[发明专利]一种难加工材料的微精加工方法及加工系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种难加工材料的微精加工方法及加工系统，属于复合精密、微细特种加工技术领域。

背景技术

难加工材料(如：电子陶瓷、高温合金、硬质合金等)、复杂异形面（如：三维曲面、异形孔槽等）零部件在现代制造业中的应用愈来愈广泛，其精密、微细加工问题已成为限制制造业技术进步的瓶颈难题。

实现制造系统的自动化及寻求固有制造技术极限的精密微细化是现代制造技术的两大发展趋势。现代工业的飞速发展，要求在有限空间内，产品具有多种功能，因而对难加工材料、小型化、微型化的超精加工要求日益迫切；同时由于对小型、微型产品性能要求的不断提高，又使得加工精度和质量的影响日显重要。难加工材料、异形面加工是实现小型化、微型化的技术基础，尤其是现代高科技的发展给精密、微型化加工提供了更加有力的技术支撑。精密微细与复杂曲面加工技术集合、交叉了多学科的内容，是一个融前沿高技术和工程应用于一体的科学技术体系，已成为制造科学的研究热点，也是各类工艺竞相发展的重要手段。

难加工材料、异形面零部件的超精加工有传统机械加工及现代特种加工技术两大类。传统精密机械加工常用方法有精密车削、精密磨削、精密研磨及精密数控多轴联动加工等方法，但传统精密机床对难加工材料（如：电子陶瓷、高温合金、硬质合金等）的加工有相当难度，一般均需要采用特别的辅助性措施，加工周期及生产成本高；而对复杂异形面（三维曲面、异形孔槽等）零部件加工因为受到机床成形机理限制，一般难以实现复杂、异形面加工；再有这类传统机械加工设备及维护成本均很高，因此传统超精机械加工对难加工材料、复杂异形面零部件的加工应用受到很大限制。特种加工在发展微精加工中显示独特优势，它具有不受工件硬度影响、加工作用力小、工具损耗很小等优点而受到特别重视。

在精密微细特种加工技术领域，有许多加工方法，如微精电火花加工、微精电解加工、微精超声加工、高能束流加工以及由两种或两种以上加工方法组合而成的微精复合加工等，这些加工方法能解决普通切削加工难以实现的精密微细加工难题，在零部件微精加工中发挥了重要作用。然而，现有微细加工方法在各具优点的同时，亦有一定的局限性。

微细超声加工特别适合于非金属硬脆材料微小孔、槽加工，具有效率高、精度及表面质量好的工艺特点，但在材料硬度及韧性高、加工面积及深径比大时，加工效率很低，且由于超声工具的相对磨损大，微细加工精度很难保证；

电化学加工是“分子”级单位去除加工，具有微精加工机理优势，存在微细加工甚至是nm级加工的可行性，其中基于电化学阴极沉积原理的微细电铸技术可制作形状复杂、精度很高的细小金属零件，但存在材料可铸性、废品率高及效率低的技术局限性；基于电化学阳极溶解的微细电解加工由于大电流密度时的杂散腐蚀作用，加工精度较难控制，而微电流电解由于钝化作用，加工过程难以持续，采用高频、窄脉冲微细电解可消除钝化，实现小间隙微精加工，但微小间隙过程变化复杂，加工须要合理的阴极结构、电解液系统，且须要精密微位移进给系统、高频窄脉冲电源及快速短路保护系统，设备投资成本很高。

中国发明专利说明书“CN 87 1 01455 A”公开了一种聚晶金刚石电火花超声波复合加工设备，包括高频高峰值电流窄脉冲发生器、超声波发生器以及由超声频信号控制电火花脉冲发生的调制电路，在超声振动的工具与聚晶金刚石工件之间，加入由超声频电信号调制的高频电火花脉冲放电，使工具在超声换能器伸长时机械磨削工件，缩短时放电蚀除工件，以提高聚晶金刚石加工速度与表面质量。此发明专利的装置用超声频信号调制高频电火花脉冲放电，进行火花放电的关断与开通，在电路原理上确实可行，在加工机理上机械磨削与高频电火花脉冲放电相互有机复合，具有明显复合技术优势。这种复合工艺采用超声发生器输出电信号为调制输入信号，调制电路产生电火花电源开、关信号滞后误差很小，但采用是高电压火花放电，放电电压一般均须维持在25V左右，放电能量较大，加工精度及表面质量的提高受加工机理的制约，同时工具电极有火花放电损耗，难以实现精密微细加工。

中国发明专利申请公开说明书“CN 1400077A”公开了一种动压轴承装置的制造方法及动压轴承装置，其实质内容是一边利用超声波振动发生装置对电解液给予超声波振动激励，一边进行电解加工，在加工件表面形成工具电极的反形状，加工精度良好。此专利主要用于动压轴承的高精度凹槽加工，应用范围有限，很难实现微结构、任意形状零件的微细加工；另一方面其电解作用与超声频振动只是简单迭加组合作用，没有同步有机复合，复合作用效果没有完全发挥。