本發(fā)明屬于微細電解加工技術領域，尤其是涉及一種徑向超聲振動輔助微織構滾蝕電解加工方法及裝置。

背景技術：

隨著科技的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)生物表面存在的某些微織構是其獲得特殊性能的主要原因，如蝴蝶表面脊狀結構提高疏水性能保證自身清潔、鯊魚表面溝槽結構可以減少運動阻力、荷葉表面的乳突結構使其保持清潔、壁虎腳掌吸盤結構可以增加摩擦力幫助其在墻壁上運動等。微織構在功能表面還有許多應用如滑動軸承上加工出微槽結構可提高其承載能力；計算機硬盤表面加工出微槽結構可降低磁頭和盤片吸附力，減少摩擦，提高壽命；軍用激光器等。因此，金屬表面微織構的加工技術逐漸成為國內(nèi)外學術界和工業(yè)界關注和聚焦的熱點研究問題。

目前采用的加工方法主要有微細電火花加工、liga技術、微細激光加工法、電化學射流加工技術、微細切削加工技術等。每一種制造技術都有其獨特的優(yōu)點，也有其局限性。微細電火花加工由于電場、介質(zhì)、工件與電極表面狀態(tài)變化，間隙過程復雜，常產(chǎn)生短路、電弧放電，從而降低了電火花加工效率；liga技術要求有高強度、高準直度的x射線光源和特制的掩膜板，成本極高；很難用于斜面、階梯面、自由曲面，還有工藝過程復雜，加工時間較長；微細激光加工技術工件表面易產(chǎn)生熱影響區(qū)、變質(zhì)層以及微裂紋等；同時激光加工影響因素較多，因此其精密微細加工精度不易保證；電化學射流加工技術由于加工尺寸受到毛細管直徑的限制，加工效率受電解液流相互干擾影響，加工精度變差；微細切削加工技術但由于存在刀具與工件間的作用力，易產(chǎn)生工件變形、刀具發(fā)熱等問題。

技術實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有金屬表面微織構加工技術存在的缺陷，本發(fā)明提供一種徑向超聲振動輔助微織構滾蝕電解加工方法及裝置，解決表面微織構加工精密度不高、加工過程穩(wěn)定性低、不能實現(xiàn)陰極與陽極之間的間隙進給等問題，更加有效地控制陰極工具與加工工件之間的距離，方便加工產(chǎn)物的排出，有利于電解液的循環(huán)更新，節(jié)約成本。

本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是：

一種徑向超聲振動輔助微織構滾蝕電解加工方法，所述方法包括以下步驟：

將陰極工具和陽極工件布置在電解反應工作箱內(nèi)，電解液從電解反應工作箱的左右兩側噴入，陰極工具上設有徑向超聲換能器并可沿著z軸方向移動，陰極工具的陰極滾輪的外表面設有微織構群，將陽極工件布置在陰極滾輪的下方并可沿著x軸、y軸方向運動，超聲發(fā)生器產(chǎn)生特定頻率的信號，徑向超聲換能器在外部電壓激勵下，帶動陰極主軸進行徑向振動，通過周期性地改變陰極滾輪與陽極工件之間的加工間隙；

當陽極工件為陽極滾輪時，運動控制裝置控制陰極主軸和陽極主軸分別帶動陰極滾輪和陽極滾輪以同樣的角速度旋轉，進行穩(wěn)定的電解加工。

一種基于所述電解加工方法的加工裝置，包括工作平臺以及安裝在工作平臺上的電解反應工作箱、陰極工具、被加工的陽極工件、電解液噴嘴、超聲振動輔助裝置、xy軸位移裝置和z軸位移裝置；

所述電解反應工作箱包括側板、后板和底板，所述側板包括左側板和右側板，所述后板的中上部沿著z軸方向設有開槽；

所述陰極工具包括陰極滾輪，陰極主軸沿著y軸方向布置，所述陰極主軸的前端穿過開槽并固定有所述陰極滾輪，陰極同步帶輪固定在陰極主軸的后端，所述陰極主軸的中后部通過陰極軸承座可轉動的安裝在z軸位移裝置上，陰極步進電機通過陰極同步帶與陰極同步帶輪連接；

所述陰極滾輪的外表面上設有微織構，所述陽極工件位于所述陰極滾輪的正下方并安裝在xy軸位移裝置上；

所述電解液噴嘴包括左噴嘴和右噴嘴，所述左噴嘴安裝在電解反應工作箱的左側板上，所述右噴嘴安裝在電解反應工作箱的右側板上；

所述超聲振動輔助裝置位于電解反應工作箱的后板的前方，所述超聲振動輔助裝置包括超聲發(fā)生器和可產(chǎn)生徑向運動的徑向超聲換能器，所述徑向超聲換能器為環(huán)形并布置在陰極滾輪與陰極主軸之間，所述徑向超聲換能器的內(nèi)表面套裝在所述陰極主軸上并與陰極主軸粘接，所述徑向超聲換能器的外表面與陰極滾輪的內(nèi)表面粘接。

