一种电极在线修整的微小孔电火花加工方法及系统与流程

1.本发明涉及电火花加工技术领域，特别地，涉及一种电极在线修整的微小孔电火花加工方法及系统
。


背景技术：

2.数控电火花微小孔加工机床是一种工业加工设备， 通过利用导电中空电极管或微细电极丝作为加工工具电极，对工件进行脉冲火花放电以蚀除工件金属材料，实现微小孔的加工，通常用于加工超硬钢材
、
硬质合金
、
高温合金及任何可导电性材料尤其是难加工材料的精密微小孔
。
3.由于工具电极在连续放电加工工作后，电极端部会产生磨损，且由于损耗不均匀，会导致电极端部由正常的平整形状变为尖端形状，导致放电能量不均衡，产生积碳现象，在持续的放电加工过程中，会导致工件加工不稳定
、
加工精度降低，尺寸误差增大，导致加工工件次品率增加，生产成本也会提高
。
4.传统的修整工具电极的方式为进行完小孔加工之后，在下一个小孔加工之前，将电极移动到相应位置，通过调换工件端和电极端的极性的方式进行电极修整，如通过继电器等外部切换方式调换极性，由此对电极端部进行蚀除加工，使电极端部恢复至平整形状
。
5.然而，这种传统的修复方式需要在当前孔加工完成后，将电极移出进行修整，修整完成后再加工下一个孔，导致加工孔的一致性变差；同时，在这种传统的修复方式下，电火花小孔机需要在一个小孔加工完成后才能修整电极，在一个小孔的连续加工过程中无法暂停修整，而在一次连续加工的过程中，电极端部会逐渐磨损，导致加工状态逐渐变差，因此这种传统的修复方式只能改善孔的入口加工情况，随着加工的进行，电极损坏的情况无法得到有效控制，影响加工的稳定性，特别是孔出口的加工稳定性，进而影响工件孔的加工质量
。
6.针对上述问题，就需要提供一种电极在线修整的微小孔电火花加工方案，以提高加工效率和加工质量，保证加工过程稳定及实现高效率加工
。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种电极在线修整的微小孔电火花加工方法及系统
。
8.本发明采用的技术方案是：一种电极在线修整的微小孔电火花加工方法，在工具电极对一待加工工件的加工过程中，以连续多个循环加工周期进行加工，各所述循环加工周期由一正向正常加工时段和一反向修整加工时段组成；所述正向正常加工时段由多个正向脉冲组成；所述正向正常加工时段中，在所述待加工工件和所述工具电极上施以正向脉冲电压，该正向脉冲电压由所述待加工工件指向所述工具电极，对所述待加工工件进行放电加工；所述反向修整加工时段由多个反向脉冲组成；所述反向修整加工时段中，在所述
工具电极和所述待加工工件上施以反向脉冲电压，该反向脉冲电压由所述工具电极指向所述待加工工件，对所述工具电极进行放电修整；所述正向脉冲电压和所述反向脉冲电压由一控制模块进行切换
。
9.进一步的技术方案，在各所述循环加工周期中，所述正向正常加工时段与所述反向修整加工时段之间均设有一延迟保护时段；所述延迟保护时段中，所述工具电极和所述待加工工件之间电压为零；所述延迟保护时段的长度为
10
至
50
微秒
。
10.进一步的技术方案，具有一提前修整机制，包括如下内容；所述正向正常加工时段中，在各所述正向脉冲中检测放电击穿的瞬时脉冲电压峰值，当所述瞬时脉冲电压峰值大于或等于一预设电压阈值时，判定该正向脉冲为有效脉冲，反之则判定为不良脉冲；对于各所述正向正常加工时段，从其中的第n个正向脉冲开始，在每个正向脉冲结束后，以该正向脉冲至该正向脉冲之前一共n个连续的正向脉冲为检测范围进行判断，其中n为一预设的小于所述正向正常加工时段中正向脉冲总数量的自然数；定义所述检测范围中不良脉冲数占总脉冲数的比例为不良率，所述控制模块判断该检测范围的不良率是否大于或等于一预设不良阈值，若是则将当前的正向脉冲电压切换为反向脉冲电压，以进入一适应反向修整时段，若否则按正常流程继续工作；所述适应反向修整时段由多个反向脉冲组成，所述适应反向修整时段中，在所述工具电极和所述待加工工件上施以反向脉冲电压，该反向脉冲电压由所述工具电极指向所述待加工工件，对所述工具电极进行放电修整；所述适应反向修整时段的时长与所述预设不良阈值的大小成正相关关系；所述适应反向修整时段结束后进入所述正向正常加工时段
