CN114204099A - 针对叠层复合材料的多能场一体化加工工具、方法及加工工具的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了针对叠层复合材料的多能场一体化加工工具、方法及加工工具的制备方法，涉及特种加工技术领域，通过多工艺流程制备高同轴度的复合工具电极，通过真空层的设计减少复合工具电极的损伤，通过激光光束在真空双层玻璃管中发生全反射到达加工区与射流电解的电化学作用相互融合进而实现金属和非金属叠层材料的一体化加工。当加工非金属部分时以激光热能去除材料；当加工到工件金属部分时以电化学作用为主、激光作用为辅去除材料；高速流动的电解液快速带走加工热量；加工过程中电解电路和激光光路始终处于接通状态，针对工件非金属和金属部分的加工过程不需要人为干预和控制。本发明对实现叠层复合材料的高效高质量一体化加工具有重要价值。
Description
技术领域
本发明涉及特种加工技术中复合加工领域，尤其涉及到叠层复合材料的多能场一体化加工工具与方法。
背景技术
为了提高材料的性能，使材料融合多种特殊功能，金属和非金属叠层复合材料应运而生。以陶瓷-金属叠层复合材料为代表的复合材料开始受到广泛关注。这些材料是按照一定的顺序将金属与非金属材料进行叠放后压制而成。这些叠层复合材料兼具了金属与非金属材料的优势特征，如高强度、高硬度、低密度和强大的抗冲击能力，在高端汽车、航空航天航海、高端电子设备等领域开始广泛应用。
虽然金属与非金属叠层复合材料具有众多优势并且应用前景广阔，但是实现这些材料的高效高质量加工十分的困难。采用传统的机械切削加工方式，容易导致刀具的严重磨损，并且在薄壁件加工时由于工件受到切削力的作用工件容易发生变形。采用激光加工或者电火花加工时，由于叠层复合材料中不同材料(金属和非金属)的热膨胀性能和导热性能的不同，非常容易出现分层现象，最终导致叠层复合材料失效。此外，由于金属和非金属叠层复合材料之间时多层材料的紧密贴合，所以针对不同材料进行多工位组合加工也难以实现。
如何实现金属和非金属叠层复合材料的高效高质量加工已经成为实现该种材料广泛应用的关键问题。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种叠层复合材料加工工具的制备方法，通过该方法制备出的加工工具，并利用该加工工具去加工叠层复合材料。本发明中通过多工艺制备出高同轴度的复合加工电极，复合加工电极中真空层的设计可减少复合工具电极的损伤，通过激光光束在真空双层玻璃管中发生全反射到达加工区与射流电解的电化学作用相互融合进而实现了金属和非金属叠层材料的一体化加工。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种叠层复合材料加工工具的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：在双层真空玻璃管外侧壁进行导电胶体薄膜涂敷，得到涂覆有导电胶体薄膜的双层真空玻璃管；
步骤二：将步骤一中得到的涂覆有导电胶体薄膜的双层真空玻璃管外侧壁进行电铸金属层；
步骤三：对步骤二得到的电铸金属层进行电化学抛光后通过电泳技术得到电泳绝缘层。
进一步的，步骤一中，将导电胶体通过摩擦挤压的方式涂覆到双层真空玻璃管的外侧壁上。
进一步的，步骤一中，将双层真空玻璃管套在一个回转主轴上，导电胶体套在另外一个主轴上，通过滑动平台的精密移动，保证双层真空玻璃管外侧壁与导电胶体之间有接触；两主轴相互转动的过程中，导电胶体在双层真空玻璃管侧壁形成导电胶体薄膜。
进一步的，步骤二中，将涂覆有导电胶体薄膜的双层真空玻璃管放置于电铸溶液中，在电机的驱动下促使双层真空玻璃管在溶液中低速回转；通过导电滑环将双层真空玻璃管的导电胶体薄膜接通电源的负极，辅助电极接通电源的正极，在磁力搅拌机中对双层真空玻璃管的外侧壁进行电铸加工得到电铸金属层。
进一步的，步骤三中，经过电铸加工的双层真空玻璃管放置于电抛光溶液中，将导电滑环接通电源的正极，辅助电极接通电源的负极，进行电化学抛光后通过电泳技术对抛光后的表面进行电泳绝缘处理，得到电泳绝缘层。
