采用横振辅助电解加工的超声振子结构、设备及方法

技术领域

本发明涉及超声电解领域，特别涉及一种采用横振辅助电解加工的超声振子结构、设备及方法。

背景技术

在医疗、航空航天等领域，常需要在零件上加工出深窄槽等高深宽比微结构，来满足不同的性能要求；其加工方法众多：铣削加工、成形加工、电火花加工、电解加工等；其中，高深宽比微结构常使用电解的方法加工。电解工艺具备较多优点，如在加工后无热影响区，阴极理论上不损耗，工件表面质量好等，但随着结构深宽比和进给距离的提高，容易出现排屑困难等现象，最终导致加工失败。

电解加工存在众多问题。究其原因，其根本问题在于排屑困难。针对排屑困难，现有的解决方法有低频振动、轴向冲液、超声辅助等。其中，超声辅助由于施加超声后能够有效去除钝化层，促进电解液循环和产物排出，所以超声辅助手段在众多与电解相关的工艺中得到应用，但其各种施加方式都存在一定的缺点；而低频振动和轴向冲液等辅助手段都需要较为复杂的结构才能够实现。

超声辅助手段可以根据超声的施加方式分为：纵向超声，超声搅拌，径向超声，聚能超声；纵向超声的优点在于使用简单，振动模式单一，易于和其它电解工艺结合；缺点在于因为工具或工件需要安装在纵向超声换能器的输出端上，所以需要对其的尺寸有一定要求。超声搅拌的优点在于使用简单，较易于与其它电解工艺结合；缺点在于其直接对于整个加工环境都会有所影响，所需功率偏大，且有可能在功率过大的条件下有不可忽视的不良影响。而后两种超声施加方式的应用场景较少。

为此本申请提供了一种采用横振辅助电解加工的超声振子结构、设备和方法，优化电解加工效果，促进电解液的更新以及电解产物的排出。

发明内容

本发明提供了一种采用横振辅助电解加工的超声振子结构、设备及方法，其目的是为了解决电解过程中高深宽比微结构排屑效果差的问题。

为了达到上述目的，本发明的实施例提供了一种采用横振辅助电解加工的超声振子结构，包括：

变幅杆，第一端形成有阶梯状的中心柱；

电极片和压电陶瓷，交替的套设在所述中心柱上；

后盖板，将电极片和压电陶瓷压接在所述中心柱的台肩上；

工具电极，设置在所述变幅杆的第二端，所述工具电极的长度方向与所述变幅杆的径向相同，所述工具电极的纵向长度至少是工具电极半径的十倍以上。

优选地，所述工具电极为棒状、片状或竹节状。

本申请还提供了一种用于辅助电解加工的超声振子设备，采用前述的超声振子结构，还包括：

光学平台；

加工运动平台，设置在所述光学平台上，加工运动平台包括Z向移动单元和XY平面移动单元，所述超声振子结构设置在所述Z向移动单元上，并由Z向移动单元带动超声振子结构在Z轴方向移动；所述工具电极的长度方向与Z轴平行，所述XY平面移动单元上设置有用于安装工件的工件夹具，所述XY平面移动单元带动所述工件夹具在XY平面内进行移动；

电解液槽，设置在XY平面移动单元和Z向移动单元之间，所述电解液槽用于盛装电解液。

优选地，所述超声振子结构还连接有悬臂架，所述超声振子结构水平设置在所述悬臂架上，所述悬臂架与所述Z向移动单元连接，并由Z向移动单元带动所述悬臂架移动。

优选地，所述悬臂架上还设置有旋转单元，所述旋转单元的旋转中心与所述Z轴平行，所述超声振子结构设置在所述旋转单元上，且工具电极与所述旋转单元的旋转中心共线。

优选地，所述旋转单元包括旋转电机、圆盘和固定架，所述旋转电机设置在所述悬臂架上，所述旋转电机的输出端穿过所述悬臂架，所述圆盘在悬臂架的下方与旋转电机的输出端连接，所述超声振子结构通过所述固定架与所述圆盘固定连接，且工具电极与旋转电机的输出端共线。

