一种难加工材料的微精加工方法及加工系统的制作方法

专利名称：一种难加工材料的微精加工方法及加工系统的制作方法
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。中国发明专利申请“CN200610037902.8”公开了一种超声电解复合微细加工方法，取超声频电信号通过调制电路产生电解电源斩波信号，由于超声振动机械系统动作有滞后，复合同步精度较难有效保证，而不同步滞后误差的积累，加工过程中将会出现电解加电相位紊乱，发生持续大间隙处加电电解或电解短路，严重时破坏阴极与工件。此外此方法实用中必须在电解液中混入粒度较大的超声磨粒，进行超声加工并同时阻止工件与阴极的直接接触造成的电解短路，但超声磨料在消除钝化，起一定去除材料作用同时，也不可避免对工具阴极产生磨损，使微细加工中阴极使用寿命受到限制，特别在面积、深径比大的微细加工中，加工效率低，同时由于阴极相对磨损量大，也较难达到微精加工精度要求。中国发明专利申请“CN200810021421.7”公开了一种复合同步超声频振动微细电解加工方法，将微细电解与超声频振动同频、同步有机复合，实现微电流密度、高频脉冲电解与超声频振动同步复合加工，可有效解决复合同步精度问题。但由于微电流密度电解作用总会产生钝化，依靠超声作用消除钝化，但因采用的超声频振动幅值较小，加工间隙小， 有时因加工间隙中产物的阻滞作用，电解钝化消除不完全，电解作用不均勻，使加工精度及效率均降低；增加电流密度又会加大电解作用能量，加工间隙变大，会产生电解杂散腐蚀， 难以获得精密加工的效果。

发明内容
本发明的目的是提供一种难加工材料的微精加工方法及加工系统，解决上述相关专利采用电火花超声波复合加工、采用超声电解复合微细加工等存在的相应缺陷，通过本发明可实现加工产物的有效排除与工作液的循环更新，有效改善加工间隙各种作用过程，提高定域加工性能，在具有较高加工效率同时，可有效提高加工精度、表面质量。本发明的目的是通过以下技术方案实现的，一种难加工材料的微精加工方法，其特征是，所述的方法是在超声激励下同时进行微细放电一电解作用，进行材料微精去除加工；微细放电一电解时使用直流或脉冲电源，其电加工电压幅值不超过6V;在工具电极与工件的间隙中注入低电导率工作液；加电加工时，超声振动激励低电压、静液电解作用，纳米级半导体微粉在超声激励下，致工具电极与工件间的电场畸变、增强，工作液及其中电解氢气泡及超声空化气泡被击穿，工件表面产生微细火花放电作用。所述的工作液为质量分数为60% 99. 99%的乙醇水溶液或硝酸钠质量分数低于 1%的乙醇水溶液，其中均掺入质量分数低于1%的纳米级半导体微粉。所述的一种难加工材料的微精加工系统，包括放电一电解加工单元、超声频振动单元、超声调制单元、超声斩波单元和工作台装置；所述的放电一电解加工单元包括工具电极、超声斩波电路、电涡流传感器和电加工电源；所述的超声频振动单元包括超声波发生器、压电式换能器、压电陶瓷片组合和超声振动辐射头；所述的超声调制单元包括激光微位移传感器、数字存储示波器和控制计算机；所述的超声斩波单元包括超声振动测量基准片和超声斩波电路；所述的工作台装置包括工作台和底座，其特征是，所述放电一电解加工单元中的电加工电源采用直流或脉冲电源，加工电压幅值不高于6V，电源正负极分别与工件及工具电极连接且在电路中接入限流电阻；所述超声斩波单元中的超声斩波电路设置有减法器、信号选择开关和由两个电压比较器并联构成的窗口电压比较器，超声发生器产生的超声频交变电信号通过电阻耦合接减法器的正负端子，减法器输出信号经电平转换后接信号选择开关的一个输入端，激光微位移传感器的输出电信号接信号选择开关的另一个输入端，信号选择开关的输出端接窗口电压比较器的比较信号输入端，窗口电压比较器窗口电压的高、低基准值由控制计算机设置，窗口电压比较器的输出端接光电耦合器；所述工作台装置中的工作台与其底座分别固定一个磁极，通过螺纹调节机构调节两个磁极之间的距离，以调节工具电极与工件间的接触压力，工作台与其底座由设置的弹簧机构联接。