專利名稱：電化學(xué)機(jī)械加工工件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用電極對工件進(jìn)行電化學(xué)機(jī)械加工的方法，所述方法包括下列步驟調(diào)定電極與工件之間的間隙，該間隙充有電解液；通過電極和工件將電流通入間隙的電解液中，對工件進(jìn)行機(jī)械加工；產(chǎn)生測量信號，測量信號中含有關(guān)于間隙中可能產(chǎn)生電火花的信息；和當(dāng)測量信號的參數(shù)超過一定閾值時減小電流，保護(hù)電極和工件，使其不致?lián)p傷。
本發(fā)明還涉及一種用電極對工年進(jìn)行電化學(xué)機(jī)械加工的設(shè)備，所述設(shè)備包括一個操作機(jī)構(gòu)，用于調(diào)定電極與工件之間的間隙；一個流體輸送裝置，用于使電解液淹沒間隙；一個電源裝置，用于經(jīng)電極和工件將電流通入間隙的電解液中，對工件進(jìn)行機(jī)械加工；和一個防損裝置，包括一個測量裝置，用于產(chǎn)生測量信號，測量信號中含有關(guān)于間隙中可能有電火花放電的信息；一個檢測裝置，用于在測量信號的參數(shù)超過閾值時產(chǎn)生停止信號；和一個減流裝置，用于在檢測出所述停止信號時減小所述電流。
本發(fā)明還涉及一種防損裝置，所述防損裝置包括一個測量裝置，用于產(chǎn)生測量信號，測量信號中含有關(guān)于電極間隙中可能有電火花放電的信息；
一個檢測裝置，用于在測量信號的參數(shù)超過閾值時產(chǎn)生停止信號；和一個減流裝置，用于在檢測出所述停止信號時減小所述電流。
從英國專利GB 2140824可以了解到這種方法、設(shè)備和防損裝置。該專利的方法用于一種用電極對工件進(jìn)行電化學(xué)機(jī)械加工(ECM)的設(shè)備中。這種方法是先調(diào)定電極與工件之間的間隙，再將間隙灌滿電解液，通過電極和工件往電解液中供以來于電源的電流。為防止間隙中產(chǎn)生電弧，用與電極和工件連接的電路檢測個別的電火花放電。所述電路有一個濾波裝置用以辨別電火花放電引起的噪音和電源產(chǎn)生的噪音。當(dāng)檢測出電火花放電時，切斷電源，從而避免電弧引起的損傷。這種方法、設(shè)備和防損裝置的缺點是，電火花放電本身也損害電極和工件。尤其是當(dāng)電極間的間隙小于50微米時，由于由此產(chǎn)生的損害需要更換電極，因而應(yīng)避免電火花放電。
本發(fā)明的目的是減小電極和/或工件損壞的風(fēng)險。為達(dá)到此目的，本發(fā)明的方法具有這樣的特征用檢測間隙產(chǎn)生的高頻電磁波的天線以產(chǎn)生測量信號。由于這項措施，測量信號含有關(guān)于電火花放電開始的信息。通過在檢測出此信息時減小電流，電火花的放電受到阻礙，從而降低了損害的風(fēng)險。
本發(fā)明是根據(jù)這樣的見解提出的電火花放電開始時，部分放電在間隙內(nèi)的中間層產(chǎn)生。這個中間層可以是陽極上的鈍化層、陰極上氫氣的泡沫層或陽極上氧氣的泡沫層。這類中間層的導(dǎo)電率比電解液低，因而幾乎所有全部間隙電壓出現(xiàn)在中間層兩端。這類中間層的厚度僅為間隙寬度的一部分，從而使間隙電壓引起的電場強(qiáng)度高到在此中間層產(chǎn)生部分放電的程度。這種部分放電對電解液起局部加熱的作用，從而有氣泡產(chǎn)生。產(chǎn)生的氣體量若多到一定的程度就足以在電極與工件之間形成絕緣橋，且通過雪崩效應(yīng)在電極與工件之間產(chǎn)生電火花放電。因此，可以這樣理解部分放電是電火花放電的前兆。我們知道，部分放電引起的危害比火花放電小。此外，我們知道，這類部分放電引起的高頻電磁波可用天線檢測出來。因此，通過監(jiān)控電磁波并在檢測出與部分放電相應(yīng)的電磁波時減小電流，可以防止電極和/或工件損壞。這樣，可以用較小的間隙提高機(jī)械加工的速度和精確度。
