CN112809111B - 工件的超声-等离子体电解复合加工方法和加工装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了工件的超声‑等离子体电解复合加工方法和加工装置。该加工方法包括以下步骤：在非金属层和工具电极之间提供电解液；金属层连接电解加工电源的正极，工具电极连接电解加工电源的负极，在金属层和工具电极之间施加直流电压；使工具电极从非金属层远离金属层的一侧相对非金属层移动，并将超声波引导向非金属层。上述方法中，首先由引导向非金属层的超声波对其表面进行加工，在超声加工过程中，诱导生成的等离子体能够促进超声加工的溶液循环，使超声加工的产物迅速排出加工区。在完成非金属层的加工后，金属层裸露出来，从而对金属层进行超声电解并行加工。

Description

工件的超声-等离子体电解复合加工方法和加工装置

技术领域

本申请涉及材料加工技术领域，尤其是涉及工件的超声-等离子体电解复合加工方法和加工装置。

背景技术

随着航空、航天技术的发展，热端部件的使用温度要求越来越高，已达到高温合金和单晶材料的使用极限。例如航空发动机燃烧室前后端的叶片、燃气轮机的受热喷嘴及叶轮，它们的工作温度达到1000℃以上，已经接近或超过了基体材料(通常为高温镍合金，耐热约1075℃)的极限使用温度。在这种极其恶劣的高温环境下，材料容易发生高温氧化和热应力变形，影响材料使用性能。为了提高高温镍合金的使用性能，将其与高强度、高耐热性的陶瓷材料结合，在金属表面制备出热障涂层具有广阔的应用前景和市场需求，所制备的热障涂层能起到隔热、抗氧化、防腐蚀的作用，能延长热端部件使用寿命。但是，由于航空发动机叶片气膜冷却段的叶片上具有大量的气膜冷却孔，而热障涂层(通常为陶瓷材料等非金属层)的莫氏硬度高达7.5左右，并且镍合金切削特性非常差，因此如何在具有热障涂层的镍合金材料上加工出微孔是制约其大规模应用的关键性问题。

目前具有热障涂层的镍合金材料的主要加工方法是机械切削、激光加工和超声加工。机械切削(主要是钻削)是以旋转的多刃刀具作为工具在材料表面进行成形的加工方法，具有操作便捷、加工效率高、尺寸一致性好的特点。但是机械加工中使用的刀具要求比工件材料硬度高，而陶瓷涂层的莫氏硬度达到7.5左右，因此需要更硬的金刚石或立方氮化硼作为刀具，并且在切削过程中存在明显的刀具损耗。同时，在切削镍合金时刀具发热严重，影响刀具使用寿命，因此利用机械切削方式加工具有热障涂层的镍合金材料成本较高，效率较低。激光加工是利用光的能量经过透镜聚焦后形成高能束，靠光热效应来实现材料去除的加工方法，具有不需要工具、加工速度快、表面变形小、可加工各种材料的特点，能实现具有热障涂层的镍合金材料的加工。然而，激光加工的设备投入成本较高，并且在热障涂层加工时瞬间的热膨胀容易导致材料崩边。另一方面，在金属层加工时容易形成翻边、重铸层、微裂纹等表面缺陷，因此激光加工的应用具有一定的局限性。超声加工是利用超声频率、小振幅振动的工具轰击游离于液体中的磨料对被加工表面进行逐步破碎的加工技术，非常适合于陶瓷材料的精密加工。但是，由于具有热障涂层的镍合金材料属于多层材料，超声加工虽然对陶瓷基的热障涂层部分具有较好的加工特性，但对于具有较好韧性的金属基部分，容易导致游离磨料粘结在金属表面，降低加工效率，因此超声加工具有热障涂层的镍合金材料同样存在一定的局限性。

发明内容

本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本申请提出一种能够分别对非金属层和金属层进行有效加工的工件的超声-等离子体电解复合加工方法和实施该加工方法的加工装置。

