專利名稱：復合同步超聲頻振動微細電解加工方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種復合同步超聲頻振動微細電解加工方法，屬于復合微細特 種加工技術領域。
技術背景在微細特種加工技術領域，有許多加工方法，如微細電火花加工、微細電 解加工、微細超聲加工、微細高能束流加工以及由兩種或兩種以上加工方法組 合而成的微細復合加工等，這些加工方法能解決普通切削加工難以實現(xiàn)的精 密、微細加工難題，在零部件微精加工中發(fā)揮了重要作用。然而，現(xiàn)有微細加 工方法在各具優(yōu)點的同時，亦有一定的局限性。微細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，但在材料硬度及韌性高、加工面積及深徑比大 時，加工效率很低，且由于超聲工具的相對磨損大，微細加工精度很難保證；電化學加工是"分子"級單位去除加工，具有微精加工機理優(yōu)勢，存在微 細加工甚至是nm級加工的可行性，其中基于電化學陰極沉積原理的微細電鑄 技術可制作形狀復雜、精度很高的細小金屬零件，但存在材料可鑄性、廢品率 高及效率低的技術局限性；基于電化學陽極溶解的微細電解加工由于大電流密 度時的雜散腐蝕作用，加工精度較難控制，而微電流電解由于鈍化作用，加工 過程難以持續(xù)，采用高頻、窄脈沖微細電解可消除鈍化，實現(xiàn)小間隙微精加工， 但微小間隙過程變化復雜，加工須要合理的陰極結構、電解液系統(tǒng)，且須要精 密微位移進給系統(tǒng)、高頻窄脈沖電源及快速短路保護系統(tǒng)，設備投資成本很高。中國發(fā)明專利說明書"CN 87101455 A"公開了一種聚晶金剛石電火花超聲波復合加工設備，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 超聲頻信號控制電火花脈沖發(fā)生的調(diào)制電路，在超聲振動的工具與聚晶金剛石 工件之間，加入由超聲頻電信號調(diào)制的高頻電火花脈沖放電，使工具在超聲換 能器伸長時機械磨削工件，縮短時放電蝕除工件，以提高聚晶金剛石加工速度 與表面質(zhì)量。此發(fā)明專利的裝置用超聲頻信號調(diào)制高頻電火花脈沖放電，進行 火花放電的關斷與開通，在電路原理上確實可行，在加工機理上機械磨削與高 頻電火花脈沖放電相互有機復合，具有明顯技術優(yōu)勢。這種復合工藝采用超聲 發(fā)生器輸出電信號為調(diào)制輸入信號，調(diào)制電路產(chǎn)生電火花電源開、關信號滯后 誤差很小，但由于超聲換能器、振幅擴大棒、放電加工電極等構成的機械超聲 振動系統(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與超聲發(fā) 生器輸出的超聲頻交變電信號有相位滯后誤差，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的回程中發(fā)生，有時可能因 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 使加工過程發(fā)生混亂，精度、效率變差，復合作用發(fā)揮不甚明顯或無復合作用。中國發(fā)明專利申請公開說明書"CN 1400077A"公開了一種動壓軸承裝置 的制造方法及動壓軸承裝置，其實質(zhì)內(nèi)容是一邊利用超聲波振動發(fā)生裝置對電 解液給予超聲波振動激勵， 一邊進行電解加工，在加工件表面形成工具電極的 反形狀，加工精度良好。此專利主要用于動壓軸承的高精度凹槽加工，應用范 圍有限，很難實現(xiàn)微結構、任意形狀零件的微細加工；另一方面其電解作用與 超聲頻振動只是簡單迭加組合作用，沒有進行同歩有機復合，復合作用效果沒 有完全發(fā)揮。中國發(fā)明專利申請"CN200610037902.8"公開了一種超聲電解復合微細 加工方法,取超聲頻電信號通過調(diào)制電路產(chǎn)生電解電源斬波信號，由于超聲振 動機械系統(tǒng)動作滯后，復合同歩精度較難有效保證，而不同歩滯后誤差積累， 加工過程中將會出現(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，嚴重時破壞陰極與工件，而這種滯后誤差很難通過調(diào)制電路進行實時補償；為避免電解短路和火花放電燒傷工件與陰極，實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，也不可避免對工具陰極產(chǎn)生磨損， 使微細加工中陰極使用壽命受到限制，在深徑比大的微細加工中，難以達到微 細加工精度要求。