一种激光-电解-超声原位复合超精密切削黑色金属装置 |
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| 申请号 | CN202410245053.3 | 申请日 | 2024-03-04 | 公开(公告)号 | CN117921112A | 公开(公告)日 | 2024-04-26 |
| 申请人 | 河南理工大学; | 发明人 | 明平美; 王建树; 牛屾; 刘欢; 杨广宾; 李冬冬; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种激光‑ 电解 ‑超声原位复合超精密切削黑色金属装置，包括 工件 、金刚石刀头、刀柄、超声振动单元、聚焦红外 激光束 和金属层。加工过程中，工件切削处发生电化学反应生成质软疏松、 碳 亲和 力 弱的 氧 化层，避免金刚石与黑色金属基体材料直接 接触 ，进而减小由于 铁 ‑碳 亲和性 导致的化学磨损；本发明同时引入惰性高压气流、电解液液滴射流为加工区域进行持续 散热 冷却，降低加工过程 温度 。在此 基础 上，加工过程引入的聚焦红外激光束以 加速 电化学反应并增加氧化层厚度，进而有利于实现高效、低温切削。加工过程中引入超声振动，可进一步利用超声 空化 效应加速材料的去除与排离。通过激光、超声、电解能场的巧妙原位复合，实现黑色金属复杂构件的高质、高效、超精、低损加工。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种激光‑电解‑超声原位复合超精密切削黑色金属装置，包括刀柄(3)、聚焦红外激光束(5)、超声振动单元(4)、伺服驱动平台(6)和工件(1)，其特征在于：它还包括开设有气流通道(24)与给液通道(25)的金刚石刀头(2)、电解液循环过滤单元(8)、电解液(12)、高压脉冲气流产生单元(9)、惰性高压气流(11)、电解电源(10)；所述的气流通道(24)设有进气口(241)和出气口(242)；所述的进气口(241)和出气口(242)分别位于金刚石刀头(2)的背面(21)和前刀面(22)处；所述的气流通道(24)在金刚石刀头(2)的内部呈水平斜向下方向布置，其轴线与水平面的夹角为10°～30°；所述的气流通道(24)的横截面积沿进气口(241)至出气口(242)方向呈阶梯式减小，且各段横截面形状为长方形；所述的给液通道(25)设有进液口(251)与出液口(252)；所述的进液口(251)与出液口(252)分别位于前刀面(22)上部和气流通道(24)的最小横截面段；所述的给液通道(25)在金刚石刀头(2)内部沿竖直方向布置，且进液口(251)位于出液口(252)的正上方；所述的给液通道(25)的横截面积沿进液口(251)至出液口(252)方向呈阶梯式减小，且各段横截面形状均为长方形；所述的气流通道(24)的轴线、给液通道(25)的轴线、金刚石刀头(2)的刀尖(23)三者共面；所述的气流通道(24)的最小横截面段的几何形状与尺寸与出液口(252)的几何形状与尺寸都相同；所述的金刚石刀头(2)的前刀面(22)设有微流槽(221)和圆形微储液池(222)；所述的微流槽(221)与圆形微储液池(222)的对称中心线与前刀面(22)的对称中心线重合；所述的微流槽(221)和圆形微储液池(222)位于出气口(242)的下方；所述的微流槽(221)的上下两端分别与出气口(242)、圆形微储液池(222)连通；所述的微流槽(221)的深度与微储液池(222)的深度相同；所述的气流通道(24)的内壁面、给液通道(25)的内壁面、微流槽(221)的底面、圆形微储液池(222)的底面均镀覆有耐酸碱腐蚀的金属层(7)；所述的电解液循