本發(fā)明屬于特種復(fù)合加工領(lǐng)域，尤其是電化學(xué)放電與激光輻照同軸復(fù)合加工絕緣、高硬度、脆性材料的方法和裝置，具體是一種管電極放電與激光輻照的同軸復(fù)合加工方法和裝置。

背景技術(shù)：

絕緣高硬脆材料相較于金屬材料具有很多特點(diǎn)，包括高硬度、耐腐蝕、耐高溫、耐磨損等材料性能。以氧化鋁陶瓷為代表的絕緣高硬脆材料，在微電子、微反應(yīng)器、光電子信息自動化技術(shù)、能源和環(huán)保、生物醫(yī)學(xué)等高技術(shù)領(lǐng)域中有著十分廣泛的應(yīng)用前景。特別是在電子工業(yè)中已廣泛應(yīng)用的氧化鋁陶瓷基片，因其化學(xué)穩(wěn)定性高、導(dǎo)熱率好、電絕緣性能高、高頻特性優(yōu)異、強(qiáng)度硬度高等特殊性能，已經(jīng)成為大規(guī)模集成電路、超高速計(jì)算機(jī)和大功率通訊設(shè)備的關(guān)鍵性基礎(chǔ)材料，工業(yè)需求逐年快速遞增。但是由于材料的高硬度、高脆性、高熔點(diǎn)特性，傳統(tǒng)的加工工藝很難對其進(jìn)行精密微細(xì)加工。

目前對于絕緣高硬脆材料加工技術(shù)及其應(yīng)用的研究，主要電化學(xué)放電加工和激光加工。電化學(xué)放電是電解、電火花復(fù)合加工，是利用電化學(xué)反應(yīng)在工具電極上產(chǎn)生氣泡進(jìn)而形成氣膜層，使工具電極與電解液之間絕緣，當(dāng)工具電極和電解液之間的電位差增大到擊穿氣膜層的放電電壓時(shí)，發(fā)生火花放電，通過放電產(chǎn)生的熱和沖擊波來蝕除絕緣高硬脆材料。激光加工是將高強(qiáng)度的激光經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)聚焦，形成高能量密度的激光束聚焦到絕緣高硬脆材料表面產(chǎn)生熱、力等非線性效應(yīng)致使材料熔化或蒸發(fā)，達(dá)到去除材料的目的。

對于絕緣高硬脆材料的微加工技術(shù)和研究，主要包括激光加工和電化學(xué)放電加工等技術(shù)。目前，國內(nèi)外研究人員還提出了一些復(fù)合加工方法。經(jīng)過查閱、檢索現(xiàn)有的文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，公開號為CN103831674A的中國專利公開了一種氧化鋁工程陶瓷激光誘導(dǎo)熱裂磨削加工方法，通過激光作為熱源加熱零件并用Ar氣冷卻誘導(dǎo)氧化鋁工程陶瓷零件表面產(chǎn)生初始裂紋，再用磨輪進(jìn)行精密濕式磨削加工，該方法提高了磨削加工的效率，但是由于磨輪尺寸的限制，該方法不適合加工微型孔等微小形貌。公開號為CN104942388A的中國專利公開了一種針對透明絕緣硬脆材料的電化學(xué)放電與激光復(fù)合加工的裝置和方法，該方法利用脈沖激光和電化學(xué)放電的高能密度產(chǎn)生的熱力沖擊效應(yīng)蝕除材料，可以加快透明硬脆材料的蝕除速度，但是該裝置和方法只適合于加工透明絕緣硬脆材料，不能加工不透明絕緣硬脆材料，而且由于脈沖激光和電化學(xué)放電產(chǎn)生的高能密度產(chǎn)生的熱力沖擊效應(yīng)容易使被加工工件造成崩碎、燒蝕、熔凝層等缺陷，該方法由于電化學(xué)放電的雜散性，也很難做到微細(xì)定域加工。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供了一種管電極放電與激光輻照的同軸復(fù)合加工方法，激光和電化學(xué)放電的兩種能量交互協(xié)同作用于絕緣高硬脆材料表面，在不產(chǎn)生熱蝕、熔凝的情況下，改善加工效率，提高加工定域性，獲得較好的微細(xì)加工質(zhì)量。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的的。

