CN103817389A - 一种全息激光微细电解加工方法及其装置 - Google Patents

Abstract

一种全息激光微细电解加工方法及其装置，属于微细电解加工方法及装置。该加工方法为无模具全息激光微细电解加工方法，在电解过程中，同时利用全息激光系统，生成具有特定图形的全息激光图案，利用聚焦成像系统将全息激光图案聚焦于工件表面；在激光束聚焦的工件表面上，激光束在聚焦工件表面所产生的温度梯度场可以促进阴极与工件表面电解液的流动，调控工件表面温度，从而促进工件表面的电化学反应，加速去除工件表面的材料，使得工件表面所加工的图形与全息激光所形成的图形相一致，实现无模具的微细电解加工。优点：简化了模具的设计与制造过程，降低了模具的制造成本；加快了微电解加工的整体速度；提高了微电解的加工效率。

Description

一种全息激光微细电解加工方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种微细电解加工方法及装置，尤其涉及一种全息激光微细电解加工方法及其装置。

技术背景

随着科技水平的快速发展，零件的尺寸由毫米级逐渐缩小至微米级甚至于纳米级。为了加工出各种形状尺寸的微器件，微细电火花加工、电解加工、超声波加工、激光加工及其之间的复合加工已经被广泛运用于各类微小零件的精加工中。

在传统机械加工领域，电解加工具有加工范围广，加工效率高、适合加工薄壁件等优点，因此在微零件的加工方面具有独特的优越性。因而电解微细加工得到了国内外学者的高度重视并且有着广泛的发展空间和应用前景。南京航空大学等国内高校对电解加工进行了广泛而又深入的研究，其研究成果被大量应用于航空航天领域和国防装备领域，例如飞机发动机的叶轮，枪的膛线等。但是电解加工现阶段依旧存在着某些局限性，其局限性主要在于阴极的模具的设计与制作困难，模具的开发周期较长，模具的精度和形状直接影响了加工工件的精度和形状，因而在进行单件小批量生产时的成本较高。在微型器件加工领域，微细电解加工可以实现离子数量级的去除，为微细加工领域提供了一种新的途径。但现阶段微细电解加工依旧存在着一些问题，如工具阴极与工件阳极之间的间隙小，电解液流动不流畅，定域加工能力差，电解效率低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种快速、高稳定性、无模具、和简单的全息激光微细电解加工方法及其装置。

本发明的目的是这样实现的：该加工方法为一种全息激光微细电解加工方法，在电解过程中，同时利用全息激光系统，生成具有特定图形的全息激光图案，利用聚焦成像系统将全息激光图案聚焦于工件表面；在激光束聚焦的工件表面上，激光束在聚焦工件表面所产生的温度梯度场可以促进阴极与工件表面电解液的流动，调控工件表面温度，从而促进工件表面的电化学反应，加速去除工件表面的材料，使得工件表面所加工的图形与全息激光所形成的图形相一致，实现无模具的微细电解加工。

该加工方法具体包括前期准备、全息光束生成、全息光束聚焦和全息激光与微细电解耦合加工；

前期准备：首先准备好所需加工的工件，建立全息激光微细电解加工装置，建立该装置所需的三个系统：全息激光系统，全息激光聚焦系统，微细电解加工系统；其中所述全息激光系统按照脉冲激光模块、光路传输模块、全息光束模块依次连接；所述全息激光聚焦系统按照光束聚焦模块和光束成像模块依次连接；所述微细电解加工系统按照移动平台模块、电解加工模块、脉冲电源模块依次连接；在所有装置连接好后，将准备好的工件放入电解加工模块中等待加工；

全息光束生成：由脉冲激光模块生成的激光束经由光路传输模块入射至全息光束模块，全息光束模块的空间光调制器经由计算机软件预先编写的程序生成不同的全息图案，因而经由空间光调制器反射的光束会得到与计算机图案相一致的光强可变的实时全息光束；通过控制计算机软件可以得到各种各样的图样，即实际需要加工的各种各样的图样；

