CN103302368A - 三电极高频超短脉冲微细电解加工电源及其电解加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了电解加工技术领域中的一种三电极高频超短脉冲微细电解加工电源及其电解加工方法。电解加工电源包括第一高速放大器、第二高速放大器、工具电极、辅助电极、工件电极和水基钝性电解液，辅助电极、工具电极与工件电极三电极之间，用于施加同步、等脉宽、等周期、不等幅值、负脉冲、高频超短复合加工波形的加工电压；辅助电极用于导引工具电极下端面聚集的氢离子，并使所述氢离子得到电子后析出氢气，且辅助电极还用于减少工件电极9的析氧量，促使待加工的金属材料选择性溶解；本发明提供了一种使用该电源进行电解加工的方法。本发明抑制了工具电极损耗，促进被加工金属材料选择性溶解，提高了加工效率和加工稳定性。

Description

三电极高频超短脉冲微细电解加工电源及其电解加工方法

技术领域

本发明属于电解加工技术领域，尤其涉及一种三电极高频超短脉冲微细电解加工电源及其加工方法。

背景技术

电解加工（Electrochemical Machining，ECM）是利用电流流过加工间隙使阳极金属在电解液中以离子形式溶解，从而将阳极金属工件加工成型的一种加工方法。电解加工与传统机械加工及常用特种加工方法（激光加工、电子束加工、离子束加工、超声加工、电火花加工等）相比而言，有以下优点：应用范围广，凡是导电材料均可加工，且不受材料的强度、硬度和韧性等影响；工件材料以离子形式被去除，理论加工精度高，可达微米甚至纳米尺度；表面质量好、无热影响层，加工后工件表面无残余应力及毛刺等。常规尺度电解加工在制造领域中已成为一种不可或缺的加工手段。自上世纪90年代以来，随着性能优异的金属合金材料的不断涌现和对高精度高质量微三维结构金属零件需求的日益增长，促使微细电解加工（Micro-ECM或μECM）有了迅速发展。

在微细电解加工中，为了提高加工定域性，减少杂散腐蚀和降低工件表面粗糙度，通常采用的工艺方法是：利用侧壁绝缘电极，在低浓度水基钝性电解液中，通过控制高频脉冲电源的幅值、频率、电极进给速度和加工间隙等工艺参数，来提高加工精度和加工质量。其中，从金属/溶液界面上的电化学反应机理出发，利用高频脉冲电流对界面双电层充、放电的暂稳态过程，研究出高频超短脉冲微细电解加工的新技术手段，大大提高了微细电解加工的定域性，实现了微米/亚微米的加工精度，是微细电解加工领域的一个重要研究方向。高频超短脉冲电源（脉宽为数百μs至数十ns）是微细电解加工领域中关键设备之一。

目前国内外先后出现了多种用于微细电解加工的高频脉冲电源，与主回路采用逆变式的高频脉冲电源相比，斩波式脉冲电源具有电路结构简单，脉冲调节方便等优势，得到了广泛应用，迄今国内外电解加工脉冲电源几乎全部采用斩波式。按斩波式高频脉冲电源中斩波放大器件的不同，电解加工高频脉冲电源可分类为：IGBT（绝缘栅双极晶体管）斩波式、单路MOSFET（绝缘栅场效应晶体管）斩波式和双路MOSFET管斩波式等几类。按微细电解加工中所采用电极数目的不同，可分为：两电极高频脉冲电源、三电极高频超短脉冲电源和四电极高频超短脉冲电源三大类。

IGBT管斩波式高频脉冲电源，其脉冲电压可从0V调至数几百伏左右，额定峰值电流亦达到数千安培，但其工作频率较MOSFET低，约为10～30KHz，较适用于小型导电工件的电解加工中。

单路MOSFET管斩波式的高频脉冲电源，其脉冲电压可从0V调至数百伏左右；单路MOSFET管额定峰值电流可达数十至数百安培，开关速度可高达数百纳秒，通态电阻低且具有正温度系数，易于并联来实现大电流输出。此类高频脉冲电源的特点是：频率高（数十至数百KHz）、脉宽窄，管子热损耗小，电源结构较简单，成本较低，数个MOSFET管并联可输出较大功率。大功率的此类高频脉冲电源适合于传统电解加工，小功率的此类高频脉冲电源可适用于微细电解加工，但随着脉冲频率的提高，使得短暂的脉冲间隙不足以让金属电极/电解液界面处的双电层电容完全放电，致使电极间存在一个较大的维持电压（当加工电压从2V增至10V左右失，维持电压约从1.4V增至2.6V左右），使得微细电解加工的散蚀增加，工件的形状精度降低；而且单路MOSFET管斩波时，易造成波形下跳变处失真。

