大型复杂金属表面等离子体与脉冲放电复合抛光加工装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种大型复杂金属表面等离子体与脉冲放电复合抛光加工装置，目的是解决常规金属表面精密加工和抛光方法的不足及加工和抛光效率低、易产生加工应力和表层损伤等问题。该装置包括射频电源、射频电源匹配器、高压直流脉冲电源、脉冲电源极性调节装置、高压直流脉冲电源阻抗、等离子炬、加工保护罩、控制电路和联动机构；本发明是在大气压下对金属的表面的精密加工和抛光，不需要真空室和特制的抛光液，可降低设备成本并扩大其使用范围。加工效率是传统抛光方法的几倍，并且是无应力加工，无表面和亚表层损伤、无表面污染，抛光工件的表面粗糙度可达到Ra0.2μm。
【专利说明】大型复杂金属表面等离子体与脉冲放电复合抛光加工装置
【技术领域】
[0001] 本发明属于非接触法金属表面加工【技术领域】，具体涉及一种大型复杂金属表面等 离子体与脉冲放电复合的抛光加工装置，能够在大气压条件下实现对金属表面的精密抛光 和加工。
【背景技术】
[0002] 金属材料表面抛光，分为接触式和非接触式。接触式抛光以人工手动直接研磨抛 光和加工磨削抛光为主，这些传统的机械抛光加工方法连同后来发展的机械-化学复合抛 光、金刚石超精密切削抛光等都存在传统接触式抛光加工的各种缺陷，不可避免的造成材 料表面组织的破坏，形成微裂纹，破坏材料晶格完整性，影响材料的表面质量。想得到较好 的无损高质量材料表面，还需要在加工原理上做出变化。
[0003] 非接触式抛光能很好地解决金属材料表面的晶格完整性问题。其装置以电解抛 光、电火花抛光为主。传统电解抛光方法或采取低电压装置，或以高浓度电解液来进行，均 使用高浓度价格昂贵及有毒的溶液，抛光前必须花相当的时间先对待抛制品除脂、蚀刻、冲 洗等处理。抛光时间过长、需要相当大的电力与劳动力，对整个生产力与效能有负面的影 响。另外，高浓度的电解液处理不易，很容易对环境造成危害。抛光过程中还需要配置专门 的搅动装置以防止抛光液浓度不均匀，需要设置特定的抛光废弃物排出机构。抛光电解液 体要预热到一定的温度，并保持在一个恒定的温度下才能进行，抛光后还要再次清洗抛光 表面。另外抛光中阴极损耗大，抛光时要不断地有匹配装置提供足够的电解液，防止局部因 为缺乏电解液而产生震耳的"氢爆"声，不仅污染环境，综合成本也高。
[0004] 金属的电火花抛光是利用脉冲放电，使待抛光表面的不平整部份得到整平。脉冲 放电的结果，使高出的部份熔解，而凹下的部份被熔解的金属填平的一种加工工艺。但此工 艺一般要求电极离工件非常接近，需要在一定的电解介质中进行，有时需要根据材料的表 面形状制作专门的电极，抛光过程中放电间隙非常小，抛光和加工效率极低。阳极上又经 常形成不导电的脆性氢氧化物薄膜，造成阳极钝化并且覆盖在整个加工表面上，使阳极的 腐蚀速度随时间按指数规律下降，生产效率大大降低。此外电极经常有损耗，需要制作新电 极。此抛光工艺一般比较耗时，成本高，而且对环境有污染等缺陷。
[0005] 90年代初出现了一些新的非接触式的加工装置，如离子束抛光、电子束抛光等，依 靠物理方法从电极一侧发射离子束或者电子束到工件表面进行抛光，以及近年来的热门研 究工艺如等离子体化学辅助抛光方法在精密光学器件上的应用，以上抛光加工方法都是以 原子或分子级别去除材料，使表面加工质量上升到新高度。但是这些技术需要的环境支持 (需高真空）及过低的加工效率、设备价格昂贵，会产生有害的放射物和有毒反应气体等也 限制了自身的使用范围。
【发明内容】
[0006] 本发明提供一种大型复杂金属表面等离子体与脉冲放电复合抛光加工装置，目的 在于实现大气压条件下金属表面的精密加工和抛光，并且加工效率高，能避免环境污染。
