專利名稱：水電極大氣等離子體加工回轉(zhuǎn)零件方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于等離子體加工碳化硅或融石英等硅基材料回轉(zhuǎn)類零件的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，硅基材料，如碳化硅、融石英等，由于其硬度高、脆性大、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點，在航空航天、軍事、能源、芯片制造的高精度零件廣泛應(yīng)用。而在硅基材料零件中回轉(zhuǎn)類零件占有極大的比例，如半球陀螺諧振子、大曲率非球面光學(xué)透鏡、聚光非球面透鏡等。但是由于硅基材料的難加工性，傳統(tǒng)的依靠機(jī)械應(yīng)力去除材料的方法，如超精密磨削、小工具研拋，存在加工周期長、加工表面及亞表面存在損傷等問題，無法滿足零件需具有超光滑表面的要求。近年來，新提出的大氣等離子體加工方式，由于屬于非接觸式化學(xué)加工，可在很大程度解決上述問題。但是目前的大氣等離子體加工，多采用固定形狀尺寸的固體電極，難以保證與工件外表面緊密的 貼合，這就會導(dǎo)致不同區(qū)域上間隙不同，引起放電不穩(wěn)定，從而影響加工質(zhì)量；另外，由于大氣等離子體加工屬于化學(xué)反應(yīng)，在加工時會釋放大量的熱，弓丨起工件的熱變形，這些問題都一定程度上限制了大氣等離子體加工的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種水電極大氣等離子體加工回轉(zhuǎn)零件方法，為了解決當(dāng)前加工效率低、放電不均勻、工件熱變形等問題。所述的目的是通過以下方案實現(xiàn)的:所述的一種水電極大氣等離子體加工回轉(zhuǎn)零件方法，它的步驟方法是:
步驟一:將旋轉(zhuǎn)成形電極的上端面絕緣連接在升降裝置的豎直運(yùn)動工作轉(zhuǎn)軸上；旋轉(zhuǎn)成形電極為圓形外凸形，旋轉(zhuǎn)成形電極的工作面直徑尺寸比待加工零件的內(nèi)表面直徑尺寸小5_-15_ ;旋轉(zhuǎn)成形電極的中心開有出氣孔，出氣孔通過氣管與混合等離子體氣源導(dǎo)氣連通；使旋轉(zhuǎn)成形電極與射頻電源的輸出端連接作為大氣等離子體放電的陽極；
步驟二:將待加工零件裝卡在水槽中，并將待加工零件的外表面浸入水槽中的電解質(zhì)水溶液內(nèi)，電解質(zhì)水溶液通過水槽接地作為大氣等離子體放電的陰極；
步驟三:使旋轉(zhuǎn)成形電極靠近待加工零件的待加工表面，并使它們之間保持一定的放電間隙，放電距離范圍為5mm-15mm ；
步驟四:預(yù)熱射頻電源和混合等離子體氣源，預(yù)熱時間為5-10分鐘；然后打開混合等離子體氣源，使等離子體氣體的流量為I升/分鐘 40升/分鐘，反應(yīng)氣體與等離子體氣體的流量比為1:l(Tl:50 ;輔助氣體與反應(yīng)氣體的流量比為1:l(Tl:1 ；
步驟五:當(dāng)旋轉(zhuǎn)成形電極和待加工零件的待加工表面之間的區(qū)域內(nèi)充滿等離子體氣體、反應(yīng)氣體與輔助氣體的混合氣體后，啟動升降裝置的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，使旋轉(zhuǎn)成形電極做回轉(zhuǎn)運(yùn)動，啟動射頻電源，逐步增加射頻電源的功率，使功率達(dá)到100W-400W，同時控制射頻電源的反射功率為零，在射頻電源工作的過程中持續(xù)穩(wěn)定的通入混合氣體，使旋轉(zhuǎn)成形電極和待加工零件的待加工表面之間的放電區(qū)域產(chǎn)生穩(wěn)定的等離子體放電；步驟六:根據(jù)去除量的要求，控制旋轉(zhuǎn)成形電極的運(yùn)動軌跡和在零件表面的駐留時間，用上述產(chǎn)生的大氣等離子體對零件表面進(jìn)行加工；
步驟七:待加工完成后，關(guān)閉射頻電源的電源，關(guān)閉混合等離子體氣源，取出待加工零件，對加工去除深度進(jìn)行測量，以判斷是否達(dá)到加工要求。本發(fā)明專利的技術(shù)優(yōu)勢:
1、水電極的應(yīng)用，使得電極可以與工件表面貼合，使得放電均勻，從而提高了加工效率，保證了加工精度，水電極，采用可導(dǎo)電的電解質(zhì)水溶液，由于水溶液的可流動性，其可自發(fā)的貼合在任意形狀的固體表面，形成與工件表面面形完全相同的電極，因此保證了放電距離的均勻性，進(jìn)而保證了加工的均勻性；
