本發(fā)明涉及微細、特種加工技術(shù)領(lǐng)域，應(yīng)用于微細復(fù)雜曲面電火花加工行業(yè)的一種多材質(zhì)電火花加工電極及其加工方法。

背景技術(shù)：

微型化、精密化、復(fù)雜化是當今機電產(chǎn)品的重要發(fā)展方向。在航空航天、光電通訊、生物醫(yī)療、模具制造等諸多技術(shù)領(lǐng)域中，許多關(guān)鍵零件常具有微細復(fù)雜曲面特征，甚至涉及自由曲面(如微型飛行器的復(fù)雜殼體、微型精密光學(xué)器件、微型傳感器的復(fù)雜敏感元件、微小仿生機構(gòu)的運動高副等)，這些關(guān)鍵零件因應(yīng)用條件與工作環(huán)境的特殊要求常采用高性能金屬合金及功能材料等難加工材料。

目前微細復(fù)雜曲面加工多采用電火花銑削加工方法，它運用簡單電極(如棒狀、空心管狀電極等)在數(shù)控系統(tǒng)的控制下按照特定軌跡做成形運動，通過簡單電極與工件之間在不同相對位置的放電作用實現(xiàn)所需工件形狀的加工。用該方法加工微細復(fù)雜結(jié)構(gòu)時，工具電極應(yīng)制造得盡量細長，以保證微小特征加工精度并抵抗嚴重的電極損耗。在通常情況下，單根電極也很難完成整個加工過程，更換電極將產(chǎn)生二次裝夾誤差，若采用在線方法重新制作電極，將降低加工效率。由于嚴重的電極損耗，加工過程中工具在長度方向上快速縮短，電極形狀也發(fā)生變化，現(xiàn)有的電極損耗補償策略很難實時發(fā)揮效用，降低了加工精度，加之分層策略和工具軌跡規(guī)劃策略的在曲面加工效率和精度方面難以兼顧。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

根據(jù)上述提出的技術(shù)問題，而提供一種多材質(zhì)電火花加工電極及其加工方法，用于解決現(xiàn)有的傳統(tǒng)分層銑削加工方法，具有加工效率低下，需頻繁更換電極，及需采用繁瑣的刀具軌跡規(guī)劃策略的缺點。本發(fā)明采用的技術(shù)手段如下：

一種多材質(zhì)電火花加工電極，包括電極基體和設(shè)置于電極基體底部的組分 電蝕材料；組成組分電蝕材料的電蝕材料具有一種以上，并且多種電蝕材料之間的耐電蝕程度不同，電蝕材料同電極基體之間的耐電蝕程度不同；當電極基體和工件分別接脈沖電源的正極、負極，組分電蝕材料底部表面形成微細復(fù)雜曲面。

作為優(yōu)選當組分電蝕材料包括第一電蝕材料Ⅰ、第一電蝕材料Ⅱ和第一電蝕材料Ⅲ，具有不同耐電蝕程度的第一電蝕材料Ⅰ、第一電蝕材料Ⅱ和第一電蝕材料Ⅲ在電極基體底部并排設(shè)置。

作為優(yōu)選當組分電蝕材料為單獨的第二電蝕材料，電極基體和第二電蝕材料為圓柱體，第二電蝕材料頂部表面的直徑小于電極基體底部表面的直徑。

作為優(yōu)選當組分電蝕材料包括第三電蝕材料Ⅰ和第三電蝕材料Ⅱ，第三電蝕材料Ⅰ包括六棱柱部和設(shè)置于六棱柱部一面?zhèn)缺诘拈L方體部，第三電蝕材料Ⅱ為圓柱體，設(shè)置于六棱柱部和長方體部之間的側(cè)壁。