應(yīng)該指出的是，英國專利GB 2095153是用天線測量電火花的，但這個測量是用在旨在產(chǎn)生反復(fù)以10至30兆赫頻率出現(xiàn)的電火花放電的放電機(jī)(EDM)中的。在這種EDM機(jī)中，間隙現(xiàn)象完全不同，而且該專利中沒有提到部分放電。其中的天線是用于產(chǎn)生表示電火花放電的頻率和幅度的信號而不是檢測電火花放電前的部分放電。
合適且易于監(jiān)控的參數(shù)，舉例說有經(jīng)傳輸高頻帶的帶通濾波器濾波之后的測量信號的幅值。通過濾除較低的頻率，可以避免例如電源頻率干擾部分放電的檢測過程。
在工業(yè)環(huán)境中，通常有許多設(shè)備在接通和切除大電流時放射出高頻脈沖串。這些高頻脈沖串若為天線所接收可能會導(dǎo)致所謂“偽警報”。為減少“偽警報”的風(fēng)險，最好監(jiān)控測量信號高頻帶能量的多少。
用于與所監(jiān)控的部分放電相應(yīng)的參數(shù)的閾值不難通過實驗確定，其中，有意識地產(chǎn)生電火花放電并觀測電火花發(fā)生之前某一時隙中的測量信號。這稍后即將參看


。
本發(fā)明的設(shè)備和防損裝置的特點在于，具有一個測量裝置，它包括一個用于檢測間隙產(chǎn)生的高頻電磁波的天線。
天線與電極和工件在電氣上都絕緣的措施有這樣的好處，與電極和/或工件連接的電源線上的高頻噪音不直接耦合到天線上，從而提高了檢測的質(zhì)量。
天線采用偶極天線的好處是，天線可放在工作區(qū)之外，從而可輕易觸及和改變電極和工件而不致受天線的妨礙。
天線采用安置在間隙周圍的環(huán)形天線有這樣的好處天線對間隙中放電產(chǎn)生的電磁波非常敏感，而對來自環(huán)境的起干擾作用的電磁波不太敏感。
檢測裝置的帶通濾波器后面的電平檢測器檢測著10和100兆赫之間的頻率測量信號的電平有這樣的好處即價格性能比好。這個頻帶的測量設(shè)備不難獲得，價錢較便宜。部分放電引起的電磁波還含有100兆赫以上的頻率成分。但能檢測出100兆赫以下的頻率成分也就夠了。
本發(fā)明的防損裝置的特點在于，具有一個天線，用于檢測電極間間隙產(chǎn)生的高頻電磁波。
現(xiàn)在參看附圖更詳細(xì)地舉例說明本發(fā)明。
圖1示出了本發(fā)明設(shè)備的第一實施例。
圖2示出了本發(fā)明第二實施例中的偶極天線。
圖3示出了本發(fā)明第三實施例中的環(huán)形天線。
圖4示出了產(chǎn)生電火花放電之前和期間經(jīng)濾波的天線信號Ua和間隙兩端的電壓Ub的時間t的關(guān)系曲線。
圖1示出了本發(fā)明的第一實施例。設(shè)備1是用電極3對工作2進(jìn)行電化學(xué)機(jī)械加工的設(shè)備。設(shè)備1的操作機(jī)構(gòu)8用于調(diào)定電極3與工件2之間的間隙4。設(shè)備還有一個流體輸送裝置和一個容器10。流體輸送裝置呈通道11的形式，用于使電解液5淹沒間隙4。容器10用于裝電解液5用。在此情況下，電解液由2-25％的NaNO3水溶液組成。電源裝置呈電源線12和13的形式，用于將電源40來的電流I經(jīng)電極3和工件2通入間隙4的電解液中，以便對工件2進(jìn)行機(jī)械加工。間隙4附近配備有一個天線21用以接收間隙4放射來的電磁波。天線21與帶通濾波器22連接。帶通濾波器22讓40至100兆赫頻帶的信號通過，傳送到電平檢測器23上。電平檢測器23將濾波后信號的幅值Ua與閾值相比較，在幅值超過閾值時給控制機(jī)構(gòu)30提供停止信號Us。控制機(jī)構(gòu)30編程得使其根據(jù)停止信號Us打開電源40中的開關(guān)43。天線21、帶通濾波器22、電平檢測器23和控制機(jī)構(gòu)30一起形成防損系統(tǒng)，可用于現(xiàn)存的ECM設(shè)備中。
