[发明专利]一种激光与喷雾电化学放电复合的加工装置及方法

说明书

本发明公开了一种激光与喷雾电化学放电复合的加工装置及方法，涉及特种加工技术中复合微细加工领域，包括空心激光辐照系统、电化学喷雾加工系统和运动控制系统；两种能量协同作用于绝缘高硬脆材料表面，通过辅助电极与工具电极在电解液中形成电化学放电回路，同时激光光束在试样表面产生焦点，在不产生热蚀、熔凝的情况下，提高加工效率，提高加工定域性。与传统电化学放电加工方法比较，电解液的雾化能有效减少电解液对放电能量的吸收，从而节省气体薄膜形成所需的电化学能耗而增大火花放电能量的比例。同时流动的电解液能够及时带走材料蚀除产生的杂质，获得较好的微细加工质量。

技术领域

本发明涉及特种加工技术中复合微细加工领域，尤其涉及一种激光与喷雾电化学放电复合的加工装置及方法，适用于绝缘硬脆材料的微细加工和制造。

背景技术

绝缘硬脆材料具有绝缘性好、耐腐蚀、耐高温、硬度高等特点，目前在航空航天、信息通信、生物医疗、精密仪器等领域受到广泛应用。由于其本身的高硬度和高脆性特点，传统的机械切削加工方法难以完成微细结构的加工，电化学放电加工方法和激光加工方法是目前较为合适的加工方法。

电化学放电技术加工实质放电是在工具电极—气膜—电解液之间进行的，因此大部分的放电热量都被电解液所吸收，实质传递到绝缘体工件上的热量十分有限，因此加工效率较低。而雾化电解液能尽可能切断放电热量在工作液中的连续传送，可以减少对放电能量的吸收，从而提高加工效率。

激光加工是把具有足够能量的激光束聚焦后照射到所加工工件的适当部位，在极短的时间内，被辐照部位吸收光能，光能转化为热能使材料迅速升温，材料以融化和气化的形式去除。激光加工由于激光束和工件之间不接触，没有机械应力，能够获得较高的表面加工质量。激光加工具有适应性强，能加工多种材质，加工效率高，加工质量好，综合效益高等优点。

两种加工方式均可实现对绝缘硬脆材料的加工，将两种加工方式复合，即将激光辐照产生的等离子体热力冲击效应与电化学放电产生的热能复合。利用在加工区域产生光力效应、光电效应、热蚀效应和热力效应，来提高表面加工质量和尺寸精度，从而实现绝缘硬脆类材料的光电复合协同刻蚀加工。激光复合微细加工技术在航空航天、生物医学、化工、冶金等领域具有广阔的应用前景。

相关研究人员对激光电化学复合加工技术的研究取得了一定进展，中国专利公开号为CN106424987A，名称为“管电极放电与激光辐照的同轴复合加工方法和装置”，提出在激光加工的同时复合与激光束同轴的管电极，通过锥形管电极放电和激光辐照同轴作用于绝缘高硬脆材料表面进行微细刻蚀加工，脉冲激光作用于工件表面产生的隐性材质缺陷和应力集中能吸引火花放电始终作用在该区域，同时火花放电改变该区域的表面形貌和物化性质，进而提高该区域对激光能量的非线性吸收，产生局域场增强效应，而且脉冲激光聚焦辐照能加快电化学反应，促进空心工具电极表面生成稳定的放电气膜层两种能量的交互协同作用，实现了对绝缘高硬脆材料的微细定域刻蚀，但该专利中应用的空心管电极所能达到的最小尺寸有限，制约了加工精度，而且对空心电极的形状和尺寸要求较高。该专利激光能量很大一部分被溶液吸收，与电化学反应的复合效率不理想。

中国专利公开号为CNl06757285A名称为“空心激光的光内送粉复合电沉积加工方法及其装置”，提出空心激光的光内送粉复合电沉积加工方法，空心阳极管通过夹具垂直置于空心激光内，空气压缩机将颗粒从颗粒存储室吹入阳极管内，利用激光照射溶液产生的等离子体冲击波分散颗粒，可以有效解决由于粒子间范德华力超过相互之间的斥力引起的团聚现象提高颗粒在镀层中的分布均匀性，加快沉积速度，获得功能性复合材料。然而，该技术方案适用于高性能复合镀层的加工，属于金属的增材制造，不适用于绝缘硬脆材料的刻蚀加工。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种激光与喷雾电化学放电复合的加工装置及方法，实现了激光辐照和电化学放电高效复合加工，两种能量协同作用于绝缘高硬脆材料表面，通过辅助电极与工具电极在电解液中形成电化学放电回路，同时激光光束在试样表面产生焦点，在不产生热蚀、熔凝的情况下，提高加工效率，提高加工定域性。