專(zhuān)利名稱(chēng)：復(fù)合同步超聲頻振動(dòng)微細(xì)電解加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種復(fù)合同步超聲頻振動(dòng)微細(xì)電解加工方法，屬于復(fù)合微細(xì)特 種加工技術(shù)領(lǐng)域。
技術(shù)背景在微細(xì)特種加工技術(shù)領(lǐng)域，有許多加工方法，如微細(xì)電火花加工、微細(xì)電 解加工、微細(xì)超聲加工、微細(xì)高能束流加工以及由兩種或兩種以上加工方法組 合而成的微細(xì)復(fù)合加工等，這些加工方法能解決普通切削加工難以實(shí)現(xiàn)的精 密、微細(xì)加工難題，在零部件微精加工中發(fā)揮了重要作用。然而，現(xiàn)有微細(xì)加 工方法在各具優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，亦有一定的局限性。微細(xì)超聲加工特別適合于非金屬硬脆材料微小孔、槽加工，具有效率高、 精度及表面質(zhì)量好的工藝特點(diǎn)，但在材料硬度及韌性高、加工面積及深徑比大 時(shí)，加工效率很低，且由于超聲工具的相對(duì)磨損大，微細(xì)加工精度很難保證；電化學(xué)加工是"分子"級(jí)單位去除加工，具有微精加工機(jī)理優(yōu)勢(shì)，存在微 細(xì)加工甚至是nm級(jí)加工的可行性，其中基于電化學(xué)陰極沉積原理的微細(xì)電鑄 技術(shù)可制作形狀復(fù)雜、精度很高的細(xì)小金屬零件，但存在材料可鑄性、廢品率 高及效率低的技術(shù)局限性；基于電化學(xué)陽(yáng)極溶解的微細(xì)電解加工由于大電流密 度時(shí)的雜散腐蝕作用，加工精度較難控制，而微電流電解由于鈍化作用，加工 過(guò)程難以持續(xù)，采用高頻、窄脈沖微細(xì)電解可消除鈍化，實(shí)現(xiàn)小間隙微精加工， 但微小間隙過(guò)程變化復(fù)雜，加工須要合理的陰極結(jié)構(gòu)、電解液系統(tǒng)，且須要精 密微位移進(jìn)給系統(tǒng)、高頻窄脈沖電源及快速短路保護(hù)系統(tǒng)，設(shè)備投資成本很高。中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利說(shuō)明書(shū)"CN 87101455 A"公開(kāi)了一種聚晶金剛石電火花超聲波復(fù)合加工設(shè)備，包括高頻高峰值電流窄脈沖發(fā)生器、超聲波發(fā)生器以及由 超聲頻信號(hào)控制電火花脈沖發(fā)生的調(diào)制電路，在超聲振動(dòng)的工具與聚晶金剛石 工件之間，加入由超聲頻電信號(hào)調(diào)制的高頻電火花脈沖放電，使工具在超聲換 能器伸長(zhǎng)時(shí)機(jī)械磨削工件，縮短時(shí)放電蝕除工件，以提高聚晶金剛石加工速度 與表面質(zhì)量。此發(fā)明專(zhuān)利的裝置用超聲頻信號(hào)調(diào)制高頻電火花脈沖放電，進(jìn)行 火花放電的關(guān)斷與開(kāi)通，在電路原理上確實(shí)可行，在加工機(jī)理上機(jī)械磨削與高 頻電火花脈沖放電相互有機(jī)復(fù)合，具有明顯技術(shù)優(yōu)勢(shì)。這種復(fù)合工藝采用超聲 發(fā)生器輸出電信號(hào)為調(diào)制輸入信號(hào)，調(diào)制電路產(chǎn)生電火花電源開(kāi)、關(guān)信號(hào)滯后 誤差很小，但由于超聲換能器、振幅擴(kuò)大棒、放電加工電極等構(gòu)成的機(jī)械超聲 振動(dòng)系統(tǒng)固有頻率隨加工條件變化，傳遞到工具電極端面的超聲振動(dòng)與超聲發(fā) 生器輸出的超聲頻交變電信號(hào)有相位滯后誤差，這種誤差隨加工系統(tǒng)條件變化 而變化，很難保證脈沖放電始終是在工具電極振動(dòng)的回程中發(fā)生，有時(shí)可能因 相位滯后而與要求的脈沖加電相序相反，不但不能提高加工精度與效率，反而 使加工過(guò)程發(fā)生混亂，精度、效率變差，復(fù)合作用發(fā)揮不甚明顯或無(wú)復(fù)合作用。中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)說(shuō)明書(shū)"CN 1400077A"公開(kāi)了一種動(dòng)壓軸承裝置 的制造方法及動(dòng)壓軸承裝置，其實(shí)質(zhì)內(nèi)容是一邊利用超聲波振動(dòng)發(fā)生裝置對(duì)電 解液給予超聲波振動(dòng)激勵(lì)， 一邊進(jìn)行電解加工，在加工件表面形成工具電極的 反形狀，加工精度良好。此專(zhuān)利主要用于動(dòng)壓軸承的高精度凹槽加工，應(yīng)用范 圍有限，很難實(shí)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)、任意形狀零件的微細(xì)加工；另一方面其電解作用與 超聲頻振動(dòng)只是簡(jiǎn)單迭加組合作用，沒(méi)有進(jìn)行同歩有機(jī)復(fù)合，復(fù)合作用效果沒(méi) 有完全發(fā)揮。