CN108655521B - 一种压电陶瓷振动与电化学放电同步的加工装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种压电陶瓷振动与电化学放电同步的加工装置及方法，属于特种复合加工领域；电化学电源输出脉冲电流时，压电陶瓷电源同步输出正向电压激励信号，使压电陶瓷向上弯曲，工件与工具电极间隙变小；在电化学电源脉冲间歇，没有对玻璃工件进行放电加工时，压电陶瓷电源同步输出负向电压激励信号，使压电陶瓷向下弯曲，工件与工具电极的间隙变大。电化学电源与压电陶瓷电源同步放电使得放电阶段加工间隙减小，提高了放电能量的利用效率，增强了加工定域性；在放电停止间歇，加工间隙变大，有利于蚀除杂质的抛出和电解液的更新。

Description

一种压电陶瓷振动与电化学放电同步的加工装置及方法

技术领域

本发明涉及特种加工技术中复合微细加工领域，尤其涉及一种压电陶瓷振动与电化学放电同步的加工装置及方法，适用于绝缘硬脆材料的微细加工和制造。

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MEMS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。但由于它们的硬度和脆性导致加工工艺性差，精密微细加工则更为困难，单纯激光加工容易产生裂纹，电化学放电加工效率低等。

激光电化学复合加工方法，是一种通过激光辐照产生的等离子体热力冲击效应与电化学放电复合来蚀除工件材料的新型加工方法。利用在加工区域产生光力效应、光电效应、热蚀效应和热力效应，来提高表面加工质量和尺寸精度，从而实现绝缘硬脆类材料的光电复合协同刻蚀加工。激光复合微细加工技术在航空航天、信息通信、生物医疗、精密仪器等领域具有广阔的应用前景。

国内外的研究人员对激光电化学复合加工技术的研究取得了一定进展，中国专利号为CN2121615，名称为“喷射液束电解-激光复合加工方法及其装置”，提出在激光加工的同时复合与激光束同轴的高速喷射电沉积液束，激光在喷射液束的引导下利用光热效应去除材料，被阴极极化的电沉积液束对激光加工区进行冷却、冲刷和电化学溶解，去除激光熔蚀加工的再铸层。但激光能量和电化学反应的复合效率不理想。中国专利号为CNl06757285A名称为“空心激光的光内送粉复合电沉积加工方法及其装置”，提出空心激光的光内送粉复合电沉积加工方法，空心阳极管通过夹具垂直置于空心激光内，空气压缩机将颗粒从颗粒存储室吹入阳极管内，利用激光照射溶液产生的等离子体冲击波分散颗粒，可以有效解决由于粒子间范德华力超过相互之间的斥力引起的团聚现象提高颗粒在镀层中的分布均匀性，加快沉积速度，获得功能性复合材料。然而，该技术方案适用于高性能复合镀层的加工，不适用于绝缘硬脆材料的刻蚀加工。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种压电陶瓷振动与电化学放电同步的加工装置及方法，实现压电陶瓷振动与电化学放电同步同频，激光辐照和电化学放电同轴复合加工，两种能量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，提高加工效率，提高加工定域性。同时空心激光微区搅拌，能够促进蚀除杂质的排出，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。

一种压电陶瓷振动与电化学放电同步的加工装置，，包括空心激光辐照系统、电化学加工系统和运动控制系统；

所述空心激光辐照系统包括脉冲激光器、正棱镜、负棱镜、反射镜和聚焦透镜，所述脉冲激光器发出的脉冲激光依次经过负棱镜和正棱镜调制成空心激光，经反射镜改变光路，最后由聚焦透镜聚焦；

所述电化学加工系统包括直流脉冲电源、压电陶瓷、交流电源、电流探头、示波器、工具电极、辅助电极、工作槽、夹具、x-y-z三轴运动平台；所述工作槽固定于所述x-y-z三轴运动平台上，所述工作槽内盛有电解液，所述压电陶瓷与交流电源连接，压电陶瓷置于工作槽的底部，工件置于压电陶瓷上，浸没在电解液中；所述工具电极由夹具固定，工具电极与经反射镜反射后的激光束同轴，激光束经聚焦透镜聚焦在工具电极的正下方；工具电极的底部和辅助电极均浸没在电解液中，所述直流脉冲电源、示波器和电流探头依次相连，所述直流脉冲电源的负极与工具电极相连，正极与辅助电极相连，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；