环过滤单元(8)与进液口(251)连通；所述的高压脉冲气流产生单元(9)与进气(241)连通；所述的电解电源(10)的正极与工件(1)电气连接，负极与金刚石刀头(2)内的金属层(7)电气连接；所述的金刚石刀头(2)固定在刀柄(3)上；所述的刀柄(3)固定在超声振动单元(4)上；所述的超声振动单元(4)固定至伺服驱动平台(6)；所述的聚焦红外激光束(5)自金刚石刀头(2)的背面(21)射入，并由刀尖(23)处射出；所述的气流通道(24)位于聚焦红外激光束(5)的上方，且气流通道(24)轴线、聚焦红外激光束(5)轴线、金刚石刀头(2)的对称中轴线三线共面。 |
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| 说明书全文 | 一种激光‑电解‑超声原位复合超精密切削黑色金属装置技术领域[0001] 本发明涉及一种激光‑电解‑超声原位复合超精密切削黑色金属装置，属于超精密加工领域。 背景技术[0002] 黑色金属以其卓越的机械性能广泛应用于现代工业。对于要求超高精度、高表面质量的复杂形状黑色金属工件而言，磨削、研磨、抛光等工艺工序复杂、加工周期长、成本高，且难以达到预期加工效果。金刚石具有极高的硬度，能够形成锋利的刀刃以实现超薄切削，是超精密切削的理想工具材料之一。然而，在切削黑色金属时，金刚石刀具的碳元素极易在高温下与黑色金属发生化学亲和反应生成金属碳化物进而导致刀具快速磨损，无法生产高一致性的超精密构件。这一刀具快速且严重的磨损现象极大限制了金刚石超精密切削技术在黑色金属领域的推广和应用。 [0003] 为降低刀具磨损，改善切削效果，研究人员探索了多种技术方案。申请号为US2012024827A1的专利提出多光源分布的激光辅助切削技术，通过调整多角度的激光能量以控制切削加工区域的温度分布，从而软化材料，减少刀具磨损。然而，由于高温下铁、碳更易发生反应，因此该技术在采用金刚石刀具切削黑色金属时仍有限制。申请号为CN111069767B的专利提出将超声振动、单点金刚石切削、微激光辅助集成至同一加工系统，通过超声振动实现激光束的高频离焦，减少激光热效应聚集，但该技术引入的聚焦激光束同样不利于抑制金刚石切削黑色金属过程中的化学磨损。申请号为CN107363552A的专利提出使用激光辅助生成软质氧化层，过程中采用低功率激光避免热量持续积累，但富氧环境易使加工工件表面发生氧化，导致已加工表面变质。申请号为CN113211161B的专利提出通过氧化物隔离金刚石与黑色金属间的反应来减缓铁、碳亲和作用而导致的化学磨损，该技术依靠化学能生成氧化物，同样易使已加工表面变质。 [0004] 除氧化剂氧化外，电化学反应亦可快速生成厚度可控的氧化层，且氧化层仅在反应区生成，避免对已加工表面进行二次污染。此外，电化学反应可采用环境友好型溶液，如中性的NaCl、NaNO3等环保型溶液。电化学反应生成氧化层的电极反应如下： [0005] [0006] 对于黑色金属，反应主要生成含Fe2O3、Fe3O4等成分的软质层，切削力小，有助于减小刀具的机械磨损，同时提高切削精度，此外，这些氧化物与金刚石间亲和力较弱，可作为隔离层改善因亲和性引起的化学磨损。 [0007] 研究表明，提高温度有助于加速电化学反应进行，激光作为一种高度局域化的热源，尤其适用于反应过程中的局部加热，局部温升有助于电化学反应进行，进一步提高加工定域性。相较于激光热软化技术，激光辅助电化学氧化技术所需的激光功率较低，在加速电化学反应的同时避免引入、积累过多热量；电化学反应生成的氧化层质软疏松，易去除，切削省力、产热小；激光与电化学的组合和实现更快的氧化速度、更大的氧化深度、更好的定域性；超声的引入可在加工区产生空化效应，有利于材料的去除与切屑的排离。