CN110614428B - 一种激光与喷雾电化学放电复合的加工装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光与喷雾电化学放电复合的加工装置及方法，涉及特种加工技术中复合微细加工领域，包括空心激光辐照***、电化学喷雾加工***和运动控制***；两种能量协同作用于绝缘高硬脆材料表面，通过辅助电极与工具电极在电解液中形成电化学放电回路，同时激光光束在试样表面产生焦点，在不产生热蚀、熔凝的情况下，提高加工效率，提高加工定域性。与传统电化学放电加工方法比较，电解液的雾化能有效减少电解液对放电能量的吸收，从而节省气体薄膜形成所需的电化学能耗而增大火花放电能量的比例。同时流动的电解液能够及时带走材料蚀除产生的杂质，获得较好的微细加工质量。

Description

一种激光与喷雾电化学放电复合的加工装置及方法

技术领域

本发明涉及特种加工技术中复合微细加工领域，尤其涉及一种激光与喷雾电化学放电复合的加工装置及方法，适用于绝缘硬脆材料的微细加工和制造。

背景技术

绝缘硬脆材料具有绝缘性好、耐腐蚀、耐高温、硬度高等特点，目前在航空航天、信息通信、生物医疗、精密仪器等领域受到广泛应用。由于其本身的高硬度和高脆性特点，传统的机械切削加工方法难以完成微细结构的加工，电化学放电加工方法和激光加工方法是目前较为合适的加工方法。

电化学放电技术加工实质放电是在工具电极—气膜—电解液之间进行的，因此大部分的放电热量都被电解液所吸收，实质传递到绝缘体工件上的热量十分有限，因此加工效率较低。而雾化电解液能尽可能切断放电热量在工作液中的连续传送，可以减少对放电能量的吸收，从而提高加工效率。

激光加工是把具有足够能量的激光束聚焦后照射到所加工工件的适当部位，在极短的时间内，被辐照部位吸收光能，光能转化为热能使材料迅速升温，材料以融化和气化的形式去除。激光加工由于激光束和工件之间不接触，没有机械应力，能够获得较高的表面加工质量。激光加工具有适应性强，能加工多种材质，加工效率高，加工质量好，综合效益高等优点。

两种加工方式均可实现对绝缘硬脆材料的加工，将两种加工方式复合，即将激光辐照产生的等离子体热力冲击效应与电化学放电产生的热能复合。利用在加工区域产生光力效应、光电效应、热蚀效应和热力效应，来提高表面加工质量和尺寸精度，从而实现绝缘硬脆类材料的光电复合协同刻蚀加工。激光复合微细加工技术在航空航天、生物医学、化工、冶金等领域具有广阔的应用前景。

相关研究人员对激光电化学复合加工技术的研究取得了一定进展，中国专利公开号为CN106424987A，名称为“管电极放电与激光辐照的同轴复合加工方法和装置”，提出在激光加工的同时复合与激光束同轴的管电极，通过锥形管电极放电和激光辐照同轴作用于绝缘高硬脆材料表面进行微细刻蚀加工，脉冲激光作用于工件表面产生的隐性材质缺陷和应力集中能吸引火花放电始终作用在该区域，同时火花放电改变该区域的表面形貌和物化性质，进而提高该区域对激光能量的非线性吸收，产生局域场增强效应，而且脉冲激光聚焦辐照能加快电化学反应，促进空心工具电极表面生成稳定的放电气膜层两种能量的交互协同作用，实现了对绝缘高硬脆材料的微细定域刻蚀，但该专利中应用的空心管电极所能达到的最小尺寸有限，制约了加工精度，而且对空心电极的形状和尺寸要求较高。该专利激光能量很大一部分被溶液吸收，与电化学反应的复合效率不理想。

中国专利公开号为CNl06757285A名称为“空心激光的光内送粉复合电沉积加工方法及其装置”，提出空心激光的光内送粉复合电沉积加工方法，空心阳极管通过夹具垂直置于空心激光内，空气压缩机将颗粒从颗粒存储室吹入阳极管内，利用激光照射溶液产生的等离子体冲击波分散颗粒，可以有效解决由于粒子间范德华力超过相互之间的斥力引起的团聚现象提高颗粒在镀层中的分布均匀性，加快沉积速度，获得功能性复合材料。然而，该技术方案适用于高性能复合镀层的加工，属于金属的增材制造，不适用于绝缘硬脆材料的刻蚀加工。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种激光与喷雾电化学放电复合的加工装置及方法，实现了激光辐照和电化学放电高效复合加工，两种能量协同作用于绝缘高硬脆材料表面，通过辅助电极与工具电极在电解液中形成电化学放电回路，同时激光光束在试样表面产生焦点，在不产生热蚀、熔凝的情况下，提高加工效率，提高加工定域性。