所述运动控制系统包括计算机和运动控制器，所述计算机分别与脉冲激光器、直流脉冲电源、交流电源和运动控制器相连，所述运动控制器与x-y-z三轴运动平台电连接，所述计算机通过运动控制器控制x-y-z三轴运动平台的运动，所述计算机根据电流探头反馈的信号控制交流电源的输出。

优选地，所述运动控制系统还包括用于检测所述工具电极与所述工件的接触力大小的力传感器，所述力传感器位于所述夹具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。

优选地，还包括工作液循环系统，所述工作液循环系统包括储液槽、微型泵、过滤器和节流阀，所述微型泵通过第一管道从储液槽中抽取电解液并调节供液压力输送到工作槽中，所述工作槽的底部通过第二管道与储液槽连通，所述过滤器和节流阀设置在第二管道上。

优选地，所述微型泵的流量为0～10L/min，微型泵的阀芯耐酸碱腐蚀，所述储液槽、过滤器、节流阀和工作槽均由耐腐蚀的高分子材料制成。

优选地，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。

一种压电陶瓷振动与电化学放电同步的加工方法，包括以下步骤：

将工具电极的底部、辅助电极以及压电陶瓷置于工作槽的电解液中，将由绝缘硬脆材料制成的工件安装于压电陶瓷上，并浸没在电解液中，所述压电陶瓷与交流电源连接，所述工具电极与直流脉冲电源的负极相连，所述辅助电极与直流脉冲电源的电源正极相连，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；

脉冲激光器发出的脉冲激光依次经过负棱镜、正棱镜调制成空心激光，经反射镜改变光路，使脉冲激光与工具电极同轴，最后由聚焦透镜聚焦后在工件的上表面产生焦点，进而形成冲击应力和空化应力作用于工件的上表面，所述工具电极的下端位于所述焦点处；

通过计算机设定所述工件的运动路径对所述工件进行持续加工，在加工过程中，由电流探头检测直流脉冲电源的电流信号，当检测到直流脉冲电源的峰值电流时，计算机将触发信号传递到交流电源，使交流电源输出正向激励信号，使压电陶瓷向上弯曲，工件与工具电极之间的间隙变小；当电流探头检测到直流脉冲电源的脉冲间歇，交流电源同步输出负向电压激励信号，使压电陶瓷向下弯曲，工件与工具电极之间的间隙变大；

加工中始终保持压电陶瓷振动与电化学放电加工同步，直至加工运动路径程序结束。

优选地，所述工作槽通过第一管道与储液槽连通，第一管道上设有微型泵，工作槽的底部通过第二管道与储液槽连通，所述第二管道上设有过滤器和节流阀；

在对工件进行加工的过程中，打开微型泵，使工作槽与储液槽中的电解液循环流通。

优选地，还包括力传感器，所述力传感器位于所述夹具与所述工具电极之间，用于检测所述工具电极与所述工件的接触力大小，所述力传感器将力信号传递给计算机，在电化学放电加工前，调整工具电机的位置为计算机记录的当力传感器出现接触力的位置。

优选地，所述电解液为质量分数30％～35％的NaOH溶液。

优选地，所述直流脉冲电源的输出电压为0～20V，频率为0～2MHz，占空比为0～80％。

本发明的有益效果：

1)压电陶瓷振动频率与电化学加工放电频率一致，放电加工时压电陶瓷向上弯曲，工具电极与玻璃工件间隙变小，使得能量更集中，提高了加工定域性和加工效率；电化学电源脉冲间歇时，压电陶瓷向下弯曲，工具电极与玻璃工件间隙变大，使得加工区域的杂质更易被抛出，促进了加工区域电解液的更新，保证了工具电极气膜的稳定形成，获得更好的加工质量。

2)将空心激光引入电化学放电刻蚀加工系统中，一方面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点始终作用在该区域，另一方面激光作用在溶液中产生的热力效应形成微区搅拌，使得电化学放电产生杂质更容易排出加工区域，促进了电解液的更新，获得较好的表面加工质量。

3)空心激光可以保证与工具电极很好地同轴复合，使得激光能量与电化学放电能量耦合效率更高，保证了两种能量的高效复合，提高了加工区域的能量密度，加快了被加工工件的蚀除速度。

4)引入力反馈系统，通过检测工具电极和工件之间的接触力实现准确对刀，避免了工具电极和工件接触力过大而造成工具电极变形或断裂，也可以保证加工时工件不会因为接触力过大而发生破裂或产生表面裂纹，提高了被加工工件的表面质量。

