電化學(xué)放電與激光復(fù)合加工材料的裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于特種復(fù)合加工領(lǐng)域，尤其是電化學(xué)放電與激光復(fù)合加工材料的裝置和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]以玻璃為代表的絕緣硬脆材料，具有高硬度、耐化學(xué)腐蝕、透明和良好的生物相容性等優(yōu)良屬性，在微機(jī)電系統(tǒng)中的微加速器、微反應(yīng)器、微型泵、醫(yī)療器械和光學(xué)系統(tǒng)中應(yīng)用越來(lái)越多。尤其是在一些復(fù)雜、惡劣或極端的工作環(huán)境中，對(duì)微小器件的耐腐蝕、耐高溫、耐磨損等性能要求十分嚴(yán)格，如果部分換用絕緣硬脆材料加工的零件，就能很好的解決腐蝕問(wèn)題。在日常生活中，對(duì)玻璃類零件的需求也越來(lái)越大，蘋果手機(jī)上的Touch ID傳感器和后置攝像頭以及顯示屏都使用了藍(lán)寶石玻璃制造，其成分類似鋼玉，比普通玻璃硬度更高，有著很好的熱特性和介電特性，其在軍用紅外和空間技術(shù)裝備方面也取得廣泛地應(yīng)用。雖然絕緣透明硬脆材料在MEMS領(lǐng)域的應(yīng)用具有很大的優(yōu)勢(shì)，但由于它們的硬脆性使得加工工藝性低下，傳統(tǒng)加工工藝很能難對(duì)其進(jìn)行高效微細(xì)加工。
[0003]目前對(duì)于絕緣透明硬脆材料加工技術(shù)及其應(yīng)用的研宄，主要有激光加工和電化學(xué)放電加工。激光加工和電化學(xué)放電加工都屬于特種加工方式，又各有特點(diǎn)。激光加工以高能量的光束作為加工能源，脈沖寬度可以從納秒級(jí)到飛秒量級(jí)；峰值功率可以達(dá)到數(shù)百兆瓦，它通過(guò)光路傳輸聚焦于工件表面時(shí)會(huì)產(chǎn)生獨(dú)特的光、熱、力等非線性效應(yīng)。電化學(xué)放電加工是利用工具電極表面發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)形成氣膜層，使電極與溶液之間短期絕緣；當(dāng)工具電極和工作液之間電位差不斷增大至擊穿氣膜的放電電壓時(shí)，發(fā)生火花放電，所產(chǎn)生的瞬間高溫和沖擊波作用于玻璃類絕緣材料表面，使材料被熱蝕去除。
[0004]國(guó)內(nèi)外對(duì)絕緣硬脆材料的微加工技術(shù)的研宄，也提出了一些復(fù)合加工方法，主要是基于激光加工或電化學(xué)放電加工其中之一，再輔助旋轉(zhuǎn)、振動(dòng)、充氣或磨削等方法。
[0005]經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)有的技術(shù)檢索發(fā)現(xiàn)，公開(kāi)號(hào)為CN2342925Y的中國(guó)專利公開(kāi)了一種非導(dǎo)電材料超聲電解放電復(fù)合加工裝置，其在電化學(xué)放電加工系統(tǒng)中引入超聲振動(dòng)裝置，實(shí)現(xiàn)電化學(xué)放電加工與超聲加工的復(fù)合加工，該方法提高了加工效率，但是在其加工過(guò)程中由于機(jī)械力的頻繁作用，容易導(dǎo)致被加工材料表面出現(xiàn)微裂紋以及加工工具的快速損耗。申請(qǐng)?zhí)枮?00410023547.X的中國(guó)專利提供了一種非導(dǎo)電超硬材料電火花磨削復(fù)合加工方法，利用導(dǎo)電磨輪和一個(gè)輔助電極之間的火花放電蝕除材料，輔以機(jī)械磨削作用去除碳化和變質(zhì)層。該方法提高了試樣被加工表面的加工精度，但是由于導(dǎo)電磨輪尺寸的限制，該方法不適合于加工微孔等尺寸很小的形貌。