本实用新型涉及铣削技术领域，尤其涉及一种高深宽比沟槽加工装置。
背景技术：
管电极电解铣削加工高深宽比沟槽时，由于加工间隙较小以及管电极内径较小，使得电解加工产生的焦耳热、气泡、不导电非溶性产物极易堵塞于加工间隙内，引起电解液电导率发生变化，造成电解液及时更新、电解产物排出困难，使得加工均匀性、稳定性下降等问题。管电极电解铣削加工时，加工区域边缘处在低电流密度下溶解，引起沟槽边缘杂散腐蚀。并且在电极铣削加工过程中，电解液射流喷出冲击至工件加工表面，随着工件材料的溶解以及沟槽结构尺寸的变化，电解液沿槽内曲面流动时被反射至工件表面未加工区，引起杂散腐蚀，降低沟槽加工定域性和加工精度。
技术实现要素：
本实用新型所解决的技术问题在于提供一种高深宽比沟槽加工装置。
为解决上述技术问题，本实用新型提供一种高深宽比沟槽加工装置，包括机床主体，设置于所述机床主体上的工件阳极，驱动所述工件阳极在x轴、y轴以及z轴方向移动的阳极驱动机构，设置于所述工件阳极上方的工具阴极，驱动所述工具阴极在x轴、y轴以及z轴方向移动的阴极驱动机构，与所述工具阴极相连的球面超声聚焦系统，连接于所述工具阴极和所述工件阳极之间的电解电源，沿轴向设置于所述工具阴极中心线位置的阴极通孔，以及与所述阴极通孔连通的电解液循环系统。
更进一步的，所述工具阴极包括微细电极和设置于所述微细电极外侧壁上的绝缘层，所述阴极通孔设置于所述微细电极的中心位置。
更进一步的，所述球面超声聚焦系统包括与所述工具阴极相连的纵振变幅杆、与所述纵振变幅杆相连的超声振动换能器、与所述超声振动换能器相连的超声波电源以及设置于所述纵振变幅杆底部的弯曲振动球壳，所述纵振变幅杆的中心线位置设置有与所述阴极通孔相连的变幅杆通孔，所述电解液循环系统和所述变幅杆通孔相连。
更进一步的，所述电解液循环系统包括电解液槽、与所述电解液槽相连的离心泵、连接于所述离心泵输出端的出液管、设置于所述出液管上的压力表和压力控制阀、以及设置于所述离心泵入口处的过滤器，所述出液管和所述变幅杆通孔相连。
本实用新型还提供一种高深宽比沟槽加工方法，包括如上任意一项所述的高深宽比沟槽加工装置，所述方法包括以下步骤：
a)将工件阳极放置于机床主体的阳极驱动机构上，所述电解液循环系统的电解液经过所述阴极通孔喷至所述工件阳极上；所述阴极驱动机构驱动所述工具阴极运动、所述阳极驱动机构驱动所述工件阳极运动，对所述工件阳极进行铣削；
b)所述工具阴极加速离开所述工件阳极表面时，加工间隙内形成很大的负压和局部真空，使得电解液内瞬间形成微空腔；
c)所述工具阴极加速靠近所述工件阳极表面时，所述微空腔重新闭合，形成液压冲击波；
d)重复步骤b)和步骤c)多次,在所述工件阳极上铣削出高深宽比沟槽微结构。
本实用新型的高深宽比沟槽加工装置，所述电解液循环系统的电解液从所述阴极通孔高速喷出冲击所述工件阳极的加工表面，所述电解电源通电，所述阴极驱动机构驱动所述工具阴极运动，所述阳极驱动机构驱动所述工件阳极运动，所述工具阴极对所述工件阳极进行微结构加工，所述球面超声聚焦系统将超声能量聚焦于工件加工面狭小的区域，可方便高效地在工件表面加工出所需沟槽结构，实现高深宽比沟槽的加工。
附图说明
图1为本实用新型的高深宽比沟槽加工装置的示意图；
图2为本实用新型的高深宽比沟槽加工装置的结构示意图；
图3为本实用新型的高深宽比沟槽加工装置的球面超声聚焦系统的原理示意图；
图中标记为：机床主体1，工件阳极2，工业ccd相机检测单元21，电压传感器22，电流传感器23，数据采集卡24，阳极驱动机构3，工具阴极4，阴极通孔41，微细电极42，绝缘层43，阴极驱动机构5，球面超声聚焦系统6，纵振变幅杆61，超声振动换能器62，超声波电源63，弯曲振动球壳64，变幅杆通孔65，电解电源7，电解液循环系统8，电解液槽81，离心泵82，出液管83，压力表84，压力控制阀85，过滤器86，激光多普勒测振仪9。