本申请的第一方面，提供工件的加工方法，该工件包括依次设置的非金属层和金属层，该加工方法包括以下步骤：

在非金属层和工具电极之间提供电解液；

金属层连接电解加工电源的正极，工具电极连接电解加工电源的负极，在金属层和工具电极之间施加直流电压；

使工具电极从非金属层远离金属层的一侧相对非金属层移动，并将超声波引导向非金属层。

根据本申请实施例的工件的加工方法，至少具有如下有益效果：

上述方法中，在工件的金属层和工具电极之间施加直流电压，由于金属层与工具电极之间间隔的距离以及中间被非金属层隔开，金属层在此过程中仅作为对电极构成电流回路，电流密度集中在工具电极表面，从而在工具电极上诱导出电解液等离子体。首先由引导向非金属层的超声波对其表面进行加工，在超声加工过程中，诱导生成的等离子体能够促进超声加工的溶液循环，使超声加工的产物迅速排出加工区。在完成非金属层的加工后，金属层裸露出来，工具电极和金属层通过电解液直接近距离连通，从而对金属层进行超声电解并行加工。在电化学加工过程中，等离子体激发时产生的流体动力特性和热化学特性能提高电解加工效率，从而使整个超声辅助等离子体电解加工效率提升。

总体而言，本申请实施例首次提出超声辅助等离子体电解的加工方法，该加工方法能够用于金属-非金属多层复合的难加工材料的加工，尤其是航空发动机用的热障涂层镍合金高温材料的精密加工。在该加工方法中，基于超声加工原理，能够实现非金属硬脆材料的无损伤/低损伤、高效率、高精密微细加工，并且在超声加工阶段，等离子体能促进碎屑排出加工区。而基于电解加工原理，能实现难加工金属材料的高表面质量、高效率、高精密微细加工，并且利用电解液的等离子体效应和超声振动特性，能强化电解加工中的传质效率，提高电解加工效率。工具电极周围由高电压诱导形成的高电阻率气膜和等离子体膜，能在工具电极侧边实现侧壁绝缘的效果，进而减小电解加工侧蚀量，提高加工定域性和加工精度，同时，产生的剧烈气泡和连续的等离子改善了加工区的流场状况，在工具电极下方形成剧烈的流场环境，促进了加工产物排出加工区，解决了小加工间隙内的排屑问题，从而保持已加工表面光滑。另外，高电压诱导产生的等离子体提高了加工区的温度，能够促进电解加工效果。本申请实施例提出的加工方法能完全适用现有的电解加工机床，同时工艺调试、工艺集成非常便捷可靠，能够在工件表面直接高效地加工出微孔。从加工效率和加工深宽比上考虑，超声能场的引入，既能进一步强化流场，促进排屑，又能活化工件表面，提高加工效率，因此综合加工性能更好。

其中，直流电压的具体数值由电场强度决定，或由工具电极与工件之间的面积比决定。通过施加直流电压，使得工具电极表面激发产生电解液等离子体。在其中一些情况下，产生电解液等离子体要求电压能使工具电极与电解液之间的电场强度大于10⁶V·cm^-1。

根据本申请的一些实施例，工具电极还连接有超声振动单元，工具电极在超声振动单元的带动下振动产生超声波。

根据本申请的一些实施例，工具电极的振动方向平行于工具电极的移动方向。其中，工具电极的移动方向是指在加工过程中，随着加工的进行，工具电极与工件的相对移动方向。工具电极的振动方向是指在超声振动器或其它方式带动工具电极产生高频振动时的振动方向。