作為優(yōu)選當組分電蝕材料包括第四電蝕材料Ⅰ、第四電蝕材料Ⅱ和第四電蝕材料Ⅲ，第四電蝕材料Ⅰ、第四電蝕材料Ⅱ和第四電蝕材料Ⅲ依次設(shè)置于電極基體底部，并且第四電蝕材料Ⅰ為長方體，第四電蝕材料Ⅱ為圓柱體，第四電蝕材料Ⅲ為六棱柱，第四電蝕材料Ⅰ、第四電蝕材料Ⅱ和第四電蝕材料Ⅲ的底部表面積依次減少。

作為優(yōu)選組成組分電蝕材料的電蝕材料之間，以及組分電蝕材料和電極基體之間，通過電化學(xué)沉積、導(dǎo)電膠粘接、外薄膜封接或金屬材料焊接方式，其中的一種或幾種連接在一起。

一種多材質(zhì)電火花加工電極的加工方法，包括以下步驟：

S1、根據(jù)所需加工的成型工件微細復(fù)雜曲面進行分析，并反推獲得不同材質(zhì)組分的損耗體電蝕材料的加工電極；

S2、選定分析后的獲得的不同材質(zhì)組分的加工電極的設(shè)計方案，準備組成組分電蝕材料；

S3、準備加工電極及工件分別接脈沖電源的正極、負極；

S4、加工過程中，加工電極前端的組成組分電蝕材料經(jīng)過放電損耗形成微細復(fù)雜曲面，得到所需微細復(fù)雜曲面的成形工件。

作為優(yōu)選S1中所述的分析為根據(jù)微細電火花加工電極損耗規(guī)律，在微細復(fù) 雜曲面多谷部位的相應(yīng)電極區(qū)域，增添不同材質(zhì)組分的損耗體，利用材料耐電蝕特性的不同及電極組分體積的不同，綜合實現(xiàn)在同步進給情況下電極均勻損耗階段工件不同部位加工去除量的差異，并反拷獲得所需不同材質(zhì)組分的損耗體電蝕材料設(shè)計。

作為優(yōu)選當加工電極特征尺度在幾微米到幾十微米之間，此時鍍層厚度與特征尺寸相近，用局部電沉積的方法將電極基體外的其它電極材料鍍覆到設(shè)計方案相應(yīng)的位置，實現(xiàn)多材質(zhì)電極加工；

當加工電極特征尺度在百微米以上的，采用局部電沉積方法將電蝕材料組分連接起來，或采用導(dǎo)電膠連接和導(dǎo)電膜濺射兩種方法進行連接。

作為優(yōu)選通電加工時，所述的加工電極和工件兩極均浸入有一定絕緣性質(zhì)的工作液中；所述加工電極的末端設(shè)置有用于控制垂直方向進給運動自動進給調(diào)節(jié)裝置。

與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明所述的多材質(zhì)電火花加工電極及其加工方法，具有以下優(yōu)點：

1、本發(fā)明所述的多材質(zhì)電火花加工電極及其加工方法，當電極基體和工件分別接脈沖電源的正極、負極，組分電蝕材料底部表面形成微細復(fù)雜曲面。利用電火花成形方法加工微細復(fù)雜曲面，避免了傳統(tǒng)分層銑削加工方法加工效率低下，頻繁更換電極及需采用繁瑣的刀具軌跡規(guī)劃策略等問題；能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的一次成形，避免了更換電極所造成的二次裝夾誤差，更精準地實現(xiàn)微細復(fù)雜曲面的高效成形加工。

2、本發(fā)明所述的多材質(zhì)電火花加工電極及其加工方法，利用電極均勻損耗后的曲面加工微細復(fù)雜曲面特征，曲面的表面質(zhì)量比傳統(tǒng)分層銑削加工方法有較大的提高。

3、本發(fā)明所述的多材質(zhì)電火花加工電極及其加工方法，所需設(shè)備簡單，加工中電極只作Z向進給就能夠?qū)崿F(xiàn)三維復(fù)雜曲面的加工，避免三維電火花機床加工對各軸伺服進給功能的要求，提高了工件的加工效率和加工精度，實現(xiàn)微細復(fù)雜曲面的高效精確成形。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步詳細的說明。