所述電化學(xué)放電和激光復(fù)合加工系統(tǒng)包括空心工具電極、電化學(xué)放電加工裝置、輔助電極、可調(diào)脈沖電源、工作腔、激光器、反射鏡、聚焦透鏡、保護(hù)鏡片，所述空心工具電極固定安裝在所述電化學(xué)放電加工裝置上、且位于所述電化學(xué)放電加工裝置正下方，所述工作腔中裝有電解液，工作腔底面上固定有用于加持試樣的夾具，所述空心工具電極底部和所述輔助電極浸沒在所述工作腔的電解液中，所述輔助電極與所述可調(diào)脈沖電源的正極相連，所述空心工具電極與所述可調(diào)脈沖電源的負(fù)極相連；所述電化學(xué)放電加工裝置、空心工具電極軸線均設(shè)有通孔，所述反射鏡用來改變所述激光器發(fā)出的脈沖激光光路，使光束射入所述電化學(xué)放電裝置、空心工具電極軸線處的通孔內(nèi)，且與所述空心工具電極保持同軸，所述聚焦透鏡安裝在所述電化學(xué)放電加工裝置里面且將脈沖激光光束聚焦在試樣表面，所述保護(hù)鏡片安裝在所述空心工具電極里，防止所述工作腔中的電解液流入所述空心工具電極中；

所述運(yùn)動控制系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)、運(yùn)動控制器和X-Y-Z三坐標(biāo)數(shù)控平臺，所述運(yùn)動控制器與所述計(jì)算機(jī)相連，所述X-Y-Z三坐標(biāo)數(shù)控平臺與所述運(yùn)動控制器相連，所述計(jì)算機(jī)通過輸入的運(yùn)動程序傳輸給所述運(yùn)動控制器進(jìn)而控制所述X-Y-Z三坐標(biāo)數(shù)控平臺的運(yùn)動；

所述電解液循環(huán)系統(tǒng)包括恒溫儲液槽、輸液管、回液管、泵、節(jié)流閥、溢流閥，所述恒溫儲液槽與工作腔之間通過輸液管和回流管構(gòu)成循環(huán)管路，所述輸液管和回流管上均設(shè)置有節(jié)流閥，所述泵設(shè)置輸液管上；所述輸液管與恒溫儲液槽之間還設(shè)置有溢流閥。

進(jìn)一步地，所述運(yùn)動控制系統(tǒng)還包括力傳感器，所述力傳感器安裝在所述試樣和夾具之間，所述力傳感器與計(jì)算機(jī)相連，所述力傳感器用于檢測所述空心工具電極與所述試樣的接觸力大小，并將檢測到的力信號傳遞給計(jì)算機(jī)。

