CN102649186A - 激光辐照辅助的微细电解加工方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光辐照辅助的微细电解加工方法及装置，属于电解加工技术领域。该装置包括基座、高频窄脉冲电源、激光***、电解液循环***、工件固定和运动控制***、阴极、阴极固定和运动控制***、工作箱、计算机。该方法是在加工过程中，采用与阴极同轴的激光束从工作箱下方透射工作箱及电解液，辐照工件加工区域的底部，通过激光束功率密度的控制和电解液的循环，保持加工区域与工作箱液面之间的温度梯度，在加工区域流场与非加工区域流场之间形成电解液的对流运动，达到连续交换新旧电解液及输运加工产物、提高工件材料的电解蚀除速度的目的，借助工件及阴极的精密进给运动，实现金属材料三维复杂微结构的高效、高精度和高稳定性加工。

Description

激光辐照辅助的微细电解加工方法及装置

 

技术领域

本发明涉及一种激光辐照辅助的微细电解加工方法及装置，属于电解加工技术领域。

背景技术

微细电解加工技术具有非接触、与材料硬度强度无关、加工表面无热影响层、无切削力等优点，因而在金属材料微结构加工中展现了显著的优越性。尤其是在如一些极限作业环境下所要求的高强度、高韧性、高耐磨、耐高温、耐冲击和抗疲劳等性能的合金材料方面，微细电解加工得到高度重视且有着重要和广阔的应用前景。以航空航天工业为例，微型化、精确化、轻量化是其产品的主要发展特征，这些特征都与微细电解加工技术密切相关。

德国Max Planck Gesellschaft(MPG)于2000年采用高频窄脉冲电流电解加工工艺，使得电化学溶解定域性突变性提高，从而实现了数十微米尺度金属三维复杂型腔的微细加工，开创了微细电解加工工艺的先河。此后，美国、欧盟、日本、韩国等国家纷纷仿效，对微细电解加工技术进行了大量的研究，取得了长足的进展。在宏观尺度电解加工过程中，工件阳极和工具阴极间的加工间隙一般在0.1mm～1mm范围内，通过合理的流场设计，可以使电解液从加工间隙中高速流动（6m/s～30m/s），带走溶解产物，使阳极工件的电化学溶解能够稳定进行。但在微细电解加工领域，工具阴极尺寸在数微米至数十微米之间，加工时必须保持微小的极间间隙（10-20μm左右），一般采用静液加工方式，即在加工过程中不进行加工区域流场的新旧电解液交换，且阳极工件的电解蚀除速度较低。因此，高频窄脉冲电流微细电解加工工艺存在如下不足之处：电解加工产物不易排出，很容易发生淤积与粘附，从而导致短路；电解液流场条件不稳定，影响加工过程稳定性及加工精度的提高。

为了克服上述微细电解加工工艺中的不足之处，在现有技术中，一种较为常见的加工方法采用微细阴极的旋转运动达到搅拌加工区域流场、促进加工产物的均布与电解液更新的目的，但其缺陷在于：对于回转类结构特征的加工具有一定效果，不适用于复杂三维微结构加工制造；阴极旋转轴的径向跳动误差对加工精度的控制不利。在现有技术中，还有一种常见的加工方法，即在微细阴极正常加工进给过程中，周期性高速抬升及下降阴极，利用阴极周期往复运动对极间间隙流场产生的抽吸作用来促进电解液流动、输运加工产物，其缺陷在于：在阴极抬升运动中需要中断电解过程，降低了加工效率；由于侧面加工间隙的存在，阴极抬升对加工区域流场的抽吸效果受到限制。 

热对流是自然界中的一种常见现象。在一个对流槽内，加热底部并冷却顶部，即可在对流槽顶部和底部形成温度差△T。对流槽底部流体元被加热后，其体积变大，密度减小，在浮力作用下，热流体元上升而冷流体元下降。随着△T逐渐增大，槽内流体呈现出对流状态，并可形成大尺度环流。1999年，美国普林斯顿大学的研究人员利用90℃～25℃的温度梯度，在微尺度管道内实现了液体的垂直流动，表明温度梯度可对微小流体流动起到导向作用。2011年，英国及荷兰的研究人员分析了脉冲激光束透过电解液照射合金材料后的温度场分布情况，结果表明，激光辐照区域在数秒钟时间内，在距激光照射点径向的材料内部约1.4mm宽度范围内形成约100℃的温度梯度，在激光照射点轴向方向上部约1mm高度的电解液范围内形成约70℃的温度梯度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高效、高精度和高加工稳定性的微细电解加工工艺装置及加工方法。

一种激光辐照辅助的微细电解加工方法，其特征在于，在采用高频窄脉冲电流进行微细电解加工过程中，利用与阴极同轴的聚焦激光束，从工作箱下方透射工作箱及电解液而辐照工件底部，使得工件底部温度升高并将热量传导至电解加工区域，从而增强加工区域的电解作用、提高工件材料的电解蚀除速度；与此同时，通过电解液的循环流动，保持工件底部与工作箱内电解液液面之间的温度梯度，温度梯度在80℃－20℃之间，在加工区域流场与非加工区域流场之间形成连续的电解液对流运动，实现新旧电解液的连续更新、加工产物的连续输运；借助X、Y、Z轴微位移平台的联动进给，实现金属材料三维复杂微结构的高效、高精度和高稳定性加工。