中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)"CN200610037902.8"公開(kāi)了一種超聲電解復(fù)合微細(xì) 加工方法,取超聲頻電信號(hào)通過(guò)調(diào)制電路產(chǎn)生電解電源斬波信號(hào)，由于超聲振 動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)作滯后，復(fù)合同歩精度較難有效保證，而不同歩滯后誤差積累， 加工過(guò)程中將會(huì)出現(xiàn)電解加電相位紊亂，發(fā)生持續(xù)大間隙處加電電解或電解短路，嚴(yán)重時(shí)破壞陰極與工件，而這種滯后誤差很難通過(guò)調(diào)制電路進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償；為避免電解短路和火花放電燒傷工件與陰極，實(shí)用中必須在加工電解液中混入 粒度較大的超聲磨粒，阻止工件與陰極的直接接觸造成的電解短路，但超聲磨 料在消除鈍化，起一定去除材料作用同時(shí)，也不可避免對(duì)工具陰極產(chǎn)生磨損， 使微細(xì)加工中陰極使用壽命受到限制，在深徑比大的微細(xì)加工中，難以達(dá)到微 細(xì)加工精度要求。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種復(fù)合同步超聲頻振動(dòng)微細(xì)電解加工 方法，將微細(xì)電解與超聲頻振動(dòng)同頻、同步有機(jī)復(fù)合，實(shí)現(xiàn)低電壓、小間隙、 無(wú)磨料或微粉級(jí)磨料、微電流密度、高頻脈沖電解與超聲頻振動(dòng)同步復(fù)合加工， 實(shí)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)高速、高精、低成本微細(xì)加工。為解決以上技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的技術(shù)方案為，提供一種復(fù)合同步超聲頻振動(dòng)微細(xì)電解加工方法，包括如下步驟首先根據(jù)工件加工要求，加工微細(xì)陰極外形，并且用組合特種加工技術(shù)制 作與工件所需截面形狀相反的微細(xì)陰極加工端面，超聲頻振動(dòng)輻射頭用螺紋與 微細(xì)陰極端部聯(lián)接，聯(lián)接處用凡士林或高密度植物油脂耦合；再通過(guò)導(dǎo)向器將微細(xì)陰極與工件定位，或者將工件粘接在絕緣工作臺(tái)上， 借助測(cè)量顯微鏡觀(guān)測(cè)、標(biāo)定與定位，工作臺(tái)與工件之間用絕緣薄膜電隔離；然后，在工件與微細(xì)陰極之間人工滴注低電導(dǎo)率鈍化性電解液，或?qū)⒓庸?區(qū)完全置于電解液中，打開(kāi)超聲發(fā)生器電源，由超聲發(fā)生器產(chǎn)生頻率及功率連 續(xù)可調(diào)的超聲頻交變電信號(hào)，壓電式換能器與超聲頻振動(dòng)輻射頭將此超聲頻交 變電信號(hào)放大轉(zhuǎn)換為微細(xì)陰極端面的同頻超聲頻機(jī)械振動(dòng)；通過(guò)人工調(diào)節(jié)或控制計(jì)算機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)超聲發(fā)生器的激振電容，改變超聲頻 交變電信號(hào)振蕩頻率，激勵(lì)超聲振動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)共振，此時(shí)陰極端面產(chǎn)生超聲頻 振動(dòng)，陰極端部電解液將出現(xiàn)霧化，利用精密微細(xì)砝碼，通過(guò)微壓力調(diào)節(jié)裝置始終保持工件與微細(xì)陰極之間0. 01N 3. 00N微壓力接觸，開(kāi)通電解回路電源， 電壓幅值1V 5V，開(kāi)始加工，隨著加工深度增加，由連通器壓力油驅(qū)動(dòng)工件與 工作臺(tái)向上微量位移；加工過(guò)程中，通過(guò)激光微位移傳感器對(duì)微細(xì)陰極的超聲頻振動(dòng)位置進(jìn)行動(dòng) 態(tài)快速測(cè)量，并將其轉(zhuǎn)換為包含超聲振動(dòng)頻率、相位、幅值信息的電信號(hào)，再 傳送到斬波電路處理、轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生切斷與開(kāi)通電解電源的斬波信號(hào)，對(duì)電解回 路進(jìn)行開(kāi)通或關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)電解加電與陰極超聲頻振動(dòng)的精確同頻、同步；通過(guò)電流傳感器將電解電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，由數(shù)字存儲(chǔ)示波器進(jìn)行顯示、 測(cè)量、存儲(chǔ)，用數(shù)字存儲(chǔ)示波器兩個(gè)通道，觀(guān)測(cè)電解電壓與電解電流的同步精 度與變化情況，可人工對(duì)復(fù)合微細(xì)電解加工過(guò)程進(jìn)行參數(shù)優(yōu)選與調(diào)節(jié)，電信號(hào) 可由串行口傳送到控制計(jì)算機(jī)中顯示、處理，進(jìn)行超聲參數(shù)和電參數(shù)的自動(dòng)調(diào) 節(jié)，保持加工過(guò)程優(yōu)化。