全息光束聚焦：将经由全息激光系统生成的实时全息光束通过全息激光聚焦系统的光束聚焦模块，垂直的照射在所需加工的工件表面，通过移动电解加工系统中的移动模块控制工件的上下移动，在全息激光系统中的光束成像模块中观察并判断全息光束是否聚焦于工件所需加工的表面；

全息激光与微细电解耦合加工：首先待全息光束聚焦到工件需加工表面后，在电解模块中的电解池内注入电解液，其次通过恒温水浴锅控制电解池内电解液的温度，使得工件表面不发生电化学反应，从而使工件只在激光辐照区域发生电化学反应；最后通过设置脉冲电源模块，对所需工件表面进行全息激光和微细电解耦合加工。

本发明所述的全息激光微细电解加工方法的装置，包括：全息激光系统A、全息激光聚焦系统B和微细电解加工系统C；全息激光系统A、全息激光聚焦系统B和微细电解加工系统C按照顺序依次连接；

所述全息激光系统A包括脉冲激光模块、光路传输模块和全息光束模块，脉冲激光模块、光路传输模块和全息光束模块按顺序依次连接；所述脉冲激光模块包括控制器和脉冲激光器，脉冲激光器与控制器依次连接，所述光路传输模块包括扩束镜和反射镜组；所述扩束镜与反射镜组顺序连接；所述全息光束模块包括空间光调制器、望远镜筒和计算机；所述空间光调制器、望远镜筒和计算机顺序连接；

所述全息激光聚焦系统B包括光束聚焦模块和光束成像模块，光束聚焦模块和光束成像模块顺序连接；所述光束聚焦模块包括分色镜和显微物镜，其中分色镜和显微物镜顺序连接；所述光束成像模块包括会聚镜、CCD摄像机和计算机，其中会聚镜、CCD摄像机和计算机顺序连接；

所述微细电解加工系统C包括移动平台模块、电解加工模块和脉冲电源模块；移动平台模块、电解加工模块和脉冲电源模块按照顺序依次连接；所述移动平台模块包括三维移动平台和计算机，计算机与三维移动平台相连接；所述电解加工模块包括恒温水浴锅、电解池、工具阴极、绝缘块、工件和电解液；电解池放置在恒温水浴锅中，在电解池的底部放置绝缘块，在绝缘块上顺序放置工件和工具阴极，工件和工具阴极之间放置绝缘块，在电解池中有电解液；所述脉冲电源模块包括脉冲电源和计算机，计算机与脉冲电源依次连接。

由于采用了上述方案，本发明有如下有益效果：

（1）无模具的设计与制造。相较于传统的电解加工方式，阴极模具的设计与制造难度较大，特别是在微细电解中，阴极所需的模具尺寸在微米级，加工难度很大，因而从某种程度上也制约微细电解加工技术的发展。本发明采用全息激光与电解加工相结合，无需模具也可在工件表面进行加工，减少了模具设计与制造的困难和成本，降低了单件小批量生产的成本。

（2）工件表面加工图案的类型多种多样。本发明使用全息激光图案充当电解所需的模具，与传统电解中一个工具阴极只能有一种模具图案相比，在本发明中，其图案在计算机上通过软件进行绘制，可以方便、快捷的获得各种加工所需样式的图案，可以在一次加工中随时更换不同的图案从而达到电解加工复杂形貌的目的。

（3）激光与电化学的耦合作用。相较于传统电解单一的电化学作用，本发明将电解加工与全息激光相耦合。在电解加工的同时聚焦于工件表面的激光束对工件表面产生的热效应，既提高了电化学反应的定域去除能力，又提高了电化学反应的去除效率。

（4）高效率的微细电解加工。传统的微细电解中产生定域去除能力差、电解速度慢等问题的主要原因是工具阴极与工件阳极之间的距离需要很小，使得电解液流动不畅，小间隙中的电场和流场分布复杂，电解效率低下。而本发明中工具阴极不再充当模具的角色，通过全息激光图案作为模具可以增加工具阴极和工件阳极间的距离，即大距离下的微细电解加工，从而提高微细电解加工的效率。

