CN106424987B - 管电极放电与激光辐照的同轴复合加工方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种管电极放电与激光辐照的同轴复合加工方法和装置，属于特种加工和复合加工领域；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，显著改善了加工效率，并且提高了加工质量。

Description

管电极放电与激光辐照的同轴复合加工方法和装置

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辐照同轴复合加工绝缘、高硬度、脆性材料的方法和装置，具体是一种管电极放电与激光辐照的同轴复合加工方法和装置。

背景技术

绝缘高硬脆材料相较于金属材料具有很多特点，包括高硬度、耐腐蚀、耐高温、耐磨损等材料性能。以氧化铝陶瓷为代表的绝缘高硬脆材料，在微电子、微反应器、光电子信息自动化技术、能源和环保、生物医学等高技术领域中有着十分广泛的应用前景。特别是在电子工业中已广泛应用的氧化铝陶瓷基片，因其化学稳定性高、导热率好、电绝缘性能高、高频特性优异、强度硬度高等特殊性能，已经成为大规模集成电路、超高速计算机和大功率通讯设备的关键性基础材料，工业需求逐年快速递增。但是由于材料的高硬度、高脆性、高熔点特性，传统的加工工艺很难对其进行精密微细加工。

目前对于绝缘高硬脆材料加工技术及其应用的研究，主要电化学放电加工和激光加工。电化学放电是电解、电火花复合加工，是利用电化学反应在工具电极上产生气泡进而形成气膜层，使工具电极与电解液之间绝缘，当工具电极和电解液之间的电位差增大到击穿气膜层的放电电压时，发生火花放电，通过放电产生的热和冲击波来蚀除绝缘高硬脆材料。激光加工是将高强度的激光经光学系统聚焦，形成高能量密度的激光束聚焦到绝缘高硬脆材料表面产生热、力等非线性效应致使材料熔化或蒸发，达到去除材料的目的。

对于绝缘高硬脆材料的微加工技术和研究，主要包括激光加工和电化学放电加工等技术。目前，国内外研究人员还提出了一些复合加工方法。经过查阅、检索现有的文献发现，公开号为CN103831674A的中国专利公开了一种氧化铝工程陶瓷激光诱导热裂磨削加工方法，通过激光作为热源加热零件并用Ar气冷却诱导氧化铝工程陶瓷零件表面产生初始裂纹，再用磨轮进行精密湿式磨削加工，该方法提高了磨削加工的效率，但是由于磨轮尺寸的限制，该方法不适合加工微型孔等微小形貌。公开号为CN104942388A的中国专利公开了一种针对透明绝缘硬脆材料的电化学放电与激光复合加工的装置和方法，该方法利用脉冲激光和电化学放电的高能密度产生的热力冲击效应蚀除材料，可以加快透明硬脆材料的蚀除速度，但是该装置和方法只适合于加工透明绝缘硬脆材料，不能加工不透明绝缘硬脆材料，而且由于脉冲激光和电化学放电产生的高能密度产生的热力冲击效应容易使被加工工件造成崩碎、烧蚀、熔凝层等缺陷，该方法由于电化学放电的杂散性，也很难做到微细定域加工。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种管电极放电与激光辐照的同轴复合加工方法，激光和电化学放电的两种能量交互协同作用于绝缘高硬脆材料表面，在不产生热蚀、熔凝的情况下，改善加工效率，提高加工定域性，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。

所述电化学放电和激光复合加工系统包括空心工具电极、电化学放电加工装置、辅助电极、可调脉冲电源、工作腔、激光器、反射镜、聚焦透镜、保护镜片，所述空心工具电极固定安装在所述电化学放电加工装置上、且位于所述电化学放电加工装置正下方，所述工作腔中装有电解液，工作腔底面上固定有用于夹持试样的夹具，所述空心工具电极底部和所述辅助电极浸没在所述工作腔的电解液中，所述辅助电极与所述可调脉冲电源的正极相连，所述空心工具电极与所述可调脉冲电源的负极相连；所述电化学放电加工装置、空心工具电极轴线均设有通孔，所述反射镜用来改变所述激光器发出的脉冲激光光路，使光束射入所述电化学放电装置、空心工具电极轴线处的通孔内，且与所述空心工具电极保持同轴，所述聚焦透镜安装在所述电化学放电加工装置里面且将脉冲激光光束聚焦在试样表面，所述保护镜片安装在所述空心工具电极里，防止所述工作腔中的电解液流入所述空心工具电极中；

