CN107900472B - 一种磨粒浮动式自适应电化学机械抛光加工方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磨粒浮动式自适应电化学机械抛光加工方法及装置，属于电化学机械抛光领域。本发明的抛光方法为：a、构建浮动式磨粒抛光系统：该抛光系统包括磨粒、支撑组件和电解液供给系统，支撑组件设有用于放置磨粒的容纳腔，磨粒可活动地安装在该容纳腔内，容纳腔设有下入口和上出口，以控制电解的流入与流出，将工件设于容纳腔上出口的上方，使电解液供给系统从容纳腔下入口处给工件供给电解液；b、进行抛光加工，并可根据实际加工需求通过调整电解液压力实现。本发明通过控制电解液压力的方式，既控制了电解蚀除效率，又控制了机械磨削力，实现了磨削力自适应电解蚀除效率的目的，控制方便且准确，抛光精度和效率高。

Description

一种磨粒浮动式自适应电化学机械抛光加工方法及装置

技术领域

本发明涉及电化学机械抛光领域，更具体地说，涉及一种磨粒浮动式自适应电化学机械抛光加工方法及装置。

背景技术

电化学机械抛光是一种复合加工工艺，其将电化学预抛光和机械精抛光有机的结合在一起，糅合了电化学抛光和机械抛光两种抛光方式的优点。电化学机械抛光，利用钝化性电解液在金属表面生成钝化膜的机理，在阴极和工件之间接通电流时，工件表面产生溶解蚀除形成钝化膜，随即通过机械加工，选择性地刨除待抛光表面高凸部分的钝化层而露出新的表面层，新的表面继续被电解液溶解蚀除，而工件待抛光表面凹陷部分受钝化膜保护，避免被进一步溶解蚀除，如此循环往复，即可有选择性地刨除工件待抛光表面的高凸部分，直至整个表面平整，实现工件抛光。电化学机械抛光适用于难加工材料的表面光整加工，其不受工件硬度等因素的影响，该加工方法抛光的表面不会产生变质层﹐无附加应力﹐并可去除或减小原有的应力层，且该加工方法生产效率高，成本低廉。电化学机械抛光加工不同于普通的机械抛光加工的显著特点是，电化学机械抛光中的机械作用去除的是钝化膜而不是金属本身，与单纯的电化学抛光相比，电化学机械抛光增加了机械抛光过程，能够刮出待抛光表面高凸部分的钝化膜，加快抛光的效率。电化学机械抛光方法具有众多优点，因此，该加工方式被广泛应用。

但是，在电化学机械抛光过程中，机械磨削力难以准确把控，使得工件加工表面经常因机械磨削力过小而出现欠修整或者因机械磨削过大而出现工件和模具损耗的情况，这一不足极大的限制了该加工方法的应用。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

本发明的目的在于克服现有技术在进行电化学机械抛光时，难以准确把握机械磨削力的不足，提供一种磨粒浮动式自适应电化学机械抛光加工方法及装置，本发明的技术方案采用由电解液驱动的浮动式磨粒组代替传统固定式磨具作为电化学机械抛光过程中钝化膜去除工具，该浮动式磨粒组能够通过调节电解液压力的方式来调节磨粒组与工件的接触压力，并同时调节与工件接触的电解液的量，平衡机械磨削和电解溶解蚀除速率，提高了电化学机械抛光的精度，提高了抛光速率，扩大了电化学机械抛光的应用范围，实用性强。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种磨粒浮动式自适应电化学机械抛光加工方法，包括以下步骤：

a、构建浮动式磨粒抛光系统：该抛光系统包括磨粒、用于支撑磨粒的支撑组件和电解液供给系统，所述的支撑组件设有用于放置磨粒的容纳腔，所述的磨粒可活动地安装在该容纳腔内，所述的容纳腔设有分别供电解液流入与流出的下入口和上出口，所述的下入口和上出口均能够与磨粒配合，以控制电解液的流入与流出，将工件设于容纳腔上出口的上方，使电解液供给系统从容纳腔下入口处给工件供给电解液，电解液经容纳腔的上出口流出与工件接触；

b、进行抛光加工，该抛光加工过程中磨粒与工件具有三个加工状态，可根据实际加工需求通过调整电解液压力方式进行设定；

状态一、工件与磨粒间距离过大，磨粒与工件不接触，不进行机械磨削，同时，磨粒在电解液压力的作用下堵住支撑组件上电解液的上出口，电解液无法流出与工件接触，工件处于不加工状态；

