一种阴极中空的激光-电解复合精铣装置及方法和电解槽

技术领域

本发明属于激光-电解复合铣削加工领域，具体涉及一种阴极中空的激光-电解复合精铣装置及方法和电解槽。

背景技术

多能场复合加工利用两种或两种以上能量场的综合作用实现对工件材料的加工，发挥各能量场的优势的同时弥补单一能量场加工的不足，实现优势互补。在激光-电解复合加工中，激光能量诱导溶液温度升高以促进电化学反应区的动力学效应，使电流密度增加，还可以弱化电解时工件表面产生的钝化层，减少电化学反应阻力；而电解加工可以去除激光加工产生的重铸层，同时溶液对激光加工区域具有冷却作用，可减少热影响区的产生。基于激光-电解复合加工的特点，人们设计了不同的控制方式，以将激光与电化学能量场进行时空协同耦合，具体如下：

专利CN1313514A公开了一种喷射液束电解—激光复合加工方法及其装置，激光在喷射液束中传播至工件表面，从而实现激光加工，而同轴高速喷射的电解液束对激光加工区域进行冲击、快速冷却以及电解，实现加工区域的重铸层去除和热影响区减小。但激光经过电解液束时，多次的折射和散射使其能量损失严重，当激光功率密度超过一定值时，高速射流对激光的强烈非线性吸收同样使得激光能量衰减较多，不利于激光能量的有效传输。

专利CN103706901B公开了一种中空激光与电解联合加工微型环槽的方法与装置，其以导电玻璃作为工具阴极，激光照射下电解加工的临界分解电压降低，进而对照射区域进行电解加工，通过激光变束系统来控制环形加工区域的大小，激光变束系统可以在一定范围内按需改变环形槽的大小，具有一定的加工灵活性。但是导电玻璃的透光率为85％至90％，会对激光能量造成损失，激光能量越大，导电玻璃耗损越快，导致透光率进一步降低，同时由于其表面特性，电解产生的气泡很容易吸附在导电玻璃的下表面，从而对激光造成散射以及阻碍电流传播，不利于高效的激光电解复合加工。

专利CN115007958B公开了一种液导激光-电解复合加工工具电极系统及铣削方法，综合水导激光加工和电解加工各自优势，通过水导激光加工与电解加工对工件材料的同轴异位作用，实现大覆盖面的铣削加工，中心管和电解液回液管作为电解加工的工具阴极，在对激光加工区周围材料进行电解加工的同时可以对激光加工产生的再铸层进行溶解去除。但是液导激光会使激光能量损失较严重，同时装置中的辅助阳极环会使其附近工件表面的电场强度降低，使工件表面加工区域电流密度不均匀，不利于大覆盖面的均匀铣削加工。

综上所述，现有的激光-电解复合加工方法存在一定的局限性，激光能量损失严重、无法同时进行较大区域加工、存在杂散电流腐蚀或者工件表面电流密度不均匀。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提出一种阴极中空的激光-电解复合精铣装置与方法，目的在于提高激光能量利用率，实现高效、均匀、大覆盖面的激光-电解复合精铣加工，以解决上述现有技术的激光-电解复合加工存在激光能量损失严重、无法同时进行较大区域加工、存在杂散电流腐蚀或者工件表面电流密度不均匀的问题。

为了实现上述目的，本发明的具体方案如下：

电解槽，包括槽体、电解槽凸台和用于放置工件的密封垫，电解槽凸台设在槽体内，且电解槽凸台上开设有连通至槽体底部的通槽二，密封垫盖设在电解槽凸台上，中空工具阴极通过工具阴极夹具吊设在密封垫上方，电解槽凸台两侧与槽体两侧之间分别设有引流板，两引流板分别对称设置，且呈八字状。

阴极中空的激光-电解复合精铣装置，包括激光器、激光头、X轴滑台、Z轴滑台、中空工具阴极、工具阴极夹具，电解系统和电解槽，所述激光器通过光纤连接激光头，激光头安装在Z轴滑台上，X轴滑台位于激光头下方，且垂直于Z轴滑台，电解槽设置在X轴滑台上；

