CN110340471B - 磁场作用下激光诱导等离子体辅助电火花复合加工装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁场作用下超短脉冲激光诱导等离子体辅助电火花复合加工装置以及方法，属于特种加工的激光加工和电火花复合加工领域，该装置将激光诱导等离子体加工单元、电火花加工单元和复合磁场单元有机复合在一起，激光诱导等离子体加工单元包括超短脉冲激光器、激光器电源、水冷机，光路转换组件，复合磁场单元包括直流激励电源和环形电磁铁，电火花加工单元包括用于控制工件按照预期移动的五自由度精密平台。本发明装置和方法能解决电火花加工技术中，难以加工低导电率材料、难以实现跨尺度加工、加工表面质量不够高的问题，具有非常广泛的应用前景。

Description

磁场作用下激光诱导等离子体辅助电火花复合加工装置及 方法

技术领域

本发明属于特种加工的激光加工和电火花复合加工领域，更具体地，涉及一种磁场作用下超短脉冲激光诱导等离子体辅助电火花复合加工装置及方法。

背景技术

随着现代工业的发展，许多工业部门对小型产品的应用需求不断增长，对产品的尺寸精度以及表面粗糙度具有了更加严格的要求，对比于传统的加工方法，特种加工通过非机械接触，没有产生宏观的切屑力，而是通过非机械能(电、磁、光、热、化学)来去除材料，能更加容易地满足加工需求，同时符合节能环保的可持续发展理念。

电火花加工都已经在特种加工中取得了广泛的进展，电火花加工需要较高导电率的电极以及工件材料，在微细加工时需要尺寸特别小的电极，同时电极损耗对加工精度产生很大的影响，其优势在于可以加工一些形状比较复杂的工件，适用于加工一些高硬度、高强度和高熔点的金属及金属基材料，例如钛合金、钨钢等材料。

因此，需要开发一种方法或者装置，能克服电火花加工的缺陷，或者更大程度的发挥电火花加工的优势。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种磁场作用下超短脉冲激光诱导等离子体辅助电火花复合加工装置以及方法，其目的在于，该装置和方法将激光诱导等离子体加工单元、电火花加工单元和复合磁场单元有机复合在一起，解决电火花加工技术中，难以加工低导电率材料、难以实现跨尺度加工、加工表面质量不够高的问题，具有非常广泛的应用前景。

为实现上述目的，本发明提供了一种磁场作用下激光诱导等离子体辅助电火花复合加工装置，其包括电火花加工单元、激光诱导等离子体加工单元以及磁场单元，电火花加工单元、激光诱导等离子体加工单元以及磁场单元有机组装成一体，其中，电火花加工单元包括用于控制工件按照预期移动的五自由度精密平台和中空电极，所述五自由度精密平台用于实现工件沿X轴、Y轴、Z轴直线移动，以及实现工件沿X轴、Y轴旋转，所述中空电极用于与工件形成电火花放电的两极，以进行电火花加工，激光诱导等离子体加工单元包括超短脉冲激光器和光路转换组件，光路转换组件用于将超短脉冲激光器发出的脉冲激光传导至中空电极处，并经中空电极出射至工件上，进而在工件表面诱导产生等离子体，以能进行激光诱导等离子体加工，磁场单元包括多对电磁铁，多对电磁铁环绕在工件周围形成复合磁场，多对电磁铁相对中空电极的位置远近能够调节，以用于保证在加工的整个过程中，电火花加工处的磁场参数始终稳定一致。

以上发明构思中，在磁场作用下超短脉冲激光诱导等离子体辅助电火花复合加工工艺，与传统的电火花加工有很大的不同，在传统的电火花加工的基础上，添加了磁场以及超短脉冲激光束作为辅助加工。被加工材料除了传统的导电性较强的钛合金、镍合金以外，还可以加工一些硬度较高，导电率较低的难加工复合材料，例如高体积分数的陶瓷类金属基复合材料。其中，激光束从超短脉冲激光器生成之后，通过光路转换组件导入到譬如中空的机床夹头中，在夹头上安装特制的中空电极，垂直于工件表面的激光束通过聚焦透镜聚焦在工件表面，在焦点位置处极短的脉冲持续时间(ps)产生非常高的峰值能量，当峰值功率超过电介质的电离阈值电位，发生电介质的光学击穿，在焦点处产生致密且不透明的等离子体，通过等离子体相互作用去除工件表面材料。比如，超短脉冲激光器的脉冲宽度为10ps，波长可为532nm，重复频率为10kHz，光束质量M2＜1.3，在极短的时间内产生了极高的能量，因此峰值功率可以达到106W，当峰值功率超过电介质的电离阈值电位，发生电介质的光学击穿，在焦点处产生等离子体，能量转换成了热能和机械能，此时工件的表面更容易产生等离子通道。

进一步的，整个中空电极分为两段，为两段同心但直径不同的圆筒连接形成的整体，材质为电的良导体，两段分别为直径较大的中空电极大径段和直径较小的中空电极小径段，中空电极大径段用于设置光路转换组件中的光学元器件，以用于将超短脉冲激光聚焦后经中空电极小径段出射至工件上，中空电极小径段用于作为电火花加工的工具电极，其能围绕Z轴旋转，其与工件相距间隔，以形成电火花放电。

在以上技术方案中，使用中空的电极作为电火花加工的电极，在电极与工件之间连接脉冲电源，通过控制电极在保持放电间隙的同时向工件进给，两极之间施加的脉冲电压将电介质击穿，产生脉冲放电，形成充满等离子体的放电离子通道，在放电离子通道中产生巨大的热能，使得离子通道位置的金属立刻熔化、汽化，紧接着，下一个脉冲电压又在另一处击穿，产生电火花放电，不断重复上述过程实现加工。

电火花加工单元主体可以是电火花加工机床，可以将特制的中空电极夹持在机床主轴的夹具上，通过控制电机的功率对夹具的转速进行控制，工件在Z轴方向上同时进行进给运动和旋转，使得电极与工件的相邻面表面粗糙度降低，加工的表面平面度增强，加工的圆柱形孔径圆度更高。