状态二、工件与磨粒间的距离适中，磨粒位于支撑组件的下入口和上出口之间，磨粒对工件进行磨削加工，同时，电解液从上出口流出与工件接触，对工件表面进行溶解蚀除，机械磨削和电解溶解蚀除速率处于平衡状态；在此状态下，根据加工需求通过电解液供给系统调节电解液的压力，电解液驱动磨粒朝向靠近工件一侧或远离工件一侧运动，最终调节工件与磨粒之间的接触压力；

状态三、工件与磨粒间距离过小，工件与磨粒接触压力过大，磨粒堵住支撑组件上电解液的下入口，电解液无法与工件接触，工件仅进行机械磨削。

更进一步地，所述的电解液的压力范围为0.01MPa-10MPa。

更进一步地，所述的磨粒的粒径为0.1mm-100mm。

更进一步地，所述的磨粒由金属材料或半导体材料或绝缘体材料制成。

本发明的一种磨粒浮动式自适应电化学机械抛光加工装置，该装置包括电源、工件、磨粒、用于支撑磨粒的支撑组件和电解液供给系统，所述的工件与电源的正极相连，所述的电源的负极与阴极工件连接，所述的磨粒可活动地设于支撑组件内，所述的工件设于磨粒的一侧并能够与磨粒接触，所述的电解液供给系统从磨粒的另一侧供给电解液，所述的支撑组件设有与磨粒配合的控制部，用以控制电解液的流入与流出，所述的电解液供给系统设有用于调节压力和流速的电解液压力与流速控制系统。

更进一步地，所述的支撑组件由导电材料制成，所述的支撑组件与电源的负极连接，用以充当阴极工件。

更进一步地，该装置还包括用于控制工件运动的运动控制系统。

更进一步地，所述的电源为直流电源或脉冲电源。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：

(1)本发明的一种磨粒浮动式自适应电化学机械抛光加工方法，采用由电解液驱动的浮动式磨粒组代替传统固定式磨具作为电化学机械抛光过程中钝化膜去除工具，该浮动式磨粒组能够通过调节电解液压力的方式来调节磨粒组与工件的接触压力，并同时调节与工件接触的电解液的量，平衡机械磨削和电解溶解蚀除速率，提高了电化学机械抛光的精度。

(2)本发明的一种磨粒浮动式自适应电化学机械抛光加工方法，通过调节电解液的压力来调节磨粒的位置，从而调节磨粒与工件的接触压力，进而调节磨粒组去除钝化膜的速率，使得在电化学机械抛光加工过程中，能够根据不同加工需求和不同加工阶段的要求相对应地调节加工速率，非常方便。

(3)本发明的一种磨粒浮动式自适应电化学机械抛光加工装置，该装置设有电解液供给系统和电解液压力与流速控制系统，电解液供给系统能够控制电解液的供给，控制电解液的流出量，电解液压力与流速控制系统能够很方便地控制电解液的压力，便于该装置根据不同加工需求及时合理地进行调节，该装置提高了抛光速率，扩大了电化学机械抛光的应用范围，实用性强。

附图说明

图1为本发明的一种磨粒浮动式自适应电化学机械抛光加工装置的原理示意图；

图2为图1中A处的局部放大图；

图3为本发明中磨粒的三种状态示意图，其中，图3(a)为工件与磨粒距离过大时的示意图，图3(b)为工件与磨粒距离适中时的示意图，图3(c)为工件与磨粒距离过小时的示意图。

示意图中的标号说明：

1、电源；2、工件；3、磨粒；4、支撑组件；5、电解液供给系统；41、第一挡边；42、第二挡边。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。

实施例

结合图3所示，本实施例的一种磨粒浮动式自适应电化学机械抛光加工方法，该加工方法包括以下步骤：

a、构建浮动式磨粒抛光系统：该抛光系统包括磨粒、用于支撑磨粒的支撑组件和电解液供给系统，该支撑组件设有用于放置磨粒的容纳腔，磨粒可活动地安装在该容纳腔内，并且，上述的容纳腔设有分别供电解液流入与流出的下入口和上出口，下入口和上出口均能够与磨粒配合，以控制电解液的流入与流出，将工件设于容纳腔上出口的上方，使电解液供给系统从容纳腔下入口处给工件供给电解液，电解液经容纳腔的上出口流出与工件接触；具体地，将工件置于装有磨粒的支撑组件的上方，磨粒安装在支撑组件的容纳腔内时，磨粒的上端面高于支撑组件的上端面，以便与工件进行接触，实现对工件的磨削；将电解液供给系统置于装有磨粒的支撑组件的下方，电解液从容纳腔的下入口进入容纳腔，并流经容纳腔，从容纳腔的上出口流出，从而与工件接触，以实现对工件表面的电解，此外，该电解液供给系统设有压力与流速控制系统，能够控制和调节电解液的压力及流速；