所述的限流电阻的阻值为0. 1 9 Ω。所述的减法器采用UA741。所述的窗口电压比较器中的电压比较器采用LM339N。所述的工作台装置保持待加工工件与工具电极之间0. ION 5. ON恒压力接触。所述的工作台与底座安装在具有χ轴微位移驱动机构和1轴微位移驱动机构的进 々ΑΑ μ
5口口工。本发明所述的方法和实现该方法的加工系统将超声调制低压放电一电解有效复合，微精放电一电解作用与超声频振动同频、同步有机结合，依靠超声空化、火花放电爆炸力作用实现加工产物的排除与工作液的循环更新，有效改善加工间隙过程，提高定域加工性能，在具有高加工效率同时，可进一步提高加工精度、表面质量，同时可在静液中实现加工，无须复杂的高压流动、循环的工作液供给系统；加工中工件与电极保持一定恒压力接触，利用磁性调节机构，可进行微压力连续无级调节，无须电解加工必须的精密稳速进给系统及电火花加工的伺服进给系统，可大大降低设备研制成本。


图1为本发明结构框图2为本发明中超声斩波电路原理图； 图3为本发明复合同步加电方式示意图1中，1压电式换能器、2压电陶瓷片、3振动辐射头、4微细阴极、5激光微位移传感器、6超声振动测量基准片、7工作液、8超声频振动、9z轴测微仪、10工件、11工作台、12弹簧机构、13磁极、14螺纹调节机构、15工作台底座、16进给台、17 χ轴微位移驱动机构、18机构底座、19 y轴微位移驱动机构轴套、20信号选择开关、21超声斩波电路、22斩波信号、23 电涡流传感器、24电加工电源、25数字存储示波器、沈控制计算机、27超声频交变电信号、 28超声波发生器。图2中 超声频交变电信号、2b UA741减法器、2c信号选择开关、2d激光微位移传感器输出电信号、2e窗口电压比较器1、2f窗口电压比较器2、2g光电耦合器、浊斩波脉冲、2i MOS斩波管、2j续流二极管、浊复合加工电源、21加工区。图3中3a设置的窗口电压高电平、北设置的窗口电压低电平、3c超声频交变电信号、3d窗口电压低电平对应电极振动位移、3e窗口电压高电平对应电极振动位移、3f电极振动位移、3g电源加电电压波形、3h加电脉冲高电平、3i加电脉冲低电平。
具体实施例方式下面结合附图，对本发明所述的方法和实现该方法的加工系统作进一步说明。所述的方法是在超声激励下同时进行微细放电一电解；放电一电解时的电加工可采用直流或脉冲电源，工作电压幅值不大于6V ；在工具电极与工件的间隙中滴注低电导率工作液。所述的工作液质量分数为60% 99. 99%的乙醇水溶液或硝酸钠质量分数低于1% 的乙醇水溶液，其中均掺入纳米级半导体微粉(20-50纳米B4C)。所述的加工系统如图1所示，由超声发生器28产生频率范围为16KHz MKHz连续可调超声频交变电信号，超声功率为30W 500W连续可调，压电式换能器1与超声频振动辐射头3将此超声频交变电信号转换、放大为精密工具电极4端面的同频超声频机械振动，振幅可达0.001 mm 0.015 mm，满足复合加工超声频振动振幅要求，超声频振动辐射头端部通过螺纹联接工具电极4，用凡士林耦合，避免超声能量损失。