旋转甩出微细液流传导激光与电化学微加工装置及方法

1.本发明涉及本发明涉及特种加工技术领域中复合加工领域，尤其涉及到一种旋转甩出微细液流传导激光与电化学微加工装置及方法。


背景技术：

2.微沟槽结构的微加工在航空航天航海等军工领域、汽车模具制备领域和微电子制造领域等其他重要领域的关键零件中是重要的加工步骤。微沟槽具有减阻减摩等仿生学上的优异性能，对于零件的摩擦性能和表面润滑性能有巨大的作用。
3.微沟槽传统的制备方法存在一些不可避免的弊端。例如，俄罗斯学者schneider使用压刻机坚硬压头在工件表面滚压，通过塑性变形获得沟槽结构，但是精度和表面形貌质量较低；德国学者ehrfekd采用包括x光深度同步辐射、电镀制模和注模复制的方法，适用范围广，但是生产效率低，加工设备费用高。
4.一些学者尝试采用特种加工的方法进行微沟槽结构的制备，比如激光加工、电火花加工和电解射流加工等，但单一的加工方式存在一定的局限性。比如，激光加工和电火花加工通过热量去除材料，在加工后的微沟槽表面通常会有重铸层、热影响区、微裂纹等加工缺陷，对零件的综合性能产生不利的影响。电化学加工后的表面虽然无重铸层、热影响区、微裂纹等加工缺陷，但随着微沟槽加工深度的增大，加工产物淤积在沟槽内难以排除，难以获得高质量的加工表面。此外，电化学精密加工的效率较低，容易产生杂散腐蚀，不能够满足高效高质量加工的需求。
5.如何在微沟槽结构的制备中解决加工产物淤积，去除加工残留，提高加工效率并保证加工质量，是在微沟槽高效高质量制备亟待解决的关键问题。