进一步的，所述光路转换组件包括反射镜、扩束镜和聚焦透镜，所述反射镜具有多个，设置在电火花加工单元上，用于将超短脉冲激光器发射的激光按照预期的反射角度进行反射，从而改变光路传输方向，最终使脉冲激光到达中空电极处，所述扩束镜具有多个，设置在电火花加工单元上，用于对脉冲激光进行扩束，从而增大了激光束的直径，有助于激光束的传播，所述聚焦透镜设置在中空电极大径段内壁中，以用于将超短脉冲激光聚焦后经中空电极小径段出射至工件上。

进一步的，整个中空电极材料为铜，电极上半部分为中空电极大径段，中空的圆筒外径为30mm～100mm，内径为10mm～20mm，电极的下半部分为中空电极小径段，是外径为0.5mm～1mm、内径为0.1mm～0.3mm的中空圆筒，该中空电极小径段与工件的表面形成电火花加工的两极。在中空电极大径段内壁上设有凹槽，用来对聚焦透镜进行定位，聚焦透镜能沿滑槽运动，以此改变焦点的位置，使得焦点的位置处于被加工物体的表面，或者在聚焦透镜的下面再安装两个聚焦透镜，用于增强光束的汇聚性并增大焦点可以移动的范围，使得焦点的位置向上提升并得到更小更亮的光斑。

在本发明的一个技术方案中，在激光器产生之后通过三个45°反射镜将光束导入到机床主轴内部。机床的主轴位置固定，通过移动机床下面的工作平台进行定位以及加工，且机床的主轴内部为中空，机床的夹头为中空，中空电极也是中空，使得激光束可以通过，通过光路转换组件的激光束方向为垂直于地面方向，焦点位置在工件的表面。比如将二个聚焦透镜镶嵌在特制的中空电极的大径段中，且二个聚焦透镜的位置在特制的电极中位置可调，特制的中空电极上部内壁上有对聚焦透镜进行定位的滑槽，上部为调焦部分并不参与加工，激光束通过多个透镜之后，光束的汇聚性更强，可以得到半径尺寸更小的光斑，而且可以使得焦点的位置发生改变，电极的下部为中空的电极管，与工件不接触从而进行电火花加工。

进一步的，多对电磁铁的磁场方向均与五自由度精密平台的台面平行，多对电磁铁连接有直流励磁电源，用于通过调节直流励磁电源从而调节电磁铁的电流和电压大小，进而实现电磁铁之间的磁场强度发生变化，同时，多对电磁铁均设置在电磁铁导轨上，用于通过沿电磁铁导轨调节每对电磁铁磁极之间的距离使得磁场的强度发生改变。比如，当电压为80V，电流为10A时，电磁铁产生的磁场强度达到最大，最大磁场强度为0.5T。磁场可以加速等离子体的形成，在放电通道内，在水平磁场洛伦兹力的作用下，放电离子通道可以更快速的形成。

进一步的，工作时，当加工对象尺度小于100μm时，采用激光诱导等离子体加工方式加工，以实现10μm-100μm尺度的微细加工；当加工对象尺度在100μm至1mm之间时，采用激光诱导等离子体辅助电火花加工的方式进行加工，激光诱导等离子体用于辅助电火花放电等离子通道的形成，以提高加工效率；当加工对象尺度大于1mm时，采用电火花加工方式加工，实现较大尺度加工，以此方式，综上三种加工模式能实现对工件的跨尺度加工。

进一步的，五自由度精密平台直线上的位移精度为10μm，旋转精度为0.01°，其在X、Y、Z方向上分别有300mm的移动范围，在X轴和Y轴上均有360°的旋转角度范围。在五自由度精密平台中，压电陶瓷为驱动器、柔性铰链为执行机构、利用电容位移传感器检测和PID控制的总体设计方案，将工件夹持在五自由度精密平台的表面，通过PMAC控制5自由度精密平台进行位移。

进一步的，工作时，工件浸渍在电介质中，采用电火花机油和去离子水作为浸液加工的电介质，电火花机油和去离子水用于帮助超短脉冲激光束在焦点位置产生等离子体，还用于通过自身的流通和循环带走加工产生的热量。高速相机设置在透明容器内，该透明容器置于浸液加工的电介质中，用于在电介质中对正在加工的工件进行拍摄，从而能比较不同加工参数下电火花放电的状态，进而能给加工装置的闭环控制提供依据。电火花机油和去离子水为透明材料，方便使用高速微距相机进行拍摄监控放电加工状态，实时反馈加工状态到控制系统，形成闭环反馈。根据反馈的数据判断机器的加工状况，可以另外采用比如混合智能优化算法进行人工智能多参量调控。由于电火花机油和去离子水的介电常数较大，电离能低，使得超短脉冲激光束在焦点位置更容易产生等离子体，电火花加工时Z轴的上下进给运动带动电火花机油的运动，也可以将孔隙加工产生的残渣排除。

本发明中，在复合加工过程中，聚焦透镜镶嵌在特制的电极中，通过光路转换组件和聚焦透镜将超短脉冲激光束聚焦在工件表面，超短脉冲激光束在工件表面诱导产生等离子体，使得工件更容易产生等离子通道，将电极与工件接在脉冲电源的两级，当电极与工件达到放电间隙时，两电极上施加的脉冲电压将电解液击穿，产生电火花放电。根据加工尺寸的不同，可以通过此工艺进行跨尺度加工(10μm-10mm)，通过调节脉冲激光器参数以及电火花加工参数，满足加工不同尺寸的需求。同时将机床夹持中空电极的主轴进行旋转，电极在放电过程中对工件进行铣削，通过高速相机拍摄电火花放电以及激光诱导等离子体的产生过程，根据实验现象优化实验数据，对脉冲电源和电火花机床的参数进行调节。

