CN110757257A - 面向复杂曲面加工的三电极体系可控电化学辅助力流变超精密抛光装置 - Google Patents
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Abstract
一种面向复杂曲面加工的三电极体系可控电化学辅助力流变超精密抛光装置，包括工作电极模块、对电极模块、参比电极模块、电化学工作站、力流变抛光机、抛光液池和力流变抛光液，工作电极模块固定安装在力流变抛光机上，抛光工件作为工作电极与抛光液池内的力流变抛光液接触，与电化学工作站连接；对电极模块固定安装在力流变抛光机上，对电极与力流变抛光液接触，与电化学工作站相连；参比电极模块固定安装在力流变抛光机上，参比电极与力流变抛光液接触，与电化学工作站相连。本发明通过优化电化学反应和力流变机械力的协同作用，实现复杂曲面高表面完整性加工。同时，力流变抛光液是水基溶液，比热容大，可以有效抑制热的影响。
Description
技术领域
本发明属于超精密加工领域，涉及一种面向复杂曲面加工的三电极体系可控电化学辅助力流变超精密抛光装置，使用电化学工作站和三电极体系对抛光工件表面电化学反应过程进行精确调控，与力流变抛光液形成的柔性固着磨具协同配合，实现复杂曲面绿色、高质、高效加工。
背景技术
高性能滚动轴承、高表面完整性发动机叶轮、高精度金属反射镜、超光滑模具以及高表面质量刀具等零部件是决定轨道交通、航空航天、国防军事、机械制造等领域的高端装备能否安全可靠服役的关键。它们的核心工作部分主要是复杂曲面，其精度和表面完整性直接决定了产品的性能、质量和可靠性。与世界先进水平相比，我国装备制造业仍存在较大差距，主要原因之一为上述关键部件核心工作面的精度和表面完整性无法达到性能要求，产品可靠性低。下面简要介绍上述关键部件中复杂曲面的应用背景和超精密加工需求：
1)高性能滚动轴承。轴承主要由内外圈、保持架和滚动体组成，其中内外圈的滚道和保持架属于凹槽面，滚动体的表面则属于球面或圆弧面。随着科技的发展，对轴承的稳定性、可靠性等服役要求越来越高，轴承常见的失效形式包括磨损、塑性变形，主要是零部件表面粗糙度高、滚动体形状精度低等原因造成的。因此，亟需发展新的控形控性超精密加工技术，实现高性能滚动轴承复杂曲面高精度加工。
2)高表面完整性发动机叶轮。航空发动机叶轮和现代船舶推进系统叶轮通常采用复杂的变曲率截面设计，以维持气流稳定，减少气流能量损失，提高工作效率，比如平板叶片、圆弧窄叶片、圆弧叶片、平板曲线后向叶片等。另外，随着科技的发展，对叶轮表面完整性的要求越来越高，表面缺陷会造成气流扰动，发热量增大，推力减小等问题。因此，亟需发展新的控形控性超精密加工技术，实现发动机叶轮复杂曲面高表面完整性加工。
3)高精度金属反射镜。现代高精度金属反射镜的反射面通常是抛物面、双曲面等弧形曲面，以满足在特定角度下聚焦入射光，或者平行反射入射光需求。出于不同反射焦点距离的需要，金属反射镜的曲面由各种不同曲率的弧线构成。表面质量差的金属反射镜会产生散光、光型差等缺陷。因此，为了提高系统可靠性，需要有更精确的光学反射轨迹和更高的光线反射率，同时也带来了更高的表面精度和表面光洁度加工要求。因此，亟需发展新的控形控性超精密加工技术，实现金属反射镜复杂曲面高精度加工。
4)超光滑模具。超光滑模具型腔为满足使用需求，往往存在复杂的沟、槽、孔等变截面设计。模具的表面质量直接影响模具的使用寿命和工作使用效率，超光滑模具的浇筑和脱模时间远远小于普通模具。此外，模具的表面光洁程度也影响浇筑零件的美观程度，表面质量差的模具会带来毛边、倒刺等缺陷。因此，亟需发展新的控形控性超精密加工技术，实现模具复杂曲面超光滑加工。
