径向超声振动辅助微织构滚蚀电解加工方法及装置与流程

本发明属于微细电解加工技术领域，尤其是涉及一种径向超声振动辅助微织构滚蚀电解加工方法及装置。

背景技术：

随着科技的发展，人们发现生物表面存在的某些微织构是其获得特殊性能的主要原因，如蝴蝶表面脊状结构提高疏水性能保证自身清洁、鲨鱼表面沟槽结构可以减少运动阻力、荷叶表面的乳突结构使其保持清洁、壁虎脚掌吸盘结构可以增加摩擦力帮助其在墙壁上运动等。微织构在功能表面还有许多应用如滑动轴承上加工出微槽结构可提高其承载能力；计算机硬盘表面加工出微槽结构可降低磁头和盘片吸附力，减少摩擦，提高寿命；军用激光器等。因此，金属表面微织构的加工技术逐渐成为国内外学术界和工业界关注和聚焦的热点研究问题。

目前采用的加工方法主要有微细电火花加工、liga技术、微细激光加工法、电化学射流加工技术、微细切削加工技术等。每一种制造技术都有其独特的优点，也有其局限性。微细电火花加工由于电场、介质、工件与电极表面状态变化，间隙过程复杂，常产生短路、电弧放电，从而降低了电火花加工效率；liga技术要求有高强度、高准直度的x射线光源和特制的掩膜板，成本极高；很难用于斜面、阶梯面、自由曲面，还有工艺过程复杂，加工时间较长；微细激光加工技术工件表面易产生热影响区、变质层以及微裂纹等；同时激光加工影响因素较多，因此其精密微细加工精度不易保证；电化学射流加工技术由于加工尺寸受到毛细管直径的限制，加工效率受电解液流相互干扰影响，加工精度变差；微细切削加工技术但由于存在刀具与工件间的作用力，易产生工件变形、刀具发热等问题。

技术实现要素：

为了克服现有金属表面微织构加工技术存在的缺陷，本发明提供一种径向超声振动辅助微织构滚蚀电解加工方法及装置，解决表面微织构加工精密度不高、加工过程稳定性低、不能实现阴极与阳极之间的间隙进给等问题，更加有效地控制阴极工具与加工工件之间的距离，方便加工产物的排出，有利于电解液的循环更新，节约成本。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种径向超声振动辅助微织构滚蚀电解加工方法，所述方法包括以下步骤：

将阴极工具和阳极工件布置在电解反应工作箱内，电解液从电解反应工作箱的左右两侧喷入，阴极工具上设有径向超声换能器并可沿着z轴方向移动，阴极工具的阴极滚轮的外表面设有微织构群，将阳极工件布置在阴极滚轮的下方并可沿着x轴、y轴方向运动，超声发生器产生特定频率的信号，径向超声换能器在外部电压激励下，带动阴极主轴进行径向振动，通过周期性地改变阴极滚轮与阳极工件之间的加工间隙；

当阳极工件为阳极滚轮时，运动控制装置控制阴极主轴和阳极主轴分别带动阴极滚轮和阳极滚轮以同样的角速度旋转，进行稳定的电解加工。

一种基于所述电解加工方法的加工装置，包括工作平台以及安装在工作平台上的电解反应工作箱、阴极工具、被加工的阳极工件、电解液喷嘴、超声振动辅助装置、xy轴位移装置和z轴位移装置；

所述电解反应工作箱包括侧板、后板和底板，所述侧板包括左侧板和右侧板，所述后板的中上部沿着z轴方向设有开槽；

所述阴极工具包括阴极滚轮，阴极主轴沿着y轴方向布置，所述阴极主轴的前端穿过开槽并固定有所述阴极滚轮，阴极同步带轮固定在阴极主轴的后端，所述阴极主轴的中后部通过阴极轴承座可转动的安装在z轴位移装置上，阴极步进电机通过阴极同步带与阴极同步带轮连接；