b、进行抛光加工，该抛光加工过程中磨粒与工件具有三个加工状态，三个状态可根据实际加工需求通过调整电解液压力方式进行设定：

状态一、工件与磨粒间距离过大，磨粒与工件不接触，不进行机械磨削，同时，磨粒在电解液压力的作用下堵住支撑组件上容纳腔的上出口，电解液无法流出与工件接触，工件处于不加工状态；具体来说，磨粒在电解液压力的驱动下朝向靠近工件一侧运动，运动到一定位置时，磨粒即堵住容纳腔的上出口，电解液无法从支撑组件的容纳腔内流出与工件接触，因此，工件不进行电解，同时，由于工件与磨粒间距离过大，磨粒与工件无接触，因此不进行磨削加工，此时，工件处于不被加工的状态；

状态二、工件与磨粒间的距离适中，磨粒位于支撑组件容纳腔的下入口和上出口之间，磨粒对工件进行磨削加工，同时，电解液从容纳腔上出口流出与工件接触，对工件表面进行溶解蚀除，机械磨削和电解溶解蚀除速率处于平衡状态；在此状态下，根据加工需求通过电解液供给系统调节电解液的压力，电解液驱动磨粒朝向靠近工件一侧或远离工件一侧运动，最终调节工件与磨粒之间的接触压力；具体地，通过工件运动，可调节工件与磨粒之间的距离，当工件与磨粒间的距离适中时，磨粒与工件的接触压力、电解液压力两者相适应，使得磨粒位于容纳腔的下入口和上出口之间，电解液能够从支撑组件容纳腔下入口流入，并从容纳腔上出口流出与工件接触，同时，磨粒与工件接触，进行机械磨削，此时，机械磨削和电解溶解蚀除速率处于平衡状态，提高了抛光的精度；在加工过程中，工件加工往往会有不同的要求，在工件加工的不同阶段往往也会有不同的加工要求，为适应不同的加工需求，在电解液供给系统内设置压力与流速控制系统，并通过电解液供给系统来调节电解液的压力，从而驱动磨粒运动，当在一定范围内增大电解液的压力时，电解液驱动磨粒朝向靠近工件一侧运动，增大磨粒与工件间的接触压力，从而提高磨削速率，提高整体抛光速率，电解液压力越大，溶解效率越高，同时机械磨削作用也越强，实现了到磨粒磨削的自适应，当在一定范围内减小电解液的压力时，磨粒即朝向相反的方向运动，磨粒与工件间的接触压力减小，每次磨削的量相对应的减少，可进行精加工等；该方法通过控制电解液压力的大小及能够控制磨粒与工件间的接触压力，从而实现对机械磨削力的控制，控制方便、准确；

状态三、工件与磨粒间距离过小，工件与磨粒接触压力过大，磨粒堵住容纳腔的下入口，电解液无法与工件接触，工件仅进行机械磨削；工件与磨粒接触压力过大时即说明工件表层形成了大量的溶解蚀除物，需要进行刮除，此时，工件与磨粒接触压力大于电解液的压力，使得磨粒堵住容纳腔的下入口，工件表面无法接触电解液，即无法进一步溶解蚀除，避免工件表面产生更多溶解蚀除物导致机械磨削来不及刮除溶解蚀除物，此时仅进行机械磨削，能够快速去除工件表面溶解蚀除层，提高抛光效果。

进一步地，作为一种优选方案，上述的电解液的压力范围为0.01MPa-10MPa，在该范围内调节电解液的压力能够更好地控制磨粒与工件间的接触压力，从而更好地进行加工。此外，磨粒的粒径为0.1mm-100mm，该范围的磨粒磨削效果好，磨削精度更高，另外，该磨粒由金属材料或半导体材料或绝缘体材料制成，磨粒的具体制作材料可根据待磨削工件的材质进行相应的选择与调整，以使磨粒的机械磨削效果更好。

本发明的一种磨粒浮动式自适应电化学机械抛光加工方法，采用由电解液驱动的浮动式磨粒组代替传统固定式磨具作为电化学机械抛光过程中钝化膜去除工具，该浮动式磨粒组能够通过调节电解液压力的方式来调节磨粒组与工件的接触压力，并同时调节与工件接触的电解液的量，平衡机械磨削和电解溶解蚀除速率，提高了电化学机械抛光的精度，提高了抛光速率。