在现有研究的基础上，本发明提出一种激光‑电解‑超声原位复合超精密切削黑色金属的装置，通过多能场复合作用实现高一致性的黑色金属金刚石精密切削。 发明内容[0009] 为解决上述问题，本发明的技术方案是：一种激光‑电解‑超声原位复合超精密切削黑色金属装置，包括刀柄、聚焦红外激光束、超声振动单元、伺服驱动平台、工件，其特征在于：它还包括开设有气流通道与给液通道的金刚石刀头、电解液循环过滤单元、电解液、高压脉冲气流产生单元、惰性高压气流、电解电源；所述的气流通道设有进气口和出气口；所述的进气口和出气口分别位于金刚石刀头的背面和前刀面处；所述的气流通道在金刚石刀头的内部呈水平斜向下方向布置，其轴线与水平面的夹角为10°～30°；所述的气流通道的横截面积沿进气口至出气口方向呈阶梯式减小，且各段横截面形状为长方形；所述的给液通道设有进液口与出液口；所述的进液口与出液口分别位于前刀面上部和气流通道的最小横截面段；所述的给液通道在金刚石刀头内部沿竖直方向布置，且进液口位于出液口的正上方；所述的给液通道的横截面积沿进液口至出液口方向呈阶梯式减小，且各段横截面形状均为长方形；所述的气流通道的轴线、给液通道的轴线、金刚石刀头的刀尖三者共面； 所述的气流通道的最小横截面段的几何形状与尺寸与出液口的几何形状与尺寸都相同；所述的金刚石刀头的前刀面设有宽度为0.15mm、深度0.15mm的微流槽和直径1.5mm、深度 0.15mm的圆形微储液池；所述的微流槽与圆形微储液池的对称中心线与前刀面的对称中心线重合，且所述的圆形微储液池的最下端距离刀尖1.5mm；所述的微流槽和圆形微储液池位于出气口的下方；所述的微流槽的上下两端分别与出气口、圆形微储液池连通；所述的微流槽的深度与微储液池的深度相同；所述的气流通道的内壁面、给液通道的内壁面、微流槽的底面、圆形微储液池的底面均镀覆有耐酸碱腐蚀的金属层；所述的电解液循环过滤单元与进液口连通，电解液循环过滤单元以1kHz频率泵入压力为1.0Mpa的10％NaNO3溶液；所述的高压脉冲气流产生单元与进气口连通，高压脉冲气流产生单元以5kHz频率输出压力为 1.0MPa的压缩氮气；所述的电解电源的正极与工件电气连接，负极与金刚石刀头内的金属层电气连接；所述的金刚石刀头固定在刀柄上；所述的刀柄固定在超声振动单元上；所述的超声振动单元固定至伺服驱动平台；所述的聚焦红外激光束自金刚石刀头的背面射入，并由刀尖处射出；所述的气流通道位于聚焦红外激光束的上方，且气流通道轴线、聚焦红外激光束轴线、金刚石刀头的对称中轴线三线共面； [0010] 本发明的工作原理为：电解液由电解液循环过滤单元泵入进液口，随给液通道运动至出液口后，在气流通道内惰性高压气流作用下形成电解液射流液滴，射流液滴随惰性高压气流由出气口射出，然后在工件的切屑作用下沿微流槽流至微储液池。电解液与惰性高压气流对经过部位进行冷却，避免热量积累。工件与电解电源正极连接带正电，金刚石刀头的金属层与电解电源负极连接带负电，工件与金刚石刀头之间充满电解液形成回路并发生电化学反应，切削区覆盖有电解液的金属表层材料发生阳极氧化生成质软疏松的、碳亲和力弱的氧化层。一方面，金刚石刀具的切削从直接切削黑色单质金属(如Fe、Cr、Mn等)基体转变为切削去除疏松质软的氧化物材料，切削力大幅降低，切削产热也明显减小，机械磨损显著减弱；另一方面，活泼的黑色金属转化为惰性的氧化物后，与金刚石碳元素的化学亲和作用显著减弱，氧化层作为隔离层，避免金刚石与黑色金属直接接触，大幅减小金刚石刀具的化学磨损。低功率、低强度的聚焦红外激光束的引入进一步加快电化学反应速度(黑色金属氧化速度)，使得金属氧化速度能更好地与切削速度相匹配，同时高压高速气流把射流液滴以非连续方式投送到加工微区，可获得微量供给、局域作用、气流冷却降温等多重协同作用，使得刀具系统和加工区的温度更低、材料阳极氧化范围极度局域化，进而获得低温切削、极微量切削的效果。