根据本申请的一些实施例，当工具电极贯穿非金属层时，继续进行超声加工，形成超声电解并行加工。

根据本申请的一些实施例，电解加工电源选自恒压电源、恒流电源、脉冲直流电源中的任一种。

根据本申请的一些实施例，电解液内还设有磨粒。在超声加工过程中，磨粒在超声的带动下，对非金属层进行加工。

根据本申请的一些实施例，电解液包括NaOH溶液、KOH溶液、无机盐溶液中的至少一种。其中，无机盐溶液包含但不限于NaNO₃溶液或NaCl溶液。

根据本申请的一些实施例，工件与工具电极之间的间隙为5μm～1mm。

本申请的第二方面，提供一种加工装置，该加工装置包括：

工具电极；

电解加工电源，电解加工电源的正极用于与工件相连，电解加工电源的负极与工具电极相连；

超声振动单元，超声振动单元与工具电极连接，用于带动工具电极振动产生超声波；

电解单元，电解单元用于固定工件，并提供盛装电解液的容置空间。

根据本申请实施例的加工装置，至少具有如下有益效果：

本申请实施例所提供的加工装置超声加工和电解加工同工位加工，不需要分成两道工位，从而避免了反复装夹带来的加工误差。

根据本申请的一些实施例，超声振动单元包括超声振动器和设置在超声振动器上的绝缘部件，绝缘部件与工具电极固定连接。

根据本申请的一些实施例，绝缘部件为绝缘套筒，工具电极套设在绝缘套筒内。

根据本申请的一些实施例，加工装置还包括进给调节单元，进给调节单元连接工具电极，并用于调节工具电极的移动。

根据本发明的一些实施例，所述电源系统包括电连接的直流电源、函数发生器、示波器和电源探头。

本申请的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

图1是本申请的实施例1的加工装置的结构示意图。

图2是本申请的图1所示实施例的加工装置在加工工件过程中工具电极表面等离子体形成过程中的电压-电流波形示意图。

图3是本申请的实施例2的加工方法的步骤示意图。

图4是本申请的实施例2的加工方法的加工过程中电极振动及脉冲等离子体对流场的强化示意图。

具体实施方式

以下将结合实施例对本申请的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本申请的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本申请的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本申请的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本申请保护的范围。

下面详细描述本申请的实施例，描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

在本申请的描述中，若干的含义是一个以上，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本申请的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本申请中的具体含义。

本申请的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

实施例1

本实施例提供一种加工装置，图1是该加工装置的示意图，该加工装置包括电解加工电源系统、工具电极20、超声振动单元和电解单元，通过该加工装置对包含非金属层81和金属层82的工件进行加工。电解加工电源系统包括电解加工电源10、函数发生器11、示波器12和电源探头13，这些部件之间电连接，电解加工电源10的正极用于与金属层82连接，电解加工电源10的负极与工具电极20连接，工具电极20为棒状。超声振动单元包括超声振动器30、超声加工电源40，超声加工电源40的正负极分别与超声振动器40相连接。

同时，为了避免电解加工电压与超声加工电压相互干扰，工具电极20与超声振动器30之间设置绝缘套筒60，以实现电信号相互隔离。电解单元包括电解槽70，电解槽70内设有工件安装架71，电解槽70内具有盛装电解液的容置空间。盛装的电解液内分散有磨粒72。在工作状态时，工件的非金属层81和金属层82以及工具电极20远离绝缘套筒60的末端浸入电解液中，接通电解加工电源10控制施加的电压在50V以上。

另外，为了便于调节工具电极20与工件之间的加工间隙，该加工装置还包括进给调节装置如机床运动平台50，利用该进给调节装置使得工具电极能进行XYZ轴的单轴或多轴运动或联动，从而实现打孔、铣槽、加工型腔及曲面的目的。

