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】
[0001]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肩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
[0002]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，可以提高工作系统的性能，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】
[0003]本发明目的在于克服现有技术的确定，提供加工效率高的具有微锥塔阵列端面的电极及其加工方法。
[0004]本发明的另一目的在于提供一种应用上述电极的脉冲气流辅助聚热排肩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。
[0005]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肩，放电产生的碎肩更快排出，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。
[0006]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50 μ m>d>2 μ m，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?I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。
[0007]本发明目的通过如下技术方案实现:
[0008]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I?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。
[0009]优选地，所述通气孔为圆柱形，通气孔的直径为2?500微米。
[0010]所述电极端头和配气导向杆通过卡槽连接。
[0011 ] 所述电极端头的材料为紫铜，黄铜或红铜。
[0012]所述放电端面的尺寸为2?50mmX 2?50mm。
[0013]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I?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。
[0014]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肩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；所述微放电脉冲电源频率的开路电压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?100Hz，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。
[0015]优选地，所述冷却液为水。
[0016]本发明与现有技术相比具有如下优点:
[0017](I)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。
[0018](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。
[0019](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。
[0020](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，爆炸力更强，一次放电蚀除工件材料更多，加工效率更高。
[0021](5)通入的反向脉冲气流可以将放电产生的碎肩排出，从而加快排肩，提高加工效率和加工表面质量。
【附图说明】
[0022]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。
[0023]图2为脉冲气流辅助聚热微放电加工示意图。
[0024]图3为脉冲气流辅助聚热微放电加工局部示意图。
[0025]图4为脉冲气流辅助排肩局部示意图。
[0026]图5为实施例1所用紫铜电极端头扫描电镜图。
[0027]图6为实施例1电极在铝基碳化硅材料表面加工效果图。
[0028]图7为实施例2电极在钛合金圆柱块端面加工效果图。
[0029]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】
[0030]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。
[0031]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I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I?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。
[0032]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I?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I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。
[0033]如图2所示，具有微锥塔阵列端面的电极包括电极端头I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I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?lOOOHz/s)相同，气流脉冲比电源脉冲提前0.5?I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立而。
[0034]如图3所示，当脉冲气流8为正向时，电极端头I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，使得爆炸力更强，电火花放电更加集中，一次放电腐蚀工件材料更多。
[0035]如图4所示，当脉冲气流8为反向时，反向的脉冲气流8可以辅助排肩，放电产生的碎肩更快排出，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。
[0036]实施例1
[0037]在CNC精密机床(SMRART Β818)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I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I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2mmX 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。
[0038]本实施例所用电极由电极端头(图5