CN110014199A - 一种球面超声能场辅助微细电解铣削加工装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种球面超声能场辅助微细电解铣削加工装置及方法，包括机床主体，工件阳极，阳极驱动机构，工具阴极，阴极驱动机构，与所述工具阴极相连的球面超声振动系统，电解液循环系统，电解电源相连。电解液循环系统朝向工件阳极处喷电解液，电解电源供电，阴极驱动机构驱动工具阴极运动，阳极驱动机构驱动工件阳极运动，工具阴极对工件阳极进行微结构加工，球面超声振动系统将超声能量聚焦于工件加工面狭小的区域，可有效削弱微结构侧向腐蚀，具有阻抗低、易匹配、超声能量大、功率大等优势，有利于微细电解铣削实现小间隙加工，铣削层深度增加，利于铣削产物的去除及电解液的更新，实现复杂、高深宽比微结构的加工。

Description

一种球面超声能场辅助微细电解铣削加工装置及方法

技术领域

本发明涉及铣削技术领域，尤其涉及一种球面超声能场辅助微细电解铣削加工装置及方法。

背景技术

微细电解铣削加工微结构时，如微型槽、微型腔等，由于加工间隙小，电解加工时产生的焦耳热、气泡、不导电非溶性产物极易堵塞于加工间隙内，引起电解液电导率发生变化，造成电解液及时更新、电解产物排出困难、加工均匀性和稳定性下降等问题，不利于高深宽比微结构的加工。且在微细电解铣削加工过程中，电解液射流喷出冲击至工件加工表面，随着工件材料的溶解及微结构尺寸的变化，电解液沿槽内曲面流动时被反射至工件表面未加工区，引起杂散腐蚀，降低微结构加工定域性和加工精度。

此外，如图1所示，传统的微细电解铣削加工，变幅杆纵向振动作用于工件表面，微结构侧向腐蚀较大。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种球面超声能场辅助微细电解铣削加工装置及方法。

为解决上述技术问题，本发明提供一种球面超声能场辅助微细电解铣削加工装置，包括机床主体，设置于所述机床主体上的工件阳极，驱动所述工件阳极在X轴、Y轴以及Z轴方向移动的阳极驱动机构，设置于所述工件阳极上方的工具阴极，驱动所述工具阴极在X轴、Y轴以及Z轴方向移动的阴极驱动机构，与所述工具阴极相连的球面超声振动系统，设置于所述工件阳极处的电解液循环系统；所述工具阴极和所述工件阳极之间通过电解电源相连。

更进一步的，所述工具阴极包括微细电极和设置于所述微细电极外侧壁上的绝缘层。

更进一步的，所述球面超声振动系统包括与所述工具阴极相连的纵振变幅杆、与所述纵振变幅杆相连的超声振动换能器、与所述超声振动换能器相连的超声波电源以及设置于所述纵振变幅杆底部的弯曲振动球壳。

更进一步的，所述电解液循环系统包括电解液槽、与所述电解液槽相连的离心泵、连接于所述离心泵输出端的出液管、设置于所述出液管输出端的喷嘴、设置于所述出液管上的压力表和压力控制阀、以及设置于所述离心泵入口处的过滤器。

更进一步的，所述球面超声能场辅助微细电解铣削加工装置还包括设置于所述球面超声振动系统处的激光多普勒测振仪。

更进一步的，所述工件阳极位于所述工具阴极的下方，所述工件阳极处设置有工业CCD相机检测单元。

更进一步的，所述工件阳极和所述工具阴极之间连接有电压传感器和电流传感器，所述电压传感器和所述电流传感器分别和数据采集卡相连。

本发明还提供一种球面超声能场辅助微细电解铣削加工方法，包括如上任意一项权利要求所述的球面超声能场辅助微细电解铣削加工装置，所述方法包括以下步骤：

a)将工件阳极放置于机床主体的阳极驱动机构上，所述电解液循环系统朝向所述工件阳极喷电解液，所述阴极驱动机构驱动所述工具阴极对所述工件阳极进行铣削；

b)所述工具阴极加速离开所述工件阳极表面时，所述球面超声振动系统超声振动，在电解液内瞬间形成微空腔；

c)所述工具阴极加速靠近所述工件阳极表面时，所述微空腔重新闭合，形成液压冲击波；

d)重复步骤b)和步骤c)多次,在所述工件阳极上铣削出微结构。

本发明的球面超声能场辅助微细电解铣削加工装置，所述电解液循环系统朝向所述工件阳极处喷电解液，所述电解电源供电，所述阴极驱动机构驱动所述工具阴极运动，所述阳极驱动机构驱动所述工件阳极运动，所述工具阴极对所述工件阳极进行微结构加工，所述球面超声振动系统将超声能量聚焦于工件加工面狭小的区域，可有效削弱微结构侧向腐蚀，具有阻抗低、易匹配、超声能量大、功率大等优势，有利于微细电解铣削实现小间隙加工，铣削层深度增加，利于铣削产物的去除及电解液的更新，实现复杂、高深宽比微结构的加工。