5)高表面质量高效刀具。现代加工中心的刀具往往具有非常复杂的刃口，如螺旋形前刀、阶梯型刀具、圆锥球头刀具、圆柱球头刀具、梳刀等，复杂曲面刀具可以一次完成多步工序，减少走刀和换刀次数，可以成倍地提高效率，并减少加工出错的概率。此外，刀具的表面质量极大地影响刀具的使用寿命，同时加工工件表面质量也与刀具表面质量直接相关。因此，亟需发展新的控形控性超精密加工技术，实现刀具复杂曲面高表面质量加工。
超精密抛光是高端装备关键部件终加工的最后一道工序，直接决定了零部件的几何精度和形状误差，超精密抛光结果对产品的质量和使用寿命有着至关重要的影响。目前面向复杂曲面加工开发的技术主要有磁流变抛光、气囊抛光、剪切增稠抛光等，下面对各抛光技术进行简要介绍：
1)磁流变抛光。磁流变抛光是磁场辅助抛光的一种，是电磁场和流体动力学的融合，利用磁流变液在磁场中的流变特性对工件进行抛光。当抛光轮上的磁流变液被传送至工件与抛光轮形成的小空隙附近时，高梯度磁场使之凝聚、变硬，成为粘塑性的介质。具有较高运动速度的粘塑性介质通过狭小空隙时，在工件表面与之接触的区域产生很大的剪切力，从而使工件的表面材料被去除。目前，磁流变抛光存在以下需要改进的地方：a)无法加工磁性金属；b)磁流变缎带比较大，具有微小特征的复杂曲面无法加工；c)磁流变抛光装备和加工液价格昂贵。
2)气囊抛光。气囊抛光属于柔性接触式抛光。气囊采用抗拉伸的较薄材料，气囊的内部充以气体，气体的压力可随抛光曲面可所需的去除量实时变化，以适应不同面型的加工表面。气囊的外部则包有抛光垫或者砂纸。加工过程中，气囊自身作旋转运动并带有小幅度的摆动，工件由多轴数控设备或者机器人夹持，跟随气囊的旋转作预定的进给运动。工件的运动轨迹为最终希望得到的表面轮廓曲线，驻留时间通常由高斯算法得出。因此，气囊抛光属于确定性超精密抛光技术，可以加工复杂曲面。目前，气囊抛光存在以下需要改进的地方：a)由于气囊抛光头的尺寸原因，气囊抛光只能加工平面和大尺寸的渐变曲面，对于曲率变化大的工件则会产生干涉；b)气囊抛光装备及和耗材价格昂贵非常昂贵，维护成本高；c)气囊在加工过程中会出现失稳现象。
3)剪切增稠抛光。剪切增稠抛光过程中，工件与剪切增稠液二者之间相对运动，剪切增稠液与工件接触部分受剪切作用发生剪切增稠现象，接触区域的剪切增稠液粘度增大，分子间结构发生改变，呈现类似固体的性质，增强了固态粒子对磨粒的把持作用，形成剪切层，磨料对工件表面的微突峰产生微切削作用实现工件材料去除来达到抛光的效果。目前，剪切增稠抛光的加工效率和表面完整性均有待提高。
申请人所在团队申请了发明专利1：“基于非牛顿流体剪切增稠与电解复合效应的超精密抛光装置”，公开号CN104191340A，公开了一种普通的两电极电解机械抛光方法，其发明的装置通过电解和剪切增稠效应的协同作用来实现工件加工，但是存在如下不可避免的缺陷：1)无法在线监测。与三电极体系存在电流和电压两个回路不同，两电极体系只有一个回路，在加工时无法对抛光工件表面电位、电流等电化学参数进行精确在线监测；2)材料去除无法精确控制。与三电极体系不同，两电极体系无法对抛光工件表面电解反应过程进行精确调控，进而无法实现材料去除精确可控；3)资源浪费。三电极体系中电化学工作站的电压是施加在待抛光工件与不发生极化的参比电极之间的，所需的工作电压更小。而两电极体系的电压施加在阴极和阳极之间，阴极发生极化反应会产生一部分电压降，因此所需的工作电压更大，浪费资源且设备安全性低。