双路MOSFET管斩波式高频脉冲电源又可分为两类：一种为采用双路控制，两路开关控制信号的相位差为1800，分别控制同型号MOSFET管T1和T2，当T1导通、T2截止时，电极间处于加工状态；当T1截止、T2导通时，电极间处于去维持电压和极间消电离状态，快速消除了极间维持电压，从而有效地降低了加工过程中的平均电压值，进而使加工表面痕迹的形貌得到了较大改善，提高了加工的尺寸精度和表面质量。另一种为具有陡峭上升、下降边沿的同一信号输入双路MOSFET管，驱动电路采用两只互补对称的高速功率MOSFET管进行斩波，N沟道的MOSFET管T1和P沟道的MOSFET管T2的驱动电压相反，当输入的栅-源电压(VGS)为正电压时，T1导通，T2截止，电极间处于加工状态；当输入的栅-源电压为负电压时，T2导通，T1截止，电极间处于去维持电压和消电离状态，该种斩波放大方式也解决了波形失真问题。双路MOSFET管斩波式高频脉冲电源，其脉冲频率最高可达数百KHz，可适用于微细电解加工中，但对输入信号的同步性、边沿陡峭程度及MOSFET管的对称性，有很高的要求。而为了进一步提高微细电解加工的定域性，实现高精度、高质量的加工，就要求更高的脉冲频率，其高达数十MHz（脉宽达数十ns）。

迄今，国内外在微细电极加工中，大部分采用阴极作为工具（阴极工具接参考地）、阳极作为工件（阳极工件端输入高频正脉冲电流信号）的两电极高频脉冲电源，脉冲电源仍旧沿用传统电解加工模式，并未考虑微细电解加工中工具电极下端面面积远小于工件表面的非对称性。在加工过程中，对工件阳极/电解液界面处双电层的大电容（相对于工具阴极/电解液界面处双电层的小电容而言）的充电电流，占总电流的比重较大，降低了脉冲电流的利用率，增大了电源功耗。

韩国国立汉城大学Se Hyun Ahn等学者于2004年左右，在工具阴极和工件阳极旁边用铂片作为平衡电极，且平衡电极与工具电极直接相连，在极间施加高频超短脉冲电流，构成三电极高频超短脉冲电源。由于工件浸入电解液的面积远大于工具浸入电解液的表面积，工件与电解液之间的电阻远小于工具与电解液之间的电阻，工件与电解液之间的电压降也较小，设置平衡铂电极是为了补偿电解液与两个不同电极之间的电压降。如果没有平衡电极，相对低的电位被施加在电极和工件之间，使304不锈钢的工件表面形成铬氧化物层，阻止工件的进一步溶解。设置平衡铂电极，抑制了在不锈钢加工表面钝化层的生成，一定程度的提高了加工效率，但所放置平衡电极的形状尺寸较大、放置位置距离工具电极较远，导致平衡电极所对应工件表面处的杂散腐蚀变大，工件表面质量降低。

四电极高频超短脉冲电源是在工具阴极和工件阳极两电极的基础上，加入三电极电势控制仪，将电势仪的参考电极RE、对电极CE放置于工件上方的电解液中，工作电极WE与被加工工件直接相连，构成了具有参考电极RE、对电极CE、工作件电极WE和工具电极TE的四电极高频超短脉冲电源。德国佛里茨·哈尔贝尔研究所的Rolf Schuster等学者于2000年左右，通过参考电极RE、对电极CE，来给工件电极WE施加偏置电压，同时在工件电极WE与工具电极TE间，施加高频超短脉冲，在1μm左右加工间隙内，实现了亚微米级精度的加工。但它需要严格控制电极电位，结构也较复杂；采用超短脉冲微细电解加工，虽然加工精度可达亚微米，但是加工效率较低。

综上所述，IGBT管斩波式高频脉冲电源，适用于小型金属工件的电解加工中；单、双路MOSFET管斩波式高频脉冲电源，适用于微细电解加工中。但随着脉冲频率的提高，单、双路MOSFET管斩波式高频脉冲电源的输出波形易失真，加工散蚀增加，工件的形状精度降低，且难以输出频率高达数十MHz（脉宽达数十ns）的超短脉冲电流。