[0007] 本发明提供的一种大型复杂金属表面等离子体与脉冲放电复合抛光加工装置，其 特征在于，该装置包括射频电源、射频电源匹配器、高压直流脉冲电源、脉冲电源极性调节 装置、高压直流脉冲电源阻抗、等离子体炬、加工保护罩、控制电路、工作台和联动机构；
[0008] 工作台用于放置待抛光金属材料加工工件，加工保护罩用于罩在待抛光金属材料 加工工件上，以收集废弃的抛光物和气体，加工保护罩的上端留有用于加工的开口；
[0009] 等离子炬包括石英管、石英管保护套、脉冲放电电极、电极绝缘保护套、进气装置、 第一电磁振荡加载装置、空心铜管螺旋线圈、第二电磁振荡加载装置；
[0010] 放电电极、电极绝缘保护套、密封圈由内至外同轴固定，并均固定安装在进气装置 的顶部通孔内；在石英管的上端和石英管保护套一起固定安装在进气装置底部通孔内，进 气装置一侧还开有一个进气接口，实现等离子体发生气体和化学反应气体的进入；进气装 置、密封圈、放电电极、电极绝缘保护套、石英管保护套、石英管均同轴安装放置，且进气装 置（除进气接口处）内部与电极绝缘保护套和石英管保护套、石英管为密封安装，防止等离 子体发生气体和化学反应气体的泄漏；
[0011] 在石英管的上部安装有第一电磁振荡加载装置，在石英管中部安装有空心铜管螺 旋线圈，空心铜管螺旋线圈紧密地缠绕在石英管的外壁上，空心铜管螺旋线圈内部可以通 冷却液；在进气装置外安装有一个外部封装绝缘保护套并将其接地，并将第一电磁振荡加 载装置和空心铜管螺旋线圈套在其内，以防止高压漏电和射频振荡等离子体对人体的影 响；在外部封装绝缘保护套的下端安装外部封装绝缘保护套端盖，石英管底部穿过外部封 装绝缘保护套端盖，且其外套下端安装有第二电磁振荡加载装置；
[0012] 等离子炬中的空心铜管螺旋线圈的一极用于与射频电源的一输出极连接，另一极 用于与射频电源匹配器的一端连接，射频电源匹配器的另一端接入射频电源的另一输出 极，形成一个射频放电回路；
[0013] 放电电极与高压直流脉冲电源阻抗一端电连接，高压直流脉冲电源阻抗另一端与 脉冲电源极性调节装置一极电连接，脉冲电源极性调节装置的另外一极与高压直流脉冲电 源一极电连接，高压直流脉冲电源的另外一极用于接入金属材料加工工件表面，形成一个 高压直流脉冲放电回路；
[0014] 控制电路分别与射频电源、高压直流脉冲电源、脉冲电源极性调节装置、第一电磁 振荡加载装置、第二电磁振荡加载装置以及联动机构电信号连接，以实现对它们的控制；
[0015] 等离子体炬安装在联动机构上，由联动机构按照加工路径带动等离子体炬在待抛 光金属材料加工工件表面移动，以实现大型金属材料复杂曲面的加工和抛光；
[0016] 使用时在联动机构和等离子体炬连接的加工头部安装有加工曲面扫描装置，用于 扫描加工曲面信息反馈给计算机，并由计算机对应给出加工和抛光面的加工路径；
[0017] 联动机构可以采用五自由度串联式机器手臂等机构实现。
[0018] 本发明装置利用的是金属抛光材料凸起部位的阳极斑点效应对其进行去除，加工 过程是放电电弧等离子体与金属表面凸点的接触，不会对金属的其它表层组织有影响，不 存在表面晶格破坏、变质层、残余应力、应力集中等问题。
[0019] 本发明克服传统电解抛光装置的不足，不需要在金属抛光表面涂上任何研磨液和 化学反应抛光液，无电极的损耗问题。本发明加工效率高，无需对待抛制品抛光前的除脂、 蚀刻、冲洗等前置处理，能直接抛光，避免因需预先表面处理，增加生产过程，造成不便及浪 费，还能避免环境污染等问题。