以上方法中，電解液選用質(zhì)量濃度為1% 5%的硝酸鈉溶液，超聲發(fā)生器產(chǎn) 生頻率范圍為16KHz 24KHz的超聲頻交變電信號(hào)，超聲功率為10W 150W，微細(xì) 陰極端面的超聲頻振動(dòng)振幅為O. 005 mm 0. 100 mm。以上方法中，可以選用以下參數(shù)電解電壓為直流4V，系統(tǒng)超聲頻振動(dòng)共 振頻率為19.63KHz，超聲功率60W，超聲振幅O. 05mm，工件與微細(xì)陰極之間的接 觸靜壓力為2.0N，電解液為5%的硝酸鈉水溶液，在硝酸鈉水溶液中加入1600目 碳化硅磨料，加工時(shí)間3分鐘。以上方法中，還可以選用以下參數(shù)電解電壓為脈沖電壓，幅值2V，頻率 5000Hz，占空比4: 6 ，系統(tǒng)超聲頻振動(dòng)共振頻率20. 12KHz，超聲功率45W，超 聲振幅0.03mm，工件與微細(xì)陰極之間的接觸靜壓力為l. 60N，電解液為5%硝酸鈉 水溶液，在硝酸鈉水溶液中加入碳化硼W10微粉，加工時(shí)間3分鐘。該復(fù)合同步超聲頻振動(dòng)微細(xì)電解加工方法，將微細(xì)電解與超聲頻振動(dòng)同頻、 同步有機(jī)結(jié)合，依靠超聲頻振動(dòng)作用消除電解鈍化，實(shí)現(xiàn)加工產(chǎn)物的排除與工作液的循環(huán)更新，改善加工間隙過(guò)程，提高定域加工性能，在具有高加工效率同時(shí)， 可進(jìn)一步提高微細(xì)加工精度、表面質(zhì)量；加工中工件與陰極保持一定微壓力接 觸，可進(jìn)行微壓力連續(xù)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，無(wú)需電解加工必須的精密穩(wěn)速微進(jìn)給系統(tǒng)， 同時(shí)采用低濃度鈍化性電解液，無(wú)需復(fù)雜的電解液循環(huán)系統(tǒng)，與超聲頻振動(dòng)同 頻、同步開(kāi)通和關(guān)斷電解加工電源，加電間隙可實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，可不用超聲磨料輔 助進(jìn)行復(fù)合微細(xì)電解加工，陰極理論上無(wú)損耗，可有效提高加工精度，并大大 降低成本。


圖1為復(fù)合同步超聲頻振動(dòng)微細(xì)電解加工方法工作原理框圖；圖2為斬波電路原理圖；圖3為復(fù)合同歩加電方式；圖中2a激光微位移傳感器電信號(hào)、2b電壓比較器、2c光電耦合器、2d 斬波管、2e斬波脈沖、2f電解電源、2g續(xù)流二極管、2h加工區(qū)、3a脈沖加 電區(qū)、3b脈沖關(guān)斷區(qū)、3c電解加電間隙。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。 如圖1所示，本發(fā)明的復(fù)合同步超聲頻振動(dòng)微細(xì)電解加工方法包括如下步 驟，由超聲發(fā)生器產(chǎn)生頻率范圍為16KHz 24KHz連續(xù)可調(diào)超聲頻交變電信號(hào)， 超聲功率為10W 150W連續(xù)可調(diào)，壓電式換能器與超聲頻振動(dòng)輻射頭將此超聲 頻交變電信號(hào)放大轉(zhuǎn)換為微細(xì)陰極端面的同頻、同相超聲頻機(jī)械振動(dòng)，振幅可 達(dá)0. 005 mra 0. 100 mm，滿(mǎn)足復(fù)合微細(xì)加工超聲頻振動(dòng)振幅要求。超聲頻振動(dòng) 輻射頭端部通過(guò)螺紋聯(lián)接微細(xì)陰極，用凡士林或高密度植物油脂耦合，避免超 聲能量損失。利用電解加工機(jī)理，以"分子溶解"方式去除材料，利用超聲頻振動(dòng)作用 去除電解產(chǎn)物，更新電解液，即可采用"靜態(tài)供液"方式供給工作液，無(wú)需復(fù)雜的電解液循環(huán)系統(tǒng)；采用1% 5%低質(zhì)量濃度硝酸鈉鈍化性電解液，避免電 解雜散腐蝕且無(wú)環(huán)境污染問(wèn)題；采用小間隙加電電解并復(fù)合超聲頻振動(dòng)，可實(shí) 現(xiàn)定域微量去除加工；不用超聲磨料，陰極理論無(wú)損耗。采用這些加工方式， 在加工機(jī)理上非常有利于實(shí)現(xiàn)精密、微細(xì)、高效、低成本綠色制造。電解裝置由微細(xì)陰極、加工件、電解液、電源、電流傳感器及斬波器組成， 工作臺(tái)與工件之間用絕緣薄膜電隔離，在加工區(qū)人工滴注低濃度鈍化電解液， 亦可將加工區(qū)完全置于電解液中。超聲振動(dòng)沖擊波及"空化"效應(yīng)可將加工產(chǎn) 物及時(shí)帶出加工區(qū)，并使新鮮電解液實(shí)現(xiàn)循環(huán)更新。