与传统电化学放电加工方法比较，电解液的雾化能有效减少电解液对放电能量的吸收，实质传递到绝缘体工件上的热量大大增加，因此加工效率更高，雾化的电解液中混杂大量空气，有利于形成气膜，从而节省气体薄膜形成所需的电化学能耗而增大火花放电能量的比例。同时流动的电解液能够及时带走材料蚀除产生的杂质，获得较好的微细加工质量。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种激光与喷雾电化学放电复合的加工装置，包括空心激光辐照***、电化学喷雾加工***和运动控制***；所述空心激光辐照***包括脉冲激光器、正棱镜、负棱镜、反射镜和聚焦透镜，所述脉冲激光器发出的脉冲激光依次经过负棱镜和正棱镜调制成空心激光，经反射镜改变光路，最后由聚焦透镜聚焦；所述电化学喷雾加工***包括直流脉冲电源、精细雾化器、工具电极和辅助电极片；工具电极与经反射镜反射后的激光束同轴，激光束经聚焦透镜聚焦在工具电极的下端处；所述精细雾化器将电解液雾化后喷射到工具电极、辅助电极片和工件上；所述直流脉冲电源的负极与工具电极相连，正极与辅助电极片相连，通电时，所述辅助电极片与所述工具电极在所述精细雾化器喷射出的电解液中形成电化学放电回路；所述运动控制***包括计算机和运动控制器，所述计算机分别与脉冲激光器、直流脉冲电源和运动控制器相连，所述运动控制器与所述x-y-z三轴运动平台电连接，所述计算机通过运动控制器控制x-y-z三轴运动平台的运动。

该技术方案中，通过喷雾电化学进行放电，电解液的雾化能有效减少电解液对放电能量的吸收，实质传递到绝缘体工件上的热量大大增加，因此加工效率更高，雾化的电解液中混杂大量空气，有利于形成气膜，从而节省气体薄膜形成所需的电化学能耗而增大火花放电能量的比例。

进一步的，所述工件材料为绝缘硬脆材料。

本发明的方案中可以实现对绝缘硬脆材料的加工，利用喷雾电化学使放电热量较少的扩散到溶液中，使实质传递到绝缘体工件上的热量提高，因此能提高加工效率。

进一步的，所述工具电极由电极夹具定位，力传感器用于检测所述工具电极与所述工件的接触力大小，力传感器与所述计算机相连，力传感器将力信号传递给计算机。

力传感器的设置从而可以方便的得出工具电极与工件的接触情况，方便对工具电极的定位，引入力反馈***，通过检测工具电极和工件之间的接触力实现准确对刀，避免了工具电极和工件接触力过大而造成工具电极变形或断裂，也可以保证加工时工件不会因为接触力过大而发生破裂或产生表面裂纹，提高了被加工工件的表面质量。

进一步的，所述精细雾化器喷嘴正对工具电极的放电端。

通过精细雾化器喷嘴与工具电极该种位置关系的设置，实现了精细雾化器的精密喷射，提高了喷射效率。

进一步的，所述辅助电极片为薄片状石墨电极，所述工具电极为碳化钨制成的螺纹表面电极，所述电解液为强碱性溶液。

进一步的，电流探头在加工过程中检测回路电流，当检测到的电流为100mA～200mA时，为电化学放电反应，电流大于300mA时，为电化学电解反应。

通过电流探头对电流的检测，判断出是电化学反应还是电化学电解反应，从而调节直流脉冲电源的参数，如电压，频率和占空比，从而实现电化学放电加工。

一种激光与喷雾电化学放电复合的加工方法，包括以下步骤：

将由绝缘硬脆材料制成的工件先进行去油和超声清洗，然后固定于x-y-z三轴运动平台上，将由石墨制成的辅助电极片设置在工件上，工具电极与直流脉冲电源的负极相连，辅助电极片与直流脉冲电源的正极相连；