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種復合同步超聲頻振動微細電解加工 方法，將微細電解與超聲頻振動同頻、同步有機復合，實現(xiàn)低電壓、小間隙、 無磨料或微粉級磨料、微電流密度、高頻脈沖電解與超聲頻振動同步復合加工， 實現(xiàn)微結構高速、高精、低成本微細加工。為解決以上技術問題，本發(fā)明的技術方案為，提供一種復合同步超聲頻振動微細電解加工方法，包括如下步驟首先根據(jù)工件加工要求，加工微細陰極外形，并且用組合特種加工技術制 作與工件所需截面形狀相反的微細陰極加工端面，超聲頻振動輻射頭用螺紋與 微細陰極端部聯(lián)接，聯(lián)接處用凡士林或高密度植物油脂耦合；再通過導向器將微細陰極與工件定位，或者將工件粘接在絕緣工作臺上， 借助測量顯微鏡觀測、標定與定位，工作臺與工件之間用絕緣薄膜電隔離；然后，在工件與微細陰極之間人工滴注低電導率鈍化性電解液，或?qū)⒓庸?區(qū)完全置于電解液中，打開超聲發(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，壓電式換能器與超聲頻振動輻射頭將此超聲頻交 變電信號放大轉(zhuǎn)換為微細陰極端面的同頻超聲頻機械振動；通過人工調(diào)節(jié)或控制計算機自動調(diào)節(jié)超聲發(fā)生器的激振電容，改變超聲頻 交變電信號振蕩頻率，激勵超聲振動系統(tǒng)實現(xiàn)共振，此時陰極端面產(chǎn)生超聲頻 振動，陰極端部電解液將出現(xiàn)霧化，利用精密微細砝碼，通過微壓力調(diào)節(jié)裝置始終保持工件與微細陰極之間0. 01N 3. 00N微壓力接觸，開通電解回路電源， 電壓幅值1V 5V，開始加工，隨著加工深度增加，由連通器壓力油驅(qū)動工件與 工作臺向上微量位移；加工過程中，通過激光微位移傳感器對微細陰極的超聲頻振動位置進行動 態(tài)快速測量，并將其轉(zhuǎn)換為包含超聲振動頻率、相位、幅值信息的電信號，再 傳送到斬波電路處理、轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生切斷與開通電解電源的斬波信號，對電解回 路進行開通或關斷，實現(xiàn)電解加電與陰極超聲頻振動的精確同頻、同步；通過電流傳感器將電解電流轉(zhuǎn)換為電壓信號，由數(shù)字存儲示波器進行顯示、 測量、存儲，用數(shù)字存儲示波器兩個通道，觀測電解電壓與電解電流的同步精 度與變化情況，可人工對復合微細電解加工過程進行參數(shù)優(yōu)選與調(diào)節(jié)，電信號 可由串行口傳送到控制計算機中顯示、處理，進行超聲參數(shù)和電參數(shù)的自動調(diào) 節(jié)，保持加工過程優(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，超聲功率為10W 150W，微細 陰極端面的超聲頻振動振幅為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)超聲頻振動共 振頻率為19.63KHz，超聲功率60W，超聲振幅O. 05mm，工件與微細陰極之間的接 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)超聲頻振動共振頻率20. 12KHz，超聲功率45W，超 聲振幅0.03mm，工件與微細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，加工時間3分鐘。