CN108971745B - 一种激光诱导放电表面微结构加工方法及装置 - Google Patents

一种激光诱导放电表面微结构加工方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种激光诱导放电表面微结构加工方法与装置。将微尺度工具电极连接电源负极，微尺度工具电极一端的端面和工件待加工区域表面保持一定间隙，间隙中充盈液态的工作介质；将激光汇聚于所述间隙，工作介质在激光能量作用下气化，在微尺度工具电极的所述一端产生连续气体；电源通电，阴极与阳极之间形成电回路，当所述间隙中的电场强度大于气体的击穿强度时，产生击穿放电，工件的待加工区域表面被高温蚀除，实现工件表面的微细结构加工。该方法可以在不适用腐蚀性电解液的条件下实现导电材料或非导电材料的微结构加工，通过调控工件的待加工区域以及所述间隙距离，可实现不同轮廓微结构的加工。

Description

一种激光诱导放电表面微结构加工方法及装置
技术领域
本申请涉及微细结构复合加工方法，涉及一种激光诱导放电表面微结构加工方法及其装置，可应用于导电材料、非导电材料及半导体材料工件表面微结构的加工。
背景技术
随着科学技术的进步和发展，产品和部件的微型化发展趋势日趋明显，各种微机电系统(Micro Electro Mechanical System,MEMS)在航空航天、汽车、微电子、精密导航等领域的应用更加广泛。随之而来，对微细结构的精密微细制造技术的需求越来越多。
目前的微细加工技术往往只适用于某一类特定材料或存在一定的局限性。例如，微细电解加工技术和微细放电加工技术多用于加工金属导电材料，微细超声加工技术适用于加工硬脆性材料微细结构的加工，微细机械加工技术中工具易变形、有毛刺，电子束加工和离子束加工设备昂贵、加工成本较高。
电解放电复合加工技术(Electrochemicaldischargemicromachining，ECDM)综合利用电解加工和放电加工效应，是一种新型微细加工技术。ECDM加工过程中，首先利用电解加工在阴极的工具电极工作端面形成连续气体包覆层，进而利用高电场强度击穿气体层产生的放电现象去除工件材料，可应用于非导电材料和导电材料微细结构的精密加工(GoudM,Sharma A K,Jawalkar C.Precision Engineering,2016,45:1-17.)。ECDM所采用的工作液为碱性溶液或中性盐溶液，以确保工具电极工作端面在电解反应过程中产生气泡，并逐渐在工作端面产生连续气体层。但是，碱性溶液或中性盐溶液对设备的腐蚀性较强，且溶液必须经后续处理，对环境不友好。例如，ECDM加工金属等材料过程中，电解反应对工件的杂散腐蚀作用会导致工件表面物理特征的变化，并影响ECDM加工精度。
工具电极工作端面连续气体层的形成，是后续气体被击穿产生放电的前提，是ECDM加工的必要条件之一。若采用其他可控方法在工具电极端面形成连续气体层，则可以避免电解加工产生的杂散腐蚀作用，并避免碱性溶液或中性盐溶液的使用。
发明内容
本发明提供一种激光诱导放电表面微结构加工方法，利用该方法可在导电或非导电工件材料表面加工出微细结构。
本发明的技术方案为：一种激光诱导放电表面微结构加工方法，其特征是：采用电源，微尺度工具电极连接电源负极，微尺度工具电极一端的端面和工件待加工区域表面保持一定间隙，所述间隙中充满液态的工作介质；
将激光汇聚于所述间隙，充盈在所述间隙中的工作介质在激光能量作用下气化，在微尺度工具电极的所述一端产生连续气体层；
电源通电，阴极与阳极之间形成电回路，当所述间隙中的电场强度大于所述气体的击穿强度时，产生击穿放电，工件的待加工区域表面被高温蚀除，实现工件表面的微细结构加工。
所述微尺度工具电极是指加工段直径或特征尺寸小于0.1mm的工具电极。工具电极工作端可以是简单的针状、棒状，也可以是与待加工微结构相应的微成型电极。
当工件材料为导电材料时，工件可直接连接电源正极。
当工件材料为非导电材料或半导体材料时，如玻璃、硅片等，可以采用导电材料连接电源阳极，即，该导电材料作为辅助阳极，如图3所示。作为优选，所述辅助阳极和微尺度工具电极的间距不大于1mm。