叠层复合材料加工工具的制备方法得到的工具，内层为双层真空玻璃管，中间层为电铸金属层和外层为电泳绝缘层；其中，双层真空玻璃管是由内层玻璃、外层玻璃和真空层组成。
加工叠层复合材料的方法，首先接通电解液，以一定速度流动的电解液通过双层真空玻璃管的内层玻璃的内流道冲击到叠层复合材料的加工表面；待以一定速度流动的电解液流体流动稳定时，同时打开激光器和电化学电源；此时，激光光束以一定的角度入射到双层中空玻璃管的内腔中，穿过以一定速度流动的电解液到达内层玻璃壁面时，由于内层玻璃的折射率低于电解液的折射率，因此激光光束发生全反射；激光光束经过若干次全反射以后到达工件待加工表面，对加工表面产生热效应；于此同时，以电解液导电介质，电铸金属层与叠层复合材料待加工表面之间进行如下反应：
当加工至叠层复合材料的非金属层时，电化学反应无法形成导电回路，此时不发生电化学反应，以激光热效应去除材料，高速流动的电解液快速冲刷加工表面带走热量；
当加工至叠层复合材料的金属层时，会形成导电回路，电化学作用与激光热效应同时作用于工件表面，共同去除材料；
当加工的叠层复合材料的金属层与非金属层之间界限模糊或两层相互掺杂时，电化学作用与激光热效应亦同时起作用。
进一步的，电解液的流动速度不小于20m/s。
进一步的，所述双层真空玻璃为石英玻璃。
进一步的，所述电解液为高浓度中性盐溶液，浓度质量分数为10％～20％。
有益效果：
1.通过导电胶体涂敷、精密电铸、精密电解抛光以及电泳绝缘四个工艺过程实现真空双层玻璃管电极、电铸金属层和电泳绝缘层三层的精密同轴即高同轴度，从而可以保证微孔的加工精度。这是通过多层管电极层层嵌套的传统加工工具制备方法所无法实现的，多层管电极之间无法实现精密同轴，在加工过程中会出现严重的偏差。
2.真空双层玻璃管电极的真空层的隔光作用可以有效保护复合工具电极不受激光光束的损伤，进而提高了复合工具电极的加工精度和使用寿命。
3.通过采用精密电铸金属层的方法可以保证加工工具的加工端部有足够的厚度以保证电解电场的强度，进而保证了电化学加工效率。
4.本发明的加工方法是通过全反射激光束的热效应、高速高压电化学射流的电化学作用以及流体冲击作用共同实现叠层复合材料的无差别高效高质量去除，加工中途不需要更换工具电极，不需要重复定位或其他辅助工艺，不需要识别工件被加工部位材料导电与否的固有特征属性，因而提高了加工效率和扩大了对要加工材料的适应性。
5.本发明复合材料的加工方法用途广泛，不仅可以用于叠层复合材料，还可以用于其他各种复合材料、带不导电涂层的金属材料，如航空发动机叶片等、带陶瓷型芯的金属零件，如带陶瓷型芯涡轮叶片等。
6.激光光束在真空双层玻璃管中发生全反射到达加工区与射流电解的电化学作用相互融合进而实现金属和非金属叠层材料的一体化加工。当加工非金属部分时以激光热能去除材料；当加工到工件金属部分时以电化学作用为主(激光作用为辅)去除材料；高速流动的电解液快速带走加工热量；加工过程中电解电路和激光光路始终处于接通状态，针对工件非金属和金属部分的加工过程不需要人为干预和控制。本发明技术对实现叠层复合材料的高效高质量一体化加工具有重要价值。
附图说明
图1为本发明实施例涉及到的叠层复合材料加工工具制备方法中涂覆导电胶体示意图；
图2为本发明实施例涉及到的叠层复合材料加工工具制备方法中电铸金属层示意图；
图3为本发明实施例涉及到的叠层复合材料加工工具制备方法中电泳绝缘层示意图；
图4为本发明实施例涉及到的多能场加工复合材料的示意图；
图5为传统多层嵌套管电极多能场加工复合材料的示意图；
图6为图5在A-A方向上的剖视图。
附图标记：
1.非金属层；2.金属层；3.内层玻璃；4.真空层；5.外层玻璃；6.电铸金属层；7.电泳绝缘层；8.聚焦透镜；9.激光光束；10.电解液；11.双层真空玻璃管；12.底座；13.滑动平台； 14.导电胶体；15.电机；16.导电滑环；17.辅助电极；18.电铸溶液；19.转子；20.磁力搅拌机；21.电源；22.加热棒；23.电抛光溶液；24.玻璃管；25.绝缘胶体；26.金属管；27. 工件。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
