大型復雜金屬表面等離子體與脈沖放電復合拋光加工方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種金屬表面等離子體與脈沖放電復合拋光加工方法，該方法首先采用射頻振蕩產(chǎn)生等離子體磁流體通道，對待拋光加工的金屬表面凸起部位進行脈沖放電，產(chǎn)生的等離子弧經(jīng)過磁流體通道后，得到強度和密度增強的等離子弧，該增強等離子弧對金屬表面凸起部位進行轟擊，使該部位形成陽極斑點后蒸發(fā)去除，并通過放電極性的調(diào)節(jié)實現(xiàn)去除凸起的光亮化，實現(xiàn)該位置的拋光加工。本發(fā)明方法解決了常規(guī)金屬表面拋光方法的加工效率低、易產(chǎn)生加工應力和表層損傷等問題。能夠在大氣壓下進行，可實現(xiàn)粗拋、細拋和精拋，不需要在金屬拋光表面涂上任何研磨液和化學反應物，精密化拋光后形成的表面粗糙度小，可達到Ra0.2μm。
【專利說明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于非接觸法金屬表面加工【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種大型復雜金屬表面等 離子體與脈沖放電復合的拋光加工方法，用于大氣壓條件下對金屬表面精密拋光和加工。 大型復雜金屬表面等離子體與脈沖放電復合拋光加工方法

【背景技術(shù)】
[0002] 金屬材料表面拋光，分為接觸式和非接觸式。接觸式拋光以人工手動直接研磨拋 光和加工磨削拋光為主，這些傳統(tǒng)的機械拋光加工方法連同后來發(fā)展的機械-化學復合拋 光、金剛石超精密切削拋光等都存在傳統(tǒng)接觸式拋光加工的各種缺陷，不可避免的造成材 料表面組織的破壞，形成微裂紋，破壞材料晶格完整性，影響材料的表面質(zhì)量。想得到較好 的無損高質(zhì)量材料表面，還需要在加工原理上做出變化。
[0003] 非接觸式拋光能很好地解決金屬材料表面的晶格完整性問題。其方法以電解拋 光、電火花拋光為主。傳統(tǒng)電解拋光方法或采取低電壓方法，或以高濃度電解液來進行，均 使用高濃度價格昂貴且有毒的溶液，拋光前必須花相當?shù)臅r間先對待拋制品除脂、蝕刻、沖 洗等處理。拋光時間過長，需要相當大的電力與勞動力，對整個生產(chǎn)力與效能有負面的影 響。另外，高濃度的電解液處理不易，很容易對環(huán)境造成危害。拋光過程中還需要配置專門 的攪動裝置以防止拋光電解液濃度不均勻，需要設置特定的拋光廢棄物排出機構(gòu)。拋光電 解液體要預熱到一定的溫度，并保持在一個恒定的溫度下才能進行，拋光后還要再次清洗 拋光表面。另外拋光中陰極損耗大，拋光時要不斷地有匹配裝置提供足夠的電解液，防止局 部因為缺乏電解液而產(chǎn)生震耳的"氫爆"聲，不僅污染環(huán)境，綜合成本也高。
[0004] 金屬的電火花拋光是利用脈沖放電，使待拋光表面的不平整部份得到整平。脈沖 放電的結(jié)果，使高出的部份熔解，而凹下的部份被熔解的金屬填平的拋光加工方法。但此工 藝一般要求電極離工件非常接近，需要在一定的電解介質(zhì)中進行，有時需要根據(jù)材料的表 面形狀制作專門的電極，拋光過程中放電間隙非常小，拋光和加工范圍有限，效率極低。陽 極上又經(jīng)常形成不導電的脆性氫氧化物薄膜，會使陽極鈍化并且覆蓋在整個加工表面上， 造成陽極的腐蝕速度隨時間按指數(shù)規(guī)律下降，生產(chǎn)效率大大降低。此外電極經(jīng)常有損耗，需 要制作新電極。此拋光工藝一般比較耗時，成本高，而且對環(huán)境有污染等缺陷。