[0020] 本发明克服电火花抛光装置的不足，可在大气压下产生大规模、高能量密度的等 离子体，不需要特制的电极，放电间隙很大，等离子体流是大面积地轰击金属材料表面凸 点，加工和抛光效率高。加工后的产物为气化后的金属蒸气，有配套的抛光废弃物和气体收 集的加工保护罩，不会对环境造成污染。
[0021] 本发明克服离子束抛光、电子束抛光和等离子体化学方法辅助抛光装置的不足， 提供一种大型复杂金属表面等离子体与脉冲放电复合的高精度加工技术和快速、便宜的抛 光装置。仅仅使用常见的等离子体反应气体和一个射频电源、高压直流脉冲电源和控制装 置，不需要其他的消耗设备。
[0022] 本发明加工和抛光精度高，可根据抛光表面的抛光效果需要选择特定的脉冲放电 参数，实现粗抛、细抛和精抛，精密化抛光后形成的表面粗糙度小，可达到RaO. 2 μ m。
【专利附图】
【附图说明】
[0023] 图1是本发明加工装置的单个放电电弧通道的加工原理图。
[0024] 图2是本发明加工装置的实施工艺步骤图。
[0025] 图3是本发明实例提供的加工装置的整体结构示意图。
[0026] 图4是本发明实例提供的加工装置的等离子炬整体装配图。
[0027] 图5是本发明加工装置的电磁振荡加载俯视图。
【具体实施方式】
[0028] 下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步说明。在此需要说明的是，对于 这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述 的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0029] 本发明通过一个射频电源、可调节输出电压大小的高压直流脉冲电源、可变长度 和截面的针状放电电极来实现脉冲放电。高压直流脉冲电源的输出极接在一个放电电极和 待抛光的金属材料加工工件上。射频电源实现射频振荡产生等离子体磁流体通道，高压直 流脉冲电源提供脉冲高压给放电电极，这样在放电电极和金属材料加工工件的加工凸点处 形成气体放电等离子体电弧，此等离子体电弧经过射频振荡产生等离子体磁流体通道后形 成高密度、高能量的等离子体电弧，高密度能量的等离子体电弧形成后，轰击金属材料表面 凸起处形成阳极板点，快速加工蒸发金属材料表面凸起部位。
[0030] 等离子体电弧形成后，脉冲放电电极不动时，由电弧弧压最小值原理，新的电弧放 电通道会在不断地去找寻金属材料加工工件上的凸点，即电弧在放电过程中不断自动寻的 去加工新的凸点。本发明的放电电极的自动寻的范围为一圆锥体形电弧放电抛光加工区， 如图1所示，圆锥角度为Θ，在电弧放电的Θ角度扫描到的金属材料加工工件的加工表面 上，其所有能建立放电电弧通道的凸起将都会被去除，其过程如图2所示。
[0031] 如图3所示，本发明实例提供的金属表面精密加工装置，包括射频电源1、射频电 源匹配器2、高压直流脉冲电源3、脉冲电源极性调节装置4、等离子体炬、加工保护罩18、控 制电路19、工作台20和联动机构24。
[0032] 工作台20用于放置待抛光金属材料加工工件21，加工保护罩18用于罩在待抛光 金属材料加工工件21上，以收集废弃的抛光物和气体，加工保护罩18的上端留有用于加工 的开口。
[0033] 等离子体炬位于金属材料加工工件21的上方，其结构如图4所示，它包括石英管 6、石英管保护套7、脉冲放电电极8、电极绝缘保护套9、进气装置10、第一电磁振荡加载装 置11，空心螺旋线圈、外部封装绝缘保护套15、外部封装绝缘保护套端盖25和第二电磁振 荡加载装置26。
