基于激光扫描翻边结构引流的电解液反射流体控制方法

技术领域

本发明涉及特种加工技术中复合加工领域，尤其涉及到一种基于激光扫描翻边结构引流的电解液反射流体控制方法。

背景技术

电解液射流加工技术是电解加工技术的一个研究方向，该技术加工柔性高、加工无工具电极损耗、加工不受材料硬度等特性的影响、无加工应力和加工热影响，已经成为国内外研究的热点。一些学者甚至指出该技术未来将广泛应用于难加工材料的高效高质量加工当中。电解液射流加工技术多数采用管状工具电极，加工中以内喷液的形式对工件表面的指定区域进行电化学溶解去除材料。国内外很多学者采用电解液射流加工技术完成了针对于多种难加工材料(如钛合金、高温合金、不锈钢)的打孔、铣槽和切割加工，充分证明了该技术具有广阔的应用价值和前景。

但是，电解液射流加工中电解液的流动是发散的，容易对非加工区域产生杂散腐蚀。尤其是在加工初期时电解液在工件表面平铺流动，在加工区边缘位置和非加工区域处电流密度较低，容易产生杂散腐蚀。当电解加工持续一段时间之后，即使此时电解液不再冲击加工区边缘和非加工区域，但加工初期产生的杂散腐蚀无法消除。

为了消除电解液射流加工中的杂散腐蚀，很多学者做了深入的研究并提出了一些减弱杂散腐蚀的工艺方法。比如调控电解加工工艺参数，让加工尽快进入到稳定状态，避免非加工区域遭受电解液流的冲击。但这种方法的工艺窗口较小，需要进行大量的仿真及试验研究，并且仅能减弱杂散腐蚀，无法消除加工起始点处的杂散腐蚀。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种基于激光扫描翻边结构引流的电解液反射流体控制方法，通过在电解液射流加工中引导电解液流体的反射方向，避免反射电解液对非加工区域产生冲击并减弱杂散腐蚀从而提升了电解液射流加工表面的质量。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

基于激光扫描翻边结构引流的电解液反射流体控制方法，包括如下步骤：激光束扫描形成翻遍结构；翻遍结构引导电解液流体流动和微坑内侧壁引导电解液流体流动。

进一步的，激光束扫描形成翻遍结构具体包括：激光束通过管电极内腔在工件加工表面进行高速扫描去除材料，形成一个中心凹陷并且边缘有翻边结构的形态。

进一步的，翻遍结构引导电解液流体流动具体包括：管电极内腔通电解液，同时将管电极与工件之间的脉冲电解电源接通，开始进行电解液射流电解加工；电解液冲击到激光束加工的区域后，经过翻遍结构的引导喷向空中，形成以一定角度反射的电解液，从而避免水平流动的电解液对非加工区域产生冲击和杂散腐蚀；同时，翻遍结构不断地被电解液冲刷以及电化学溶解。

进一步的，微坑内侧壁引导电解液流体流动：随着电解加工的不断进行，工件表面微坑的深度和宽度也进一步扩大，翻遍结构被完全溶解；从管电极内腔喷射而出的电解液流经微坑内侧壁之后沿一定角度喷向空中，不会对非加工区产生冲击和杂散腐蚀。

进一步的，所述管电极为中空结构，且管状电极与工件垂直设置。

进一步的，所述管状电极接通脉冲电解电源的负极，工件接通脉冲电解电源的正极。

进一步的，电解加工过程中，采用激光对加工区域辐照。

进一步的，以一定角度反射的电解液再次落到工件上时，在非加工领域，不形成通路。

进一步的，电解液射流加工过程中，电解液射流速度大于20m/s。

进一步的，激光扫描速度大于10m/min。

本发明的有益效果为：

1.通过激光高速扫描形成的翻遍结构，引导电解液反射流体以一定的角度喷向空中，下落的电解液以液滴形式落到加工工件上，不会在非加工区域形成通路，从而避免了其对非加工区域的冲击和杂散腐蚀；该方法可用于加工具有高表面质量的微坑结构；工艺过程简单有效，容易实现，具有较高的工程应用价值。

2.激光束的功率、扫描速度、扫描范围精确可控，可以实现具有不同结构形状的微坑或者沟槽边缘翻遍结构的加工。

3.通过激光光束的高速扫描在工件待加工表面形成一个中心凹陷并且边缘有翻边结构的形态；通过翻遍结构引导工具电极内部高速喷射的电解液流体在冲击加工区之后沿着翻遍结构喷向空气中，避免了反射的电解液流体对非加工区域产生冲击和杂散腐蚀。

4.在电解加工过程中，激光辐照加工区域去除加工区氧化层并提高电解去温度，从而提高了电解加工的效率。

附图说明

图1(a)、1(b)和1(c)为电解液射流电解加工产生杂散腐蚀的过程示意图；

图2(a)、2(b)和2(c)是基于激光扫描翻边结构引流的电解液反射流体控制方法的示意图。

附图标记：

1-工件；2-杂散腐蚀；3-管电极；4-水平流动的电解液；5-反射电解液；6-翻边结构；7-激光束；8-聚焦透镜。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