两电极高频脉冲电源，并未考虑微细电解加工中工具电极下端面面积远小于工件表面的非对称性，使脉冲电流的利用率降低。具有平衡电极的三电极高频超短脉冲电源，考虑了微细电解加工中两电极加工面积的非对称性，抑制了在不锈钢加工表面钝化层的生成，一定程度的提高了加工效率，但也导致了平衡电极所对应工件表面处的杂散腐蚀变大，工件表面质量降低。利用四电极高频超短脉冲电源，能实现高精度的微细电解加工，但结构较复杂，且加工效率较低。目前，在微细电解加工中，不管采用的是几电极形式的高频脉冲电源，加工时脉冲电流的下跳边沿，有瞬态换向电流流过工具电极（与正常加工时的电流相反），造成工具电极被加工，即工具电极的损耗。

另外，在微细电解加工中，为了进一步提高加工定域性，通常采用电极侧壁绝缘技术，电极侧壁绝缘后，发生电极反应的表面积减小，在相同外电场作用下，只有工具阴极下端面聚集H⁺，H⁺数目与电极非绝缘时相比大大减少；由于析氢电位为“0”，当电极通电时，有H⁺的区域，即便析氢，由于H⁺数目的减少，造成工具阴极平均电流减小，对应工件阳极区域的平均加工电流密度降低，加工速度（效率）进一步降低。

还有，在微细电解加工中，工件阳极在被加工溶解的同时，伴有一定量氧气的析出，析出的氧气易氧化金属表面，使钝化层变厚，进而减缓金属工件的阳极溶解速度。工具阴极有大量氢气析出，析出的大量氢气包裹电极端面，在极小加工间隙内充气，扰动电解液电导率变化，使得加工电流发生波动。阳极析出大量的氧气，减缓阳极工件的溶解速度；阴极聚集大量析出的氢气，导致加工过程稳定性变差、加工效率降低。

因此，如何在进一步实现高精度加工的同时，有效抑制工具电极损耗，导出部分阴极析出氢气，抑制阳极析氧，促进被加工金属材料选择性溶解，提高微细电解加工效率和加工稳定性，是微细电解加工高频超短脉冲电源设计中，仍需亟待解决的一个关键技术问题。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种三电极高频超短脉冲微细电解加工电源及其电解加工方法，用于解决上述背景技术记载的现有电解加工技术中存在的问题。

为了实现上述目的，本发明提出的技术方案是，一种三电极高频超短脉冲微细电解加工电源，其特征是所述电解加工电源包括：第一高速放大器1、第二高速放大器2、工具电极6、辅助电极8、工件电极9和水基钝性电解液10；

所述工具电极6由导电部和覆盖导电部外壁的绝缘层7组成，所述导电部的上端面和下端面裸露；

所述辅助电极8由金属圆环制成，金属圆环套入工具电极6并固定在工具电极6外壁的绝缘层7上，且金属圆环的内壁紧贴工具电极6外壁的绝缘层；

所述工件电极9为待加工的金属材料，固定或者夹装在电解池中并且接地；

所述水基钝性电解液10注入电解池并将工具电极6、辅助电极8和工件电极9的待加工部分浸没；

所述辅助电极8、工具电极6与工件电极9三电极之间，用于施加同步、等脉宽、等周期、不等幅值、负脉冲、高频超短复合加工波形的加工电压；

所述辅助电极8用于导引工具电极6下端面聚集的氢离子，并使所述氢离子得到电子后析出氢气，且辅助电极8还用于减少工件电极9的析氧量，促使待加工的金属材料选择性溶解；

所述第一高速放大器1的输出端与辅助电极8相连，所述第二高速放大器2的输出端与工具电极6导电部的上端面相连，所述第一高速放大器1和第二高速放大器2的输入端接输入信号3；

所述第一高速放大器1用于调节输出到辅助电极8上的电压的脉宽幅值和脉间幅值；

所述第二高速放大器2用于调节输出到工具电极6上的电压的脉宽幅值和脉间幅值。

所述第一高速放大器1由运算放大器U1、可调电位器PT和反馈电阻R3组成；

其中，可调电位器PT的一端与运算放大器U1的运放反相端相连，另一端作为第一高速放大器1输入端，用于接入输入信号3；

反馈电阻R3的一端与运算放大器U1的运放反相端相连，另一端与运算放大器U1的输出端相连；

所述运算放大器U1的输出端与辅助电极8相连，运算放大器U1的运放同相端接地，运算放大器U1的正电源Vcc1的正电压绝对值小于运算放大器U1的负电源Vss1的负电压绝对值；