2、由于水良好的導(dǎo)熱性，有效控制了大氣等離子體加工過程中的反應(yīng)熱效應(yīng)，大大降低了工件的熱變形；
3、本發(fā)明專利的加工方法本質(zhì)上屬于非接觸式加工，沒有機(jī)械加工接觸應(yīng)力，不會對工件表面及亞表面造成損傷，可滿足零件設(shè)計要求。


圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意 圖2是圖1中旋轉(zhuǎn)成形電極I與待加工零件4之間的位置關(guān)系結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式具體實施方式
一:結(jié)合圖1、圖2所示，它的步驟方法是:
步驟一:將旋轉(zhuǎn)成形電極I的上端面絕緣連接在升降裝置2的豎直運(yùn)動工作轉(zhuǎn)軸2-1上；旋轉(zhuǎn)成形電極I為圓形外凸形，旋轉(zhuǎn)成形電極I的工作面直徑尺寸比待加工零件4的內(nèi)表面直徑尺寸小5mm-15mm ;旋轉(zhuǎn)成形電極I的中心開有出氣孔1_1，出氣孔1_1通過氣管5-1與混合等離子體氣源5導(dǎo)氣連通；使旋轉(zhuǎn)成形電極I與射頻電源3的輸出端連接作為大氣等離子體放電的陽極；
步驟二:將待加工零件4裝卡在水槽2-2中，并將待加工零件4的外表面浸入水槽2-2中的電解質(zhì)水溶液內(nèi)，電解質(zhì)水溶液通過水槽2-2接地作為大氣等離子體放電的陰極；步驟三:使旋轉(zhuǎn)成形電極I靠近待加工零件4的待加工表面，并使它們之間保持一定的放電間隙，放電距離范圍為5mm-15mm ；
步驟四:預(yù)熱射頻電源3和混合等離子體氣源5，預(yù)熱時間為5-10分鐘；然后打開混合等離子體氣源5，使等離子體氣體的流量為I升/分鐘 40升/分鐘，反應(yīng)氣體與等離子體氣體的流量比為1:l(Tl:50 ;輔助氣體與反應(yīng)氣體的流量比為1:l(Tl:1 ；
步驟五:當(dāng)旋轉(zhuǎn)成形電極I和待加工零件4的待加工表面之間的區(qū)域內(nèi)充滿等離子體氣體、反應(yīng)氣體與輔助氣體的混合氣體后，啟動升降裝置2的轉(zhuǎn)軸2-1轉(zhuǎn)動，使旋轉(zhuǎn)成形電極I做回轉(zhuǎn)運(yùn)動，啟動射頻電源3，逐步增加射頻電源3的功率，使功率達(dá)到100W-400W，同時控制射頻電源3的反射功率為零，在射頻電源3工作的過程中持續(xù)穩(wěn)定的通入混合氣體，使旋轉(zhuǎn)成形電極I和待加工零件4的待加工表面之間的放電區(qū)域產(chǎn)生穩(wěn)定的等離子體放電；
步驟六:根據(jù)去除量的要求，控制旋轉(zhuǎn)成形電極I的運(yùn)動軌跡和在零件表面的駐留時間，用上述產(chǎn)生的大氣等離子體對零件表面進(jìn)行加工；
步驟七:待加工完成后，關(guān)閉射頻電源3的電源，關(guān)閉混合等離子體氣源5，取出待加工零件4，對加工去除深度進(jìn)行測量，以判斷是否達(dá)到加工要求。所述轉(zhuǎn)成形電極I的材質(zhì)為鋁、銅、鐵。所述水槽2-2中的電解質(zhì)水溶液2-3可通過外部液體循環(huán)裝置進(jìn)行降溫冷卻。所述射頻電源3的頻率為13.56MHz，最大功率為2KW。所述混合等離子體氣源3為三元氣體混合系統(tǒng)，供氣流量為20-100L/min。所述混合等離子體氣源5中的大氣等離子體激發(fā)氣體可以為氦氣、氬氣等惰性氣體；反應(yīng)氣體可以為六氟化硫、四氟化碳、三氟化氮等；輔助氣體可以為氧氣、氫氣、氮氣
坐寸ο所述待加工零件4的材質(zhì)為碳化硅或融石英等硅基材料。工作原理:由射頻電源3輸出端連接轉(zhuǎn)成形電極I作為大氣等離子體放電的陽極，電解質(zhì)水溶液2-3通過水槽2-2接地作為大氣等離子體放電的陰極，待加工零件4外表面與電解質(zhì)水溶液2-3電極充分接觸，由混合等離子體氣源5提供激發(fā)產(chǎn)生等離子體的氣體充滿等離子體成形電極和零件之間的間隙，由射頻電源3提供輸出電能，在轉(zhuǎn)成形電極I和待加工零件4的放電間隙產(chǎn)生等離子體，同時反應(yīng)氣體被激發(fā)，產(chǎn)生具有反應(yīng)活性的原子與待加工零件4的表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并生成揮發(fā)性的反應(yīng)產(chǎn)物被旋轉(zhuǎn)的等離子體電極帶離零件表面，由此實現(xiàn) 對待加工零件的無損傷快速加工。
權(quán)利要求
