CN104108053A - 大型复杂金属表面等离子体与脉冲放电复合抛光加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属表面等离子体与脉冲放电复合抛光加工方法，该方法首先采用射频振荡产生等离子体磁流体通道，对待抛光加工的金属表面凸起部位进行脉冲放电，产生的等离子弧经过磁流体通道后，得到强度和密度增强的等离子弧，该增强等离子弧对金属表面凸起部位进行轰击，使该部位形成阳极斑点后蒸发去除，并通过放电极性的调节实现去除凸起的光亮化，实现该位置的抛光加工。本发明方法解决了常规金属表面抛光方法的加工效率低、易产生加工应力和表层损伤等问题。能够在大气压下进行，可实现粗抛、细抛和精抛，不需要在金属抛光表面涂上任何研磨液和化学反应物，精密化抛光后形成的表面粗糙度小，可达到Ra0.2μm。

Description

大型复杂金属表面等离子体与脉冲放电复合抛光加工方法

技术领域

本发明属于非接触法金属表面加工技术领域，具体涉及一种大型复杂金属表面等离子体与脉冲放电复合的抛光加工方法，用于大气压条件下对金属表面精密抛光和加工。

背景技术

金属材料表面抛光，分为接触式和非接触式。接触式抛光以人工手动直接研磨抛光和加工磨削抛光为主，这些传统的机械抛光加工方法连同后来发展的机械-化学复合抛光、金刚石超精密切削抛光等都存在传统接触式抛光加工的各种缺陷，不可避免的造成材料表面组织的破坏，形成微裂纹，破坏材料晶格完整性，影响材料的表面质量。想得到较好的无损高质量材料表面，还需要在加工原理上做出变化。

非接触式抛光能很好地解决金属材料表面的晶格完整性问题。其方法以电解抛光、电火花抛光为主。传统电解抛光方法或采取低电压方法，或以高浓度电解液来进行，均使用高浓度价格昂贵且有毒的溶液，抛光前必须花相当的时间先对待抛制品除脂、蚀刻、冲洗等处理。抛光时间过长，需要相当大的电力与劳动力，对整个生产力与效能有负面的影响。另外，高浓度的电解液处理不易，很容易对环境造成危害。抛光过程中还需要配置专门的搅动装置以防止抛光电解液浓度不均匀，需要设置特定的抛光废弃物排出机构。抛光电解液体要预热到一定的温度，并保持在一个恒定的温度下才能进行，抛光后还要再次清洗抛光表面。另外抛光中阴极损耗大，抛光时要不断地有匹配装置提供足够的电解液，防止局部因为缺乏电解液而产生震耳的“氢爆”声，不仅污染环境，综合成本也高。

金属的电火花抛光是利用脉冲放电，使待抛光表面的不平整部份得到整平。脉冲放电的结果，使高出的部份熔解，而凹下的部份被熔解的金属填平的抛光加工方法。但此工艺一般要求电极离工件非常接近，需要在一定的电解介质中进行，有时需要根据材料的表面形状制作专门的电极，抛光过程中放电间隙非常小，抛光和加工范围有限，效率极低。阳极上又经常形成不导电的脆性氢氧化物薄膜，会使阳极钝化并且覆盖在整个加工表面上，造成阳极的腐蚀速度随时间按指数规律下降，生产效率大大降低。此外电极经常有损耗，需要制作新电极。此抛光工艺一般比较耗时，成本高，而且对环境有污染等缺陷。

90年代初出现了一些新的非接触式的加工装置，如离子束抛光、电子束抛光等，依靠物理方法从放电电极一侧发射离子束或者电子束到工件表面进行抛光，以及近年来的热门研究工艺如等离子体化学辅助抛光方法在精密光学器件上的应用，以上抛光加工方法都是以原子或分子级别去除材料，使表面加工质量上升到新高度。但是这些技术需要的环境支持(需高真空)及过低的加工效率、设备价格昂贵，会产生有害的放射物和有毒反应气体等也限制了自身的使用范围。

发明内容

本发明提供一种大型复杂金属表面等离子体与脉冲放电复合的抛光加工方法，目的在于提高加工效率，并降低加工成本。不会对金属的表层组织有影响，不存在表面晶格破坏、变质层、残余应力和应力集中等问题。