所述运算放大器U1的正电源Vcc1用于在输入信号3的低电平信号经运算放大器U1的运放反相端放大时，调节运算放大器U1处于饱和放大区；

所述运算放大器U1的负电源Vss1用于在输入信号3的高电平经运算放大器U1的运放反相端放大时，调节运算放大器U1处于线性放大区；

所述可调电位器PT用于在运算放大器U1处于线性放大区时，调节第一高速放大器1输出到辅助电极8上的电压的脉间幅值。

所述第二高速放大器2由运算放大器U2、输入电阻R1和反馈电子R2组成；

其中，输入电阻R1的一端与运算放大器U2的运放反相端相连，另一端作为第二高速放大器2输入端，用于接入输入信号3；

反馈电阻R2的一端与运算放大器U2的运放反相端相连，另一端与运算放大器U2的输出端相连；

所述运算放大器U2的输出端与工具电极6导电部的上端面相连，运算放大器U2的运放同相端接地，运算放大器U2的正电源Vcc2的正电压绝对值小于运算放大器U2的负电源Vss1的负电压绝对值；

所述运算放大器U2的正电源Vcc2用于在输入信号3的低电平信号经运算放大器U2的运放反相端放大时，调节运算放大器U2处于饱和放大区；

所述运算放大器U2的负电源Vss1用于在输入信号3的高电平经运算放大器U2的运放反相端放大时，调节运算放大器U2处于线性放大区。

所述输入信号3为高频超短正脉冲信号。

所述工具电极6的导电部为金属圆柱体或金属圆台体。

所述金属圆环与金属圆柱体或金属圆台体同轴。

所述金属圆环与工具电极6的导电部的下端面的距离小于3毫米。

所述水基钝性电解液10为NaNO₃或NaClO₃水基溶液。

一种使用三电极高频超短脉冲微细电解加工电源进行电解加工的方法，其特征是所述方法包括：

步骤1：调节第一高速放大器1和第二高速放大器2，在脉宽时，使第一高速放大器1输出到辅助电极8上的电压的脉宽幅值比第二高速放大器2输出到工具电极6上的电压的脉宽幅值小第一设定值；

在脉间时，使第一高速放大器1输出到辅助电极8上的电压的脉间幅值为0V，使第二高速放大器2输出到工具电极6上的电压的脉间幅值比0V小第二设定值；

步骤2：将工具电极6接触对刀后移动至金属工件电极9上方，水基钝性电解液10以恒定速度侧流冲入电解池，将工具电极6、辅助电极8和工件电极9的待加工部分整体浸没；

步骤3：打开三电极高频超短脉冲微细电解加工电源，并在辅助电极8、工具电极6与工件电极9三电极之间，施加同步、等脉宽、等周期、不等幅值、负脉冲、高频超短复合加工波形的加工电压；

步骤4：工具电极6和辅助电极8以数微米每秒的速度匀速向下运动，辅助电极8导引工具电极6下端面聚集的氢离子，并使所述氢离子得到电子后析出氢气，且运动过程中，工件电极9的析氧量减少，促使待加工的金属材料选择性溶解；经数分钟后，工件电极9被洞穿，关闭电源，停止电解液冲入；

步骤5：复位工具电极6和辅助电极8的位置，取出工件电极9后，冲洗烘干，加工结束。

所述第一设定值为300mV-500mV，所述第二设定值为300mV-500mV。

本发明利用三电极高频超短脉冲电源进行微细电解加工，有效抑制了工具电极损耗，并部分导出小加工间隙内的阴极氢气，且减少阳极析氧量，促进被加工金属材料选择性溶解，在进一步实现高精度微细电解加工的同时，有效提高了加工效率和加工稳定性。

附图说明

图1是三电极高频超短脉冲微细电解加工电源的结构图；

图2是工具电极与辅助电极结构的主视图和俯视图；

图3是三电极高频超短脉冲微细电解加工电源的复合加工波形图；

图中，1-第一高速放大器，2-第二高速放大器，3-输入信号，4-第一高速放大器输出到辅助电极上的电压U_AE，5-第二高速放大器输出到工具电极上的电压U_TE，6-工具电极，7-工具电极外壁的绝缘层，8-辅助电极，9-工件电极，10-水基钝性电解液，11-参考地，12-电解池。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