在机床上安装五自由度精密平台，位移的精度为10μm，旋转的精度为0.01°，可以控制在300mm的范围内移动，旋转范围为±40°，通过PMAC来控制平台的移动，对工件的加工进行精确地定位。在五自由度精密平台的周围等间距的放置比如三组环形电磁铁对，电磁铁对与直流励磁电源连接，每两个电磁铁之间的间隔为60°，每个电磁铁下面安装有导轨，可以通过移动电磁铁来改变磁场的位置以及强度大小，也可以通过控制直流励磁电源的电压和电流来控制磁场的强度，当电压大小为80V，电流大小为10A时，磁场的强度达到最大值0.5T。当平台移动时，加工位置的磁场强度大小发生改变，此时可以通过导轨移动电磁铁使得磁场的强度大小恒定。

在加工一些圆柱形的孔时，因为电极在电火花加工时有电极损耗，所以电极的圆度会降低，使得加工的孔尺寸精度降低。因此在机床的电极夹头上安装一个可以控制电极夹头转速的C轴，通过控制电机电流的大小，使得电极夹头可以最高达到2000r/min，在电火花加工时同时用电极对工件进行铣削，既可以提高孔径的圆度，降低电极损耗带来的影响，同时可以提高工件表面的粗糙度，提高加工质量。可以将高速相机放在有亚克力板制成的密闭容器内，对加工过程进行拍摄，通过照片比对得出电火花加工效果较好的参数，可以将电火花的大小、亮度以及密集度作为比较的参数，将试验数据进行优化。

按照本发明的第二个方面，还提供一种磁场作用下激光诱导等离子体辅助电火花复合加工方法，将电火花加工方式和激光诱导等离子体加工方式复合在一起，并且对加工处施加磁场，以协助电火花加工和激光诱导等离子体加工，从而提高加工效率和加工质量。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1)通过光路转换组件，将激光束导入并聚焦在工件上，超短脉冲激光束在工件表面产生等离子体，在极短时间内产生了较大的能量，等离子状态的工件更容易在脉冲电压的作用下产生等离子通道，降低了电火花加工的条件，可以加工一些导电性较弱的工件，例如高体积分数的铝基碳化硅。超短脉冲激光束有利于加速放电等离子通道的形成，诱导产生的等离子体使得电火花加工过程中更快的产生等离子通道，提高了加工效率。

此外，由于符合了磁场、电火花以及激光诱导等离子多种形式，综合利用了各自的优点，本发明装置能够实现跨尺度加工，当加工范围在10μm-100μm时，采用超短脉冲激光束诱导等离子体加工，当加工范围为100μm-1mm时，采用超短脉冲激光束诱导等离子体和电火花复合加工；当加工范围超过1mm时，采用电火花加工为主的加工方式，可以用超短脉冲激光束诱导等离子体进行粗加工之后的微加工；这种辅助工艺扬长避短，充分的吸收了激光诱导等离子体加工和电火花加工的优缺点，克服了材料低导电率以及对激光束低吸收率的缺点，加工材料的种类更加多样化，特别适用低导电率材料。

2)在加工过程中采用了磁场进行辅助，改善现有电火花加工技术中存在的放电不稳定、放电间隙内的残渣不能有效地被工作液及时的冲刷掉以及加工过程中产生的裂纹凹坑与重铸层的问题，从而来解决电火花线切割加工效率低，表面质量较差的情况，由此来满足工业需求。

3)高精度的五自由度平台可以对工件进行精度更高的定位以及X轴、Y轴旋转可以满足特殊位置加工。

4)在加工过程中使用高速相机进行拍摄，采集放电状态信息，比较电火花的大小以及电火花的分布密度，和工艺数据库匹配，为反馈控制提供条件，进而可以调节超短脉冲激光束的波长、频率以及脉冲能量，还可以调节电火花机床的脉冲电流脉宽、脉间、电流、电压，得到最佳的加工参数。

附图说明

图1为本发明实施例中电火花机床加工辅助装置背面三维结构示意图；

图2为本发明实施例中电火花机床加工辅助装置正面三维结构示意图；

图3为本发明实施例中电火花机床辅助光路转换装置三维结构示意图；

图4为本发明实施例中电火花机床辅助装置电极夹头及电磁铁组三维结构示意图；

图5为本发明实施例中电火花机床辅助装置五自由度高精密平台三维结构示意图；

图6为本发明实施例中电火花机床辅助装置特制电极结构示意图；

图7为本发明实施例中电火花机床辅助装置光路转换示意图；

图8位本发明实施例中电火花机床辅助装置组成部分及其控制系统框架结构图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-超短脉冲激光器、2-第一扩束镜、3-电火花机床控制柜、4-电火花机床操控面板、5-反射镜滑轨、6-反射镜支架滑块、7-第一反射镜、8-第二扩束镜、9-可伸缩中空管、10-中空管支架滑块、11-第二反射镜、12-第三反射镜、13-导轨滑块、14-电磁铁组、15-五自由度高精密平台、16-旋转夹头、17-电极夹头、18-中空电极(或者称为特制电极)、19-水平磁场电磁铁极柱、20-水平磁场电磁铁、21-电磁铁支架、22-电磁铁导轨滑块、23-紧固螺丝、24-水平磁场电磁铁滑轨、25-X轴旋转平台电机、26-固定工件平台、27-X轴旋转平台、28-Y轴旋转平台、29-Y轴旋转平台电机、30-Y轴移动平台、31-X轴移动平台、32-五自由度高精密平台底座、33-中空电极大径段、34-聚焦透镜滑动凹槽、35-第一聚焦透镜、36-聚焦透镜支架、37-第二聚焦透镜、38-中空电极小径段(也是实际电极加工部分，也是与工件形成电火花放电两级的部分。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在现有技术中，超短脉冲激光加工和电火花加工都已经在特种加工中取得了广泛的进展，已经广泛应用于航空、模具和汽车等各种领域，具有较好的发展前景。但是这两种加工方法都有着各自的优势以及局限性。电火花加工需要较高导电率的电极以及工件材料，在微细加工时需要尺寸特别小的电极，但是可以加工一些高硬度、高强度和高熔点的金属及金属基材料。超短脉冲激光加工可以进行一些低导电率材料的加工。本发明的核心构思是将这两种加工方法有机结合在一起，并且利用磁场对电火花和激光诱导等离子体的作用，充分利用磁场、电火花以及激光诱导等离子体三者优势，提供一种新型的复合加工装置和加工方法，该装置和方法能够同时适用于高电导率和低电导率的材料加工，并且加工精度高，表面粗糙度低，加工尺寸范围大，同时克服了材料低导电率以及对激光束低吸收率的缺点，加工材料的种类更加多样化。