進一步，所述xy軸位移裝置包括xy軸移動平臺、用于驅動xy軸移動平臺沿著x軸方向移動的x軸驅動機構和用于驅動xy軸移動平臺沿著y軸方向移動的y軸驅動機構。

再進一步，所述陰極滾輪上的微織構的形狀為心形、菱形、矩形其中的一種或兩種以上。

再進一步，所述電解反應工作箱的底板上開有用于電解液回流的槽口，所述槽口與電解液水箱連通。

再進一步，所述電解液噴嘴通過角度調(diào)節(jié)機構安裝在電解反應工作箱的側板上，所述角度調(diào)節(jié)機構包括轉動塊、定位螺釘和緊定螺釘，所述電解反應工作箱的側板上開有用于電解液噴嘴與電解液供液箱連接的一端穿過的長條槽孔和用于轉動定位螺釘?shù)陌疾?，所述凹槽位于所述長條槽孔的前方，所述轉動塊與電解液噴嘴與電解液供液箱連接的一端固定連接并可轉動的安裝在長條槽孔內(nèi)，所述定位螺釘自前向后依次穿過凹槽的后壁、轉動塊并與電解反應工作箱的側板螺紋連接；

所述緊定螺釘位于所述定位螺釘?shù)南路?，所述緊定螺釘自前向后穿過凹槽的后壁伸入到長條槽孔內(nèi)并頂觸在轉動塊上。

再進一步，所述z軸位移裝置包括z軸移動板和用于驅動z軸移動板沿著z軸方向移動的z軸驅動機構，所述陰極軸承座、陰極步進電機均安裝在z軸移動板上。

再進一步，所述陽極工件為陽極滾輪，陽極主軸沿著y軸方向布置并位于電解反應工作箱的后板的前方，所述陽極滾輪固定在陽極主軸的后端，陽極同步帶輪固定在陽極主軸的前端，所述陽極主軸的中前部通過陽極軸承座可轉動的安裝在xy軸位移裝置，陽極步進電機通過陽極同步帶與陽極同步帶輪連接；

所述陰極滾輪位于所述陽極滾輪的正上方且陰極滾輪與陽極滾輪均位于電解反應工作箱內(nèi)，所述陽極滾輪轉動的線速度與陰極滾輪轉動的線速度相同；所述陽極軸承座、陽極步進電機均安裝在xy軸移動平臺上。

再進一步，所述陽極工件為工件平板，所述工件平板安裝在xy軸移動平臺上。

再進一步，所述陽極滾輪位于陽極前蓋板與陽極后蓋板之間并通過陽極緊定螺釘自后向前穿過陽極壓板固定在陽極主軸上，所述陽極壓板采用環(huán)氧樹脂材料。

更進一步，所述陽極步進電機、陰極步進電機、x軸驅動機構、y軸驅動機構和z軸驅動機構均與運動控制裝置連接。

本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在：通過徑向超聲換能器的振動來改善加工間隙內(nèi)流場特性、去除加工產(chǎn)生的鈍化膜、促進電解液的循環(huán)更新、加快材料蝕除速度、提高加工表面質(zhì)量；能夠減少雜散腐蝕、提高加工定域性、降低表面粗糙度，精確控制電解加工間隙中的電場和流場參數(shù)，精確控制加工過程。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結構示意圖。

圖2是圖1逆時針旋轉180度后的示意圖。

圖3是圖2順時針旋轉90度后的示意圖。

圖4是本發(fā)明的供液方式示意圖。

圖5是陽極工件的陽極滾輪結構示意圖。

圖6是陰極工具的陰極滾輪結構示意圖。

圖7是本發(fā)明加工平面示意圖。

圖8是在陽極工件為平板工件時的示意圖。

圖9是電解液噴嘴安裝示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明作進一步的說明。

參照圖1～圖9，一種徑向超聲振動輔助微織構滾蝕電解加工方法，所述方法包括以下步驟：

將陰極工具和陽極工件布置在電解反應工作箱6內(nèi)，電解液從電解反應工作箱6的左右兩側噴入，陰極工具上設有徑向超聲換能器并可沿著z軸方向移動，陰極工具的陰極滾輪17的外表面設有微織構群，將陽極工件布置在陰極滾輪17的下方并可沿著x軸、y軸方向運動，超聲發(fā)生器產(chǎn)生特定頻率的信號，徑向超聲換能器在外部電壓激勵下，帶動陰極主軸13進行徑向振動，通過周期性地改變陰極滾輪17與陽極工件之間的加工間隙；

當陽極工件為陽極滾輪18時，運動控制裝置控制陰極主軸13和陽極主軸16分別帶動陰極滾輪17和陽極滾輪18以同樣的角速度旋轉，進行穩(wěn)定的電解加工。

一種基于所述電解加工方法的加工裝置，包括工作平臺14以及安裝在工作平臺14上的電解反應工作箱6、陰極工具、被加工的陽極工件、電解液噴嘴、超聲振動輔助裝置、xy軸位移裝置4和z軸位移裝置5；