該復合同步超聲頻振動微細電解加工方法，將微細電解與超聲頻振動同頻、 同步有機結合，依靠超聲頻振動作用消除電解鈍化，實現(xiàn)加工產(chǎn)物的排除與工作液的循環(huán)更新，改善加工間隙過程，提高定域加工性能，在具有高加工效率同時， 可進一步提高微細加工精度、表面質(zhì)量；加工中工件與陰極保持一定微壓力接 觸，可進行微壓力連續(xù)無級調(diào)節(jié)，無需電解加工必須的精密穩(wěn)速微進給系統(tǒng)， 同時采用低濃度鈍化性電解液，無需復雜的電解液循環(huán)系統(tǒng)，與超聲頻振動同 頻、同步開通和關斷電解加工電源，加電間隙可實時調(diào)節(jié)，可不用超聲磨料輔 助進行復合微細電解加工，陰極理論上無損耗，可有效提高加工精度，并大大 降低成本。


圖1為復合同步超聲頻振動微細電解加工方法工作原理框圖；圖2為斬波電路原理圖；圖3為復合同歩加電方式；圖中2a激光微位移傳感器電信號、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脈沖關斷區(qū)、3c電解加電間隙。
具體實施方式
下面結合附圖，對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步詳細說明。 如圖1所示，本發(fā)明的復合同步超聲頻振動微細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， 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輻射頭將此超聲 頻交變電信號放大轉(zhuǎn)換為微細陰極端面的同頻、同相超聲頻機械振動，振幅可 達0. 005 mra 0. 100 mm，滿足復合微細加工超聲頻振動振幅要求。超聲頻振動 輻射頭端部通過螺紋聯(lián)接微細陰極，用凡士林或高密度植物油脂耦合，避免超 聲能量損失。利用電解加工機理，以"分子溶解"方式去除材料，利用超聲頻振動作用 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，無需復雜的電解液循環(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 解雜散腐蝕且無環(huán)境污染問題；采用小間隙加電電解并復合超聲頻振動，可實 現(xiàn)定域微量去除加工；不用超聲磨料，陰極理論無損耗。采用這些加工方式， 在加工機理上非常有利于實現(xiàn)精密、微細、高效、低成本綠色制造。電解裝置由微細陰極、加工件、電解液、電源、電流傳感器及斬波器組成， 工作臺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。超聲振動沖擊波及"空化"效應可將加工產(chǎn) 物及時帶出加工區(qū)，并使新鮮電解液實現(xiàn)循環(huán)更新。激光微位移傳感器對微細陰極的超聲頻振動位置進行動態(tài)快速測量，并將 其轉(zhuǎn)換為包含超聲振動頻率、相位、幅值信息的電信號，再傳送到斬波電路產(chǎn) 生切斷與開通電解電源的斬波信號，對電解回路進行開通或關斷，保證電解加 電與陰極超聲頻振動的同頻、同步，即超聲振動在小間隙處進行電解加工，超 聲振動大間隙處進行電解產(chǎn)物排除及新鮮電解液的循環(huán)更新，精密激光微位移 傳感器響應頻率高達50KHz，遠超過超聲加工頻率16 KHz 24KHz，因此工具陰 極超聲振動與加電信號產(chǎn)生的相位滯后誤差極小，加電區(qū)間與加工間隙變化關 系可始終保持同頻、同步，穩(wěn)定滿足超聲振動與電源之間的加電、關斷動作同 步響應要求。微壓力調(diào)節(jié)裝置利用精密微細砝碼，通過連通器壓力油保持工件與微細陰 極之間0. 01N 3. OON的微接觸壓力，加工中工件始終與微細陰極保持一穩(wěn)定微 壓力接觸，隨加工深度增加，z軸自動向上進給；x、 y工作臺進給由電致伸 縮微位移進給裝置驅(qū)動，實現(xiàn)高剛度無間隙位移和極精細的微量位移，分辨力 可達1.0 2.5nm。電解電壓、電流測量及分析裝置是由電流傳感器、數(shù)字存儲示波器、控制 計算機組成，電流傳感器將電解電流轉(zhuǎn)換為電壓信號，由數(shù)字存儲示波器進行 顯示、測量、存儲，用數(shù)字存儲示波器兩個通道，觀測電解電壓與電流的同歩性與變化情況，以便對微細電解加工過程進行實時分析、參數(shù)優(yōu)選與調(diào)節(jié)。