[0005] 90年代初出現(xiàn)了一些新的非接觸式的加工裝置，如離子束拋光、電子束拋光等，依 靠物理方法從放電電極一側(cè)發(fā)射離子束或者電子束到工件表面進行拋光，以及近年來的熱 門研究工藝如等離子體化學輔助拋光方法在精密光學器件上的應用，以上拋光加工方法都 是以原子或分子級別去除材料，使表面加工質(zhì)量上升到新高度。但是這些技術(shù)需要的環(huán)境 支持（需高真空）及過低的加工效率、設備價格昂貴，會產(chǎn)生有害的放射物和有毒反應氣體 等也限制了自身的使用范圍。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明提供一種大型復雜金屬表面等離子體與脈沖放電復合的拋光加工方法，目 的在于提高加工效率，并降低加工成本。不會對金屬的表層組織有影響，不存在表面晶格破 壞、變質(zhì)層、殘余應力和應力集中等問題。
[0007] 本發(fā)明提供一種大型金屬表面等離子體與脈沖放電復合的拋光加工方法，該方法 包括下述步驟：
[0008] (1)利用脈沖放電電極對需要拋光加工的金屬表面凸起部位進行脈沖放電，并在 所述脈沖放電電極一側(cè)通入等離子體發(fā)生氣體；
[0009] (2)使脈沖放電產(chǎn)生的等離子弧經(jīng)過由射頻振蕩產(chǎn)生的等離子體磁流體導電通 道，得到強度和密度都增強的等離子弧，所述增強的等離子弧對金屬表面凸起部位進行轟 擊，使該金屬表面凸起部位形成陽極斑點后蒸發(fā)去除；
[0010] ⑶改變產(chǎn)生所述脈沖放電的電源的極性，使凸起已經(jīng)被去除的表面實現(xiàn)光亮化， 實現(xiàn)該位置的拋光；
[0011] 在凸起去除和拋光過程中收集廢棄物，并排出廢棄氣體；
[0012] (4)對下一個凸起部位重復上述步驟（1)、（2)、（3)，實現(xiàn)對大型金屬表面的拋光 和加工。
[0013] 作為上述技術(shù)方案的改進，第（1)步中，所述等離子體發(fā)生氣體的流量為0.2? 20. OL/s ;所述混合氣體中等離子體發(fā)生氣體和化學反應氣體按體積比為3:1?200:1，混 合氣體的流量為〇. 5?50. OL/s。
[0014] 作為上述技術(shù)方案的進一步改進，所述脈沖放電電極的針尖與金屬材料拋光物表 面間距為5謹?30Ctam。
[0015] 作為上述技術(shù)方案的再進一步改進，所述射頻振蕩是利用射頻電源和螺旋線圈產(chǎn) 生等離子體磁流體導電通道。
[0016] 作為上述技術(shù)方案的再進一步改進，向已經(jīng)形成的放電電弧中施加0. 02mT? 〇. 5T特斯拉的電磁力，實現(xiàn)電弧的牽引。
[0017] 作為上述技術(shù)方案的更進一步改進，所述增強的等離子弧形成一個錐角小于等于 50°的圓錐體形放電區(qū)。
[0018] 本發(fā)明克服了之前的離子束拋光、電子束、等離子體化學輔助拋光方法的不足，提 供一種大型復雜金屬表面等離子體與脈沖放電復合的拋光加工方法，可以進行快速、高效 和成本低廉的拋光。本發(fā)明方法僅僅使用常見的反應氣體和一個射頻電源、高壓直流脈沖 電源和控制裝置，不需要其他的消耗設備。具體而言，本發(fā)明具有以下特點：
[0019] (1)本發(fā)明利用的是金屬拋光材料凸起部位的陽極斑點效應對其進行去除，加工 過程是放電電弧等離子體與金屬表面凸點的接觸，不會對金屬的其它表層組織有影響，不 存在表面晶格破壞、變質(zhì)層、殘余應力、應力集中等問題。