放电一电解加工单元，包括工具电极4、工件10、电加工电源M (工作电压幅值不高于6V)、超声斩波器21、磁悬浮工作台，工具电极4与工件10间充满低电导率纳米级混粉工作液7，电源正负极分别与工件10及工具电极4连接，且在回路中接入限流电阻R13 (0. 1 9Ω )。超声频振动单元，包括超声波发生器观、压电式换能器1及振动辐射头3，超声波发生器观产生连续可调超声频交变电信号，通过压电式换能器1与振动辐射头3转换放大后连接微细工具电极4，工具电极4端面产生同频超声频机械振动。超声调制单元，包括电涡流传感器23、数字存储示波器25及控制计算机26，电涡流传感器25将极间电流转换为电压信号，由数字存储示波器25进行显示、测量、存储，由串行口传送到控制计算机沈中，控制计算机沈可自动控制、调节超声发生器的激振电容， 改变超声频交变电信号振荡频率，激励超声振动系统达共振，调节超声功率改变工具电极4 端面振幅；调节放电一电解加工回路的电压幅值、限流电阻值及工作液7电导率，可改变单个放电火花能量及电解作用强度，调节超声功率可改变工具电极端面的振幅，形成微火花放电与放电通道消电离的良性循环。多参数综合调节可改变放电作用与电解作用的能量比例及加工精度与效率的关系，从而可对不同特性材料及加工要求的零件，寻求加工效果的优化。超声斩波单元，激光微位移传感器5对工具电极4的位置进行动态快速测量，并将其转换为包含超声振动频率、相位、幅值信息的电信号传送到超声斩波电路产生切断与开通电解电源的斩波信号，对电解回路进行开通与关断，使电解加电与工具电极超声频振动实现同频、同步。微压力调节单元，调节磁悬浮工作台内置磁极13极间距离，可调节工件10与工具电极4间接触力的大小，保持加工中工件10与工具电极4之间恒定接触压力。在加工区21滴注低电导率工作液7，亦可将加工区完全置于工作液中。工作液为质量分数为60% 99. 99%的乙醇水溶液或硝酸钠质量分数低于1%的乙醇水溶液，其中均掺入纳米级半导体微粉(20-50纳米B4C)通过激光微位移传感器对微细电极的超声频振动位置进行动态快速测量，并将其转换为包含超声振动频率、相位、幅值信息的电信号，再传送到超声斩波电路处理、转换，产生切断与开通电源的斩波信号，对电源回路进行开通或关断，实现复合加工电源加电与工具电极超声频振动的精确同频、同步；微压力调节装置利用螺旋副调节两个磁极之间的距离，保持工件与电极之间0. ION 5. ON的恒定接触压力， 随加工深度增加，磁悬浮弹性伸缩工作台自动向上进给，ζ轴测微仪可实时测量加工深度； 水平面内x、y工作台进给由电致伸缩微位移进给装置驱动，实现高刚度无间隙位移和极精细的微量位移，分辨力可达0. 0005mm。间隙电压、电流测量及分析装置是由电流传感器、数字存储示波器、控制计算机组成，电流传感器将电流转换为电压信号，由数字存储示波器进行显示、测量、存储，用数字存储示波器两个通道，可观测超声振动位置(或超声频交变电信号)与电源加电电压(或电流) 的同步精度与变化情况，电信号可由串行口传送到控制计算机中显示、处理，进行超声参数和电参数的自动调节，保持加工过程优化。测微仪9的作用是实时测量、显示复合电加工深度。