專利名稱：復合同步超聲頻振動微細電解加工裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種復合同步超聲頻振動微細電解加工裝置，屬于復合微 細特種加工技術領域。
背景技術：
在微細特種加工技術領域，有許多加工裝置，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裝置組 合而成的微細復合加工等，這些加工裝置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 工裝置在各具優(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。
中國實用新型專利"97250167.3"公開了一種非導電材料超聲電解放電復 合加工裝置，將超聲波電源、電火花電源和電解電源組合在一起，形成一個復 合電源，將工件浸入電解液磨料中，將電解電源的陰極與工具電極相聯(lián)，將電 解電源的陽極與電解磨料中的輔助陽極相聯(lián)，電解電源與電火花電源相聯(lián)接，
3電火花電源與超聲波電源的調制電路相聯(lián)接，將超聲磨料的破碎加工與電解、 電火花放電加工復合，對非導電材料進行加工，設備簡單、加工精度與效率有 所提高。但此裝置放電、電解作用機理不適于對導電材料進行復合加工，而且 在復合加工過程中，輔助電極與工具間火花放電與電解作用很難聯(lián)合控制及進
行有效能量匹配，超聲頻振動只是與電解/電火花作用簡單組合；同時裝置中 工件與電極間接觸力用砝碼、杠桿施加，無法進行精密微細連續(xù)調節(jié)，因此加 工精度很難精確控制。
中國實用新型專利"ZL200620068677.X"公開了一種可實現(xiàn)微器件的超聲 電解復合微細加工裝置，將超聲波電源產生的超聲頻交變電信號利用調制電路 轉換為電解直流電源的斬波信號，使電解直流電壓成為與工具陰極超聲頻振動 保持相位有序同步的脈沖電壓，在工具陰極超聲振動與微加工器件接近區(qū)間加 電解脈沖，進行電解加工，超聲振動分開區(qū)間關斷電解脈沖，使微細加工過程 同電解產物排除及電解液更新過程交替進行，有利于改善微細加工精度。此專 利裝置提取超聲頻交變電信號通過調制電路產生電解電源斬波信號，由于超聲 發(fā)生器產生的交變電信號與超聲換能器、變幅桿、微細陰極等構成的機械振動 系統(tǒng)有相位滯后誤差，這種誤差隨加工系統(tǒng)條件變化而變化，很難保證加工中 脈沖加電是在小間隙區(qū)，有時可能因相位延時誤差變大，在大間隙處加電電解， 這種超聲頻振動與加電相位之間的滯后誤差客觀存在，不能避免，也很難通過 調制電路進行快速、有效的實時相位調節(jié)，超聲頻振動與加電相位很難實現(xiàn)真 正同步，因此用這種微細加工裝置，加工精度難以得到有效保證。
實用新型內容
本實用新型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 加工裝置，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、微粉級磨?；驘o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，本實用新型的技術方案為，提供一種復合同步超聲 頻振動微細電解加工裝置，包括
(1)超聲頻振動單元，包括超聲波發(fā)生器、壓電式換能器及振動輻射頭，超聲波發(fā)生器產生連續(xù)可調超聲頻交變電信號，通過壓電式換能器與振動輻射
頭轉換、放大后連接微細陰極，微細陰極加工端面產生同頻超聲頻機械振動；
(2) 微細電解加工單元，包括微細陰極、電解液及電解電源，微細陰極 與工件間充滿低濃度、鈍化性電解液，電源正負極分別與工件及微細陰極連接；
(3) 激光微位移傳感器單元，對微細陰極的超聲頻振動位置進行動態(tài)快 速測量，并將其轉換為包含超聲頻振動頻率、相位、幅值信息的電信號；
(4) 電解電源斬波單元，激光微位移傳感器的電信號傳送到斬波器產生 切斷與開通電解電源的斬波信號，對電解回路進行開通與關斷，使電解加電與 陰極超聲頻振動實現(xiàn)同頻、同步；
(5) 微壓力調節(jié)單元，利用精密微細砝碼組合，通過連通器壓力油保持 工件與微細陰極之間恒定的微接觸壓力；
(6) 電參數(shù)測量、顯示、控制單元，包括電流傳感器、數(shù)字存儲示波器 及控制計算機，電流傳感器將電解電流轉換為電壓信號，由數(shù)字存儲示波器進 行顯示、測量、存儲，由串行口傳送到控制計算機中，控制計算機自動調節(jié)、 控制超聲發(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)達共振狀態(tài)。
斬波電路包括電壓比較器、光電耦合器、斬波管及電解電源，激光微位移 傳感器電信號經過電阻調節(jié)接電壓比較器，與其基準電壓比較，比較結果決定 光電耦合器和斬波管開關狀態(tài)，斬波管可對串接的電解電源進行斬波控制，實 現(xiàn)微細電解與超聲頻振動同步復合，電壓比較器基準電壓可由電阻調整，使電 解加電間隙在線連續(xù)可調。