所述工作介质可以是去离子水、纯净水等低电导率或绝缘液体介质，也可以是导电电解液，包括酸性、中性、碱性的导电电解液。
当工作介质为低电导率或绝缘液体介质时，所述间隙中的连续气体层主要是由激光与液体介质相互作用产生。
当工作介质采用导电电解液时，工具电极为阴极时可通过电化学反应在工具电极工作端析出氢气，形成连续气体层。激光作用于初始加工间隙中不仅存在激光与液体相互作用、激光与工件材料相互作用及气体击穿放电等，同时还存在电解，因此激光作用还可以提高所述间隙中电解液温度，甚至直接去除工件材料，有利于提高电解放电加工去除工件材料的速率。
所述工作介质可以呈静止状态，也可以呈流动状态，例如可以从所述间隙的一侧流入，从另一侧流出。
所述间隙优选为0.01mm～1.0mm，进一步优选为0.02mm～0.5mm，更优选为00.5mm～0.2mm。
作为优选，所述激光通过聚焦透镜汇聚于初始加工间隙中。
作为优选，激光轴线与微尺度工具电极的中心线之间的夹角θ的范围为45°<θ<90°。
作为优选，所述电源为高频率脉冲电源，输出波形优选为方波，其频率优选为10KHz～10MHz，占空比优选10％～100％可调，输出电压优选30V～200V。
产生激光的激光器种类不限，可以为固体激光器、气体激光器、半导体激光器等。作为优选，激光波长为532nm、1064nm。
本发明综合利用激光加工和放电效应，通过激光控制微尺度工具电极加工端面气体的产生，在微尺度工具电极端面形成连续气体层，进而利用气体层的击穿放电现象去除微尺度工具电极端面区域附近的工件材料，从而实现了实现工件材料的可控、精密加工。该方法可以在不适用腐蚀性电解液的条件下实现导电材料或非导电材料的微结构加工。当工作介质采用导电电解液时，所述间隙中同时存在电解、激光与液体相互作用、激光与工件材料相互作用及气体击穿放电等，激光作用于加工间隙中除产生气泡以外，还可以提高间隙中电解液温度，甚至直接去除工件材料，有利于提高电解放电加工去除材料的速率。另外，本发明通过调控工件的待加工区域以及所述间隙距离，可实现不同轮廓微结构的加工。
本发明还提供了一种激光诱导放电表面微结构加工装置，包括工作槽、工作槽内的液态工作介质、电源、微尺度工具电极、工件与激光；
工件浸没于工作介质中；微尺度工具电极连接电源负极；
微尺度工具电极一端的端面和工件待加工区域表面保持一定间隙，所述间隙中充满所述工作介质；
激光器产生激光汇聚在所述间隙；
工作状态时，所述间隙中的工作介质在激光能量作用下气化，在微尺度工具电极的所述一端产生连续气体；电源通电，在电场作用下，控制所述间隙中的电场强度，使其大于所述气体的击穿强度而产生击穿放电，工件的待加工区域表面被高温蚀除，实现工件表面的微细结构加工。
在调整微尺度工具电极和工件之间的所述间隙的过程中，为了提高所述间隙的尺寸精度，作为优选，首先校准所述间隙的0位置，然后调整所述间隙距离为预设值。
作为一种优选的实现方式，校准方法为：该加工装置还包括电流传感器；所述电回路中串联保护电阻；电源通电，工件和/或微尺度工具电极运动，使所述间隙的距离调整至较小值，然后进一步逐渐减小所述间隙的距离；当电流传感器检测到电回路中电流突变升高时，停止工件和/或微尺度工具电极运动，此时微尺度工具电极与工件待加工表面的间隙为0。
作为另一种优选的实现方式，校准方法为：该加工装置还包括微力传感器；工件和/或微尺度工具电极运动，使所述间隙的距离逐渐减小，当微力传感器检测到二者之间产生微小应力时，停止运动，此时微尺度工具电极与工件待加工表面的间隙为0。
作为优选，该加工装置还包括控制中心，用于控制电源电压、运动平台运动等。
作为优选，该加工装置还包括第一运动平台，工件与第一运动平台连接，第一运动平台进行运动，从而带动工件进行运动。所述第一运动平台包括一维运动平台、二维运动平台，以及三维运动平台。作为进一步优选，该加工装置还包括第一运动控制器，所述控制中心通过第一运动控制器控制第一运动平台的运动，例如运动速度、位移和轨迹等，从而控制工件的运动。
作为优选，该加工装置还包括激光控制器，控制中心通过激光控制器实时控制激光器产生激光的参数，例如平均功率、重复频率、脉宽等。