。
11.进一步的技术方案，所述预设电压阈值为
40v。
12.进一步的技术方案，所述预设不良阈值的范围为
10%
至
30%
；当所述预设不良阈值设定为
10%
，所述适应反向修整时段的时长设定为
200
毫秒，在此基础上该预设不良阈值的设定数值每增加
1%
，所述适应反向修整时段的设定时长扩大
10%。
13.进一步的技术方案，具有一穿透前修整机制，包括如下内容；在所述工具电极对所述待加工工件的加工打孔过程中，将孔打穿的深度称为总穿透深度，所述控制模块通过所述工具电极的进给距离获取打孔的实时深度；所述实时深度与所述总穿透深度的比值为穿透进度，当该穿透进度达到一穿透阈值时，所述控制模块将当前的正向脉冲电压切换为反向脉冲电压，以提前进入所述反向修整加工时段
。
14.进一步的技术方案，所述穿透阈值为
80%
至
98%。
15.进一步的技术方案，一个所述循环加工周期的时间长度为
100ms
至
1min。
16.进一步的技术方案，所述反向修整加工时段占所述循环加工周期的时长比例小于或等于
10%。
17.本方案的有益效果在于：将工具电极对待加工工件的加工过程分为正向正常加工时段和反向修整加工时段，两者之间的切换通过在工具电极和待加工工件上自动切换正向脉冲电压和反向脉冲电压实现，其中正向正常加工时段设备处于对待加工工件的正常加工状态，反向修整加工时段设备处于对工具电极的修整状态，以这两个时段为一循环加工周
期进行循环加工，从而可以在连续加工过程中实现对工具电极的修整，由此保证了加工孔的一致性；同时，由于设备在正常加工状态和修整状态之间以较短时间循环切换，工具电极在加工较短时间后，磨损尚不严重时就会得到修整，因此保证了工具电极的原始状态，可以保证在孔加工过程中从孔入口到孔出口整体过程的加工稳定性，由此提高了加工质量
。
18.以及：一种电极在线修整的微小孔电火花加工系统，包括放电电路和控制模块；所述放电电路包括串联设置的脉冲电源
、
加工极性切换工作回路
、
保护开关和限流电阻，所述脉冲电源对外输出幅值在
50v
至
180v
区间内的脉冲电压；所述加工极性切换工作回路包括并联设置的第一支路和第二支路，所述第一支路上设有串联的第一开关和第三开关，所述第二支路上设有串联的第二开关和第四开关；所述第一开关和所述第三开关之间设有用于向工具电极供电的电极端口，所述第二开关和所述第四开关之间设有用于向一待加工工件供电的工件端口；所述控制模块控制所述第一开关
、
所述第二开关
、
所述第三开关和所述第四开关的开闭；所述第一开关和所述第四开关闭路，且所述第二开关和所述第三开关开路时，所述电极端口接所述脉冲电源的正极，所述工件端口接所述脉冲电源的负极；所述第一开关和所述第四开关开路，且所述第二开关和所述第三开关闭路时，所述电极端口接所述脉冲电源的负极，所述工件端口接所述脉冲电源的正极
。
19.本方案的有益效果在于：本系统工作时，通过控制模块对各开关的开闭切换，能够改变电极端口和工件端口的正负极性，由此使工具电极和待加工工件二者在受到正向脉冲电压和反向脉冲电压的状态之间切换；当待加工工件和工具电极处于正向脉冲电压状态下，设备处于对待加工工件的正常加工状态，当工具电极和待加工工件处于反向脉冲电压状态下，设备处于对工具电极的修整状态；由此，通过本系统能够使设备在正常加工状态和修整状态之间由控制模块自动切换，无需将工具电极移出进行修整，能够在修整工具电极时保持加工的连续性，从而提高了加工效率；同时通过正常加工状态与修整状态的循环切换，能够保证对工具电极的修整质量，并由此提高加工质量