進(jìn)一步地，還包括示波器，所述示波器與所述輔助電極相連，所述示波器與所述輔助電極之間裝有電流探頭，所述電流探頭采集火花放電的脈沖信號并傳輸給所述示波器。

進(jìn)一步地，所述可調(diào)脈沖電源的電壓0～60V，頻率1～5000Hz，占空比0～100％。

進(jìn)一步地，所述輸液管上上還設(shè)置有輸液管上還設(shè)置有過濾器。

進(jìn)一步地，所述夾具與工作腔底面之間設(shè)置有夾具密封圈。

所述的管電極放電與激光輻照的同軸復(fù)合加工裝置的加工方法，其特征在于，包括如下步驟：

所述空心工具電極的底部和輔助電極放置于所述工作腔的電解液中，通電時(shí)，所述空心工具電極與所述輔助電極在所述電解液中形成電化學(xué)放電回路；激光器發(fā)出脈沖激光，經(jīng)反射鏡改變脈沖激光光路，使光束射入所述電化學(xué)放電裝置、空心工具電極軸線處的通孔內(nèi)，且與所述空心工具電極保持同軸，脈沖激光通過錐形空心工具電極聚焦輻照在試樣表面，使試樣表面輻照區(qū)溫度急劇升高，當(dāng)進(jìn)入激光脈沖間歇時(shí)，工作腔中的電解液接觸所述輻照區(qū)，致使所述輻照區(qū)產(chǎn)生高低溫交替變化，使所述輻照區(qū)產(chǎn)生微裂紋、微凹陷和應(yīng)力集中；輻照區(qū)的微凹陷由于尖端放電效應(yīng)將空心工具電極的放電火花始終作用于所述輻照區(qū)，所述脈沖激光輻照和所述空心工具電極放電同軸作用于所述試樣表面；所述脈沖激光輻照使作用區(qū)域的溫度升高，加快了電化學(xué)反應(yīng)，促進(jìn)所述空心工具電極表面生成穩(wěn)定的放電氣膜層；所述空心工具電極放電的熱力沖擊效應(yīng)致使所述輻照區(qū)域發(fā)生微裂紋開裂，改變所述試樣的表面形貌和物化性質(zhì)，又能提高所述試樣對激光能量的非線性吸收，產(chǎn)生局域場增強(qiáng)效應(yīng)；通過所述脈沖激光輻照和所述空心工具電極放電的交互協(xié)同作用，所述試樣在連續(xù)擴(kuò)展的可控微觀斷裂作用下，加工部位被去除。

進(jìn)一步地，所述試樣為99％氧化鋁陶瓷，所述空心工具電極為錐形空心碳化鎢電極，其底端外圓直徑為0.2mm～1mm，所述輔助電極為石墨電極，所述電解液為堿性溶液，所述電解液沒過所述試樣上表面2mm。

進(jìn)一步地，所述激光光束的波長為532nm，脈寬為10ns，頻率0-100kHz，單脈沖激光能量為0～1mJ。

本發(fā)明的有益效果：

(1)通過脈沖激光和電化學(xué)放電交互協(xié)同工作對絕緣高硬脆材料進(jìn)行微細(xì)刻蝕加工，一方面，脈沖激光聚焦輻照能加快電化學(xué)反應(yīng)，促進(jìn)空心工具電極表面生成穩(wěn)定的放電氣膜層，而且脈沖激光作用在工件表面產(chǎn)生的隱性材質(zhì)缺陷和應(yīng)力集中能吸引火花放電始終作用在該區(qū)域，另一方面，火花放電改變工件材料的表面形貌和物化性質(zhì)，能提高工件材料對激光能量的非線性吸收，產(chǎn)生局域場增強(qiáng)效應(yīng)，兩種能量的交互協(xié)同作用能顯著改善絕緣高硬脆材料的加工效率，提高加工定域性，提高加工質(zhì)量。

(2)引入電解液循環(huán)系統(tǒng)可以保證工作腔中的電解液溫度恒定、濃度恒定、無雜質(zhì)顆粒，保證了脈沖激光輻照區(qū)域產(chǎn)生穩(wěn)定的溫度梯度，并且保證了電化學(xué)放電的穩(wěn)定性。

(3)將錐形空心電極作為工具電極，可以保證激光順利通過且聚焦輻照在工件表面；而且錐形空心工具電極底部面積與激光光斑面積幾乎相等。

(4)在不浪費(fèi)較多能量的情況下，該方法和裝置可以加工任何絕緣高硬脆材料，尤其是不透明的絕緣高硬脆材料。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述管電極放電與激光輻照的同軸復(fù)合加工裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明所述電化學(xué)放電加工裝置內(nèi)部光路放大圖。

附圖標(biāo)記說明如下：

1-計(jì)算機(jī)，2-運(yùn)動控制器，3-輔助電極，4-力傳感器，5-保護(hù)鏡片，6-反射鏡，7-電化學(xué)放電加工裝置，8-聚焦透鏡，9-空心工具電極，10-激光器，11-輸液管，12-回液管，13-溢流閥，14-泵，15-過濾器，16-恒溫儲液槽，17-節(jié)流閥，18-試樣，19-夾具密封圈，20-夾具，21-工作腔，22.X-Y-Z三坐標(biāo)數(shù)控平臺，23-示波器，24-電流探頭，25-可調(diào)脈沖電源。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖以及具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不限于此。