优点：使用全息光束代替传统微电解中的模具，既简化了模具的设计与制造过程，降低了模具的制造成本，又利用激光束的热效应提高了微电解加工的定域去除能力；同时通过计算机控制不同的全息图案光束，无需更换工具阴极便可在工件表面电解加工不同的形状，加快了微电解加工的整体速度；工具阴极的无模具设计增加了工件与工具阴极间的距离，提高了微电解的加工效率。

附图说明

图1是本发明的总体装置系统方案图。

图2是本发明的总体装置系统示意图。

图中，A、全息激光系统；B、全息激光聚焦系统；C、微细电解加工系统；1-1、脉冲激光模块；1-2、光路传输模块；1-3、全息光束模块；2-1、光束聚焦模块；2-2光束成像模块；3-1、移动平台模块；3-2、电解加工模块；3-3、脉冲电源模块；1、控制器；2、脉冲激光器；3、扩束镜；4、反射镜组；5、空间光调制器；6、望远镜筒；7、分色镜；8、会聚镜；9、CCD摄像机；10、显微物镜；11、计算机；12、三维位移平台；13、恒温水浴锅；14、电解池；15、工具阴极；16、绝缘块；17、工件；18、电解液；19、计算机；20、脉冲电源。

具体实施方式

通过附图对本发明的一个具体实施例作进一步的说明：

实施例1：本发明的装置是由全息激光系统A、全息激光聚焦系统B和微细电解加工系统C所组成；全息激光系统A、全息激光聚焦系统B和微细电解加工系统C按照顺序依次连接。

所述全息激光系统A包括脉冲激光模块1-1、光路传输模块1-2和全息光束模块1-3，脉冲激光模块1-1、光路传输模块1-2和全息光束模块1-3按顺序依次连接；所述脉冲激光模块1-1包括控制器1和脉冲激光器2，脉冲激光器2与控制器1依次连接，所述脉冲激光器2的脉宽为大于等于1ps、激光波长为532～1064nm；所述控制器1用于控制脉冲激光器2的激光加工参数；所述光路传输模块1-2包括扩束镜3和反射镜组4；所述扩束镜3与反射镜组4顺序连接，通过改变反射镜组4的角度控制激光束以合适的角度照射至全息光束模块1-3；所述全息光束模块1-3包括空间光调制器5、望远镜筒6和计算机11，所述空间光调制器5为液晶空间光调制器，与计算机11相连，通过计算机11编程可以得到不同的全息图案；所述空间光调制器5、望远镜筒6和计算机11顺序连接，所述空间光调制器5和望远镜筒6是生成全息光束并进行实时位相调制。

所述全息激光聚焦系统B包括光束聚焦模块2-1和光束成像模块2-2，光束聚焦模块2-1和光束成像模块2-2顺序连接；所述光束聚焦模块2-1包括分色镜7和显微物镜10，其中分色镜7和显微物镜10顺序连接，所述分色镜7用于滤去激光束聚焦在工件表面反射所生成的光束，所述显微物镜10为低倍物镜，倍数小于等于40倍，用于将全息光束聚焦在工件表面；所述光束成像模块2-2包括会聚镜8、CCD摄像机9和计算机11，其中会聚镜8、CCD摄像机9和计算机11顺序连接，所述会聚镜8将工件表面的全息光束图案聚焦于CCD上；所述CCD摄像机9与计算机11连接，以便在计算机11上观察全息光束在工件表面的聚焦情况。

所述微细电解加工系统C包括移动平台模块3-1、电解加工模块3-2和脉冲电源模块3-3；移动平台模块3-1、电解加工模块3-2和脉冲电源模块3-3按照顺序依次连接；所述移动平台模块3-1包括三维移动平台12和计算机19，计算机19与三维移动平台12相连接，该三维移动平台12上放置电解加工模块3-2，并与计算机19相连接，通过计算机19控制其移动，从而控制全息光束聚焦在所加工表面；所述电解加工模块3-2包括恒温水浴锅13、电解池14、工具阴极15、绝缘块16、工件17和电解液18；电解池14放置在恒温水浴锅13中，在电解池14的底部放置绝缘块16(a)，在绝缘块16(a)上顺序放置工件17和工具阴极15，工件17和工具阴极15之间放置绝缘块16(b)，在电解池14中有电解液18；所述电解池14用于放置电解液18、所需加工工件17、工具阴极15和绝缘块16，所述恒温水浴锅13用于控制电解池14内电解液18的温度，所述工具阴极15选用ITO透明导电玻璃，使得全息光束可以穿过工具阴极15聚焦于工件17表面；所述脉冲电源模块3-3包括脉冲电源20和计算机19，计算机19与脉冲电源20依次连接，所述脉冲电源20为电解加工提供脉冲电流，其中，电源频率选用2MHz、脉宽为200ns，所述计算机19用于控制脉冲电源20的参数。