電 信號可由串行口傳送到控制計算機中存儲，以便分析、運算處理。人工調(diào)節(jié)或 控制計算機自動調(diào)節(jié)超聲發(fā)生器的激振電容，改變超聲頻交變電信號振蕩頻 率，可激勵超聲振動系統(tǒng)達共振加工條件。復合同步超聲頻振動微細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加工過程難以持續(xù)的問題，由超聲頻振動減小電化學極化、濃差極化，消除電解鈍化，實現(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，無需超聲磨料，理論上可實現(xiàn)"工具陰極無損耗"，克服 單純微細超聲加工工具損耗嚴重及在材料面積、韌性較大時，效率、精度顯著 降低的問題。電解作用是"離子"式去除，在加工機理上具有實現(xiàn)微精加工的 現(xiàn)實可行性；依靠超聲振動效應實現(xiàn)電解產(chǎn)物排除及新鮮電解液的循環(huán)更新， 無需復雜的電解液循環(huán)系統(tǒng)；采用低濃度鈍化性電解液，無環(huán)境污染保護問題； 采用液體傳遞精密微壓力調(diào)節(jié)裝置，可自動保持工件與陰極之間的微接觸壓 力，無需電解加工的恒速穩(wěn)定進給機構，在易于提高精度、保持高效率的同時， 設備及加工成本大為降低。當加工效率要求高、精度要求一般時，可采用微粉級磨料幫助消除鈍化， 進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，可在加工裝置上進行復合 同步超聲頻振動微細電解加工、復合同步超聲頻振動微細電火花加工、復合同 歩超聲頻振動微細電解/電火花加工及單一超聲微細加工，滿足不同加工材料、 不同加工精度及不同加工效率的工件加工需求；如何準確取出超聲頻振動信號，是實現(xiàn)微細電解與超聲頻振動同步復合的技術關鍵。本發(fā)明以超聲頻機械振動的陰極端面為基準，利用精密激光微位移傳感器采集陰極超聲頻振動信號。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， 測量范圍為lO土lrnm。傳感器轉(zhuǎn)換得到的陰極超聲振動電信號直接反映微細陰 極端面與工件之間的加工間隙變化，將微細陰極端面超聲振動電信號引入斬波 電路中，斬波電路產(chǎn)生開、斷直流或脈沖電解電源的斬波信號，控制電解加工 的開、斷。當微細陰極振動接近加工件時，加電電解加工，微細陰極振動遠離 工件時切斷電解電源，進行加工產(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2a與電壓比較器2b的基準電壓 信號進行比較，由比較結果,決定光電耦合器2c的開關狀態(tài)，產(chǎn)生斬波脈沖2e， 斬波脈沖2e確定斬波管2d的開關狀態(tài)，由斬波管2d的開關狀態(tài)決定電解電 源2f的開、關，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)流保護作用，而電壓比較器2b的基準電壓可以由可調(diào)電阻R3來調(diào)節(jié)。 斬波管2d采用M0SFET場效應管，具有容量大，適合低電壓和較大電流、15kHz 35kHz工作頻率、ns級開關速度、損耗低、耐壓特性好、可靠性高等特點，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信號，避免了超聲振動 系統(tǒng)相對于超聲頻交變電信號之間的相位滯后誤差，再通過斬波電路對激光微 位移傳感器電信號2a進行處理，得到斬波脈沖2e對電解電源2f進行開、斷 控制，可實現(xiàn)電解加電區(qū)與陰極超聲頻振動精確同頻、同步。