所述阴极滚轮的外表面上设有微织构，所述阳极工件位于所述阴极滚轮的正下方并安装在xy轴位移装置上；

所述电解液喷嘴包括左喷嘴和右喷嘴，所述左喷嘴安装在电解反应工作箱的左侧板上，所述右喷嘴安装在电解反应工作箱的右侧板上；

所述超声振动辅助装置位于电解反应工作箱的后板的前方，所述超声振动辅助装置包括超声发生器和可产生径向运动的径向超声换能器，所述径向超声换能器为环形并布置在阴极滚轮与阴极主轴之间，所述径向超声换能器的内表面套装在所述阴极主轴上并与阴极主轴粘接，所述径向超声换能器的外表面与阴极滚轮的内表面粘接。

进一步，所述xy轴位移装置包括xy轴移动平台、用于驱动xy轴移动平台沿着x轴方向移动的x轴驱动机构和用于驱动xy轴移动平台沿着y轴方向移动的y轴驱动机构。

再进一步，所述阴极滚轮上的微织构的形状为心形、菱形、矩形其中的一种或两种以上。

再进一步，所述电解反应工作箱的底板上开有用于电解液回流的槽口，所述槽口与电解液水箱连通。

再进一步，所述电解液喷嘴通过角度调节机构安装在电解反应工作箱的侧板上，所述角度调节机构包括转动块、定位螺钉和紧定螺钉，所述电解反应工作箱的侧板上开有用于电解液喷嘴与电解液供液箱连接的一端穿过的长条槽孔和用于转动定位螺钉的凹槽，所述凹槽位于所述长条槽孔的前方，所述转动块与电解液喷嘴与电解液供液箱连接的一端固定连接并可转动的安装在长条槽孔内，所述定位螺钉自前向后依次穿过凹槽的后壁、转动块并与电解反应工作箱的侧板螺纹连接；

所述紧定螺钉位于所述定位螺钉的下方，所述紧定螺钉自前向后穿过凹槽的后壁伸入到长条槽孔内并顶触在转动块上。

再进一步，所述z轴位移装置包括z轴移动板和用于驱动z轴移动板沿着z轴方向移动的z轴驱动机构，所述阴极轴承座、阴极步进电机均安装在z轴移动板上。

再进一步，所述阳极工件为阳极滚轮，阳极主轴沿着y轴方向布置并位于电解反应工作箱的后板的前方，所述阳极滚轮固定在阳极主轴的后端，阳极同步带轮固定在阳极主轴的前端，所述阳极主轴的中前部通过阳极轴承座可转动的安装在xy轴位移装置，阳极步进电机通过阳极同步带与阳极同步带轮连接；

所述阴极滚轮位于所述阳极滚轮的正上方且阴极滚轮与阳极滚轮均位于电解反应工作箱内，所述阳极滚轮转动的线速度与阴极滚轮转动的线速度相同；所述阳极轴承座、阳极步进电机均安装在xy轴移动平台上。

再进一步，所述阳极工件为工件平板，所述工件平板安装在xy轴移动平台上。

再进一步，所述阳极滚轮位于阳极前盖板与阳极后盖板之间并通过阳极紧定螺钉自后向前穿过阳极压板固定在阳极主轴上，所述阳极压板采用环氧树脂材料。

更进一步，所述阳极步进电机、阴极步进电机、x轴驱动机构、y轴驱动机构和z轴驱动机构均与运动控制装置连接。

本发明的有益效果主要表现在：通过径向超声换能器的振动来改善加工间隙内流场特性、去除加工产生的钝化膜、促进电解液的循环更新、加快材料蚀除速度、提高加工表面质量；能够减少杂散腐蚀、提高加工定域性、降低表面粗糙度，精确控制电解加工间隙中的电场和流场参数，精确控制加工过程。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是图1逆时针旋转180度后的示意图。

