CN216126659U

CN216126659U - 一种微线齿轮微细电解加工平台

Info

Publication number: CN216126659U
Application number: CN202121372367.8U
Authority: CN
Inventors: 陈扬枝; 肖海飞; 曾昭呼; 肖小平
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2021-06-18
Filing date: 2021-06-18
Publication date: 2022-03-25
Anticipated expiration: 2031-06-18

Abstract

本实用新型公开了一种微线齿轮微细电解加工平台。该加工平台包括大理石基座、XY轴位移台、Z轴升降台、旋转主轴、主轴导电装置、电解加工槽、循环冲液系统、显微镜模块、控制系统、脉冲电源、加工过程监测系统。该平台的电极工具接脉冲电源负极，工件接脉冲电源正极，电解加工过程中，循环冲液系统将电解液输送在电极工具与工件的加工间隙中，旋转主轴带动电极工具高速旋转，用显微镜和加工过程监测系统进行对刀和观察加工情况，通过三个方向上的高精度位移实现加工。利用本微细电解加工平台进行加工，能够有效减少电解加工过程中的杂散腐蚀，可实现直槽、环槽、微线齿轮等微结构的微细电解加工，并且能够达到微米甚至亚微米级别加工精度。

Description

一种微线齿轮微细电解加工平台

技术领域

本实用新型涉及一种微线齿轮微细电解加工平台，属于电化学加工领域。

背景技术

微细电解加工是基于电化学反应使阳极工件发生溶解以加工微结构的一种加工方式。微细电解加工适用于任何导电材料的高精度加工，加工电极工具无损耗，被加工工件物理化学性能良好，加工精度高；可以加工特殊几何形状和复杂表面轮廓的零件，易于实现加工过程自动化和智能化控制。

线齿轮是根据空间共轭曲线啮合原理而设计的一类齿轮。线齿轮传动的本质是一对空间共轭曲线终始保持点接触状态的连续啮合过程，由于线齿的理论齿形是“线”，所以理论上线齿轮的尺度可以做到无限小，易于微小化和纳米化。

采用激光烧蚀加工的微线齿轮，存在热变形、表面重铸层及飞溅颗粒等缺陷，因此，需要设计一种能够加工出足够精度微线齿轮的微细电解加工平台。

实用新型内容

针对目前微线齿轮的高精密制造难题，本实用新型提供一种微线齿轮微细电解加工平台，能够通过控制电极工具与加工工件的三维移动，加工出高精密的空间曲线结构微三维形貌。

为了达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种微线齿轮微细电解加工平台，包括大理石基座、XY轴位移台、Z轴升降台、主轴Z字支撑架、旋转主轴、主轴导电装置、电解加工槽、循环冲液系统、电源和控制系统；所述XY轴位移台包括Y轴位移台和X轴位移台；所述大理石基座上设置有Y轴位移台、X轴位移台、Z轴升降台与循环冲液系统，所述XY轴位移台上设置有电解加工槽，工件固定在电解加工槽上，Z轴升降平台上设有旋转主轴；所述旋转主轴下方连接有电极工具；通过控制系统用于控制XY轴位移台和Z轴升降台，所述电源的正负极分别与工件和电极工具连接；所述旋转主轴通过主轴Z字支撑架和Z轴升降台相连；所述主轴导电装置和主轴Z字支撑架相连。

进一步地，所述XY轴位移台通过螺钉固定在大理石基座上；所述Z轴升降台和Z轴安装板连接，再和大理石基座固定。

进一步地，所述电源为脉冲电源；加工时，脉冲电源阴极连接电极工具，阳极连接加工工件，通过循环冲液系统将电解液以0.25m/s的速度输送在电极工具与加工工件的间隙中，阴极、阳极与离子溶液形成通路；

所述脉冲电源为高频窄脉宽脉冲电源，所述电极工具为柱状电极，尖端部分尺寸在10μm～100μm

进一步地，所述电解液为15g/L～30g/L的硝酸钠溶液或者0.1mol/L～0.3mol/L的稀硫酸溶液。

进一步地，所述循环冲液系统由电解液池、水泵和输送管道组成；加工过程中，电解液置于电解液池中，通过输水管道输送通过喷嘴喷入工间隙中，通过排水管道将电解加工槽内的电解液排回电解液池，形成电解液的循环使用。