该加工方法为全息激光微细电解加工方法，在电解过程中，同时利用全息激光系统，生成具有特定图形的全息激光图案，利用聚焦成像系统将全息激光图案聚焦于工件表面；在激光束聚焦的工件表面上，激光束在聚焦工件表面所产生的温度梯度场可以促进阴极与工件表面电解液的流动，调控工件表面温度，从而促进工件表面的电化学反应，加速去除工件表面的材料，使得工件表面所加工的图形与全息激光所形成的图形相一致，实现无模具的微细电解加工。

该加工方法具体包括前期准备、全息光束生成、全息光束聚焦和全息激光与微细电解耦合加工；

前期准备：首先准备好所需加工的工件，建立全息激光微细电解加工装置，建立该装置所需的三个系统：全息激光系统，全息激光聚焦系统，微细电解加工系统；其中所述全息激光系统按照脉冲激光模块、光路传输模块、全息光束模块依次连接；所述全息激光聚焦系统按照光束聚焦模块和光束成像模块依次连接；所述微细电解加工系统按照移动平台模块、电解加工模块、脉冲电源模块依次连接；在所有装置连接好后，将准备好的工件放入电解加工模块中等待加工；

全息光束生成：由脉冲激光模块生成的激光束经由光路传输模块入射至全息光束模块，全息光束模块的空间光调制器经由计算机软件预先编写的程序生成不同的全息图案，因而经由空间光调制器反射的光束会得到与计算机图案相一致的光强可变的实时全息光束；通过控制计算机软件可以得到各种各样的图样，即实际需要加工的各种各样的图样；

全息光束聚焦：将经由全息激光系统生成的实时全息光束通过全息激光聚焦系统的光束聚焦模块，垂直的照射在所需加工的工件表面，通过移动电解加工系统中的移动模块控制工件的上下移动，在全息激光系统中的光束成像模块中观察并判断全息光束是否聚焦于工件所需加工的表面；

全息激光与微细电解耦合加工：首先待全息光束聚焦到工件需加工表面后，在电解模块中的电解池内注入电解液，其次通过恒温水浴锅控制电解池内电解液的温度，使得工件表面不发生电化学反应，从而使工件只在激光辐照区域发生电化学反应；最后通过设置脉冲电源模块，对所需工件表面进行全息激光和微细电解耦合加工。

在图2中，首先建立全息激光系统A和全息激光聚焦系统B，打开激光器2，通过控制器1调整好合适的激光参数，激光束经扩束镜3扩束，通过反射镜组4改变入射方向，使激光束照射至空间光调制器5上，空间光调制器5经由计算机9软件控制，在空间光调制器5上生成所需的全息图案，激光束经由空间光调制器5和望远镜筒6生成实时可变光强图案的全息光束，经分色镜7进入显微物镜10中，在显微物镜10的焦点处聚焦产生实时全息图案，与此同时全息光束产生的反射光经由分色镜7和会聚镜8聚焦在CCD摄像机9上。然后建立电解加工系统C，将带有电解液18的电解池14放入恒温水浴锅13中，恒温水浴锅13保持恒温（温度小于20℃）以保证工件17表面与阴极工具15不发生电化学反应。将恒温水浴锅13放置在三维移动平台12上，将所需加工工件17放入电解池中，阴极工具15通过绝缘块16(b)放置在工件17上。通过计算机19控制移动平台12的移动，在计算机11中观察CCD摄像机9的图案，将全息光束聚焦于工件17表面后，通过计算机19控制脉冲电源20设置合适的脉冲电流参数，对工件17表面进行微细电解加工。

Claims (2)