图3是图2顺时针旋转90度后的示意图。

图4是本发明的供液方式示意图。

图5是阳极工件的阳极滚轮结构示意图。

图6是阴极工具的阴极滚轮结构示意图。

图7是本发明加工平面示意图。

图8是在阳极工件为平板工件时的示意图。

图9是电解液喷嘴安装示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

参照图1～图9，一种径向超声振动辅助微织构滚蚀电解加工方法，所述方法包括以下步骤：

将阴极工具和阳极工件布置在电解反应工作箱6内，电解液从电解反应工作箱6的左右两侧喷入，阴极工具上设有径向超声换能器并可沿着z轴方向移动，阴极工具的阴极滚轮17的外表面设有微织构群，将阳极工件布置在阴极滚轮17的下方并可沿着x轴、y轴方向运动，超声发生器产生特定频率的信号，径向超声换能器在外部电压激励下，带动阴极主轴13进行径向振动，通过周期性地改变阴极滚轮17与阳极工件之间的加工间隙；

当阳极工件为阳极滚轮18时，运动控制装置控制阴极主轴13和阳极主轴16分别带动阴极滚轮17和阳极滚轮18以同样的角速度旋转，进行稳定的电解加工。

一种基于所述电解加工方法的加工装置，包括工作平台14以及安装在工作平台14上的电解反应工作箱6、阴极工具、被加工的阳极工件、电解液喷嘴、超声振动辅助装置、xy轴位移装置4和z轴位移装置5；

所述电解反应工作箱6包括侧板、后板和底板，所述侧板包括左侧板和右侧板，所述后板的中上部沿着z轴方向设有开槽；

所述阴极工具包括阴极滚轮17，阴极主轴13沿着y轴方向布置，所述阴极主轴13的前端穿过开槽并固定有所述阴极滚轮17，阴极同步带轮10固定在阴极主轴13的后端，所述阴极主轴13的中后部通过阴极轴承座8可转动的安装在z轴位移装置5上，阴极步进电机11通过阴极同步带与阴极同步带轮10连接；

所述阴极滚轮17的外表面上设有微织构26，所述阳极工件位于所述阴极滚轮17的正下方并安装在xy轴位移装置4上；

所述电解液喷嘴包括左喷嘴1和右喷嘴15，所述左喷嘴1安装在电解反应工作箱6的左侧板上，所述右喷嘴15安装在电解反应工作箱6的右侧板上；

所述超声振动辅助装置位于电解反应工作箱6的后板的前方，所述超声振动辅助装置包括超声发生器和可产生径向运动的径向超声换能器，所述径向超声换能器为环形并布置在阴极滚轮17与阴极主轴13之间，所述径向超声换能器的内表面套装在所述阴极主轴13上并与阴极主轴13粘接，所述径向超声换能器的外表面与阴极滚轮17的内表面粘接。

进一步，所述xy轴位移装置4包括xy轴移动平台12、用于驱动xy轴移动平台12沿着x轴方向移动的x轴驱动机构和用于驱动xy轴移动平台沿着y轴方向移动的y轴驱动机构。

再进一步，所述阴极滚轮17上的微织构26的形状为心形、菱形、矩形其中的一种或两种以上。

再进一步，所述电解反应工作箱6的底板上开有用于电解液回流的槽口，所述槽口与电解液水箱连通。

再进一步，所述电解液喷嘴通过角度调节机构安装在电解反应工作箱6的侧板上，所述角度调节机构包括转动块31、定位螺钉29和紧定螺钉30，所述电解反应工作箱6的侧板上开有用于电解液喷嘴与电解液供液箱连接的一端穿过的长条槽孔和用于转动定位螺钉29的凹槽，所述凹槽位于所述长条槽孔的前方，所述转动块31与电解液喷嘴与电解液供液箱连接的一端固定连接并可转动的安装在长条槽孔内，所述定位螺钉29自前向后依次穿过凹槽的后壁、转动块31并与电解反应工作箱6的侧板螺纹连接；

所述紧定螺钉30位于所述定位螺钉29的下方，所述紧定螺钉30自前向后穿过凹槽的后壁伸入到长条槽孔内并顶触在转动块31上。

再进一步，所述z轴位移装置5包括z轴移动板9和用于驱动z轴移动板9沿着z轴方向移动的z轴驱动机构，所述阴极轴承座8、阴极步进电机11均安装在z轴移动板9上。

再进一步，所述阳极工件为阳极滚轮18，阳极主轴16沿着y轴方向布置并位于电解反应工作箱6的后板的前方，所述阳极滚轮18固定在阳极主轴16的后端，阳极同步带轮3固定在阳极主轴16的前端，所述阳极主轴16的中前部通过阳极轴承座2可转动的安装在xy轴位移装置，阳极步进电机7通过阳极同步带与阳极同步带轮3连接；