综上所述，磁流变抛光无法加工磁性金属和带有微小特征的复杂曲面，气囊抛光设备复杂、造价昂贵，而剪切增稠抛光表面完整性和加工效率有待提高。因此，亟需发展一种新的控形控性超精密加工技术，实现复杂曲面的绿色、高质、高效抛光。
发明内容
传统的复杂曲面超精密加工技术受纯机械去除原理限制，去除时接触压力需要达到材料的塑性屈服极限，最小去除厚度受限，表面完整性难以进一步提高，且在热力耦合作用下不可避免地产生各种形式的损伤。为解决上述问题，本发明提出了一种面向复杂曲面加工的三电极体系可控电化学辅助力流变超精密抛光装置，抛光工件浸没在含有电解质的力流变抛光液中，采用电化学工作站和三电极体系在抛光工件表面生成一层均匀的氧化反应膜。力流变抛光液和抛光工件之间的高速相对运动产生力流变效应，形成的柔性固着磨具接触抛光工件表面微凸峰处的氧化反应膜。由于该氧化反应膜机械强度较基体材料小、与基体结合力低，因此去除时接触压力远低于基体材料的塑性屈服极限，且可以通过调控电化学反应来调节氧化反应膜的物化性质，进而调控最小去除厚度。最终，通过优化电化学反应和力流变机械力的协同作用，实现复杂曲面高表面完整性加工。同时，力流变抛光液是水基溶液，比热容大，可以有效抑制热的影响。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种面向复杂曲面加工的三电极体系可控电化学辅助力流变超精密抛光装置，包括工作电极模块、对电极模块、参比电极模块、电化学工作站、力流变抛光机、抛光液池和力流变抛光液，所述工作电极模块固定安装在力流变抛光机上，其中抛光工件作为工作电极与抛光液池内的力流变抛光液接触，通过导线与电化学工作站连接；所述对电极模块固定安装在力流变抛光机上，其中对电极与力流变抛光液接触，通过导线与电化学工作站相连；所述参比电极模块固定安装在力流变抛光机上，其中参比电极与力流变抛光液接触，通过导线与电化学工作站相连；
所述工作电极模块包括抛光工件夹具上部、导电滑环、抛光工件、抛光工件夹具下部和导线。所述抛光工件夹具上部包括键槽和导线，抛光工件夹具上部通过键槽与电机输出轴固定连接，导电滑环采用过盈配合方式固定安装在抛光工件夹具上部；抛光工件作为工作电极，通过抛光工件夹具下部固定安装在抛光工件夹具上部。抛光工件通过导线、导电滑环、导线与电化学工作站连接，为旋转运动的抛光工件提供稳定的电流通路；抛光工件夹具上部和抛光工件夹具下部可以根据不同的抛光工件曲面形状及装夹要求进行优化设计，增加装置的适用性。
进一步，所述对电极模块包括对电极模块固定夹具、碳刷夹具、碳刷、对电极、导线、导电环和导线，对电极模块固定夹具与力流变抛光机上的对电极模块支撑杆连接，调节紧固螺钉实现对电极模块的升降以及碳刷与导电环接触角度的调整，碳刷夹具通过螺纹连接方式与对电极模块固定夹具连接，碳刷通过螺纹与碳刷夹具固定，对电极安装在抛光液池正上方，并通过导线、导电环、碳刷、导线与电化学工作站相连，为旋转运动的对电极提供稳定的电流通路。对电极采用化学性质稳定的导电材料制作，材料包括但不限于石墨、铂等。
再进一步，所述参比电极模块包括参比电极、参比电极保护罩和导线，参比电极固定安装在电机安装板上的参比电极固定孔，并通过参比电极保护罩进行保护，参比电极通过导线与电化学工作站相连，为工作电极提供稳定可靠的外加电压，参比电极的类型包括但不限于氢电极、甘汞电极、硫酸汞电极、氧化汞电极、氯化银电极等。