图1是三电极高频超短脉冲微细电解加工电源的结构图。如图1所示，本发明提供的三电极高频超短脉冲微细电解加工电源包括：第一高速放大器1、第二高速放大器2、工具电极6、辅助电极8、工件电极9和水基钝性电解液10。在辅助电极8、工具电极6与工件电极9三电极之间，施加同步、等脉宽、等周期、不等幅值、负脉冲、高频超短复合加工波形的加工电压。

其中，工具电极6由导电部和覆盖导电部外壁的绝缘层7组成，该导电部的上端面和下端面裸露。辅助电极8由金属圆环制成，金属圆环套入工具电极6并固定在工具电极6外壁的绝缘层7上，且金属圆环的内壁紧贴工具电极6外壁的绝缘层。导电部采用金属圆柱体，金属圆环与作为导电部的金属圆柱体同轴，金属圆环距离导电部的下端面为数毫米。图2是工具电极与辅助电极结构的主视图和俯视图，如图2所示，工具电极6采用有外壁绝缘层和下端面平整且保持裸露、直径为100微米的圆柱状钨丝。采用径向宽为100微米的微小金属薄圆环作为辅助电极8，且微小环状辅助电极8外套于圆柱状侧壁绝缘工具电极6上，并保持两者的同轴紧密贴合，微小环状辅助电极8距离工具电极6的下端面约为3毫米。

工件电极9为待加工的金属材料，固定或者夹装在电解池12中并且接地。水基钝性电解液10注入电解池并将工具电极6、辅助电极8和工件电极9的待加工部分浸没。如图2所示，本实施例把与工具电极6的下端面相比而言，表面积大数个数量级尺寸的金属平板作为工件电极9。同时，采用浓度为0.25mol/L的NaNO3水溶液为电解液，与工具电极6、微小环状辅助电极8和金属平板工件电极9，构成三电极电解池体系。

上述第一高速放大器1的输出端与辅助电极8相连，且第一高速放大器1的输入端接输入信号3（Ui）。第一高速放大器1用于调节输出到辅助电极8上的电压的脉宽幅值和脉间幅值。第一高速放大器1由运算放大器U1、可调电位器PT和反馈电阻R3组成。其中，可调电位器PT的一端与运算放大器U1的运放反相端相连，另一端作为第一高速放大器1输入端，用于接入输入信号3。反馈电阻R3的一端与运算放大器U1的运放反相端相连，另一端与运算放大器U1的输出端相连。运算放大器U1的输出端与辅助电极8相连，运算放大器U1的运放同相端接地。

运算放大器U1采用压摆率为7300V/μs、带宽约200MHz的电流型运算放大器。可调电位器PT的调整范围为0～1KΩ、精度为1‰。反馈电阻R3的阻值为1KΩ、精度为1‰。运算放大器U1、可调电位器PT和反馈电阻R3组成反相电压型负反馈高速放大器，调整可调电位器PT的阻值，使其放大倍数约为-4。将幅值为2.5V、周期3.6μs（其中脉宽为1.2μs，脉间为2.4μs）的正电压脉冲作为输入信号3。调整运算放大器U1的正电源Vcc₁，使其值约为+0.9V；调整运算放大器U1的负电源Vss₁，使其值约为-15V。正电源Vcc₁的绝对幅值小于负电源Vss₁的绝对幅值，在非平衡供电模式下，通过调整正电源Vcc₁的幅值，确保输入信号3的低电平信号（0V），经运算放大器U1反相放大时，运算放大器U1处于饱和放大区，实现第一高速放大器1输出到辅助电极8上的电压U_AE的脉间幅值为0V。通过调整负电源Vss₁的幅值，确保输入信号3的高电平经运算放大器U1反相放大时，运算放大器U1处于线性放大区，再通过调整输入信号3的高电平幅值为+2.5V和可调电位器PT的阻值为250Ω左右，实现第一高速放大器1输出到辅助电极6上的电压U_AE的脉宽幅值为-10.5V。其中，通过可调电位器PT的阻值调节，实现U_AE的脉间幅值大小的微调。调节方法简单，U_AE波形容易实现。

第二高速放大器2的输出端与工具电极6的导电部的上端面相连，且第二高速放大器2的输入端接输入信号3。第二高速放大器2用于调节输出到工具电极6上的电压的脉宽幅值和脉间幅值。第二高速放大器2由运算放大器U2、输入电阻R1和反馈电子R2组成。其中，输入电阻R1的一端与运算放大器U2的运放反相端相连，另一端作为第二高速放大器2输入端，用于接入输入信号3。反馈电阻R2的一端与运算放大器U2的运放反相端相连，另一端与运算放大器U2的输出端相连。运算放大器U2的输出端与工具电极6的导电部的上端面相连，运算放大器U2的运放同相端接地。