[0020] (2)本發(fā)明克服了傳統(tǒng)電解拋光方法的不足，不需要在金屬拋光表面涂上任何研 磨液和化學反應拋光液，無電極的損耗問題。本發(fā)明加工效率高，無需對待拋制品拋光前的 除脂、蝕刻、沖洗等前置處理，能直接拋光，避免因需預先表面處理，增加生產(chǎn)過程，造成不 便及浪費，還能避免環(huán)境污染等問題。
[0021] (3)本發(fā)明克服電火花拋光方法的不足，可在大氣壓下產(chǎn)生大規(guī)模、高能量密度的 等離子體，不需要特制的電極，放電間隙大小可以調(diào)節(jié)，等離子體流是大面積地轟擊金屬材 料表面凸點，加工和拋光效率高。加工后的產(chǎn)物為氣化后的金屬蒸氣，可以進行拋光廢棄物 和氣體收集，不會對環(huán)境造成污染。
[0022] (4)本發(fā)明方法可實現(xiàn)高精度拋光，并可根據(jù)拋光表面的拋光效果需要選擇特定 的脈沖放電參數(shù)，實現(xiàn)粗拋、細拋和精拋，不需要在金屬拋光表面涂上任何研磨液和化學反 應物，金屬的精密化拋光后形成的表面粗糙度小，可達到RaO. 2 μ m。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023] 圖1是本發(fā)明加工方法的單個放電電弧通道的加工和拋光的原理圖。
[0024] 圖2是本發(fā)明加工方法的實施工藝步驟圖。
[0025] 圖3是本發(fā)明加工方法的裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026] 圖4是本發(fā)明加工方法的等離子炬整體結(jié)構(gòu)裝配圖。
[0027] 圖5是本發(fā)明加工方法的電磁振蕩加載俯視圖。

【具體實施方式】
[0028] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步說明。在此需要說明的是，對于 這些實施方式的說明用于幫助理解本發(fā)明，但并不構(gòu)成對本發(fā)明的限定。此外，下面所描述 的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0029] 本發(fā)明的理論依據(jù)是：高壓直流脈沖電源實現(xiàn)放電電極和金屬材料表面凸點之間 的脈沖放電。在這個脈沖放電通道內(nèi)，利用射頻電源、匹配器和螺旋線圈的射頻電磁振蕩作 用，產(chǎn)生等離子體磁流體導電通道，用以延長放電電極和被加工工件表面凸點的電弧放電 加工距離，增加放電電弧穩(wěn)定性和產(chǎn)生高能量密度的等離子弧，實現(xiàn)放電電極與金屬被加 工工件表面對應凸點長距離的自動尋的高效脈沖電弧放電。放電通道的形成，是高壓擊穿 通入的Ar或He、N 2、02、C02、空氣等氣體或其和HC1、NH4C1、CF 4、CC14等混合氣體，形成等離 子體在放電電極和待拋光材料表面之間脈沖電弧放電。
[0030] 由電弧弧壓最小值原理，這個放電電弧通道（即脈沖放電通道）會最先建立在放 電電極和金屬待拋光材料表面的凸起部位。射頻電源和螺旋線圈共同作用產(chǎn)生的低溫等離 子體磁流體通道，放電電弧經(jīng)過這個磁流體通道后，這時高壓直流脈沖放電電極能發(fā)射高 能量、高密度的等離子體流到金屬材料凸起處，對金屬加工和拋光材料凸點進行轟擊，被加 工工件表面凸點受熱局部熔化氣化后蒸發(fā)出金屬蒸氣，金屬蒸氣流被等離子體流轟擊后電 離，引起電阻率下降，進而引起電位降低，從而使電流更加集中造成更大面積、更嚴重的氣 化電離，形成陽極斑點，實現(xiàn)該位置被加工去除。