在此基础上，辅以超声振动作用，通过电解液内的空化效应和刀刃的高频振动效应促进材料的高效去除、切屑的快速排离、积热的即时散发，从而降低刀具磨损、提高加工效率与稳定性。高压气流和电解液射流流滴在刀体内通过，可持续对金刚石刀体进行稳定冷却降温，减小热变形，保障刀具系统的稳定工作。 [0011] 与现有技术相比，本发明的突出优点如下。 [0012] 1.极低的刀具磨损与更长的刀具寿命。 [0013] 本装置采用独特的电化学阳极氧化原理把被切削的活泼黑色金属材料在低温下快速地转化为质软疏松且化学活性弱的氧化物材料，使得金刚石刀具切削更省力，刀‑材摩擦力更小，产热少，而且被切削材料转化为氧化物材料后，与金刚石刀具碳元素的亲和性大幅降低，加之氧化物层隔离把刀具与黑色单质金属隔离开，避免直接接触，进而大幅减小了机械磨损和化学磨损，刀具工作寿命显著延长。 [0014] 2.更高的加工精度与加工效率、更好的表面质量。 [0015] 本发明综合采用了电化学氧化软化材料、低强激光辅热加快氧化速度、高速气流和微液滴冷却降温刀体和切削区、黑色金属材料改性惰性化和弱亲和化、超声振动促进切削排离和积热耗散等措施，能使材料的去除过程更省力、更精微、更温和、更高效和更稳定，使得加工精度显著提高，表面/表层损伤更小，表面更光洁。附图说明 [0016] 图1是本发明装置组成示意图。 [0017] 图2是本发明金刚石刀头结构图。 [0018] 图3是本发明加工过程能场作用示意图。 [0019] 图4是本发明加工过程液滴形成与电化学反应示意图。 [0020] 图中标号名称为：1、工件；2、金刚石刀头；3、刀柄；4、超声振动单元；5、聚焦红外激光束；6、伺服驱动平台；7、金属层；8、电解液循环过滤单元；9、高压脉冲气流产生单元；10、电解电源；11、高压气流；12、电解液；21、金刚石刀头背面；22、前刀面；23、刀尖；24、气流通道；25、给液通道；221、微流槽；222、圆形微储液池；241、进气口；242、出气口；251、进液口；252、出液口。 具体实施方式[0021] 下面结合图1～图4对本发明的实施做进一步的详细说明。 [0022] 一种激光‑电解‑超声原位复合超精密切削黑色金属装置，包括刀柄3、聚焦红外激光束5、超声振动单元4、伺服驱动平台6、工件1，其特征在于：它还包括开设有气流通道24与给液通道25的金刚石刀头2、电解液循环过滤单元8、电解液12、高压脉冲气流产生单元9、惰性高压气流11、电解电源10；所述的气流通道24设有进气口241和出气口242；所述的进气口241和出气口242分别位于金刚石刀头2的背面21和前刀面22处；所述的气流通道24在金刚石刀头2的内部呈水平斜向下方向布置，其轴线与水平面的夹角为20°；所述的气流通道24的横截面积沿进气口241至出气口242方向呈阶梯式减小，且各段横截面形状为长方形；所述的给液通道25设有进液口251与出液口252；所述的进液口251与出液口252分别位于前刀面22上部和气流通道24的最小横截面段；所述的给液通道25在金刚石刀头2内部沿竖直方向布置，且进液口251位于出液口252的正上方；所述的给液通道25的横截面积沿进液口251至出液口252方向呈阶梯式减小，且各段横截面形状均为长方形；所述的气流通道24的轴线、给液通道25的轴线、金刚石刀头2的刀尖23三者共面；所述的气流通道24的最小横截面段的几何形状与尺寸与出液口252的几何形状与尺寸都相同；所述的金刚石刀头2的前刀面 22设有宽度0.15mm、深度0.15mm的微流槽221和直径1.5mm、深度0.15mm的圆形微储液池 