所述运动控制系统包括计算机、运动控制器和X-Y-Z三坐标数控平台，所述运动控制器与所述计算机相连，所述X-Y-Z三坐标数控平台与所述运动控制器相连，所述计算机通过输入的运动程序传输给所述运动控制器进而控制所述X-Y-Z三坐标数控平台的运动；

所述电解液循环系统包括恒温储液槽、输液管、回液管、泵、节流阀、溢流阀，所述恒温储液槽与工作腔之间通过输液管和回流管构成循环管路，所述输液管和回流管上均设置有节流阀，所述泵设置输液管上；所述输液管与恒温储液槽之间还设置有溢流阀。

进一步地，所述运动控制系统还包括力传感器，所述力传感器安装在所述试样和夹具之间，所述力传感器与计算机相连，所述力传感器用于检测所述空心工具电极与所述试样的接触力大小，并将检测到的力信号传递给计算机。

进一步地，还包括示波器，所述示波器与所述辅助电极相连，所述示波器与所述辅助电极之间装有电流探头，所述电流探头采集火花放电的脉冲信号并传输给所述示波器。

进一步地，所述可调脉冲电源的电压0～60V，频率1～5000Hz，占空比0～100％。

进一步地，所述输液管上还设置有过滤器。

进一步地，所述夹具与工作腔底面之间设置有夹具密封圈。

所述的管电极放电与激光辐照的同轴复合加工装置的加工方法，其特征在于，包括如下步骤：

所述空心工具电极的底部和辅助电极放置于所述工作腔的电解液中，通电时，所述空心工具电极与所述辅助电极在所述电解液中形成电化学放电回路；激光器发出脉冲激光，经反射镜改变脉冲激光光路，使光束射入所述电化学放电装置、空心工具电极轴线处的通孔内，且与所述空心工具电极保持同轴，脉冲激光通过锥形空心工具电极聚焦辐照在试样表面，使试样表面辐照区温度急剧升高，当进入激光脉冲间歇时，工作腔中的电解液接触所述辐照区，致使所述辐照区产生高低温交替变化，使所述辐照区产生微裂纹、微凹陷和应力集中；辐照区的微凹陷由于尖端放电效应将空心工具电极的放电火花始终作用于所述辐照区，所述脉冲激光辐照和所述空心工具电极放电同轴作用于所述试样表面；所述脉冲激光辐照使作用区域的温度升高，加快了电化学反应，促进所述空心工具电极表面生成稳定的放电气膜层；所述空心工具电极放电的热力冲击效应致使所述辐照区域发生微裂纹开裂，改变所述试样的表面形貌和物化性质，又能提高所述试样对激光能量的非线性吸收，产生局域场增强效应；通过所述脉冲激光辐照和所述空心工具电极放电的交互协同作用，所述试样在连续扩展的可控微观断裂作用下，加工部位被去除。

进一步地，所述试样为99％氧化铝陶瓷，所述空心工具电极为锥形空心碳化钨电极，其底端外圆直径为0.2mm～1mm，所述辅助电极为石墨电极，所述电解液为碱性溶液，所述电解液没过所述试样上表面2mm。

进一步地，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。

本发明的有益效果：

(1)通过脉冲激光和电化学放电交互协同工作对绝缘高硬脆材料进行微细刻蚀加工，一方面，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，而且脉冲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始终作用在该区域，另一方面，火花放电改变工件材料的表面形貌和物化性质，能提高工件材料对激光能量的非线性吸收，产生局域场增强效应，两种能量的交互协同作用能显著改善绝缘高硬脆材料的加工效率，提高加工定域性，提高加工质量。

(2)引入电解液循环系统可以保证工作腔中的电解液温度恒定、浓度恒定、无杂质颗粒，保证了脉冲激光辐照区域产生稳定的温度梯度，并且保证了电化学放电的稳定性。

(3)将锥形空心电极作为工具电极，可以保证激光顺利通过且聚焦辐照在工件表面；而且锥形空心工具电极底部面积与激光光斑面积几乎相等。

(4)在不浪费较多能量的情况下，该方法和装置可以加工任何绝缘高硬脆材料，尤其是不透明的绝缘高硬脆材料。

附图说明

图1为本发明所述管电极放电与激光辐照的同轴复合加工装置的结构示意图。

图2为本发明所述电化学放电加工装置内部光路放大图。

附图标记说明如下：

1-计算机，2-运动控制器，3-辅助电极，4-力传感器，5-保护镜片，6-反射镜，7-电化学放电加工装置，8-聚焦透镜，9-空心工具电极，10-激光器，11-输液管，12-回液管，13-溢流阀，14-泵，15-过滤器，16-恒温储液槽，17-节流阀，18-试样，19-夹具密封圈，20-夹具，21- 工作腔，22.X-Y-Z三坐标数控平台，23-示波器，24-电流探头，25-可调脉冲电源。