1.一种全息激光微细电解加工方法，其特征是：加工方法为无模具的全息激光微细电解加工方法，在电解过程中，同时利用全息激光系统，生成具有特定图形的全息激光图案，利用聚焦成像系统将全息激光图案聚焦于工件表面；在激光束聚焦的工件表面上，激光束在聚焦工件表面所产生的温度梯度场可以促进阴极与工件表面电解液的流动，调控工件表面温度，从而促进工件表面的电化学反应，加速去除工件表面的材料，使得工件表面所加工的图形与全息激光所形成的图形相一致，实现无模具的微细电解加工；

该加工方法具体包括前期准备、全息光束生成、全息光束聚焦和全息激光与微细电解耦合加工；

前期准备：首先准备好所需加工的工件，建立全息激光微细电解加工装置，建立该装置所需的三个系统：全息激光系统，全息激光聚焦系统，微细电解加工系统；其中所述全息激光系统按照脉冲激光模块、光路传输模块、全息光束模块依次连接；所述全息激光聚焦系统按照光束聚焦模块和光束成像模块依次连接；所述微细电解加工系统按照移动平台模块、电解加工模块、脉冲电源模块依次连接；在所有装置连接好后，将准备好的工件放入电解加工模块中等待加工；

全息光束生成：由脉冲激光模块生成的激光束经由光路传输模块入射至全息光束模块，全息光束模块的空间光调制器经由计算机软件预先编写的程序生成不同的全息图案，因而经由空间光调制器反射的光束会得到与计算机图案相一致的光强可变的实时全息光束；通过控制计算机软件可以得到各种各样的图样，即实际需要加工的各种各样的图样；

全息光束聚焦：将经由全息激光系统生成的实时全息光束通过全息激光聚焦系统的光束聚焦模块，垂直的照射在所需加工的工件表面，通过移动电解加工系统中的移动模块控制工件的上下移动，在全息激光系统中的光束成像模块中观察并判断全息光束是否聚焦于工件所需加工的表面；

全息激光与微细电解耦合加工：首先待全息光束聚焦到工件需加工表面后，在电解模块中的电解池内注入电解液，其次通过恒温水浴锅控制电解池内电解液的温度，使得工件表面不发生电化学反应，从而使工件只在激光辐照区域发生电化学反应；最后通过设置脉冲电源模块，对所需工件表面进行全息激光和微细电解耦合加工。

2.根据权利要求1所述的一种全息激光微细电解加工方法的装置，其特征是：加工方法的装置，包括：全息激光系统A、全息激光聚焦系统B和微细电解加工系统C；全息激光系统A、全息激光聚焦系统B和微细电解加工系统C按照顺序依次连接；

所述全息激光系统A包括脉冲激光模块、光路传输模块和全息光束模块，脉冲激光模块、光路传输模块和全息光束模块按顺序依次连接；所述脉冲激光模块包括控制器和脉冲激光器，脉冲激光器与控制器依次连接，所述光路传输模块包括扩束镜和反射镜组；所述扩束镜与反射镜组顺序连接；所述全息光束模块包括空间光调制器、望远镜筒和计算机；所述空间光调制器、望远镜筒和计算机顺序连接；

所述全息激光聚焦系统B包括光束聚焦模块和光束成像模块，光束聚焦模块和光束成像模块顺序连接；所述光束聚焦模块包括分色镜和显微物镜，其中分色镜和显微物镜顺序连接；所述光束成像模块包括会聚镜、CCD摄像机和计算机，其中会聚镜、CCD摄像机和计算机顺序连接；

所述微细电解加工系统C包括移动平台模块、电解加工模块和脉冲电源模块；移动平台模块、电解加工模块和脉冲电源模块按照顺序依次连接；所述移动平台模块包括三维移动平台和计算机，计算机与三维移动平台相连接；所述电解加工模块包括恒温水浴锅、电解池、工具阴极、绝缘块、工件和电解液；电解池放置在恒温水浴锅中，在电解池的底部放置绝缘块，在绝缘块上顺序放置工件和工具阴极，工件和工具阴极之间放置绝缘块，在电解池中有电解液；所述脉冲电源模块包括脉冲电源和计算机，计算机与脉冲电源依次连接。

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