CN104942388A - 电化学放电与激光复合加工材料的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电化学放电与激光复合加工材料的装置和方法，属于特种复合加工领域；对透明的硬脆材料同时进行电化学放电与激光复合加工，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，当能量达到一定值时，形成冲击应力和空化应力，激光能量和火花放电分别从上下两个方向协同作用于工件上，保证了两种能量的高效复合，提高了加工区域的能量密度，加快了被加工试样的蚀除速度。

Description

电化学放电与激光复合加工材料的装置和方法

技术领域

本发明属于特种复合加工领域，尤其是电化学放电与激光复合加工材料的装置和方法。

背景技术

以玻璃为代表的绝缘硬脆材料，具有高硬度、耐化学腐蚀、透明和良好的生物相容性等优良属性，在微机电系统中的微加速器、微反应器、微型泵、医疗器械和光学系统中应用越来越多。尤其是在一些复杂、恶劣或极端的工作环境中，对微小器件的耐腐蚀、耐高温、耐磨损等性能要求十分严格，如果部分换用绝缘硬脆材料加工的零件，就能很好的解决腐蚀问题。在日常生活中，对玻璃类零件的需求也越来越大，苹果手机上的Touch ID传感器和后置摄像头以及显示屏都使用了蓝宝石玻璃制造，其成分类似钢玉，比普通玻璃硬度更高，有着很好的热特性和介电特性，其在军用红外和空间技术装备方面也取得广泛地应用。虽然绝缘透明硬脆材料在MEMS领域的应用具有很大的优势，但由于它们的硬脆性使得加工工艺性低下，传统加工工艺很能难对其进行高效微细加工。

目前对于绝缘透明硬脆材料加工技术及其应用的研究，主要有激光加工和电化学放电加工。激光加工和电化学放电加工都属于特种加工方式，又各有特点。激光加工以高能量的光束作为加工能源，脉冲宽度可以从纳秒级到飞秒量级；峰值功率可以达到数百兆瓦，它通过光路传输聚焦于工件表面时会产生独特的光、热、力等非线性效应。电化学放电加工是利用工具电极表面发生电化学反应形成气膜层，使电极与溶液之间短期绝缘；当工具电极和工作液之间电位差不断增大至击穿气膜的放电电压时，发生火花放电，所产生的瞬间高温和冲击波作用于玻璃类绝缘材料表面，使材料被热蚀去除。

国内外对绝缘硬脆材料的微加工技术的研究，也提出了一些复合加工方法，主要是基于激光加工或电化学放电加工其中之一，再辅助旋转、振动、充气或磨削等方法。

经过对现有的技术检索发现，公开号为CN2342925Y的中国专利公开了一种非导电材料超声电解放电复合加工装置，其在电化学放电加工系统中引入超声振动装置，实现电化学放电加工与超声加工的复合加工，该方法提高了加工效率，但是在其加工过程中由于机械力的频繁作用，容易导致被加工材料表面出现微裂纹以及加工工具的快速损耗。申请号为200410023547.X的中国专利提供了一种非导电超硬材料电火花磨削复合加工方法，利用导电磨轮和一个辅助电极之间的火花放电蚀除材料，辅以机械磨削作用去除碳化和变质层。该方法提高了试样被加工表面的加工精度，但是由于导电磨轮尺寸的限制，该方法不适合于加工微孔等尺寸很小的形貌。学者郭永丰等在“非导电材料的电化学电火花复合加工工艺研究”一文中提出了一种采用物理充气辅助电化学放电加工的方法，通过物理充气在管形工具电极端面和电解液之间持续充入少量气体，以弥补仅靠电解产生气体的不足，该方法增强了生成气膜的稳定性，提高了加工效率，但是由于充气的需要，工具电极必须带有通孔，增大了电极的尺寸，因而限制了该方法在微小尺寸加工中的运用。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种电化学放电与激光复合加工材料的装置和方法，通过将激光和电化学放电两种能量复合，来增强加工区域能量密度，提高玻璃类绝缘透明硬脆材料的刻蚀加工效率和表面质量，可用于加工微小尺寸的试样。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种电化学放电与激光复合加工材料的方法，包括如下步骤：