一种基于激光扫描翻边结构引流的电解液反射流体控制方法，包括以下过程：

S1激光束扫描形成翻遍结构：激光束7通过管电极3内腔在工件1加工表面进行高速扫描去除材料，形成一个中心凹陷并且边缘有翻边结构6的形态；

激光加工选择大功率长脉冲激光加工、扫描速度大于10m/min、扫描范围精确可控，可以实现具有不同结构形状的微坑或者沟槽边缘翻遍结构的加工，翻遍角度a大于10°。

S2翻遍结构引导电解液流体流动：管电极3内腔接通电解液，同时将管电极3与工件1之间的脉冲电解电源接通，开始进行电解液射流电解加工；电解液冲击到激光束加工的区域后，经过翻遍结构的引导喷向空中，形成反射电解液，避免水平流动的电解液对非加工区域产生冲击和杂散腐蚀；同时，翻遍结构不断地被电解液冲刷以及电化学溶解；

在电解液射流电解加工初期，工件待加工表面是平整的。根据流体力学原理，电解液冲击到平整的工件表面以后，会沿着工件表面铺散开来，在工件表面形成一层薄薄的电解液薄膜。根据管电极电场分布，中心区电场较强，容易发生均匀性电化学溶解，而加工区边缘及非加工区域电场较弱，会出现杂散腐蚀。通过激光束在工件表面加工出的翻遍结构可以引导反射电解液沿一定角度喷向空中，待电解液以液滴形式落到工件上后，不会在非加工区域形成通路，从而避免其对加工区周边及非加工区域产生冲击和杂散腐蚀。

S3微坑内侧壁引导电解液流体流动：随着电解加工的不断进行，工件表面微坑的深度和宽度也进一步扩大，翻遍结构被完全溶解。从管电极内腔喷射而出的电解液流经微坑内侧壁之后沿一定角度喷向空中，不会对非加工区产生冲击和杂散腐蚀。

其中，管电极3为中空结构，且管状电极3与工件1垂直设置；管状电极3接通脉冲电解电源的负极，工件1接通脉冲电解电源的正极；电解加工过程中，采用激光对加工区域辐照；以一定角度反射的电解液5再次以液滴的形式落到工件1表面上时，在非加工领域，不形成通路；电解液射流加工过程中，电解液射流速度大于20m/s；激光扫描速度大于10m/min。

电化学溶解是各向同性的，在连续的电解液流体覆盖区域均会出现电化学溶解，因此微坑的尺寸随着电化学溶解不断扩大，翻遍结构也被逐渐溶解。此时，微坑的深度和宽度都足够大，冲击到加工表面又反射的电解液流体可以沿着微坑的侧壁喷向空中。

经过以上过程，可以在工件表面加工出边缘完全没有杂散腐蚀的微坑结构。通过控制激光扫描范围、扫描功率、扫描次数等参数以及管电极的扫描移动，可以加工出具有不同形状结构特征的微坑。

通过激光光束的高速扫描在工件待加工表面形成一个中心凹陷并且边缘有翻边结构的形态。通过翻遍结构引导工具电极内部高速喷射的电解液流体在冲击加工区之后沿着翻遍结构喷向空气中，避免了反射的电解液流体对非加工区域产生冲击和杂散腐蚀。

本发明可以通过调控激光能量、扫描速度和扫描轨迹等调控翻遍结构的高低从而控制电解液反射流体的反射角度。

实施例

在电解液射流电解加工初期，根据流体力学原理，电解液在工件1表面铺散开来，在工件1表面形成一层薄薄的电解液薄膜，即水平流动的电解液4。根据管电极电场分布规律，管电极中心区对应的工件表面电场较强，容易发生均匀性电化学溶解，而加工区边缘及非加工区域电场较弱，在加工区边缘及非加工区域会出现严重的杂散腐蚀2，如图1(a)所示。随着电解加工的不断进行，加工区逐渐形成一个微坑，电解液冲击到微坑以后会沿着微坑的内侧壁喷向空中，形成反射电解液5，但加工初期在工件表面产生杂散腐蚀2不会消失，如图1(b)所示。随着电解加工的继续进行，微坑的宽度和深度不断扩大，但非加工区仍旧有杂散腐蚀2，如图1(c)所示。

在加工初期，激光束7通过管电极3内腔在工件1加工表面进行高速扫描，在工件表面加工出一个中心凹陷并且边缘有翻边结构6的微坑，如图2(a)所示。然后，管电极3内腔接通电解液，同时管电极3与工件1之间接通脉冲电解电源，开始进行电解液射流电解加工。电解液冲击到激光束7扫描加工的区域，经过翻遍结构6的引导喷向空中，避免了电解液对非加工区域的冲击和杂散腐蚀2。同时，翻遍结构6逐渐被电化学溶解，如图2(b)所示。随着电解加工的不断进行，工件1表面微坑的深度和宽度也进一步扩大，翻遍结构6被完全溶解。从管电极3内腔喷射而出的电解液在电解加工出的微坑内侧壁的限制下，沿一定角度喷向空中，不会对非加工区产生冲击和杂散腐蚀2，如图2(c)所示。经过以上过程，可以在工件1表面加工出边缘完全没有杂散腐蚀2的微坑结构。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。