。
附图说明
20.附图1为本发明实施例一个循环加工周期的波形图；附图2为本发明实施例中加工方法的流程图；附图3为本发明实施例中加工系统的电路示意图
。
21.以上附图中：1．脉冲电源；2．加工极性切换工作回路；3．保护开关；4．限流电阻；
51
．第一开关；
52
．第二开关；
53
．第三开关；
54
．第四开关；6．电极端口；7．工件端口；
t
．循环加工周期；
t1
．正向正常加工时段；
t2
．反向修整加工时段；
t3
．适应反向修整时段；
t4
．延迟保护时段；
t1
．正向脉冲；
t2
．反向脉冲
。
实施方式
22.下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：以下将以图式及详细叙述对本案进行清楚说明，任何本领域技术人员在了解本案的实施例后，当可由本案所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本案的精神与范围
。
23.本文的用语只为描述特定实施例，而无意为本案的限制
。
单数形式如“一”、“这”、“此”、“本”以及“该”，如本文所用，同样也包含复数形式
。
24.关于本文中所使用的“第一”、“第二”等，并非特别指称次序或顺位的意思，亦非用以限定本案，其仅为了区别以相同技术用语描述的组件或操作
。
25.关于本文中所使用的“连接”或“定位”，均可指二或多个组件或装置相互直接作实体接触，或是相互间接作实体接触，亦可指二或多个组件或装置相互操作或动作
。
26.关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于
。
27.关于本文中所使用的用词（
terms
），除有特别注明外，通常具有每个用词使用在此领域中
、
在本案内容中与特殊内容中的平常意义
。
某些用以描述本案的用词将于下或在此说明书的别处讨论，以提供本领域技术人员在有关本案之描述上额外的引导
。
28.关于本文中所使用的“前”、“后”、“上”、“下”、“左”、“右”等，均为方向性用词，在本案中仅为说明各结构之间位置关系，并非用以限定本案保护范围及实际实施时的具体方向
。
29.如图
1、
图2所示，提供一种电极在线修整的微小孔电火花加工方法，具体内容包括如下：在工具电极对一待加工工件的加工过程中，以连续多个循环加工周期
t
进行加工，各所述循环加工周期
t
由一正向正常加工时段
t1
和一反向修整加工时段
t2
组成
。
30.其中，所述正向正常加工时段
t1
由多个正向脉冲
t1
组成；所述正向正常加工时段
t1
中，在所述待加工工件和所述工具电极上施以正向脉冲电压，该正向脉冲电压由所述待加工工件指向所述工具电极，对所述待加工工件进行放电加工；所述反向修整加工时段
t2
由多个反向脉冲
t2
组成；所述反向修整加工时段
t2
中，在所述工具电极和所述待加工工件上施以反向脉冲电压，该反向脉冲电压由所述工具电极指向所述待加工工件，对所述工具电极进行放电修整
。
31.所述正向脉冲电压和所述反向脉冲电压由一控制模块进行切换，由此在加工过程中以正向正常加工时段
t1、
反向修整加工时段
t2、
正向正常加工时段
t1
的次序交替循环工作
。
32.本加工方法将工具电极对待加工工件的加工过程分为正向正常加工时段
t1
和反向修整加工时段
t2
，两者之间的切换通过在工具电极和待加工工件上自动切换正向脉冲电压和反向脉冲电压实现，其中正向正常加工时段
t1
设备处于对待加工工件的正常加工状态，反向修整加工时段
t2
设备处于对工具电极的修整状态，以这两个时段为一循环加工周期
t
进行循环加工，从而可以在连续加工过程中实现对工具电极的修整，由此保证了加工效率
。