本发明提供一种大型金属表面等离子体与脉冲放电复合的抛光加工方法，该方法包括下述步骤：

(1)利用脉冲放电电极对需要抛光加工的金属表面凸起部位进行脉冲放电，并在所述脉冲放电电极一侧通入等离子体发生气体；

(2)使脉冲放电产生的等离子弧经过由射频振荡产生的等离子体磁流体导电通道，得到强度和密度都增强的等离子弧，所述增强的等离子弧对金属表面凸起部位进行轰击，使该金属表面凸起部位形成阳极斑点后蒸发去除；

(3)改变产生所述脉冲放电的电源的极性，使凸起已经被去除的表面实现光亮化，实现该位置的抛光；

在凸起去除和抛光过程中收集废弃物，并排出废弃气体；

(4)对下一个凸起部位重复上述步骤(1)、(2)、(3)，实现对大型金属表面的抛光和加工。

作为上述技术方案的改进，第(1)步中，所述等离子体发生气体的流量为0.2～20.0L/s；所述混合气体中等离子体发生气体和化学反应气体按体积比为3:1～200:1，混合气体的流量为0.5～50.0L/s。

作为上述技术方案的进一步改进，所述脉冲放电电极的针尖与金属材料抛光物表面间距为5mm～300mm。

作为上述技术方案的再进一步改进，所述射频振荡是利用射频电源和螺旋线圈产生等离子体磁流体导电通道。

作为上述技术方案的再进一步改进，向已经形成的放电电弧中施加0.02mT～0.5T特斯拉的电磁力，实现电弧的牵引。

作为上述技术方案的更进一步改进，所述增强的等离子弧形成一个锥角小于等于50°的圆锥体形放电区。

本发明克服了之前的离子束抛光、电子束、等离子体化学辅助抛光方法的不足，提供一种大型复杂金属表面等离子体与脉冲放电复合的抛光加工方法，可以进行快速、高效和成本低廉的抛光。本发明方法仅仅使用常见的反应气体和一个射频电源、高压直流脉冲电源和控制装置，不需要其他的消耗设备。具体而言，本发明具有以下特点：

(1)本发明利用的是金属抛光材料凸起部位的阳极斑点效应对其进行去除，加工过程是放电电弧等离子体与金属表面凸点的接触，不会对金属的其它表层组织有影响，不存在表面晶格破坏、变质层、残余应力、应力集中等问题。

(2)本发明克服了传统电解抛光方法的不足，不需要在金属抛光表面涂上任何研磨液和化学反应抛光液，无电极的损耗问题。本发明加工效率高，无需对待抛制品抛光前的除脂、蚀刻、冲洗等前置处理，能直接抛光，避免因需预先表面处理，增加生产过程，造成不便及浪费，还能避免环境污染等问题。

(3)本发明克服电火花抛光方法的不足，可在大气压下产生大规模、高能量密度的等离子体，不需要特制的电极，放电间隙大小可以调节，等离子体流是大面积地轰击金属材料表面凸点，加工和抛光效率高。加工后的产物为气化后的金属蒸气，可以进行抛光废弃物和气体收集，不会对环境造成污染。

(4)本发明方法可实现高精度抛光，并可根据抛光表面的抛光效果需要选择特定的脉冲放电参数，实现粗抛、细抛和精抛，不需要在金属抛光表面涂上任何研磨液和化学反应物，金属的精密化抛光后形成的表面粗糙度小，可达到Ra0.2μm。

附图说明

图1是本发明加工方法的单个放电电弧通道的加工和抛光的原理图。

图2是本发明加工方法的实施工艺步骤图。

图3是本发明加工方法的装置整体结构示意图。

图4是本发明加工方法的等离子炬整体结构装配图。

图5是本发明加工方法的电磁振荡加载俯视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明的理论依据是：高压直流脉冲电源实现放电电极和金属材料表面凸点之间的脉冲放电。在这个脉冲放电通道内，利用射频电源、匹配器和螺旋线圈的射频电磁振荡作用，产生等离子体磁流体导电通道，用以延长放电电极和被加工工件表面凸点的电弧放电加工距离，增加放电电弧稳定性和产生高能量密度的等离子弧，实现放电电极与金属被加工工件表面对应凸点长距离的自动寻的高效脉冲电弧放电。放电通道的形成，是高压击穿通入的Ar或He、N₂、O₂、CO₂、空气等气体或其和HCl、NH₄Cl、CF₄、CCl₄等混合气体，形成等离子体在放电电极和待抛光材料表面之间脉冲电弧放电。