附图说明

图1为背景技术的微细电解铣削加工的示意图；

图2为本发明的球面超声能场辅助微细电解铣削加工装置的示意图；

图3为本发明的球面超声能场辅助微细电解铣削加工装置的结构示意图；

图4为本发明的球面超声能场辅助微细电解铣削加工装置的球面超声振动系统的原理示意图；

图中标记为：机床主体1，工件阳极2，工业CCD相机检测单元21，电压传感器22，电流传感器23，数据采集卡24，阳极驱动机构3，工具阴极4，微细电极41，绝缘层42，阴极驱动机构5，球面超声振动系统6，纵振变幅杆61，超声振动换能器62，超声波电源63，弯曲振动球壳64，电解液循环系统7，电解液槽71，离心泵72，出液管73，喷嘴74，压力表75，压力控制阀76，过滤器77，电解电源8，激光多普勒测振仪9。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在以下描述中，为了清楚展示本发明的结构及工作方式，将借助诸多方向性词语进行描述，但是应当将“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“内”、“外”、“向上”、“向下”、“向左”、“向右”、“向前”、“向后”、“向内”、“向外”等词语理解为方便用语，而不应当理解为限定性词语。

如图2及图3所示，本发明提供一种球面超声能场辅助微细电解铣削加工装置，包括机床主体1，设置于所述机床主体1上的工件阳极2，驱动所述工件阳极2在X轴、Y轴以及Z轴方向移动的阳极驱动机构3，设置于所述工件阳极2上方的工具阴极4，驱动所述工具阴极4在X轴、Y轴以及Z轴方向移动的阴极驱动机构5，与所述工具阴极4相连的球面超声振动系统6，设置于所述工件阳极2处的电解液循环系统7；所述工具阴极4和所述工件阳极2之间通过电解电源8相连。所述电解液循环系统7朝向所述工件阳极2处喷电解液，所述电解电源8通电，所述阴极驱动机构5驱动所述工具阴极4运动，所述阳极驱动机构3驱动所述工件阳极2运动，所述工具阴极4对所述工件阳极2进行微结构加工，所述球面超声振动系统6将超声能量聚焦于工件加工面狭小的区域，可有效削弱微结构侧向腐蚀，具有阻抗低、易匹配、超声能量大、功率大等优势，有利于微细电解铣削实现小间隙加工，铣削层深度增加，利于铣削产物的去除及电解液的更新，实现复杂、高深宽比微结构的加工。

由于电解作用在工件表面产生厚度极薄、强度远低于基体材料的钝化膜，利用球面超声振动系统6振动作用可以定域性地去除工件表面加工区钝化膜，改善工件表面材料溶解状态，钝化膜破坏后的表面又迅速地由于电解作用而产生新的钝化膜，阻止进一步电解，这样通常可避免大电流密度电解时产生的杂散腐蚀作用，改善微结构加工精度和加工质量。

所述工具阴极4包括微细电极41和设置于所述微细电极41外侧壁上的绝缘层42。使用棒状或球状微细电极作为所述微细电极41，与所述球面超声振动系统6的球面弯曲振动球壳连接，在所述细微电极41的外侧壁上设置所述绝缘层42，在加工过程中可以大大减小所述微细电极41外侧壁杂散电流对微结构表面质量的影响，提高微细电解铣削加工微结构的工艺水平，提高产品质量。

结合图4所示，所述球面超声振动系统6包括与所述工具阴极4相连的纵振变幅杆61、与所述纵振变幅杆61相连的超声振动换能器62、与所述超声振动换能器62相连的超声波电源63以及设置于所述纵振变幅杆61底部的弯曲振动球壳64。依据超声振动原理和超声聚焦效应，由所述超声振动换能器62产生的纵向振动经所述纵振变幅杆61放大，在底部转换为由所述弯曲振动球壳6振动和所述超声振动换能器62中心面纵向振动组成的复合振动，将超声能量聚焦于工件加工面狭小的区域，其中：La为焦距，L为焦区长度，W为焦区宽度，s为振动焦区，可有效削弱微结构侧向腐蚀，具有阻抗低、易匹配、超声能量大、功率大等优势，且当换能器中心面纵向振动与球面弯曲振动相位相同时，可进一步提高超声振动效应。

所述电解液循环系统7包括电解液槽71、与所述电解液槽71相连的离心泵72、连接于所述离心泵72输出端的出液管73、设置于所述出液管73输出端的喷嘴74、设置于所述出液管73上的压力表75和压力控制阀76、以及设置于所述离心泵72入口处的过滤器77。

所述球面超声能场辅助微细电解铣削加工装置还包括设置于所述球面超声振动系统6处的激光多普勒测振仪9。所述激光多普勒测振仪9用于在线提取超声振幅、频率等参数。

所述工件阳极2位于所述工具阴极4的下方，所述工件阳极2处设置有工业CCD相机检测单元21。所述工业CCD相机检测单元21为高清晰度的CCD摄像机，三维调焦平台建立在线视频观测系统，用于观测加工区气泡、不溶性产物等微观运动行为特征。