圖3所示為采用的復合同步加電方法，當微細陰極沿z軸向往下振動，微 細陰極與加工件間隙小于電解加電間隙3c時，斬波電路給出斬波脈沖2e開通 電解電源2f，為脈沖加電區(qū)3a，進行電解加電加工；當微細陰極沿z軸向上 振動，微細陰極與加工件間隙大于電解加電間隙3c時，斬波電路給出的斬波 信號2e為關斷信號，電解電源2f斷電，為脈沖關斷區(qū)3b，可以進行產(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所示的復合同步加電方法，在微細陰極振動與工件接觸時，由于有電解回路電阻R9的限流作用，不會產(chǎn)生過大峰值電流；超聲頻振動也可避 免工件與陰極接觸放電對工件與微細陰極的電蝕作用，復合加工過程無須超聲 磨粒，可實現(xiàn)陰極無磨損微細加工；當在電解液中混入碳化硼等微米級磨粉，由于微粉阻斷作用，陰極與工件 不會產(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，可實現(xiàn)復合同步超聲電火花微細加工； 采用水、乳化液或低質(zhì)量濃度硝酸鈉等低電導率工作液，采用幅值4V及以上 電源電壓，可實現(xiàn)復合同步超聲電解/電火花復合微細加工。復合同步超聲頻振動微細電解加工步驟如下1) 根據(jù)工件加工要求，設計微細陰極，加工微細陰極外形，再用微細組 合電加工方法，利用"內(nèi)、外表面轉(zhuǎn)換"、"母電極復合平動放電拷貝"、"在線 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陰極加 工端面；2) 微細陰極與工件可用導向器定位；也可用雙面膠或?qū)Ｓ谜辰觿⒐ぜ?粘接在絕緣工作臺上，借助測量顯微鏡觀測、標定與定位；3) 根據(jù)微細加工要求選擇工作液及電解電參數(shù)，復合微細電解采用質(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。當加工精度要 求較高，加工效率要求一般時，電解液濃度、電壓幅值要取相對低值，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，電解液濃度、 電壓幅值取相對高值，可選擇直流電源；當表面要求光整加工時，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，進行復合同步超聲電火花微細加工或復合同步超聲電解/電火花復合微細加工；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?shù)奈⒔佑|壓力，可在0.01N 3.00N之間選擇，通過精密微細砝碼組合及壓力連通器實現(xiàn)，可用測力儀檢測。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，開啟超 聲振動，頻率在16KHz 24KHz之間連續(xù)可調(diào)，手動調(diào)節(jié)超聲振動系統(tǒng)達共振狀 態(tài)，陰極端面工作液將出現(xiàn)霧化，打開加工系統(tǒng)總電源，加工開始；精密激光 微位移傳感器將實時、高速采集陰極超聲頻振動位移信號，轉(zhuǎn)換為電信號傳送 給斬波電路，斬波電路控制電源的開、斷，保證陰極與工件間距在設置間隙以 下，開通電源加電加工，否則關斷電源，進行產(chǎn)物清除及電解液更新；7) 加工過程參數(shù)由電流傳感器、數(shù)字存儲示波器、控制計算機測量顯示， 加工參數(shù)的波動，會引起共振點漂移，通過控制計算機自動調(diào)節(jié)超聲發(fā)生器激 振電容來保持共振，使陰極端面得到最大振幅；根據(jù)電流及加工速度變化，可 以在線調(diào)節(jié)加電間隙、電參數(shù)，以保持加工過程優(yōu)化；8) 加工至一定深度或一定時間，系統(tǒng)超聲振動及電解加工電源自動關斷， 加工結束，更換加工部位重新加工或者解除定位器取下工件，進行測試分析。該復合同歩超聲頻振動微細電解加工方法技術效果微細電解加工復合同頻、同步超聲頻振動，具有高頻脈沖電解與同步超聲 頻振動的雙重效果，可實現(xiàn)低電壓、小間隙、無磨料、微電流密度、高頻脈沖 電解與超聲頻振動同步復合微細加工，具有高速、高精、低成本的工藝特點； (2)電解加電間隙可在線連續(xù)調(diào)節(jié)，保證加工過程優(yōu)化，能充分發(fā)揮復合技 術優(yōu)勢；(3)超聲頻振動可避免工件與陰極接觸放電對工件與微細陰極的燒蝕 作用；電解回路限流電阻可限制短路峰值電流，復合加工過程可無須超聲磨粒， 可實現(xiàn)陰極無磨損微細加工；(3)根據(jù)加工要求，可在加工裝置上進行復合同 步超聲頻振動微細電解加工、復合同步超聲頻振動微細電火花加工、復合同步超聲頻振動微細電解/電火花加工及單一超聲微細加工；(4)控制x、 y、 z工 作臺聯(lián)動進給，可實現(xiàn)工件型面的展成式復合微細加工，微細加工成形取決于 微細陰極與工件相對運動包絡軌跡，可減小微細陰極制作難度，提高此方法對 不同形狀零件加工的適應性。