一种实现所述激光辐照辅助的微细电解加工方法的装置，包括基座、高频窄脉冲电源、电解液循环***、工件固定与运动控制***、阴极、阴极固定与运动控制***、工作箱、计算机；其特征在于：该装置还包括激光***，该激光***由激光器、封闭光路及光束聚焦部件组成，其中光束聚焦部件位于工作箱下方，所产生的激光束可从工作箱下方透射工作箱及电解液而照射工件的底部；激光器输出的激光束波长在400－600nm范围内，为连续波或脉冲波；上述阴极与光束聚焦部件输出的激光束同轴安装。上述工作箱底部由可透过上述激光束的材料制作。激光器所产生的激光束可从工作箱下方透射工作箱及电解液而照射工件的底部。

 

本发明的有益效果：本发明中的激光辐照辅助的微细电解加工装置是为实现激光辐照辅助的微细电解加工工艺而专门设计的，采用波长在400－600nm范围内、连续波或者脉冲波的聚焦激光束为加热源，工作箱由可透过上述激光束的材料制作，在高频窄脉冲电流微细电解加工过程中，聚焦激光束透射工作箱及电解液，对工件被加工区域的底部进行加热；由于上述波长的激光束可以透射电解液，其光斑直径可以限定在微尺度范围内，热量集中，被加工金属材料对400－600nm波长的激光束具有较高的吸收率，因而能通过工件材料良好的热传导性能对微尺度加工区域的电解液流场进行加热。加工区域电解液流场温度的上升，能有效提高被加工材料的电解蚀除速度，从而提升微细电解加工的效率；而通过电解液的循环，可以保持加工区域流场与工作箱液面之间的温度梯度，形成加工区域流场与非加工区域流场之间的电解液对流运动，达到连续输运加工产物、更新电解液的目的，从而提高微细电解加工过程的稳定性与加工精度。整个加工装置结构简单、加工参数易于计算机集成控制，适于金属材料三维复杂微结构的高效、高精度及高稳定性加工。

所述激光辐照辅助的微细电解加工装置，其特征在于：上述基座由水平基座和竖直基座组成；上述工件固定与运动控制***、阴极固定与运动控制***、工作箱均安装于竖直基座上；上述光束聚焦部件安装于水平基座上。此种装置，结构简单，各部件布置有序。

附图说明

图1是本发明的激光辐照辅助的微细电解加工装置的三维结构示意图；

图2是本发明的激光辐照辅助的微细电解加工方法原理示意图；

图3是本发明的激光辐照辅助的微细电解加工装置结构的侧视图；

图4是本发明的激光辐照辅助的微细电解加工装置结构的前视图；

图中标号名称：1、计算机，2、工件绝缘板，3、工件夹具，4、高频窄脉冲电源，5、XY轴安装架，6、基座，7、Z轴快速运动电机，8、电机安装架，9、导轨，10、丝杠，11、Z轴安装板，12、滑块，13、阴极夹具安装架，14、Z轴微位移平台，15、阴极绝缘板，16、阴极夹具，17、阴极，18、工件，19、工作箱，20、工作箱安装架，21、激光束，22、激光器，23、封闭光路，24、光束聚焦部件，25、定位夹具，26、X轴微位移平台，27、Y轴微位移平台，28、电解液槽，29、回液管，30、输液泵，31、节流阀、32、进液管。

具体实施方式

请见图1，并结合图2，本发明所述的激光辐照辅助的微细电解加工方法是利用上述加工装置，将工件18固定在工件夹具3上，在工作箱19中注入电解液；将高频窄脉冲电源4的正极接工件夹具3上，使得工件18带正电，将高频窄脉冲电源4的负极接阴极夹具16上，使得阴极17带负电；在利用电化学阳极溶解原理去除工件材料的同时，与阴极同轴的激光束21从工作箱19下方透射工作箱19及电解液，辐照工件18的加工区域的底部；激光束21被工件18吸收后转化为热能，通过金属材料良好的热传导性能，加热加工区域流场，通过电解液的循环，在加工区域流场与工作箱液面之间形成持续的温度梯度；由于加工区域电解液流场温度的上升，有效提高了被加工材料的电解蚀除速度，从而提升了高频窄脉冲微细电解加工的效率；而加工区域流场与工作箱液面之间温度梯度的持续存在，形成加工区域流场与非加工区域流场之间的电解液对流运动，实现连续输运加工产物、更新电解液的目的，从而提高微细电解加工过程的稳定性与加工精度；借助于X轴微位移平台26、Y轴微位移平台27、Z轴微位移平台14的三轴精密联动进给，实现金属材料三维复杂微结构的高效、高精度及高稳定性电解加工。