结合图1和图2所示，本实施例还给出了一种磨粒浮动式自适应电化学机械抛光加工装置，该装置包括电源1、工件2、磨粒3、用于支撑磨粒3的支撑组件4和电解液供给系统5，其中，工件2与电源1的正极相连，同时，电源1的负极与阴极工件连接，优选地，本实施例的电源1为直流电源或脉冲电源，另外，支撑组件4由导电材料制成，该支撑组件4与电源1的负极连接，用以充当阴极工件，当然，也可另外设置阴极工件，使阴极工件电解液接触。上述的磨粒3可活动地设于支撑组件4内，工件2设于磨粒3的一侧并能够与磨粒3接触，而电解液供给系统5从磨粒3的另一侧供给电解液，其供给的电解液流经支撑组件4和磨粒3后与工件2接触，且电解液能够驱动磨粒3进行运动。具体地，工件2置于装有磨粒 3的支撑组件4的上方，磨粒3安装在支撑组件4内时，磨粒3的上端面高于支撑组件4的上端面，以便与工件2进行接触，实现对工件2的磨削，与此同时，电解液供给系统5置于装有磨粒3的支撑组件4的下方，电解液供给系统5所供给的电解液从支撑组件4的下端进入支撑组件4，并从支撑组件4的上端流出，从而与工件2接触，以实现对工件2表面的电解。除此之外，上述的支撑组件4设有与磨粒3配合的控制部，用以控制电解液的流入与流出，作为一种优选方案，本实施例的控制部包括设于支撑组件4上的第一挡边41和第二挡边 42，如图2所示，该第一挡边41和第二挡边42形成一个容纳腔，上述的磨粒3即设于该容纳腔内，第一挡边41位于第二挡边42的上方，该第一挡边41形成了上出口，第二挡边 42形成了下入口，磨粒3能够在容纳腔内上下活动，当磨粒3向上移动一定距离后，磨粒3 即堵住上出口，使得电解液不能流出，当磨粒3向下移动一定距离后，磨粒3即堵住下入口，电解液同样不能流出与工件接触。

需要说明的是，上述的电解液供给系统5设有用于调节电解液压力和流速的压力与流速控制系统，在加工过程中，工件2加工往往会有不同的要求，在工件2加工的不同阶段往往也会有不同的加工要求，为适应不同的加工需求，在电解液供给系统5内设置压力与流速控制系统，即能够通过电解液供给系统5来调节电解液的压力，从而驱动磨粒3运动，当在一定范围内增大电解液的压力时，电解液驱动磨粒3朝向靠近工件2一侧运动，增大磨粒3与工件2间的接触压力，从而提高磨削速率，提高整体抛光速率，电解液压力越大，工件2表层溶解效率越高，同时机械磨削作用也越强，实现了到磨粒磨削的自适应；当在一定范围内减小电解液的压力时，磨粒3即朝向相反的方向运动，磨粒3与工件2间的接触压力减小，每次磨削的量相对应的减少，可进行精加工等。该装置通过控制电解液压力的大小及能够控制磨粒3与工件2间的接触压力，从而实现对机械磨削力的控制，控制方便、准确，并且，机械磨削力的大小能够通过电解液压力的形式展现出来，非常实用。

进一步地，本实施例的装置还包括用于控制工件2运动的运动控制系统，该运动控制系统可控制工件2进行移动和旋转等运动，以便工件2与磨粒3更好地接触。另外，上述的支撑组件4能够进行组装，该支撑组件4能够组装成不同的形状，以适应不同形状的工件，以实现平面、回转体以及不规则曲线形状零件电化学机械抛光，非常实用。

使用时，将电源1与工件2和支撑组件4进行连接，当工件2与磨粒3间距离过大，磨粒3与工件2不接触，不进行机械磨削，同时，磨粒3在电解液压力的作用下堵住支撑组件 4上电解液的上出口，电解液无法流出与工件接触，工件2处于不加工状态；随着工件2的运动，工件2与磨粒3间的距离达到适中范围，磨粒3位于支撑组件4的下入口和上出口之间，磨粒3与工件2接触，对工件2进行磨削加工，同时，电解液从上出口流出与工件接触，对工件2表面进行溶解蚀除，机械磨削和电解溶解蚀除速率处于平衡状态；在此状态下，根据加工需求调节电解液供给系统5调节电解液的压力，电解液驱动磨粒3朝向靠近工件2一侧或远离工件2一侧运动，最终调节工件2与磨粒3之间的接触压力，以适应不同的加工要求。当工件2表面产生较多的溶解蚀除物时，或工件2与磨粒3靠的较近时，工件2与磨粒 3间距离过小，工件2与磨粒3接触压力过大，磨粒3即堵住支撑组件4上电解液的下入口，电解液无法与工件2接触，工件2仅进行机械磨削，避免工件2表面产生更多溶解蚀除物导致机械磨削来不及刮除溶解蚀除物，此时仅进行机械磨削，能够快速去除工件表面溶解蚀除层，提高抛光效果。

