專利名稱：激光輻照輔助的微細電解加工方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種激光輻照輔助的微細電解加工方法及裝置，屬于電解加工技術領域。
背景技術：
微細電解加工技術具有非接觸、與材料硬度強度無關、加工表面無熱影響層、無切削力等優點，因而在金屬材料微結構加工中展現了顯著的優越性。尤其是在如一些極限作業環境下所要求的高強度、高韌性、高耐磨、耐高溫、耐沖擊和抗疲勞等性能的合金材料方面，微細電解加工得到高度重視且有著重要和廣闊的應用前景。以航空航天工業為例，微型 化、精確化、輕量化是其產品的主要發展特征，這些特征都與微細電解加工技術密切相關。德國Max Planck Gesellschaft (MPG)于2000年采用高頻窄脈沖電流電解加工工藝，使得電化學溶解定域性突變性提高，從而實現了數十微米尺度金屬三維復雜型腔的微細加工，開創了微細電解加工工藝的先河。此后，美國、歐盟、日本、韓國等國家紛紛仿效，對微細電解加工技術進行了大量的研究，取得了長足的進展。在宏觀尺度電解加工過程中，工件陽極和工具陰極間的加工間隙一般在0. Imm Imm范圍內，通過合理的流場設計，可以使電解液從加工間隙中高速流動(6m/s 30m/s )，帶走溶解產物，使陽極工件的電化學溶解能夠穩定進行。但在微細電解加工領域，工具陰極尺寸在數微米至數十微米之間，加工時必須保持微小的極間間隙(10-20 u m左右)，一般采用靜液加工方式，即在加工過程中不進行加工區域流場的新舊電解液交換，且陽極工件的電解蝕除速度較低。因此，高頻窄脈沖電流微細電解加工工藝存在如下不足之處電解加工產物不易排出，很容易發生淤積與粘附，從而導致短路；電解液流場條件不穩定，影響加工過程穩定性及加工精度的提高。為了克服上述微細電解加工工藝中的不足之處，在現有技術中，一種較為常見的加工方法采用微細陰極的旋轉運動達到攪拌加工區域流場、促進加工產物的均布與電解液更新的目的，但其缺陷在于對于回轉類結構特征的加工具有一定效果，不適用于復雜三維微結構加工制造；陰極旋轉軸的徑向跳動誤差對加工精度的控制不利。在現有技術中，還有一種常見的加工方法，即在微細陰極正常加工進給過程中，周期性高速抬升及下降陰極，利用陰極周期往復運動對極間間隙流場產生的抽吸作用來促進電解液流動、輸運加工產物，其缺陷在于在陰極抬升運動中需要中斷電解過程，降低了加工效率；由于側面加工間隙的存在，陰極抬升對加工區域流場的抽吸效果受到限制。熱對流是自然界中的一種常見現象。在一個對流槽內，加熱底部并冷卻頂部，即可在對流槽頂部和底部形成溫度差A T。對流槽底部流體元被加熱后，其體積變大，密度減小，在浮力作用下，熱流體元上升而冷流體元下降。隨著A T逐漸增大，槽內流體呈現出對流狀態，并可形成大尺度環流。1999年，美國普林斯頓大學的研究人員利用90°C 25°C的溫度梯度，在微尺度管道內實現了液體的垂直流動，表明溫度梯度可對微小流體流動起到導向作用。2011年，英國及荷蘭的研究人員分析了脈沖激光束透過電解液照射合金材料后的溫度場分布情況，結果表明，激光輻照區域在數秒鐘時間內，在距激光照射點徑向的材料內部約I. 4mm寬度范圍內形成約100°C的溫度梯度，在激光照射點軸向方向上部約Imm高度的電解液范圍內形成約70°C的溫度梯度。
發明內容