优选地，用于辅助电解加工的超声振子设备还包括超声电源和电化学电源，所述超声电源与所述超声振子结构电性连接以使超声振子结构输出纵振，所述电化学电源的正负极分别与工件和工具电极电性连接。

本申请还提供一种用于辅助电解加工的方法，采用前述的超声振子设备，包括如下步骤：

S10.组装超声振子设备以及装夹工件，电解液槽内添加电解液，并使得电解液浸没工件；

S20.调节Z向移动单元，使工具电极在Z轴方向与工件重合；

S30.调节超声电源的的频率，使超声电源的频率与超声振子结构的谐振频率匹配；

S40.打开超声电源、电化学电池使超声振子结构产生横振，控制工件在X方向进入超声振子结构的加工范围并进行加工；

S50.完成加工后，依次关闭电化学电池、超声电源，并且控制工件退出加工范围。

优选地，在步骤S30中包括超声电源频率调整的模式有三种，分别是单一模态模式、双频模态模式和多种模态模式；

在单一模态模式中，超声电源的频率与超声振子结构的各个谐振频率单独匹配，择一谐振频率输出纵振传递到工具电极产生对应的横振模态，实现单一横振模态加工；

在双频模态模式中，超声电源的频率与超声振子结构的谐振频率两两匹配，两种谐振频率输出两种纵振传递到工具电极产生两种横振模态，并控制通过两种谐振频率的加工时间，在两种横振模态之间进行切换，实现双频模态加工；

在多种模态模式中，超声电源的频率与超声振子结构的所有谐振频率匹配，多种谐振频率输出多种纵振传递到工具电极产生多种横振模态，通过控制多种谐振频率的加工时间，在多种横振模态之间切换，实现多频模态复合加工。

优选地，在步骤S40中还包括开启旋转电机，旋转电机带动超声振子结构以预设的角速度进行转动。

本发明的上述方案有如下的有益效果：

本申请通过将工具电极设置在变幅杆的第二端，并且保持工具电极与变幅杆的长度方向相互垂直，实现了将变幅杆的纵振转换为工具电极的横振，在电解加工中，能够利用工具电极的横振，促进电解液的更新以及电解产物的排出，有利于提高加工高深宽比微结构的加工效率。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

图1是超声振子结构的示意图

图2是不同形状的工具电极以及对应的振动模态；

图3是一种超声振子设备的示意图；

图4是常规电解中工具电极与气泡的示意图

图5是施加横振的工具电极与气泡的示意图；

图6是工具电极在不同输出频率下振动模态；

图7是另一种超声振子设备的示意图。

【附图标记说明】

1-变幅杆、2-电极片、3-压电陶瓷、4-后盖板、5-工具电极、6-法兰盘、

11-光学平台、12-Z向移动单元、13-XY平面移动单元、14-工件夹具、15-电解液槽、16-悬臂架、17-旋转电机、18-超声电源、19-电化学电源、

A-超声振子结构、B-工件。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

如图1所示，本发明的实施例提供了一种超声振子结构，采用横振辅助电解加工，包括变幅杆1、电极片2、压电陶瓷3、后盖板4和工具电极5，其中变幅杆1分为第一端和第二端，其中第一端形成有阶梯状的中心柱，中心柱分为小径段和大径段，小径段和大径段的连接处形成有台肩。小径端上套设有前述的电极片2和压电陶瓷3，电极片2和压电陶瓷3交替的设置在小径段上。小径端远离大径段的一端还设置有外螺纹，后盖板4与外螺纹螺接以将电极片2和压电陶瓷3压紧在台肩上，限制电极片2和压电陶瓷3的在变幅杆1上的径向自由度。前述的工具电极5设置在变幅杆1的第二端，变幅杆1的第二端设置有螺钉，工具电极5通过螺钉固定在变幅杆1的第二端上，并且保持工具电极5的长度方向垂直于变幅杆1的轴向方向。工具电极5的纵向长度至少是工具电极5半径的十倍以上以将变幅杆1输出的纵振转换为垂直于工具电极5径向上的横振。

