[發明專利]一種硬脆材料微小零件電化學放電輔助微細磨削裝置

有效

• 申請號: 202210255917.0
• 申請日: 2022-03-16
• 公開（公告）號: CN114434221B
• 公開（公告）日: 2023-04-28
• 發明（設計）人: 陳子陽;毛聰;唐偉東;羅源嬙;任瑩暉;李偉;張明軍;唐昆;石峰;宋辭
• 申請（專利權）人: 長沙理工大學
• 主分類號: B24B1/00
• 分類號: B24B1/00;B24B55/00
• 代理公司: 長沙惟盛赟鼎知識產權代理事務所(普通合伙) 43228
• 代理人: 黃敏華

本發明提出了一種硬脆材料微小零件電化學放電輔助微細磨削裝置，其特征在于包含微磨具、磨削液、工件、輔助電極、加工槽、脈沖直流電源；加工槽內充滿磨削液，微磨具、工件和輔助電極浸泡在磨削液中；微磨具是由導電的磨具基體、電鍍層和絕緣的超硬磨料組成，微磨具連接脈沖直流電源的負極；磨削液是由Hsubgt;2/subgt;Osubgt;2/subgt;、Nasubgt;2/subgt;COsubgt;3/subgt;、EDTA?Fe?Na和去離子水組成；工件為硬脆材料，需要在其表面加工出大量微小結構，工件放置于微磨具附近；輔助電極由大塊惰性導電材料構成，連接脈沖直流電源的正極。本發明能夠實現硬脆材料的微小零件的高精高效低損傷加工，且微磨具形狀保持性好、壽命長、能夠自銳。

技術領域

本發明涉及微細磨削加工裝置，特別是涉及一種硬脆材料微小零件電化學放電輔助微細磨削裝置。

背景技術

硬脆材料（單晶硅、單晶碳化硅、玻璃、工程陶瓷）具有高強度、高硬度、耐磨損、難導電的特性，在現代科技產業中占有重要地位。隨著現代高科技產品朝著微型化和精密化的方向不斷發展，由硬脆材料制造的超精密三維微小零件，在航空航天、國防軍事、微電子、現代醫學和生物工程等尖端產業的應用愈加廣泛，典型的超精密微小零件有微流體設備、微光學元件、微結構化葉片。

微小零件的加工精度和表面質量決定了零件的服役性能和使用壽命，由于硬脆材料的硬脆且難導電的特性，將其加工成微小零件對加工裝置的加工精度、表面質量和加工效率提出了很大的挑戰：特種加工工藝中，能夠實現亞微米加工精度的電子束、離子束加工具有一定優勢，但加工效率低；激光加工和水射流加工能夠實現較為高效的材料去除，但表面粗糙大且容易產生加工損傷，影響零件的服役性能；電火花、電化學加工雖然去除效率高，但表面粗糙度大且不適用于難導電的硬脆材料加工。近年來有學者提出電化學放電-磨削復合加工工藝對鈉鈣玻璃、硼硅玻璃等硬脆材料進行加工，現有的研究表明該工藝的材料去除模式主要是火花燒蝕蝕除，磨削工藝主要是磨除少量重鑄層以改善加工表面質量，但是，對于單晶硅、單晶碳化硅、工程陶瓷等硬脆材料，由于其熔點高，電化學放電難以高效蝕除工件材料，故其加工效率極低。鑒于現有設備存在以上問題，亟需研發一種新的加工裝置，突破硬脆材料微小零件的高效高精加工技術瓶頸。

發明內容

為了克服上述現有硬脆材料微小零件加工裝置存在的不足，本發明提供了一種硬脆材料微小零件電化學放電輔助微細磨削裝置，其特征在于：該裝置包含微磨具、磨削液、工件、輔助電極、加工槽和脈沖直流電源；加工槽內充滿磨削液，微磨具、工件和輔助電極浸泡在磨削液中；微磨具是由導電的磨具基體、導電的電鍍層和絕緣的超硬磨料組成，微磨具連接脈沖直流電源的負極構成陰極；磨削液是由H₂O₂、Na₂CO₃、EDTA-Fe-Na和去離子水組成，具有導電性；工件的材料為硬脆材料，需要在其表面加工出大量微小結構，工件放置于微磨具附近；輔助電極由大塊惰性導電材料構成，連接脈沖直流電源的正極，與導電的磨削液構成陽極，輔助電極的尺寸比微磨具大1~2個數量級；脈沖直流電源的電流經過回路時，微磨具周圍會因電化學反應產生氫氣泡，氫氣泡匯聚、融合進而形成氣膜，在強電場作用下氣膜被擊穿而產生電化學放電并能夠出現放電火花；放電火花直接燒蝕其附近的工件并形成軟化的熱影響層，即工件表層材料的物理改性；同時放電火花使得其附近的工件和磨削液溫度升高，從而促使工件與磨削液發生化學反應，生成軟質的含氧酸鹽，即工件表層材料的化學改性；在物理改性和化學改性耦合作用下生成的改性層力學性能顯著降低，能夠快速高效被微磨具磨除，從而實現硬脆材料工件的高質高效高精加工，結合工作臺運動，能夠在工件的表面加工出大量微小結構。

所述微磨具工作部分的形狀為針狀、棒狀、球狀、盤狀、柱狀，工作部分徑向尺寸范圍為0.02?mm~1?mm；所述微磨具在磨削液中的浸沒深度范圍為0.5?mm~2?mm；所述電鍍層全部或部分覆蓋微磨具的工作面，其厚度范圍為0.5?μm~100?μm；所述超硬磨料為金剛石、CBN，其粒徑范圍為0.5?μm~50?μm。