所述电解系统包括电解电源、数字万用表、管夹具、蠕动泵一、蠕动泵二、过滤器和溶液槽，电解电源负极通过导线连接中空工具阴极，数字万用表连接电解电源，蠕动泵一的进液管连接溶液槽，出液管通过管夹具固定在电解槽与两引流板宽口之间，且出液管端头延伸至电解槽内底部并远离电解液凸台，蠕动泵二的进液管端头通过管夹具固定在电解槽与两引流板窄口之间，且进液管端头延伸至电解槽内与引流板顶面齐平并靠近电解液凸台，蠕动泵二的出液管通过过滤器连接溶液槽，两管夹具分别安装在X轴滑台两端。

进一步地，所述中空工具阴极由上方形体和下方形体连接构成T型结构，上方形体顶部开设有连通至下方形体底部的通槽一，且通槽一的长度大于下方形体的长度，中空工具阴极底面平行于工件表面。

进一步地，所述溶液槽内分别装设有NaCl溶液和/或NaNO

采用所述的阴极中空的激光-电解复合精铣装置的阴极中空的激光-电解复合精铣方法，包括如下步骤：

S1，将工件安装在密封垫上，再将电解电源正极通过导线穿过通槽二连接工件，使工件表面与中空工具阴极底面之间的初始加工间隙为0.5～1mm；

S2，分别打开蠕动泵一和蠕动泵二，蠕动泵一的进液管将溶液槽内的溶液抽入电解槽内，当电解溶液液面高于引流板顶面后，蠕动泵二的进液管将高于引流板顶面的溶液抽出，溶液流经过滤器流到溶液槽内；

S3，打开激光器，通过Z轴滑台调节激光头的位置，使激光头射出的激光通过中空工具阴极的通槽一聚焦到工件表面，并调节激光参数，使激光的扫描路径为直线；同时打开电解电源，分别进行激光加工和电解加工，并同时控制X轴滑台进行往复运动，使加工区域变成一个面，完成所需区域的精铣操作后，关闭激光器、X轴滑台、Z轴滑台、电解电源、蠕动泵一和蠕动泵二的电源，卸下工件，加工完成。

进一步地，步骤S2所述蠕动泵一和蠕动泵二流量设置相同，所述引流板的高度高于工件表面1.5mm～2mm。

本发明的优点

1、本发明提供的阴极中空的激光-电解复合精铣装置与方法，集成了激光-电解浸液式加工和同轴式加工的特点，薄浸液膜能大大减小激光在电解液中的传播距离，降低了激光能量的损失；还提供了大覆盖面加工方法，提高了材料去除速率；

2、本发明采用具有狭窄通槽一的中空工具阴极，使激光穿过中空工具阴极的通槽一进行加工，能实现中空工具阴极通槽位置映射在工件表面的区域的电流密度与工具阴极实体部分映射在工件表面的区域的电流密度基本相同，从而形成了激光与电解的高效耦合，同时保留有浸液式加工方法的薄膜，降低了激光能量的耗损，还保证了工件表面电解加工的均匀性，而且中空工具阴极能放置于激光加工区域的正上方，大大提高电解加工的效率，能实现激光与电解的高效耦合；采用具有凸台的电解槽，正极线能穿过凸台的通槽二接在工件加工区域对应的工件底部，能使电流进行高效传导，能减少杂散电流腐蚀的同时还能减少电能损失；正极线直接接在工件加工区域对应的工件底部，能使工件加工区域的电势最高，根据经典电场理论，电流流动方向总是选择最短的路径由高电位等势面流向低电位等势面，由此能减少杂散电流腐蚀；采用具有引流板的电解槽，能实现电解槽中加工区域电解液的流速最快，从而使电解产生的沉淀物和气泡被迅速冲走。