作为优选，该加工装置还包括第二运动平台，微尺度工具电极安装于第二运动平台上，随着第二运动平台的运动而运动。作为进一步优选，该加工装置还包括第二运动控制器，控制中心通过第二运动控制器控制第二运动平台的运动速度、位移和轨迹等，从而控制微尺度工具电极的运动。所述第二运动平台不限，为了提高位移精度，优选为可实现纳米级位移控制的压电运动平台。
附图说明
图1是本发明实施例1中激光诱导放电表面微结构加工装置的结构示意图；
图2是图1中的激光诱导放电表面微结构加工区域放大示意图；
图3是本发明实施例2中激光诱导放电表面微结构加工装置的结构示意图；
图4是本发明实施例3中激光诱导放电表面微结构加工装置的结构示意图；
图5是本发明实施例4中激光诱导放电表面微结构加工装置的结构示意图；
图6是本发明实施例5中激光诱导放电表面微结构加工装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
图1-6中的附图标记为：1、微尺度工具电极，2、电源，3、工作槽，4、工作介质，5、工件，6、三维运动平台，7、激光，8、聚焦透镜，9、气体层，10、工作介质流动方向，11、气泡，12、击穿放电，13、加工轮廓，14、工控机，15、激光控制器，16、激光器，17、压电控制器，18、压电运动平台，19、霍尔传感器，20、数字示波器，21、运动控制器，22、三维运动平台，23、辅助阳极，24、微力传感器，25、支架。
实施例1：
本实施例中，激光诱导放电表面微结构加工装置如图1所示，工作槽3内盛放液态的工作介质4，工件5浸没在工作介质4中。微尺度工具电极1连接电源2的负极，工件5连接电源2的阳极。微尺度工具电极1一端的端面和工件5的待加工区域表面之间保持一定的间隙，该间隙在0.01mm～1.0mm范围，该间隙中充满工作介质4。
激光器产生的激光7经过聚焦透镜8汇聚在该间隙。
如图2所示，工作状态时，该间隙中的工作介质在激光能量作用下沸腾、气化产生大量气泡11，气泡聚集于微尺度工具电极1的所述一端区域，产生连续气体层9；电源通电，阴极与阳极之间形成电回路，控制所述间隙中的电场强度，使其大于所述气体的击穿强度而在所述间隙中产生击穿放电，如图2中12所示，工件的待加工区域表面被高温蚀除，形成如图2所示的加工轮廓13，从而实现工件待加工区域表面的微细结构加工。
本实施例中，激光轴线与微尺度工具电极的中心线之间的夹角θ为50°。
实施例2：
本实施例中，激光诱导放电表面微结构加工装置如图3所示，工作槽3内盛放液态的工作介质4，工件5浸没在工作介质4中。微尺度工具电极1连接电源2的负极，工件5连接电源2的阳极。工作槽3安装在三维运动平台6上，三维运动平台6进行运动，带动工件5进行运动。微尺度工具电极1的一端的端面和工件5的待加工区域表面保持一定间隙，该间隙距离为0.02mm～0.5mm，该间隙中充满工作介质4，工作介质4沿流动方向10流动，即，从该间隙的一侧流入，从另一侧流出。
激光器产生的激光7经过聚焦透镜8汇聚在该间隙。
工作状态时，该间隙中的工作介质在激光能量作用下沸腾、气化产生大量气泡，气泡聚集于微尺度工具电极1的所述一端区域，产生连续气体层；电源通电，阴极与阳极之间形成电回路，控制所述间隙中的电场强度，使其大于所述气体的击穿强度而在所述间隙中产生击穿放电，工件的待加工区域表面被高温蚀除，形成加工轮廓，从而实现工件待加工区域表面的微细结构加工。
通过三维运动平台6的运动可调控工件的待加工区域以及所述间隙距离，从而实现不同轮廓微结构的加工。
实施例3：
本实施例中，激光诱导放电表面微结构加工装置与实施例2中的激光诱导放电表面微结构加工装置结构基本相同，所不同的是如图4所示，本实施例中，电源2的阳极连接辅助阳极23，辅助阳极23和微尺度工具电极1的间距不大于1mm。
实施例4：
本实施例中，激光诱导放电表面微结构加工装置如图5所示。工作槽3内盛放液态的工作介质4，工件5浸没在液态工作介质4中。
微尺度工具电极1通过支架25安装于精密压电运动平台18上，工控机14通过压电控制器17控制压电运动平台18的运动速度、位移和轨迹，从而实现对微尺度工具电极1的运动速度、位移和轨迹的控制。微尺度工具电极1连接电源2的负极，工件5连接电源2的阳极。
工件5与三维(X-Y-Z)运动平台22连接，工控机14通过运动控制器21控制三维运动平台22的运动速度、位移和轨迹，实现对工件5的运动速度、位移和轨迹的控制。