附图说明

图1为本发明所述一种压电陶瓷振动与电化学放电同步的加工装置的示意图。

图中：1.计算机；2.直流脉冲电源；3.电流探头；4.示波器；5.运动控制器；6.反射镜；7.正棱镜；8.负棱镜；9.脉冲激光器；10.聚焦透镜；11.力传感器；12.夹具；13.工具电极；14.工件；15.辅助电极；16.压电陶瓷；17.工作槽；18.交流电源；19.x-y-z三轴运动平台；20.节流阀；21.过滤器；22.储液槽；23.微型泵。

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，一种压电陶瓷振动与电化学放电同步的加工装置，包括空心激光辐照系统、电化学加工系统、运动控制系统和工作液循环系统，空心激光辐照系统包括脉冲激光器9、正棱镜7、负棱镜8、反射镜6和聚焦透镜10，脉冲激光器9发出的脉冲激光依次经过负棱镜8和正棱镜7调制成空心激光，经反射镜6改变光路，最后由聚焦透镜10聚焦。

电化学加工系统包括直流脉冲电源2、压电陶瓷16、交流电源18、电流探头3、示波器4、工具电极13、辅助电极15、工作槽17、夹具12、x-y-z三轴运动平台19；工作槽17固定在x-y-z三轴运动平台19上，工作槽17内盛有电解液，电解液为碱性溶液。压电陶瓷16与交流电源18电连接，压电陶瓷16固定在工作槽17的底部，工件14固定在压电陶瓷16上，浸没在电解液中，工件14的尺寸根据所需零件选择；工具电极13为碳化钨电极，由夹具12固定，夹具12根据工具电极13的尺寸选择，不应该阻挡激光光路，工具电极13与经反射镜6反射后的激光束同轴，激光束经聚焦透镜10聚焦在工具电极13的正下方，聚焦后的光斑直径小于50微米，且保证所输出的空心激光内径大于工具电极13的直径；工具电极13的底部和辅助电极15均浸没在电解液中，辅助电极15为石墨电极，直流脉冲电源2、示波器4和电流探头3依次相连，直流脉冲电源2的负极与工具电极13相连，正极与辅助电极15，通电时，辅助电极15与工具电极13在电解液中形成电化学放电回路。

运动控制系统包括计算机1、运动控制器5和力传感器11，计算机1分别与脉冲激光器9、直流脉冲电源2、交流电源18、运动控制器5和电流探头3相连，运动控制器5与x-y-z三轴运动平台19电连接，通过计算机1可控制直流脉冲电源2、运动控制器5、脉冲激光器9和交流电源18的各项参数，同时计算机1也能够用上位机软件来运行刀具路径执行代码，通过运动控制器5来控制x-y-z三轴运动平台19的运动，并且计算机1根据电流探头3反馈的信号控制交流电源18的输出。力传感器11位于夹具12与工具电极13之间，用于检测工具电极13与工件14的接触力大小，力传感器11与计算机1相连，将力信号传递给计算机1。

工作液循环系统包括储液槽22、微型泵23、过滤器21和节流阀20，微型泵23通过第一管道从储液槽22中抽取电解液并调节供液压力输送到工作槽17中，工作槽17的底部通过第二管道与储液槽22连通，过滤器21和节流阀20设置在第二管道上。微型泵23的流量为0～10L/min，微型泵23的阀芯耐酸碱腐蚀，储液槽22、过滤器21、节流阀20和工作槽17均由耐腐蚀的高分子材料制成。

一种压电陶瓷振动与电化学放电同步的加工方法，包括以下步骤：

将工具电极13的底部、辅助电极15以及压电陶瓷16置于工作槽17的电解液中，将由绝缘硬脆材料制成的工件14先进行去油和清洗，然后安装于压电陶瓷16上，并浸没在电解液中，电解液为质量分数30％～35％的NaOH溶液，压电陶瓷16与交流电源18连接，工具电极13与直流脉冲电源2的负极相连，辅助电极与直流脉冲电源2的电源正极相连，通电时，辅助电极15与工具电极13在电解液中形成电化学放电回路；