33.同时，由于设备在正常加工状态和修整状态之间以较短时间循环切换，工具电极在加工较短时间后，磨损尚不严重时就会得到修整，因此保证了工具电极的工作状态，可以
保证在孔加工过程中从孔入口到孔出口整体过程的加工稳定性，由此提高了加工质量
。
34.本实施例中，一个所述循环加工周期
t
的时间长度为
100ms
至
1min
，该区间下，不至于过长而影响工具电极的加工状态，也不至于过短导致电路切换频繁而影响到待加工工件的加工孔的效率和质量
。
35.其中，所述反向修整加工时段
t2
占所述循环加工周期
t
的时长比例小于或等于
10%
，以在花费少量时间修整的同时，将大部分时间留给正向正常加工时段
t1
对待加工工件进行加工，保证总体加工效率
。
36.本实施例中，所述正向脉冲
t1
由一个正向放电脉宽和一个正向脉间组成，所述反向脉冲
t2
由一个反向放电脉宽和一个反向脉间组成；所述正向脉冲
t1
和所述反向脉冲
t2
的脉冲长度均小于或等于
500
微秒，可以满足基本的加工需求，而其脉冲长度越小加工效果越好；所述正向脉冲电压和所述反向脉冲电压具有相同大小的脉冲电压幅值，所述脉冲电压幅值在
50v
至
180v
区间内选取，优选为
90v
，能起到较好的加工效果
。
37.本实施例中，在各所述循环加工周期
t
中，所述正向正常加工时段
t1
与所述反向修整加工时段
t2
之间均设有一延迟保护时段
t4
，以对设备进行保护；所述延迟保护时段
t4
中，所述工具电极和所述待加工工件之间电压为零；所述延迟保护时段
t4
的长度为
10
至
50
微秒
。
38.本方法实施例中，还具有一提前修整机制，包括如下内容；所述正向正常加工时段
t1
中，在各所述正向脉冲
t1
中检测放电击穿的瞬时脉冲电压峰值，当所述瞬时脉冲电压峰值大于或等于一预设电压阈值时，判定该正向脉冲
t1
为有效脉冲，反之则判定为不良脉冲；本实施例中，所述预设电压阈值为
40v。
39.对于各所述正向正常加工时段
t1
，从其中的第n个正向脉冲
t1
开始，在每个正向脉冲
t1
结束后，以该正向脉冲
t1
至该正向脉冲
t1
之前一共n个连续的正向脉冲
t1
为检测范围进行判断，其中n为一预设的小于所述正向正常加工时段
t1
中正向脉冲
t1
总数量的自然数；定义所述检测范围中不良脉冲数占总脉冲数的比例为不良率，此处的总脉冲数指检测范围内的正向脉冲
t1
数量，所述控制模块判断该检测范围的不良率是否大于或等于一预设不良阈值，若是则将当前的正向脉冲电压切换为反向脉冲电压，以进入一适应反向修整时段
t3
，若否则按正常流程继续工作
。
40.其中，所述适应反向修整时段
t3
由多个反向脉冲
t2
组成，所述适应反向修整时段
t3
中，在所述工具电极和所述待加工工件上施以反向脉冲电压，该反向脉冲电压由所述工具电极指向所述待加工工件，对所述工具电极进行放电修整；所述适应反向修整时段
t3
的时长与所述预设不良阈值的大小成正相关关系；所述适应反向修整时段
t3
结束后进入所述正向正常加工时段
t1。
41.通过该提前修整机制，可以在加工状态不好的情况下马上转为修整状态，而不必等待当前正向正常加工时段
t1
结束后再进入反向修整加工时段
t2
来进行修整，由此能够保证对待加工工件的总体加工质量
。
42.具体的，所述预设不良阈值的范围为
10%
至
30%
，可在该范围内设定；当所述预设不良阈值设定为
10%
，所述适应反向修整时段
t3
的时长设定为
200
毫秒，在此基础上该预设不良阈值的设定数值每增加
1%
，所述适应反向修整时段
t3
的设定时长扩大
10%
；即预设不良阈值越大，需要的修整时间就越长，与实际情况相符合
。