1.水電極大氣等離子體加工回轉(zhuǎn)零件方法，其特征在于它的步驟方法是: 步驟一:將旋轉(zhuǎn)成形電極(I)的上端面絕緣連接在升降裝置(2)的豎直運(yùn)動工作轉(zhuǎn)軸(2-1)上；旋轉(zhuǎn)成形電極(I)為圓形外凸形，旋轉(zhuǎn)成形電極(I)的工作面直徑尺寸比待加工零件(4)的內(nèi)表面直徑尺寸小5mm-15mm ;旋轉(zhuǎn)成形電極(I)的中心開有出氣孔(1_1 )，出氣孔(1-1)通過氣管(5-1)與混合等離子體氣源(5)導(dǎo)氣連通；使旋轉(zhuǎn)成形電極(I)與射頻電源(3)的輸出端連接作為大氣等離子體放電的陽極； 步驟二:將待加工零件(4)裝卡在水槽(2-2)中，并將待加工零件(4)的外表面浸入水槽(2-2)中的電解質(zhì)水溶液內(nèi)，電解質(zhì)水溶液通過水槽(2-2)接地作為大氣等離子體放電的陰極； 步驟三:使旋轉(zhuǎn)成形電極(I)靠近待加工零件(4)的待加工表面，并使它們之間保持一定的放電間隙，放電距離范圍為5mm-15mm ； 步驟四:預(yù)熱射頻電源(3)和混合等離子體氣源(5)，預(yù)熱時間為5-10分鐘；然后打開混合等離子體氣源(5)，使等離子體氣體的流量為I升/分鐘 40升/分鐘，反應(yīng)氣體與等離子體氣體的流量比為1:l(Tl:50 ;輔助氣體與反應(yīng)氣體的流量比為1:l(Tl:1 ； 步驟五:當(dāng)旋轉(zhuǎn)成形電極(I)和待加工零件(4)的待加工表面之間的區(qū)域內(nèi)充滿等離子體氣體、反應(yīng)氣體與輔助氣體的混合氣體后，啟動升降裝置(2)的轉(zhuǎn)軸(2-1)轉(zhuǎn)動，使旋轉(zhuǎn)成形電極(I)做回轉(zhuǎn)運(yùn)動，啟動射頻電源(3)，逐步增加射頻電源(3)的功率，使功率達(dá)到100W-400W,同時控制射頻電源(3)的反射功率為零，在射頻電源(3)工作的過程中持續(xù)穩(wěn)定的通入混合氣體，使旋轉(zhuǎn)成形電極(I)和待加工零件(4)的待加工表面之間的放電區(qū)域產(chǎn)生穩(wěn)定的等離子體放電； 步驟六:根據(jù)去除量的要求，控制旋轉(zhuǎn)成形電極(I)的運(yùn)動軌跡和在零件表面的駐留時間，用上述產(chǎn)生的大氣等離子體對零件表面進(jìn)行加工； 步驟七:待加工完成后，關(guān)閉射頻電源(3)的電源，關(guān)閉混合等離子體氣源(5)，取出待加工零件(4)，對加工去除深度進(jìn)行測量，以判斷是否達(dá)到加工要求。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水電極大氣等離子體加工回轉(zhuǎn)零件方法，其特征在于所述旋轉(zhuǎn)成形電極(I)的材質(zhì)為鋁、銅、鐵。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水電極大氣等離子體加工回轉(zhuǎn)零件方法，其特征在于所述混合等離子體氣源(5)中的大氣等離子體激發(fā)氣體可以為氦氣、氬氣等惰性氣體；反應(yīng)氣體可以為六氟化硫、四氟化碳、三氟化氮等；輔助氣體可以為氧氣。
全文摘要
水電極大氣等離子體加工回轉(zhuǎn)零件方法，它屬于等離子體加工碳化硅或融石英等硅基材料回轉(zhuǎn)類零件的技術(shù)領(lǐng)域。它是為了解決放電不均勻、工件熱變形等問題。它的步驟一旋轉(zhuǎn)成形電極的上端面連接轉(zhuǎn)軸上；旋轉(zhuǎn)成形電極為圓形外凸形；步驟二待加工零件的外表面浸入水槽中的電解質(zhì)水溶液內(nèi)；步驟三旋轉(zhuǎn)成形電極靠近待加工零件的待加工表面；步驟四預(yù)熱射頻電源和混合等離子體氣源；步驟五使旋轉(zhuǎn)成形電極做回轉(zhuǎn)運(yùn)動，啟動射頻電源；步驟六控制旋轉(zhuǎn)成形電極的運(yùn)動軌跡和在零件表面的駐留時間；步驟七取出待加工零件。本發(fā)明的水電極的應(yīng)用，使得電極與工件表面無間隙貼合，放電均勻，保證了加工精度，提高了加工穩(wěn)定性。
文檔編號B23H3/00GK103212755SQ20131017703
公開日2013年7月24日 申請日期2013年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月14日
發(fā)明者王波, 李鐸, 姚英學(xué), 金會良, 李娜, 辛強(qiáng), 金江 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)