在电化学放电加工前，调整工具电极的位置为计算机记录的当力传感器出现接触力的位置，实现准确对刀；

打开精细雾化器，精细雾化器喷出提前配置好的电解液，通电时，辅助电极片与工具电极在精细雾化器喷射出的电解液中形成电化学放电回路；

接通直流脉冲电源，打开脉冲激光器，脉冲激光器发出的脉冲激光依次经过负棱镜、正棱镜调制成空心激光，经反射镜改变光路，使脉冲激光与工具电极同轴，最后由聚焦透镜聚焦，调节x-y-z三轴工作台的高度，使激光聚焦于工具电极的正下方的工件上表面，激光光束经聚焦后在工件的上表面产生焦点，进而形成冲击应力和空化应力作用于工件的上表面，工具电极的下端位于焦点处；

通过计算机设定工件的运动路径对工件进行持续加工，在加工过程中，由电流探头检测直流脉冲电源的电流信号；

加工中始终保持辅助电极片与工具电极在精细雾化器喷射出的电解液中形成电化学放电回路，直至加工运动路径程序结束；

等工件加工完成后关闭直流脉冲电源和脉冲激光器，取出工件，对工件进行清洗和烘干。

进一步的，所述精细雾化器喷出均匀、大量的电解液，覆盖包括工具尖端、工件和辅助电极片的区域，使工具电极尖端在通电时放电产生电火花。

进一步的，所述直流脉冲电源的输出电压为0～20V，频率为0～2MHz，占空比为0～80％。

进一步的，电解液为质量分数30％～35％的NaOH溶液。

本发明的有益效果：

1)采用雾化器的精细雾化喷嘴实现电解液的雾化，可以减少电解液对放电能量的吸收，节省气体薄膜形成所需的电化学能消耗而增大火花放电能量的比例，且雾化液滴受等离子体加热而瞬间气化，可产生类似于***的效果，产生较大冲击力作用到工件表面，从而促进熔融材料的抛除，保证了工具电极气膜的稳定形成，获得更好的加工质量。

2)将空心激光引入电化学放电刻蚀加工***中，一方面激光作用在工件表面产生的隐性材质缺陷和应力集中能吸引火花放电点始终作用在该区域，另一方面激光作用在溶液中产生的热力效应形成微区搅拌，使得电化学放电产生杂质更容易排出加工区域，促进了电解液的更新，获得较好的表面加工质量。

3)空心激光可以保证与工具电极很好地同轴复合，使得激光能量与电化学放电能量耦合效率更高，保证了两种能量的高效复合，提高了加工区域的能量密度，加快了被加工工件的蚀除速度。

4)引入力反馈***，通过检测工具电极和工件之间的接触力实现准确对刀，避免了工具电极和工件接触力过大而造成工具电极变形或断裂，也可以保证加工时工件不会因为接触力过大而发生破裂或产生表面裂纹，提高了被加工工件的表面质量。

5)本专利应用了空心激光和电化学放电复合，所能选择的工具电极范围广泛，而且可以达到更小的最小尺寸，提高了加工精度。本专利通过应用喷雾电化学进行放电，雾化的电解液能尽可能切断放电热量在工作液中的连续传送，可以减少对放电能量的吸收，从而提高加工效率。本专利利用喷雾电化学使放电热量较少的扩散到溶液中，使实质传递到绝缘体工件上的热量提高，因此能提高加工效率。

附图说明

图1为本发明所述一种激光与喷雾电化学放电复合的加工装置的示意图；

图2为本发明所述一种激光与喷雾电化学放电复合的加工区域放大图。

图中：1.计算机；2.直流脉冲电源；3.电流探头；4.示波器；5.运动控制器；6.反射镜；7.正棱镜；8.负棱镜；9.脉冲激光器；10.聚焦透镜；11.力传感器；12.电极夹具；13.工具电极；14.精细雾化器；15.x-y-z三轴运动平台；16.工件；17.辅助电极片。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示，一种激光与喷雾电化学放电复合的加工装置，包括空心激光辐照***、喷雾电化学加工***和运动控制***；空心激光辐照***包括脉冲激光器9、正棱镜7、负棱镜8、反射镜6和聚焦透镜10，脉冲激光器9发出的脉冲激光依次经过负棱镜8和正棱镜7调制成空心激光，经反射镜6改变光路，最后由聚焦透镜10聚焦。