本发明中，电火花加工单元、激光诱导等离子体加工单元以及磁场单元有机组装成一体。在实际工程实践中，电火花加工单元主要是电火花机床，五自由度高精密平台设置在机床平台上，电火花机床上设置有电火花机床操控平台，电火花机床操控平台能控制五自由度高精密平台的运动和电火花机床主轴的运动。本发明装置进行工作时，还可以通过电火花机床操控平台控制超短脉冲激光器发出的激光束的波长、频率以及脉冲能量，电火花机床的脉冲电流的脉宽、脉间、电流、电压，同时还能控制移动电磁铁组，使得工件加工位置的磁场均匀恒定，还能控制光路转换组件以及中空电极中聚焦透镜的移动，使得激光束的焦点位于工件的待加工表面上，并且同时激光束配合尖端电极(中空电极小径段)共同加工工件材料。

电火花加工的脉冲电流的脉宽单位为μs级，超短脉冲激光束的脉宽单位为ps级，超短脉冲激光束首先在工件表面诱导产生等离子体，随后在脉冲放电作用下，加速产生放电离子通道进行材料蚀除。加工过程中，根据高速相机采集电火花的图像信息并反馈加工状态，例如电火花的大小以及电火花的分布密度，结合外界智能控制系统分析加工状态，再反馈给电火花机床操控平台对加工参数(加工参数包括电火花机床的脉冲电流的脉宽、脉间、电流、电压、超短脉冲激光束的波长、频率、脉冲能量)进行调节。

在中空电极和工件的表面连接脉冲电源，在两极间产生脉冲放电，因为脉冲电压的放电宽度为微秒级别，在一次脉冲放电时，可以同时调节皮秒脉冲激光器，使工件表面因为脉冲激光束的照射产生等离子体，形成工件材料局部高温高压态，因此在脉冲电压作用下更容易产生等离子通道，在电极与工件的接触面上产生了无数个等离子通道，在等离子通道内产生大量的热量，使得工件表面被熔化甚至汽化，在脉冲间隙产生的残渣被电解液冲刷出去，紧接着下一个脉冲放电产生，重复以上的过程，进行加工。

本发明中，在水平磁场的作用下，通过将超短脉冲激光束聚焦在材料表面，诱导材料产生等离子体，通过等离子体相互作用去除材料并将脉冲电压加到两极之间，利用放电间隙形成加工通道进行材料的蚀除。本装置根据不同加工尺寸的要求，可以控制两种加工分别或者同时进行(激光诱导等离子体加工、电火花加工以及两种加工方式复合)。

本发明的磁场作用下超短脉冲激光诱导等离子体辅助电火花复合加工装置，实现在环形磁场的辅助下进行浸液式电火花加工过程，将超短脉冲激光束通过聚焦透镜聚焦在工件表面，诱导产生等离子体，并将工件夹持在五自由度精密平台上。装置包括超短脉冲激光器和激光器电源以及水冷机，直流励磁电源和环形电磁铁，通过电源来控制超短脉冲激光器的功率，水冷机为激光器进行散热。五自由度超精密平台可以对工件进行精确地定位；环形电磁铁可以沿着导轨进行移动，改变两个磁极之间的距离，使得加工位置的磁场方向和大小均不发生改变，为电火花加工提供了稳定且良好的辅助条件。

下面详细的进一步说明本发明装置的核心构思。为了更为详细阐明本发明装置，逐一对本发明的组成部分进行介绍。

具体的，选用譬如功率为10W的超短脉冲激光器，产生的激光束波长为532nm，脉宽为10ps，频率在10-100KHz的范围内可调。控制激光器电源的功率，当功率为10W时，在10KHz时获得最高的脉冲能量3μJ，采用水冷的方式进行循环，激光束从激光器内产生后，通过扩束镜进行扩束，增大了激光束的直径，有助于激光束的传播，接下来进一步通过光路转换组件中的反射镜和聚焦透镜将激光束导入到机床的电极夹头中心处。

光路转换组件主要包括比如三个45°的反射镜、两个扩束镜以及两个聚焦透镜组成。在超短脉冲激光器产生的激光束为水平方向，通过第一扩束镜将激光束放大，第一反射镜将水平方向的激光束进行反射，使其方向变为垂直于地面方向，经过第二扩束镜继续放大，第二扩束镜可以沿着导轨进行滑动，经过第二反射镜将垂直于底面的激光束调节为水平方向，经过第三反射镜将激光束调节为铅锤向下的方向，为了避免激光束在传播过程中受到干扰，在每两个反射镜之间都有长度可以调节的圆柱型管道，随着滑块在导轨上移动，管道的长度也在发生变化，激光束的光束质量M2＜1.2，指向稳定性＜50μrad，所以激光束在传播过程中的损失在本发明中可以忽略不计。

激光束投射到中空的电极夹头中，电极夹头在加工过程中不仅可以进行垂直方向的进给运动，还可以进行旋转，由电机对转速进行控制，转速最高可以达到2000r/min,在加工过程中对待加工物体的表面进行铣削，可以提高圆度、平面度以及表面粗糙度，降低因为电极损耗带来的实验精度误差。电极夹头可以对直径为50mm-1000mm的圆柱型电极进行夹持，夹头的拆卸为气动控制。

激光束通过三个45°反射镜反射到中空的圆柱形电极中心，将工件固定在五自由度精密平台上，通过PMAC控制五自由度精密平台的移动来控制加工的路线，并使用高速相机拍摄加工过程。