學(xué)者郭永豐等在“非導(dǎo)電材料的電化學(xué)電火花復(fù)合加工工藝研宄”一文中提出了一種采用物理充氣輔助電化學(xué)放電加工的方法，通過(guò)物理充氣在管形工具電極端面和電解液之間持續(xù)充入少量氣體，以彌補(bǔ)僅靠電解產(chǎn)生氣體的不足，該方法增強(qiáng)了生成氣膜的穩(wěn)定性，提高了加工效率，但是由于充氣的需要，工具電極必須帶有通孔，增大了電極的尺寸，因而限制了該方法在微小尺寸加工中的運(yùn)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在不足，本發(fā)明提供了一種電化學(xué)放電與激光復(fù)合加工材料的裝置和方法，通過(guò)將激光和電化學(xué)放電兩種能量復(fù)合，來(lái)增強(qiáng)加工區(qū)域能量密度，提高玻璃類絕緣透明硬脆材料的刻蝕加工效率和表面質(zhì)量，可用于加工微小尺寸的試樣。
[0007]本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的的。
[0008]一種電化學(xué)放電與激光復(fù)合加工材料的方法，包括如下步驟:
[0009]將透明硬脆的試樣、輔助電極和工具電極下部置于電解液中，工具電極與電源負(fù)極相連、位于所述試樣上方，輔助電極與電源正極相連，通電時(shí)，所述輔助電極與所述工具電極在電解液中形成電化學(xué)放電回路；
[0010]激光光束經(jīng)聚焦后由試樣下方經(jīng)過(guò)試樣在試樣上表面產(chǎn)生焦點(diǎn)，進(jìn)而形成沖擊應(yīng)力和空化應(yīng)力作用于試樣表面，所述工具電極下端位于所述焦點(diǎn)處；
[0011]通過(guò)設(shè)定所述試樣的運(yùn)動(dòng)路徑對(duì)所述試樣進(jìn)行持續(xù)加工。
[0012]進(jìn)一步，所述工具電極上方設(shè)有力傳感器，所述力傳感器用于實(shí)時(shí)檢測(cè)所述工具電極與所述試樣的接觸力大小。
[0013]進(jìn)一步，所述試樣為玻璃，所述輔助電極為石墨電極，所述工具電極為碳化鎢電極，所述電解液為堿性溶液。
[0014]在上述方案中，所述激光光束的波長(zhǎng)為532nm，脈寬為10ns，頻率O-lOOKHz，單脈沖激光能量為O?lmj。
[0015]本發(fā)明還包括一種電化學(xué)放電與激光復(fù)合加工材料的裝置，包括激光加工系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和電化學(xué)放電加工系統(tǒng)；
[0016]所述激光加工系統(tǒng)包括激光器、反射鏡和聚焦透鏡，所述反射鏡用來(lái)改變激光器發(fā)出的脈沖激光光束的光路，所述聚焦透鏡用來(lái)將脈沖激光光束聚焦產(chǎn)生焦點(diǎn)；
[0017]所述運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制卡、電化學(xué)加工放電裝置和三坐標(biāo)數(shù)控平臺(tái)，所述計(jì)算機(jī)與所述運(yùn)動(dòng)控制卡相連，所述運(yùn)動(dòng)控制卡與所述電化學(xué)加工放電裝置和三坐標(biāo)數(shù)控平臺(tái)分別連接，所述計(jì)算機(jī)通過(guò)控制所述運(yùn)動(dòng)控制卡進(jìn)而控制所述電化學(xué)加工放電裝置和三坐標(biāo)數(shù)控平臺(tái)運(yùn)動(dòng)；