电解加工电源10可以为恒压电源、恒流电源或脉冲直流电源，其具体的施加电压由工具电极浸入电解液中的浸泡面积决定，工具电极与电解液接触面积越大，施加的电压就越大。

在工作状态时，工具电极表面发生还原反应，反应方程式为：

2H₂O+2e^-→H₂↑+2OH^-

工件发生氧化反应，反应方程式为：

M-ne^-→Mⁿ⁺

4OH^--4e^-→2H₂O+O₂↑

由于施加高电压，工具电极迅速被氢气气泡包围，两电极间的电阻迅速上升，从而产生大量焦耳热，进一步地在工具电极周围形成水蒸气气膜，阻断电流流通，产生的水蒸气气膜具备高电阻率，从而在工具电极侧边实现侧壁绝缘效果，当两电极间的电场强度达到10⁶V·cm^-1以上时形成等离子体击穿，形成的等离子体能够保持已加工工件光滑并促进电解加工效果。此外，由于工具电极连接的是负极，发生还原反应，因此工具电极不会发生材料化学溶解，同时由于工具电极周围形成的等离子体温度低于工具电极和工件材料的熔沸点，因此利用本发明实施例的加工方法对工具电极和工件的损伤较小。

图2是该加工装置在加工工件过程中电解加工电源施加电压后工具电极表面等离子体形成过程中的电压-电流波形示意图。参考图2，当施加电压时，电流瞬间达到最大值(约2～6A)，随后由于工具电极表面气膜的形成阻碍了电流流通，所以电流迅速下降，最后维持在100mA左右的稳定等离子体电流。

实施例2

本实施例提供一种采用实施例1中所提供的加工装置进行工件的加工，工件包括依次设置的非金属层和金属层，该加工方法包括以下步骤，其原理具体如图3所示：

初始阶段(第一步)：在非金属层和工具电极之间提供电解液，在本实施例中，具体而言，是将工具电极远离超声振动器的末端和工件浸泡在电解液中。

金属层连接电解加工电源的正极，工具电极连接电解加工电源的负极，在金属层和工具电极之间施加50V以上的直流电压。施加的高电压使工具电极迅速被电解产生的氢气气泡包围，工具电极和金属层间的电阻迅速上升，在工具电极周围形成水蒸气气膜，阻断电流流通，当两电极间的电场强度达到10⁶V·cm^-1以上时形成等离子体击穿，形成的等离子体能够保持已加工工件光滑并促进电解加工效果。

超声加工阶段(第二步)：使工具电极从非金属层远离金属层的一侧相对非金属层移动，并将超声波引导向非金属层。本实施例中，在超声振动器分别接有超声加工电源的正负极，超声加工电源发出脉冲电压使超声振动器形成激励，并带动绝缘套筒和工具电极沿工具电极向下移动的方向做约40kHz的高频振动，从而产生超声波并向非金属层扩散，电解液中的磨粒在超声波的作用下对非金属层进行超声加工。电解加工电压产生的表面等离子体在超声加工过程中能够促进溶液循环，促使超声加工产物排出加工区。另一方面，此时工件的金属层与工具电极之间的距离较大，并且中间被非金属层隔开，因此工件金属层基本没有发生材料去除，仅起到对电极的作用，用于构成电流回路。

电解加工阶段(第三步)：在工具电极超声加工一定时间，使得工件的非金属层被贯穿后，工件的金属层裸露出来，工具电极继续按照原有的方向移动。相比于超声加工阶段，此时电解液直接填充在工具电极末端和工件金属层之间，基于电解加工原理，工件金属层发生电化学溶解，形成材料去除。并且，由于工具电极表面具有等离子体，能促进电解产物排出加工区。并且，此时超声振动继续进行，超声能场的引入，既能进一步强化流场，促进排屑，又能活化工件表面，从而提高电解加工效率。