[0031] 直接在放電電極和金屬待拋光材料表面的凸起部位高壓脈沖放電時，放電電極和 金屬待拋光材料表面的凸起部位距離要非常短才能實現(xiàn)，且放電電極的自動尋的功能無法 實現(xiàn)，不利于大面積、高效率加工和拋光。當在二者之間接上一個螺旋線圈并搭載射頻電源 后，其可以通過射頻振蕩產(chǎn)生低溫等離子體磁流體導電通道，這樣不僅實現(xiàn)放電電極和金 屬待拋光材料表面的凸起部位放電加工距離的大幅延長，還能增加放電電弧穩(wěn)定性和產(chǎn)生 高能量密度的等離子體，實現(xiàn)放電電極與金屬被加工工件表面對應凸點長距離的自動尋的 高效脈沖電弧放電。在這個穩(wěn)定的放電電弧的上下兩端分別安裝一套電磁振蕩加載裝置 時，當放電電極不動時，通過電磁振蕩加載裝置施加的電磁場力的作用，可實現(xiàn)將以上電弧 的拉弧效果。在一個放電通道形成的圓錐體形角度范圍內(nèi)，對金屬待拋光材料表面一個局 部區(qū)域面上的凸點逐步去除。再通過移動放電電極，逐點掃描實現(xiàn)整個金屬待拋光材料表 面的凸點高效去除。
[0032] 采用射頻電源產(chǎn)生的等離子體源采用柱狀螺旋線圈，這種連接射頻電源的空心銅 管螺旋線圈繞在電絕緣的石英管外邊，當通過匹配網(wǎng)絡將射頻功率加到空心銅管螺旋線圈 上時，空心銅管螺旋線圈就有射頻電流流過，于是產(chǎn)生射頻磁通，并且在石英管的內(nèi)部沿著 圓筒形石英管的角方向感應出射頻電場。石英管內(nèi)的電子被電場加速，由這些電子產(chǎn)生密 集的等離子體，同時銅管的能量被耦合到等離子體中，形成磁流體導電通道。
[0033] 由電弧弧壓最小值原理，在完成了一處凸起尖點位置的氣化電離去除后，放電電 弧的重新形成，會促使脈沖放電電極自動尋的找到金屬拋光表面的新的凸起位置，再次建 立起一個有效的電弧，新的凸起處繼續(xù)蒸發(fā)去除。加載的電磁振蕩系統(tǒng)，能實現(xiàn)牽引放電電 弧在有效的通道內(nèi)的形成，在拋光過程中有效保證了金屬表面需要拋光的部位，實現(xiàn)理想 的拋光效果。
[0034] 本發(fā)明方法具體包括下述過程：
[0035] (1)準備步驟：
[0036] 在高壓直流脈沖電源的輸出端分別接上脈沖放電電極和金屬待拋光材料，在脈沖 放電電極和金屬材料表面的放電通道外放置一個螺旋線圈，螺旋線圈的兩端接上一個射頻 電源的兩輸出極。
[0037] 脈沖放電電極的長度為5. 0?200. 0mm，脈沖放電電極為錐尖狀。
[0038] 本高壓直流脈沖電源3可提供100V?60KV連續(xù)可調(diào)直流高壓輸出，高壓直流脈 沖電源的功率為50?2000W可調(diào)節(jié)。
[0039] 射頻電源采用的是中科院微電子研究所的RF-1000型號射頻電源，帶有手動的匹 配器。射頻電源輸出功率在10?600W之間。
[0040] (2)控制步驟：
[0041] 通過將高壓直流脈沖電源、脈沖電源輸出極性可調(diào)節(jié)裝置、射頻電源、電磁振蕩磁 性加載器、等離子體發(fā)生氣體和化學反應氣體流量控制器、聯(lián)動機構(gòu)和尾氣收集裝置連入 一控制電路，通過計算機控制以上輸出參數(shù)。
[0042] (3)通氣步驟：
[0043] 在脈沖放電電極和金屬材料表面的放電通道的放電電極一側(cè)通入氣體；
[0044] 本發(fā)明方法可以僅采用物理加工方法，也可以采用物理加工方法和化學加工方法 結(jié)合的方法。