激光微位移傳感器對(duì)微細(xì)陰極的超聲頻振動(dòng)位置進(jìn)行動(dòng)態(tài)快速測(cè)量，并將 其轉(zhuǎn)換為包含超聲振動(dòng)頻率、相位、幅值信息的電信號(hào)，再傳送到斬波電路產(chǎn) 生切斷與開(kāi)通電解電源的斬波信號(hào)，對(duì)電解回路進(jìn)行開(kāi)通或關(guān)斷，保證電解加 電與陰極超聲頻振動(dòng)的同頻、同步，即超聲振動(dòng)在小間隙處進(jìn)行電解加工，超 聲振動(dòng)大間隙處進(jìn)行電解產(chǎn)物排除及新鮮電解液的循環(huán)更新，精密激光微位移 傳感器響應(yīng)頻率高達(dá)50KHz，遠(yuǎn)超過(guò)超聲加工頻率16 KHz 24KHz，因此工具陰 極超聲振動(dòng)與加電信號(hào)產(chǎn)生的相位滯后誤差極小，加電區(qū)間與加工間隙變化關(guān) 系可始終保持同頻、同步，穩(wěn)定滿(mǎn)足超聲振動(dòng)與電源之間的加電、關(guān)斷動(dòng)作同 步響應(yīng)要求。微壓力調(diào)節(jié)裝置利用精密微細(xì)砝碼，通過(guò)連通器壓力油保持工件與微細(xì)陰 極之間0. 01N 3. OON的微接觸壓力，加工中工件始終與微細(xì)陰極保持一穩(wěn)定微 壓力接觸，隨加工深度增加，z軸自動(dòng)向上進(jìn)給；x、 y工作臺(tái)進(jìn)給由電致伸 縮微位移進(jìn)給裝置驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)高剛度無(wú)間隙位移和極精細(xì)的微量位移，分辨力 可達(dá)1.0 2.5nm。電解電壓、電流測(cè)量及分析裝置是由電流傳感器、數(shù)字存儲(chǔ)示波器、控制 計(jì)算機(jī)組成，電流傳感器將電解電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，由數(shù)字存儲(chǔ)示波器進(jìn)行 顯示、測(cè)量、存儲(chǔ)，用數(shù)字存儲(chǔ)示波器兩個(gè)通道，觀(guān)測(cè)電解電壓與電流的同歩性與變化情況，以便對(duì)微細(xì)電解加工過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)分析、參數(shù)優(yōu)選與調(diào)節(jié)。電 信號(hào)可由串行口傳送到控制計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)，以便分析、運(yùn)算處理。人工調(diào)節(jié)或 控制計(jì)算機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)超聲發(fā)生器的激振電容，改變超聲頻交變電信號(hào)振蕩頻 率，可激勵(lì)超聲振動(dòng)系統(tǒng)達(dá)共振加工條件。復(fù)合同步超聲頻振動(dòng)微細(xì)電解加工方法一方面可解決微電流密度下，由于 電解鈍化使單一電解微細(xì)加工過(guò)程難以持續(xù)的問(wèn)題，由超聲頻振動(dòng)減小電化學(xué)極化、濃差極化，消除電解鈍化，實(shí)現(xiàn)低電壓1 5V、小間隙0. 005 mm 0. 05mra、 小于20A/cm2的微電流密度、16KHz 24KHz高頻脈沖電解加工的效果，提高微 細(xì)加工精度、表面質(zhì)量及效率；另一方面利用斬波電路可控制電解加電間隙， 避免電解接觸短路，無(wú)需超聲磨料，理論上可實(shí)現(xiàn)"工具陰極無(wú)損耗"，克服 單純微細(xì)超聲加工工具損耗嚴(yán)重及在材料面積、韌性較大時(shí)，效率、精度顯著 降低的問(wèn)題。電解作用是"離子"式去除，在加工機(jī)理上具有實(shí)現(xiàn)微精加工的 現(xiàn)實(shí)可行性；依靠超聲振動(dòng)效應(yīng)實(shí)現(xiàn)電解產(chǎn)物排除及新鮮電解液的循環(huán)更新， 無(wú)需復(fù)雜的電解液循環(huán)系統(tǒng)；采用低濃度鈍化性電解液，無(wú)環(huán)境污染保護(hù)問(wèn)題； 采用液體傳遞精密微壓力調(diào)節(jié)裝置，可自動(dòng)保持工件與陰極之間的微接觸壓 力，無(wú)需電解加工的恒速穩(wěn)定進(jìn)給機(jī)構(gòu)，在易于提高精度、保持高效率的同時(shí)， 設(shè)備及加工成本大為降低。當(dāng)加工效率要求高、精度要求一般時(shí)，可采用微粉級(jí)磨料幫助消除鈍化， 進(jìn)行超聲同歩電解加工，大大提高加工效率。采用水、乳化液或低質(zhì)量濃度硝酸鈉等低電導(dǎo)率鈍化性工作液，釆用直流 電源或者高頻脈沖電源，幅值4V及以上電源電壓，可在加工裝置上進(jìn)行復(fù)合 同步超聲頻振動(dòng)微細(xì)電解加工、復(fù)合同步超聲頻振動(dòng)微細(xì)電火花加工、復(fù)合同 歩超聲頻振動(dòng)微細(xì)電解/電火花加工及單一超聲微細(xì)加工，滿(mǎn)足不同加工材料、 不同加工精度及不同加工效率的工件加工需求；如何準(zhǔn)確取出超聲頻振動(dòng)信號(hào)，是實(shí)現(xiàn)微細(xì)電解與超聲頻振動(dòng)同步復(fù)合的技術(shù)關(guān)鍵。