所述工件阳极2和所述工具阴极4之间连接有电压传感器22和电流传感器23，所述电压传感器22和所述电流传感器23分别和数据采集卡24相连。所述电压传感器22、所述电流传感器23分别检测所述工具阴极4和所述工件阳极2之间的电压、电流信号，传输到基于PC的虚拟存储示波器，虚拟示波器通过实时波形反馈，确定加工状态特征，辅助判断是否发生短路等异常状态及加工是否稳定。

本发明还提供一种球面超声能场辅助微细电解铣削加工方法，包括如上任意一项所述的球面超声能场辅助微细电解铣削加工装置，所述方法包括以下步骤：

a)将工件阳极4放置于机床主体1的阳极驱动机构3上，所述电解液循环系统7朝向所述工件阳极2喷电解液，所述阴极驱动机构5驱动所述工具阴极4对所述工件阳极2进行铣削；

b)所述工具阴极4加速离开所述工件阳极2表面时，所述球面超声振动系统6超声振动，在电解液内瞬间形成微空腔；

c)所述工具阴极2加速靠近所述工件阳极4表面时，所述微空腔重新闭合，形成液压冲击波；

d)重复步骤b)和步骤c)多次,在所述工件阳极4上铣削出微结构。

通过该方法进行微细电解铣削加工时，所述球面超声振动系统6的球面弯曲振动超声冲击波效应及“负压空化”作用结合，有利于工件表面电解铣削加工区上的钝化膜被定域性的去除，改善工件表面溶解状态，减小杂散腐蚀，提高加工定域性，改善加工精度，增强溶液传质过程，加速电解液的更新及电解铣削加工产物从加工区的排离，利于电解铣削层深度的增加及加工速率的提升，改善表面加工质量，适合高深宽比微结构的加工油漆适合深宽比大于1的微结构的加工。

以上所述，仅是本发明的最佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，利用上述揭示的方法内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，均属于权利要求保护的范围。

Claims (8)

1.一种球面超声能场辅助微细电解铣削加工装置，其特征在于：包括机床主体，设置于所述机床主体上的工件阳极，驱动所述工件阳极在X轴、Y轴以及Z轴方向移动的阳极驱动机构，设置于所述工件阳极上方的工具阴极，驱动所述工具阴极在X轴、Y轴以及Z轴方向移动的阴极驱动机构，与所述工具阴极相连的球面超声振动系统，设置于所述工件阳极处的电解液循环系统；所述工具阴极和所述工件阳极之间通过电解电源相连。

2.如权利要求1所述的球面超声能场辅助微细电解铣削加工装置，其特征在于：所述工具阴极包括微细电极和设置于所述微细电极外侧壁上的绝缘层。

3.如权利要求1所述的球面超声能场辅助微细电解铣削加工装置，其特征在于：所述球面超声振动系统包括与所述工具阴极相连的纵振变幅杆、与所述纵振变幅杆相连的超声振动换能器、与所述超声振动换能器相连的超声波电源以及设置于所述纵振变幅杆底部的弯曲振动球壳。

4.如权利要求1所述的球面超声能场辅助微细电解铣削加工装置，其特征在于：所述电解液循环系统包括电解液槽、与所述电解液槽相连的离心泵、连接于所述离心泵输出端的出液管、设置于所述出液管输出端的喷嘴、设置于所述出液管上的压力表和压力控制阀、以及设置于所述离心泵入口处的过滤器。

5.如权利要求1所述的球面超声能场辅助微细电解铣削加工装置，其特征在于：所述球面超声能场辅助微细电解铣削加工装置还包括设置于所述球面超声振动系统处的激光多普勒测振仪。

6.如权利要求1所述的球面超声能场辅助微细电解铣削加工装置，其特征在于：所述工件阳极位于所述工具阴极的下方，所述工件阳极处设置有工业CCD相机检测单元。

7.如权利要求1所述的球面超声能场辅助微细电解铣削加工装置，其特征在于：所述工件阳极和所述工具阴极之间连接有电压传感器和电流传感器，所述电压传感器和所述电流传感器分别和数据采集卡相连。

8.一种球面超声能场辅助微细电解铣削加工方法，其特征在于：包括如权利要求1至6任意一项所述的球面超声能场辅助微细电解铣削加工装置，所述方法包括以下步骤：

a)将工件阳极放置于机床主体的阳极驱动机构上，所述电解液循环系统朝向所述工件阳极喷电解液，所述阴极驱动机构驱动所述工具阴极对所述工件阳极进行铣削；

b)所述工具阴极加速离开所述工件阳极表面时，所述球面超声振动系统超声振动，在电解液内瞬间形成微空腔；

c)所述工具阴极加速靠近所述工件阳极表面时，所述微空腔重新闭合，形成液压冲击波；

d)重复步骤b)和步骤c)多次,在所述工件阳极上铣削出微结构。