更进一步，所述力流变抛光机包括工件自转模块支撑杆、工件自转模块、抛光液池旋转平台、对电极模块支撑杆；所述工件自转模块包括工件自转模块固定夹具、电机连接板、电机安装板和电机，工件自转模块固定夹具与力流变抛光机上的工件自转模块支撑杆连接，调节紧固螺钉实现工件自转模块的升降；电机连接板通过螺栓与工件自转模块固定夹具连接；电机安装板通过螺栓与电机连接板连接，通过圆弧槽改变调节电机安装板的角度，进而优化调节抛光工件与力流变抛光液的接触角度，电机通过螺栓与电极安装板固定。
所述抛光液池通过定位销与力流变抛光机上的抛光液池旋转平台固定连接，抛光液池内添加力流变抛光液。
所述力流变抛光液包括具有力流变效应的非牛顿流体、磨粒和电解质，具有力流变效应的非牛顿流体包括但不限于二氧化硅溶液、碳酸钙溶液、聚苯乙烯溶液、聚甲基丙烯酸甲酯溶液、聚乙二醇溶液、多羟基聚合物溶液、丙三醇溶液等。磨粒包括但不限于单晶金刚石、聚晶金刚石、三氧化二铝、二氧化锆、二氧化钛、二氧化铈、煅制二氧化硅和胶体二氧化硅等中的一种或者含一种以上的组合。电解质促进电子导体和离子导体界面间发生电化学反应，电解质主要成分为MxNy，其中阳离子M包括但不限于Fe3+、Ag+、Hg 2+、Cu2+、Pb2+、Fe2+、Zn2+、H+、Al3+、Mg2+、Na+、Ca2+、K+中的一种或含一种以上的组合，阴离子N包括但不限于S2-、I-、B-、Cl-、OH-、含氧酸根离子等中的一种或含一种以上的组合。
所述电化学反应通常发生在电子导体和离子导体形成的界面上，为了避免抛光工件夹具与抛光工件形成电偶，造成：1)无法单独对抛光工件表面电化学工作状态进行精确调控；2)增加电化学工作站负载，致使电化学工作站过载损坏。因此抛光工件夹具上部、抛光工件夹具下部、抛光液池、参比电极采用机械性能良好的绝缘材料制作，绝缘材料包括但不限于聚四氟乙烯、聚醚醚酮、聚苯硫醚、聚酰亚胺、聚砜、聚甲醛树脂等。
在工作电极附近安装电位稳定的参比电极，为抛光过程中的抛光工件提供一个稳定的电位基准，同时保证测量回路中无电流流过；三电极体系可以排除电极本身极化和溶液内阻产生的欧姆电压降，因此测得的工作电极电位更加精确。
对电极在电化学测试中与工作电极构成一个串联极化回路，使得工作电极上电流通畅，保证电化学反应在工作电极上发生。
使用三电极体系和电化学工作站，测量工作电极的开路电位，获得在没有负载时工作电极和参比电极之间的电位差。
使用三电极体系，精确测得抛光工件的动电位极化曲线，掌控抛光工件在不同电化学力流变抛光液下的活化区、钝化、过钝化区电压范围，以及通过极化曲线判断抛光工件的腐蚀速率，确定合理的抛光电化学参数。
使用三电极体系，通过参比电极，工作电极和对电极互相配合，利用电化学工作站输出阻抗谱，从阻抗谱中获得抛光工件在不同电解质类型及浓度下的腐蚀机理，优化力流变抛光液的配方。
使用电化学工作站，通过恒电位计时电流法或恒电流计时电压法，精确控制抛光过程中工作电极上的电流或电压，实现对抛光工件电化学腐蚀速率达到精确控制。
电化学反应可以在抛光工件表面生成一层机械强度较基体材料小、与基体结合力低的氧化反应膜，促进力流变机械去除；另一方面，力流变抛光机带动抛光液池内的力流变抛光液旋转，工件自转模块带动抛光工件自转，力流变抛光液和抛光工件间的高速相对运动产生力流变效应，形成的柔性固着磨具可以直接对表面微凸峰处的氧化反应膜进行微切削。同时，该柔性固着磨具产生的机械力可以增强切削后暴露的新鲜基体材料表面反应活性、降低电化学反应能垒，促进电化学反应。进而，在电化学反应和力流变机械力的协同作用下实现抛光工件复杂曲面超精密加工。
本发明的有益效果主要表现在：
