一种利用液体金属放电加工球形凹模方法与流程

本发明属于电火花加工、电火花工艺研究技术领域，特别涉及一种利用液体金属放电加工球形凹模方法。

背景技术：

在一些精密仪器和传感器中，某些重要的零件由于其特殊的功能和用途常常需要加工出微小凹球(SR<1)，而且该凹球往往有很高的精度要求。传统的凹球加工方案主要有以下几种：

(1)斜截圆成形球面法的铣削：其原理是工件和磨杆均绕各自轴线转动，两轴线之间有一定夹角，磨杆沿着工件轴线方向进给，从而加工出凹球面。该方法对于工件轴线和磨杆轴线共面有着严格要求，同时还存在装夹误差、进给误差、磨杆尺寸误差等，实际加工中消除各项误差并非易事。

(2)柔性研磨加工：其原理是工件与磨杆均各自绕自身轴线转动，与斜截圆成形球面法不同的是工件绕磨杆球头摆动一定角度，无进给运动，工件加持是柔性的。该方法存在缺点为需要预先加工一个与磨杆同轴度很高的凹坑,且磨杆的磨损会导致加工误差。

(3)磁力研磨加工：通过磁极产生的磁场力作用到磁性磨料上，形成一个与加工面形状相当的磁力研磨刷，对工件表面进行磨削加工。虽然磁力研磨具有切深小、柔性适应强的优点，但同时也具有加工效率低、磨料寿命短且制造工艺复杂的缺点。

传统的凹球加工方案存在许多明显的缺陷，如：无法加工硬度过高的材料，有加工的刀痕、毛刺，加工过程中由于刀具的装夹、磨损等因素会导致加工误差，不能满足微小精密零件的加工要求。20世纪四十年代后兴起了电火花放电加工，即利用两电极间脉冲放电时产生的电蚀作用蚀除导电材料的特种加工方法，又称放电加工或电蚀加工，英文简称EDM。利用电火花加工方式可以加工出普通切削加工方法难以切削的材料和复杂形状工件，并且加工时无切削力，不产生毛刺和刀痕沟纹等缺陷，因此这种加工方法被广泛用于加工各种精密零件和各种硬、脆材料，如硬质合金、淬火钢等；部分学者也曾将其应用凹槽、型腔的加工，例如：哈尔滨工业大学王振龙等人电火花阵列微孔加工；大连理工大学宋满仓等人利用电火花进行微凹槽结构加工，以及CN1088141A公开的方法。

然而传统的电火花加工一般采用导电性较好的铜作为工具电极，在电火花放电瞬间，铜电极也会出现少量的损耗。当工具电极损耗较多时，会严重影响加工精度。为减小电极损耗带来的误差影响，国内外学者做了大量研究与尝试。例如：Bley等人提出了有效放电脉冲检测补偿法，对电机损耗进行在线监测，从而进行补偿；韩国学者Ki Young Song采用带状电极实现减小电火花加工过程中电极损耗，另外，如CN102151920A从结构设计上优化用于电火花加工，模具复杂，但上述方法均只是减少电极损耗影响，未从根本上解决电极损耗的问题。

技术实现要素：

为了从根本上解决电极损耗问题，加工表面质量更好、精度更高的凹球面，本专利提出一种利用液体金属放电加工球形凹模方法。

具体的，本发明一种利用液体金属放电加工球形凹模方法，包括：以液态金属Galinstan作为放电电极，将其盛放在工具电极毛细玻璃管(优选直径范围0.1mm–3mm)内，利用可编程注射泵控制工具电极悬挂液滴的大小(优选直径数值范围0.1mm–4mm)，从而加工出包括规则或者不规则半球形、球形等不同形状的球形凹模。

所述上述液态金属Galinstan为稼、锡、锌的合金，密度为6.44g/cm³，熔点为-19℃，沸点大于1300℃，在室温下为液态，无毒，能够浸润大多数金属表面，并且具有很好的导电性与导热性。