本发明所采用的电极为特制的中空电极，主体分为两个部分，分为聚焦透镜部分(即为中空电极大径段)和实验加工部分(即为中空电极小径段)，两个部分都是中空的电极，聚焦透镜部分外径比如为50mm，内径比如为35mm，实验加工部分外径为0.5mm，内径为0.3mm,聚焦透镜部分的电极内壁处设置有凹槽，聚焦透镜镶嵌在凹槽内并可以沿着凹槽进行移动，聚焦透镜的直径比如为33mm，数量为二个，可以进行多次聚焦，使得可以调节的焦点距离范围变大，而且二次聚焦之后，激光束更加集中，可以得到更小更亮的光斑，经过聚焦得到的焦点直径小于1mm。在具体的工程实践中，本发明的第二段电极(中空电极大径段)可以进行拆卸，和第一段电极(中空电极小径段)之间通过旋紧装置连接，不同的电极尺寸可以实现跨尺度加工，可以实现10μm-10mm之间的加工，同时也可以实现电火花加工和激光诱导等离子体辅助电火花复合加工两种模式之间的切换。

本发明用于工件定位以及移动的平台为五自由度精密平台，平台在水平面上沿着X轴和Y轴移动的距离均为300mm，移动精度为10nm，平台可以沿着X轴和Y轴进行360°旋转，旋转精度为0.01°，通过PMAC进行平台的精确控制，使得工件处于磁场的中心位置。在五自由度精密平台的四周环绕着六个长度比如为60cm的滑轨，呈对称型的间隔60°固定在机床台面上，电磁铁支架可以沿着滑轨进行自由移动，通过支架的移动来改变两个电磁铁磁极之间的距离，或者改变连接电磁铁的直流励磁电源的电流和电压的大小，来改变磁场强度的大小。电磁铁的直径比如为30cm，极柱直径为10cm，可以通过旋紧或者旋松紧固螺丝来调节电磁铁支架的高度，进而控制水平磁场的高度。

本发明的电火花加工为浸液式加工，将工件浸没的液体为电火花机油，设置的液面高度为浸没工件表面后上升2-3mm，因为液面过低不利于工件的排屑以及冷却，液面过高影响观测效果，且液面过高会对激光束的入射产生影响，使得激光束的入射发生偏移，影响实验加工精度。

下面结合具体的实施例进一步详细的说明本发明装置。

图1为本发明实施例中电火花机床加工辅助装置背面三维结构示意图，图2为本发明实施例中电火花机床加工辅助装置正面三维结构示意图，由图可知，超短脉冲激光器1设置在电火花机床上，其产生超短脉冲激光，从超短脉冲激光器出射的激光紧接着入射至第一扩束镜2，第一扩束镜2设置在电火花机床的垂直支架板背面，在该垂直支架板背面还设置有电火花机床控制柜3和电火花机床操控面板4，可以对五自由度平台和相关的加工参数进行调节。

图3为本发明实施例中电火花机床辅助光路转换组件三维结构示意图，由图可知，该组件的主要组成部分设置在电火花机床的垂直支架板正面处，反射镜滑轨5固定在电火花机床平台上，反射镜支架滑块6滑动连接在反射镜滑轨5，第一反射镜7设置在反射镜支架滑块6上，从而能够调节第一反射镜7移动。第二扩束镜8设置在可伸缩空管9上，可伸缩空管9通过多个中空管支架滑块10支撑连接在电火花机床的垂直支架板正面，顾名思义，可伸缩中空管内部中空，从第一反射镜7出射的激光经过可伸缩的中空管9入射至第二扩束镜8上，经过第二次扩束后出射，在可伸缩中空管的顶端处设置有第二反射镜11，第二反射镜11再次改变激光的传输方向，并经过又一段的中空管后入射至第三反射镜12，第三反射镜12下方设置有同样可以伸缩的中空管，该中空管通过导轨滑块13支撑，该导轨滑块13滑动连接在又一滑轨上，该“又一滑轨”固定在电火花机床的垂直支架板正面，中空管下方端部处夹持有特制的中空电极18。在中空电极下方的电火花机床上设置有五自由度高精密平台15，五自由度高精密平台底座32周围设置有电磁铁组14。

图4为本发明实施例中电火花机床辅助装置电极夹头及电磁铁组三维结构示意图，由图可知，中空电极18通过电极夹头17夹持，电极夹头17连接在旋转夹头16上。在五自由度精密平台的四周环绕着六个长度比如为60cm的水平磁场电磁铁滑轨24，呈对称型的间隔60°固定在机床台面上，电磁铁支架21设置在电磁铁导轨滑块22上，电磁铁导轨滑块22滑动连接在水平磁场电磁铁滑轨24上，可以沿着水平磁场电磁铁滑轨24进行自由移动，电磁铁导轨滑块22上的一个侧面上开设有用于安装紧固螺丝23的盲孔，紧固螺丝23在旋紧时用于紧固电磁特支架21，还能在旋松后调节电磁铁支架21的高矮程度，电磁特支架21上固定有水平磁场电磁铁20，水平磁场电磁铁20呈圆饼状，且上设置有水平磁场电磁铁极柱19，可以通过支架在滑轨上的移动来改变一对电磁铁对中两个电磁铁磁极之间的距离，或者改变连接电磁铁的直流励磁电源的电流和电压的大小，来改变磁场强度的大小。

图5为本发明实施例中电火花机床辅助装置五自由度高精密平台三维结构示意图，由图可知，五自由度高精密平台包括X轴旋转平台电机25、X轴旋转平台27、Y轴旋转平台28和Y轴旋转平台电机29，X轴旋转平台电机25用于实现X轴旋转平台27沿X轴旋转，固定工件平台26(用于固定待加工的工件)与X轴旋转平台27相固定连接，X轴旋转平台27固定在一块平板上，该平板又固定在Y轴旋转平台28上，Y轴旋转平台28受Y轴旋转平台电机29控制，能实现自身绕Y轴旋转，进而实现工件绕Y轴旋转。Y轴旋转平台28和Y轴旋转平台电机29均设置在又一块平板上，该平板整体设置在Y轴移动平台30上，Y轴移动平台30与X轴移动平台31相活动连接，Y轴移动平台能在X轴移动平台上沿Y轴移动。