本發明的目的在于提供一種高效、高精度和高加工穩定性的微細電解加工工藝裝置及加工方法。一種激光輻照輔助的微細電解加工方法，其特征在于，在采用高頻窄脈沖電流進行微細電解加工過程中，利用與陰極同軸的聚焦激光束，從工作箱下方透射工作箱及電解液而輻照工件底部，使得工件底部溫度升高并將熱量傳導至電解加工區域，從而增強加工區域的電解作用、提高工件材料的電解蝕除速度；與此同時，通過電解液的循環流動，保持工件底部與工作箱內電解液液面之間的溫度梯度，溫度梯度在80°C — 20°C之間，在加工區域流場與非加工區域流場之間形成連續的電解液對流運動，實現新舊電解液的連續更新、加工產物的連續輸運；借助X、Y、Z軸微位移平臺的聯動進給，實現金屬材料三維復雜微結構的高效、高精度和高穩定性加工。一種實現所述激光輻照輔助的微細電解加工方法的裝置，包括基座、高頻窄脈沖電源、電解液循環系統、工件固定與運動控制系統、陰極、陰極固定與運動控制系統、工作箱、計算機；其特征在于該裝置還包括激光系統，該激光系統由激光器、封閉光路及光束聚焦部件組成，其中光束聚焦部件位于工作箱下方，所產生的激光束可從工作箱下方透射工作箱及電解液而照射工件的底部；激光器輸出的激光束波長在400 - 600nm范圍內，為連續波或脈沖波；上述陰極與光束聚焦部件輸出的激光束同軸安裝。上述工作箱底部由可透過上述激光束的材料制作。激光器所產生的激光束可從工作箱下方透射工作箱及電解液而照射工件的底部。
本發明的有益效果本發明中的激光輻照輔助的微細電解加工裝置是為實現激光輻照輔助的微細電解加工工藝而專門設計的，采用波長在400 - 600nm范圍內、連續波或者脈沖波的聚焦激光束為加熱源，工作箱由可透過上述激光束的材料制作，在高頻窄脈沖電流微細電解加工過程中，聚焦激光束透射工作箱及電解液，對工件被加工區域的底部進行加熱；由于上述波長的激光束可以透射電解液，其光斑直徑可以限定在微尺度范圍內，熱量集中，被加工金屬材料對400 - 600nm波長的激光束具有較高的吸收率，因而能通過工件材料良好的熱傳導性能對微尺度加工區域的電解液流場進行加熱。加工區域電解液流場溫度的上升，能有效提高被加工材料的電解蝕除速度，從而提升微細電解加工的效率；而通過電解液 的循環，可以保持加工區域流場與工作箱液面之間的溫度梯度，形成加工區域流場與非加工區域流場之間的電解液對流運動，達到連續輸運加工產物、更新電解液的目的，從而提高微細電解加工過程的穩定性與加工精度。整個加工裝置結構簡單、加工參數易于計算機集成控制，適于金屬材料三維復雜微結構的高效、高精度及高穩定性加工。所述激光輻照輔助的微細電解加工裝置，其特征在于上述基座由水平基座和豎直基座組成；上述工件固定與運動控制系統、陰極固定與運動控制系統、工作箱均安裝于豎直基座上；上述光束聚焦部件安裝于水平基座上。此種裝置，結構簡單，各部件布置有序。
圖I是本發明的激光輻照輔助的微細電解加工裝置的三維結構示意 圖2是本發明的激光輻照輔助的微細電解加工方法原理示意 圖3是本發明的激光輻照輔助的微細電解加工裝置結構的側視圖； 圖4是本發明的激光輻照輔助的微細電解加工裝置結構的前視 圖中標號名稱1、計算機，2、工件絕緣板，3、工件夾具，4、高頻窄脈沖電源，5、XY軸安裝架，6、基座，7、Z軸快速運動電機，8、電機安裝架，9、導軌，10、絲杠，11、Z軸安裝板，12、滑塊，13、陰極夾具安裝架，14,Z軸微位移平臺，15、陰極絕緣板，16、陰極夾具，17、陰極，18、工件，19、工作箱，20、工作箱安裝架，21、激光束，22、激光器，23、封閉光路，24、光束聚焦部件，25、定位夾具，26、X軸微位移平臺，27、Y軸微位移平臺，28、電解液槽，29、回液管，30、輸液泵，31、節流閥、32、進液管。