在电化学放电加工前，调整工具电机13的位置为计算机1记录的当力传感器11出现接触力的位置，实现准确对刀；

接通直流脉冲电源2，直流脉冲电源2的输出电压为0～20V，频率为0～2MHz，占空比为0～80％；

打开脉冲激光器9，脉冲激光器9发出的脉冲激光依次经过负棱镜8、正棱镜7调制成空心激光，经反射镜6改变光路，使脉冲激光与工具电极13同轴，最后由聚焦透镜10聚焦，调节x-y-z三轴工作台19的高度，使激光聚焦于工具电极13的正下方的工件上表面，激光光束经聚焦后在工件14的上表面产生焦点，进而形成冲击应力和空化应力作用于工件14的上表面，工具电极13的下端位于焦点处；

打开微型泵23，使工作槽17与储液槽22中的电解液循环流通；

通过计算机1设定工件14的运动路径对工件14进行持续加工，在加工过程中，由电流探头3检测直流脉冲电源2的电流信号，当检测到直流脉冲电源2的峰值电流时，计算机1将触发信号传递到交流电源18，使交流电源18输出正向激励信号，使压电陶瓷16向上弯曲，工件14与工具电极13之间的间隙变小；当电流探头3检测到流脉冲电源2的脉冲间歇，交流电源18同步输出负向电压激励信号，使压电陶瓷16向下弯曲，工件14与工具电极13之间的间隙变大；

加工中始终保持压电陶瓷16振动与电化学放电加工同步，直至加工运动路径程序结束；

等工件14加工完成后关闭电源，取出工件14，对工件14进行清洗和烘干。

本发明当电化学电源输出脉冲电流时，压电陶瓷电源同步输出正向电压激励信号，使压电陶瓷16向上弯曲，工件14与工具电极13间隙变小；在电化学电源脉冲间歇，没有对玻璃工件14进行放电加工时，压电陶瓷电源同步输出负向电压激励信号，使压电陶瓷16向下弯曲，工件14与工具电极13的间隙变大。电化学电源与压电陶瓷电源同步放电使得放电阶段加工间隙减小，提高了放电能量的利用效率，增强了加工定域性；在放电停止间歇，加工间隙变大，有利于蚀除杂质的抛出和电解液的更新。当电化学放电作用于玻璃工件14的同时，采用皮秒脉冲激光聚焦于工件上同一点，两种能量的双向交互作用能显著加快玻璃工件的蚀除速度。

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)

1.一种压电陶瓷振动与电化学放电同步的加工装置，其特征在于，包括同轴同向空心激光辐照系统、电化学加工系统和运动控制系统；

所述同轴同向空心激光辐照系统包括脉冲激光器(9)、正棱镜(7)、负棱镜(8)、反射镜(6)和聚焦透镜(10)，所述脉冲激光器(9)发出的脉冲激光依次经过负棱镜(8)和正棱镜(7)调制成空心激光，经反射镜(6)改变光路，最后由聚焦透镜(10)聚焦，并与电化学放电同轴同向作用于工件；

所述电化学加工系统包括直流脉冲电源(2)、压电陶瓷(16)、交流电源(18)、电流探头(3)、示波器(4)、工具电极(13)、辅助电极(15)、工作槽(17)、夹具(12)、x-y-z三轴运动平台(19)；所述工作槽(17)固定于所述x-y-z三轴运动平台(19)上，所述工作槽(17)内盛有电解液，所述压电陶瓷(16)与交流电源(18)连接，压电陶瓷(16)置于工作槽(17)的底部，工件(14)置于压电陶瓷(16)上，浸没在电解液中；所述工具电极(13)由夹具(12)固定，工具电极(13)与经反射镜(6)反射后的激光束同轴，激光束经聚焦透镜(10)聚焦在工具电极(13)的正下方；工具电极(13)的底部和辅助电极(15)均浸没在电解液中，所述直流脉冲电源(2)、示波器(4)和电流探头(3)依次相连，所述直流脉冲电源(2)的负极与工具电极(13)相连，正极与辅助电极(15)相连，通电时，所述辅助电极(15)与所述工具电极(13)在电解液中形成电化学放电回路；

所述运动控制系统包括计算机(1)和运动控制器(5)，所述计算机(1)分别与脉冲激光器(9)、直流脉冲电源(2)、交流电源(18)和运动控制器(5)相连，所述运动控制器(5)与x-y-z三轴运动平台(19)电连接，所述计算机(1)通过运动控制器(5)控制x-y-z三轴运动平台(19)的运动，所述计算机(1)根据电流探头(3)反馈的信号控制交流电源(18)的输出。