喷雾电化学加工***包括直流脉冲电源2、电流探头3、示波器4、电极夹具12、工具电极13、精细雾化器14、x-y-z三轴运动平台15、工件16、辅助电极片17；所述x-y-z三轴运动平台15通过电脑控制；所述工具电极12由电极夹具11固定，工件16固定在x-y-z三轴运动平台15上，工件16的尺寸根据所需零件选择；工具电极13为碳化钨电极，由电极夹具12固定，电极夹具12根据工具电极13的尺寸选择，不应该阻挡激光光路，工具电极13与经反射镜6反射后的激光束同轴，激光束经聚焦透镜10聚焦在工具电极13的正下方，聚焦后的光斑直径小于50微米，且保证所输出的空心激光内径大于工具电极13的直径；辅助电极片17材料为石墨，直流脉冲电源2、示波器4和电流探头3依次相连，直流脉冲电源2的负极与工具电极13相连，正极与辅助电极片17相连；所述精细雾化器14将电解液雾化后喷射到工具电极和工件上，通电时，辅助电极片17与工具电极13在在雾化器喷射出的电解液中形成电化学放电回路；所述电流探头3在加工过程中检测电流。

运动控制***包括计算机1、运动控制器5和力传感器11，计算机1分别与脉冲激光器9、直流脉冲电源2、运动控制器15和电流探头3相连，运动控制器5与x-y-z三轴运动平台15电连接，通过计算机1可控制直流脉冲电源2、运动控制器5和脉冲激光器9各项参数，同时计算机1也能够用上位机软件来运行刀具路径执行代码，通过运动控制器5来控制x-y-z三轴运动平台15的运动。力传感器11位于电极夹具12与工具电极13之间，用于检测工具电极13与工件16的接触力大小，力传感器11与计算机1相连，将力信号传递给计算机1。

一种激光与喷雾电化学放电复合的加工方法，包括以下步骤：

将由绝缘硬脆材料制成的工件16先进行去油和超声清洗，然后固定于x-y-z三轴运动平台15上，将由石墨制成的辅助电极片17固定在工件16上，工具电极13与直流脉冲电源2的负极相连，辅助电极片17与直流脉冲电源2的电源正极相连；

在电化学放电加工前，调整工具电极13的位置为计算机1记录的当力传感器11出现接触力的位置，实现准确对刀；

打开精细雾化器14，精细雾化器14喷出电解液，电解液为质量分数30％～35％的NaOH溶液，通电时，辅助电极片17与工具电极13在精细雾化器14喷射出提前配置好的的电解液中形成电化学放电回路；

接通直流脉冲电源2，直流脉冲电源2的输出电压为0～20V，频率为0～2MHz，占空比为0～80％；

打开脉冲激光器9，脉冲激光器9发出的脉冲激光依次经过负棱镜8、正棱镜7调制成空心激光，经反射镜6改变光路，使脉冲激光与工具电极13同轴，最后由聚焦透镜10聚焦，调节x-y-z三轴工作台15的高度，使激光聚焦于工具电极13的正下方的工件上表面，激光光束经聚焦后在工件16的上表面产生焦点，进而形成冲击应力和空化应力作用于工件16的上表面，工具电极13的下端位于焦点处；

通过计算机1设定工件16的运动路径对工件16进行持续加工，在加工过程中，由电流探头3检测直流脉冲电源2的电流信号；

加工中始终保持辅助电极片17与工具电极13在精细雾化器14喷射出的电解液中形成电化学放电回路，直至加工运动路径程序结束；

等工件16加工完成后关闭电源和脉冲激光器，取出工件16，对工件16进行清洗和烘干。

将检测到的电流与设定值比较，可以判断其加工状态是电解反应还是放电反应，电流探头在加工过程中检测回路电流，当检测到的电流为100mA～200mA时，为电化学放电反应，电流大于300mA时，为电化学电解反应。

本发明当电化学电源输出脉冲电流时，辅助电极片17与工具电极13在精细雾化器14喷射出的电解液中形成电化学放电回路。电解液的雾化能有效减少电解液对放电能量的吸收，从而节省气体薄膜形成所需的电化学能耗而增大火花放电能量的比例。同时流动的电解液能够及时带走材料蚀除产生的杂质，获得较好的微细加工质量。当电化学放电作用于玻璃工件16的同时，采用皮秒脉冲激光聚焦于工件上同一点，两种能量的双向交互作用能显著加快玻璃工件的蚀除速度。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种激光与喷雾电化学放电复合的加工装置，其特征在于，包括空心激光辐照***、电化学喷雾加工***和运动控制***；

所述空心激光辐照***包括脉冲激光器（9）、正棱镜（7）、负棱镜（8）、反射镜（6）和聚焦透镜（10），所述脉冲激光器（9）发出的脉冲激光依次经过负棱镜（8）和正棱镜（7）调制成空心激光，经反射镜（6）改变光路，最后由聚焦透镜（10）聚焦；