具體實施例方式請見圖1，并結合圖2，本發明所述的激光輻照輔助的微細電解加工方法是利用上述加工裝置，將工件18固定在工件夾具3上，在工作箱19中注入電解液；將高頻窄脈沖電源4的正極接工件夾具3上，使得工件18帶正電，將高頻窄脈沖電源4的負極接陰極夾具16上，使得陰極17帶負電；在利用電化學陽極溶解原理去除工件材料的同時，與陰極同軸的激光束21從工作箱19下方透射工作箱19及電解液，輻照工件18的加工區域的底部；激光束21被工件18吸收后轉化為熱能，通過金屬材料良好的熱傳導性能，加熱加工區域流場，通過電解液的循環，在加工區域流場與工作箱液面之間形成持續的溫度梯度；由于加工區域電解液流場溫度的上升，有效提高了被加工材料的電解蝕除速度，從而提升了高頻窄脈沖微細電解加工的效率；而加工區域流場與工作箱液面之間溫度梯度的持續存在，形成加工區域流場與非加工區域流場之間的電解液對流運動，實現連續輸運加工產物、更新電解液的目的，從而提高微細電解加工過程的穩定性與加工精度；借助于X軸微位移平臺26、Y軸微位移平臺27、Z軸微位移平臺14的三軸精密聯動進給，實現金屬材料三維復雜微結構的高效、高精度及高穩定性電解加工。請見圖1，并參見圖3及圖4，本發明所述的激光輻照輔助的微細電解加工裝置包括基座6、高頻窄脈沖電源4、激光系統、電解液循環系統、工件固定和運動控制系統、陰極、陰極固定和運動控制系統、工作箱19、計算機I。加工裝置中的激光系統包括激光器22、封閉光路23、光束聚焦部件24，光束聚焦部件24內部安裝有擴束鏡、聚焦透鏡等光學元器件且通過定位夾具25固定在工作箱19下方的基座6的水平基座上，其輸出的激光束21與陰極17同軸安裝。微細電解加工過程中，所述的激光器22輸出連續波或者脈沖波、波長在400 - 600nm范圍內的激光束，通過封閉光路23進入光束聚焦部件24并經過擴束、聚焦后輸出，輸出的激光束21可以從工作箱19的底部透射工作箱19和電解液，直接輻照工件底部。加工裝置中的電解液循環系統包括電解液槽28、回液管29、節流閥31、進液管32和輸液泵30，用于對工作箱19中的電解液進行循環冷卻。所述的回液管29與工作箱19上的出液接頭相連接，進液管32與工作箱19上的進液接頭相連接，輸液泵30為微量輸液泵。電解加工過程中，電解液從工作箱19上的出液口經回液管29、節流閥31進入電解液槽28中，經過冷卻后從進液管32、輸液泵30輸運至工作箱19，節流閥31用于調節電解液回液流量與輸液泵30流量相平衡。加工裝置中的工件固定和運動控制系統，包括工件絕緣板2、工件夾具3、位移平臺安裝架5、X軸微位移平臺26、Y軸微位移平臺、工件18、工作箱19和工作箱安裝架20。所述的工作箱19的側面通過工作箱安裝架20固定于基座6的豎直基座上，使得激光束21能夠從工作箱19底部射入；X軸微位移平臺26和Y軸微位移平臺27通過位移平臺安裝架5固定于基座6的豎直基座上，工件18通過工件夾具3、工件絕緣板2與X軸微位移平臺26及Y軸微位移平臺27聯結，實現工件在X、Y方向上的精密進給運動；