进一步地，所述控制系统包括工控机、控制器、电机驱动器、限位传感器、控制面板；工控机编写控制程序下载至控制器；控制器下达位置指令到电机驱动器，从而驱动直流伺服电机运动使得位移台产生位移；限位传感器用于定位及限制行程范围，控制面板用于实时操控及信息反馈。

进一步地，XY轴位移台的最小分辨率为0.25μm，Z轴升降台的最小分辨率为0.091μm，能够实现三个方向的高精度位移进给。

进一步地，本实用新型还包括显微镜模块和加工过程监测系统；所述显微镜模块能够实时观察电极工具与工件的相对位置，用来对刀和观察加工情况；所述加工监测系统包括示波器和电流传感器，用于实时监测加工过程中的电压、电流变化。

进一步地，所述主轴导电装置是由石墨棒、金属管套、弹簧、螺钉和连接板组成，是将石墨棒安装在金属管套内，后端设有弹簧和螺钉，通过连接板和主轴装配体连接，装配时，需要设置弹簧预压缩量，保证石墨棒和电极工具时刻接触，将电源阴极连接主轴导电装置，从而保证电极工具和脉冲电源阴极的连通。

进一步地，所述旋转主轴由一步进电机结合一高精密旋转刀杆构成，刀杆头部夹持电极工具。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果体现在：

1.本微细电解加工平台能够实现微型结构特别是微线齿轮的加工，加工精度能够达到亚微米级。

2.采用精密位移台、显微镜模块、加工过程监测系统、微细电极工具，保证了加工精度。

3.采用循环冲液系统，高速主轴旋转加工，能够有效减少杂散腐蚀，提高加工精度。

附图说明

图1为微细电解加工平台的示意图。

图2为微细电解加工平台的模型装配图。

图3为石墨棒补偿结构示意图。

图4为微细电极工具示意图。

图5为微直槽电解加工路径示意图。

图6为半圆弧槽电解加工路径示意图。

图7为微锥线齿轮精加工路径图。

图中各个部件如下：

大理石基座1，Z轴升降台2，Y轴位移台3，X轴位移台4，电解加工槽5，主轴Z字支撑架6，工件7，电极工具8，旋转主轴9，喷嘴10，水泵11，脉冲电源12，加工监测系统13，显微镜模块14，控制器15、工控机16、Z轴安装板17、主轴导电装置18、螺钉19，金属管套20，连接板21，弹簧22，石墨棒23，柱状电极24。

具体实施方式

实施例1

微直槽的电解加工：

为了更加清楚的说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型的范围。

微型结构的加工需求日益增长，比如微型槽、微型孔、微三维结构、微线齿轮等，然而其加工困难，加工得到的表面精度也很低，针对这些问题，本实用新型提供一种微线齿轮微细电解加工平台，能够在一个平台上通过三维加工轨迹和不同的电极工具加工出不同形状的微结构。

微槽通常是指尺寸在10μm～500μm之间的沟槽结构，微槽结构作为微型结构的基本单元，具有增加散热面积、存储润滑剂、减少阻力等功能，多用于大热流密度器件散热或表面润滑，但其存在尺寸小，精度要求高，加工难度大等问题。针对这些问题，本实用新型提供一种微细电解加工微直槽的方法。

本实用新型的微细电解加工平台的示意图如图1所示，微细电解加工平台的模型装配图如图2所示，包括大理石基座1、X轴位移台4、Y轴位移台3、Z轴升降台2、主轴Z字支撑架6、旋转主轴9、电极工具8、电解加工槽5、工件7、循环冲液系统、显微镜模块14、控制系统、脉冲电源12；所述大理石基座1上设置有X轴位移台4、Y轴位移台3和Z轴安装板17，Z轴安装板17上固定有Z轴升降台2；所述XY轴位移台上设置有电解加工槽5，工件7固定在电解加工槽5上；Z轴升降平台3和主轴Z字支撑架6相连接，主轴Z字支撑架6和旋转主轴9固定；主轴导电装置18和主轴Z字支撑架6相连，其中主轴导电装置18包括螺钉19、金属管套20、连接板21、弹簧22、石墨棒23，石墨棒23安装在金属管套20内，后端设有弹簧22和螺钉19，通过连接板21和主轴Z字支撑架6连接，