[0045] 前一種方法只通入等離子體發(fā)生氣體，控制輸入等離子體反應氣體的流量為 0. 2?20. OL/s，產(chǎn)生穩(wěn)定的等離子體發(fā)生氣體。
[0046] 后一種方法需要同時通入由等離子體發(fā)生氣體和化學反應氣體組成的混合氣體， 控制輸入的混合氣體的流量為〇. 5?50. OL/s。
[0047] 等離子體發(fā)生氣體可以是Ar或He、N2、02、C0 2、空氣等氣體，被電離用來產(chǎn)生一個 等離子體電弧。
[0048] 化學反應氣體可以是HC1、NH4C1、CF4、CC1 4等氣體，被電離用來產(chǎn)生高密度高活性 激發(fā)態(tài)的cr，F(xiàn)%和待加工的金屬表面發(fā)生化學反應用。
[0049] 所述后一種方法的混合氣體中等離子體發(fā)生氣體與化學反應氣體的體積比為 3:1 ?200:1。
[0050] (4)放電步驟：
[0051] 依次打開射頻電源和高壓直流脈沖電源，射頻電源首先開始工作，螺旋線圈和射 頻電源的射頻振蕩作用下產(chǎn)生等離子體磁流體通道后，高壓直流脈沖電源脈沖放電開始工 作，高壓擊穿通入的氣體，產(chǎn)生初級等離子弧，初級等離子弧經(jīng)過射頻振蕩產(chǎn)生的磁流體通 道后，脈沖放電形成強度和密度增強后的增強等離子弧，增強等離子弧在待加工工件表面 凸起處形成陽極斑點，實現(xiàn)該凸起的蒸發(fā)去除；
[0052] 螺旋線圈在射頻電源的射頻振蕩作用下具有等離子體磁流體特性，產(chǎn)生等離 子體磁流體通道，它可以為高壓放電的等離子體提供一個導電通道，通道長度為5.0? 300. 0mm〇
[0053] 放電電弧可以是一條直線電弧、也可以是類似于一個雙曲線電弧作用在放電電極 和金屬工件表面，在放電加工過程中，這根電弧的一端在放電電極的尖端，但是電弧的另外 一端是可動的，通過電磁振蕩加載施加〇. 〇2mT?0. 5T特斯拉的電磁場力的作用，這一端電 弧可以在工件上不斷的移動，這個電弧的移動空間是在一個圓錐體的范圍內(nèi)，如圖1所示， 圓錐角度為Θ，本發(fā)明的放電電弧錐角小于等于50°，在電弧放電的Θ角度掃描到的金屬 材料加工工件的加工表面上，其所有能建立放電電弧通道的凸點將都會被去除，其過程如 圖2所示。
[0054] 高壓直流脈沖電源可根據(jù)加工條件需要，通過一個極性變換裝置靈活調(diào)節(jié)高壓直 流脈沖電源實驗輸出的電源正、負極性。當金屬待拋光材料連接高壓直流脈沖電源輸出正 極時，實現(xiàn)材料拋光面凸起處蒸發(fā)去除；當金屬待拋光材料連接高壓直流脈沖電源輸出負 極時，已經(jīng)被去除的拋光面凸起處仍可實現(xiàn)其表層離子的陰極濺射，陰極濺射后可實現(xiàn)此 拋光處的光亮化，拋光后的凸起處的光潔度有很大提高。這樣根據(jù)拋光效果的需要，不斷的 更換高壓脈沖電源的輸出正負極性，改變高壓直流脈沖電源放電參數(shù)，讓此拋光過程不斷 進行下去。
[0055] (5)移動步驟：
[0056] 通過掃描捕捉到的金屬材料加工工件表面的三維信息，利用計算機軟件自動生成 相應三維加工和拋光軌跡。在計算機輸出的加工程序中，通過控制聯(lián)動機構(gòu)帶動等離子體 炬部分，自動實現(xiàn)在金屬待拋光表面的有序移動，實現(xiàn)對整個金屬表面的加工和拋光，從而 得到高精度加工金屬表面。
[0057] (6)尾氣處理步驟：