實例一方形微槽復合微細電解加工直流電解電壓1V 4V，系統(tǒng)超聲頻振動共振頻率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 微細陰極之間的接觸靜壓力2. 0N。使用邊長lmm的方形陰極對硬質(zhì)合金YG8進 行不同直流電壓的電解復合超聲振動加工試驗，加工時間3分鐘，隨著加工電 壓增加，工件表面方形槽深度逐漸增加；當電壓超過3V增加明顯，但電壓升 高，電解作用增強，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4V時，可見微火花放電，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時工件表面粗糙度Ra最小，隨著電解電壓增加， 電解作用增強，加工產(chǎn)物更易于被超聲作用及時清除，減小了對陰極的持續(xù)拋 磨，從而使陰極磨損量下降，超過3V后磨損量下降較顯著。加工過程電解電流波形變化與超聲頻振動同頻、同歩，振動接近時電流變大，振動遠離時減小，而在電解電壓關斷區(qū)電流為零。加工形狀有尖角變圓現(xiàn)象，原因有陰極制作時的放電圓角效應、微細磨粉 的超聲拋磨圓角效應及微電流電解圓角效應，采用更小的放電參數(shù)制作微細陰 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。實例二方錐形陣列微凹坑復合電解微細加工脈沖電源電壓幅值OV (對應單一超聲加工)、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 件與微細陰極之間的接觸靜壓力l. 60N，加工時間3分鐘。復合超聲頻振動微細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，同時由于微細電解加工間隙有所增大，凹坑 平面尺寸也有所擴大，其中2V電壓電解復合加工精度及表面質(zhì)量最佳。加工方錐形微凹坑時，雙通道數(shù)字存儲示波器采集的電解電壓，電解電流 波形對應電流傳感器輸出電壓信號，電解作用與脈沖加電電壓同歩，在加電脈 沖區(qū)間，電流信號出現(xiàn)高頻諧波，其頻率對應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，有微細 電解及微細電火花合成作用。實例三硬質(zhì)合金YBD151微齒輪電解復合加工脈沖電源電壓幅值2V，頻率5000Hz，占空比4: 6，系統(tǒng)超聲頻振動共振 頻率20. 12KHz ，超聲功率45W，超聲振幅0. 03腿，工件與微細陰極之間的接 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，加工時間3分鐘。用有內(nèi)齒形孔微細陰極，在有高耐磨性基體復合耐磨涂層硬質(zhì)合金YBD151 材料上套料加工模數(shù)0.25mm，壓力角20°的漸開線微齒輪，加工的微齒輪厚度 0.30 mm，漸開線齒形形狀精度可達士O. OOlmm，齒面粗糙度Ra為0. 16他。
權利要求