[0018]所述電化學(xué)放電加工系統(tǒng)包括輔助電極、工具電極、工作腔、示波器、電流探頭和可調(diào)脈沖電源，所述工具電極固定安裝在所述電化學(xué)加工裝置上，所述工作腔內(nèi)盛有電解液，所述工具電極的底部與輔助電極在電解液中，所述輔助電極與所述可調(diào)脈沖電源的正極相連，所述工具電極與所述可調(diào)脈沖電源的負(fù)極相連；
[0019]所述工作腔固定于所述三坐標(biāo)數(shù)控平臺(tái)上，所述工作腔底部及夾具設(shè)有通孔，試樣固定于所述夾具的通孔處，所述試樣和所述夾具位于電解液中，所述工具電極與所述激光加工系統(tǒng)分別位于所述試樣的上方和下方，所述工具電極底端與所述激光光束在試樣表面產(chǎn)生的焦點(diǎn)位置相對(duì)應(yīng)。
[0020]進(jìn)一步，所述試樣與所述夾具、所述夾具與所述工作腔之間分別設(shè)有密封圈。
[0021]進(jìn)一步，所述運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)還包括力傳感器，所述力傳感器位于所述電化學(xué)放電加工裝置與所述工具電極之間，所述力傳感器與所述計(jì)算機(jī)相連，所述力傳感器將力信號(hào)傳遞給計(jì)算機(jī)。
[0022]進(jìn)一步，所述裝置還包括示波器和水聽(tīng)器，所述示波器分別與所述水聽(tīng)器和所述輔助電極相連，所述示波器用于顯示所述水聽(tīng)器和所述輔助電極傳遞的信號(hào)。
[0023]進(jìn)一步，所述裝置還包括熱成像儀和高速攝像機(jī)，所述熱成像儀位于所述試樣斜上方，所述熱成像儀用于檢測(cè)加工過(guò)程中試樣表面溫度，所述高速攝像機(jī)位于所述試樣一側(cè)。
[0024]在上述方案中，所述可調(diào)脈沖電源的電壓O?60V，頻率I?5000Hz，占空比O?100%。
[0025]本發(fā)明的有益效果:
[0026](I)將激光束從下方引入電化學(xué)放電刻蝕加工系統(tǒng)中，為電化學(xué)放電的電極進(jìn)給提供了空間條件，使激光能量和火花放電分別從上下兩個(gè)方向協(xié)同作用于工件上，保證了兩種能量的高效復(fù)合，提高了加工區(qū)域的能量密度，加快了被加工試樣的蝕除速度。
[0027](2)在加工過(guò)程中，由激光輻照作用可生成大量氣泡，并與工具電極處電化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的氣泡融合，增大了工具電極外層形成氣膜的速度和穩(wěn)定性，使得電化學(xué)放電加工過(guò)程更加穩(wěn)定，提高了加工速率。
[0028](3)引入力反饋系統(tǒng)，通過(guò)將工具電極和試樣接觸力與參考力進(jìn)行比較，進(jìn)而控制試樣的進(jìn)給以及回退，避免了工具電極和試樣接觸力過(guò)大而造成工具電極變形或斷裂，也可以保證加工時(shí)試樣不會(huì)因?yàn)榻佑|力過(guò)大而發(fā)生破裂或產(chǎn)生表面裂紋，提高了被加工試樣的表面質(zhì)量；工具電極的回退，使得工具電極和試樣之間留有一定的間隙，有利于加工區(qū)域溶液的進(jìn)入，保證了電化學(xué)放電的穩(wěn)定性，提高了加工效率。
【附圖說(shuō)明】
[0029]圖1為本發(fā)明所述電化學(xué)放電與激光復(fù)合加工材料的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030]圖2為本發(fā)明所述夾具局部放大圖。
[0031]附圖標(biāo)記說(shuō)明如下:1-計(jì)算機(jī)，2-運(yùn)動(dòng)控制卡，3-輔助電極，4-水聽(tīng)器，5-工具電極，6-力傳感器，7-電化學(xué)放電加工裝置，8-熱成像儀，9-試樣，10-工作腔，11-高速攝像機(jī)，12-激光器，13-反射鏡，14-聚焦透鏡，15-夾具