运算放大器U2采用压摆率为7300V/μs、带宽约200MHz的电流型运算放大器。输入电阻R1的阻值为250Ω，精度为1‰。反馈电阻R2的阻值为1KΩ且精度为1‰。运算放大器U2、输入电阻R1和反馈电子R2组成反相电压型负反馈高速放大器，其放大倍数为-4。将幅值为2.5V、周期3.6μs（其中脉宽为1.2μs，脉间为2.4μs）的正电压脉冲作为输入信号3。调整运算放大器U2的正电源Vcc2，使其值约为+2.2V；调整运算放大器U2的负电源Vss1，使其值约为-15V；正电源Vcc2的绝对幅值小于负电源Vss1的绝对幅值，在非平衡供电模式下，通过调整正电源Vcc2的幅值，确保输入信号3的低电平信号（0V），经运算放大器U2反相放大时，运算放大器U2处于饱和放大区，实现第二高速放大器2输出到工具电极6上的电压U_TE的脉间幅值为-300mV。通过调整负电源Vss1的幅值，确保输入信号3的高电平经运算放大器U2反相放大时，运算放大器U2处于线性放大区，再通过调整输入信号3的高电平幅值为2.5V，实现第二高速放大器2输出到工具电极6上的电压U_TE的脉宽幅值为-10V。调节方法简单，U_TE波形容易实现。

上述第一高速放大器1和第一高速放大器2，具有频率高达数十MHz、电压可从0V调至数十伏左右、峰值电流为数百mA的超短脉冲信号的输出能力。

上述输入信号3为高频超短正脉冲信号，第一高速放大器1输出到辅助电极8上的电压信号U_AE为高频超短负脉冲信号，第一高速放大器2输出到工具电极6上的电压信号U_TE为高频超短负脉冲信号。

利用上述三电极高频超短脉冲微细电解加工电源进行电解加工的过程是：

步骤1：调节第一高速放大器1和第二高速放大器2，在脉宽时，使第一高速放大器1输出到辅助电极8上的电压的脉宽幅值比第二高速放大器2输出到工具电极6上的电压的脉宽幅值小第一设定值。

在脉间时，使第一高速放大器1输出到辅助电极8上的电压的脉间幅值为0V，使第二高速放大器2输出到工具电极6上的电压的脉间幅值比0V小第二设定值。

步骤2：将工具电极6接触对刀后移动至金属工件电极9上方，水基钝性电解液10以恒定速度在电解液在工具电极6与工件电极9之间的加工间隙中，从工具电极6测流冲入，将工具电极6、辅助电极8和工件电极9的待加工部分整体浸没。

其中，接触对刀是指工具电极6向工件电极9逐渐移动，当刚刚接触时，就认为他们之间的加工间隙为0。

步骤3：打开三电极高频超短脉冲微细电解加工电源，并在辅助电极8、工具电极6与工件电极9三电极之间，施加同步、等脉宽、等周期、不等幅值、负脉冲、高频超短复合加工波形的加工电压。

步骤4：工具电极6和辅助电极8以数微米每秒的速度匀速向下运动，经数分钟后（一般不超过10分钟），工件电极9被洞穿，关闭电源，停止电解液冲入。

步骤5：复位工具电极6和辅助电极8的位置，取出工件电极9后，冲洗烘干，加工结束。

本实施例中，上述第一设定值设定为500mV，第二设定值设定为300mV。在大深宽比、微细深小孔的微细电解加工时，施加在辅助电极8上的电压信号U_AE与施加在工具电极6上的电压信号U_TE是周期同为3.6μs、脉宽同为1.2μs的同步负脉冲高频超短电压信号。其中，施加在辅助电极8上电压信号U_AE的脉宽幅值为-10.5V，施加在工具电极6上电压U_TE的脉宽幅值为-10V。