如图2所示为超声斩波电路原理图，超声频交变电信号加通过UA741减法器2b及电阻R6变换为对数字地的超声频交变电信号，信号选择开关2c (在图1中是20)可将此电信号与激光微位移传感器5输出电信号2d选择其一送至2e和2f并联构成的窗口电压比较器，窗口电压比较器2e的“ + ”端子接窗口比较电压高电平URl，窗口电压比较器2f “-” 端子接窗口比较电压低电平UR2，UR1及UR2的值由人工调节或控制计算机优化确定，信号选择开关2c送出的比较电压信号小于URl，但大于UR2时，窗口电压比较器输出高电平，光电耦合器2g有光电作用，产生斩波脉冲池的高电平，当信号选择开关2c送出的比较电压信号大于URl或小于UR2时，光电耦合器2g无光电作用，此时产生斩波脉冲池的低电平， 斩波脉冲池确定MOS斩波管2i的开关状态，由斩波管2 i的开关状态决定复合加工电源电源业的开、关，从而控制加工区21工作状态。续流二极管2j起电压反向续流保护作用。 斩波管2i采用MOSFET场效应管，具有容量大，适合低电压和较大电流、15kHz 35kHz工作频率、ns级开关速度、损耗低、耐压特性好、可靠性高等特点，尤其适合此工艺。用激光微位移传感器5直接采集工具电极端面超声频振动信号，避免了超声振动系统相对于超声频交变电信号之间的相位滞后误差，再通过斩波电路对激光微位移传感器 5电信号加进行处理，得到斩波脉冲加对电解电源2f进行开、断控制，可实现电解加电区与工具电极超声频振动精确同频、同步。用超声频交变电信号斩波调制方式也能基本实现电源加电与电极超声频振动的同频、同步，可以满足一般精密加工要求，此结论已被实验证明，用此同步方式可不用激光微位移传感器，有效节省设备成本，但在超精密加工中，采用精密激光微位移传感器5来检测斩波为宜。图3所示为复合加工同步加电方式示意图，3a为设置的窗口电压高电平，3b为设置的窗口电压低电平，3c为超声频交变电信号，3d为窗口电压低电平对应电极振动位移， 3f为窗口电压高电平对应电极振动位移，3e为电极振动位移，3g为电源加电电压波形，3h 为加电脉冲高电平，3i为加电脉冲低电平。由图3可知当电极振动至加工间隙在一定值范围内时(设置在中间区域)，加电加工，在间隙最大、最小的部分区域停止电源加电，既可避免电解短路，又利用小间隙进行放电一电解加工，同时利用大间隙进行产物排除、更新工作液，均勻间隙参数，阻止杂散腐蚀，有利于提高加工精度。利用电阻R9的限流作用，可调节单个火花放电能量；综合调节超声频率、振幅(功率)、限流电阻，改变工作液电导率及电源电压幅值可实现不同能量匹配的微细放电一电解加工，满足不同特性材料、不同加工要求零件的精密加工。调制工具电极的超声振幅、频率及电源加电间隙，工作液中的纳米级半导体微粉被极化，并在超声激励下撞击工作液中的中性粒子，间隙通道中性粒子产生雪崩式电离，致间隙电场畸变、增强，并随极间间隙减小而剧增，同时超声作用致电解氢气泡及超声空化气泡复合积聚，在最强电场处的气泡及工作液被击穿，形成放电通道，纳米级半导体微粉增强放电作用，阳极工件表面产生微火花放电蚀除，工件表面的钝化膜、工件材料中的杂质点、 工件表面的微凸出点被微火花及时放电去除；超声效应、混粉抛磨及微火花电蚀能有效消除低电压时的电解钝化，加强电解作用；在间隙增大至一定值时电源关断，放电通道有效消电离，此时超声空化作用可及时去除加工区产物、更新工作液；在间隙很小处，关断电源，有效防止电源短路。此方法有效改善加工间隙各种作用过程，提高定域加工性能，在具有较高加工效率同时，可有效提高加工精度、表面质量。如此周期性循环，进行加工件材料放电一电解复合精密微细加工。