技术实现要素：

6.针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种转甩出微细液流传导激光与电化学微加工装置及方法，通过轮盘工具电极上的锥体甩出针尖状电解液流，传导激光束，以软体磨削尖端辅助加工，从而实现了背面微沟槽结构的精密微加工，提高了沟槽结构的加工效率和质量。
7.本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
8.旋转甩出微细液流传导激光与电化学微加工装置，包括轮盘工具电极和锥体；所述轮盘工具电极圆周方向上布置有数个锥体；所述轮盘工具电极接电源负极，金属工件接电源正极；轮盘工具电极带动锥体旋转，锥体末端甩出针尖状电解液流；轮盘工具电极、金属工件与针尖状电解液流之间形成导电回路。
9.上述方案中，所述锥体为中空结构，锥体侧壁包括外层多孔金属层、中间层海绵体层和内层遮光片。
10.上述方案中，还包括激光发生装置，激光发生装置发出激光束被内层遮光片反射后再经针尖状电解液流的全反射后辐照在金属工件上。
11.上述方案中，一个所述锥体末端设置有软体磨削尖端。
12.上述方案中，所述轮盘工具电极与锥体螺纹连接。
13.上述方案中，锥体末端与金属工件之间的间距为5～20mm。
14.上述方案中，所述轮盘工具电极下方位置设置有电解液槽，电解液槽内置有电解液，轮盘工具电极旋转的过程中会带动锥体浸入电解液。
15.上述方案中，所述电解液槽中的电解液从轮盘工具电极旋转正方向流出电解液槽，从旋转反方向流进电解液槽。
16.上述方案中，所述电解液槽与阀门、流量计、压力表和板框式过滤器依次由管道串联。
17.旋转甩出微细液流传导激光与电化学微加工装置的加工方法，包括如下步骤：
18.启动与轮盘工具电极相连的电机，轮盘工具电极开始旋转，调节轮盘工具电极的旋转速度，使轮盘工具电极甩出针尖状电解液流；
19.激光发生装置开始工作，调节激光光路、反射及透射镜和轮盘工具电极的位置直到激光束能够在针尖状电解液流中全反射后辐照在金属工件表面的加工区域；
20.调节激光功率至金属工件加工需要的数值，将金属工件与电源正极连接，轮盘工具电极通过电刷与电源负极连接，开始加工金属工件，加工过程中，轮盘工具电极带动锥体旋转运动，金属工件沿x轴方向移动进给；控制轮盘工具电极的旋转速度，控制单次加工的时间，获得不同脉冲间隔的脉冲式加工，软体磨削尖端对激光电化学复合加工后的金属工件槽表面进行进一步的磨削抛光得到微沟槽结构。
21.有益效果：
22.1.本发明装置中轮盘工具电极高速旋转，将锥体中海绵吸附的电解液甩出呈现极细针尖状电解液流，通过针尖状电解液流形成轮盘工具电极与正极金属工件之间的导电回路，实现电化学加工；激光束经过光路和聚焦透镜，通过甩出电解液的全反射光导到达工件表面，最终实现激光与电化学的复合加工，可提高微沟槽结构加工效率。
23.2.本发明中软体磨削尖端对激光电解复合加工后的表面进行进一步的柔性磨削抛光，去除掉加工产物淤积及去除加工残留，从而进一步提高了提高微沟槽结构的加工质量。
24.3.本发明中锥体中的海绵层旋转浸没在电解液槽中时，可以吸收电解液，弥补甩出的电解液损失，保证整个激光与电化学复合加工过程的平稳性。
25.4.本发明中轮盘工具电极高速旋转，工具锥体中高速甩出的电解液还对工件加工表面还具有流体冲刷作用，有助于加工出的微细沟槽内加工产物的快速排出。
26.5.本发明方法中通过控制轮盘工具电极的旋转速度，进而控制单个微沟槽结构的单次加工时间，从而获得不同尺寸的微沟槽结构。
附图说明
27.图1为本发明实施例涉及到的旋转甩出微细电解液流传导激光微加工沟槽装置的结构示意图；
28.图2为本发明中金属工件表面沟槽激光电化学复合加工工艺流程示意图；
29.图3为本发明中软体磨削尖端在激光电化学复合加工的后加工工艺流程示意图。
30.附图标记：
31.1-计算机；2-激光发生器；3-扩束镜；4-激光束；5-反射镜；6-轮盘工具电极；7-锥体；8-软体磨削尖端；9-金属工件；10-反射镜；11-聚焦透镜；12-遮光片；13-海绵体层；14-多孔金属层；15-极细针尖状电解液流；16-电解液槽；17-管道；18-阀门；19-流量计；20-压力表；21-快装活接；22-供液泵；23-压力表；24-滤芯；25-顶板；26-丝杆；27-横旦；28-手轮；29-板框式过滤器；30-加工残留。
具体实施方式
32.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。
33.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。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，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。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
34.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。
35.旋转甩出微细液流传导激光与电化学微加工装置，包括轮盘工具电极6和锥体7；所述轮盘工具电极6圆周方向上布置有数个锥体7；所述轮盘工具电极6接电源负极，金属工件9接电源正极；轮盘工具电极6带动锥体7旋转，锥体7末端甩出针尖状电解液流15；轮盘工具电极6、金属工件9与针尖状电解液流15之间形成导电回路。
36.具体的，所述锥体7为中空结构，锥体7侧壁包括外层多孔金属层14、中间层海绵体层13和内层遮光片12。
37.具体的，还包括激光发生装置，激光发生装置发出激光束被内层遮光片12反射后再经针尖状电解液流15的全反射后辐照在金属工件9上。
38.具体的，一个所述锥体7末端设置有软体磨削尖端8。
39.具体的，所述轮盘工具电极6与锥体7螺纹连接。
40.具体的，锥体7末端与金属工件9之间的间距为5～20mm。