通过电解加工电源诱导产生等离子体时形成的剧烈气泡和连续的等离子体，以及超声振动形成的周期性变化的正负压力，大大改善了加工区的流场状况。具体的如图4所示，其中，(A)表示电解加工电压脉冲期间以及工具电极下压振动过程(如A中工具电极内的粗箭头所示的运动方向)，在此过程中，工具电极与工件之间的间隙缩小，并且气泡、等离子体膨胀，形成了向外挤压、膨胀的液体压力，能促进加工产物排出加工区(如A中工具电极外两侧的弯曲箭头所示的强化的流场)。(B)表示电解加工电压脉间期间以及工具电极上提振动过程(如B中工具电极内的粗箭头所示的运动方向)，工具电极与工件之间的间隙增大，并且气泡、等离子体扩散和消失，形成了向内收缩的液体压力，能促进电解液更新(如B中工具电极外两侧的弯曲箭头所示的强化的流场)，保证下个工作循环顺利进行。

在上述加工过程中，等离子体、超声、电解加工三种技术的复合作用下，能够实现对金属-非金属多层材料的精密加工。

在上述加工过程中，工具电极与负极连接，发生还原反应，因此工具电极不会发生材料的化学溶解。另外，由于工具电极周围形成的等离子体的温度低于材料的熔沸点，因此对工具电极和工件损伤较小。

在上述实施例中，电解液采用浸泡式供液，但对于其他供液方式，如喷液等同样属于可选的在非金属层和工具电极之间提供电解液的方式。

相比于现有技术，本申请实施例所提供的加工方法在加工孔时，无需采用另外的方法进行预孔的操作，工具电极能利用超声、电解及等离子体复合能场直接在工件表面上高效加工出微孔。另一方面，本申请实施例中在生成等离子体时，会形成剧烈的流场扰动，能迅速带动电解产物排出加工区，同时配合超声振动带来的流场强化效果，提升微小孔加工的加工效果。此外，超声能场的复合能够进一步强化流场，促进排屑，提高加工效率，因此综合加工性能更好。

上面结合实施例对本申请作了详细说明，但是本申请不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本申请宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

Claims (10)

1.工件的加工方法，其特征在于，所述工件包括依次设置的非金属层和金属层，所述加工方法包括以下步骤：

在所述非金属层和工具电极之间提供电解液；

所述金属层连接电解加工电源的正极，所述工具电极连接所述电解加工电源的负极，在所述金属层和所述工具电极之间施加直流电压，从而在所述工具电极上诱导出电解液等离子体，在所述工具电极的周围形成等离子体膜；

使所述工具电极从所述非金属层远离所述金属层的一侧相对所述非金属层移动，并将超声波引导向所述非金属层。

2.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于，所述工具电极还连接有超声振动单元，所述工具电极在所述超声振动单元的带动下振动产生所述超声波。

3.根据权利要求2所述的加工方法，其特征在于，所述工具电极的振动方向平行于所述工具电极的移动方向。

4.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于，当所述工具电极贯穿所述非金属层时，继续进行超声加工，形成超声电解并行加工。

5.根据权利要求1至4任一项所述的加工方法，其特征在于，所述电解加工电源选自恒压电源、恒流电源、脉冲直流电源中的任一种。

6.根据权利要求1至4任一项所述的加工方法，其特征在于，所述电解液内还设有磨粒。

7.权利要求1至6任一项所述的加工方法所采用的加工装置，其特征在于，包括：

工具电极；

电解加工电源，所述电解加工电源的正极用于与工件相连，所述电解加工电源的负极与所述工具电极相连；

超声振动单元，所述超声振动单元与所述工具电极连接，用于带动所述工具电极振动产生超声波；

电解单元，所述电解单元用于固定工件，并提供盛装电解液的容置空间。

8.根据权利要求7所述的加工装置，其特征在于，所述超声振动单元包括超声振动器和设置在所述超声振动器上的绝缘部件，所述绝缘部件与所述工具电极固定连接。

9.根据权利要求8所述的加工装置，其特征在于，所述绝缘部件为绝缘套筒，所述工具电极套设在所述绝缘套筒内。

10.根据权利要求7至9任一项所述的加工装置，其特征在于，所述加工装置还包括进给调节单元，所述进给调节单元连接所述工具电极，并用于调节所述工具电极的移动。

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