如图2所示，工具电极5为棒状、片状或者是竹节状等形状。自左向右第一组为棒状的工具电极5及其对应的振动模态；第二组为片状的工具电极5及其对应的振动模态，第二组中部的示意图为该工具电极5的正视图。第三组为竹节状的工具电极5及其对应的振动模态。

需要注意的是，工具电极5半径是一个广义的概念，可以理解为宽和/或高。即工具电极5的纵向长度大于工具电极5宽和/或高的10倍以上。具体到本申请中，当工具电极5为棒状时，长度为直径的10倍以上；当工具电极5为片状时，长度为宽和高的10倍以上；当工具电极为竹节状时，长度为竹节(竹节状较粗的部分)直径的10倍以上。

优选的，在变幅杆1的中部还设置有法兰盘6，法兰盘6套接并固定在变幅杆1上，方便将超声振子结构固定在其他设备上。

在本申请提供的超声振子结构，超声发生器将高频交流电信号传至压电陶瓷3，利用逆压电效应，压电陶瓷3产生纵向超声振动(沿变幅杆1轴向的振动)，再通过变幅杆1的放大振动的幅度。工具电极5与变幅杆1垂直，将变幅杆1的输出的纵振转换为工具电极5的横振，从而获取垂直于工具电极5轴向上的横振。

如图3，本申请还提供了一种用于辅助电解加工的超声振子设备，利用前述的超声振子结构A，还包括光学平台11、加工运动平台和电解液槽15。其中光学平台11作为超声振子设备的基底，加工运动平台设置在光学平台11上。加工运动平台包括Z向移动单元12和XY平面移动单元13，Z向移动单元12固定在光学平台11的一侧，超声振子结构A安装在Z向移动单元12上，超声振子结构A在Z向移动单元12的带动下，可以沿Z轴升降。当超声振子结构A安装在Z向移动单元12上时，需保证工具电极5的长度方向与Z轴平行。

优选地，超声振子结构A还连接有悬臂架16，超声振子结构A卧式安装在悬臂架16上，悬臂架16与Z向移动单元12连接，Z向移动单元12通过悬臂架16实现对超声振子结构A的移动。

前述的XY平面移动单元13设置在光学平台11的另一侧，XY平面移动单元13上设置有工件夹具14，该工件夹具14用于安装工件B。XY平面移动单元13带动工件夹具14在XY平面内移动。

前述的电解液槽15位于Z向移动单元12和XY平面移动单元13之间。该电解槽用于盛装电解液，工具电极5和工件B浸于电解液中。

优选的，工件夹具14为C型夹具，夹具上设置有锁紧螺栓，工件B安置在C型夹具的开口处，并通过锁紧螺栓将工件B抵紧在C型夹具上。

用于辅助电解加工的超声振子设备还包括超声电源18和电化学电源19，其中超声电源18与超声振子结构A电性连接，使得超声振子结构A输出纵振，电化学电源19的正负极分别与工件B和工具电极5电性相连。在本实施例中，电化学电源19与锁紧螺栓电性连接，通过锁紧螺栓的导电性实现与工件B的间接电连，工具电极5和工件B均浸于电解液中，通过电解液构成通路。

如图4所示，在常规的电化学加工中，工具电极5由电极固定架固定，工具电极5处于静止状态，在工具电极5的表面会均匀的附着气泡，这些气泡干扰工具电极5周围的电解液更新，电解效率低下，而且降低了电解液的流动性，使得废屑难以随电解液的流动而排出高深宽比微结构。

如图5，本申请提供的超声振子结构A，工具电极5轴向上产生横振，该振动垂直于工件B加工界面所在的平面。根据工具电极5轴线上振幅的大小将振幅较小的部分认定为波节区域，将振幅较大的部分认定为波腹区域。在工具电极5处于静止状态时，气泡均匀的附着在工具电极5的表面，而工具电极5施加横振后，波腹区域的气泡比较容易被驱散，被驱散的气泡呈倒三角形分布；波节区域的的气泡难以被驱散，仍然附着在工具电极5的表面。因此工具电极5的表面因横振而形成了分布不均的气泡层(驱散气泡层和附着气泡层)，随着驱散气泡层被驱散，导致该区域的电解液与区域外的电极液发生交换，能够对工具电极5周围的电解液进行更新，同时带动电解液流动，将高深宽比微结构内的废屑带出。