所述电化学喷雾加工***包括直流脉冲电源（2）、精细雾化器（14）、工具电极（13）和辅助电极片（17）；工具电极（13）与经反射镜（6）反射后的激光束同轴，激光束经聚焦透镜（10）聚焦在工具电极（13）的下端处；所述精细雾化器（14）将电解液雾化后喷射到工具电极（13）、辅助电极片（17）和工件（16）上；所述直流脉冲电源（2）的负极与工具电极（13）相连，正极与辅助电极片（17）相连，通电时，所述辅助电极片（17）与所述工具电极（13）在所述精细雾化器（14）喷射出的电解液中形成电化学放电回路；

所述运动控制***包括计算机（1）和运动控制器（5），所述计算机（1）分别与脉冲激光器（9）、直流脉冲电源（2）和运动控制器（5）相连，所述运动控制器（5）与x-y-z三轴运动平台（15）电连接，所述计算机（1）通过运动控制器（5）控制 x-y-z三轴运动平台（15）的运动。

2.根据权利要求1所述的激光与喷雾电化学放电复合的加工装置，其特征在于，所述工件（16）材料为绝缘硬脆材料。

3.根据权利要求1所述的激光与喷雾电化学放电复合的加工装置，其特征在于，所述工具电极（13）由电极夹具（12）定位，力传感器（11）用于检测所述工具电极（13）与所述工件（16）的接触力大小，力传感器（11）与所述计算机（1）相连，力传感器（11）将力信号传递给计算机（1）。

4.根据权利要求1所述的激光与喷雾电化学放电复合的加工装置，其特征在于，所述精细雾化器（14）喷嘴正对工具电极（13）的放电端。

5.根据权利要求1所述的激光与喷雾电化学放电复合的加工装置，其特征在于，所述辅助电极片（17）为薄片状石墨电极，所述工具电极（13）为碳化钨制成的螺纹表面电极，所述电解液为强碱性溶液。

6.根据权利要求1所述的激光与喷雾电化学放电复合的加工装置，其特征在于，电流探头（3）在加工过程中检测回路电流，将检测到的电流与设定值比较，判断其加工状态是电解反应还是放电反应。

7.一种激光与喷雾电化学放电复合的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

将由绝缘硬脆材料制成的工件（16）先进行去油和超声清洗，然后固定于x-y-z三轴运动平台（15）上，将由石墨制成的辅助电极片（17）设置在工件（16）上，工具电极（13）与直流脉冲电源（2）的负极相连，辅助电极片（17）与直流脉冲电源（2）的正极相连；

在电化学放电加工前，调整工具电极（13）的位置为计算机（1）记录的当力传感器（11）出现接触力的位置，实现准确对刀；

打开精细雾化器（14），精细雾化器（14）喷出提前配置好的电解液，通电时，辅助电极片（17）与工具电极（13）在精细雾化器（14）喷射出的电解液中形成电化学放电回路；

接通直流脉冲电源（2），打开脉冲激光器（9），脉冲激光器（9）发出的脉冲激光依次经过负棱镜（8）、正棱镜（7）调制成空心激光，经反射镜（6）改变光路，使脉冲激光与工具电极（13）同轴，最后由聚焦透镜（10）聚焦，调节x-y-z三轴运动平台（15）的高度，使激光聚焦于工具电极（13）的正下方的工件上表面，激光光束经聚焦后在工件（16）的上表面产生焦点，进而形成冲击应力和空化应力作用于工件（16）的上表面，工具电极（13）的下端位于焦点处；

通过计算机（1）设定工件（16）的运动路径对工件（16）进行持续加工，在加工过程中，由电流探头（3）检测直流脉冲电源（2）的电流信号；

加工中始终保持辅助电极片（17）与工具电极（13）在精细雾化器（14）喷射出的电解液中形成电化学放电回路，直至加工运动路径程序结束；

等工件（16）加工完成后关闭直流脉冲电源（2），取出工件（16），对工件（16）进行清洗和烘干。

8.根据权利要求7所述的激光与喷雾电化学放电复合的加工方法，其特征在于，所述精细雾化器（14）喷出均匀、大量的电解液，覆盖包括工具电极（13）尖端、工件（16）和辅助电极片（17）的区域，使工具电极（13）尖端在通电时放电产生电火花。

9.根据权利要求7所述的激光与喷雾电化学放电复合的加工方法，其特征在于，所述直流脉冲电源（2）的输出电压为0~20V ，频率为0~2MHz，占空比为0~80%。

10.根据权利要求7所述的激光与喷雾电化学放电复合的加工方法，其特征在于，电解液为质量分数30％~35％的NaOH溶液。

Images