1.材料可控去除：1)使用三电极电化学体系对工作电极的电压、电流精确监测，获得抛光工件化学腐蚀速率，并生成极化曲线、阻抗谱等电化学参数来推断表面氧化反应膜类型和厚度，对电化学反应过程进行精确调控。2)三电极体系中电化学工作站的电压是施加在抛光工件与不发生极化反应的参比电极之间的，参比电极电位稳定，因此可精确控制抛光工件相对于参比电极的电压；使用电化学工作站的恒电流功能，亦可精确控制通过抛光工件的电流。进而，实现电化学反应速率的精确控制，实现材料可控去除。
2.复杂曲面超精密加工：1)利用电化学加工手段，在难加工表面产生一层机械强度低、与抛光工件基体结合力小的氧化反应膜，结合力流变抛光液的力流变特性既保证其形成的柔性固着磨具能够适应不同曲率的复杂曲面，也保证具有足够的机械力对表面微凸峰进行微切削，对氧化反应膜进行去除，实现复杂曲面工件的抛光。2)三电极体系和电化学工作站能对电化学腐蚀氧化反应膜类型和产生速率精确控制，完成力流变氧化反应膜产生速率和力流变效应机械去除速率高效协同，进而，获得高表面质量、高精度的复杂曲面工件。
3.绿色环保：1)电化学反应为电化学体系中发生的、伴随有电荷转移的化学反应，可以部分或全部替代氧化剂的使用，减少污染排放。2)力流变抛光液使用多羟基高聚物作为基液，成本低廉且不会产生环境污染。3)三电极体系中电化学工作站的电压是施加在待抛光工件与不发生极化的参比电极之间的，所需的工作电压更小，节约能耗且提高设备安全性。
附图说明
图1为本发明的抛光过程机理示意图；
图2为本发明实施例使用状态的一个视角结构示意图(电化学工作站和力流变抛光机不属于本发明)；
图3为本发明实施例使用状态的俯视图(电化学工作站和力流变抛光机不属于本发明)；
图4为工作电极模块结构示意图；
图5为工作电极模块剖视图；
图6为对电极模块和抛光液池组合结构剖视图；
图7为对电极模块部分结构示意图；
图8为抛光液池结构示意图；
图9为参比电极模块示意图(参比电极不属于本发明)；
图10为力流变抛光机结构示意图；
图11为工件自转模块结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图11，一种面向复杂曲面加工的三电极体系可控电化学辅助力流变超精密抛光装置，包括工作电极模块1、对电极模块2、参比电极模块3、电化学工作站4、力流变抛光机5、抛光液池6和力流变抛光液7，，所述工作电极模块固定安装在力流变抛光机上，其中抛光工件作为工作电极与抛光液池内的力流变抛光液接触，通过导线与电化学工作站连接；所述对电极模块固定安装在力流变抛光机上，其中对电极与力流变抛光液接触，通过导线与电化学工作站相连；所述参比电极模块固定安装在力流变抛光机上，其中参比电极与力流变抛光液接触，通过导线与电化学工作站相连。
电化学工作站4的扫描电位范围为±10V，可扩展至±30V；最大输出电压为±30V；最大输出电流为±2A，可扩展至10A/20A。电流范围有1A、100mA、10mA、1mA、100uA，10uA、1uA、100nA、10nA共9档，自动选择电流范围，可扩展至100pA。
参照图4、图5，工作电极模块1包括轴承保持架夹具上部11、导电滑环12、轴承保持架13、轴承保持架夹具下部14、导线15。所述轴承保持架夹具上部11包括键槽11.1、导线11.2。轴承保持架夹具上部11通过键槽11.1与电极533上的电机输出轴533.1固定连接。所述导电滑环12采用过盈配合方式固定安装在轴承保持架夹具上部11。所述轴承保持架13作为工作电极，通过轴承保持架夹具下部14固定安装在轴承保持架夹具上部11。轴承保持架13通过导线11.2、导电滑环12、导线15与电化学工作站4连接，为旋转运动的轴承保持架13提供稳定的电流通路。轴承保持架夹具上部11和轴承保持架夹具下部14可以根据不同的轴承保持架13曲面形状及装夹要求进行优化设计，增加装置的适用性。轴承保持架夹具上部11和轴承保持架夹具下部14采用机械性能良好的绝缘材料聚醚醚酮。