41.具体的，所述轮盘工具电极6下方位置设置有电解液槽16，电解液槽16内置有电解液，轮盘工具电极6旋转的过程中会带动锥体7浸入电解液。
42.具体的，所述电解液槽16中的电解液从轮盘工具电极6旋转正方向流出电解液槽16，从旋转反方向流进电解液槽16。
43.具体的，所述电解液槽16与阀门18、流量计19、压力表20和板框式过滤器29依次由管道17串联。
44.旋转甩出微细液流传导激光与电化学微加工装置的加工方法，包括如下步骤：
45.启动与轮盘工具电极6相连的电机，轮盘工具电极6开始旋转，调节轮盘工具电极6的旋转速度，使轮盘工具电极6甩出针尖状电解液流15；
46.激光发生装置开始工作，调节激光光路、反射及透射镜和轮盘工具电极6的位置直到激光束能够在针尖状电解液流15中全反射后辐照在金属工件9表面的加工区域；
47.调节激光功率至金属工件9加工需要的数值，将金属工件9与电源正极连接，轮盘工具电极6通过电刷与电源负极连接，开始加工金属工件9，加工过程中，轮盘工具电极6带动锥体7旋转运动，金属工件9沿x轴方向移动进给；控制轮盘工具电极6的旋转速度，控制单次加工的时间，获得不同脉冲间隔的脉冲式加工，软体磨削尖端8对激光电化学复合加工后的金属工件9槽表面进行进一步的磨削抛光得到微沟槽结构。
48.实施例
49.结合附图1-3所示，旋转甩出微细液流传导激光与电化学微加工装置，包括电化学加工系统、激光加工系统和电解液循环过滤系统；
50.在电化学加工系统中，轮盘工具电极6通过电刷接电源负极，金属工件9接电源正极，轮盘工具电极6在电动机的作用下高速旋转，通过螺纹安装在轮盘工具电极6上的锥体7甩出极细针尖状电解液流15，通过极细针尖状电解液流15形成轮盘工具电极6与金属工件9之间的导电回路，实现电化学加工。
51.锥体7最外层为多孔金属层14，多孔金属层14的主要作用是作为电化学加工的工具阴极即电化学加工工具电极；中间海绵体层13的作用是吸收电解液。当安装在轮盘工具电极6尖端上锥体7的海绵体层13旋转浸没在电解液槽16中时中间海绵体层13吸收电解液，弥补甩出电解液的损失，保证整个加工过程的可持续性；内层为遮光片12，避免激光束4对锥体7产生损伤。锥体7与轮盘工具电极6之间为螺纹连接，锥体7可拆卸。在加工时，根据加工需求选择合适规格和合适数量的锥体7安装在轮盘工具电极6上，使整个装置具有更高的加工灵活性。
52.在轮盘工具电极6上，安装有一个软体磨削尖端8，对激光电解复合加工过后的金属工件9表面进行进一步的磨削抛光，去除加工残留30，提高被加工金属工件9的加工表面质量。
53.在激光加工系统中，激光发生器2射出激光束4，由扩束镜3扩束，沿图示-y轴方向到达反射镜5，反射镜5与zoy平面呈45
°
夹角，经过反射镜5反射的激光束4方向改变为-x轴方向；然后，激光束4沿-x轴方向射入位置在轮盘工具电极6中心的反射镜10，反射镜10与xoy平面呈45
°
夹角，反射镜10反射的激光束4方向改变为-z轴方向，激光束4沿-z轴方向到达聚焦透镜11，经过聚焦透镜11的透射到达锥体7。
54.锥体7末端与金属工件9之间的间距为5～20mm，在锥体6结构中，激光束4首先到达内层遮光片12，由于锥体6下宽上窄的结构，激光束4在锥体6中经过若干次反射后，到达锥体6出口处时压缩进入极细针尖状电解液流15，此处被甩出电解液呈现极细针尖圆柱状，激光束4通过在液流中的全反射光到达金属工件9表面，实现激光与电化学复合加工。
55.在电解液循环过滤系统中，电解液在22-供液泵的作用下实现循环流动。电解液经
过入口处阀门18，到达流量计19。流量计19用于测量管道17中流动电解液的流量，实现对电解液循环过滤速度的监测和控制。电解液从流量计19流向压力表20，压力表20测量和指示管道17内的压力大小，保证整个电解液循环过滤系统的安全运行。电解液流经流量计19和压力表20后，进入板框式过滤器29。板框式过滤器29是电解液过滤循环系统中起过滤作用的装置，电解液受到供液泵22的作用被吸入板框式过滤器29，经过管道到达滤芯24，经过滤芯24过滤流出，通过入口处阀门流回电解液槽16。板框式过滤器29采用多个快装活接头21，能够便捷拆卸替换，便于管道清理。板框式过滤器29的滤芯24一侧为电解液的出口和进口，进口处安装压力表23，保证滤芯24和板框式过滤器29管道内的安全压力，另一侧为顶板25，顶板压在滤芯24上。需要改变滤芯24数量和跟换滤芯24时，通过手轮28转动转化为丝杆26转动，松开顶板25，进行更替操作，横旦27安装在机架上。
56.旋转甩出微细液流传导激光与电化学微加工装置的加工方法，如下步骤：
57.在开始加工之前，首先通过数控系统调整金属工件9的位置将金属工件9调整到距离轮盘工具电极6较近的位置，启动电解液循环过滤系统，电解液开始循环过滤。启动与轮盘工具电极6相连的电动机，轮盘工具电极6开始旋转；
58.调节轮盘工具电极6的旋转速度，使轮盘工具电极6甩出的液流逐渐稳定并且呈现极细针尖状液流时，打开激光发生器并以较弱的功率调节激光光路、反射及透射镜、轮盘工具电极6以及金属工件9的位置，直到激光束能够稳定的传导、在针尖状电解液流15中全反射传到和照射到金属工件9表面的加工区域；
59.将激光发射器功率调至金属工件9加工数值，将金属工件9与电源正极连接，轮盘工具电极6通过电刷与电源负极连接，正式开始加工；
60.其中，在加工过程中，轮盘工具电极6仅仅做高速旋转运动，金属工件9沿x轴方向移动进给，通过控制轮盘工具电极6的旋转速度，控制单次加工的时间，获得不同脉冲间隔的脉冲式加工；软体磨削尖端8对激光电化学复合加工后的表面进行进一步的磨削抛光。电解液从金属工件表面离开时，带走加工产物和热量，电解液落回电解液槽16中，进入电解液循环过滤系统，经过过滤循环回到电解液槽16。调节板框式过滤器29的电极转速满足加工需要的循环过滤效率。
61.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。
62.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。