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所示的管电极放电与激光辐照的同轴复合加工装置，包括电化学放电和激光复合加工系统、运动控制系统、电解液循环系统。所述电化学放电和激光复合加工系统包括空心工具电极9、电化学放电加工装置7、辅助电极3、可调脉冲电源25、工作腔21、激光器10、反射镜6、聚焦透镜8、保护镜片5，所述空心工具电极9固定安装在所述电化学放电加工装置7上，所述工作腔21中有电解液，所述空心工具电极9底部和所述辅助电极3浸没在所述工作腔21的电解液中，所述辅助电极3与所述可调脉冲电源25的正极相连，所述空心工具电极9与所述可调脉冲电源25的负极相连，所述聚焦透镜8安装在所述电化学放电加工装置 7里，所述保护镜片5安装在所述空心工具电极9里，所述保护镜片5是为了防止加工时所述工作腔21中的电解液流入空心工具电极9中；所述运动控制系统包括计算机1、运动控制器2、X-Y-Z三坐标数控平台22和力传感器5，所述X-Y-Z三坐标数控平台22与所述运动控制器2相连，所述力传感器5与计算机1相连，所述力传感器5安装在夹具20上；所述电解液循环系统包括恒温储液槽16、输液管11、回液管12、泵14、过滤器15、节流阀17、溢流阀13，所述恒温储液槽16内装有大量电解液，且将所述电解液保持在一定温度，所述电解液通过泵14经输液管11流入所述工作腔21中，所述工作腔21中的电解液通过所述回液管 12流回所述恒温储液槽，所述节流阀17和所述溢流阀13是控制所述电解液流量，所述过滤器15是过滤所述恒温储液槽16中的电解液且得到无杂质的电解液。

其中，所述试样18为99％氧化铝陶瓷，所述空心工具电极9为锥形空心碳化钨电极，其底端外圆直径为0.2mm～1mm，所述辅助电极3为石墨电极，所述电解液为碱性溶液，所述电解液没过所述试样18上表面2mm；所述激光器10发出的脉冲激光束的波长为532nm，脉宽为10ns，频率0～100KHz，单脉冲激光能量为0～1mJ。

管电极放电与激光辐照的同轴复合加工方法，包括如下步骤：

将试样18固定在夹具20上，夹具20通过夹具密封圈19固定在工作腔21里，所述空心工具电极的底部和辅助电极放置于所述工作腔的电解液中，通电时，所述空心工具电极与所述辅助电极在所述电解液中形成电化学放电回路；激光器10输出脉冲激光，反射镜6将脉冲激光束反射入电化学放电加工装置7中，聚焦透镜8将光束聚焦辐照在试样18表面，聚焦点处温度急剧升高，当进入激光脉冲间歇时，工作腔21中的电解液接触聚焦辐照区致使该区域产生较大的温度梯度从而产生微裂纹、微凹陷和应力集中；

电极两端通过可调脉冲电源25加载电压，空心工具电极9表面由电化学反应生成氢气泡，随着载入电压的升高，电化学反应生成气泡的量增加，当生成的气泡达到一定量时，气泡会吸附在空心工具电极9表面形成气膜层，致使空心工具电极9与工作腔21中的电解液之间在短时间内形成绝缘并产生电位梯度形成电场，当场强超过临界值时，会发生电击穿产生火花放电，利用电火花放电的热力冲击效应，诱发激光聚焦辐照区的应力集中释放，在该区域发生裂纹开裂；

脉冲激光作用于试样18表面产生的微裂纹、微凹陷和应力集中能吸引火花放电始终作用在该区域；同时火花放电改变了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9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试样18的微细定域刻蚀，显著改善其加工效率，并且提高了加工质量；