将透明硬脆的试样、辅助电极和工具电极下部置于电解液中，工具电极与电源负极相连、位于所述试样上方，辅助电极与电源正极相连，通电时，所述辅助电极与所述工具电极在电解液中形成电化学放电回路；

激光光束经聚焦后由试样下方经过试样在试样上表面产生焦点，进而形成冲击应力和空化应力作用于试样表面，所述工具电极下端位于所述焦点处；

通过设定所述试样的运动路径对所述试样进行持续加工。

进一步，所述工具电极上方设有力传感器，所述力传感器用于实时检测所述工具电极与所述试样的接触力大小。

进一步，所述试样为玻璃，所述辅助电极为石墨电极，所述工具电极为碳化钨电极，所述电解液为碱性溶液。

在上述方案中，所述激光光束的波长为532nm，脉宽为10ns，频率0-100KHz，单脉冲激光能量为0～1mJ。

本发明还包括一种电化学放电与激光复合加工材料的装置，包括激光加工系统、运动控制系统和电化学放电加工系统；

所述激光加工系统包括激光器、反射镜和聚焦透镜，所述反射镜用来改变激光器发出的脉冲激光光束的光路，所述聚焦透镜用来将脉冲激光光束聚焦产生焦点；

所述运动控制系统包括计算机、运动控制卡、电化学加工放电装置和三坐标数控平台，所述计算机与所述运动控制卡相连，所述运动控制卡与所述电化学加工放电装置和三坐标数控平台分别连接，所述计算机通过控制所述运动控制卡进而控制所述电化学加工放电装置和三坐标数控平台运动；

所述电化学放电加工系统包括辅助电极、工具电极、工作腔、示波器、电流探头和可调脉冲电源，所述工具电极固定安装在所述电化学加工装置上，所述工作腔内盛有电解液，所述工具电极的底部与辅助电极在电解液中，所述辅助电极与所述可调脉冲电源的正极相连，所述工具电极与所述可调脉冲电源的负极相连；

所述工作腔固定于所述三坐标数控平台上，所述工作腔底部及夹具设有通孔，试样固定于所述夹具的通孔处，所述试样和所述夹具位于电解液中，所述工具电极与所述激光加工系统分别位于所述试样的上方和下方，所述工具电极底端与所述激光光束在试样表面产生的焦点位置相对应。

进一步，所述试样与所述夹具、所述夹具与所述工作腔之间分别设有密封圈。

进一步，所述运动控制系统还包括力传感器，所述力传感器位于所述电化学放电加工装置与所述工具电极之间，所述力传感器与所述计算机相连，所述力传感器将力信号传递给计算机。

进一步，所述装置还包括示波器和水听器，所述示波器分别与所述水听器和所述辅助电极相连，所述示波器用于显示所述水听器和所述辅助电极传递的信号。

进一步，所述装置还包括热成像仪和高速摄像机，所述热成像仪位于所述试样斜上方，所述热成像仪用于检测加工过程中试样表面温度，所述高速摄像机位于所述试样一侧。

在上述方案中，所述可调脉冲电源的电压0～60V，频率1～5000Hz，占空比0～100％。

本发明的有益效果：

(1)将激光束从下方引入电化学放电刻蚀加工系统中，为电化学放电的电极进给提供了空间条件，使激光能量和火花放电分别从上下两个方向协同作用于工件上，保证了两种能量的高效复合，提高了加工区域的能量密度，加快了被加工试样的蚀除速度。

(2)在加工过程中，由激光辐照作用可生成大量气泡，并与工具电极处电化学反应所产生的气泡融合，增大了工具电极外层形成气膜的速度和稳定性，使得电化学放电加工过程更加稳定，提高了加工速率。

(3)引入力反馈系统，通过将工具电极和试样接触力与参考力进行比较，进而控制试样的进给以及回退，避免了工具电极和试样接触力过大而造成工具电极变形或断裂，也可以保证加工时试样不会因为接触力过大而发生破裂或产生表面裂纹，提高了被加工试样的表面质量；工具电极的回退，使得工具电极和试样之间留有一定的间隙，有利于加工区域溶液的进入，保证了电化学放电的稳定性，提高了加工效率。