由电弧弧压最小值原理，这个放电电弧通道(即脉冲放电通道)会最先建立在放电电极和金属待抛光材料表面的凸起部位。射频电源和螺旋线圈共同作用产生的低温等离子体磁流体通道，放电电弧经过这个磁流体通道后，这时高压直流脉冲放电电极能发射高能量、高密度的等离子体流到金属材料凸起处，对金属加工和抛光材料凸点进行轰击，被加工工件表面凸点受热局部熔化气化后蒸发出金属蒸气，金属蒸气流被等离子体流轰击后电离，引起电阻率下降，进而引起电位降低，从而使电流更加集中造成更大面积、更严重的气化电离，形成阳极斑点，实现该位置被加工去除。

直接在放电电极和金属待抛光材料表面的凸起部位高压脉冲放电时，放电电极和金属待抛光材料表面的凸起部位距离要非常短才能实现，且放电电极的自动寻的功能无法实现，不利于大面积、高效率加工和抛光。当在二者之间接上一个螺旋线圈并搭载射频电源后，其可以通过射频振荡产生低温等离子体磁流体导电通道，这样不仅实现放电电极和金属待抛光材料表面的凸起部位放电加工距离的大幅延长，还能增加放电电弧稳定性和产生高能量密度的等离子体，实现放电电极与金属被加工工件表面对应凸点长距离的自动寻的高效脉冲电弧放电。在这个稳定的放电电弧的上下两端分别安装一套电磁振荡加载装置时，当放电电极不动时，通过电磁振荡加载装置施加的电磁场力的作用，可实现将以上电弧的拉弧效果。在一个放电通道形成的圆锥体形角度范围内，对金属待抛光材料表面一个局部区域面上的凸点逐步去除。再通过移动放电电极，逐点扫描实现整个金属待抛光材料表面的凸点高效去除。

采用射频电源产生的等离子体源采用柱状螺旋线圈，这种连接射频电源的空心铜管螺旋线圈绕在电绝缘的石英管外边，当通过匹配网络将射频功率加到空心铜管螺旋线圈上时，空心铜管螺旋线圈就有射频电流流过，于是产生射频磁通，并且在石英管的内部沿着圆筒形石英管的角方向感应出射频电场。石英管内的电子被电场加速，由这些电子产生密集的等离子体，同时铜管的能量被耦合到等离子体中，形成磁流体导电通道。

由电弧弧压最小值原理，在完成了一处凸起尖点位置的气化电离去除后，放电电弧的重新形成，会促使脉冲放电电极自动寻的找到金属抛光表面的新的凸起位置，再次建立起一个有效的电弧，新的凸起处继续蒸发去除。加载的电磁振荡系统，能实现牵引放电电弧在有效的通道内的形成，在抛光过程中有效保证了金属表面需要抛光的部位，实现理想的抛光效果。

本发明方法具体包括下述过程：

(1)准备步骤：

在高压直流脉冲电源的输出端分别接上脉冲放电电极和金属待抛光材料，在脉冲放电电极和金属材料表面的放电通道外放置一个螺旋线圈，螺旋线圈的两端接上一个射频电源的两输出极。

脉冲放电电极的长度为5.0～200.0mm，脉冲放电电极为锥尖状。

本高压直流脉冲电源3可提供100V～60KV连续可调直流高压输出，高压直流脉冲电源的功率为50～2000W可调节。

射频电源采用的是中科院微电子研究所的RF-1000型号射频电源，带有手动的匹配器。射频电源输出功率在10～600W之间。

(2)控制步骤：

通过将高压直流脉冲电源、脉冲电源输出极性可调节装置、射频电源、电磁振荡磁性加载器、等离子体发生气体和化学反应气体流量控制器、联动机构和尾气收集装置连入一控制电路，通过计算机控制以上输出参数。