工作腔21固定在X-Y-Z三坐标数控平台22上，试样18随X-Y-Z三坐标数控平台22单轴或多轴联动，所以空心工具电极9相对于试样18在移动，因此微裂纹随激光辐照和火花放电的连续移动不断产生并扩展，试样18在连续扩展的可控微观断裂作用下被加工去除。

在加工过程中，力传感器5实时检测空心工具电极9与试样18的接触力大小，力传感器 5将检测的力信号反馈给计算机1，计算机1对比设定好的参考力，控制X-Y-Z三坐标数控平台22的运动和回退，当接触力小于设定好的参考力时，计算机1发出指令给运动控制卡进而控制X-Y-Z三坐标数控平台22按预定路径运动，当接触力大于设定好的参考力时，计算机1 发出指令给运动控制卡进而控制X-Y-Z三坐标数控平台22回退，直至力传感器5检测到接触力小于设定好的力，计算机1重新回到回退位置程序，控制X-Y-Z三坐标数控平台22再次运动，重复上述步骤，直至运动路径程序结束。

在加工过程中，泵14将恒温储液槽16中的电解液抽取经过过滤器15通过输液管11流入工作腔21内，工作腔21中的电解液通过回液管12流回恒温储液槽16，溢流阀13和节流阀17是为了控制电解液流速和稳定压力，因加工时间增大，工作腔21中的电解液温度会上升，浓度会改变，并且电解液中会含有加工产生的杂质，过滤器15过滤电解液中的杂质，保证提供给工作腔21的电解液干净无杂质，恒温储液槽16保证提供给工作腔21的电解液温度恒定，浓度恒定；从而保证了电化学放电和激光复合加工的稳定性。

加工过程中，电流探头24检测加工过程中电化学放电的脉冲信号并传输给示波器23以波形状态显示脉冲电流大小、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)

1.一种管电极放电与激光辐照的同轴复合加工装置，其特征在于，包括电化学放电和激光复合加工系统、运动控制系统和电解液循环系统；

所述电化学放电和激光复合加工系统包括空心工具电极(9)、电化学放电加工装置(7)、辅助电极(3)、可调脉冲电源(25)、工作腔(21)、激光器(10)、反射镜(6)、聚焦透镜(8)、保护镜片(5)，所述空心工具电极(9)固定安装在所述电化学放电加工装置(7)上、且位于所述电化学放电加工装置(7)正下方，所述工作腔(21)中装有电解液，工作腔(21)底面上固定有用于夹持试样(18)的夹具(20)，所述空心工具电极(9)底部和所述辅助电极(3)浸没在所述工作腔(21)的电解液中，所述辅助电极(3)与所述可调脉冲电源(25)的正极相连，所述空心工具电极(9)与所述可调脉冲电源(25)的负极相连；所述电化学放电加工装置(7)、空心工具电极(9)轴线均设有通孔，所述反射镜(6)用来改变所述激光器(10)发出的脉冲激光光路，使光束射入所述电化学放电装置、空心工具电极(9)轴线处的通孔内，且与所述空心工具电极(9)保持同轴，所述聚焦透镜(8)安装在所述电化学放电加工装置(7)里面且将脉冲激光光束聚焦在试样(18)表面，所述保护镜片(5)安装在所述空心工具电极(9)里，防止所述工作腔(21)中的电解液流入所述空心工具电极(9)中；

所述运动控制系统包括计算机(1)、运动控制器(2)和X-Y-Z三坐标数控平台(22)，所述运动控制器(2)与所述计算机(1)相连，所述X-Y-Z三坐标数控平台(22)与所述运动控制器(2)相连，所述计算机(1)通过输入的运动程序传输给所述运动控制器(2)进而控制所述X-Y-Z三坐标数控平台(22)的运动；

所述电解液循环系统包括恒温储液槽(16)、输液管(11)、回液管(12)、泵(14)、节流阀(17)、溢流阀(13)，所述恒温储液槽(16)与工作腔(21)之间通过输液管(11)和回流管构成循环管路，所述输液管(11)和回流管上均设置有节流阀(17)，所述泵(14)设置输液管(11)上；所述输液管(11)与恒温储液槽(16)之间还设置有溢流阀(13)。

2.根据权利要求1所述的管电极放电与激光辐照的同轴复合加工装置，其特征在于，所述运动控制系统还包括力传感器(4)，所述力传感器(4)安装在所述试样(18)和夹具(20)之间，所述力传感器(4)与计算机(1)相连，所述力传感器(4)用于检测所述空心工具电极(9)与所述试样(18)的接触力大小，并将检测到的力信号传递给计算机(1)。