间隙电压、电流测量及分析装置是由电流传感器、数字存储示波器、控制计算机组成，电流传感器将电流转换为电压信号，由数字存储示波器进行显示、测量、存储，用数字存储示波器两个通道，可观测超声振动位置(或超声频交变电信号)与电源加电电压(或电流) 的同步精度与变化情况，电信号可由串行口传送到控制计算机中显示、处理，进行超声参数和电参数的自动调节，保持加工过程优化；调节放电一电解加工回路的电压幅值、限流电阻值及工作液电导率，可改变单个放电火花能量及电解作用强度，调节超声功率可改变工具电极端面的振幅，形成放电与消电离的周期性循环，加电间隙可实时调节可改变放电作用与电解作用的能量比例、加工精度与效率的关系，从而对不同特性材料及加工要求，可寻求加工效果的优化；由上述可知本发明加工方法具有低电压微火花放电的高精度及加工过程的稳定性， 同时具有小间隙、低电压脉冲电解高精度、高效率与良好的表面质量的技术优势，在加工机理上非常有利于实现精密、微细、高效、低成本绿色制造。超声调制低压放电一电解复合精密加工方法一方面可解决微电流密度下，由于电解钝化使单一电解微细加工过程难以持续的问题，由超声频振动及微火花放电消除电化学极化、浓差极化，消除电解钝化，实现低电压1 6V、小间隙0. 001 mm 0. 015mm、小于20A/ cm2的微电流密度、16KHz MKHz高频脉冲电解加工的效果；6V及以下的低电压放电作用， 微火花放电能量小，单个脉冲能量可微细控制，同时由于系统可同时自动优化设置加电间隙，且加工间隙超声交变，火花放电可自动消电离，不会产生普通电火花放电(火花维持电压25V左右)加工中的电弧放电，微火花与微细电解共同作用，有利于提高微精加工精度、表面质量及效率；
另一方面利用斩波电路可控制电解加电间隙，避免电解接触短路，理论上可实现“工具阴极无损耗”，克服单纯微细超声加工工具损耗严重及在材料面积、韧性较大时，效率、精度显著降低的问题。电解作用是“离子”式去除，在加工机理上具有实现微精加工的现实可行性；依靠超声振动效应实现电解产物排除及新鲜电解液的循环更新，无需复杂的电解液循环系统；采用乙醇水溶液为工作液，无环境污染保护问题；采用弹性磁悬浮弹性伸缩工作台可自动保持工件与电极之间的恒接触压力，无需电解加工的恒速稳定进给机构及电火花机床的伺服进给机构，在提高精度、保持高效率的同时，设备及加工成本大为降低。如图2所示为超声斩波电路原理图，超声频交变电信号加通过UA741减法器2b 及电阻R6变换为对数字地的超声频交变电信号，信号选择开关2c可将此电信号与激光微位移传感器输出电信号2d选择其一送至窗口电压比较器2e和2f，电压比较器2e的“ + ” 端子接窗口比较电压高电平UR1，窗口电压比较器2f “_”端子接窗口比较电压低电平UR2， URl及UR2的值由人工调节或控制计算机优化确定，信号选择开关2c送出的比较电压信号小于UR1，但大于UR2时，窗口电压比较器输出高电平，光电耦合器2g有光电作用，产生斩波脉冲池的高电平，当信号选择开关2c送出的比较电压信号大于URl或小于UR2时，光电耦合器2g无光电作用，此时产生斩波脉冲池的低电平，斩波脉冲池确定MOS斩波管2i 的开关状态，由斩波管2 i的开关状态决定复合加工电源电源业的开、关，从而控制加工区21工作状态。续流二极管2j起电压反向续流保护作用。斩波管2i采用MOSFET场效应管，具有容量大，适合低电压和较大电流、15kHz 35kHz工作频率、ns级开关速度、损耗低、 耐压特性好、可靠性高等特点，尤其适合此工艺。用激光微位移传感器直接采集阴极端面超声频振动信号，避免了超声振动系统相对于超声频交变电信号之间的相位滞后误差，再通过斩波电路对激光微位移传感器电信号 2a进行处理，得到斩波脉冲2e对电解电源2f进行开、断控制，可实现电解加电区与阴极超声频振动精确同频、同步。