(3)通气步骤：

在脉冲放电电极和金属材料表面的放电通道的放电电极一侧通入气体；

本发明方法可以仅采用物理加工方法，也可以采用物理加工方法和化学加工方法结合的方法。

前一种方法只通入等离子体发生气体，控制输入等离子体反应气体的流量为0.2～20.0L/s，产生稳定的等离子体发生气体。

后一种方法需要同时通入由等离子体发生气体和化学反应气体组成的混合气体，控制输入的混合气体的流量为0.5～50.0L/s。

等离子体发生气体可以是Ar或He、N₂、O₂、CO₂、空气等气体，被电离用来产生一个等离子体电弧。

化学反应气体可以是HCl、NH₄Cl、CF₄、CCl₄等气体，被电离用来产生高密度高活性激发态的Cl^*，F^*，和待加工的金属表面发生化学反应用。

所述后一种方法的混合气体中等离子体发生气体与化学反应气体的体积比为3:1～200:1。

(4)放电步骤：

依次打开射频电源和高压直流脉冲电源，射频电源首先开始工作，螺旋线圈和射频电源的射频振荡作用下产生等离子体磁流体通道后，高压直流脉冲电源脉冲放电开始工作，高压击穿通入的气体，产生初级等离子弧，初级等离子弧经过射频振荡产生的磁流体通道后，脉冲放电形成强度和密度增强后的增强等离子弧，增强等离子弧在待加工工件表面凸起处形成阳极斑点，实现该凸起的蒸发去除；

螺旋线圈在射频电源的射频振荡作用下具有等离子体磁流体特性，产生等离子体磁流体通道，它可以为高压放电的等离子体提供一个导电通道，通道长度为5.0～300.0mm。

放电电弧可以是一条直线电弧、也可以是类似于一个双曲线电弧作用在放电电极和金属工件表面，在放电加工过程中，这根电弧的一端在放电电极的尖端，但是电弧的另外一端是可动的，通过电磁振荡加载施加0.02mT～0.5T特斯拉的电磁场力的作用，这一端电弧可以在工件上不断的移动，这个电弧的移动空间是在一个圆锥体的范围内，如图1所示，圆锥角度为θ，本发明的放电电弧锥角小于等于50°，在电弧放电的θ角度扫描到的金属材料加工工件的加工表面上，其所有能建立放电电弧通道的凸点将都会被去除，其过程如图2所示。

高压直流脉冲电源可根据加工条件需要，通过一个极性变换装置灵活调节高压直流脉冲电源实验输出的电源正、负极性。当金属待抛光材料连接高压直流脉冲电源输出正极时，实现材料抛光面凸起处蒸发去除；当金属待抛光材料连接高压直流脉冲电源输出负极时，已经被去除的抛光面凸起处仍可实现其表层离子的阴极溅射，阴极溅射后可实现此抛光处的光亮化，抛光后的凸起处的光洁度有很大提高。这样根据抛光效果的需要，不断的更换高压脉冲电源的输出正负极性，改变高压直流脉冲电源放电参数，让此抛光过程不断进行下去。

(5)移动步骤：

通过扫描捕捉到的金属材料加工工件表面的三维信息，利用计算机软件自动生成相应三维加工和抛光轨迹。在计算机输出的加工程序中，通过控制联动机构带动等离子体炬部分，自动实现在金属待抛光表面的有序移动，实现对整个金属表面的加工和抛光，从而得到高精度加工金属表面。

(6)尾气处理步骤：

采用加工和抛光保护罩，收集抛光中废弃物，隔离抛光中脉冲放电的强光，同时连接一个循环排风抽气系统，将反应后的废弃气体和蒸气排出，防止其阻碍抛光效果。

本发明实例提供的实现上述方法的装置如图3所示，它包括射频电源1、射频电源匹配器2、高压直流脉冲电源3、脉冲电源极性调节装置4、高压直流脉冲电源阻抗5、等离子体炬、加工保护罩18、控制电路19、工作台20和联动机构24。

工作台20用于放置待抛光金属材料加工工件21，加工保护罩18用于罩在待抛光金属材料加工工件21上，以收集废弃的抛光物和气体，加工保护罩18的上端留有用于加工的开口。