本發(fā)明以超聲頻機(jī)械振動(dòng)的陰極端面為基準(zhǔn)，利用精密激光微位移傳感器采集陰極超聲頻振動(dòng)信號(hào)。采用"LK一G10"型CCD精密激光微位移傳 感器，具有50kHz的超高采樣速度，0. 02%的高精確度，0. 01 u m的超高再現(xiàn)性， 測(cè)量范圍為lO土lrnm。傳感器轉(zhuǎn)換得到的陰極超聲振動(dòng)電信號(hào)直接反映微細(xì)陰 極端面與工件之間的加工間隙變化，將微細(xì)陰極端面超聲振動(dòng)電信號(hào)引入斬波 電路中，斬波電路產(chǎn)生開(kāi)、斷直流或脈沖電解電源的斬波信號(hào)，控制電解加工 的開(kāi)、斷。當(dāng)微細(xì)陰極振動(dòng)接近加工件時(shí)，加電電解加工，微細(xì)陰極振動(dòng)遠(yuǎn)離 工件時(shí)切斷電解電源，進(jìn)行加工產(chǎn)物清除并更新電解液。如圖2所示，將激光微位移傳感器電信號(hào)2a與電壓比較器2b的基準(zhǔn)電壓 信號(hào)進(jìn)行比較，由比較結(jié)果,決定光電耦合器2c的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，產(chǎn)生斬波脈沖2e， 斬波脈沖2e確定斬波管2d的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，由斬波管2d的開(kāi)關(guān)狀態(tài)決定電解電 源2f的開(kāi)、關(guān)，從而控制電解加工區(qū)2h的工作狀態(tài)。續(xù)流二極管2g起電壓 反向續(xù)流保護(hù)作用，而電壓比較器2b的基準(zhǔn)電壓可以由可調(diào)電阻R3來(lái)調(diào)節(jié)。 斬波管2d采用M0SFET場(chǎng)效應(yīng)管，具有容量大，適合低電壓和較大電流、15kHz 35kHz工作頻率、ns級(jí)開(kāi)關(guān)速度、損耗低、耐壓特性好、可靠性高等特點(diǎn)，尤 其適合此工藝。用激光微位移傳感器直接采集陰極端面超聲頻振動(dòng)信號(hào)，避免了超聲振動(dòng) 系統(tǒng)相對(duì)于超聲頻交變電信號(hào)之間的相位滯后誤差，再通過(guò)斬波電路對(duì)激光微 位移傳感器電信號(hào)2a進(jìn)行處理，得到斬波脈沖2e對(duì)電解電源2f進(jìn)行開(kāi)、斷 控制，可實(shí)現(xiàn)電解加電區(qū)與陰極超聲頻振動(dòng)精確同頻、同步。圖3所示為采用的復(fù)合同步加電方法，當(dāng)微細(xì)陰極沿z軸向往下振動(dòng)，微 細(xì)陰極與加工件間隙小于電解加電間隙3c時(shí)，斬波電路給出斬波脈沖2e開(kāi)通 電解電源2f，為脈沖加電區(qū)3a，進(jìn)行電解加電加工；當(dāng)微細(xì)陰極沿z軸向上 振動(dòng)，微細(xì)陰極與加工件間隙大于電解加電間隙3c時(shí)，斬波電路給出的斬波 信號(hào)2e為關(guān)斷信號(hào)，電解電源2f斷電，為脈沖關(guān)斷區(qū)3b，可以進(jìn)行產(chǎn)物排除，更新電解液，均勻間隙參數(shù),阻止雜散腐蝕，提高加工精度。采用圖3所示的復(fù)合同步加電方法，在微細(xì)陰極振動(dòng)與工件接觸時(shí)，由于有電解回路電阻R9的限流作用，不會(huì)產(chǎn)生過(guò)大峰值電流；超聲頻振動(dòng)也可避 免工件與陰極接觸放電對(duì)工件與微細(xì)陰極的電蝕作用，復(fù)合加工過(guò)程無(wú)須超聲 磨粒，可實(shí)現(xiàn)陰極無(wú)磨損微細(xì)加工；當(dāng)在電解液中混入碳化硼等微米級(jí)磨粉，由于微粉阻斷作用，陰極與工件 不會(huì)產(chǎn)生電解短路，可提高加工電參數(shù)，采用較大振幅，在保證加工精度條件 下，可顯著提高加工效率。此外在此裝置上，采用絕緣工作液，可實(shí)現(xiàn)復(fù)合同步超聲電火花微細(xì)加工； 采用水、乳化液或低質(zhì)量濃度硝酸鈉等低電導(dǎo)率工作液，采用幅值4V及以上 電源電壓，可實(shí)現(xiàn)復(fù)合同步超聲電解/電火花復(fù)合微細(xì)加工。復(fù)合同步超聲頻振動(dòng)微細(xì)電解加工步驟如下1) 根據(jù)工件加工要求，設(shè)計(jì)微細(xì)陰極，加工微細(xì)陰極外形，再用微細(xì)組 合電加工方法，利用"內(nèi)、外表面轉(zhuǎn)換"、"母電極復(fù)合平動(dòng)放電拷貝"、"在線(xiàn) 放電磨削"及"掩模光刻"等方式制作與所需加工截面形狀相反的微細(xì)陰極加 工端面；2) 微細(xì)陰極與工件可用導(dǎo)向器定位；也可用雙面膠或?qū)Ｓ谜辰觿⒐ぜ?