[发明专利]激光辐照辅助的微细电解加工方法及装置

说明书

 

技术领域

本发明涉及一种激光辐照辅助的微细电解加工方法及装置，属于电解加工技术领域。

背景技术

微细电解加工技术具有非接触、与材料硬度强度无关、加工表面无热影响层、无切削力等优点，因而在金属材料微结构加工中展现了显著的优越性。尤其是在如一些极限作业环境下所要求的高强度、高韧性、高耐磨、耐高温、耐冲击和抗疲劳等性能的合金材料方面，微细电解加工得到高度重视且有着重要和广阔的应用前景。以航空航天工业为例，微型化、精确化、轻量化是其产品的主要发展特征，这些特征都与微细电解加工技术密切相关。

德国Max Planck Gesellschaft(MPG)于2000年采用高频窄脉冲电流电解加工工艺，使得电化学溶解定域性突变性提高，从而实现了数十微米尺度金属三维复杂型腔的微细加工，开创了微细电解加工工艺的先河。此后，美国、欧盟、日本、韩国等国家纷纷仿效，对微细电解加工技术进行了大量的研究，取得了长足的进展。在宏观尺度电解加工过程中，工件阳极和工具阴极间的加工间隙一般在0.1mm～1mm范围内，通过合理的流场设计，可以使电解液从加工间隙中高速流动（6m/s～30m/s），带走溶解产物，使阳极工件的电化学溶解能够稳定进行。但在微细电解加工领域，工具阴极尺寸在数微米至数十微米之间，加工时必须保持微小的极间间隙（10-20μm左右），一般采用静液加工方式，即在加工过程中不进行加工区域流场的新旧电解液交换，且阳极工件的电解蚀除速度较低。因此，高频窄脉冲电流微细电解加工工艺存在如下不足之处：电解加工产物不易排出，很容易发生淤积与粘附，从而导致短路；电解液流场条件不稳定，影响加工过程稳定性及加工精度的提高。

为了克服上述微细电解加工工艺中的不足之处，在现有技术中，一种较为常见的加工方法采用微细阴极的旋转运动达到搅拌加工区域流场、促进加工产物的均布与电解液更新的目的，但其缺陷在于：对于回转类结构特征的加工具有一定效果，不适用于复杂三维微结构加工制造；阴极旋转轴的径向跳动误差对加工精度的控制不利。在现有技术中，还有一种常见的加工方法，即在微细阴极正常加工进给过程中，周期性高速抬升及下降阴极，利用阴极周期往复运动对极间间隙流场产生的抽吸作用来促进电解液流动、输运加工产物，其缺陷在于：在阴极抬升运动中需要中断电解过程，降低了加工效率；由于侧面加工间隙的存在，阴极抬升对加工区域流场的抽吸效果受到限制。 

热对流是自然界中的一种常见现象。在一个对流槽内，加热底部并冷却顶部，即可在对流槽顶部和底部形成温度差△T。对流槽底部流体元被加热后，其体积变大，密度减小，在浮力作用下，热流体元上升而冷流体元下降。随着△T逐渐增大，槽内流体呈现出对流状态，并可形成大尺度环流。1999年，美国普林斯顿大学的研究人员利用90℃～25℃的温度梯度，在微尺度管道内实现了液体的垂直流动，表明温度梯度可对微小流体流动起到导向作用。2011年，英国及荷兰的研究人员分析了脉冲激光束透过电解液照射合金材料后的温度场分布情况，结果表明，激光辐照区域在数秒钟时间内，在距激光照射点径向的材料内部约1.4mm宽度范围内形成约100℃的温度梯度，在激光照射点轴向方向上部约1mm高度的电解液范围内形成约70℃的温度梯度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高效、高精度和高加工稳定性的微细电解加工工艺装置及加工方法。

一种激光辐照辅助的微细电解加工方法，其特征在于，在采用高频窄脉冲电流进行微细电解加工过程中，利用与阴极同轴的聚焦激光束，从工作箱下方透射工作箱及电解液而辐照工件底部，使得工件底部温度升高并将热量传导至电解加工区域，从而增强加工区域的电解作用、提高工件材料的电解蚀除速度；与此同时，通过电解液的循环流动，保持工件底部与工作箱内电解液液面之间的温度梯度，温度梯度在80℃－20℃之间，在加工区域流场与非加工区域流场之间形成连续的电解液对流运动，实现新旧电解液的连续更新、加工产物的连续输运；借助X、Y、Z轴微位移平台的联动进给，实现金属材料三维复杂微结构的高效、高精度和高稳定性加工。