具体实施方式
下面详细描述本实用新型的实施方式，所述实施方式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，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
在以下描述中，为了清楚展示本实用新型的结构及工作方式，将借助诸多方向性词语进行描述，但是应当将“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“内”、“外”、“向上”、“向下”、“向左”、“向右”、“向前”、“向后”、“向内”、“向外”等词语理解为方便用语，而不应当理解为限定性词语。
如图1及图2所示，本实用新型提供一种高深宽比沟槽加工装置，包括机床主体1，设置于所述机床主体1上的工件阳极2，驱动所述工件阳极2在x轴、y轴以及z轴方向移动的阳极驱动机构3，设置于所述工件阳极2上方的工具阴极4，驱动所述工具阴极4在x轴、y轴以及z轴方向移动的阴极驱动机构5，与所述工具阴极4相连的球面超声聚焦系统6，连接于所述工具阴极4和所述工件阳极2之间的电解电源7，沿轴向设置于所述工具阴极4中心线位置的阴极通孔41，以及与所述阴极通孔41连通的电解液循环系统8。所述电解液循环系统8的电解液从所述阴极通孔41高速喷出冲击所述工件阳极2的加工表面，所述电解电源7通电，所述阴极驱动机构5驱动所述工具阴极4运动，所述阳极驱动机构3驱动所述工件阳极2运动，所述工具阴极4对所述工件阳极2进行微结构加工，所述球面超声聚焦系统6将超声能量聚焦于工件加工面狭小的区域，可方便高效地在工件表面加工出所需沟槽结构，实现高深宽比沟槽的加工。
由于电解作用在工件表面产生厚度极薄、强度远低于基体材料的钝化膜，利用球面超声聚焦系统6振动作用可以定域性地去除工件表面加工区钝化膜，改善工件表面材料溶解状态，钝化膜破坏后的表面又迅速地由于电解作用而产生新的钝化膜，阻止进一步电解，这样通常可避免大电流密度电解时产生的杂散腐蚀作用，改善微结构加工精度和加工质量。
所述工具阴极4包括微细电极42和设置于所述微细电极42外侧壁上的绝缘层43，所述阴极通孔41设置于所述微细电极42的中心位置。使用棒状或球状微细电极作为所述微细电极42，与所述球面超声聚焦系统6的球面弯曲振动球壳连接，在所述细微电极42的外侧壁上设置所述绝缘层43，在加工过程中可以大大减小所述微细电极42外侧壁杂散电流对微结构表面质量的影响，提高微细电解铣削加工微结构的工艺水平，提高产品质量。
结合图3所示，所述球面超声聚焦系统6包括与所述工具阴极4相连的纵振变幅杆61、与所述纵振变幅杆61相连的超声振动换能器62、与所述超声振动换能器62相连的超声波电源63以及设置于所述纵振变幅杆61底部的弯曲振动球壳64，所述纵振变幅杆61的中心线位置设置有与所述阴极通孔41相连的变幅杆通孔65，所述电解液循环系统8和所述变幅杆通孔65相连。依据超声振动原理和超声聚焦效应，由压电陶瓷产生的纵向振动经所述纵振变幅杆61放大，在所述球面超声聚焦系统6端面转换为由纵向振动和径向振动复合的弯曲振动，所述弯曲振动球壳64振动和所述超声振动换能器62中心面纵向振动组成的复合振动将超声能场效应聚焦于铣削加工工件表面区域内，其中，la为焦距，l为焦区长度，w为焦区宽度。
所述电解液循环系统8包括电解液槽81、与所述电解液槽81相连的离心泵82、连接于所述离心泵82输出端的出液管83、设置于所述出液管83上的压力表84和压力控制阀85、以及设置于所述离心泵82入口处的过滤器86，所述出液管83和所述变幅杆通孔65相连。
作为本实用新型的优选实施例，所述高深宽比沟槽加工装置还包括设置于所述球面超声聚焦系统6处的激光多普勒测振仪9。所述激光多普勒测振仪9用于在线提取超声振幅、频率等参数。