技术特征：
1.旋转甩出微细液流传导激光与电化学微加工装置，其特征在于，包括轮盘工具电极(6)和锥体(7)；所述轮盘工具电极(6)圆周方向上布置有数个锥体(7)；所述轮盘工具电极(6)接电源负极，金属工件(9)接电源正极；轮盘工具电极(6)带动锥体(7)旋转，锥体(7)末端甩出针尖状电解液流(15)；轮盘工具电极(6)、金属工件(9)与针尖状电解液流(15)之间形成导电回路。2.根据权利要求1所述的旋转甩出微细液流传导激光与电化学微加工装置，其特征在于，所述锥体(7)为中空结构，锥体(7)侧壁包括外层多孔金属层(14)、中间层海绵体层(13)和内层遮光片(12)。3.根据权利要求2所述的旋转甩出微细液流传导激光与电化学微加工装置，其特征在于，还包括激光发生装置，激光发生装置发出激光束被内层遮光片(12)反射后再经针尖状电解液流(15)的全反射后辐照在金属工件(9)上。4.根据权利要求1所述的旋转甩出微细液流传导激光与电化学微加工装置，其特征在于，一个所述锥体(7)末端设置有软体磨削尖端(8)。5.根据权利要求1所述的旋转甩出微细液流传导激光与电化学微加工装置，其特征在于，所述轮盘工具电极(6)与锥体(7)螺纹连接。6.根据权利要求1所述的旋转甩出微细液流传导激光与电化学微加工装置，其特征在于，锥体(7)末端与金属工件(9)之间的间距为5～20mm。7.根据权利要求1所述的旋转甩出微细液流传导激光与电化学微加工装置，其特征在于，所述轮盘工具电极(6)下方位置设置有电解液槽(16)，电解液槽(16)内置有电解液，轮盘工具电极(6)旋转的过程中会带动锥体(7)浸入电解液。8.根据权利要求7所述的旋转甩出微细液流传导激光与电化学微加工装置，其特征在于，所述电解液槽(16)中的电解液从轮盘工具电极(6)旋转正方向流出电解液槽(16)，从旋转反方向流进电解液槽(16)。9.根据权利要求7所述的旋转甩出微细液流传导激光与电化学微加工装置，其特征在于，所述电解液槽(16)与阀门(18)、流量计(19)、压力表(20)和板框式过滤器(29)依次由管道(17)串联。10.根据权利要求1-9任一项所述的旋转甩出微细液流传导激光与电化学微加工装置的加工方法，其特征在于，包括如下步骤：启动与轮盘工具电极(6)相连的电机，轮盘工具电极(6)开始旋转，调节轮盘工具电极(6)的旋转速度，使轮盘工具电极(6)甩出针尖状电解液流(15)；激光发生装置开始工作，调节激光光路、反射及透射镜和轮盘工具电极(6)的位置直到激光束能够在针尖状电解液流(15)中全反射后辐照在金属工件(9)表面的加工区域；调节激光功率至金属工件(9)加工需要的数值，将金属工件(9)与电源正极连接，轮盘工具电极(6)通过电刷与电源负极连接，开始加工金属工件(9)，加工过程中，轮盘工具电极(6)带动锥体(7)旋转运动，金属工件(9)沿x轴方向移动进给；控制轮盘工具电极(6)的旋转速度，控制单次加工的时间，获得不同脉冲间隔的脉冲式加工，软体磨削尖端(8)对激光电化学复合加工后的金属工件(9)槽表面进行进一步的磨削抛光得到微沟槽结构。

技术总结
本发明公开了旋转甩出微细液流传导激光与电化学微加工装置及方法，涉及特种加工领域中复合加工领域，接负极的轮盘工具电极高速旋转，将锥体中海绵吸附的电解液甩出呈现极细针尖状液流，通过极细针尖状液流形成工具与正极工件之间的导电回路，实现电化学微细加工；激光束经过光路和聚焦透镜，通过甩出电解液的全反射激光传导到达工件表面，实现激光与电化学的复合加工；软体磨削尖端对激光电解复合加工后的表面进行进一步的柔性磨削抛光，进一步提高加工表面质量；电解液过滤循环系统主要装置为板框式过滤器，对电解液槽中的溶液循环过滤。本发明通过周期性甩出的超微细液流实现了在工件表面加工出微细精密沟槽结构。在工件表面加工出微细精密沟槽结构。在工件表面加工出微细精密沟槽结构。


技术研发人员：刘洋 刘鑫宇 张朝阳 鲁金忠 罗开玉 朱浩 徐坤 吴予澄 卢海飞 王长雨
受保护的技术使用者：江苏大学
技术研发日：2023.04.19
技术公布日：2023/8/21