天線21位于容器10中，并浸在電解液5中。由于電解液5的導(dǎo)電率低，因而天線21實際上與電極4和工件2絕緣，從而使電源40與天線21不耦合，使電源40產(chǎn)生的噪音和電源線12和13檢到的其它噪音不致傳送到帶通濾波器22。
圖2示出了本發(fā)明第二實施例的偶極天線。偶極天線121安置在電極103與工件102之間的電極間間隙204的旁邊，且使其取向得能以最佳狀態(tài)接收間隙204產(chǎn)生的電磁波。天線121還可以加屏蔽罩，將其與間隙204以外的其它位置來的電磁波屏蔽起來。天線121與微處理器122連接。微處理器122對天線信號取樣，并計算所取樣的信號在1微秒時隙期間10至20兆赫頻帶范圍的能量。當(dāng)計算出的能量超過一定的閾值時，微處理機(jī)構(gòu)122給電源提供停止信號，如圖1中所示。
圖3示出了本發(fā)明第三實施例中的環(huán)形天線。環(huán)形天線221安置在電極203與工件202之間的間隙204周圍，與帶通濾波器222連接。帶通濾波器222讓35至45兆赫的頻率成分通過。第三實施例的其它各部分與參照圖1所述的類似。
圖4示出了電火花放電發(fā)生之前濾波后的天線信號Ua和間隙兩端的電壓Ub與時間的關(guān)系曲線。這種電火花放電可以通過實驗產(chǎn)生，例如減少電解液的流量使間隙中形成的氣體泡沫增加。在時間t＝t0時，電源40中的開關(guān)43接通(見圖1)，電壓Ub加到電極3與工件2之間的間隙4兩端。在t＝t1和t＝t2之間，天線信號Ua呈現(xiàn)出高頻成分，促使電極間間隙4中產(chǎn)生部分放電。在t＝t2和t＝t3之間，間隙4兩端的電壓Ub因多起電火花放電而消失，從而使電極3在t＝t3時焊到工件2上，從而產(chǎn)生短路，且電壓Ub降到零。信號Ua的幅值在ECM正常工作期間顯然保持低于閾值Uc，在t1和t2之間當(dāng)產(chǎn)生部分放電時顯然超過閾值。我們發(fā)現(xiàn)，視乎諸如間隙寬度、電解液5通過間隙4的流量等之類的工藝參數(shù)而定，t1與t2之間的時間可以長達(dá)30微秒。這個較長的時間足以使電源斷電，從而避免真的產(chǎn)生電火花并損害電極3和/或工件2。從圖4還可清楚地看到。雖然在產(chǎn)生部分放電期間，電壓Ub上可檢測出一些噪音，但天線信號Ua更好地顯示出電火花放電的開始狀況，因此本發(fā)明的方法和設(shè)備大大改進(jìn)了ECM技術(shù)。
應(yīng)該指出的是，本發(fā)明并不局限于這里所示的一些實施例。在本發(fā)明的范圍內(nèi)是可以提出其它各種實施例的。例如，可以采用脈沖的電源和其它象NaCl的水溶液之類的電解液。此外，其它適當(dāng)?shù)奶炀€幾何尺寸也不難通過實驗求出，可應(yīng)用其它根據(jù)停止信號以減小流過間隙的電流。
權(quán)利要求
1.一種用電極對工作進(jìn)行電化學(xué)機(jī)械加工的方法，所述方法包括下列步驟調(diào)定電極與工作之間的間隙，所述間隙淹沒在電解液中；通過電極和工件往電解液中通以電流，對工件進(jìn)行機(jī)械加工；產(chǎn)生測量信號，測量信號中含有關(guān)于間隙中可能產(chǎn)生電火花放電的信息；和當(dāng)測量信號的參數(shù)超過一定閾值時，通過減小電流以保護(hù)電極和/或工件使其不致?lián)p壞；所述方法的特征在于用檢測間隙產(chǎn)生的高頻電磁波的天線產(chǎn)生所述測量信號。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述參數(shù)為高頻帶測量信號的幅值。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述參數(shù)為高頻帶能量的大小。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述閾值通過觀測電火花產(chǎn)生之前某一時隙中的測量信號確定。