图6为本发明实施例中电火花机床辅助装置特制电极结构示意图，由图可知，特制的中空电极主体分为两个部分，分为聚焦透镜部分的中空电极大径段33和实验加工部分的中空电极小径段38。聚焦透镜部分的电极内壁处设置有聚焦透镜滑动凹槽34，第一聚焦透镜35和第二聚焦透镜37均通过聚焦透镜支架设置聚焦透镜滑动凹槽34内并可以沿着凹槽进行移动，聚焦透镜的直径比如为33mm，数量为二个，可以进行多次聚焦。

图7为本发明实施例中电火花机床辅助装置光路转换示意图，其中，皮秒脉冲激光器发射出的激光通过第一反射镜入射至第一扩束镜，经第一扩束境后再入射至第二反射镜，经第二反射镜改变传播方向后又再次入射至第三反射镜，经第三反射镜改变方向后入射至电极夹头处，进入中空电极的第一、第二聚焦透镜，最后经中空电极小径段出射到加工介质中，到达工件表面。

更详细地，结合图1至图7，整体上，本发明申请复合装置各个元件的相互连接关系如下：

在超短脉冲激光器1发出超短脉冲激光束后，通过第一扩束镜2将激光束扩束，通过第一反射镜7将水平的光束调节为竖直的光束，第一反射镜7可以通过反射镜支架滑块6在反射镜滑轨5上进行移动，可伸缩中空管9可以通过移动中空管支架滑块10进行移动，激光束通过可伸缩中空管9进入第二反射镜11，随后进入第三反射镜12，光路转换为垂直向下的激光束。通过光路转换装置，将激光束导入并聚焦在工件上，超短脉冲激光束在工件表面产生等离子体，在极短时间内产生了较大的能量，等离子状态的工件更容易在脉冲电压的作用下产生等离子通道，降低了电火花加工的条件，可以加工一些导电性较弱的工件，例如高体积分数的铝基碳化硅。通过旋转夹头16夹持电极夹头17进行旋转，电极夹头17夹持中空电极18，中空电极18中设置有第一聚焦透镜35、第二聚焦透镜37和中空电极小径段38，第一聚焦透镜35和第二聚焦透镜37放置在聚焦透镜支架36上，可以在聚焦透镜滑动凹槽34内进行移动调节焦点位置。中空电极18通过二层聚焦透镜的移动将激光束的焦点聚集在工件的表面。水平磁场电磁铁20包含水平磁场电磁铁极柱19、电磁铁支架21、电磁铁导轨滑块22、紧固螺丝23和水平磁场电磁铁滑轨24。

比如6个水平磁场电磁铁滑轨24呈中心对称性分布在五自由度高精密平台底座32的周围，电磁铁导轨滑块22可以在水平磁场电磁铁滑轨24上进行自由移动，通过紧固螺丝23调节电磁铁支架21的高度调节水平磁场高度。磁场可以改善现有电火花加工技术中存在的放电不稳定、放电间隙内的残渣不能有效地被工作液及时的冲刷掉以及加工过程中产生的裂纹凹坑与重铸层等问题，从而来解决电火花线切割加工效率低，表面质量较差的情况。X轴旋转平台电机25控制X轴旋转平台27移动，Y轴旋转平台电机29控制Y轴旋转平台28移动，X轴移动平台31和Y轴移动平台30分别放置在五自由度高精密平台底座32上。通过PMAC来控制平台的移动，对工件的加工进行精确地定位。

图8位本发明实施例中电火花机床辅助装置组成部分及其控制系统框架结构图，由图可知，脉冲激光器受电源控制产生脉冲激光，水冷机对脉冲激光器进行冷却，脉冲激光器发射出的激光通过光路转换组件再经电极夹头达到工件处，电火花机床的控制系统或者称为电火花数控系统用于控制电磁铁组、高速相机、电极夹头的旋转和五自由度高精密平台的运动。

以下结合具体实施例以及加工环境来进行阐述本发明所提供的辅助装置。

实施例1

加工环境：电火花机床为阿奇夏米尔的FORM E350高性能电火花机床，待加工的金属工件为厚度为10mm的难加工材料钛合金Ti6Al4V；加工一个直径为20μm，深度为10μm的圆柱型孔。

电火花机床提供的脉冲电流脉宽为30μs，脉间为20μs，电流为6A，所用直流励磁电源(连接电磁铁的电源)的电流精度为10mA，可以提供电流为0-8A，电压0-10V的直流电，输出功率为300W。还包括超短脉冲激光器、光路转换组件、五自由度精密平台、多对电磁铁对。激光束的波长为532nm，频率为10KHz，脉宽为10ps，脉冲能量为3μJ，采用水冷的方式进行冷却，光路转换组件将激光束从超短脉冲激光器导入到电火花机床中，激光束从电极夹头中心穿过，进入到特制的中空电极中，经过特制中空电极内部的两个聚焦透镜将激光束聚焦在工件表面，所用的电解液为EDM煤油，激光束的扫描速度为70μm/s，提供的磁感应强度大小为400mT。

采用本实施例复合加工装置后，材料去除率为0.143mm³/min，所获得工件的表面粗糙度为1.043μm；而在不采用本实施例所提供的复合加工装置的情况下，材料去除率为0.079mm³/min，所获得工件的表面粗糙度为1.770μm。相比之下，采用本实施例所提供的复合加工装置使得材料去除率提高了1.81倍，所获得工件的表面粗糙度下降了41.1％。

实施例2

加工环境：电火花机床为阿奇夏米尔的FORM E350高性能电火花机床，待加工的金属工件为厚度为5mm的难加工材料，为65％的铝基碳化硅(低导电率材料)，加工一个直径为0.5mm的圆柱型孔。