附图说明

图1是本发明阴极中空的激光-电解复合精铣装置的结构示意图。

图2是图1中的中空工具阴极的结构示意图。

图3是图2的仰视结构示意图。

图4是图1中的电解槽的结构示意图。

图5为图4的仰视结构示意图。

图6是图1中电解槽、蠕动泵一出液管、蠕动泵二进液管和工件位置关系的截面示意图。

图7是工件表面电流密度仿真实验图。

图8是电解槽中溶液的流场流速仿真实验图。

图中：1、激光头；2、光纤；3、激光器；4、工具阴极夹具；5、中空工具阴极；501、通槽一；502、上方形体；503、下方形体；6、工件；7、密封垫；8、电解槽；9、X轴滑台；10、溶液槽；11、过滤器；12、蠕动泵二；13、蠕动泵一；14、管夹具；15、数字万用表；16、电解电源；17、Z轴滑台；801、引流板；802、通槽二；803、电解槽凸台。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地解释说明，需要注意的是，本具体实施例不用于限定本发明的权利范围。

如图1至图5所示，本具体实施例提供的阴极中空的激光-电解复合精铣装置包括激光器3、激光头1、X轴滑台9、Z轴滑台、中空工具阴极、工具阴极夹具和工件，电解系统和权利要求1的电解槽，所述激光器3通过光纤2连接激光头1，使激光器3产生的激光通过光纤传入激光头1，再通过激光头1的反射振镜反射，并由激光头1的聚焦镜将光斑聚焦到工件6上，以实现激光加工。激光头1为型号HL100-RSP2的二维扫描激光头，购买于深圳水滴激光科技有限公司。激光头1安装在Z轴滑台17上，X轴滑台9位于激光头1下方，且垂直于Z轴滑台17，电解槽8安装在X轴滑台9上；

电解槽8包括槽体、电解槽凸台803和用于放置工件6的密封垫7，电解槽凸台803设在槽体内，且电解槽凸台803上开设有连通至槽体底部的通槽二802，通槽二802的作用在于方便电解电源16正极通过导线穿过通槽二802连接工件6，防止导线与电解液接触。密封垫7盖设在通槽二802上，密封垫7的作用在于防止电解液进入通槽二802中。通槽二802的尺寸根据工件6的尺寸来定。工件6放置在密封垫7上。所述中空工具阴极5由上方形体502和下方形体503连接构成T型结构，上方形体502顶部居中位置开设有连通至下方形体503底部的通槽一501，该T型结构的设计目的是使通槽一501前后两边下方形体503内的电场强度分布一致，实现电解加工均匀性。通槽一501的作用在于便于激光头1射出的激光通过。中空工具阴极5的总高度为30～50mm，厚度为9～10mm，长度小于50mm，具体根据需求设定。通槽一501的宽度为1mm，下方形体503两端与上方形体两端之间的间距为3mm，通槽一501的长度大于下方形体503的长度。下方形体503的高度为7mm，以防止中空工具阴极5上方形体502触碰到电解液而形成杂散电流。中空工具阴极5通过工具阴极夹具4吊设在工件6上方，中空工具阴极5底面平行于工件6表面。电解槽凸台803两侧与槽体两侧之间分别设有引流板801，两引流板801分别对称设置，且呈八字状，目的是使电解液全部从两引流板801靠近电解槽8的一端流向靠近电解槽凸台803的另一端，并且使电解加工部位的流速加快从而使电解加工产生的沉淀物和气泡被迅速冲走，电解溶液液面高度设定与引流板801的高度一致，从而确保引流板801两边的电解溶液液面高度自动调节成等高，同时引流板801的顶面对电解溶液液面的波动起到缓和作用。