圖1-1是本發(fā)明實施例1加工前多材質(zhì)電火花加工電極組成及加工簡圖。

圖1-2是本發(fā)明實施例1加工過程中多材質(zhì)電火花加工電極組成及加工簡圖。

圖1-3是本發(fā)明實施例1加工完成后多材質(zhì)電火花加工電極組成及加工簡圖。

圖2-1是本發(fā)明實施例2加工前多材質(zhì)電火花加工電極組成及加工簡圖。

圖2-2是本發(fā)明實施例2加工前多材質(zhì)電火花加工電極組成仰視圖。

圖2-3是本發(fā)明實施例2加工完成后多材質(zhì)電火花加工電極組成及加工簡圖。

圖3-1是本發(fā)明實施例3加工前多材質(zhì)電火花加工電極組成示意圖。

圖3-2是本發(fā)明實施例3加工前多材質(zhì)電火花加工電極組成仰視圖。

圖3-3是本發(fā)明實施例3加工完成后多材質(zhì)電火花加工電極組成仰視圖。

圖3-4是本發(fā)明實施例3加工完成后工件俯視圖。

圖4-1是本發(fā)明實施例4加工前多材質(zhì)電火花加工電極組成仰視圖。

圖4-2是本發(fā)明實施例4加工前多材質(zhì)電火花加工電極組成主視圖。

圖4-3是本發(fā)明實施例4加工完成后多材質(zhì)電火花加工電極組成主視圖。

圖4-4是本發(fā)明實施例4加工完成后工件剖視圖。

其中：11、第一電極基體，12、第一電蝕材料Ⅰ，13、第一電蝕材料Ⅱ，14、第一電蝕材料Ⅲ，15、第一工件，

21、第二電極基體，22、第二電蝕材料，25、第二工件，

31、第三電極基體，32、第三電蝕材料Ⅰ，33、第三電蝕材料Ⅱ，35、第三工件，321、六棱柱部，322、長方體部，

41、第四電極基體，42、第四電蝕材料Ⅰ，43、第四電蝕材料Ⅱ，44、第四電蝕材料Ⅲ，45、第四工件。

具體實施方式

一種多材質(zhì)電火花加工電極，包括電極基體和設(shè)置于電極基體底部的組分電蝕材料；組成組分電蝕材料的電蝕材料具有一種以上，并且多種電蝕材料之間的耐電蝕程度不同，電蝕材料同電極基體之間的耐電蝕程度不同；當電極基體和工件分別接脈沖電源的正極、負極，組分電蝕材料底部表面形成微細復(fù)雜曲面。

當組分電蝕材料包括第一電蝕材料Ⅰ、第一電蝕材料Ⅱ和第一電蝕材料Ⅲ，具有不同耐電蝕程度的第一電蝕材料Ⅰ、第一電蝕材料Ⅱ和第一電蝕材料Ⅲ在電極基體底部并排設(shè)置。

當組分電蝕材料為單獨的第二電蝕材料，電極基體和第二電蝕材料為圓柱體，第二電蝕材料頂部表面的直徑小于電極基體底部表面的直徑。

當組分電蝕材料包括第三電蝕材料Ⅰ和第三電蝕材料Ⅱ，第三電蝕材料Ⅰ包括六棱柱部和設(shè)置于六棱柱部一面?zhèn)缺诘拈L方體部，第三電蝕材料Ⅱ為圓柱體，設(shè)置于六棱柱部和長方體部之間的側(cè)壁。

當組分電蝕材料包括第四電蝕材料Ⅰ、第四電蝕材料Ⅱ和第四電蝕材料Ⅲ，第四電蝕材料Ⅰ、第四電蝕材料Ⅱ和第四電蝕材料Ⅲ依次設(shè)置于電極基體底部，并且第四電蝕材料Ⅰ為長方體，第四電蝕材料Ⅱ為圓柱體，第四電蝕材料Ⅲ為六棱柱，第四電蝕材料Ⅰ、第四電蝕材料Ⅱ和第四電蝕材料Ⅲ的底部表面積依次減少。