等离子体炬位于金属材料加工工件21的上方，其结构如图4所示，它包括石英管6、石英管保护套7、脉冲放电电极8、电极绝缘保护套9、进气装置10、第一电磁振荡加载装置11、空心铜管螺旋线圈12、第二电磁振荡加载装置26。

放电电极8、电极绝缘保护套9、密封圈13由内至外同轴固定，并通过上预紧螺钉14将其一起安装在进气装置10的顶部通孔内。在石英管6的上端通过石英管保护套7及下预紧螺钉27固定，将其一起安装在进气装置10底部通孔内，进气装置10一侧还开有一个进气接口，实现等离子体发生气体和化学反应气体的进入。进气装置10、密封圈13、放电电极8、电极绝缘保护套9、石英管保护套7、石英管6均同轴安装放置，且进气装置10(除进气接口处)内部与电极绝缘保护套9和石英管保护套7、石英管6为密封安装，防止等离子体发生气体和化学反应气体的泄漏。

如图5所示，在石英管6的上部安装有第一电磁振荡加载装置11，在石英管6中部安装有空心铜管螺旋线圈12，且空心铜管螺旋线圈12紧密地缠绕在石英管6的外壁上，空心铜管螺旋线圈12内部可以通冷却液。在进气装置10外安装有一个外部封装绝缘保护套15并接地，并将第一电磁振荡加载装置11和空心铜管螺旋线圈12套在其内，以防止高压漏电和射频振荡等离子体对人体的影响。在外部封装绝缘保护套15的下端安装外部封装绝缘保护套端盖25，石英管6底部穿过外部封装绝缘保护套端盖25，且其外套有第二电磁振荡加载装置26。

等离子炬中的空心铜管螺旋线圈12的一极用于与射频电源1的一输出极连接，另一极用于与射频电源匹配器2的一端连接，射频电源匹配器2的另一端接入射频电源1的另一输出极，形成一个射频放电回路。

放电电极8与高压直流脉冲电源阻抗5一端电连接，高压直流脉冲电源阻抗5另一端与脉冲电源极性调节装置4一极电连接，脉冲电源极性调节装置4的另外一极与高压直流脉冲电源3一极电连接，高压直流脉冲电源3的另外一极用于接入金属材料加工工件21表面，形成一个高压直流脉冲放电回路。

等离子体炬安装在联动机构24上，在联动机构24和等离子体炬连接的加工头部安装一个加工曲面扫描装置，扫描加工曲面信息反馈给计算机，并由计算机对应给出加工和抛光面的加工路径后，由联动机构24带动等离子体炬在待抛光金属材料加工工件21表面移动，以实现整个金属材料复杂曲面的加工和抛光。联动机构24可以采用五自由度串联式机器手臂等机构实现。

控制电路19分别与射频电源1、高压直流脉冲电源3、脉冲电源极性调节装置4、第一电磁振荡加载装置11、第二电磁振荡加载装置26以及联动机构24电信号连接，以实现对它们的控制；

下面说明本发明装置的工作过程：

如图3所示，先将待抛光金属材料加工工件21固定在机床的工作台20上，固定好后在金属材料的外端盖上一个加工保护罩18，用来收集废弃的抛光物和气体，加工保护罩18上端开放。

将等离子体炬整体与其它各部件全部接好后，将等离子炬整体和联动机构24相连接，并保证好整个装置整体的同轴度。

开始工作前，将等离子体发生气气源22接入等离子体发生气体流量控制器16，化学反应气体气源23接入化学反应气体流量控制器17中，将两控制器又接入到本发明的控制电路19中，用以控制以上气体的输出。将射频电源和高压直流脉冲电源的连接电路也接入到控制电路19中，用以控制射频电源和高压直流脉冲电源的输出参数。