如圖1所示的管電極放電與激光輻照的同軸復(fù)合加工裝置，包括電化學(xué)放電和激光復(fù)合加工系統(tǒng)、運(yùn)動控制系統(tǒng)、電解液循環(huán)系統(tǒng)。所述電化學(xué)放電和激光復(fù)合加工系統(tǒng)包括空心工具電極9、電化學(xué)放電加工裝置7、輔助電極3、可調(diào)脈沖電源25、工作腔21、激光器10、反射鏡6、聚焦透鏡8、保護(hù)鏡片5，所述空心工具電極9固定安裝在所述電化學(xué)放電加工裝置7上，所述工作腔21中有電解液，所述空心工具電極9底部和所述輔助電極3浸沒在所述工作腔21的電解液中，所述輔助電極3與所述可調(diào)脈沖電源25的正極相連，所述空心工具電極9與所述可調(diào)脈沖電源25的負(fù)極相連，所述聚焦透鏡8安裝在所述電化學(xué)放電加工裝置7里，所述保護(hù)鏡片5安裝在所述空心工具電極9里，所述保護(hù)鏡片5是為了防止加工時(shí)所述工作腔21中的電解液流入空心工具電極9中；所述運(yùn)動控制系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)1、運(yùn)動控制器2、X-Y-Z三坐標(biāo)數(shù)控平臺22和力傳感器5，所述X-Y-Z三坐標(biāo)數(shù)控平臺22與所述運(yùn)動控制器2相連，所述力傳感器5與計(jì)算機(jī)1相連，所述力傳感器5安裝在夾具20上；所述電解液循環(huán)系統(tǒng)包括恒溫儲液槽16、輸液管11、回液管12、泵14、過濾器15、節(jié)流閥17、溢流閥13，所述恒溫儲液槽16內(nèi)裝有大量電解液，且將所述電解液保持在一定溫度，所述電解液通過泵14經(jīng)輸液管11流入所述工作腔21中，所述工作腔21中的電解液通過所述回液管12流回所述恒溫儲液槽，所述節(jié)流閥17和所述溢流閥13是控制所述電解液流量，所述過濾器15是過濾所述恒溫儲液槽16中的電解液且得到無雜質(zhì)的電解液。

其中，所述試樣18為99％氧化鋁陶瓷，所述空心工具電極9為錐形空心碳化鎢電極，其底端外圓直徑為0.2mm～1mm，所述輔助電極3為石墨電極，所述電解液為堿性溶液，所述電解液沒過所述試樣18上表面2mm；所述激光器10發(fā)出的脈沖激光束的波長為532nm，脈寬為10ns，頻率0～100KHz，單脈沖激光能量為0～1mJ。

管電極放電與激光輻照的同軸復(fù)合加工方法，包括如下步驟：

將試樣18固定在夾具20上，夾具20通過夾具密封圈19固定在工作腔21里，所述空心工具電極的底部和輔助電極放置于所述工作腔的電解液中，通電時(shí)，所述空心工具電極與所述輔助電極在所述電解液中形成電化學(xué)放電回路；激光器10輸出脈沖激光，反射鏡6將脈沖激光束反射入電化學(xué)放電加工裝置7中，聚焦透鏡8將光束聚焦輻照在試樣18表面，聚焦點(diǎn)處溫度急劇升高，當(dāng)進(jìn)入激光脈沖間歇時(shí)，工作腔21中的電解液接觸聚焦輻照區(qū)致使該區(qū)域產(chǎn)生較大的溫度梯度從而產(chǎn)生微裂紋、微凹陷和應(yīng)力集中；

電極兩端通過可調(diào)脈沖電源25加載電壓，空心工具電極9表面由電化學(xué)反應(yīng)生成氫氣泡，隨著載入電壓的升高，電化學(xué)反應(yīng)生成氣泡的量增加，當(dāng)生成的氣泡達(dá)到一定量時(shí)，氣泡會吸附在空心工具電極9表面形成氣膜層，致使空心工具電極9與工作腔21中的電解液之間在短時(shí)間內(nèi)形成絕緣并產(chǎn)生電位梯度形成電場，當(dāng)場強(qiáng)超過臨界值時(shí)，會發(fā)生電擊穿產(chǎn)生火花放電，利用電火花放電的熱力沖擊效應(yīng)，誘發(fā)激光聚焦輻照區(qū)的應(yīng)力集中釋放，在該區(qū)域發(fā)生裂紋開裂；