装配时，需要设置一定的弹簧预压缩量，保证石墨棒和电极工具时刻接触，如图3所示；所述循环冲液系统包括电解液、水泵11、喷嘴10、传输管道，用来提供加工所需电解液，其中，电解液为稀硫酸溶液或者硝酸钠溶液。所述电极工具8加工部分尺寸在10μm～100μm范围内，电极工具为柱状，如图4所示。

在微细电解加工微直槽过程中需要进行对刀操作，以确定加工间隙以及初始加工点。微细电解加工中由于加工间隙非常小，并且加工间隙对加工的精度以及稳定性具有很大影响，因此在进行对刀操作时，必须保证足够的精度。对于YZ平面的对刀操作，本实用新型采用显微镜模块14即工业CCD以及九倍的放大镜头来实现，工业CCD相机结合九倍放大镜头，可实现400倍的放大倍数，在该放大倍数下，2um的距离可明确观测到，因此其可确保加工的间隙的精度在2um以内，满足间隙控制的精度要求。实际对刀操作时，优先小倍率放大下观测，通过控制YZ轴的移动，使其移动至加工位置附近，再逐步增大放大倍数，直到400倍放大倍数，在该放大倍数下最终实现电极工具的最终定位。对于X方向的对刀操作，采用示波器结合电流传感器实现X方向的对刀操作。该对刀方法以电流传感器检测到的电流变化来判断初始加工点，可分为干对刀以及湿对刀。干对刀是在无电解液的情况下进行对刀，在该情况下，电极通电之后，两电极接触之前，电流传感器是检测不到电流的，而两者接触之后，会产生电流突变，电流值急剧增加。湿对刀是在有电解液的情况下进行对刀，阴阳极接触瞬间会产生较大的电流变化。

微直槽电解加工路径如图5所示，采用扫描进给加工，加工过程需要设置合理的左右扫描间距、向下进给距离、电极工具移动速度等参数。并且为了减少杂散腐蚀，每扫描加工一次之后需要抬高阴极工具，并让其在电解液下冲刷15s，以排出电解产物。

电解加工时，脉冲电源12阴极连接电极工具8，阳极连接加工工件7，通过循环冲液系统将电解液以一定的速度和压力输送在电极工具8与工件7的间隙中，阴极、阳极与离子溶液形成通路，并且采用冲液的方式使加工间隙内的加工产物能够及时排出，电解液获得更新，保证加工质量。水泵11将电解液泵入电解加工槽5，再通过另一水泵将电解加工槽中的电解液排回电解液池，循环利用电解液，减少污染。X轴位移台4、Y轴位移台精度3和Z轴升降台2最小分辨率分别为0.25μm、0.25μm、0.091μm，能够实现三个方向的高精度位移进给。控制系统包括工控机16、控制器15、电机驱动器、限位传感器、控制面板等，工控机编写控制程序下载至控制器；控制器下达位置指令到电机驱动器，从而驱动直流伺服电机运动使得位移台产生位移；限位传感器用于定位及限制行程范围，控制面板用于实时操控及信息反馈。通过控制系统控制电极工具XYZ三个方向的移动实现电极工具8的加工路劲规划；同时，显微镜模块14能够实时观察电极工具与工件的相对位置，用来观察加工情况；加工监测系统13包括示波器和电流传感器，可实时监测加工过程中的电压、电流变化。所用电源为脉冲电源12，需要调节电压，频率，占空比。接通电源后，旋转主轴9带动电极工具8旋转，循环冲液系统启动，阴极工件7上有气泡冒出(H₂)，电解加工开始进行，根据提前设计好的加工路径进行微直槽结构的加工。

实施例2

微孔的电解加工：

微孔通常是指直径小于0.1mm的孔，微孔已经被广泛应用于航空航天、船舶、电路板、微型传感器、医疗器具等方面。本实用新型提供一种微细电解加工微孔的方法。

在微细电解加工微孔过程中需要进行对刀操作，以确定加工间隙。此时，只需要确定电极工具与XY平面的初始距离。本实用新型采用显微镜模块进行对刀操作，显微镜模块可实现400倍的放大倍数，在该放大倍数下，2um的距离可明确观测到，因此其可确保加工的间隙的精度在2um以内，满足间隙控制的精度要求。

微孔的微细电解加工过程中，其加工路径为电极工具在Z轴的向下进给。加工过程需要设置合理的旋转主轴旋转速度、向下进给速度等参数。并且为了减少杂散腐蚀，每加工一定距离之后需要抬高阴极工具，并让其在电解液下冲刷15s，以排出电解产物。