[0034] 放电电极8、电极绝缘保护套9、密封圈13由内至外同轴固定，并通过上预紧螺钉 14将其一起安装在进气装置10的顶部通孔内，在石英管6的上端通过石英管保护套7及下 预紧螺钉27固定，将其一起安装在进气装置10底部通孔内，进气装置10 -侧还开有一个 进气接口，实现等离子体发生气体和化学反应气体的进入。进气装置10、密封圈13、放电电 极8、电极绝缘保护套9、石英管保护套7、石英管6均同轴放置，且进气装置10 (除进气接口 处）内部与电极绝缘保护套9和石英管保护套7、石英管6为密封安装，防止等离子体发生 气体和化学反应气体的泄漏。
[0035] 如图5所示，在石英管6的上部安装有第一电磁振荡加载装置11，在石英管6中 部安装有空心铜管螺旋线圈12,且空心铜管螺旋线圈12紧密地缠绕在石英管6的外壁上， 空心铜管螺旋线圈12内部可以通冷却液。在进气装置10外安装有一个外部封装绝缘保护 套15并将其接地，并将第一电磁振荡加载装置11和空心铜管螺旋线圈12套在其内，以防 止高压漏电和射频振荡等离子体对人体的影响。在外部封装绝缘保护套15的下端安装外 部封装绝缘保护套端盖25,石英管6底部穿过外部封装绝缘保护套端盖25,且其外套有第 二电磁振荡加载装置26。
[0036] 等离子炬中的空心铜管螺旋线圈12的一极用于与射频电源1的一输出极连接，另 一极用于与射频电源匹配器2的一端连接，射频电源匹配器2的另一端接入射频电源1的 另一输出极，形成一个射频放电回路。
[0037] 放电电极8与高压直流脉冲电源阻抗5 -端电连接，高压直流脉冲电源阻抗5另 一端与脉冲电源极性调节装置4 一极电连接，脉冲电源极性调节装置4的另外一极与高压 直流脉冲电源3 -极电连接，高压直流脉冲电源3的另外一极用于接入金属材料加工工件 21表面，形成一个高压直流脉冲放电回路。
[0038] 等离子体炬安装在联动机构24上，在联动机构24和等离子体炬连接的加工头部 安装一个加工曲面扫描装置，扫描加工曲面信息反馈给计算机，并由计算机对应给出加工 和抛光面的加工路径后，由联动机构24带动等离子体炬在待抛光金属材料加工工件21表 面移动，以实现整个金属材料复杂曲面的加工和抛光。联动机构24可以采用五自由度串联 式机器手臂等机构实现。
[0039] 控制电路19分别与射频电源1、高压直流脉冲电源3、脉冲电源极性调节装置4、第 一电磁振荡加载装置11、第二电磁振荡加载装置26以及联动机构24电信号连接，以实现对 它们的控制。
[0040] 下面说明本发明装置的工作过程：
[0041] 如图3所示，先将待抛光金属材料加工工件21固定在机床的工作台20上，固定好 后在金属材料的外端盖上一个加工保护罩18,用来收集废弃的抛光物和气体，加工保护罩 18上端开放。
[0042] 将等离子体炬整体与其它各部件全部接好后，将等离子炬整体和联动机构24相 连接，并保证好整个装置整体的同轴度。
[0043] 工作过程中，将等离子体发生气气源22接入等离子体发生气体流量控制器16,化 学反应气体气源23接入化学反应气体流量控制器17中，将两控制器又接入到本发明的控 制电路19中，用以控制以上气体的输出。将射频电源和高压直流脉冲电源的连接电路也接 入到控制电路19中，用以控制射频电源和高压直流脉冲电源的输出参数。
[0044] 化学反应气体气源给本抛光过程提供反应气体如HC1、NH4C1、CC1 4等，在加工和抛 光中被电离生成的高密度高活性激发态C1%与金属材料加工工件21表面加工和抛光凸点 处反应生成FeCl 3, FeCl3的熔点较Fe低很多，这样金属材料表面凸点能加速、高效地被加工 和抛光去除，快速得到光亮的加工和抛光面。相关化学反应方程式如下：
[0045] tfj jjS 伞 e+HCl -H +C1
[0046] e+NH4CI NH4"+cr：!