組成組分電蝕材料的電蝕材料之間，以及組分電蝕材料和電極基體之間，通過電化學(xué)沉積、導(dǎo)電膠粘接、外薄膜封接或金屬材料焊接方式，其中的一種或幾種連接在一起。

一種多材質(zhì)電火花加工電極的加工方法，包括以下步驟：

S1、根據(jù)所需加工的成型工件微細復(fù)雜曲面進行分析，并反推獲得不同材質(zhì)組分的損耗體電蝕材料的加工電極；所述的分析為根據(jù)微細電火花加工電極損耗規(guī)律，在微細復(fù)雜曲面多谷部位的相應(yīng)電極區(qū)域，增添不同材質(zhì)組分的損耗體，利用材料耐電蝕特性的不同及電極組分體積的不同，綜合實現(xiàn)在同步進給情況下電極均勻損耗階段工件不同部位加工去除量的差異，并反拷獲得所需不同材質(zhì)組分的損耗體電蝕材料設(shè)計。

S2、利用不同材料、體積的電極組分損耗后得到的工件形狀不同，模塊化設(shè)計整個加工電極。

對于給出的多個加工電極的設(shè)計方案，結(jié)合電極組分的材料、結(jié)構(gòu)特性，以電極的加工效率為優(yōu)選判定條件，得出加工電極的最佳結(jié)構(gòu)方案。選定分析后的獲得的設(shè)計方案，準備組成組分電蝕材料。

S3、準備加工電極及工件分別接脈沖電源的正極、負極。

S4、加工過程中，加工電極前端的組成組分電蝕材料經(jīng)過放電損耗形成微 細復(fù)雜曲面，得到所需微細復(fù)雜曲面的成形工件。

當加工電極特征尺度在幾微米到幾十微米之間，此時鍍層厚度與特征尺寸相近，用局部電沉積的方法將電極基體外的其它電極材料鍍覆到設(shè)計方案相應(yīng)的位置，實現(xiàn)多材質(zhì)電極加工。

當加工電極特征尺度在百微米以上的，采用局部電沉積方法將電蝕材料組分連接起來，或采用導(dǎo)電膠連接和導(dǎo)電膜濺射兩種方法進行連接。

通電加工時，所述的加工電極和工件兩極均浸入有一定絕緣性質(zhì)的工作液中；所述加工電極的末端設(shè)置有用于控制垂直方向進給運動自動進給調(diào)節(jié)裝置，以垂直于加工表面方向向工件進給，以保證加工電極前端和工件在加工時維持很小的加工間隙。

加工過程中，微細電火花加工中工具電極和工件材料的損耗較大，隨著加工的進行電極的多材質(zhì)組分按照設(shè)計發(fā)生損耗和形狀變化，由于復(fù)合電極各電極組分的材料耐電蝕特性和形狀各不相同，加工過程中各電極組分的損耗速度和形狀變化也各不形同，就形成了加工表面的微細復(fù)雜曲面特征，當所有電極組分按照設(shè)計要求損耗完畢，單一材質(zhì)的電極基體材料參與加工，此時電極進入均勻損耗階段，所形成的工件微細復(fù)雜曲面特征由均勻損耗階段的微細電極形狀反拷而成。

通過加工出的多材質(zhì)電火花加工電極經(jīng)過放電損耗形成的平滑表面，直接反拷獲得工件高質(zhì)量的平滑曲面，曲面特征之間的拼接區(qū)域，則由電極損耗后形成的電極平滑過渡表面反拷而成。