请见图1，并参见图3及图4，本发明所述的激光辐照辅助的微细电解加工装置包括基座6、高频窄脉冲电源4、激光***、电解液循环***、工件固定和运动控制***、阴极、阴极固定和运动控制***、工作箱19、计算机1。

加工装置中的激光***包括激光器22、封闭光路23、光束聚焦部件24，光束聚焦部件24内部安装有扩束镜、聚焦透镜等光学元器件且通过定位夹具25固定在工作箱19下方的基座6的水平基座上，其输出的激光束21与阴极17同轴安装。微细电解加工过程中，所述的激光器22输出连续波或者脉冲波、波长在400－600nm范围内的激光束，通过封闭光路23进入光束聚焦部件24并经过扩束、聚焦后输出，输出的激光束21可以从工作箱19的底部透射工作箱19和电解液，直接辐照工件底部。

加工装置中的电解液循环***包括电解液槽28、回液管29、节流阀31、进液管32和输液泵30，用于对工作箱19中的电解液进行循环冷却。所述的回液管29与工作箱19上的出液接头相连接，进液管32与工作箱19上的进液接头相连接，输液泵30为微量输液泵。电解加工过程中，电解液从工作箱19上的出液口经回液管29、节流阀31进入电解液槽28中，经过冷却后从进液管32、输液泵30输运至工作箱19，节流阀31用于调节电解液回液流量与输液泵30流量相平衡。

加工装置中的工件固定和运动控制***，包括工件绝缘板2、工件夹具3、位移平台安装架5、X轴微位移平台26、Y轴微位移平台、工件18、工作箱19和工作箱安装架20。所述的工作箱19的侧面通过工作箱安装架20固定于基座6的竖直基座上，使得激光束21能够从工作箱19底部射入；X轴微位移平台26和Y轴微位移平台27通过位移平台安装架5固定于基座6的竖直基座上，工件18通过工件夹具3、工件绝缘板2与X轴微位移平台26及Y轴微位移平台27联结，实现工件在X、Y方向上的精密进给运动；

加工装置中的阴极固定和运动控制***，包括快速运动电机7、电机安装架8、导轨9、丝杠10、位移平台安装板11、滑块12、阴极夹具安装架13、Z轴微位移平台14、阴极绝缘板15、阴极夹具16和阴极17。阴极17通过阴极夹具16、阴极绝缘板15和阴极夹具安装架13与Z轴微位移平台14联结，实现阴极19在Z方向上的精密进给运动；Z轴微位移平台14则通过位移平台安装板11、滑块12、导轨9、丝杠10与Z轴快速移动电机7联结，构成阴极19在Z方向的快速进给运动，方便阴极装夹、工件装夹等准备工作；

加工装置中的Z轴快速移动电机7、Z轴微位移平台14、X轴微位移平台26、Y轴微位移平台27均由计算机1进行联动控制，实现工件18与阴极17之间的三轴精密联动进给，保证了复杂三维微结构的加工能力。

加工装置中的阴极夹具16接电源4的负极，并通过阴极绝缘板15实现与其它部件的绝缘，确保阴极17与电源4的负极连通；加工工艺装置中的工件夹具3接电源正极，并通过工件绝缘板2实现与其它部件的绝缘，确保工件18与电源4的正极连通。

Claims (3)

1. 一种激光辐照辅助的微细电解加工方法，其特征在于：在采用高频窄脉冲电流进行微细电解加工过程中，利用与阴极同轴的聚焦激光束，从工作箱下方透射工作箱及电解液而辐照工件底部，使得工件底部温度升高并将热量传导至电解加工区域，通过电解液的循环流动，保持工件底部与工作箱内电解液液面之间的温度梯度在80℃－20℃之间，在加工区域流场与非加工区域流场之间形成连续的电解液对流运动，达到新旧电解液的连续交换、加工产物的连续输运、提高工件材料的电解蚀除速度的目的，借助工件及阴极的进给运动，实现金属材料三维复杂微结构的高效、高精度和高稳定性加工。

2. 一种实现权利要求1所述激光辐照辅助的微细电解加工方法的装置，包括基座（6）、高频窄脉冲电源（4）、电解液循环***、工件固定与运动控制***、阴极（17）、阴极固定与运动控制***、工作箱（19）、计算机（1）；

其特征在于：

该装置还包括激光***，该激光***由激光器（22）、封闭光路（23）及光束聚焦部件（24）组成，其中光束聚焦部件（24）位于工作箱（19）下方；激光器（22）输出的激光束波长在400－600nm范围内，为连续波或脉冲波； 

上述阴极（17）与光束聚焦部件（24）输出的激光束（21）同轴安装；

上述工作箱（19）底部由可透过上述激光束的材料制作。

3. 根据权利要求2所述激光辐照辅助的微细电解加工装置，其特征在于：

上述基座（6）由水平基座和竖直基座组成；

上述工件固定与运动控制***、阴极固定与运动控制***、工作箱（19）均安装于竖直基座上；

上述光束聚焦部件（24）安装于水平基座上。

Images