該復合同步超聲頻振動微細電解加工裝置，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)加工產物的排除與工作 液的循環(huán)更新，改善加工間隙過程狀況，提高微細加工定域性能,在具有高加工 效率同時，可進一步提高微細加工精度、表面質量；加工中工件與陰極保持一 定微壓力接觸，并可進行微壓力連續(xù)無級調節(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、同步開通和關斷加工電源，加電間隙可實時調節(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，可進一步提高加工精
度，并大大降低設備及加工成本。


圖1為復合同步超聲頻振動微細電解加工裝置結構原理圖2為斬波電路原理圖中l(wèi)壓電式換能器、2壓電陶瓷片、3振動輻射頭、4微細陰極、5超 聲振動測量基準片、6激光微位移傳感器、7電解液槽、8工件、9工作臺、10 工件活塞桿、ll軸套、12 x進給機構、13密封圈、14 x軸微位移驅動機構、 15y進給機構、16y軸微位移驅動機構、17裝置底座、18精密砝碼、19砝碼 活塞桿、20連通器、21連通器導管、22空氣隔離開關、23儲油腔、24斬波器、 25斬波信號、26超聲頻振動、27電源、28電流傳感器、29數(shù)字存儲示波器、 30控制計算機、31超聲波發(fā)生器、32超聲頻交變電信號、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)。
具體實施方式

以下結合附圖，對本實用新型的具體實施方式
作進一步詳細說明。 如圖1所示，復合同步超聲頻振動微細電解加工裝置，包括
(1) 超聲頻振動單元，包括超聲波發(fā)生器31、壓電式換能器1及振動輻 射頭3，超聲波發(fā)生器31產生頻率范圍為20KHz士4KHz連續(xù)可調超聲頻交變電 信號32，超聲功率為10W 150W連續(xù)可調，通過壓電式換能器1與振動輻射頭 3放大轉換后連接微細陰極4,微細陰極4端面產生同頻超聲頻機械振動，壓 電式換能器1用多片鍍銀導電層鋯鈦酸鉛PZT壓電陶瓷片2疊加組合而成，振 動輻射頭3為鈦合金輻射頭，其端部通過螺紋聯(lián)接微細陰極4，用凡士林或高 密度植物油脂耦合，以避免超聲能量損失；
(2) 微細電解加工單元，包括微細陰極4、電解液槽7及電源27，工作臺 9與工件8之間用薄膜電絕緣，在微細陰極4與工件8之間的加工間隙滴注1% 5%低濃度鈍化電解液，亦可將微細陰極4與工件S置于電解液槽7中，電源27 負極接微細陰極4，正極接工件8。由于加工時的產物可由超聲振動沖擊波及"空化"效應及時帶出加工間隙，因此采用"靜態(tài)"滴注方式提供電解液即可。
工件8通過雙面膠或專用夾具固定在工作臺9上。工作臺9可由x進給機構12、 y進給機構15驅動作x、 y軸微進給，x軸微位移驅動機構14及y軸微位移 驅動機構16采用壓電式微位移機構，工作臺9與進給機構固定在裝置底座17 上；
(3) 激光微位移傳感器6，對固接在微細陰極4的端面的超聲振動測量基 準片5的超聲頻振動26進行動態(tài)快速測量，并將其轉換為包含超聲振動頻率、 相位、幅值信息的電信號；
(4) 電解電源斬波單元，激光微位移傳感器6的電信號提供給電源斬波器 24，斬波器24產生切斷與開通電源27的斬波信號25。使電解加電電壓成為與陰 極超聲頻振動26保持同頻率且相位同步的脈沖電壓，從而可使電源27成為與超 聲波振動協(xié)調同步的超聲頻脈沖電源，即實現(xiàn)復合同步超聲頻振動微細電解加 工。采用"LK-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，O.Olum的超高再現(xiàn)性，測量范圍為10士1腿。
(5) 微壓力調節(jié)單元，包括連通器20、連通器導管21、工件活塞桿IO、 密封圈13、軸套ll、精密砝碼18、砝碼活塞桿19、壓力油空氣隔離開關22、 儲油腔23，加工時，根據(jù)加工面積及加工條件，確定精密砝碼18微細組合， 打開壓力油空氣隔離開關22，上下移動砝碼活塞桿19，在排除壓力油中空氣 后，關閉壓力油空氣隔離開關22，在精密砝碼18、連通器20中的壓力油作用 下，隨著加工深度增加，工作臺9在連通器20中的壓力油作用下自動向上進 給，工件8與微細陰極4間保持一定的微壓力，加工深度即為工作臺9的上升 高度；