步驟S1中所述的分析是以微細電火花加工中，不同材料、形狀的電極在不同的加工參數(shù)下電極損耗的形狀變化規(guī)律為基礎(chǔ)的。

微細電火花加工中，電極損耗較為劇烈，不同材料、形狀的電極在不同的加工參數(shù)下加工，能獲得不同的電極加工形狀。

影響電極形狀變化的基本原理是電火花加工極間介質(zhì)的擊穿規(guī)律，即放電擊穿通常發(fā)生在兩極間電場強度最大的位置。

在極間伺服系統(tǒng)的控制下，經(jīng)過一段時間的放電加工后，電極與工件進入均勻損耗階段，該階段隨著加工的進行，電極與工件加工表面形狀基本不發(fā)生變化，形成的均勻損耗電極形狀基本類似于極間電場的等勢曲面。

因此均勻損耗電極形狀與電極初始形狀密切相關(guān)，但是不同的電極材料由于熔沸點、導(dǎo)電導(dǎo)熱性、比熱容等物理性質(zhì)的不同，在不同的放電參數(shù)下會具 有不同的耐電蝕特性，因此相同形狀不同材料的電極組分在電極均勻損耗階段的形狀也是不同的。

通常情況下，耐電蝕特性強的電極材料，加工中電極相對損耗較小，工件材料去除較多，能夠形成大而深的曲面特征，反之耐電蝕特性弱的電極材料，多形成小而淺的曲面特征。

此外，電極均勻損耗形狀還與伺服系統(tǒng)靈敏度、進給速度、沖液條件有關(guān)。

S1中所述的電極形狀變化規(guī)律能夠根據(jù)電極初始形狀、材質(zhì)及放電參數(shù)以理論分析及計算機仿真的方法獲得，或根據(jù)大量實驗數(shù)據(jù)總結(jié)得出。

本發(fā)明所述的多材質(zhì)電火花加工電極及其加工方法，采用在線加工，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的一次成形，避免了更換電極，二次裝夾的誤差，是一種直接、高效而又精確地加工微細復(fù)雜曲面的方法。

微細電火花加工技術(shù)是將常規(guī)電火花加工工藝微細化，用于實現(xiàn)微細尺度零件特征加工的特種加工技術(shù)。由于具有非接觸加工、加工過程幾乎無切削力，不受材料的強度、硬度限制等特點，微細電火花加工技術(shù)特別適合于高精度、無變形的微小零件特征的加工以及硬脆難加工材料的微細加工。微細電火花加工技術(shù)特殊的加工原理將其加工區(qū)域限制在工具電極周邊的極小范圍內(nèi)，這決定了它是最適合微細曲面特征加工的微細加工方法。

實施例1，如圖1-1到圖1-3所示，一種多材質(zhì)電火花加工電極，包括第一電極基體11和設(shè)置于第一電極基體11底部的組分電蝕材料；組成組分電蝕材料的電蝕材料具有一種以上，并且多種電蝕材料之間的耐電蝕程度不同，電蝕材料同第一電極基體11之間的耐電蝕程度不同。

所述的組分電蝕材料包括第一電蝕材料Ⅰ 12、第一電蝕材料Ⅱ 13和第一電蝕材料Ⅲ 14，具有不同耐電蝕程度的第一電蝕材料Ⅰ 12、第一電蝕材料Ⅱ 13和第一電蝕材料Ⅲ 14在第一電極基體11底部并排設(shè)置。

所述的第一電蝕材料Ⅰ 12為易電蝕材料，所述的第一電蝕材料Ⅲ 14為難電蝕材料，所述的第一電蝕材料Ⅱ 13的耐電蝕程度介于第一電蝕材料Ⅰ 12和第一電蝕材料Ⅲ 14之間。

組成組分電蝕材料的電蝕材料之間，以及組分電蝕材料和第一電極基體之間，通過電化學(xué)沉積、導(dǎo)電膠粘接、外薄膜封接或金屬材料焊接方式，其中的一種或幾種連接在一起。