所述阴极滚轮18位于所述阳极滚轮17的正上方且阴极滚轮17与阳极滚轮18均位于电解反应工作箱6内，所述阳极滚轮18转动的线速度与阴极滚轮17转动的线速度相同；所述阳极轴承座2、阳极步进电机7均安装在xy轴移动平台12上。

再进一步，所述阳极工件为平板工件28，所述平板工件28安装在xy轴移动平台12上。

更进一步，所述阳极滚轮18位于阳极前盖板20与阳极后盖板19之间并通过阳极紧定螺钉22自后向前穿过阳极压板21固定在阳极主轴16上，所述阳极压板21采用环氧树脂材料；

所述阳极步进电机7、阴极步进电机11、x轴驱动机构、y轴驱动机构和z轴驱动机构均与运动控制装置连接。

本实施例中，阴极主轴13通过环氧树脂来粘合径向超声换能器的内表面，径向超声换能器是由外部金属圆环23、压电陶瓷管24、内部金属圆环25三部分组成，内部金属圆环25与阴极滚轮17、外部金属圆环23与压电陶瓷24之间均通过环氧树脂胶进行粘接，所述超声发生器产生特定频率的信号，径向超声换能器是由一个厚度极化的压电陶瓷管24和两个金属薄圆环在半径方向复合而成；在外部电压激励下，利用压电陶瓷管24的逆压电效应来产生径向振动，逆压电效应是指当在电介质的极化方向施加电场，这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力，当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失。

x轴驱动机构、y轴驱动机构均是由一步进电机与高精度滚珠丝杠配合而成，在滚珠丝杠副的输入端安装步进电机，将丝杠两端装上轴承、轴承座固定在工作平台上，丝杠螺母插装在方形带孔的螺母座里，用螺丝固定；螺母座和xy轴移动平台用螺丝固定并用两个圆锥销定位，螺母和孔滑动配合；z轴驱动机构也是由一步进电机与高精度滚珠丝杠配合而成，所述阳极轴承座与z轴移动平台9通过两个m6螺钉进行配合，z轴驱动机构的步进电机配合安装在电机固定支架上，固定支架通过四个m4螺钉与z轴移动平台9相互配合。

通过同时控制双滚轮的自转速度，可以保证两者具有相同的线速度，然后通过径向超声换能器的径向振动，改变电解加工的间隙，提高了超声电解加工精度。所述阳极滚轮也可以换成平板工件，比如10×8mm的不锈钢金属薄板29，拆下阳极轴承座2和阳极步进电机7，取下整个阳极工件，通过4×m8螺钉30来固定住10×8mm的不锈钢薄板，实现平面上微织构的加工，如图8所示。

运动控制装置为四轴步进或数字式伺服控制，脉冲输出速度可达1.0mpps，梯形加减速、运动中可变速，多轴高速线性插补，可输出脉冲/方向或双脉冲信号；设定好一定的参数，控制阴极主轴13和阳极主轴16同样的角速度旋转，进行稳定的电解加工。

本装置中阴极滚轮17上有许多微织构群，如心形、菱形、矩形等凹凸结构形态，均通过反拷贝法加工出具有类似形状的微织构群；阳极工件可以是具备复杂型面的空心或者实心的任意金属零件，如薄壁件、扎辊类零件；超声振动辅助装置在电解加工过程中起到辅助作用，能有效的提高电解加工效率，工具电极所需振幅在0.01-0.1mm，仔细调控好电解加工电源和超声电源的频率，使电解加工与所述工具电极的径向超声振动实现同频、同步，达到共振的效果，提高电解加工效率；