在这种加工方式中，工具电极本身不参与电火花放电，因此电极的形状不会发生改变，从而很好的改善了工具电极被损耗的问题，提高了加工精度。

前述方法包括一次成型加工和多次扫描加工，达到所需要形状的球形凹模。

所述加工方法，通过以下液体金属电极加工装置来实现，所述液体金属电极加工装置包括电火花加工机床与供液系统。其中，加工机床优选为三轴数控电火花加工机床，包括机床、工控机、脉冲电源、电极、工件等部件组成；供液系统包括液态金属、塑料导管、可编程注射泵、毛细玻璃管等部件组成。

所述机床由工控机控制，利用高精度伺服电机驱动，可进给精度为1μm；脉冲电源可提供周期、频率可调的脉冲电压，并且带有放电检测装置，可检测当前两电极间放电状态，并将检测信号反馈给工控机进行处理。

采用上述装置进行加工过程包括：

(1)凹模一次成型加工

针对直径较小(0.1mm<圆弧半径SR<2mm)球形凹模，可采用一次直接成型加工，即利用可编程注射泵调节悬挂液滴的大小，待液态金属形状合适后接通电源，进行电火花放电加工。

(2)凹模多次扫描加工

对于直径较大的球形凹模(圆弧半径SR<10mm)，采用多次扫描加工方案，从工件表面开始不断向下蚀除工件，通过多次放电加工出理想凹槽。

本发明相对于现有技术的有益效果包括：

(1)本方法很好的继承了传统微细电火花加工精度高、不受工具材料影响等优点，并且与传统微细电火花加工方法相比，利用液态金属和毛细玻璃管构成一种新型的液体金属电极，采用液体金属电极电火花加工的方式，很好的保护工具电极使其不会因加工而发生损耗，从而维持电极形状，从根本上解决了电极损耗带来的误差等问题。

(2)这种加工方式可以加工普通电极无法加工的球形凹模，并且由于是球面放电而非尖端放电，大大提高加工效率。这种方案无需电极损耗补偿便可极大地提高了加工精度。本专利所提出的加工方法不需要复杂的程序设计与机床操作，液态金属可以重复利用，是一种更为环保高效的加工方法。

附图说明

图1本发明液体金属电极加工球形凹模示意图；

图2，2a本发明液体金属电极电火花加工装置示意图，2b为加工部分的局部放大示意图；

图3本发明一次成型加工过程示意图；

图4本发明利用液态金属进行球形凹模加工过程示意图，其中，4a1和4a2为开始加工的前视图和纵视图，4b1和4b2加工中的前视图和纵视图，4c1和4c2加工完成的前视图和纵视图。

具体实施方式

下面结合附图详细介绍本发明方法的具体实施方式，但本发明不局限于此：

实施例1

如图1和2所示，液体金属电极加工装置包括电火花加工机床与供液系统。其中，加工机床优选为三轴数控电火花加工机床，包括机床、工控机、脉冲电源、电极、工件等部件组成；供液系统包括液态金属、塑料导管、可编程注射泵、毛细玻璃管等部件组成。

所述机床由工控机控制，利用高精度伺服电机驱动，可进给精度为1μm；脉冲电源可提供周期、频率可调的脉冲电压，并且带有放电检测装置，可检测当前两电极间放电状态，并将检测信号反馈给工控机进行处理。

供液系统中，液态金属盛放在毛细玻璃管内，可编程注射泵通过塑料导管控制液态金属液滴的大小。

加工方法包括：以液态金属Galinstan作为工具电极，将其盛放在工具电极毛细玻璃管内，利用可编程注射泵控制工具电极悬挂液滴的大小，从而加工出不同形状的球形凹模。

实施例2凹模一次成型加工

采用实施例1的方案，针对直径较小(0.1mm<圆弧半径SR<2mm)球形凹模，可采用一次直接成型加工，即利用可编程注射泵调节悬挂液滴的大小，待液态金属形状合适后接通电源，进行电火花放电加工，加工示意图如图3所示。

实施例3凹模多次扫描加工

采用实施例1的方案，对于直径较大(圆弧半径SR<10mm)的球形凹模，采用多次扫描加工方案，从工件表面开始不断向下蚀除工件，通过多次放电加工出理想凹槽，加工过程示意图如图4a1-4c2所示。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。