加工裝置中的陰極固定和運動控制系統，包括快速運動電機7、電機安裝架8、導軌9、絲杠10、位移平臺安裝板11、滑塊12、陰極夾具安裝架13、Z軸微位移平臺14、陰極絕緣板 15、陰極夾具16和陰極17。陰極17通過陰極夾具16、陰極絕緣板15和陰極夾具安裝架13與Z軸微位移平臺14聯結，實現陰極19在Z方向上的精密進給運動；Z軸微位移平臺14則通過位移平臺安裝板11、滑塊12、導軌9、絲杠10與Z軸快速移動電機7聯結，構成陰極19在Z方向的快速進給運動，方便陰極裝夾、工件裝夾等準備工作；
加工裝置中的Z軸快速移動電機7、Z軸微位移平臺14、X軸微位移平臺26、Y軸微位移平臺27均由計算機I進行聯動控制，實現工件18與陰極17之間的三軸精密聯動進給，保證了復雜三維微結構的加工能力。加工裝置中的陰極夾具16接電源4的負極，并通過陰極絕緣板15實現與其它部件的絕緣，確保陰極17與電源4的負極連通；加工工藝裝置中的工件夾具3接電源正極，并通過工件絕緣板2實現與其它部件的絕緣，確保工件18與電源4的正極連通。
權利要求
1.一種激光輻照輔助的微細電解加工方法，其特征在于在采用高頻窄脈沖電流進行 微細電解加工過程中，利用與陰極同軸的聚焦激光束，從工作箱下方透射工作箱及電解液而輻照エ件底部，使得エ件底部溫度升高并將熱量傳導至電解加工區域，通過電解液的循環流動，保持エ件底部與工作箱內電解液液面之間的溫度梯度在80°c — 20°C之間，在加エ區域流場與非加工區域流場之間形成連續的電解液對流運動，達到新舊電解液的連續交換、加工產物的連續輸運、提高工件材料的電解蝕除速度的目的，借助エ件及陰極的進給運動，實現金屬材料三維復雜微結構的高效、高精度和高穩定性加工。
2.ー種實現權利要求I所述激光輻照輔助的微細電解加工方法的裝置，包括基座(6)、高頻窄脈沖電源(4)、電解液循環系統、エ件固定與運動控制系統、陰極(17)、陰極固定與運動控制系統、工作箱(19)、計算機(I)； 其特征在于 該裝置還包括激光系統，該激光系統由激光器(22)、封閉光路(23)及光束聚焦部件(24)組成，其中光束聚焦部件(24)位于工作箱(19)下方；激光器(22)輸出的激光束波長在400 — 600nm范圍內，為連續波或脈沖波； 上述陰極(17)與光束聚焦部件(24)輸出的激光束(21)同軸安裝； 上述工作箱(19)底部由可透過上述激光束的材料制作。
3.根據權利要求2所述激光輻照輔助的微細電解加工裝置，其特征在于 上述基座(6)由水平基座和豎直基座組成； 上述エ件固定與運動控制系統、陰極固定與運動控制系統、工作箱(19)均安裝于豎直基座上； 上述光束聚焦部件(24)安裝于水平基座上。
全文摘要
本發明涉及一種激光輻照輔助的微細電解加工方法及裝置，屬于電解加工技術領域。該裝置包括基座、高頻窄脈沖電源、激光系統、電解液循環系統、工件固定和運動控制系統、陰極、陰極固定和運動控制系統、工作箱、計算機。該方法是在加工過程中，采用與陰極同軸的激光束從工作箱下方透射工作箱及電解液，輻照工件加工區域的底部，通過激光束功率密度的控制和電解液的循環，保持加工區域與工作箱液面之間的溫度梯度，在加工區域流場與非加工區域流場之間形成電解液的對流運動，達到連續交換新舊電解液及輸運加工產物、提高工件材料的電解蝕除速度的目的，借助工件及陰極的精密進給運動，實現金屬材料三維復雜微結構的高效、高精度和高穩定性加工。
文檔編號B23H7/38GK102649186SQ20121013713
公開日2012年8月29日 申請日期2012年5月7日 優先權日2012年5月7日
發明者劉壯, 高長水 申請人:南京航空航天大學