[0047] e+CCl4 C*+4Cl"
[0048] Fe+3Cl*FeCl3
[0049] 同时将联动机构24的连接电路也接入到控制电路19中，联动机构24的控制也可 以通过控制电路19来实现。这样，控制电路19可以控制本抛光技术过程中的等离子体发 生反应气体、抛光反应气体、射频电源、高压直流脉冲电源的输出特性和联动机构的加工和 抛光过程。
[0050] 高压直流脉冲电源3通过接入脉冲电源极性调节装置4,可以实现输出正负极的 可调。当调节脉冲电源极性调节装置4,使金属材料加工工件21表面接入高压直流脉冲电 源3输出的正极时，金属材料加工工件21表面最初抛光的部位见其图2左侧凸起处，在高 压脉冲放电的作用下，高压击穿通入的等离子体发生气体，在放电电极8和金属材料加工 工件21表面凸起处形成放电电弧，进而实现金属材料加工工件21表面凸点蒸发去除，形成 的金属加工和抛光表面见图2中的左二图所示，在这个过程中高压击穿通入的化学反应气 体，化学反应气体被电离，生成的高密度高活性激发态离子会附着在金属材料加工工件21 表面凸起处，使得金属材料加工工件21表面凸起位置熔化气化温度低，使放电电弧更容易 加工和抛光此位置。调节脉冲电源极性调节装置4,使金属材料加工工件21表面接入高压 直流脉冲电源3输出的负极时，金属材料加工工件21表面已经抛光的凸点表面处，仍可实 现表层金属离子的溅射，进一步实现此抛光处的凸点的圆角光亮化。另外，通过控制放电脉 冲时间，还可实现放电电极材料的电离等离子体化，放电电极材料可以通过电弧放电通道 被电镀到金属材料表面。由以上实验过程，根据加工和抛光效果的需要，利用控制电路19 控制脉冲电源极性调节装置4,不断的更换电源的输出正负极性，改变放电电极8和电磁振 荡加载装置11的参数，让此加工和抛光过程不断进行下去，实现细抛和精抛和电镀，最后 的金属抛光表面如图2右图所不。
[0051] 本发明装置中通过观察气体放电的伏安特性曲线来进行相关参数检测。当在电极 两端加上较低的电压（未达到击穿电压）时，电子和离子在电场的作用下作定向运动，于是 电流从零开始逐渐增加，这时的电流值稳定增长，易于观察和测量。
[0052] 使用时，先打开等离子体发生气气源22,通过控制电路19其输出流量，实现稳定 的等离子体反应发生气输出到石英管6内。打开射频电源1，这时射频电源1和匹配器2的 电源输出特性，将会在石英管6内的气体电离产生低温等离子体磁流体导电通道。控制好 控制电路19的输出，这时石英管6内将源源不断地有稳定的等离子体磁流体导电通道的产 生。由于联动机构24和等离子炬整体连接，通过控制电路19调整联动机构24和等离子炬 整体与金属材料21的抛光表面到一个理想的距离后，打开控制电路19关于高压直流脉冲 电源3的控制部分，实现高压直流脉冲电源3能提供100V?60KV连续可调直流高压电，用 精度为10%的μ A电流表检测高压直流脉冲电源3的放电电流，Q-3V型电压表检测高压直 流脉冲电源3的放电电压。调整高压直流脉冲电源3的输出特性，实现金属材料加工工件 21加工和抛光表面的粗加工和抛光、细加工和抛光、精密加工和抛光。
[0053] 在本发明的加工装置中，控制电路19的控制过程是，首先打开射频电源1的控制 信号，当射频电源1、匹配器2和螺旋线圈12能产生低温等离子体磁流体通道时，再打开高 压直流电源3脉冲放电信号，实现稳定放电电弧的形成后，最后打开电磁振荡加载装置11 的信号，实现牵引放电电弧，大范围加工和抛光材料表面。
[0054] 本发明的加工和抛光过程中，金属材料加工工件21固定不动，上端的联动机构 24,通过扫描捕捉到的金属材料加工工件21表面的信息，利用计算机软件自动生成相应加 工和抛光轨迹，在计算机输出的加工程序中，控制联动机构24自动实现在金属抛光表面的 有序移动，实现对整个金属表面的抛光。
[0055] 以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所 公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保 护的范围。
