有低于I mm2的瞬时电极表面积的微尺度的结构，或者具有尺寸低于Imm的结构。
13.根据权利要求2至11中任一项所述的控制放电加工设备的方法，其中，在一个脉冲串(14、17、21、24)内，由所述第一类型放电脉冲(15、18、22、25、27、39、43、47、50、53)在所述工具电极(11)上形成的对抗磨损的保护膜几乎完全被该脉冲串(14、17、21、24、38、42、46、49、52)的至少一个第二类型放电脉冲(16、19、23、26、30、40、44、48、51、54)腐蚀，使得磨损为零或几乎为零。
14.根据前述权利要求中任一项所述的控制放电加工设备的方法，其中，两个连续脉冲串之间的不工作时间(59)大于脉冲串内的两个连续脉冲之间的任何暂停持续时间(58)。
15.根据前述权 利要求中任一项所述的控制放电加工设备的方法，其中，将第一类型放电脉冲与第二类型放电脉冲的比率维持恒定。
16.—种放电加工设备,包括: -工具电极(11); -工作台(3)，用于接纳工件(12); -脉冲发生器(4)，用于生成放电脉冲；以及 -控制器(2 )，用于控制所述放电加工设备(I )，其中，所述控制器(2 )适于执行根据前述权利要求中任一项所述的方法。
17.根据权利要求14所述的放电加工设备，其中，所述设备是刻模放电加工设备或钻孔放电加工设备或铣削放电加工设备。
全文摘要
本发明涉及放电加工方法和设备。在控制至少具有工具电极和工件的放电加工设备的方法中，执行以下步骤相对于工件定位工具电极；生成至少一个第一类型放电脉冲和至少一个第二类型放电脉冲，其中至少一个第一类型放电脉冲具有比至少一个第二类型放电脉冲的脉冲持续时间更长的脉冲持续时间，并且第一类型放电脉冲导致在所述工具电极上形成对抗磨损的保护膜，并且第二类型放电脉冲导致至少所述工具电极上的腐蚀；针对从所述工件的材料移除，将第一类型放电脉冲和第二类型放电脉冲应用于所述工具电极与所述工件之间的间隙，其中，对所述工具电极应用的第一类型放电脉冲与第二类型放电脉冲之间的比率被定义为使得导致工具电极的预定义磨损。
文档编号B23H1/02GK103182570SQ20121058222
公开日2013年7月3日 申请日期2012年12月28日 优先权日2011年12月30日
发明者U.马拉迪亚, R.克纳克, W.达尔布斯科 申请人:阿杰·查米莱斯股份有限公司