电解加工时，工控机编写控制程序下载至控制器，控制器下达位置指令到电机驱动器，从而驱动直流伺服电机运动使得位移台产生位移。同时，显微镜模块和加工监测系统对加工过程中的实时情况进行监控。需要调节脉冲电源的电压、频率、以及占空比。接通电源后，旋转主轴带动电极工具旋转，循环冲液系统启动，阴极工件上有气泡冒出(H₂)，电解加工开始进行，根据提前设计好的Z轴进给加工路径进行微孔的加工。

实施例3

平面曲线槽的电解加工：

圆弧槽、环槽、阿基米德螺线槽等都属于平面曲线槽，本实用新型提供一种微细电解加工微曲线槽的方法。

在微细电解加工平面曲线槽过程中需要进行对刀操作，以确定加工间隙以及初始加工点。对于YZ平面的对刀操作，本实用新型采用显微镜模块，可实现400倍的放大倍数，在该放大倍数下，2um的距离可明确观测到，因此其可确保加工的间隙的精度在2um以内，满足间隙控制的精度要求。实际对刀操作时，优先小倍率放大下观测，通过控制YZ轴的移动，使其移动至加工位置附近，再逐步增大放大倍数，直到400倍放大倍数，在该放大倍数下最终实现电极工具的最终定位。对于X方向的对刀操作，采用示波器结合电流传感器实现X方向的对刀操作。

平面曲线槽的微细电解加工过程中，采用进给加工，其加工主路径为电极工具在XY方向的平面曲线走刀，如图6为半圆弧槽的电解加工路径示意图。加工过程需要设置合理的旋转主轴旋转速度、向下进给距离、电极工具移动速度等参数。并且为了减少杂散腐蚀，每加工一次平面曲线之后需要抬高阴极工具，并让其在电解液下冲刷15s，以排出电解产物。

电解加工时，工控机编写控制程序下载至控制器，控制器下达位置指令到电机驱动器，从而驱动直流伺服电机运动使得位移台产生位移。同时，显微镜模块和加工监测系统对加工过程中的实时情况进行监控。需要调节脉冲电源的电压、频率、以及占空比。接通电源后，旋转主轴带动电极工具旋转，循环冲液系统启动，阴极工件上有气泡冒出(H₂)，电解加工开始进行，根据提前设计好的加工路径进行平面曲线槽的加工。

实施例4

微线齿轮的电解精加工：

线齿轮是根据空间共轭曲线啮合原理而设计的一类新型齿轮，具有无根切、传动比大等优点，可实现任意角度空间交错轴和任意角度平面交叉轴传动，而且适用于微小传动领域，如图7是一种微锥线齿轮。由于微线齿轮三维形貌复杂，直接电解加工效率低，可以先采用激光烧蚀快速加工出微线齿轮的基本形貌，再通过微电解的方式去除其表面重铸层及飞溅颗粒，提高其表面精度和表面性能。

本实用新型提供一种微细电解精加工微线齿轮的方法。

在微细电解精加工微线齿轮过程中需要进行对刀操作，以确定加工间隙以及初始加工点。对于YZ平面的对刀操作，本实用新型采用显微镜模块，可实现400倍的放大倍数，在该放大倍数下，2um的距离可明确观测到，因此其可确保加工的间隙的精度在2um以内，满足间隙控制的精度要求。实际对刀操作时，优先小倍率放大下观测，通过控制YZ轴的移动，使其移动至加工位置附近，再逐步增大放大倍数，直到400倍放大倍数，在该放大倍数下最终实现电极工具的最终定位。对于X方向的对刀操作，采用示波器结合电流传感器实现X方向的对刀操作。

微线齿轮的微细电解精加工过程中，是三维结构的加工，精加工走刀路径如图7所示，即和线齿轮齿廓保证一定的加工间隙，然后只需要保证齿廓的加工精度即可。精加工过程需要设置合理的旋转主轴旋转速度、电极工具移动速度等参数。并且为了减少杂散腐蚀，每加工一定时间之后需要抬高阴极工具，并让其在电解液下冲刷15s，以排出电解产物。

电解加工时，工控机编写控制程序下载至控制器，控制器下达位置指令到电机驱动器，从而驱动直流伺服电机运动使得位移台产生位移。同时，显微镜模块和加工监测系统对加工过程中的实时情况进行监控。需要调节脉冲电源的电压、频率、以及占空比。接通电源后，旋转主轴带动电极工具旋转，循环冲液系统启动，阴极工件上有气泡冒出(H₂)，电解加工开始进行，根据提前设计好的加工路径进行微线齿轮的电解精加工。