【权利要求】
1. 一种金属表面等离子体与脉冲放电复合抛光加工装置，其特征在于，该装置包括射 频电源（1)、射频电源匹配器（2)、高压直流脉冲电源（3)、脉冲电源极性调节装置（4)、等离 子炬、加工保护罩（18)、控制电路（19)、工作台（20)和联动机构（24); 工作台（20)用于放置待抛光金属材料加工工件，加工保护罩（18)用于罩在待抛光金 属材料加工工件（21)上，以收集废弃的抛光物和气体，加工保护罩（18)的上端留有用于加 工的开口； 等离子炬包括石英管（6)、石英管保护套（7)、脉冲放电电极（8)、电极绝缘保护套（9)、 进气装置（10)、第一电磁振荡加载装置（11)、空心螺旋线圈、外部封装绝缘保护套（15)、夕卜 部封装绝缘保护套端盖（25)和第二电磁振荡加载装置（26); 放电电极（8)、电极绝缘保护套（9)、密封圈（13)由内至外同轴固定，并固定安装在进 气装置（10)的顶部通孔内，石英管（6)的上端和石英管保护套（7) -起固定安装在进气装 置（10)底部通孔内，进气装置（10) -侧还开有一个进气接口，用于与等离子体发生气体气 源和化学反应气体气源连接；进气装置（10)、密封圈（13)、放电电极（8)、电极绝缘保护套 (9)、石英管保护套（7)、石英管（6)均同轴放置，进气装置（10)除进气接口外内部保持密 封，电极绝缘保护套（9)和石英管保护套（7)均为密封； 在石英管（6)的上部安装有第一电磁振荡加载装置（11)，在石英管（6)中部安装有空 心螺旋线圈，且空心螺旋线圈紧密地缠绕在石英管（6)的外壁上，空心螺旋线圈内部用于 通冷却液；在进气装置（10)外安装有一个外部封装绝缘保护套（15)，并将第一电磁振荡加 载装置（11)和空心螺旋线圈套在其内；在外部封装绝缘保护套（15)的下端安装外部封装 绝缘保护套端盖（25)，石英管（6)底部穿过外部封装绝缘保护套端盖（25)，且其外套有第 二电磁振荡加载装置（11); 等离子炬中的空心螺旋线圈的一极用于与射频电源（1)的一输出极连接，另一极用于 与射频电源匹配器（2)的一端连接，射频电源匹配器（2)的另一端接入射频电源（1)的另 一输出极，形成一个射频放电回路； 放电电极⑶与高压直流脉冲电源阻抗（5) -端电连接，高压直流脉冲电源阻抗（5) 另一端与脉冲电源极性调节装置（4) 一极电连接，脉冲电源极性调节装置（4)的另外一极 与高压直流脉冲电源（3) -极电连接，高压直流脉冲电源（3)的另外一极用于接入金属材 料加工工件（21)表面，形成一个高压直流脉冲放电回路； 控制电路（19)分别与射频电源（1)、高压直流脉冲电源（3)、脉冲电源极性调节装置 (4)、第一电磁振荡加载装置、第二电磁振荡加载装置以及联动机构（24)电信号连接，以实 现对它们的控制； 等离子体炬安装在联动机构（24)上，由联动机构（24)按照加工路径带动等离子体炬 在待抛光金属材料加工工件（21)表面移动，以实现整个金属材料复杂曲面的加工和抛光。
2. 根据权利要求1所述的金属表面等离子体与脉冲放电复合抛光加工装置，其特征在 于：脉冲放电电极为锥状针尖构造，电弧放电间距连续可调节。
3. 根据权利要求1所述的金属表面等离子体与脉冲放电复合抛光加工装置，其特征在 于：电极绝缘保护套（9)安装在脉冲放电电极（8)的外围，使脉冲放电电极（8)不和装置的 其它金属零件接触。
4. 根据权利要求1、2或3所述的金属表面等离子体与脉冲放电复合抛光加工装置，其 特征在于，所述联动机构（24)为五自由度串联式机器手臂。
5.根据权利要求1、2或3所述的金属表面等离子体与脉冲放电复合抛光加工装置，其 特征在于，在联动机构和等离子体炬连接的加工头部安装有一个加工曲面扫描装置，扫描 加工曲面信息并由计算机给定加工和抛光面的加工路径。
【文档编号】B24B1/00GK104108054SQ201410276148
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2014年6月19日 优先权日:2014年6月19日
【发明者】李建军, 戴伟, 黄齐文, 赵航 申请人:华中科技大学