5.一種用電極對工件進(jìn)行電化學(xué)機(jī)械加工的設(shè)備，包括一個操作機(jī)構(gòu)，用于調(diào)定電極與工件之間的間隙；一個流體輸送裝置，用于使間隙為電解液所淹沒；一個電源裝置，用于通過電極和工件往電解液中通以電流，從而對工件進(jìn)行機(jī)械加工；和一個防損裝置，包括一個測量裝置，用于產(chǎn)生測量信號，測量信號中含有關(guān)于間隙中可能產(chǎn)生火花放電的信息；一個檢測裝置，用于在測量信號的參數(shù)超過閾值時產(chǎn)生停止信號；和一個減流裝置，用于在檢測出所述停止信號時減小所述電流；所述設(shè)備的特征在于所述測量裝置有一個天線，用于檢測間隙產(chǎn)生的高頻電磁波。
6.如權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其特征在于，所述天線與電極和工件電絕緣。
7.如權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其特征在于，所述天線為偶極天線。
8.如權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其特征在于，所述天線為位于間隙周圍的環(huán)形天線。
9.如權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其特征在于，檢測裝置包括一個帶通濾波器，設(shè)于該帶通濾波器后面的電平檢測器用于檢測10與100兆赫之間的頻率的測量信號的電平。
10.一種防損裝置，包括一個測量裝置，用于產(chǎn)生測量信號，測量信號中含有關(guān)于電極間間隙可能產(chǎn)生電火花放電的信息；一個檢測裝置，用于測量信號的參數(shù)超過閾值時產(chǎn)生停止信號；和一個減流裝置，用于在檢測出所述停止信號時減小所述電流；所述防損裝置的特征在于所述測量裝置有一個天線，用于檢測電極間間隙產(chǎn)生的高頻電磁波。
全文摘要
一種用于以電極(3)對工件(2)進(jìn)行電化學(xué)機(jī)械加工的設(shè)備(1)。具有一個操作機(jī)構(gòu)(8)用于調(diào)定電極(3)與工件(2)之間的間隙(4),還具有一個通道(11)用于以電解液(5)淹沒間隙(4),和一個裝電解液(5)的容器(10)。此外,還配備有電源線(12,13),用于將電電源(40)供應(yīng)的電流(1)通入間隙( 4)的電解液中。間隙(4)附近配備有天線(21),用以接收間隙(4)來的電磁波。天線(21)接帶通濾波器(22)。帶通濾波器(22)讓40至100兆赫頻帶的信號通過,傳送給電平檢測器(23)。電平檢測器(23)將濾波后信號(Ub)的幅值與閾值相比較,并在幅值超過閾值時給控制機(jī)構(gòu)(30)提供停止信號(Us)以打開電源(40)的開關(guān)(43)。天線(21)、帶通濾波器(22)、電平檢測器(23)和控制機(jī)構(gòu)(30)在一起構(gòu)成防損系統(tǒng),該系統(tǒng)可用于現(xiàn)存的ECM設(shè)備中,起防止電火花放電的作用。
文檔編號B23H7/16GK1256652SQ99800238
公開日2000年6月14日 申請日期1999年1月11日 優(yōu)先權(quán)日1998年1月12日
發(fā)明者H·S·J·阿爾特納, A·K·德斯?fàn)柾?申請人:皇家菲利浦電子有限公司