所述电解系统包括电解电源16、数字万用表15、管夹具14、蠕动泵一13、蠕动泵二12、过滤器11和溶液槽10，电解电源16负极通过导线连接中空工具阴极5，电解电源16正极通过导线穿过通槽二802连接工件6，数字万用表15连接电解电源16，以利用数字万用表16采集加工回路中的电流，然后输入到计算机控制系统进行数据处理以判断加工状态。蠕动泵一13的进液管连接溶液槽10，蠕动泵一13的出液管通过管夹具14固定在电解槽8与两引流板801宽口之间，且蠕动泵一13的出液管端头延伸至电解槽10内底部并远离电解液凸台803，蠕动泵二12的进液管端头通过管夹具14固定在电解槽10与两引流板801窄口之间，且蠕动泵二12的进液管端头延伸至电解槽10内与引流板801顶面齐平并靠近电解液凸台803，蠕动泵二12的出液管通过过滤器11连接溶液槽10，目的在于使电解生成的沉淀物被迅速吸走并将高出引流板801顶面的电解溶液抽走。两管夹具14分别安装在X轴滑台9两端。以保证蠕动泵一13的出液管和蠕动泵二12的进液管与电解槽8做同步运动，保证蠕动泵一13的出液管端头和蠕动泵二12的进液管端头与电解槽8的相对位置不发生改变。蠕动泵一13的出液管端头与电解槽8底端的距离设置为5～10mm，目的在于避免蠕动泵一13的出液管端头流出的电解液对电解槽内溶液的液面产生扰动。引流板801顶面高于工件6表面1.5～2mm，而高出引流板801顶面的电解溶液被蠕动泵二12的进液管抽出，并经过过滤器11流进溶解槽10，目的在于使电解溶液液面高度保持不变且与引流板801顶面高度一致。所述溶液槽10内分别装设有NaCl溶液和/或NaNO

X轴滑台9：北京海杰嘉创科技有限公司，型号：HG120直线滑台。

Z轴滑台17：北京海杰嘉创科技有限公司，型号：HJ03A直线滑台。

数字万用表15：北京普源精电科技有限公司，型号：DM3058。

电解电源16：东莞市起源动力设备有限公司，型号：MS-306DS。

蠕动泵一13和蠕动泵二11：卡川尔流体科技(上海)有限公司，型号：DIP1500。

采用所述的阴极中空的激光-电解复合精铣装置的阴极中空的激光-电解复合精铣方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，将工件6安装在电解槽凸台803的密封垫7上，将电解电源16正极连接在工件6的底部，且正对着中空工具阴极5，使中空工具阴极5与电解电源16正极接线位置的距离达到最短，并使工件6表面与中空工具阴极5底面之间的初始加工间隙为0.5～1mm，优选地，工件6表面与中空工具阴极5底面之间的初始加工间隙为0.5mm；

S2，分别打开蠕动泵一13和蠕动泵二12，并将蠕动泵一13和蠕动泵二12流量设置相同，蠕动泵一13的进液管将溶液槽10内的电解溶液抽入电解槽8内，电解溶液为质量分数为2.3％的NaCl和质量分数为5.8％的NaNO

S3，打开激光器3，通过Z轴滑台17调节激光头1的位置，使激光头1出射的激光穿过中空工具阴极5的通槽一501聚焦到工件6表面，并调节激光参数，激光功率为80W，光斑扫描速度为8000mm/s，使激光的扫描路径为直线，扫描方向与中空工具阴极5的通槽一501平行，直线长度与下方形体503的长度一致，而下方形体的长度根据加工宽度设置，优选地，下方体503长度设置为18mm，同时打开电压设置为20V的电解电源16，以分别进行激光加工和电解加工，并同时控制X轴滑台9以4mm/s速度进行往复运动，使加工区域变成一个面，实现大覆盖面的激光-电解复合精铣加工，完成所需区域的精铣操作后，关闭激光器3、X轴滑台9、Z轴滑台17、电解电源16、蠕动泵一13和蠕动泵二12的电源，卸下工件，加工完成。

本具体实施例采用的中空工具阴极5，如图7所示的仿真实验可知，能实现中空工具阴极5通槽一501位置映射在工件表面位置的电流密度与中空工具阴极5实体部分映射在工件6表面的区域的电流密度基本相同，保证了工件6表面电解加工的均匀性，图7中弧长指的是工具阴极厚度方向上从前端到后端映射在工件表面上的距离，而且中空工具阴极5又能放置于激光加工区域的正上方，大大提高了电解加工的效率，实现了激光与电解的高效耦合。

采用具有引流板801的电解槽8，能实现电解槽中加工区域的流速最快，仿真实验数据如图8所示，从而使电解产生的沉淀物和气泡被迅速冲走。