(6) 電參數(shù)測量顯示控制單元，包括電流傳感器28、數(shù)字存儲示波器29 及控制計算機30，電流傳感器28將電解電流轉換為電壓信號，由數(shù)字存儲示 波器29進行顯示、測量、存儲，用數(shù)字存儲示波器29兩個通道，觀測電解電 壓與電流的同步性與變化情況，以便對微細電解加工過程進行實時分析、參數(shù) 優(yōu)選。電信號由串行口傳送到控制計算機30中存儲，以便分析、運算處理。 控制計算機30自動調節(jié)或由手工調節(jié)超聲波發(fā)生器31的激振電容，改變超聲頻交變電信號32的振蕩頻率，激勵超聲振動系統(tǒng)達共振，滿足復合微細加工 超聲頻振動26的振幅要求。共振振幅可由精密激光微位移傳感器通過控制計 算機30顯示，也可用讀數(shù)顯微鏡觀測陰極端部振動影像測定。
如圖2所示，斬波器24的斬波電路包括電壓比較器2b、光電耦合器2c、 斬波管2d及電解電源2f。激光微位移傳感器輸出的電信號2a經過可調電阻 Rl接入電壓比較器2b的同相輸入端，電源Vcc經過電阻R2、 R3、 R4及R5接 入電壓比較器2b的反相輸入端，電壓比較器2b的輸出端與光電耦合器2c連 接，斬波管2d選用MOSFET場效應管，光電耦合器2c的發(fā)射極與斬波管2d的 柵極相連，并通過電阻R7接地，斬波管2d的源極通過電阻R9接地，其漏極 與電解電源2f正極相連。MOSFET場效應管容量大，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，尤其適合本工藝。
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，確定光電耦合器2c的開關狀態(tài)，產生斬波脈沖2e，斬波脈沖2e 確定MOSFET斬波管2d的開關狀態(tài)，由MOSFET斬波管2d的開關狀態(tài)確定電解 電源2f的開、斷，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電阻R3來調節(jié)， 實現(xiàn)加工間隙在線連續(xù)可調。
當微細陰極4沿z軸向下振動，在微細陰極4與工件8間隙小于設置的電 解加電間隙時，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)， 電解加電加工；當微細陰極4沿z軸向上振動，微細陰極4與工件8間隙大于 設置的電解加電間隙時，斬波電路給出的斬波脈沖2e為關斷信號，電解電源 2f斷電，為脈沖關斷區(qū)，進行產物排除，更新電解液，均勻加工間隙各點狀況， 并可阻止雜散腐蝕，有利于提高加工精度。
權利要求1. 一種復合同步超聲頻振動微細電解加工裝置，包括超聲頻振動單元，包括超聲波發(fā)生器、壓電式換能器及振動輻射頭，超聲波發(fā)生器產生連續(xù)可調超聲頻交變電信號，通過壓電式換能器與振動輻射頭轉換放大后連接微細陰極，微細陰極加工端面產生同頻超聲頻機械振動；微細電解加工單元，包括微細陰極、電解液及電解電源，微細陰極與工件間充滿低濃度、鈍化性電解液，電源正負極分別與工件及微細陰極連接；其特征是，該復合同步超聲頻振動微細電解加工裝置還包括激光微位移傳感器單元，對微細陰極的超聲頻振動位置進行動態(tài)快速測量，并將其轉換為包含超聲頻振動頻率、相位、幅值信息的電信號；電解電源斬波單元，激光微位移傳感器的電信號傳送到斬波器產生切斷與開通電解電源的斬波信號，對電解回路進行開通與關斷，使電解加電與陰極超聲頻振動實現(xiàn)同頻、同步；微壓力調節(jié)單元，利用精密微細砝碼組合，通過連通器壓力油保持工件與微細陰極之間恒定的微接觸壓力；電參數(shù)測量、顯示、控制單元，包括電流傳感器、數(shù)字存儲示波器及控制計算機，電流傳感器將電解電流轉換為電壓信號，由數(shù)字存儲示波器進行顯示、測量、存儲，由串行口傳送到控制計算機中，控制計算機自動調節(jié)、控制超聲發(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)達共振狀態(tài)。
2.根據(jù)權利要求1所述的復合同步超聲頻振動微細電解加工裝置， 其特征是，所述斬波器的斬波電路包括電壓比較器、光電耦合器、斬波管 及電解電源，激光微位移傳感器電信號經過電阻調節(jié)接電壓比較器，與其 基準電壓比較，比較結果決定光電耦合器和斬波管開關狀態(tài)，斬波管可對 串接的電解電源進行斬波控制，實現(xiàn)微細電解與超聲頻振動同步復合，電 壓比較器基準電壓可由電阻調整，使電解加電間隙在線連續(xù)可調。
專利摘要本實用新型公開了一種復合同步超聲頻振動微細電解加工裝置，通過微壓力調節(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、轉換，產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)的自動調節(jié)。該裝置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，提高了加工精度與表面質量，降低成本，可實現(xiàn)任意型面微結構的微細加工。
文檔編號B23H7/14GK201235433SQ20082003892
公開日2009年5月13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