附图说明

图1为本发明所述电化学放电与激光复合加工材料的装置的结构示意图。

图2为本发明所述夹具局部放大图。

附图标记说明如下：1-计算机，2-运动控制卡，3-辅助电极，4-水听器，5-工具电极，6-力传感器，7-电化学放电加工装置，8-热成像仪，9-试样，10-工作腔，11-高速摄像机，12-激光器，13-反射镜，14-聚焦透镜，15-夹具，16-三坐标数控平台，17-示波器，18-电流探头，19-可调脉冲电源，20-上密封圈，21-下密封圈。

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所示的电化学放电与激光复合加工材料的装置，包括激光加工系统、运动控制系统和电化学放电加工系统，将加工试样9固定于夹具15的通孔处，其中试样9与夹具15之间装有上密封圈20，夹具15下方与工作腔10之间装有下密封圈21，工作腔10内盛有碱性电解液，工作腔10固定于X-Y-Z三坐标数控平台16的Z轴上，试样9随三坐标数控平台16单轴或多轴联动。

激光器12输出的为脉冲激光，激光波长532nm，脉宽10ns，频率0-100kHz，单脉冲激光能量0～1mJ，脉冲激光光束经反射镜13改变方向后，由聚焦透镜14将能量汇聚，由试样9下方穿过试样9在试样与电解液界面聚焦，激光能量达到一定值后，击穿电解液产生等离子体，等离子体吸收激光能量向外膨胀，形成冲击应力和空化应力，直接作用于试样9表面，实现材料去除。

工具电极5夹紧在电化学放电加工装置7的主轴上，工具电极为钨电极，电化学放电加工装置7主轴转速为0～5000rpm可调，由电化学放电加工装置7带动工具电极5运动，工具电极5的底端浸于可导电的电解液中，并定位于激光焦点的正上方；将可调脉冲电源19负极连接工具电极5，正极连接辅助电极3，辅助电极3采用石墨电极，电极两端由可调脉冲电源19加载电压，可调脉冲电源的电压0～60V，频率1～5000Hz，占空比0～100％，工具电极5表面由电解反应生成氢气泡，随着载入电压的升高，生成氢气泡的量随之增加，当载入电压达到或超过临界电压时，气泡就会相互结合形成气层并包裹住工具电极5，将工具电极5和电解液之间形成短时绝缘，因此工具电极5和电解液之间会产生电势差形成电场，当场强超过临界值时，引起点击穿，产生火花放电，作用于试样9表面，实现材料去除。激光能量和火花放电分别从上下两个方向协同作用于工件上，由激光辐照作用造成焦点处产生的大量气泡，与电化学反应所产生的气泡融合，增强了电化学放电形成气膜的稳定性，保证了两种能量的高效复合，提高了加工区域的能量密度，加快了被加工试样的蚀除速度。

计算机1内载入数控程序，计算机1根据程序输出指令给运动控制卡2，运动控制卡2控制X-Y-Z三坐标数控平台16运行，加工过程中试样9随X-Y-Z三坐标数控平台16沿程序设定的路径运动，而保持激光焦点和工具电极位置不变，由激光和电化学放电复合作用刻蚀试样。

工具电极5和电化学放电加工装置7之间安装力传感器6，实时检测工具电极5和试样9接触力大小，由力传感器6将力信号传给计算机1，计算机将接触力与参考力进行比较，进而控制试样9的进给以及回退；当接触力小于所述参考力时，试样9按照设定程序进给；当所述接触力超过所述参考力时，试样9沿反方向回退，回退距离10～20μm，并停留0.5s，然后再次进给，重复上述步骤，直至程序结束。

加工过程中，水听器4检测加工区域激光和火花放电产生的热力冲击信号并传输到示波器17，显示波形状态；由热成像仪8检测加工区域的热场分布；由高速摄像机11观察工具电极5处气泡向气层转变的动态过程；同时电路中使用电流探头18采集加工过程中火花放电的脉冲信号并传输到示波器17，检测脉冲电流的大小、频率等信息。