本发明的一种磨粒浮动式自适应电化学机械抛光加工装置，该装置结构简单，能够根据不同加工需求及时合理地调节工件与磨粒间的接触压力，该装置提高了抛光速率，扩大了电化学机械抛光的应用范围，实用性强。

本发明的一种磨粒浮动式自适应电化学机械抛光加工方法及装置，采用由电解液驱动的浮动式磨粒组代替传统固定式磨具作为电化学机械抛光过程中钝化膜去除工具，通过控制电解液压力的方式控制机械磨削力，控制方便且准确，提高了电化学机械抛光的抛光精度和抛光速率。

以上示意性地对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性地设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种磨粒浮动式自适应电化学机械抛光加工方法，其特征在于：包括以下步骤：

a、构建浮动式磨粒抛光系统：该抛光系统包括磨粒、用于支撑磨粒的支撑组件和电解液供给系统，所述的支撑组件设有用于放置磨粒的容纳腔，所述的磨粒可活动地安装在该容纳腔内，所述的容纳腔设有分别供电解液流入与流出的下入口和上出口，所述的下入口和上出口均能够与磨粒配合，以控制电解液的流入与流出，将工件设于容纳腔上出口的上方，使电解液供给系统从容纳腔下入口处给工件供给电解液，电解液经容纳腔的上出口流出与工件接触；

b、进行抛光加工，该抛光加工过程中磨粒与工件具有三个加工状态，可根据实际加工需求通过调整电解液压力方式进行设定；

状态一、工件与磨粒间距离过大，磨粒与工件不接触，不进行机械磨削，同时，磨粒在电解液压力的作用下堵住支撑组件上电解液的上出口，电解液无法流出与工件接触，工件处于不加工状态；

状态二、工件与磨粒间的距离适中，磨粒位于支撑组件的下入口和上出口之间，磨粒对工件进行磨削加工，同时，电解液从上出口流出与工件接触，对工件表面进行溶解蚀除，机械磨削和电解溶解蚀除速率处于平衡状态；在此状态下，根据加工需求通过电解液供给系统调节电解液的压力，电解液驱动磨粒朝向靠近工件一侧或远离工件一侧运动，最终调节工件与磨粒之间的接触压力；

状态三、工件与磨粒间距离过小，工件与磨粒接触压力过大，磨粒堵住支撑组件上电解液的下入口，电解液无法与工件接触，工件仅进行机械磨削。

2.根据权利要求1所述的一种磨粒浮动式自适应电化学机械抛光加工方法，其特征在于：所述的电解液的压力范围为0.01MPa-10MPa。

3.根据权利要求1所述的一种磨粒浮动式自适应电化学机械抛光加工方法，其特征在于：所述的磨粒的粒径为0.1mm-100mm。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种磨粒浮动式自适应电化学机械抛光加工方法，其特征在于：所述的磨粒由金属材料或半导体材料或绝缘体材料制成。

5.一种磨粒浮动式自适应电化学机械抛光加工装置，其特征在于：包括电源(1)、工件(2)、磨粒(3)、用于支撑磨粒(3)的支撑组件(4)和电解液供给系统(5)，所述的工件(2)与电源(1)的正极相连，所述的电源(1)的负极与阴极工件连接，所述的磨粒(3)可活动地设于支撑组件(4)内，所述的工件(2)设于磨粒(3)的一侧并能够与磨粒(3)接触，所述的电解液供给系统(5)从磨粒(3)的另一侧供给电解液，所述的支撑组件(4)设有与磨粒(3)配合的控制部，用以控制电解液的流入与流出，所述的电解液供给系统(5)设有用于调节电解液压力和流速的压力与流速控制系统。

6.根据权利要求5所述的一种磨粒浮动式自适应电化学机械抛光加工装置，其特征在于：所述的支撑组件(4)由导电材料制成，所述的支撑组件(4)与电源(1)的负极连接，用以充当阴极工件。

7.根据权利要求5所述的一种磨粒浮动式自适应电化学机械抛光加工装置，其特征在于：还包括用于控制工件(2)运动的运动控制系统。

8.根据权利要求5所述的一种磨粒浮动式自适应电化学机械抛光加工装置，其特征在于：所述的电源(1)为直流电源或脉冲电源。