机床提供的脉冲电流脉宽为40μs，脉间为30μs，电流为8A，所用的辅助装置的直流励磁电源的电流精度为10mA，可以提供电流为0-8A，电压0-10V的直流电，输出功率为300W；还包括超短脉冲激光器，电磁铁组，光路转换组件、五自由度精密平台，电磁铁线包间距80mm，电磁铁磁极头直径12mm，两磁极间距在80mm内可调，最大可以产生1T的磁场；所产生磁场的磁感应强度大小为200mT，方向为水平方向；激光束的波长为532nm，频率为10KHz，脉宽为10ps，脉冲能量为4μJ，采用水冷的方式进行冷却，光路转换组件将激光束从超短脉冲激光器导入到机床中，激光束从电极夹头中心穿过，进入到特制的中空电极中，经过特制中空电极内部的两个聚焦透镜将激光束聚焦在工件表面，所用的电解液为EDM煤油，激光束的扫描速度为70μm/s，所提供的磁感应强度大小为400mT。

采用本实施例所提供的复合加工装置后，材料去除率为0.179mm³/min，所获得工件的表面粗糙度为1.184μm；而在不采用本实施例所提供的辅助装置的情况下，材料去除率为0.069mm³/min，所获得工件的表面粗糙度为1.913μm。相比之下，采用本实施例所提供的辅助装置和方法使得材料去除率提高了2.59倍，所获得工件的表面粗糙度下降了38.1％。

实施例3

加工环境：电火花机床为阿奇夏米尔的FORM E350高性能电火花机床，待加工的金属工件为厚度为10mm的难加工材料镍合金；加工一个直径为2mm的圆柱型孔。

机床提供的脉冲电流脉宽为50μs，脉间为40μs，电流为10A，所用的辅助装置的直流励磁电源的电流精度为10mA，可以提供电流为0-8A，电压0-10V的直流电，输出功率为300W；还包括超短脉冲激光器，光路转换组件、电磁铁组、五自由度精密平台，激光束的波长为532nm，频率为10KHz，脉宽为10ps，脉冲能量为6μJ，采用水冷的方式进行冷却，光路转换组件将激光束从超短脉冲激光器导入到机床中，激光束从电极夹头中心穿过，进入到特制的电极中，经过特制中空电极内部的两个聚焦透镜将激光束聚焦在工件表面，所用的电解液为EDM煤油，激光束的扫描速度为70μm/s，辅助装置所提供的磁感应强度大小为400mT。

采用本实施例所提供的复合加工装置后，材料去除率为0.213mm³/min，所获得工件的表面粗糙度为1.457μm；而在不采用本实施例所提供的辅助装置的情况下，材料去除率为0.085mm³/min，所获得工件的表面粗糙度为2.110μm。相比之下，采用本实施例所提供的辅助装置和方法使得材料去除率提高了2.5倍，所获得工件的表面粗糙度下降了34.5％。

上述实施例数据表明，将本发明所提供的辅助装置及方法用于电火花加工，可以有效提高材料去除率，并有效降低工件表面粗糙度。

本发明中，所述激光束的波长为532nm，频率为10KHz，脉宽为10ps，脉冲能量为6μJ，通过调节光路转换组件以及特制中空电极中聚焦透镜的位置，使得焦点聚焦在工件表面上，因为激光束焦点的直径为1mm左右，在极短的时间内在单位面积产生巨大的能量，使得工件表面产生等离子体，等离子体受热膨胀，电介质流动并在工件表面上施加大量压力。在激光脉冲结束时，等离子体坍塌并且电介质涌回以填充空隙。由等离子体坍塌引起的压力突然降低导致熔融和蒸发的材料从工件表面瞬间排出，从而导致材料去除。在工件表面上加工出与激光脉冲结束时的每次等离子体放电相对应的凹坑。当工件在等离子体以预定程序运动的一定进给速率聚焦在其表面上的情况下移动时，凹坑重叠并产生微通道。然后将微通道重叠以产生微观特征。

本发明中，特制的中空电极连接电火花机床的正极，工件连接电火花机床的负极，机床提供的脉冲电流脉宽为50μs，脉间为40μs，电流为10A，通过机床控制电极在保持放电间隙的同时向工件进给，两极之间施加的脉冲电压将电介质击穿，产生脉冲放电，形成充满等离子体的放电离子通道，在放电离子通道中产生巨大的热能，使得离子通道位置的金属立刻熔化、汽化，紧接着，下一个脉冲电压又在另一处击穿，产生电火花放电，重复上述过程进行加工。

本发明中，所述磁场为磁感应强度在1T以内的均匀磁场，采用磁感应强度为200mT或400mT的磁场。可以滑动的电磁铁组组成了一个立体的全覆盖的空间复合磁场。水平方向的磁场对电火花加工进行辅助，根据左手定则，让磁感线穿过手心，四指为电流方向，水平方向的磁场产生垂直于磁感线方向和铅锤方向的洛伦兹力，提高工件的加工速度。

本发明结合了激光诱导等离子体加工和电火花加工的优缺点，使得本发明装置可以加工一些低导电率的工件，也可以实现跨尺度加工，当加工范围在10μm-100μm时，采用超短脉冲激光束诱导等离子体加工，当加工范围为100μm-1mm时，采用超短脉冲激光束诱导等离子体和电火花复合加工；当加工范围超过1mm时，采用电火花加工为主的加工方式，可以用超短脉冲激光束诱导等离子体进行粗加工之后的微加工。

本发明装置具有成本低、结构简单、其使用方便、使用效果好的优点，测试数据表明，其能有效提高材料去除率，降低工件表面粗糙度，使电火花线加工效率和表面质量得到明显提高。

本发明装置和方法解决电火花加工技术中，一些低导电率材料难以在加工时产生等离子通道，电火花加工放电效率低，难以实现跨尺度加工等问题，同时能提高工件表面质量、加工精度以及加工效率，也可以应用于加工一些导电性较差的材料，有更加广泛的应用前景。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种磁场作用下激光诱导等离子体辅助电火花复合加工装置，其特征在于，其包括电火花加工单元、激光诱导等离子体加工单元以及磁场单元，电火花加工单元、激光诱导等离子体加工单元以及磁场单元有机组装成一体，其中，