调整微尺度工具电极1的一端的端面和工件5的待加工区域表面保持一定间隙，设定该间隙距离为0.05mm～0.2mm，该间隙中充满工作介质4，调整过程如下：
(1)电源2通电，阴极与阳极之间形成电回路，将输出电压值调小至1V～5V，回路中串联一个保护电阻，其阻值为1～10KΩ；
(2)工控机14通过运动控制器21控制三维运动平台22，带动工件5运动，使工件5的待加工区域表面与微尺度工具电极1的一端的端面之间的间隙较小；然后，工控机14通过压电控制器17控制压电运动平台18，带动微尺度工具电极1运动，使微尺度工具电极1逐渐接近工件5；数字示波器20通过霍尔电流传感器19检测该过程中回路的电流变化，当检测到回路中电流突变升高时，停止微尺度工具电极1的运动，此时微尺度工具电极1与工件待加工区域表面的间隙为0；
(3)工控机14通过压电控制器17控制压电运动平台18，带动微尺度工具电极1运动，使微尺度工具电极1逐渐离开工件5，直至工件5的待加工区域表面与微尺度工具电极1的一端的端面之间的间隙距离为设定的间隙距离；
或者，工控机14通过运动控制器21控制三维运动平台22，带动工件5运动，使工件5逐渐离开微尺度工具电极1，直至工件5的待加工区域表面与微尺度工具电极1的一端的端面之间的间隙距离为设定的间隙距离；
或者，工控机14通过压电控制器17控制压电运动平台18，带动微尺度工具电极1运动，同时，工控机14控制三维运动平台22，带动工件5运动，使工件5与微尺度工具电极1之间距离增大，直至工件5的待加工区域表面与微尺度工具电极1的一端的端面之间的间隙距离为设定的间隙距离。
激光器16产生的激光7通过聚焦透镜8汇聚于所述间隙中，工控机14通过激光控制器15实时控制激光器16产生激光的参数，例如平均功率、重复频率、脉宽等。
工作状态时，所述间隙中的工作介质在激光能量作用下沸腾、气化产生大量气泡，气泡聚集于微尺度工具电极1的所述一端区域，产生连续气体层；电源通电，阴极与阳极之间形成电回路，控制所述间隙中的电场强度，使其大于所述气体的击穿强度而在所述间隙中产生击穿放电，工件的待加工区域表面被高温蚀除，形成加工轮廓，从而实现工件待加工区域表面的微细结构加工。工控机14通过对压电控制器17和/或运动控制器21的控制可控制工件的待加工区域以及所述间隙距离，从而实现不同轮廓微结构的加工。
实施例5：
本实施例中，激光诱导放电表面微结构加工装置与实施例4中的激光诱导放电表面微结构加工装置结构基本相同，所不同的是本实施例中，如图6所示，所述加工装置不包括数字示波器20与霍尔电流传感器19，而包括微力传感器24，微力传感器24设置在支架25与精密压电运动平台18之间，用于检测所述间隙之间的微小应力。
调整微尺度工具电极1的一端的端面和工件5的待加工区域表面保持一定间隙，设定该间隙距离为0.05mm～0.2mm，该间隙中充满工作介质4，调整过程与实施例4中的调整过程基本相同，所不同的是步骤(2)如下：
工控机14通过运动控制器21控制三维运动平台22，带动工件5运动，使工件5的待加工区域表面与微尺度工具电极1的一端的端面之间的间隙较小；然后，工控机14通过压电控制器17控制压电运动平台18，带动微尺度工具电极1运动，使微尺度工具电极1逐渐接近工件5；微力传感器24检测所述间隙之间产生的微小应力，当检测到二者之间产生微小应力时，停止运动，此时微尺度工具电极与工件待加工表面的间隙为0。
以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (20)

1.一种激光诱导放电表面微结构加工方法，其特征是：采用电源，微尺度工具电极连接电源负极，微尺度工具电极一端的端面和工件待加工区域表面保持一定间隙，所述间隙中充满液态的工作介质；
激光束不穿过工件本体，从侧面汇聚于所述间隙，充盈在所述间隙中的工作介质在激光能量作用下气化，在微尺度工具电极的所述一端产生连续气体层；
电源通电，阴极与阳极之间形成电回路，当所述间隙中的电场强度大于所述气体的击穿强度时，产生击穿放电，工件的待加工区域表面被高温蚀除，实现工件表面的微细结构加工；