222；所述的微流槽221与圆形微储液池222的对称中心线与前刀面22的对称中心线重合，且所述的圆形微储液池222的最下端距离刀尖23约1.5mm；所述的微流槽221和圆形微储液池 222位于出气口242的下方；所述的微流槽221的上下两端分别与出气口242、圆形微储液池 222连通；所述的微流槽221的深度与微储液池222的深度相同；所述的气流通道24的内壁面、给液通道25的内壁面、微流槽221的底面、圆形微储液池222的底面均镀覆有耐酸碱腐蚀的金属层7；所述的电解液循环过滤单元8与进液口251连通，电解液循环过滤单元8以1kHz频率泵入压力为1.0MPa的10％NaNO3溶液；所述的高压脉冲气流产生单元9与进气口241连通，高压脉冲气流产生单元9以5kHz频率输出压力为1.0Mpa的压缩氮气；所述的电解电源10的正极与工件1电气连接，负极与金刚石刀头2内的金属层7电气连接；所述的金刚石刀头2固定在刀柄3上；所述的刀柄3固定在超声振动单元4上；所述的超声振动单元4固定至伺服驱动平台6；所述的聚焦红外激光束5自金刚石刀头2的背面21射入，并由刀尖23处射出；所述的气流通道24位于聚焦红外激光束5的上方，且气流通道24轴线、聚焦红外激光束5轴线、金刚石刀头2对称中轴线三者共面； [0023] 利用如图3、图4所示的装置进行加工，包括按以下顺序执行的步骤： [0024] 步骤1：将金刚石刀头2安装至刀柄3，将刀柄3安装至超声振动单元4，将超声振动单元4安装至伺服驱动平台6，将高压脉冲气流产生单元9的出气口连接至金刚石刀头2的进气口241，将电解液循环过滤单元8的出液口连接至金刚石刀头2的进液口251，开启聚焦红外激光束5并以0.5W功率聚焦至刀尖23处，控制伺服进给平台6使金刚石刀头2运动至加工原点，将电解电源10的正极电气连接至工件，电解电源10的负极电气连接至金属层7。 [0025] 步骤2：调整聚焦红外激光束5的功率为10W，开启电解液循环过滤单元8并以1kHz为频率输出1.0Mpa的NaNO3电解液，开启高压脉冲气流产生单元9并以5kHz为频率输出压力为1.0MPa的氮气，开启电解电源10并设置电压为20V，开启超声振动单元4并设置频率为20kHz，控制伺服驱动平台6并使其沿给定路径运动。 [0026] 步骤3：电解液12由进液口251进入金刚石刀头2，在惰性高压气流11的作用下形成液滴，后随惰性高压气流11运动至出气口242，并对金刚石刀头2内部进行持续冷却。 [0027] 步骤4：电解液12液滴在惰性高压气流11作用下由出气口242射出，并在工件1切屑作用下沿微流槽221运动至微储液池222，并沿途对切削热影响区进行冷却，工件1表面与电解电源10正极连接带正电，金刚石刀头2的金属层7与电解电源10的负极连接带负电，形成电解池，并在聚焦红外激光束5的作用下加速电化学反应，生成更厚、更软的表面氧化层，表面氧化层质软易去除，同时隔离工件1基体材料与金刚石刀头2，减少切削过程中的化学磨损；加工区域内的电解液12在超声的作用下发生空化作用，协助更新传质，同时方便切屑的排离。 [0028] 步骤5：加工完成，关闭超声振动单元4、聚焦红外激光束5、电解电源10、电解液循环过滤单元8、高压脉冲气流产生单元9，控制伺服驱动平台6使金刚石刀头2远离工件1，取出、清洗、干燥工件1，完成加工。 [0029] 以上内容仅为本发明的较佳实施案例，对于本领域的技术人员，依据本技术内容的思想，在具体实施方式及应用范围上可做出许多变化，在不脱离本发明构思前提下均属于本专利的保护范围。 |
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