脈沖激光作用于試樣18表面產(chǎn)生的微裂紋、微凹陷和應(yīng)力集中能吸引火花放電始終作用在該區(qū)域；同時(shí)火花放電改變了該區(qū)域的表面形貌和物化性質(zhì)，進(jìn)而提高該區(qū)域?qū)す饽芰康姆蔷€性吸收，產(chǎn)生局域場增強(qiáng)效應(yīng)，而且脈沖激光聚焦輻照能加快電化學(xué)反應(yīng)，促進(jìn)空心工具電極9表面生成穩(wěn)定的放電氣膜層；兩種能量的交互協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)了對試樣18的微細(xì)定域刻蝕，顯著改善其加工效率，并且提高了加工質(zhì)量；

工作腔21固定在X-Y-Z三坐標(biāo)數(shù)控平臺22上，試樣18隨X-Y-Z三坐標(biāo)數(shù)控平臺22單軸或多軸聯(lián)動，所以空心工具電極9相對于試樣18在移動，因此微裂紋隨激光輻照和火花放電的連續(xù)移動不斷產(chǎn)生并擴(kuò)展，試樣18在連續(xù)擴(kuò)展的可控微觀斷裂作用下被加工去除。

在加工過程中，力傳感器5實(shí)時(shí)檢測空心工具電極9與試樣18的接觸力大小，力傳感器5將檢測的力信號反饋給計(jì)算機(jī)1，計(jì)算機(jī)1對比設(shè)定好的參考力，控制X-Y-Z三坐標(biāo)數(shù)控平臺22的運(yùn)動和回退，當(dāng)接觸力小于設(shè)定好的參考力時(shí)，計(jì)算機(jī)1發(fā)出指令給運(yùn)動控制卡進(jìn)而控制X-Y-Z三坐標(biāo)數(shù)控平臺22按預(yù)定路徑運(yùn)動，當(dāng)接觸力大于設(shè)定好的參考力時(shí)，計(jì)算機(jī)1發(fā)出指令給運(yùn)動控制卡進(jìn)而控制X-Y-Z三坐標(biāo)數(shù)控平臺22回退，直至力傳感器5檢測到接觸力小于設(shè)定好的力，計(jì)算機(jī)1重新回到回退位置程序，控制X-Y-Z三坐標(biāo)數(shù)控平臺22再次運(yùn)動，重復(fù)上述步驟，直至運(yùn)動路徑程序結(jié)束。

在加工過程中，泵14將恒溫儲液槽16中的電解液抽取經(jīng)過過濾器15通過輸液管11流入工作腔21內(nèi)，工作腔21中的電解液通過回液管12流回恒溫儲液槽16，溢流閥13和節(jié)流閥17是為了控制電解液流速和穩(wěn)定壓力，因加工時(shí)間增大，工作腔21中的電解液溫度會上升，濃度會改變，并且電解液中會含有加工產(chǎn)生的雜質(zhì)，過濾器15過濾電解液中的雜質(zhì)，保證提供給工作腔21的電解液干凈無雜質(zhì)，恒溫儲液槽16保證提供給工作腔21的電解液溫度恒定，濃度恒定；從而保證了電化學(xué)放電和激光復(fù)合加工的穩(wěn)定性。

(5)加工過程中，電流探頭24檢測加工過程中電化學(xué)放電的脈沖信號并傳輸給示波器23以波形狀態(tài)顯示脈沖電流大小、頻率等信息。

所述實(shí)施例為本發(fā)明的優(yōu)選的實(shí)施方式，但本發(fā)明并不限于上述實(shí)施方式，在不背離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠做出的任何顯而易見的改進(jìn)、替換或變型均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。