[0058] 采用加工和拋光保護罩，收集拋光中廢棄物，隔離拋光中脈沖放電的強光，同時連 接一個循環(huán)排風抽氣系統(tǒng)，將反應后的廢棄氣體和蒸氣排出，防止其阻礙拋光效果。
[0059] 本發(fā)明實例提供的實現(xiàn)上述方法的裝置如圖3所示，它包括射頻電源1、射頻電源 匹配器2、高壓直流脈沖電源3、脈沖電源極性調(diào)節(jié)裝置4、高壓直流脈沖電源阻抗5、等離子 體炬、加工保護罩18、控制電路19、工作臺20和聯(lián)動機構(gòu)24。
[0060] 工作臺20用于放置待拋光金屬材料加工工件21，加工保護罩18用于罩在待拋光 金屬材料加工工件21上，以收集廢棄的拋光物和氣體，加工保護罩18的上端留有用于加工 的開口。
[0061] 等離子體炬位于金屬材料加工工件21的上方，其結(jié)構(gòu)如圖4所示，它包括石英管 6、石英管保護套7、脈沖放電電極8、電極絕緣保護套9、進氣裝置10、第一電磁振蕩加載裝 置11、空心銅管螺旋線圈12、第二電磁振蕩加載裝置26。
[0062] 放電電極8、電極絕緣保護套9、密封圈13由內(nèi)至外同軸固定，并通過上預緊螺釘 14將其一起安裝在進氣裝置10的頂部通孔內(nèi)。在石英管6的上端通過石英管保護套7及 下預緊螺釘27固定，將其一起安裝在進氣裝置10底部通孔內(nèi)，進氣裝置10 -側(cè)還開有一 個進氣接口，實現(xiàn)等離子體發(fā)生氣體和化學反應氣體的進入。進氣裝置10、密封圈13、放電 電極8、電極絕緣保護套9、石英管保護套7、石英管6均同軸安裝放置，且進氣裝置10 (除進 氣接口處）內(nèi)部與電極絕緣保護套9和石英管保護套7、石英管6為密封安裝，防止等離子 體發(fā)生氣體和化學反應氣體的泄漏。
[0063] 如圖5所示，在石英管6的上部安裝有第一電磁振蕩加載裝置11，在石英管6中 部安裝有空心銅管螺旋線圈12,且空心銅管螺旋線圈12緊密地纏繞在石英管6的外壁上， 空心銅管螺旋線圈12內(nèi)部可以通冷卻液。在進氣裝置10外安裝有一個外部封裝絕緣保護 套15并接地，并將第一電磁振蕩加載裝置11和空心銅管螺旋線圈12套在其內(nèi)，以防止高 壓漏電和射頻振蕩等離子體對人體的影響。在外部封裝絕緣保護套15的下端安裝外部封 裝絕緣保護套端蓋25,石英管6底部穿過外部封裝絕緣保護套端蓋25,且其外套有第二電 磁振蕩加載裝置26。
[0064] 等離子炬中的空心銅管螺旋線圈12的一極用于與射頻電源1的一輸出極連接，另 一極用于與射頻電源匹配器2的一端連接，射頻電源匹配器2的另一端接入射頻電源1的 另一輸出極，形成一個射頻放電回路。
[0065] 放電電極8與高壓直流脈沖電源阻抗5 -端電連接，高壓直流脈沖電源阻抗5另 一端與脈沖電源極性調(diào)節(jié)裝置4 一極電連接，脈沖電源極性調(diào)節(jié)裝置4的另外一極與高壓 直流脈沖電源3 -極電連接，高壓直流脈沖電源3的另外一極用于接入金屬材料加工工件 21表面，形成一個高壓直流脈沖放電回路。
[0066] 等離子體炬安裝在聯(lián)動機構(gòu)24上，在聯(lián)動機構(gòu)24和等離子體炬連接的加工頭部 安裝一個加工曲面掃描裝置，掃描加工曲面信息反饋給計算機，并由計算機對應給出加工 和拋光面的加工路徑后，由聯(lián)動機構(gòu)24帶動等離子體炬在待拋光金屬材料加工工件21表 面移動，以實現(xiàn)整個金屬材料復雜曲面的加工和拋光。聯(lián)動機構(gòu)24可以采用五自由度串聯(lián) 式機器手臂等機構(gòu)實現(xiàn)。