本发明保证了加工的稳定性与均匀性，通过两组相同的同步带轮传动，旋转主轴与轴承座紧密连接，顶部与滚轮用夹具进行装夹，实现低转速调节控制，有效地保证了阳极主轴16与阴极主轴13有相同的转速，提高了超声电解加工精度。

如图1、图3、图4所示，电解加工装置均在一个较大的工作平台14上加工反应，首先安装阴极滚轮17与阳极滚轮18，阳极滚轮18通过阳极前盖板20与阳极后盖板19来夹紧，阳极紧定螺钉22通过阳极压板21来固定住阳极滚轮18；阳极滚轮18与阴极滚轮17采用碰刀短路的方法来保证阴极主轴13位于阳极主轴16正上方：碰刀短路的方法就是利用电流不经过用电器，直接连接电源正负极，从而产生非常大的电流，通过调节万用表的欧姆档，欧姆档是当正负两表笔直接接触时，会发出蜂鸣声，也可以通过在电路中串联超精密电流表来显示电流，当碰刀时，超精密电流表会一瞬间突然增大，此时系统发送信号给回路中继电器开关，切断电路。之后设定好已经调好的运动参数与加工参数；调整好加工间隙之后，打开电解液水泵的开关，进行电解反应。

在电解反应工作箱6内，z轴位移装置5控制阴极工具向阳极工件进给运动，由于xy轴位移装置4承载能力较大，阳极工件整体加工安装在xy轴移动平台12上，同时进行阴极主轴13的转动；将阳极主轴16和阴极主轴13用导线分别连接至脉冲电源输出端的正极和负极，并在电解加工回路中串入高精度电流表，显示电流信号，预防短路现象发生。

电解加工使用脉冲电源，径向超声振动在径向超声电解加工过程中，阴极主轴13与阳极主轴16始终保持较小的间隙，设定好径向超声振动参数，将超声发生器的频率调成与脉冲电源的加工频率一样，启动超声发生器，将系统调至共振状态，开启电解加工脉冲电源，即可对工件进行径向超声电解复合微细加工。脉冲电源产生脉冲电信号，与径向超声幅频相同，从而提高效率，延长换能器的使用寿命，径向换能器能够通过逆压电效应，带动阴极主轴13进行径向振动，通过周期性地改变阴极滚轮17与阳极滚轮18之间的加工间隙，能够有效地排出加工产物，促进电解液循环更新。

本发明采用电解液水平冲液方式，由左喷嘴1与右喷嘴15同时喷射向滚轮间隙，能够完全地使电解液进入加工间隙，防止电解液意外流入工具电极或者加工工件中，导致电解短路，破坏了电极，影响加工的稳定性；如图9所示，所述转动块31位于电解液喷嘴与电解液供液箱连接的一端的下方；通过定位螺钉29与电解反应工作箱侧板连接，可以自由转动，通过顺时针旋动电解反应工作箱上的紧定螺钉30，使其顶触转动块与长条槽孔内壁贴合，从而夹紧电解液喷嘴；逆时针旋动紧定螺钉30，松开转动块，然后转动定位螺钉29，定位螺钉31带动转动块，转动块带动电解液喷嘴转动一定角度，从而调控好加工的角度，进行有角度的电解加工；定位螺钉29内六角圆柱头螺钉。电解反应工作箱底部的槽口，加工后的电解液能够顺着槽口流入电解液水箱，避免浪费。

本发明利用同步带轮减速传动的原理，实现主轴的低速传动，由阴极步进电机11开始传动，阴极主轴13连接阴极同步带轮10传动，阴极主轴18靠轴承连接在阴极轴承座8上，保持转动的稳定性；阳极也是采用阳极步进电机7传动，通过阳极同步带轮3的传动带动阳极主轴16的转动，通过阳极轴承座2来支撑滑动轴承，实现主轴同步转动。

本发明利用径向超声换能器连接主轴，进行有效地进行间隙振动，本装置既要控制阳极向阴极不断进给，也要控制阴极不断地振动，改变工具电极与加工工件之间的间隙，加快加工产物的去除，更好地促进电解液的循环，提高加工精度，促进加工的稳定性。