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)

1.一种电化学放电与激光复合加工材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：

将透明硬脆的试样、工具电极下部和辅助电极置于电解液中，工具电极与电源负极相连、位于所述试样上方，辅助电极与电源正极相连，通电时，所述辅助电极与所述工具电极在电解液中形成电化学放电回路；

激光光束经聚焦后由试样下方穿过试样在试样上表面产生焦点，进而形成冲击应力和空化应力作用于试样表面，所述工具电极下端位于所述焦点处；

通过设定所述试样的运动路径对所述试样进行持续加工。

2.如权利要求1所述的电化学放电与激光复合加工材料的方法，其特征在于，所述工具电极上方设有力传感器，所述力传感器用于实时检测所述工具电极与所述试样的接触力大小。

3.如权利要求2所述的电化学放电与激光复合加工材料的方法，其特征在于，所述试样为玻璃，所述辅助电极为石墨电极，所述工具电极为碳化钨电极，所述电解液为碱性溶液。

4.如权利要求1～3中任意一项所述的电化学放电与激光复合加工材料的方法，其特征在于，所述激光光束的波长为532nm，脉宽为10ns，频率0～100KHz，单脉冲激光能量为0～1mJ。

5.一种电化学放电与激光复合加工材料的装置，其特征在于，包括激光加工系统、运动控制系统和电化学放电加工系统；

所述激光加工系统包括激光器、反射镜和聚焦透镜，所述反射镜用来改变激光器发出的脉冲激光光束的光路，所述聚焦透镜用来将脉冲激光光束聚焦产生焦点；

所述运动控制系统包括计算机、运动控制卡、电化学加工放电装置和三坐标数控平台，所述计算机与所述运动控制卡相连，所述运动控制卡与所述电化学加工放电装置和三坐标数控平台分别连接，所述计算机通过控制所述运动控制卡进而控制所述电化学加工放电装置和三坐标数控平台运动；

所述电化学放电加工系统包括辅助电极、工具电极、工作腔、示波器、电流探头和可调脉冲电源，所述工具电极固定安装在所述电化学加工装置上，所述工作腔内盛有电解液，所述工具电极的底部与辅助电极在电解液中，所述辅助电极与所述可调脉冲电源的正极相连，所述工具电极与所述可调脉冲电源的负极相连；

所述工作腔固定于所述三坐标数控平台上，所述工作腔底部及夹具设有通孔，试样固定于所述夹具的通孔处，所述试样和所述夹具位于电解液中，所述工具电极与所述激光加工系统分别位于所述试样的上方和下方，所述工具电极底端与所述激光光束在试样表面产生的焦点位置相对应。

6.如权利要求5所述的电化学放电与激光复合加工材料的装置，其特征在于，所述试样与所述夹具、所述夹具与所述工作腔之间分别设有密封圈。

7.如权利要求6所述的电化学放电与激光复合加工材料的装置，其特征在于，所述运动控制系统还包括力传感器，所述力传感器位于所述电化学放电加工装置与所述工具电极之间，所述力传感器与所述计算机相连，所述力传感器将力信号传递给计算机。

8.如权利要求7所述的电化学放电与激光复合加工材料的装置，其特征在于，所述装置还包括示波器和水听器，所述示波器分别与所述水听器和所述辅助电极相连，所述示波器与所述辅助电极之间设有电流探头，所述示波器用于显示所述水听器和所述辅助电极传递的信号。

9.如权利要求8所述的电化学放电与激光复合加工材料的装置，其特征在于，所述装置还包括热成像仪和高速摄像机，所述热成像仪位于所述试样斜上方，所述热成像仪用于检测加工过程区域的热场分布，所述高速摄像机位于所述试样一侧，用于观察电解过程。

10.如权利要求5～9中任意一项所述的电化学放电与激光复合加工材料的装置，其特征在于，所述可调脉冲电源的电压0～60V，频率1～5000Hz，占空比0～100％。