1.一種復合同步超聲頻振動微細電解加工方法，首先根據(jù)工件加工要求，加工微細陰極外形，并且用組合特種加工技術制作與工件所需截面形狀相反的微細陰極加工端面，超聲頻振動輻射頭用螺紋與微細陰極端部聯(lián)接，聯(lián)接處用凡士林或高密度植物油脂耦合；再通過導向器將微細陰極與工件定位，或者將工件粘接在絕緣工作臺上，借助測量顯微鏡觀測、標定與定位，工作臺與工件之間用絕緣薄膜電隔離；然后，在工件與微細陰極之間人工滴注低電導率鈍化性電解液，或?qū)⒓庸^(qū)完全置于電解液中，打開超聲發(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，壓電式換能器與超聲頻振動輻射頭將此超聲頻交變電信號放大轉(zhuǎn)換為微細陰極端面的同頻超聲頻機械振動，其特征是通過人工調(diào)節(jié)或控制計算機自動調(diào)節(jié)超聲發(fā)生器的激振電容，改變超聲頻交變電信號振蕩頻率，激勵超聲振動系統(tǒng)實現(xiàn)共振，此時陰極端面產(chǎn)生超聲頻振動，陰極端部電解液將出現(xiàn)霧化，利用精密微細砝碼，通過微壓力調(diào)節(jié)裝置始終保持工件與微細陰極之間0.01N～3.00N微壓力接觸，開通電解回路電源，電壓幅值1V～5V，開始加工，隨著加工深度增加，由連通器壓力油驅(qū)動工件與工作臺向上微量位移；加工過程中，通過激光微位移傳感器對微細陰極的超聲頻振動位置進行動態(tài)快速測量，并將其轉(zhuǎn)換為包含超聲振動頻率、相位、幅值信息的電信號，再傳送到斬波電路處理、轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生切斷與開通電解電源的斬波信號，對電解回路進行開通或關斷，實現(xiàn)電解加電與陰極超聲頻振動的精確同頻、同步；通過電流傳感器將電解電流轉(zhuǎn)換為電壓信號，由數(shù)字存儲示波器進行顯示、測量、存儲，用數(shù)字存儲示波器兩個通道，觀測電解電壓與電解電流的同步精度與變化情況，可人工對復合微細電解加工過程進行參數(shù)優(yōu)選與調(diào)節(jié)，電信號可由串行口傳送到控制計算機中顯示、處理，可進行超聲參數(shù)和電參數(shù)的自動調(diào)節(jié)，保持加工過程優(yōu)化。
2. 根據(jù)權利要求l所述的復合同步超聲頻振動微細電解加工方法，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，超聲功率為10W 150W，微 細陰極端面的超聲頻機械振動的振幅為0.005 mm 0. 100 mm。
3. 根據(jù)權利要求2所述的復合同步超聲頻振動微細電解加工方法，其 特征是電解電壓為直流4V，系統(tǒng)超聲頻振動共振頻率為19. 63KHz，超聲 功率60W，超聲振幅0.05mm，工件與微細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， 加工時間3分鐘。
4. 根據(jù)權利要求2所述的復合同步超聲頻振動微細電解加工方法，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)超聲頻振動共振頻率20. 12KHz，超聲功率45W，超聲振幅0. 03mm，工件 與微細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，加工時間3分鐘。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種復合同步超聲頻振動微細電解加工方法，通過微壓力調(diào)節(jié)裝置保持工件與微細陰極之間微壓力接觸，通過激光微位移傳感器對微細陰極的超聲頻振動位置進行動態(tài)快速測量，并將其轉(zhuǎn)換為包含超聲振動頻率、相位、幅值的電信號，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，實現(xiàn)電解加電與陰極超聲頻振動的精確同頻、同步，通過電流傳感器將電解電流轉(zhuǎn)換為電壓信號，由數(shù)字存儲示波器進行顯示、測量、存儲，再傳送到控制計算機進行超聲參數(shù)和電參數(shù)的自動調(diào)節(jié)。該方法將微細電解與超聲頻振動同頻、同步有機結合，依靠超聲頻振動作用消除電解鈍化，提高了加工的精度與表面質(zhì)量，降低成本，可實現(xiàn)任意型面微結構的微細加工。
文檔編號B23H5/06GK101327536SQ20081002142
公開日2008年12月24日 申請日期2008年7月29日 優(yōu)先權日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 申請人:揚州大學