针对叠层复合材料的多能场一体化加工工具，加工工具包括真空双层玻璃管1、电铸金属层6和电泳绝缘层7三层紧密结合而成，且相互之间没有明显间隙，结合牢固，可以抵抗高速高压电解液流体的冲刷，保证在加工过程中即使受到流体冲刷、热效应也不会脱落。
加工工具是通过导电胶体涂敷、精密电铸、精密电解抛光以及电泳绝缘四个工艺过程制备而成。通过以上四个过程可以实现真空双层玻璃管1、电铸金属层6和电泳绝缘层7三层的精密同轴，保证微孔的加工精度。这是通过多层管电极层层嵌套的传统加工工具制备方法所无法实现的，多层管电极之间无法实现精密同轴，在加工过程中会出现严重的偏差。
真空双层玻璃管的材质为石英玻璃，其激光折射率低于高浓度中性盐溶液的折射率，激光束以一定的夹角从高浓度中性盐溶液中入射到真空双层玻璃管电极的侧壁时会发生全反射。这可以保证激光光束的有效传导。
真空双层玻璃管作为电极使用，真空双层玻璃管的真空层具有足够的厚度，可以保证激光以一定的夹角从石英玻璃介质入射到真空层时发生全反射。通过真空层的隔光作用可以有效保护加工工具不受激光光束的损伤。
电铸金属层的厚度需要根据电解加工过程中所需电流的大小数值确定，保证电铸层金属的截面积能承载足够大的电流。根据常识可知金属导体的截面积和导体材质决定了其能承载电流的最大数值，因此电铸金属层时需要事前计算好加工电流的数值，进而保证电铸的金属层有足够的厚度可以传导足够大的电流。
电铸金属层必须在真空双层玻璃管电极的加工端部有足够的厚度以保证电解电场的强度。在双层真空管电极电解射流加工中加工电场主要来源于加工工具端部的电场，因此需要保证加工工具端部具有足够的金属层以提高较高的电场强度，进而保证电化学加工效率。
导电胶体涂敷中胶体的涂敷需通过专用装置保证胶体涂敷的均匀性，所使用的导电胶体需具有足够的粘性和强度，保证精密电铸的金属层与真空双层玻璃管电极之间有足够的结合力。在加工深孔的加工过程中高速流动的电解液对工具电极的侧面有强烈的冲刷作用，因此需要保证电解侧壁的电铸金属层和电泳绝缘层具有足够的结合强度可以抵御电解液的高速冲刷。
叠层复合材料加工方法是通过全反射激光束的热效应、高速高压电化学射流的电化学作用以及流体冲击作用共同实现叠层复合材料的无差别高效高质量去除，叠层复合材料中金属与非金属部分的材料去除均采用该加工方法，加工中途不需要更换工具电极，不需要重复定位或其他辅助工艺，不需要识别工件被加工部位材料导电与否的固有特征属性。高浓度中性盐溶液通过加工工具内腔高速冲刷工件待加工表面的同时，开通激光器和电化学电源，在加工区表面激光热能场、电化学能量场和流体冲击应力场等多能场共同作用去除材料。
当加工至叠层复合材料的非金属层时电化学反应无法形成导电回路，此时不发生电化学反应，以激光热效应去除材料，高速流动的电解液快速冲刷加工表面带走热量。当加工至叠层复合材料的金属层时，会形成导电回路，电化学作用与激光热效应同时作用于工件表面，共同去除材料。当加工的叠层复合材料的金属层与金属层之间界限模糊或两层相互掺杂时，电化学作用与激光热效应亦同时起作用。
工具电极内腔高速流动的电解液为高浓度中性盐溶液，常用的NaCl溶液或NaNO3溶液，其浓度的质量分数为10％至20％。
电解液的流速很高，超过20m/s，可以快速带走加工产物，避免加工产物污染电解液，进而降低电化学反应速度，同时也避免加工产物对激光光束的传导带来负面作用。
加工过程中工具电极周期性间歇式的以变化的转速转动，从而达到波浪式扰动加工区流体的作用，有利于去除黏附加工区表面的产物。
本发明加工方法不仅可以用于叠层复合材料，还可以用于其他各种复合材料、带不导电涂层的金属材料(如航空发动机叶片等)、带陶瓷型芯的金属零件(如带陶瓷型芯涡轮叶片等)。