3.根据权利要求1所述的管电极放电与激光辐照的同轴复合加工装置，其特征在于，还包括示波器(23)，所述示波器(23)与所述辅助电极(3)相连，所述示波器(23)与所述辅助电极(3)之间装有电流探头(24)，所述电流探头(24)采集火花放电的脉冲信号并传输给所述示波器(23)。

4.根据权利要求1所述的管电极放电与激光辐照的同轴复合加工装置，其特征在于，所述可调脉冲电源(25)的电压0～60V，频率1～5000Hz，占空比0～100％。

5.根据权利要求1所述的管电极放电与激光辐照的同轴复合加工装置，其特征在于，所述输液管(11)上还设置有过滤器(15)。

6.根据权利要求1所述的管电极放电与激光辐照的同轴复合加工装置，其特征在于，所述夹具(20)与工作腔(21)底面之间设置有夹具密封圈(19)。

7.权利要求1所述的管电极放电与激光辐照的同轴复合加工装置的加工方法，其特征在于，包括如下步骤：

所述空心工具电极(9)的底部和辅助电极(3)放置于所述工作腔(21)的电解液中，通电时，所述空心工具电极(9)与所述辅助电极(3)在所述电解液中形成电化学放电回路；激光器(10)发出脉冲激光，经反射镜(6)改变脉冲激光光路，使光束射入所述电化学放电装置、空心工具电极(9)轴线处的通孔内，且与所述空心工具电极(9)保持同轴，脉冲激光通过锥形空心工具电极(9)聚焦辐照在试样(18)表面，使试样(18)表面辐照区温度急剧升高，当进入激光脉冲间歇时，工作腔(21)中的电解液接触所述辐照区，致使所述辐照区产生高低温交替变化，使所述辐照区产生微裂纹、微凹陷和应力集中；辐照区的微凹陷由于尖端放电效应将空心工具电极(9)的放电火花始终作用于所述辐照区，所述脉冲激光辐照和所述空心工具电极(9)放电同轴作用于所述试样(18)表面；所述脉冲激光辐照使作用区域的温度升高，加快了电化学反应，促进所述空心工具电极(9)表面生成稳定的放电气膜层；所述空心工具电极(9)放电的热力冲击效应致使所述辐照区域发生微裂纹开裂，改变所述试样(18)的表面形貌和物化性质，又能提高所述试样(18)对激光能量的非线性吸收，产生局域场增强效应；通过所述脉冲激光辐照和所述空心工具电极(9)放电的交互协同作用，所述试样(18)在连续扩展的可控微观断裂作用下，加工部位被去除。

8.根据权利要求7所述的加工方法，其特征在于，安装在所述试样(18)和夹具(20)之间的力传感器(4)检测空心工具电极(9)与试样(18)的接触力大小，力传感器(4)将检测的力信号反馈给计算机(1)，计算机(1)对比设定好的参考力，控制X-Y-Z三坐标数控平台(22)的运动和回退，当接触力小于设定好的参考力时，计算机(1)发出指令给运动控制卡进而控制X-Y-Z三坐标数控平台(22)按预定路径运动，当接触力大于设定好的参考力时，计算机(1)发出指令给运动控制卡进而控制X-Y-Z三坐标数控平台(22)回退，直至力传感器(4)检测到接触力小于设定好的力，计算机(1)重新回到回退位置程序，控制X-Y-Z三坐标数控平台(22)再次运动，重复上述步骤，直至运动路径程序结束。

9.根据权利要求7中所述的加工方法，其特征在于，在加工过程中，泵(14)将恒温储液槽(16)中的电解液抽取经过过滤器(15)通过输液管(11)流入工作腔(21)内，工作腔(21)中的电解液通过回液管(12)流回恒温储液槽(16)；电流探头(24)检测加工过程中电化学放电的脉冲信号并传输给示波器(23)以波形状态显示脉冲电流大小、频率信息。

10.根据权利要求7中所述的加工方法，其特征在于，所述试样(18)为99％氧化铝陶瓷，所述空心工具电极(9)为锥形空心碳化钨电极，其底端外圆直径为0.2mm～1mm，所述辅助电极(3)为石墨电极，所述电解液为碱性溶液，所述电解液没过所述试样(18)上表面2mm；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。