當?shù)谝浑姌O基體11和第一工件15分別接脈沖電源的正極、負極，組分電蝕材料底部表面形成微細復(fù)雜曲面。

實施例2，如圖2-1到圖2-3所示，一種多材質(zhì)電火花加工電極，包括第二電極基體21和設(shè)置于第二電極基體21底部的組分電蝕材料；組成組分電蝕材料的電蝕材料具有一種以上，并且多種電蝕材料之間的耐電蝕程度不同，電蝕材料同第二電極基體21之間的耐電蝕程度不同。

當組分電蝕材料為單獨的第二電蝕材料22，第二電極基體21和第二電蝕材料22為圓柱體，第二電蝕材料22頂部表面的直徑小于第二電極基體21底部表面的直徑。

組分電蝕材料和第二電極基體21之間，通過電化學(xué)沉積、導(dǎo)電膠粘接、外薄膜封接或金屬材料焊接方式，其中的一種或幾種連接在一起。

當?shù)诙姌O基體21和第二工件25分別接脈沖電源的正極、負極，組分電蝕材料底部表面形成微細復(fù)雜曲面。

實施例3，如圖3-1到圖3-4所示，一種多材質(zhì)電火花加工電極，包括第三電極基體31和設(shè)置于第三電極基體31底部的組分電蝕材料；組成組分電蝕材料的電蝕材料具有一種以上，并且多種電蝕材料之間的耐電蝕程度不同，電蝕材料同第三電極基體31之間的耐電蝕程度不同。

當組分電蝕材料包括第三電蝕材料Ⅰ 32和第三電蝕材料Ⅱ 33，第三電蝕材料Ⅰ 32包括六棱柱部321和設(shè)置于六棱柱部321一面?zhèn)缺诘拈L方體部322，第三電蝕材料Ⅱ 33為圓柱體，設(shè)置于六棱柱部321和長方體部322之間的側(cè)壁。

組成組分電蝕材料的電蝕材料之間，以及組分電蝕材料和第三電極基體31之間，通過電化學(xué)沉積、導(dǎo)電膠粘接、外薄膜封接或金屬材料焊接方式，其中的一種或幾種連接在一起。

當?shù)谌姌O基體31和第三工件35分別接脈沖電源的正極、負極，組分電蝕材料底部表面形成微細復(fù)雜曲面。

實施例4，如圖4-1到圖4-4所示，一種多材質(zhì)電火花加工電極，包括第四電極基體41和設(shè)置于第四電極基體41底部的組分電蝕材料；組成組分電蝕材料的電蝕材料具有一種以上，并且多種電蝕材料之間的耐電蝕程度不同，電蝕 材料同第四電極基體41之間的耐電蝕程度不同。

當組分電蝕材料包括第四電蝕材料Ⅰ 42、第四電蝕材料Ⅱ 43和第四電蝕材料Ⅲ 44，第四電蝕材料Ⅰ 42、第四電蝕材料Ⅱ 43和第四電蝕材料Ⅲ 44依次設(shè)置于第四電極基體41底部，并且第四電蝕材料Ⅰ 42為長方體，第四電蝕材料Ⅱ 43為圓柱體，第四電蝕材料44Ⅲ為六棱柱，第四電蝕材料Ⅰ 42、第四電蝕材料Ⅱ 43和第四電蝕材料Ⅲ44的底部表面積依次減少。

所述的第四電蝕材料Ⅰ 42側(cè)壁為傾斜面，第四電蝕材料Ⅰ 42的側(cè)壁同第四電極基體41底面角度大于90°。

組成組分電蝕材料的電蝕材料之間，以及組分電蝕材料和第四電極基體41之間，通過電化學(xué)沉積、導(dǎo)電膠粘接、外薄膜封接或金屬材料焊接方式，其中的一種或幾種連接在一起。

當?shù)谒碾姌O基體41和第四工件45分別接脈沖電源的正極、負極，組分電蝕材料底部表面形成微細復(fù)雜曲面。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。