在脉宽时，施加在辅助电极8上的电压U_AE比施加在工具电极6上的电压U_TE低500mV，即ΔU₂等于-500mV。在U_AE外电场作用下，工具电极6下端面聚集的H⁺部分被导引到辅助电极8下，得到电子，析出氢气，部分导出了微小加工间隙内的析出氢气；另一方面，辅助电极8增加了阴极发生电极反应的有效面积，使更多H⁺电迁移至辅助电极8表面，得到电子，析出氢气，这一过程加大了析氢电流（工具电极6和辅助电极8上电流之和），提高了对应阳极工件电极9加工区域内的平均加工电流密度，减少了阳极析氧量，促进被加工金属材料选择性溶解（抑气促溶），有效提高了采用侧壁绝缘工具的微细电解加工速度（效率）。

在脉间时，施加在辅助电极8上的电压U_AE为0V（大地电位），工件电极9与参考地11（大地或“0”电位点）连接，其电位也为0V，工具电极9与辅助电极8之间的电解液被去极化，确保了高频超短脉冲电解加工通过脉间去极化提高定域性的优点。同时在脉间时，施加在工具电极6上的电压U_TE比0V低三百毫伏，即ΔU₁等于负300mV，在工具电极6与工件电极9之间，保持一个负300mV的偏置电压，在脉冲下跳沿时，抑制出现在工具电极6上的瞬态换向电流，保护了工具电极6，在保证高加工定域性的同时，也提高了微细电解加工效率。

本发明采用高速电流型宽带放大器，在非平衡供电模式下，组成电压负反馈型放大的高频超短脉冲电源，实现频率高达数十MHz、电压可从0V调至数十伏左右、峰值电流为数百mA的超短脉冲信号的输出，使得微细电解加工定域性有了进一步提高。根据微细电解加工中，圆柱状侧壁绝缘微细工具电极（TE）下端面积远小于工件电极（WE）表面的非对称特征，在圆柱状侧壁绝缘工具电极外套微小环状辅助电极AE，增加了发生阴极反应的电极面积，并提供了施加偏置电压的电极。在工具TE和工件电极WE、辅助电极AE和工件电极WE三电极之间，施加同步、等脉宽、等周期、不等幅值的、负脉冲、高频超短复合波形的加工电压，进行微细电解加工。采用辅助电极，增加电极有效面积，在加工区域外，增大析氢量；在加工区域内，提高了加工电流密度，提高了微细电解加工的蚀除速度；采用辅助电极，施加偏置电压，工具电极不损耗，绝缘层不易破裂。利用新型三电极高频超短脉冲电源进行微细电解加工，有效抑制了工具电极损耗，并部分导出小加工间隙内的阴极氢气，且减少阳极析氧量，促进被加工金属材料选择性溶解，在进一步实现高精度微细电解加工的同时，有效提高了加工效率和加工稳定性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种三电极高频超短脉冲微细电解加工电源，其特征是所述电解加工电源包括：第一高速放大器（1）、第二高速放大器（2）、工具电极（6）、辅助电极（8）、工件电极（9）和水基钝性电解液（10）；

所述工具电极（6）由导电部和覆盖导电部外壁的绝缘层（7）组成，所述导电部的上端面和下端面裸露；

所述辅助电极（8）由金属圆环制成，金属圆环套入工具电极（6）并固定在工具电极（6）外壁的绝缘层（7）上，且金属圆环的内壁紧贴工具电极（6）外壁的绝缘层；

所述工件电极（9）为待加工的金属材料，固定或者夹装在电解池中并且接地；

所述辅助电极(8)、工具电极(6)与工件电极(9)三电极之间，用于施加同步、等脉宽、等周期、不等幅值、负脉冲、高频超短复合加工波形的加工电压；

所述辅助电极(8)用于导引工具电极(6)下端面聚集的氢离子，并使所述氢离子得到电子后析出氢气，且辅助电极(8)还用于减少工件电极(9)的析氧量，促使待加工的金属材料选择性溶解；

所述水基钝性电解液（10）注入电解池并将工具电极（6）、辅助电极（8）和工件电极（9）的待加工部分浸没；

所述第一高速放大器（1）的输出端与辅助电极（8）相连，所述第二高速放大器（2）的输出端与工具电极（6）导电部的上端面相连，所述第一高速放大器（1）和第二高速放大器（2）的输入端接输入信号（3）；

所述第一高速放大器（1）用于调节输出到辅助电极（8）上的电压的脉宽幅值和脉间幅值；

所述第二高速放大器（2）用于调节输出到工具电极（6）上的电压的脉宽幅值和脉间幅值。

2.根据权利要求1所述的电解加工电源，其特征是所述第一高速放大器（1）由运算放大器U1、可调电位器PT和反馈电阻R3组成；

其中，可调电位器PT的一端与运算放大器U1的运放反相端相连，另一端作为第一高速放大器（1）输入端，用于接入输入信号（3）；

反馈电阻R3的一端与运算放大器U1的运放反相端相连，另一端与运算放大器U1的输出端相连；

所述运算放大器U1的输出端与辅助电极（8）相连，运算放大器U1的运放同相端接地，运算放大器U1的正电源Vcc1的正电压绝对值小于运算放大器U1的负电源Vss1的负电压绝对值；