粘接在絕緣工作臺(tái)上，借助測(cè)量顯微鏡觀(guān)測(cè)、標(biāo)定與定位；3) 根據(jù)微細(xì)加工要求選擇工作液及電解電參數(shù)，復(fù)合微細(xì)電解采用質(zhì)量 濃度1% 5%低濃度硝酸鈉等鈍化性電解液，電壓幅值1V 5V。當(dāng)加工精度要 求較高，加工效率要求一般時(shí)，電解液濃度、電壓幅值要取相對(duì)低值，電源可 選擇高頻脈沖電源；加工效率要求較高，加工精度要求一般時(shí)，電解液濃度、 電壓幅值取相對(duì)高值，可選擇直流電源；當(dāng)表面要求光整加工時(shí)，釆用絕緣工 作介質(zhì)或低質(zhì)量濃度硝酸鈉等鈍化性電解液，電壓幅值須不低于4V，進(jìn)行復(fù)合同步超聲電火花微細(xì)加工或復(fù)合同步超聲電解/電火花復(fù)合微細(xì)加工；4) 根據(jù)加工件加工面積、加工深度及效率要求，選擇超聲功率，可在10W 150W之間調(diào)節(jié)，超聲共振振幅為在0. 005mm 0. lOOmm范圍內(nèi)一定值。5) 根據(jù)加工件與陰極接觸面積選擇恰當(dāng)?shù)奈⒔佑|壓力，可在0.01N 3.00N之間選擇，通過(guò)精密微細(xì)砝碼組合及壓力連通器實(shí)現(xiàn)，可用測(cè)力儀檢測(cè)。6) 工件與陰極之間滴注電解液，或?qū)⒐ぜc陰極置于電解液中，開(kāi)啟超 聲振動(dòng)，頻率在16KHz 24KHz之間連續(xù)可調(diào)，手動(dòng)調(diào)節(jié)超聲振動(dòng)系統(tǒng)達(dá)共振狀 態(tài)，陰極端面工作液將出現(xiàn)霧化，打開(kāi)加工系統(tǒng)總電源，加工開(kāi)始；精密激光 微位移傳感器將實(shí)時(shí)、高速采集陰極超聲頻振動(dòng)位移信號(hào)，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳送 給斬波電路，斬波電路控制電源的開(kāi)、斷，保證陰極與工件間距在設(shè)置間隙以 下，開(kāi)通電源加電加工，否則關(guān)斷電源，進(jìn)行產(chǎn)物清除及電解液更新；7) 加工過(guò)程參數(shù)由電流傳感器、數(shù)字存儲(chǔ)示波器、控制計(jì)算機(jī)測(cè)量顯示， 加工參數(shù)的波動(dòng)，會(huì)引起共振點(diǎn)漂移，通過(guò)控制計(jì)算機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)超聲發(fā)生器激 振電容來(lái)保持共振，使陰極端面得到最大振幅；根據(jù)電流及加工速度變化，可 以在線(xiàn)調(diào)節(jié)加電間隙、電參數(shù)，以保持加工過(guò)程優(yōu)化；8) 加工至一定深度或一定時(shí)間，系統(tǒng)超聲振動(dòng)及電解加工電源自動(dòng)關(guān)斷， 加工結(jié)束，更換加工部位重新加工或者解除定位器取下工件，進(jìn)行測(cè)試分析。該復(fù)合同歩超聲頻振動(dòng)微細(xì)電解加工方法技術(shù)效果微細(xì)電解加工復(fù)合同頻、同步超聲頻振動(dòng)，具有高頻脈沖電解與同步超聲 頻振動(dòng)的雙重效果，可實(shí)現(xiàn)低電壓、小間隙、無(wú)磨料、微電流密度、高頻脈沖 電解與超聲頻振動(dòng)同步復(fù)合微細(xì)加工，具有高速、高精、低成本的工藝特點(diǎn)； (2)電解加電間隙可在線(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)，保證加工過(guò)程優(yōu)化，能充分發(fā)揮復(fù)合技 術(shù)優(yōu)勢(shì)；(3)超聲頻振動(dòng)可避免工件與陰極接觸放電對(duì)工件與微細(xì)陰極的燒蝕 作用；電解回路限流電阻可限制短路峰值電流，復(fù)合加工過(guò)程可無(wú)須超聲磨粒， 可實(shí)現(xiàn)陰極無(wú)磨損微細(xì)加工；(3)根據(jù)加工要求，可在加工裝置上進(jìn)行復(fù)合同 步超聲頻振動(dòng)微細(xì)電解加工、復(fù)合同步超聲頻振動(dòng)微細(xì)電火花加工、復(fù)合同步超聲頻振動(dòng)微細(xì)電解/電火花加工及單一超聲微細(xì)加工；(4)控制x、 y、 z工 作臺(tái)聯(lián)動(dòng)進(jìn)給，可實(shí)現(xiàn)工件型面的展成式復(fù)合微細(xì)加工，微細(xì)加工成形取決于 微細(xì)陰極與工件相對(duì)運(yùn)動(dòng)包絡(luò)軌跡，可減小微細(xì)陰極制作難度，提高此方法對(duì) 不同形狀零件加工的適應(yīng)性。實(shí)例一方形微槽復(fù)合微細(xì)電解加工直流電解電壓1V 4V，系統(tǒng)超聲頻振動(dòng)共振頻率19. 63KHz，超聲功率60W， 超聲振幅0.05mm，磨料1600目碳化硅，電解液為5%的硝酸鈉水溶液，工件與 微細(xì)陰極之間的接觸靜壓力2. 0N。