工件材料为非导电材料，采用导电材料连接电源阳极，该导电材料作为辅助阳极；工作介质为绝缘介质。
2.如权利要求1所述的激光诱导放电表面微结构加工方法，其特征是：所述辅助阳极和微尺度工具电极的间距不大于1mm。
3.如权利要求1所述的激光诱导放电表面微结构加工方法，其特征是：所述间隙距离为0.01mm～1.0mm。
4.如权利要求3所述的激光诱导放电表面微结构加工方法，其特征是：所述间隙距离为0.02mm～0.5mm。
5.如权利要求4所述的激光诱导放电表面微结构加工方法，其特征是：所述间隙距离为0.05mm～0.2mm。
6.如权利要求1所述的激光诱导放电表面微结构加工方法，其特征是：所述激光通过聚焦透镜汇聚于所述间隙中。
7.如权利要求1所述的激光诱导放电表面微结构加工方法，其特征是：激光轴线与微尺度工具电极的中心线之间的夹角θ的范围为45°<θ<90°。
8.如权利要求1至7中任一权利要求所述的激光诱导放电表面微结构加工方法，其特征是：所述电源为高频率脉冲电源。
9.如权利要求1至7中任一权利要求所述的激光诱导放电表面微结构加工方法，其特征是：所述电源频率为10KHz～10MHz，占空比为10％～100％，输出电压为30V～200V。
10.一种激光诱导放电表面微结构加工装置，其特征是：包括工作槽、工作槽内的液态工作介质、电源、微尺度工具电极、工件与激光；
工件浸没于工作介质中；微尺度工具电极连接电源负极；
微尺度工具电极一端的端面和工件待加工区域表面保持一定间隙，所述间隙中充满所述工作介质；
激光束不穿过工件本体，从侧面汇聚于所述间隙；
工作状态时，所述间隙中的工作介质在激光能量作用下气化，在微尺度工具电极的所述一端产生连续气体；电源通电，在电场作用下，控制所述间隙中的电场强度，使其大于所述气体的击穿强度而产生击穿放电，工件的待加工区域表面被高温蚀除，实现工件表面的微细结构加工；
工件材料为非导电材料，采用导电材料连接电源阳极，该导电材料作为辅助阳极；工作介质为绝缘介质。
11.如权利要求10所述的激光诱导放电表面微结构加工装置，其特征是：首先校准所述间隙的0位置，然后调整所述间隙距离为预设值。
12.如权利要求11所述的激光诱导放电表面微结构加工装置，其特征是：所述校准方法为：
该加工装置还包括电流传感器；电回路中串联保护电阻；
电源通电，工件和/或微尺度工具电极运动，使所述间隙的距离调整至较小值，然后进一步逐渐减小所述间隙的距离；当电流传感器检测到电回路中电流突变升高时，停止工件和/或微尺度工具电极运动，此时微尺度工具电极与工件待加工表面的间隙为0。
13.如权利要求11所述的激光诱导放电表面微结构加工装置，其特征是：所述校准方法为：
该加工装置还包括微力传感器；
工件和/或微尺度工具电极运动，使所述间隙的距离逐渐减小，当微力传感器检测到二者之间产生微小应力时，停止运动，此时微尺度工具电极与工件待加工表面的间隙为0。
14.如权利要求10至13中任一权利要求所述的激光诱导放电表面微结构加工装置，其特征是：所述加工装置还包括控制中心。
15.如权利要求14所述的激光诱导放电表面微结构加工装置，其特征是：所述加工装置还包括第一运动平台，工件与第一运动平台连接，第一运动平台进行运动，从而带动工件进行运动。
16.如权利要求14所述的激光诱导放电表面微结构加工装置，其特征是：所述加工装置还包括第一运动控制器，所述控制中心通过第一运动控制器控制第一运动平台的运动，从而控制工件的运动。
17.如权利要求14所述的激光诱导放电表面微结构加工装置，其特征是：所述加工装置还包括激光控制器，控制中心通过激光控制器控制激光。
18.如权利要求14所述的激光诱导放电表面微结构加工装置，其特征是：所述加工装置还包括第二运动平台，微尺度工具电极安装于第二运动平台上，随着第二运动平台的运动而运动。
19.如权利要求18所述的激光诱导放电表面微结构加工装置，其特征是：所述加工装置还包括第二运动控制器，控制中心通过第二运动控制器控制第二运动平台的运动。
20.如权利要求18所述的激光诱导放电表面微结构加工装置，其特征是：所述第二运动平台是可实现纳米级位移控制的压电运动平台。
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