进一步的，由于工具电极5与超声振子结构A连接，超声振子结构A可以产生不同的谐振频率，导致工具电极5轴线上的波腹、波节处于不同的区域，如图6所示，自左向右分别是未施加超声、分别以第一频率、第二频率和第三频率施加超声，其中第二频率大于第一频率，且小于第三频率，可知随着谐振频率的增大，波节与波腹的间距减小。结合前述的波腹区域的气泡容易驱散，可以控制附着气泡层之间的纵向间距，进而实现控制气泡层的分布。

工具电极5输出的横振作用于工件B、工具之间的电解液上，能够利用驱散气泡层的逸散实现对该区域的电解液更新，同时还可以促进电解废屑、产物的排出，解决了电解加工高深宽比微结构存在的排屑困的问题，有利于提高高深宽比微结构的加工效率。

此外，相比现有的促进排屑的方法相比，本申请还能通过改变频率的方式调节工具电极5的气泡层分布，进而调整工具电极5的波节区域和波腹区域，从而影响工件B上不同位置的溶解速率，以此控制高深宽比微结构的截面。

如图7，在本申请的一些实施例中，悬臂架16上还设置有旋转单元，旋转单元的旋转中心与Z轴平行，超声振子结构A设置在旋转单元上，并且工具电极5的长度方向与旋转单元的旋转中心共线。

具体的，旋转单元包括旋转电机17，旋转电机17倒向设置在悬臂架16上，旋转电机17的输出端穿过悬臂架16，并在悬臂架16的下方连接有圆盘，旋转电机17带动圆盘进行圆周运动，圆盘上还设置有固定架，超声振子结构A通过固定架实现与圆盘同步转动。在安装超声振子结构A时，需保证工具电极5的长度方向与旋转电机17的输出端共线。

在本实施例中，超声振子结构A能够在垂直工具电极5轴线方向所在的平面输出横振(即加工进给方向在平面)，驱散加工废屑，促进电解液更新。因此当旋转单元带动超声振子结构A旋转时，使工具电极5在各个方向上均产生横振，促进加工废屑的排出以及电解液的更新，通过XY平面移动单元13达到任意轨迹进给的目的。

本申请还提供了一种用于辅助电解加工的方法，采用前述的超声振子设备，包括如下步骤：

S10.组装超声振子设备，并装夹工件B，在电解液槽15中加入电解液，调整Z向移动单元12和XY平面移动单元13，使得工件B全部浸没于电解液中，工具电极5底部浸于电解液中。

S20.进一步调节Z向移动单元12，使得工具电极5在Z轴方向与工件B重合，优选地，工具电极5的高度大于工件B的高度。

S30.调节超声电源18的频率，使超声电源18的频率与超声振子结构A的谐振频率匹配。

在该步骤中，超声电源18频率调整的模式有三种，分别是单一模态模式、双频模态模式和多种模态模式。其中，单一模态模式中，超声电源18的频率与超声振子结构A的各个谐振单独匹配，择一谐振频率输出纵振传递到工具电极5产生对应的横振模态，实现单一横振模态的加工。

双频模态模式中，超声电源18的频率与超声振子结构A的谐振频率两两匹配，两种谐振频率输出两种纵振传递到工具电极5产生两种横振模态，并且控制两种谐振频率的加工时间以切换两种横振模态，实现双频模态加工。

在多种模态模式中，超声电源18的频率与超声振子结构A的所有谐振频率匹配，多种谐振频率输出多种纵振传递到工具电极5产生多种横振模态，通过控制多种谐振频率的加工时间以切换多种横振模态，实现多频模态复合加工。

S40.开启超声电源18、电化学电池，使得超声振子结构A产生横振，控制工件B沿X轴方向进给，工件B进入超声振子结构A的加工范围内并被加工。

在该步骤中，还可以开启旋转电机17，旋转电机17带动超声振子结构A以预设的角速度进行转动。

S50.加工完成后，依次关闭电化学电池、超声电源18，控制工件B退出加工范围。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。