所述工件阳极2位于所述工具阴极4的下方，所述工件阳极2处设置有工业ccd相机检测单元21。所述工业ccd相机检测单元21为高清晰度的ccd摄像机，三维调焦平台建立在线视频观测系统，用于观测加工区气泡、不溶性产物等微观运动行为特征。
所述工件阳极2和所述工具阴极4之间连接有电压传感器22和电流传感器23，所述电压传感器22和所述电流传感器23分别和数据采集卡24相连。所述电压传感器22、所述电流传感器23分别检测所述工具阴极4和所述工件阳极2之间的电压、电流信号，传输到基于pc的虚拟存储示波器，虚拟示波器通过实时波形反馈，确定加工状态特征，辅助判断是否发生短路等异常状态及加工是否稳定。
本实用新型还提供一种高深宽比沟槽加工方法，包括如上任意一项所述的高深宽比沟槽加工装置，所述方法包括以下步骤：
a)将工件阳极2放置于机床主体1的阳极驱动机构3上，所述电解液循环系统8的电解液经过所述阴极通孔41喷至所述工件阳极2上；所述阴极驱动机构5驱动所述工具阴极4运动、所述阳极驱动机构3驱动所述工件阳极2运动，对所述工件阳极2进行铣削；
b)所述工具阴极4加速离开所述工件阳极2表面时，加工间隙内形成很大的负压和局部真空，使得电解液内瞬间形成微空腔；
c)所述工具阴极4加速靠近所述工件阳极2表面时，所述微空腔重新闭合，形成液压冲击波；
d)重复步骤b)和步骤c)多次,在所述工件阳极2上铣削出高深宽比沟槽微结构。
通过该方法进行微细电解铣削加工时，其辅助球面超声振动作用于所述工件阴极4进行铣削加工，超声振动的“空化”作用可以强化加工间隙内电解液的对流，有利于电解液的更新并及时清除电解产物，利于高深宽比沟槽的加工。超声振动的“空化”作用是指当所述工件阴极4端面以很大的加速度离开工件表面时，加工间隙内形成很大的负压和局部真空，使得电解液内瞬间形成微空腔，当所述工件阴极4端面以很大的加速度接近工件表面时，空泡重新闭合，又引起较强的液压冲击波。上述作用迅速地、反复地施加在所述工件阴极4与工件之间微小间隙内的电解液里，可以大大强化加工过程，改善沟槽加工质量。以上所述，仅是本实用新型的最佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围情况下，利用上述揭示的方法内容对本实用新型技术方案做出许多可能的变动和修饰，均属于权利要求保护的范围。
1.一种高深宽比沟槽加工装置，其特征在于：包括机床主体，设置于所述机床主体上的工件阳极，驱动所述工件阳极在x轴、y轴以及z轴方向移动的阳极驱动机构，设置于所述工件阳极上方的工具阴极，驱动所述工具阴极在x轴、y轴以及z轴方向移动的阴极驱动机构，与所述工具阴极相连的球面超声聚焦系统，连接于所述工具阴极和所述工件阳极之间的电解电源，沿轴向设置于所述工具阴极中心线位置的阴极通孔，以及与所述阴极通孔连通的电解液循环系统。
2.如权利要求1所述的高深宽比沟槽加工装置，其特征在于：所述工具阴极包括微细电极和设置于所述微细电极外侧壁上的绝缘层，所述阴极通孔设置于所述微细电极的中心位置。
3.如权利要求2所述的高深宽比沟槽加工装置，其特征在于：所述球面超声聚焦系统包括与所述工具阴极相连的纵振变幅杆、与所述纵振变幅杆相连的超声振动换能器、与所述超声振动换能器相连的超声波电源以及设置于所述纵振变幅杆底部的弯曲振动球壳，所述纵振变幅杆的中心线位置设置有与所述阴极通孔相连的变幅杆通孔，所述电解液循环系统和所述变幅杆通孔相连。
4.如权利要求3所述的高深宽比沟槽加工装置，其特征在于：所述电解液循环系统包括电解液槽、与所述电解液槽相连的离心泵、连接于所述离心泵输出端的出液管、设置于所述出液管上的压力表和压力控制阀、以及设置于所述离心泵入口处的过滤器，所述出液管和所述变幅杆通孔相连。
技术总结