Claims

1.一种微线齿轮微细电解加工平台，其特征在于：包括大理石基座（1）、XY轴位移台、Z轴升降台（2）、主轴Z字支撑架（6）、旋转主轴（9）、主轴导电装置（18）、电解加工槽（5）、循环冲液系统、电源和控制系统；所述XY轴位移台包括Y轴位移台（3）和X轴位移台（4）；所述大理石基座（1）上设置有Y轴位移台（3）、X轴位移台（4）、Z轴升降台（2）与循环冲液系统，所述XY轴位移台上设置有电解加工槽（5），工件（7）固定在电解加工槽（5）上，Z轴升降台（2）上设有旋转主轴（9）；所述旋转主轴（9）下方连接有电极工具（8）；通过控制系统用于控制XY轴位移台和Z轴升降台（2），所述电源的正负极分别与工件（7）和电极工具（8）连接；所述旋转主轴通过主轴（9）通过主轴Z字支撑架（6）和Z轴升降台（2）相连；所述主轴导电装置（18）和主轴Z字支撑架（6）相连。

2.根据权利要求1所述微线齿轮微细电解加工平台，其特征在于：所述XY轴位移台通过螺钉固定在大理石基座（1）上；所述Z轴升降台（2）和Z轴安装板（17）连接，再和大理石基座（1）固定。

3.根据权利要求1所述微线齿轮微细电解加工平台，其特征在于：所述电源为脉冲电源（12）；加工时，脉冲电源阴极连接电极工具，阳极连接加工工件，通过循环冲液系统将电解液以0.25m/s的速度输送在电极工具与加工工件的间隙中，阴极、阳极与离子溶液形成通路；

所述脉冲电源为高频窄脉宽脉冲电源，所述电极工具（8）为柱状电极（24），尖端部分尺寸在10μm~100μm。

4.根据权利要求3所述微线齿轮微细电解加工平台，其特征在于：所述电解液为15g/L~30g/L的硝酸钠溶液或者0.1mol/L~0.3mol/L的稀硫酸溶液。

5.根据权利要求1所述微线齿轮微细电解加工平台，其特征在于：所述循环冲液系统由电解液池、水泵（11）和输送管道组成；加工过程中，电解液置于电解液池中，通过输水管道输送通过喷嘴（10）喷入工间隙中，通过排水管道将电解加工槽内的电解液排回电解液池，形成电解液的循环使用。

6.根据权利要求1所述微线齿轮微细电解加工平台，其特征在于：所述控制系统包括工控机（16）、控制器（15）、电机驱动器、限位传感器、控制面板；工控机（16）编写控制程序下载至控制器（15）；控制器（15）下达位置指令到电机驱动器，从而驱动直流伺服电机运动使得位移台产生位移；限位传感器用于定位及限制行程范围，控制面板用于实时操控及信息反馈。

7.根据权利要求1所述微线齿轮微细电解加工平台，其特征在于：XY轴位移台的最小分辨率为0.25μm，Z轴升降台的最小分辨率为0.091μm。

8.根据权利要求1所述微线齿轮微细电解加工平台，其特征在于：还包括显微镜模块（14）和加工过程监测系统（13）；所述显微镜模块（14）能够实时观察电极工具与工件的相对位置，用来对刀和观察加工情况；所述加工过程监测系统（13）包括示波器和电流传感器，用于实时监测加工过程中的电压、电流变化。

9.根据权利要求1所述微线齿轮微细电解加工平台，其特征在于：所述主轴导电装置（18）是由石墨棒（23）、金属管套（20）、弹簧（22）、螺钉（19）和连接板（21）组成，是将石墨棒（23）安装在金属管套内（20），后端设有弹簧（22）和螺钉（19），通过连接板（21）和主轴装配体连接，装配时，需要设置弹簧（22）预压缩量，保证石墨棒（23）和电极工具（8）时刻接触，将电源阴极连接主轴导电装置，从而保证电极工具和脉冲电源阴极的连通。

10.根据权利要求1所述微线齿轮微细电解加工平台，其特征在于：所述旋转主轴由一步进电机结合一高精密旋转刀杆构成，刀杆头部夹持电极工具。