参照图6、图7，对电极模块2包括对电极模块固定夹具21、碳刷夹具22、碳刷23、对电极(石墨24)、导线25、导电环26、导线27。所述对电极模块固定夹具21与力流变抛光机5上的对电极模块支撑杆52连接，调节紧固螺钉实现对电极模块2的升降以及碳刷23与导电环26接触角度的调整。所述碳刷夹具22通过螺栓与对电极模块固定夹具21连接。所述碳刷23通过螺纹连接方式与碳刷夹具22固定。所述对电极(石墨24)安装在抛光液池6正上方，浸没在力流变抛光液7中，并通过导线25、导电环26、碳刷23、导线27与电化学工作站4相连，为旋转运动的对电极(石墨24)提供稳定的电流通路。
参照图8，参比电极模块3包括参比电极(氯化银电极31)、参比电极保护罩32、导线33。所述参比电极(氯化银电极31)固定安装在电机安装板532上的参比电极固定孔532.1，并通过参比电极保护罩32进行保护。参比电极保护罩采用机械性能良好的绝缘材料聚四氟乙烯。参比电极(氯化银电极31)通过导线33与电化学工作站4连接，为工作电极提供稳定可靠的外加电压。
参照图9，力流变抛光机5包括工件自转模块支撑杆51、对电极模块支撑杆52、工件自转模块53、抛光液池旋转平台54。
参照图10，工件自转模块53包括工件自转模块固定夹具534、电机连接板531、电机安装板532、电机533。所述工件自转模块固定夹具534与力流变抛光机5上的工件自转模块支撑杆51连接，调节紧固螺钉实现工件自转模块53的升降。所述电机连接板531通过螺栓与工件自转模块固定夹具534连接。所述电机安装板532通过螺栓与电机连接板531连接，通过圆弧槽533.1改变电机安装板532的角度，进而优化调节轴承保持架13与力流变抛光液7的接触角度，接触角度可调范围为0-90°。所述电机533通过螺栓与电极安装板532固定，电机533的转速为0～1400rpm。
参照图11，抛光液池6通过定位销6.1与力流变抛光机5上的抛光液池旋转平台54固定连接，转速为0～250rpm，抛光液池6内添加力流变抛光液7。抛光液池采用机械性能良好的绝缘材料聚醚醚酮制作。所述力流变抛光液7包括具有力流变效应的非牛顿流体7.1、磨粒7.2、电解质7.3。具有力流变效应的非牛顿流体7.1为多羟基聚合物溶液，磨粒7.2为单晶金刚石，电解质7.3主要成分为KNO3。
进一步的，在工作电极(轴承保持架13)附近安装电位稳定的参比电极(氯化银电极31)，为抛光过程中的轴承保持架13提供一个稳定的电位基准，同时保证了测量回路中无电流流过。三电极体系排除了电极本身极化和溶液内阻产生的欧姆电压降，所测得的工作电极(轴承保持架13)电位更加精确。
进一步的，对电极(石墨24)在电化学测试中与工作电极(轴承保持架13)构成一个串联极化回路，使得工作电极上电流通畅，保证电化学反应只在工作电极(轴承保持架13)上发生。
进一步的，使用三电极体系和电化学工作站4，测量工作电极(轴承保持架13)的开路电位，获得在没有负载的时工作电极(轴承保持架13)和参比电极(氯化银电极31)之间的电位差。
进一步的，使用三电极体系，利用精确测量轴承保持架13的动电位极化曲线，掌控轴承保持架13在不同力流变抛光液7下的活化区、钝化、过钝化区电压范围，以及通过极化曲线获得轴承保持架13的腐蚀速率，确定合理的抛光电化学参数。