43.本方法实施例中，还具有一穿透前修整机制，包括如下内容；在所述工具电极对所述待加工工件的加工打孔过程中，将孔打穿的深度称为总穿透深度，所述控制模块通过所述工具电极的进给距离获取打孔的实时深度；所述实时深度与所述总穿透深度的比值为穿透进度，当该穿透进度达到一穿透阈值时，所述控制模块将当前的正向脉冲电压切换为反向脉冲电压，以提前进入所述反向修整加工时段
t2。
44.其中，所述穿透阈值为
80%
至
98%
，在实际实施中操作人员可以根据实际情况，如所要打孔的深度及其他数据来进行选择设定
。
45.通过该穿透前修整机制，可以在即将打穿待加工工件之前，对工具电极进行修整，使其以最好的加工状态进行打孔穿透，以保证穿透时的加工质量
。
46.如图3所示，还提供一种电极在线修整的微小孔电火花加工系统，用于实现上述的一种电极在线修整的微小孔电火花加工方法，包括放电电路和控制模块
。
47.所述放电电路包括串联设置的脉冲电源
1、
加工极性切换工作回路
2、
保护开关3和限流电阻4，所述脉冲电源1对外输出幅值在
50v
至
180v
区间内的脉冲电压
。
48.所述加工极性切换工作回路2包括并联设置的第一支路和第二支路，所述第一支路上设有串联的第一开关
51
和第三开关
53
，所述第二支路上设有串联的第二开关
52
和第四开关
54
；所述第一开关
51
和所述第三开关
53
之间设有用于向工具电极供电的电极端口6，所述第二开关
52
和所述第四开关
54
之间设有用于向一待加工工件供电的工件端口
7。
49.该所述加工极性切换工作回路2的设计下，当所述第一开关
51
和所述第四开关
54
闭路，且所述第二开关
52
和所述第三开关
53
开路时，所述电极端口6接所述脉冲电源1的正极，所述工件端口7接所述脉冲电源1的负极；该状态下放电电路对工具电极和待加工工件施以由工具电极指向待加工工件的反向脉冲电压，设备处于对工具电极的修整状态
。
50.当所述第一开关
51
和所述第四开关
54
开路，且所述第二开关
52
和所述第三开关
53
闭路时，所述电极端口6接所述脉冲电源1的负极，所述工件端口7接所述脉冲电源1的正极；该状态下放电电路对工具电极和待加工工件施以由待加工工件指向工具电极的正向脉冲电压，设备处于对待加工工件的正常加工状态
。
51.所述控制模块（图中未示出）控制所述第一开关
51、
所述第二开关
52、
所述第三开关
53
和所述第四开关
54
的开闭，由此可以通过控制模块自动切换各开关的开闭，进而切换设备的工作状态；本实施例中，所述控制模块为单片机，第一开关
51、
第二开关
52、
第三开关
53、
第四开关
54
均为绝缘栅双极型晶体管开关，通过单片机控制绝缘栅双极型晶体管开关的开闭属于现有技术，其具体结构和工作原理为本领域技术人员熟知，且非本案发明点，故在此不作赘述
。
52.本加工系统工作时，通过控制模块对各开关的开闭切换，能够改变电极端口6和工件端口7的正负极性，由此使工具电极和待加工工件二者在受到正向脉冲电压和反向脉冲电压的状态之间切换；当待加工工件和工具电极处于正向脉冲电压状态下，设备处于对待加工工件的正常加工状态，当工具电极和待加工工件处于反向脉冲电压状态下，设备处于对工具电极的修整状态；由此，通过本系统能够使设备在正常加工状态和修整状态之间由控制模块自动切换，无需将工具电极移出进行修整，能够在加工过程中实时在线修整工具电极，保持加工孔的一致性和加工连续性，从而提高了加工效率；同时通过正常加工状态与修整状态的循环切换，能够保证对工具电极的修整质量，并由此提高加工质量
。
53.在实际实施中，也可通过具有其它相同或相似功能的电路结构的加工系统来实现本微小孔电火花加工方法，并不局限于本实施例中的加工系统
。
54.上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围
。
凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内
。