2.根据权利要求1所述的压电陶瓷振动与电化学放电同步的加工装置，其特征在于，所述运动控制系统还包括用于检测所述工具电极(13)与所述工件(14)的接触力大小的力传感器(11)，所述力传感器(11)位于所述夹具(12)与所述工具电极(13)之间，所述力传感器(11)与所述计算机(1)相连，所述力传感器(11)将力信号传递给计算机(1)。

3.根据权利要求1所述的压电陶瓷振动与电化学放电同步的加工装置，其特征在于，还包括工作液循环系统，所述工作液循环系统包括储液槽(22)、微型泵(23)、过滤器(21)和节流阀(20)，所述微型泵(23)通过第一管道从储液槽(22)中抽取电解液并调节供液压力输送到工作槽(17)中，所述工作槽(17)的底部通过第二管道与储液槽(22)连通，所述过滤器(21)和节流阀(20)设置在第二管道上。

4.根据权利要求3所述的压电陶瓷振动与电化学放电同步的加工装置，其特征在于，所述微型泵(23)的流量为0～10L/min，微型泵(23)的阀芯耐酸碱腐蚀，所述储液槽(22)、过滤器(21)、节流阀(20)和工作槽(17)均由耐腐蚀的高分子材料制成。

5.根据权利要求1所述的压电陶瓷振动与电化学放电同步的加工装置，其特征在于，所述辅助电极(15)为石墨电极，所述工具电极(13)为碳化钨电极，所述电解液为碱性溶液。

6.一种压电陶瓷振动与电化学放电同步的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

将工具电极(13)的底部、辅助电极(15)以及压电陶瓷(16)置于工作槽(17)的电解液中，将由绝缘硬脆材料制成的工件(14)安装于压电陶瓷(16)上，并浸没在电解液中，所述压电陶瓷(16)与交流电源(18)连接，所述工具电极(13)与直流脉冲电源(2)的负极相连，所述辅助电极与直流脉冲电源(2)的电源正极相连，通电时，所述辅助电极(15)与所述工具电极(13)在电解液中形成电化学放电回路；

脉冲激光器(9)发出的脉冲激光依次经过负棱镜(8)、正棱镜(7)调制成空心激光，经反射镜(6)改变光路，使脉冲激光与工具电极(13)同轴，最后由聚焦透镜(10)聚焦后在工件(14)的上表面产生焦点，进而形成冲击应力和空化应力作用于工件(14)的上表面，所述工具电极(13)的下端位于所述焦点处；

通过计算机(1)设定所述工件(14)的运动路径对所述工件(14)进行持续加工，在加工过程中，由电流探头(3)检测直流脉冲电源(2)的电流信号，当检测到直流脉冲电源(2)的峰值电流时，计算机(1)将触发信号传递到交流电源(18)，使交流电源(18)输出正向激励信号，使压电陶瓷(16)向上弯曲，工件(14)与工具电极(13)之间的间隙变小；当电流探头(3)检测到直流脉冲电源(2)的脉冲间歇，交流电源(18)同步输出负向电压激励信号，使压电陶瓷(16)向下弯曲，工件(14)与工具电极(13)之间的间隙变大；

加工中始终保持压电陶瓷(16)振动与电化学放电加工同步，直至加工运动路径程序结束。

7.根据权利要求6所示的压电陶瓷振动与电化学放电同步的加工方法，其特征在于，所述工作槽(17)通过第一管道与储液槽(22)连通，第一管道上设有微型泵(23)，工作槽(17)的底部通过第二管道与储液槽(22)连通，所述第二管道上设有过滤器(21)和节流阀(20)；

在对工件(14)进行加工的过程中，打开微型泵(23)，使工作槽(17)与储液槽(22)中的电解液循环流通。

8.根据权利要求6所示的压电陶瓷振动与电化学放电同步的加工方法，其特征在于，还包括力传感器(11)，所述力传感器(11)位于夹具(12)与所述工具电极(13)之间，用于检测所述工具电极(13)与所述工件(14)的接触力大小，所述力传感器(11)将力信号传递给计算机(1)，在电化学放电加工前，调整工具电机(13)的位置为计算机(1)记录的当力传感器(11)出现接触力的位置。

9.根据权利要求6所述的压电陶瓷振动与电化学放电同步的加工方法，其特征在于，所述电解液为质量分数30％～35％的NaOH溶液。

10.根据权利要求6所述的压电陶瓷振动与电化学放电同步的加工方法，其特征在于，所述直流脉冲电源(2)的输出电压为0～20V，频率为0～2MHz，占空比为0～80％。