加工方法中激光束必须以一定角度入射到加工工具的内腔，通过电解液的传导在真空双层玻璃管电极的侧壁实现全反射，经过多次全反射到达加工区域。
本发明中对叠层复合材料的加工可用于微孔、微槽的加工，其所需的激光加工能量较小，兼顾到加工效率，其激光器优选波长为532nm的绿波激光，该波长的激光能量在水基电解液中被吸收的能量最少。
结合附图1-3所示，首先是在双层真空玻璃管11外侧壁进行导电胶体14薄膜涂敷的过程，如图2所示。双层真空玻璃管11套在一个回转主轴上，导电胶体14套在另外一个主轴上，通过滑动平台13的精密移动，保证双层真空玻璃管11外侧壁与导电胶体14之间有良好的接触。两主轴相互转动的过程中，导电胶体14在双层真空玻璃管11侧壁形成一层薄薄的导电胶体薄膜。
然后是在双层真空玻璃管11外侧进行精密电铸金属层6的过程。将带有导电胶体薄膜的双层真空玻璃管11放置于电铸溶液18中，在电机的驱动下促使双层真空玻璃管11在溶液中低速回转。通过导电滑环16将双层真空玻璃管11的导电胶体薄膜接通电源21的负极，辅助电极17接通电源21的正极，在磁力搅拌机20中对双层真空玻璃管11的外侧壁进行精密电铸加工，转子19高速转动加快电铸溶液18的内部流动，加热棒22可以将电铸溶液的温度控制在一定的范围之内，如图3所示。
最后是通过电化学抛光将精密电铸金属层6表面抛光的工艺过程。将经过精密电铸加工的双层真空玻璃管11放置于电抛光溶液23中，将导电滑环16接通电源21的正极，辅助电极17接通电源21的负极，开始进行电抛光加工，对电铸加工的表面进行抛光。
经过以上三道工序，完成双层真空玻璃管11外侧壁精密金属层的制备。
结合附图4所示，在开始加工之前，首先接通电解液，高速流动的电解液通过双层真空玻璃管11的内层玻璃3的内流道冲击到加工表面。待高速流动的电解液10流体流动稳定时，同时打开激光器和电化学电源。此时，激光光束9以一定的角度入射到双层中空玻璃管11的内腔中，穿过高速流动的电解液10，到达内层玻璃3壁面时，由于玻璃的折射率低于电解液 10高浓度中性盐溶液的折射率，因此激光光束9发生全反射。激光光束9经过若干次全反射以后到达工件待加工表面，对加工表面产生热效应。于此同时，以电解液10导电介质，电铸金属层6与叠层复合材料待加工表面之间形成电解回路，开始发生电化学反应。高速流动的电解液10流体带走激光与电化学加工所产生的产物和热量。叠层复合材料中的非金属层1和金属层2的加工均采用同样的工艺方法，加工过程中无需识别加工区是否具有导电特性、无需重复定位、无需辅助工艺，加工过程不受材料硬度等固有特性的影响，也不需要人为干预。
结合附图5和6所示，从图中可以看出，当激光光束9入射到玻璃管24内侧壁时，由于激光光束9的漫反射和折射，部分激光光束9会穿过玻璃管24侧壁，进而到达金属管26侧壁，对金属管24与玻璃管26之间的区域产生严重损伤点P，比利时鲁汶大学对此损伤过程在机械领域顶级期刊中做过详细报道。此外，通过层层嵌套管电极的方式难以实现多层管电极之间的精密同轴。由于人工操作的误差以及绝缘胶体的弹性和流动性等因素，最终多层嵌套而成的复合电极的横截面为图6中所示的样式，即玻璃管24与金属管26无法精密同轴。这将导致精密微孔加工过程中孔形精度的降低。此外，由于复合电极制作过程误差较大，多个不同的复合电极加工出的微孔的也各有不同，加工工艺的稳定性也难以保证。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“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发明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。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种叠层复合材料加工工具的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：在双层真空玻璃管(11)外侧壁进行导电胶体(14)薄膜涂敷，得到涂覆有导电胶体薄膜的双层真空玻璃管(11)；