进一步的，使用三电极体系，通过参比电极(氯化银电极31)，工作电极(轴承保持架13)和对电极(石墨24)互相配合，利用电化学工作站输出阻抗谱，从阻抗谱中获得轴承保持架13在不同电解质类型及浓度下的腐蚀机理，优化力流变抛光液7的配方。
进一步的，使用电化学工作站4，通过恒电位计时电流法或恒电流计时电压法，精确控制抛光过程中工作电极(轴承保持架13)上的电流或电压，对轴承保持架13电化学腐蚀速率实现精确控制。
更进一步的，一方面，电化学反应可以在轴承保持架表面13生成一层机械强度较基体材料小、与基体结合力低的氧化反应膜13.1，促进力流变机械去除；另一方面，力流变抛光机5带动抛光液池6内的力流变抛光液7旋转，工件自转模块53带动轴承保持架13自转，力流变抛光液7和轴承保持架13之间的高速相对运动产生力流变效应，形成的柔性固着磨具可以直接对表面微凸峰处的氧化反应膜13.1进行微切削。同时，该柔性固着磨具产生的机械力可以增强切削后暴露的新鲜基体材料表面反应活性、降低电化学反应能垒，促进电化学反应。进而，在电化学反应和力流变机械力的协同作用下实现抛光工件复杂曲面超精密加工。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种面向复杂曲面加工的三电极体系可控电化学辅助力流变超精密抛光装置，其特征在于，所述装置包括工作电极模块、对电极模块、参比电极模块、电化学工作站、力流变抛光机、抛光液池和力流变抛光液；所述工作电极模块固定安装在力流变抛光机上，抛光工件作为工作电极与抛光液池内的力流变抛光液接触，通过导线与电化学工作站连接；所述对电极模块固定安装在力流变抛光机上，对电极与力流变抛光液接触，通过导线与电化学工作站相连；所述参比电极模块固定安装在力流变抛光机上，参比电极与力流变抛光液接触，通过导线与电化学工作站相连。
2.如权利要求1所述工作电极模块包括抛光工件夹具上部、导电滑环、抛光工件、抛光工件夹具下部和导线；所述抛光工件夹具上部包括键槽和导线，抛光工件夹具上部通过键槽与电机输出轴固定连接，导电滑环采用过盈配合方式固定安装在抛光工件夹具上部；抛光工件作为工作电极，通过抛光工件夹具下部固定安装在抛光工件夹具上部，抛光工件通过导线、导电滑环、导线与电化学工作站连接，为旋转运动的抛光工件提供稳定的电流通路。
3.如权利要求1所述的面向复杂曲面加工的三电极体系可控电化学辅助力流变超精密抛光装置，其特征在于，所述对电极模块包括对电极模块固定夹具、碳刷夹具、碳刷、对电极、导线、导电环和导线，对电极模块固定夹具与力流变抛光机上的对电极模块支撑杆连接，调节紧固螺钉实现对电极模块的升降以及碳刷与导电环接触角度的调整，碳刷夹具通过螺纹连接方式与对电极模块固定夹具连接，碳刷通过螺纹与碳刷夹具固定，对电极安装在抛光液池正上方，并通过导线、导电环、碳刷、导线与电化学工作站相连，为旋转运动的对电极提供稳定的电流通路。
4.如权利要求1所述的面向复杂曲面加工的三电极体系可控电化学辅助力流变超精密抛光装置，其特征在于，所述参比电极模块包括参比电极、参比电极保护罩和导线，参比电极固定安装在电机安装板上的参比电极固定孔，并通过参比电极保护罩进行保护，参比电极通过导线与电化学工作站相连，为工作电极提供稳定可靠的外加电压，参比电极的类型包括氢电极、甘汞电极、硫酸汞电极、氧化汞电极和氯化银电极。