电火花加工单元包括用于控制工件按照预期移动的五自由度精密平台和中空电极，所述五自由度精密平台用于实现工件沿X轴、Y轴、Z轴直线移动，以及实现工件沿X轴、Y轴旋转，所述中空电极用于与工件形成电火花放电的两极，以进行电火花加工，

激光诱导等离子体加工单元包括超短脉冲激光器和光路转换组件，光路转换组件用于将超短脉冲激光器发出的脉冲激光传导至中空电极处，并经中空电极出射至工件上，进而在工件表面诱导产生等离子体，以能进行激光诱导等离子体加工，

磁场单元包括多对电磁铁，多对电磁铁环绕在工件周围形成复合磁场，多对电磁铁相对中空电极的位置远近能够调节，以用于保证在加工的整个过程中，电火花加工处的磁场参数始终稳定一致。

2.如权利要求1所述的一种磁场作用下激光诱导等离子体辅助电火花复合加工装置，其特征在于，整个中空电极分为两段，为两段同心但直径不同的圆筒连接形成的整体，材质为电的良导体，两段分别为直径较大的中空电极大径段和直径较小的中空电极小径段，

中空电极大径段用于设置光路转换组件中的光学元器件，以用于将超短脉冲激光聚焦后经中空电极小径段出射至工件上，

中空电极小径段用于作为电火花加工的工具电极，其能围绕Z轴旋转，其与工件相距间隔，以形成电火花放电。

3.如权利要求2所述的一种磁场作用下激光诱导等离子体辅助电火花复合加工装置，其特征在于，所述光路转换组件包括反射镜、扩束镜和聚焦透镜，

所述反射镜具有多个，设置在电火花加工单元上，用于将超短脉冲激光器发射的激光按照预期的反射角度进行反射，从而改变光路传输方向，最终使脉冲激光到达中空电极处，

所述扩束镜具有多个，设置在电火花加工单元上，用于对脉冲激光进行扩束，从而增大了激光束的直径，有助于激光束的传播，

所述聚焦透镜设置在中空电极大径段内壁中，以用于将超短脉冲激光聚焦后经中空电极小径段出射至工件上。

4.如权利要求3所述的一种磁场作用下激光诱导等离子体辅助电火花复合加工装置，其特征在于，整个中空电极材料为铜，电极上半部分为中空电极大径段，中空的圆筒外径为30mm～100mm，内径为10mm～20mm，

电极的下半部分为中空电极小径段，是外径为0.5mm～1mm、内径为0.1mm～0.3mm的中空圆筒，该中空电极小径段与工件的表面形成电火花加工的两极。

5.如权利要求4所述的一种磁场作用下激光诱导等离子体辅助电火花复合加工装置，其特征在于，在中空电极大径段内壁上设有凹槽，用来对聚焦透镜进行定位，聚焦透镜能沿滑槽运动，以此改变焦点的位置，使得焦点的位置处于被加工物体的表面，或者

在聚焦透镜的下面再安装两个聚焦透镜，用于增强光束的汇聚性并增大焦点可以移动的范围，使得焦点的位置向上提升并得到更小更亮的光斑。

6.如权利要求1-5之一所述的一种磁场作用下激光诱导等离子体辅助电火花复合加工装置，其特征在于，多对电磁铁的磁场方向均与五自由度精密平台的台面平行，多对电磁铁连接有直流励磁电源，用于通过调节直流励磁电源从而调节电磁铁的电流和电压大小，进而实现电磁铁之间的磁场强度发生变化，

同时，多对电磁铁均设置在电磁铁导轨上，用于通过沿电磁铁导轨调节每对电磁铁磁极之间的距离使得磁场的强度发生改变。

7.如权利要求6所述的一种磁场作用下激光诱导等离子体辅助电火花复合加工装置，其特征在于，工作时，当加工对象尺度小于100μm时，采用激光诱导等离子体加工方式加工，以实现10μm-100μm尺度的微细加工；

当加工对象尺度在100μm至1mm之间时，采用激光诱导等离子体辅助电火花加工的方式进行加工，激光诱导等离子体用于辅助电火花放电等离子通道的形成，以提高加工效率；

当加工对象尺度大于1mm时，采用电火花加工方式加工，实现较大尺度加工，

以此方式，综上三种加工模式能实现对工件的跨尺度加工。

8.如权利要求7所述的一种磁场作用下激光诱导等离子体辅助电火花复合加工装置，其特征在于，五自由度精密平台直线上的位移精度为10μm，旋转精度为0.01°，其在X、Y、Z方向上分别有300mm的移动范围，在X轴和Y轴上均有360°的旋转角度范围。

9.如权利要求1所述的一种磁场作用下激光诱导等离子体辅助电火花复合加工装置，其特征在于，工作时，工件浸渍在电介质中，采用电火花机油和去离子水作为浸液加工的电介质，

电火花机油和去离子水用于帮助超短脉冲激光束在焦点位置产生等离子体，还用于通过自身的流通和循环带走加工产生的热量。

10.如权利要求1所述的一种磁场作用下激光诱导等离子体辅助电火花复合加工装置，其特征在于，其还包括高速相机，所述高速相机设置在透明容器内，该透明容器置于浸液加工的电介质中，用于在电介质中对正在加工的工件进行拍摄，从而能比较不同加工参数下电火花放电的状态，进而能给加工装置的闭环控制提供依据。

11.一种磁场作用下激光诱导等离子体辅助电火花复合加工方法，利用权利要求1至10任一项所述的一种磁场作用下激光诱导等离子体辅助电火花复合加工装置，其特征在于，将电火花加工方式和激光诱导等离子体加工方式复合在一起，并且对加工处施加磁场，以协助电火花加工和激光诱导等离子体加工，从而提高加工效率和加工质量。

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