步骤二：将步骤一中得到的涂覆有导电胶体薄膜的双层真空玻璃管(11)外侧壁进行电铸金属层(6)；
步骤三：对步骤二得到的电铸金属层(6)进行电化学抛光后通过电泳技术得到电泳绝缘层(7)。
2.根据权利要1所述的叠层复合材料加工工具的制备方法，其特征在于，步骤一中，将导电胶体(14)通过摩擦挤压的方式涂覆到双层真空玻璃管(11)的外侧壁上。
3.根据权利要2所述的叠层复合材料加工工具的制备方法，其特征在于，步骤一中，将双层真空玻璃管(11)套在一个回转主轴上，导电胶体(14)套在另外一个主轴上，通过滑动平台(13)的精密移动，保证双层真空玻璃管(11)外侧壁与导电胶体(14)之间有接触；两主轴相互转动的过程中，导电胶体(14)在双层真空玻璃管(11)侧壁形成导电胶体薄膜。
4.根据权利要1所述的叠层复合材料加工工具的制备方法，其特征在于，步骤二中，将涂覆有导电胶体薄膜的双层真空玻璃管(11)放置于电铸溶液(18)中，在电机的驱动下促使双层真空玻璃管(11)在溶液中低速回转；通过导电滑环(16)将双层真空玻璃管(11)的导电胶体薄膜接通电源(21)的负极，辅助电极(17)接通电源(21)的正极，在磁力搅拌机(20)中对双层真空玻璃管(11)的外侧壁进行电铸加工得到电铸金属层(6)。
5.根据权利要1所述的叠层复合材料加工工具的制备方法，其特征在于，步骤三中，经过电铸加工的双层真空玻璃管(11)放置于电抛光溶液(23)中，将导电滑环(16)接通电源(21)的正极，辅助电极(17)接通电源(21)的负极，进行电化学抛光后通过电泳技术对抛光后的表面进行电泳绝缘处理，得到电泳绝缘层(7)。
6.根据权利要1至5任一项所述的叠层复合材料加工工具的制备方法得到的工具，其特征在于，内层为双层真空玻璃管(11)，中间层为电铸金属层(6)和外层为电泳绝缘层(7)；其中，双层真空玻璃管(11)由内层玻璃(3)、外层玻璃(5)和真空层(4)组成。
7.根据权利要求6所述的工具加工叠层复合材料的方法，其特征在于，首先接通电解液(10)，以一定速度流动的电解液(10)通过双层真空玻璃管(11)的内层玻璃(3)的内流道冲击到叠层复合材料的加工表面；待电解液(10)流体流动稳定时，同时打开激光器和电化学电源；此时，激光光束(9)以一定的角度入射到双层中空玻璃管(11)的内腔中，穿过以一定速度流动的电解液(10)到达内层玻璃(3)壁面时，由于内层玻璃(3)的折射率低于电解液(10)的折射率，因此激光光束(9)发生全反射；激光光束(9)经过若干次全反射以后到达工件待加工表面，对加工表面产生热效应；于此同时，以电解液(10)为导电介质，电铸金属层(6)与叠层复合材料待加工表面之间进行如下反应：
当加工至叠层复合材料的非金属层(1)时，电化学反应无法形成导电回路，此时不发生电化学反应，以激光热效应去除材料，高速流动的电解液(10)快速冲刷加工表面带走热量；
当加工至叠层复合材料的金属层(2)时，会形成导电回路，电化学作用与激光热效应同时作用于工件表面，共同去除材料；
当加工的叠层复合材料的金属层(2)与非金属层(1)之间界限模糊或两层相互掺杂时，电化学作用与激光热效应亦同时起作用。
8.根据权利要求7所述的加工叠层材料的方法，其特征在于，所述电解液(10)的流动速度不小于20m/s。
9.根据权利要求7所述的加工叠层材料的方法，其特征在于，所述双层真空玻璃(11)为石英玻璃。
10.根据权利要求7所述的加工叠层材料的方法，其特征在于，所述电解液(10)为高浓度中性盐溶液，浓度质量分数为10％～20％。
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| CN115007958B (zh) * | 2022-07-26 | 2023-04-18 | 河南理工大学 | 一种液导激光-电解复合加工工具电极系统及铣削方法 |
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