5.如权利要求1所述的面向复杂曲面加工的三电极体系可控电化学辅助力流变超精密抛光装置，其特征在于，所述力流变抛光机包括工件自转模块支撑杆、工件自转模块、抛光液池旋转平台、对电极模块支撑杆；所述工件自转模块包括工件自转模块固定夹具、电机连接板、电机安装板和电机，工件自转模块固定夹具与力流变抛光机上的工件自转模块支撑杆连接，调节紧固螺钉实现工件自转模块的升降；电机连接板通过螺栓与工件自转模块固定夹具连接；电机安装板通过螺栓与电机连接板连接，通过圆弧槽改变调节电机安装板的角度，进而优化调节抛光工件与力流变抛光液的接触角度，电机通过螺栓与电极安装板固定。
6.如权利要求1或5所述的面向复杂曲面加工的三电极体系可控电化学辅助力流变超精密抛光装置，其特征在于，所述抛光液池通过定位销与力流变抛光机上的抛光液池旋转平台固定连接，抛光液池内添加力流变抛光液。
7.如权利要求1或5所述的面向复杂曲面加工的三电极体系可控电化学辅助力流变超精密抛光装置，其特征在于，所述力流变抛光液包括具有力流变效应的非牛顿流体、磨粒和电解质，具有力流变效应的非牛顿流体包括二氧化硅溶液、碳酸钙溶液、聚苯乙烯溶液、聚甲基丙烯酸甲酯溶液、聚乙二醇溶液、多羟基聚合物溶液或丙三醇溶液；磨粒包括单晶金刚石、聚晶金刚石、三氧化二铝、二氧化锆、二氧化钛、二氧化铈、煅制二氧化硅和胶体二氧化硅等中的一种或者含一种以上的组合；电解质促进电子导体和离子导体界面间发生电化学反应，电解质成分为MxNy，其中阳离子M包括Fe3+、Ag+、Hg2+、Cu2+、Pb2+、Fe2+、Zn2+、H+、Al3+、Mg2+、Na+、Ca2+、K+中的一种或含一种以上的组合，阴离子N包括S2-、I-、B-、Cl-、OH-、含氧酸根离子中的一种或含一种以上的组合。
8.如权利要求1或4所述的面向复杂曲面加工的三电极体系可控电化学辅助力流变超精密抛光装置，其特征在于，在工作电极附近安装电位稳定的参比电极，为抛光过程中的抛光工件提供一个稳定的电位基准，同时保证测量回路中无电流流过。
9.如权利要求1或3所述的面向复杂曲面加工的三电极体系可控电化学辅助力流变超精密抛光装置，其特征在于，对电极在电化学测试中与工作电极构成一个串联极化回路，使得工作电极上电流通畅，保证电化学反应在工作电极上发生。
10.如权利要求8所述的面向复杂曲面加工的三电极体系可控电化学辅助力流变超精密抛光装置，其特征在于，使用三电极体系和电化学工作站，测量工作电极的开路电位，获得在没有负载时工作电极和参比电极之间的电位差；
使用三电极体系，精确测得抛光工件的动电位极化曲线，掌控抛光工件在不同电化学力流变抛光液下的活化区、钝化、过钝化区电压范围，以及通过极化曲线判断抛光工件的腐蚀速率，确定合理的抛光电化学参数；
使用三电极体系，通过参比电极，工作电极和对电极互相配合，利用电化学工作站输出阻抗谱，从阻抗谱中获得抛光工件在不同电解质类型及浓度下的腐蚀机理，优化力流变抛光液的配方；
使用电化学工作站，通过恒电位计时电流法或恒电流计时电压法，精确控制抛光过程中工作电极上的电流或电压，实现对抛光工件电化学腐蚀速率达到精确控制；
电化学反应可以在抛光工件表面生成一层机械强度较基体材料小、与基体结合力低的氧化反应膜，促进力流变机械去除；另一方面，力流变抛光机带动抛光液池内的力流变抛光液旋转，工件自转模块带动抛光工件自转，力流变抛光液和抛光工件间的高速相对运动产生力流变效应，形成的柔性固着磨具可以直接对表面微凸峰处的氧化反应膜进行微切削；同时，该柔性固着磨具产生的机械力可以增强切削后暴露的新鲜基体材料表面反应活性、降低电化学反应能垒，促进电化学反应；进而，在电化学反应和力流变机械力的协同作用下实现抛光工件复杂曲面超精密加工。
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