用超声频交变电信号斩波调制方式也能基本实现电源加电与电极超声频振动的同频、同步，可以满足一般精密加工要求，此结论已被实验证明，用此同步方式可不用激光微位移传感器，有效节省设备成本，但在超精密加工中，采用精密激光微位移传感器来检测斩波为宜。图3所示为复合加工同步加电方式示意图，3a为设置的窗口电压高电平，3b为设置的窗口电压低电平，3c为超声频交变电信号，3d为窗口电压低电平对应电极振动位移， 3f为窗口电压高电平对应电极振动位移，3e为电极振动位移，3g为电源加电电压波形，池为加电脉冲高电平，3i为加电脉冲低电平。由图3可知当电极振动至加工间隙在一定值范围内时(设置在中间区域)，加电加工，在间隙最大、最小的部分区域停止电源加电，既可避免电解短路，又利用小间隙进行放电一电解加工，同时利用大间隙进行产物排除、更新工作液，均勻间隙参数，阻止电解杂散腐蚀，有利于提高加工精度。利用电阻R9的限流作用，可调节单个火花放电能量；综合调节超声频率、振幅(功率)、限流电阻，改变工作液电导率及电源电压幅值可实现不同能量匹配的放电一电解加工，满足不同特性材料、不同加工要求的零件的精密加工。该超声调制低压放电一电解复合精密加工方法技术效果
(1)实现复合同频、同步超声频振动微精放电一电解加工，具有高频脉冲微细放电一电解双重效果，可实现低电压(6V及以下)、小间隙、静液超声复合电加工，具有高速、高精、 低成本的工艺特点；(2)加电间隙可在线连续调节，保证加工过程优化，能充分发挥微精放电-电解复合电加工技术优势；(3)超声频振动可避免工件与电极产生电弧放电，避免对工件与电极的烧蚀作用；回路限流电阻可限制、调节放电峰值电流，复合电加工过程可无须超声作用磨粒，可实现工具电极无磨损微精加工；(3)根据加工要求，可选择不同电导率的工作液，在加工装置上进行复合同步超声频振动微细电解加工、复合同步超声频振动微细电火花加工、复合同步超声频振动微细电解/电火花加工及单一超声微细加工；(4)控制χ、 y、ζ工作台联动进给，可实现工件复杂形面的展成式精密复合电加工。实例一不锈钢40Cr表面方锥形阵列微凹坑微细放电一电解复合加工
脉冲电源电压幅值0V(完全超声加工)、3V、4V、5V，频率5000Hz，占空比5 5，系统超声频振动共振频率17. 32KHz，超声振幅0. 05mm,工作液为加入1%硝酸钠的60%乙醇水溶液， 并在其中掺入20-50纳米B4C，工件与电极之间的接触静压力2. 0N，加工时间3分钟。复合超声频振动微细放电一电解加工方锥形微凹坑深度(即效率)明显高于单一超声加工，电压幅值增加，加工效率增高，但因电解作用间隙有所增大，凹坑尺寸也有所扩大，其中3V电压复合电加工精度及表面质量最好。实例二 硬质合金TOD151微齿轮微细放电一电解复合加工
直流电源电压幅值3V，系统超声频振动共振频率17. 46KHz，超声振幅0. 09mm,工件与微细阴极之间的接触静压力为3. ON,工作液为加入0. 5%硝酸钠的60%乙醇水溶液，并在其中掺入20-50纳米B4C，加工时间5分钟。用有内齿形孔微细电极，在有高耐磨性基体复合耐磨涂层硬质合金YBD151材料上套料加工齿数22，模数0. 20mm，压力角20°的渐开线微齿轮，加工的微齿轮厚度0. 30 mm, 渐开线齿形形状精度可达0. OOlmm,齿面粗糙度Ra为0. 20Mm。
权利要求
1.一种难加工材料的微精加工方法，其特征是，所述的方法是在超声激励下同时进行微细放电一电解作用，进行材料微精去除加工；微细放电一电解时使用直流或脉冲电源， 其电加工电压幅值不超过6V ；在工具电极与工件的间隙中注入低电导率工作液；加电加工时，超声振动激励低电压、静液电解作用，纳米级半导体微粉在超声激励下，致工具电极与工件间的电场畸变、增强，工作液及其中电解氢气泡及超声空化气泡被击穿，工件表面产生微细火花放电作用。