使用邊長(zhǎng)lmm的方形陰極對(duì)硬質(zhì)合金YG8進(jìn) 行不同直流電壓的電解復(fù)合超聲振動(dòng)加工試驗(yàn)，加工時(shí)間3分鐘，隨著加工電 壓增加，工件表面方形槽深度逐漸增加；當(dāng)電壓超過(guò)3V增加明顯，但電壓升 高，電解作用增強(qiáng)，加工定域性減弱，材料去除一致性變差，加工尺寸精度變 差；電壓達(dá)4V時(shí)，可見(jiàn)微火花放電，由于電解、電火花共同作用，加工出較 深、較大微坑；電解電壓2V時(shí)工件表面粗糙度Ra最小，隨著電解電壓增加， 電解作用增強(qiáng)，加工產(chǎn)物更易于被超聲作用及時(shí)清除，減小了對(duì)陰極的持續(xù)拋 磨，從而使陰極磨損量下降，超過(guò)3V后磨損量下降較顯著。加工過(guò)程電解電流波形變化與超聲頻振動(dòng)同頻、同歩，振動(dòng)接近時(shí)電流變大，振動(dòng)遠(yuǎn)離時(shí)減小，而在電解電壓關(guān)斷區(qū)電流為零。加工形狀有尖角變圓現(xiàn)象，原因有陰極制作時(shí)的放電圓角效應(yīng)、微細(xì)磨粉 的超聲拋磨圓角效應(yīng)及微電流電解圓角效應(yīng)，采用更小的放電參數(shù)制作微細(xì)陰 極，減小超聲磨粉粒度或不用磨料，降低電解電壓幅值，可減小尖角變圓程度。實(shí)例二方錐形陣列微凹坑復(fù)合電解微細(xì)加工脈沖電源電壓幅值OV (對(duì)應(yīng)單一超聲加工)、IV、 2V、 4V ，頻率5000Hz， 占空比4: 6 ，系統(tǒng)超聲頻振動(dòng)共振頻率20.32KHz ，超聲功率45W，超聲振幅 0.03mm，電解液為5%硝酸鈉水溶液，在硝酸鈉水溶液中加入碳化硼W10微粉，工 件與微細(xì)陰極之間的接觸靜壓力l. 60N，加工時(shí)間3分鐘。復(fù)合超聲頻振動(dòng)微細(xì)電解加工方錐形微凹坑深度及效率明顯高于單一超聲 加工，電壓增加，加工效率增高，同時(shí)由于微細(xì)電解加工間隙有所增大，凹坑 平面尺寸也有所擴(kuò)大，其中2V電壓電解復(fù)合加工精度及表面質(zhì)量最佳。加工方錐形微凹坑時(shí)，雙通道數(shù)字存儲(chǔ)示波器采集的電解電壓，電解電流 波形對(duì)應(yīng)電流傳感器輸出電壓信號(hào)，電解作用與脈沖加電電壓同歩，在加電脈 沖區(qū)間，電流信號(hào)出現(xiàn)高頻諧波，其頻率對(duì)應(yīng)于極間間隙的超聲頻變化，基波 為電解作用波形，尖峰為微火花放電波形，即在加工方錐形微凹坑時(shí)，有微細(xì) 電解及微細(xì)電火花合成作用。實(shí)例三硬質(zhì)合金YBD151微齒輪電解復(fù)合加工脈沖電源電壓幅值2V，頻率5000Hz，占空比4: 6，系統(tǒng)超聲頻振動(dòng)共振 頻率20. 12KHz ，超聲功率45W，超聲振幅0. 03腿，工件與微細(xì)陰極之間的接 觸靜壓力為1.60N，電解液為5%硝酸鈉水溶液，在硝酸鈉水溶液中加入碳化硼 W10微粉，加工時(shí)間3分鐘。用有內(nèi)齒形孔微細(xì)陰極，在有高耐磨性基體復(fù)合耐磨涂層硬質(zhì)合金YBD151 材料上套料加工模數(shù)0.25mm，壓力角20°的漸開(kāi)線(xiàn)微齒輪，加工的微齒輪厚度 0.30 mm，漸開(kāi)線(xiàn)齒形形狀精度可達(dá)士O. OOlmm，齒面粗糙度Ra為0. 16他。
權(quán)利要求
1.一種復(fù)合同步超聲頻振動(dòng)微細(xì)電解加工方法，首先根據(jù)工件加工要求，加工微細(xì)陰極外形，并且用組合特種加工技術(shù)制作與工件所需截面形狀相反的微細(xì)陰極加工端面，超聲頻振動(dòng)輻射頭用螺紋與微細(xì)陰極端部聯(lián)接，聯(lián)接處用凡士林或高密度植物油脂耦合；再通過(guò)導(dǎo)向器將微細(xì)陰極與工件定位，或者將工件粘接在絕緣工作臺(tái)上，借助測(cè)量顯微鏡觀(guān)測(cè)、標(biāo)定與定位，工作臺(tái)與工件之間用絕緣薄膜電隔離；然后，在工件與微細(xì)陰極之間人工滴注低電導(dǎo)率鈍化性電解液，或?qū)⒓庸^(qū)完全置于電解液中，打開(kāi)超聲發(fā)生器電源，由超聲發(fā)生器產(chǎn)生頻率及功率連續(xù)可調(diào)的超聲頻交變電信號(hào)，壓電式換能器與超聲頻振動(dòng)輻射頭將此超聲頻交變電信號(hào)放大轉(zhuǎn)換為微細(xì)陰極端面的同頻超聲頻機(jī)械振動(dòng)，其特征是通過(guò)人工調(diào)節(jié)或控制計(jì)算機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)超聲發(fā)生器的激振電容，改變超聲頻交變電信號(hào)振蕩頻率，激勵(lì)超聲振動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)共振，此時(shí)陰極端面產(chǎn)生超聲頻振動(dòng)，陰極端部電解液將出現(xiàn)霧化，利用精密微細(xì)砝碼，通過(guò)微壓力調(diào)節(jié)裝置始終保持工件與微細(xì)陰極之間0.01N～3.00N微壓力接觸，開(kāi)通電解回路電源，電壓幅值1V～5V，開(kāi)始加工，隨著加工深度增加，由連通器壓力油驅(qū)動(dòng)工件與