开始工作时，先打开等离子体发生气气源22，通过控制电路19其输出流量，实现稳定的等离子体反应发生气输出到石英管6内。打开射频电源1，这时射频电源1和匹配器2的电源输出特性，将会在石英管6内的气体电离产生低温等离子体磁流体导电通道。控制好等离子体发生气体流量控制器16的输出，这时石英管6腔内将源源不断地有稳定的等离子体磁流体导电通道的产生。由于联动机构24和等离子炬整体连接，通过控制电路19调整联动机构24和等离子炬整体与金属材料21的抛光表面到一个理想的距离后，打开控制电路19关于高压直流脉冲电源3的控制部分，实现高压直流脉冲电源3能提供100V～60KV连续可调直流高压电，用精度为10％的μA电流表检测高压直流脉冲电源3的放电电流，Q-3V型电压表检测高压直流脉冲电源3的放电电压。调整高压直流脉冲电源3的输出特性，实现金属材料加工工件21加工和抛光表面的粗加工和抛光、细加工和抛光、精密加工和抛光。

在本发明的加工装置中，控制电路19的控制过程是，首先打开等离子体发生气体流量控制器16和化学反应气体流量控制器17的控制信号，实现理想的气体输出，其次打开射频电源1的控制信号，当射频电源1、匹配器2和螺旋线圈12能产生低温等离子体磁流体通道时，再打开高压直流电源3脉冲放电信号，实现稳定放电电弧的形成后，接着打开电磁振荡加载装置11的信号，实现牵引放电电弧，大范围加工和抛光材料表面，最后打开脉冲电源可变输出极性装置4的时间变换信号，实现抛光材料表面的光亮化。

本发明的加工和抛光过程中，当金属材料加工工件21固定不动时，上端的联动机构24，通过扫描捕捉到的金属材料加工工件21表面的信息，利用计算机软件自动生成相应加工和抛光轨迹，在计算机输出的加工程序中，控制联动机构24带动等离子体炬自动实现在金属抛光表面的有序移动，实现对大型金属表面的抛光。

实例：

通过控制电路模块，调整五自由度串联式机器手臂和等离子炬整体与待抛光金属材料表面到的距离为30mm，射频电源初始调解输出功率为100W，实验中在匹配器的作用下产生恒定等离子体的输出功率为300W，高压直流脉冲电源的一输出电压为18KV，输出功率为1200W，等离子体发生气体的输入流量为2L/s，电磁振荡加载施加的电磁场力为0.2mT。等离子体炬的加工移动速度为0.2m/s。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (6)

1.一种大型金属表面等离子体与脉冲放电复合的抛光加工方法，该方法包括下述步骤：

(1)利用脉冲放电电极对待抛光加工的金属表面凸起部位进行脉冲放电，并在所述脉冲放电电极一侧通入等离子体发生气体；

(2)使脉冲放电产生的等离子弧经过由射频振荡产生的等离子体磁流体导电通道，得到强度和密度都增强的等离子弧；所述增强的等离子弧对金属表面凸起部位进行轰击，使该金属表面凸起部位形成阳极斑点，使凸起去除；

(3)改变产生所述脉冲放电的电源的极性，使凸起已经被去除的表面实现光亮化，实现该位置的抛光；

在凸起去除和抛光过程中收集废弃物，并排出废弃气体；

(4)对下一个凸起部位重复上述步骤(1)、(2)、(3)，实现对大型金属表面的抛光和加工。

2.根据权利要求1所述的大型金属表面等离子体与脉冲放电复合的抛光加工方法，其特征在于，第1步中，所述等离子体发生气体的流量为0.2～20.0L/s；所述混合气体中等离子体发生气体和化学反应气体按体积比为3:1～200:1，混合气体的流量为0.5～50.0L/s。

3.根据权利要求1所述的大型金属表面等离子体与脉冲放电复合的抛光加工方法，其特征在于，所述脉冲放电电极的针尖与金属材料抛光物表面间距为5mm～300mm。

4.根据权利要求1所述的大型金属表面等离子体与脉冲放电复合的抛光加工方法，其特征在于，所述射频振荡是利用射频电源和螺旋线圈产生等离子体磁流体导电通道。

5.根据权利要求1所述的大型金属表面等离子体与脉冲放电复合的抛光加工方法，其特征在于，对所产生的放电电弧施加0.02mT～0.5T特斯拉的电磁力，实现电弧的牵引。

6.根据权利要求1所述的大型金属表面等离子体与脉冲放电复合的抛光加工方法，其特征在于，所述增强的等离子弧形成一个锥角小于等于50°的圆锥体形放电区。