2.根据权利要求1所述的一种难加工材料的微精加工方法，其特征是，所述的工作液为质量分数为60% 99. 99%的乙醇水溶液或硝酸钠质量分数低于1%的乙醇水溶液，其中均掺入质量分数低于1%的纳米级半导体微粉。
3.实现权利要求1的一种难加工材料的微精加工系统，包括放电一电解加工单元、超声频振动单元、超声调制单元、超声斩波单元和工作台装置；所述的放电一电解加工单元包括工具电极、超声斩波电路、电涡流传感器和电加工电源；所述的超声频振动单元包括超声波发生器、压电式换能器、压电陶瓷片组合和超声振动辐射头；所述的超声调制单元包括激光微位移传感器、数字存储示波器和控制计算机；所述的超声斩波单元包括超声振动测量基准片和超声斩波电路；所述的工作台装置包括工作台和底座，其特征是，所述放电一电解加工单元中的电加工电源采用直流或脉冲电源，加工电压幅值不高于6V，电源正负极分别与工件及工具电极连接且在电路中接入限流电阻；所述超声斩波单元中的超声斩波电路设置有减法器、信号选择开关和由两个电压比较器并联构成的窗口电压比较器，超声发生器产生的超声频交变电信号通过电阻耦合接减法器的正负端子，减法器输出信号经电平转换后接信号选择开关的一个输入端，激光微位移传感器的输出电信号接信号选择开关的另一个输入端，信号选择开关的输出端接窗口电压比较器的比较信号输入端，窗口电压比较器窗口电压的高、低基准值由控制计算机设置，窗口电压比较器的输出端接光电耦合器；所述工作台装置中的工作台与其底座分别固定一个磁极，通过螺纹调节机构调节两个磁极之间的距离，以调节工具电极与工件间的接触压力，工作台与其底座由设置的弹簧机构联接。
4.根据权利要求3所述的一种难加工材料的微精加工系统，其特征是，所述的限流电阻的阻值为0. 1 9Ω。
5.根据权利要求1所述的一种难加工材料的微精加工系统，其特征是，所述的减法器采用UA741。
6.根据权利要求3所述的一种难加工材料的微精加工系统，其特征是，所述的窗口电压比较器中的电压比较器采用LM339N。
7.根据权利要求3所述的一种难加工材料的微精加工系统，其特征是，所述的工作台装置保持待加工工件与工具电极之间0. ION 5. ON恒压力接触。
8.根据权利要求3所述的一种难加工材料的微精加工系统，其特征是，所述的工作台与底座安装在具有χ轴微位移驱动机构和1轴微位移驱动机构的进给台上。
全文摘要
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，本发明所述的方法和实现该方法的加工系统将超声调制低压放电—电解有效复合，微精放电—电解作用与超声频振动同频、同步有机结合，依靠超声空化、火花放电爆炸力作用实现加工产物的排除与工作液的循环更新，有效改善加工间隙过程，提高定域加工性能,在具有高加工效率同时，可进一步提高加工精度、表面质量，同时可在静液中实现加工，无须复杂的工作液在压力流动、循环供给系统；加工中工件与电极保持一定恒压力接触，利用磁性调节机构，可进行微压力连续无级调节，无须电解加工必须的精密稳速微进给系统及电火花加工的伺服进给系统，可大大降低设备研制成本。
文档编号B23H7/14GK102513622SQ20111035081
公开日2012年6月27日 申请日期2011年11月9日 优先权日2011年11月9日
发明者朱永伟, 杜宇人 申请人:扬州大学