[0067] 控制電路19分別與射頻電源1、高壓直流脈沖電源3、脈沖電源極性調(diào)節(jié)裝置4、第 一電磁振蕩加載裝置11、第二電磁振蕩加載裝置26以及聯(lián)動機構(gòu)24電信號連接，以實現(xiàn)對 它們的控制；
[0068] 下面說明本發(fā)明裝置的工作過程：
[0069] 如圖3所示，先將待拋光金屬材料加工工件21固定在機床的工作臺20上，固定好 后在金屬材料的外端蓋上一個加工保護罩18,用來收集廢棄的拋光物和氣體，加工保護罩 18上端開放。
[0070] 將等離子體炬整體與其它各部件全部接好后，將等離子炬整體和聯(lián)動機構(gòu)24相 連接，并保證好整個裝置整體的同軸度。
[0071] 開始工作前，將等離子體發(fā)生氣氣源22接入等離子體發(fā)生氣體流量控制器16,化 學反應氣體氣源23接入化學反應氣體流量控制器17中，將兩控制器又接入到本發(fā)明的控 制電路19中，用以控制以上氣體的輸出。將射頻電源和高壓直流脈沖電源的連接電路也接 入到控制電路19中，用以控制射頻電源和高壓直流脈沖電源的輸出參數(shù)。
[0072] 開始工作時，先打開等離子體發(fā)生氣氣源22,通過控制電路19其輸出流量，實現(xiàn) 穩(wěn)定的等離子體反應發(fā)生氣輸出到石英管6內(nèi)。打開射頻電源1，這時射頻電源1和匹配器 2的電源輸出特性，將會在石英管6內(nèi)的氣體電離產(chǎn)生低溫等離子體磁流體導電通道?？?制好等離子體發(fā)生氣體流量控制器16的輸出，這時石英管6腔內(nèi)將源源不斷地有穩(wěn)定的等 離子體磁流體導電通道的產(chǎn)生。由于聯(lián)動機構(gòu)24和等離子炬整體連接，通過控制電路19 調(diào)整聯(lián)動機構(gòu)24和等離子炬整體與金屬材料21的拋光表面到一個理想的距離后，打開控 制電路19關(guān)于高壓直流脈沖電源3的控制部分，實現(xiàn)高壓直流脈沖電源3能提供100V? 60KV連續(xù)可調(diào)直流高壓電，用精度為10%的μ A電流表檢測高壓直流脈沖電源3的放電電 流，Q-3V型電壓表檢測高壓直流脈沖電源3的放電電壓。調(diào)整高壓直流脈沖電源3的輸出 特性，實現(xiàn)金屬材料加工工件21加工和拋光表面的粗加工和拋光、細加工和拋光、精密加 工和拋光。
[0073] 在本發(fā)明的加工裝置中，控制電路19的控制過程是，首先打開等離子體發(fā)生氣體 流量控制器16和化學反應氣體流量控制器17的控制信號，實現(xiàn)理想的氣體輸出，其次打開 射頻電源1的控制信號，當射頻電源1、匹配器2和螺旋線圈12能產(chǎn)生低溫等離子體磁流體 通道時，再打開高壓直流電源3脈沖放電信號，實現(xiàn)穩(wěn)定放電電弧的形成后，接著打開電磁 振蕩加載裝置11的信號，實現(xiàn)牽引放電電弧，大范圍加工和拋光材料表面，最后打開脈沖 電源可變輸出極性裝置4的時間變換信號，實現(xiàn)拋光材料表面的光亮化。
[0074] 本發(fā)明的加工和拋光過程中，當金屬材料加工工件21固定不動時，上端的聯(lián)動機 構(gòu)24,通過掃描捕捉到的金屬材料加工工件21表面的信息，利用計算機軟件自動生成相應 加工和拋光軌跡，在計算機輸出的加工程序中，控制聯(lián)動機構(gòu)24帶動等離子體炬自動實現(xiàn) 在金屬拋光表面的有序移動，實現(xiàn)對大型金屬表面的拋光。
[0075] 實例：