工作臺(tái)向上微量位移；加工過(guò)程中，通過(guò)激光微位移傳感器對(duì)微細(xì)陰極的超聲頻振動(dòng)位置進(jìn)行動(dòng)態(tài)快速測(cè)量，并將其轉(zhuǎn)換為包含超聲振動(dòng)頻率、相位、幅值信息的電信號(hào)，再傳送到斬波電路處理、轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生切斷與開(kāi)通電解電源的斬波信號(hào)，對(duì)電解回路進(jìn)行開(kāi)通或關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)電解加電與陰極超聲頻振動(dòng)的精確同頻、同步；通過(guò)電流傳感器將電解電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，由數(shù)字存儲(chǔ)示波器進(jìn)行顯示、測(cè)量、存儲(chǔ)，用數(shù)字存儲(chǔ)示波器兩個(gè)通道，觀(guān)測(cè)電解電壓與電解電流的同步精度與變化情況，可人工對(duì)復(fù)合微細(xì)電解加工過(guò)程進(jìn)行參數(shù)優(yōu)選與調(diào)節(jié)，電信號(hào)可由串行口傳送到控制計(jì)算機(jī)中顯示、處理，可進(jìn)行超聲參數(shù)和電參數(shù)的自動(dòng)調(diào)節(jié)，保持加工過(guò)程優(yōu)化。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的復(fù)合同步超聲頻振動(dòng)微細(xì)電解加工方法，其 特征是所述電解液為質(zhì)量濃度1% 5%的硝酸鈉溶液，超聲發(fā)生器產(chǎn)生頻率范圍為16KHz 24KHz的超聲頻交變電信號(hào)，超聲功率為10W 150W，微 細(xì)陰極端面的超聲頻機(jī)械振動(dòng)的振幅為0.005 mm 0. 100 mm。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的復(fù)合同步超聲頻振動(dòng)微細(xì)電解加工方法，其 特征是電解電壓為直流4V，系統(tǒng)超聲頻振動(dòng)共振頻率為19. 63KHz，超聲 功率60W，超聲振幅0.05mm，工件與微細(xì)陰極之間的接觸靜壓力為2. 0N， 電解液為5%的硝酸鈉水溶液，在硝酸鈉水溶液中加入1600目碳化硅磨料， 加工時(shí)間3分鐘。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的復(fù)合同步超聲頻振動(dòng)微細(xì)電解加工方法，其 特征是電解電壓為脈沖電壓，幅值2V，頻率5000Hz，占空比4: 6 ，系 統(tǒng)超聲頻振動(dòng)共振頻率20. 12KHz，超聲功率45W，超聲振幅0. 03mm，工件 與微細(xì)陰極之間的接觸靜壓力為1.60N,電解液為5%硝酸鈉水溶液，在硝 酸鈉水溶液中加入碳化硼W10微粉，加工時(shí)間3分鐘。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種復(fù)合同步超聲頻振動(dòng)微細(xì)電解加工方法，通過(guò)微壓力調(diào)節(jié)裝置保持工件與微細(xì)陰極之間微壓力接觸，通過(guò)激光微位移傳感器對(duì)微細(xì)陰極的超聲頻振動(dòng)位置進(jìn)行動(dòng)態(tài)快速測(cè)量，并將其轉(zhuǎn)換為包含超聲振動(dòng)頻率、相位、幅值的電信號(hào)，傳送到斬波電路處理、轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生通斷電解電源的斬波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電解加電與陰極超聲頻振動(dòng)的精確同頻、同步，通過(guò)電流傳感器將電解電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，由數(shù)字存儲(chǔ)示波器進(jìn)行顯示、測(cè)量、存儲(chǔ)，再傳送到控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行超聲參數(shù)和電參數(shù)的自動(dòng)調(diào)節(jié)。該方法將微細(xì)電解與超聲頻振動(dòng)同頻、同步有機(jī)結(jié)合，依靠超聲頻振動(dòng)作用消除電解鈍化，提高了加工的精度與表面質(zhì)量，降低成本，可實(shí)現(xiàn)任意型面微結(jié)構(gòu)的微細(xì)加工。
文檔編號(hào)B23H5/06GK101327536SQ20081002142
公開(kāi)日2008年12月24日 申請(qǐng)日期2008年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月29日
發(fā)明者云乃彰, 朱永偉, 李紅英, 汪建春, 王占和, 范仲俊 申請(qǐng)人:揚(yáng)州大學(xué)