所述运算放大器U1的正电源Vcc1用于在输入信号（3）的低电平信号经运算放大器U1的运放反相端放大时，调节运算放大器U1处于饱和放大区；

所述运算放大器U1的负电源Vss1用于在输入信号（3）的高电平经运算放大器U1的运放反相端放大时，调节运算放大器U1处于线性放大区；

所述可调电位器PT用于在运算放大器U1处于线性放大区时，调节第一高速放大器（1）输出到辅助电极（8）上的电压的脉间幅值。

3.根据权利要求1所述的电解加工电源，其特征是所述第二高速放大器（2）由运算放大器U2、输入电阻R1和反馈电子R2组成；

其中，输入电阻R1的一端与运算放大器U2的运放反相端相连，另一端作为第二高速放大器（2）输入端，用于接入输入信号（3）；

反馈电阻R2的一端与运算放大器U2的运放反相端相连，另一端与运算放大器U2的输出端相连；

所述运算放大器U2的输出端与工具电极（6）导电部的上端面相连，运算放大器U2的运放同相端接地，运算放大器U2的正电源Vcc2的正电压绝对值小于运算放大器U2的负电源Vss1的负电压绝对值；

所述运算放大器U2的正电源Vcc2用于在输入信号（3）的低电平信号经运算放大器U2的运放反相端放大时，调节运算放大器U2处于饱和放大区；

所述运算放大器U2的负电源Vss1用于在输入信号（3）的高电平经运算放大器U2的运放反相端放大时，调节运算放大器U2处于线性放大区。

4.根据权利要求1所述的电解加工电源，其特征是所述输入信号（3）为高频超短正脉冲信号。

5.根据权利要求1-4中任意一项权利要求所述的电解加工电源，其特征是所述工具电极（6）的导电部为金属圆柱体或金属圆台体。

6.根据权利要求5所述的电解加工电源，其特征是所述金属圆环与金属圆柱体或金属圆台体同轴。

7.根据权利要求6所述的电解加工电源，其特征是所述金属圆环与工具电极（6）的导电部的下端面的距离小于3毫米。

8.根据权利要求7所述的电解加工电源，其特征是所述水基钝性电解液（10）为NaNO₃水基溶液或NaClO₃水基溶液。

9.一种使用如权利要求1-8中任意一项权利要求所述的电解加工电源进行电解加工的方法，其特征是所述方法包括：

步骤1：调节第一高速放大器（1）和第二高速放大器（2），在脉宽时，使第一高速放大器（1）输出到辅助电极（8）上的电压的脉宽幅值比第二高速放大器（2）输出到工具电极（6）上的电压的脉宽幅值小第一设定值；

在脉间时，使第一高速放大器（1）输出到辅助电极（8）上的电压的脉间幅值为0V，使第二高速放大器（2）输出到工具电极（6）上的电压的脉间幅值比0V小第二设定值；

步骤2：将工具电极（6）接触对刀后移动至金属工件电极WE（9）上方，水基钝性电解液（10）以恒定速度侧流冲入电解池，将工具电极（6）、辅助电极（8）和工件电极（9）的待加工部分整体浸没；

步骤3：打开三电极高频超短脉冲微细电解加工电源，并在辅助电极（8）、工具电极（6）与工件电极（9）三电极之间，施加同步、等脉宽、等周期、不等幅值、负脉冲、高频超短复合加工波形的加工电压；

步骤4：工具电极（6）和辅助电极（8）以数微米每秒的速度匀速向下运动，辅助电极（8）导引工具电极（6）下端面聚集的氢离子，并使所述氢离子得到电子后析出氢气，且运动过程中，工件电极（9）的析氧量减少，促使待加工的金属材料选择性溶解；经数分钟后，工件电极（9）被洞穿，关闭电源，停止电解液冲入；

步骤5：复位工具电极（6）和辅助电极AE（8）的位置，取出工件电极（9）后，冲洗烘干，加工结束。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征是所述第一设定值为300mV-500mV，所述第二设定值为300mV-500mV。

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