[0076] 通過控制電路模塊，調(diào)整五自由度串聯(lián)式機器手臂和等離子炬整體與待拋光金屬 材料表面到的距離為30mm，射頻電源初始調(diào)解輸出功率為100W，實驗中在匹配器的作用下 產(chǎn)生恒定等離子體的輸出功率為300W，高壓直流脈沖電源的一輸出電壓為18KV，輸出功率 為1200W，等離子體發(fā)生氣體的輸入流量為2L/s，電磁振蕩加載施加的電磁場力為0. 2mT。 等離子體炬的加工移動速度為0. 2m/s。
[0077] 以上所述為本發(fā)明的較佳實施例而已，但本發(fā)明不應該局限于該實施例和附圖所 公開的內(nèi)容。所以凡是不脫離本發(fā)明所公開的精神下完成的等效或修改，都落入本發(fā)明保 護的范圍。
【權(quán)利要求】
1. 一種大型金屬表面等離子體與脈沖放電復合的拋光加工方法，該方法包括下述步 驟： (1) 利用脈沖放電電極對待拋光加工的金屬表面凸起部位進行脈沖放電，并在所述脈 沖放電電極一側(cè)通入等離子體發(fā)生氣體； (2) 使脈沖放電產(chǎn)生的等離子弧經(jīng)過由射頻振蕩產(chǎn)生的等離子體磁流體導電通道，得 到強度和密度都增強的等離子??；所述增強的等離子弧對金屬表面凸起部位進行轟擊，使 該金屬表面凸起部位形成陽極斑點，使凸起去除； (3) 改變產(chǎn)生所述脈沖放電的電源的極性，使凸起已經(jīng)被去除的表面實現(xiàn)光亮化，實現(xiàn) 該位置的拋光； 在凸起去除和拋光過程中收集廢棄物，并排出廢棄氣體； (4) 對下一個凸起部位重復上述步驟（1)、（2)、（3)，實現(xiàn)對大型金屬表面的拋光和加 工。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大型金屬表面等離子體與脈沖放電復合的拋光加工方法， 其特征在于，第1步中，所述等離子體發(fā)生氣體的流量為0. 2?20. OL/s ;所述混合氣體 中等離子體發(fā)生氣體和化學反應氣體按體積比為3:1?200:1，混合氣體的流量為0. 5? 50.OL/s。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大型金屬表面等離子體與脈沖放電復合的拋光加工方法，其 特征在于，所述脈沖放電電極的針尖與金屬材料拋光物表面間距為5mm?300_。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大型金屬表面等離子體與脈沖放電復合的拋光加工方法，其 特征在于，所述射頻振蕩是利用射頻電源和螺旋線圈產(chǎn)生等離子體磁流體導電通道。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大型金屬表面等離子體與脈沖放電復合的拋光加工方法，其 特征在于，對所產(chǎn)生的放電電弧施加0. 02mT?0. 5T特斯拉的電磁力，實現(xiàn)電弧的牽引。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大型金屬表面等離子體與脈沖放電復合的拋光加工方法，其 特征在于，所述增強的等離子弧形成一個錐角小于等于50°的圓錐體形放電區(qū)。
【文檔編號】B24B1/00GK104108053SQ201410275439
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年6月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月19日
【發(fā)明者】李建軍, 戴偉, 黃齊文, 趙航 申請人:華中科技大學