所述電解反應工作箱6包括側板、后板和底板，所述側板包括左側板和右側板，所述后板的中上部沿著z軸方向設有開槽；

所述陰極工具包括陰極滾輪17，陰極主軸13沿著y軸方向布置，所述陰極主軸13的前端穿過開槽并固定有所述陰極滾輪17，陰極同步帶輪10固定在陰極主軸13的后端，所述陰極主軸13的中后部通過陰極軸承座8可轉動的安裝在z軸位移裝置5上，陰極步進電機11通過陰極同步帶與陰極同步帶輪10連接；

所述陰極滾輪17的外表面上設有微織構26，所述陽極工件位于所述陰極滾輪17的正下方并安裝在xy軸位移裝置4上；

所述電解液噴嘴包括左噴嘴1和右噴嘴15，所述左噴嘴1安裝在電解反應工作箱6的左側板上，所述右噴嘴15安裝在電解反應工作箱6的右側板上；

所述超聲振動輔助裝置位于電解反應工作箱6的后板的前方，所述超聲振動輔助裝置包括超聲發(fā)生器和可產(chǎn)生徑向運動的徑向超聲換能器，所述徑向超聲換能器為環(huán)形并布置在陰極滾輪17與陰極主軸13之間，所述徑向超聲換能器的內(nèi)表面套裝在所述陰極主軸13上并與陰極主軸13粘接，所述徑向超聲換能器的外表面與陰極滾輪17的內(nèi)表面粘接。

進一步，所述xy軸位移裝置4包括xy軸移動平臺12、用于驅動xy軸移動平臺12沿著x軸方向移動的x軸驅動機構和用于驅動xy軸移動平臺沿著y軸方向移動的y軸驅動機構。

再進一步，所述陰極滾輪17上的微織構26的形狀為心形、菱形、矩形其中的一種或兩種以上。

再進一步，所述電解反應工作箱6的底板上開有用于電解液回流的槽口，所述槽口與電解液水箱連通。

再進一步，所述電解液噴嘴通過角度調(diào)節(jié)機構安裝在電解反應工作箱6的側板上，所述角度調(diào)節(jié)機構包括轉動塊31、定位螺釘29和緊定螺釘30，所述電解反應工作箱6的側板上開有用于電解液噴嘴與電解液供液箱連接的一端穿過的長條槽孔和用于轉動定位螺釘29的凹槽，所述凹槽位于所述長條槽孔的前方，所述轉動塊31與電解液噴嘴與電解液供液箱連接的一端固定連接并可轉動的安裝在長條槽孔內(nèi)，所述定位螺釘29自前向后依次穿過凹槽的后壁、轉動塊31并與電解反應工作箱6的側板螺紋連接；

所述緊定螺釘30位于所述定位螺釘29的下方，所述緊定螺釘30自前向后穿過凹槽的后壁伸入到長條槽孔內(nèi)并頂觸在轉動塊31上。

再進一步，所述z軸位移裝置5包括z軸移動板9和用于驅動z軸移動板9沿著z軸方向移動的z軸驅動機構，所述陰極軸承座8、陰極步進電機11均安裝在z軸移動板9上。

再進一步，所述陽極工件為陽極滾輪18，陽極主軸16沿著y軸方向布置并位于電解反應工作箱6的后板的前方，所述陽極滾輪18固定在陽極主軸16的后端，陽極同步帶輪3固定在陽極主軸16的前端，所述陽極主軸16的中前部通過陽極軸承座2可轉動的安裝在xy軸位移裝置，陽極步進電機7通過陽極同步帶與陽極同步帶輪3連接；

所述陰極滾輪18位于所述陽極滾輪17的正上方且陰極滾輪17與陽極滾輪18均位于電解反應工作箱6內(nèi)，所述陽極滾輪18轉動的線速度與陰極滾輪17轉動的線速度相同；所述陽極軸承座2、陽極步進電機7均安裝在xy軸移動平臺12上。

再進一步，所述陽極工件為平板工件28，所述平板工件28安裝在xy軸移動平臺12上。

更進一步，所述陽極滾輪18位于陽極前蓋板20與陽極后蓋板19之間并通過陽極緊定螺釘22自后向前穿過陽極壓板21固定在陽極主軸16上，所述陽極壓板21采用環(huán)氧樹脂材料；

所述陽極步進電機7、陰極步進電機11、x軸驅動機構、y軸驅動機構和z軸驅動機構均與運動控制裝置連接。

本實施例中，陰極主軸13通過環(huán)氧樹脂來粘合徑向超聲換能器的內(nèi)表面，徑向超聲換能器是由外部金屬圓環(huán)23、壓電陶瓷管24、內(nèi)部金屬圓環(huán)25三部分組成，內(nèi)部金屬圓環(huán)25與陰極滾輪17、外部金屬圓環(huán)23與壓電陶瓷24之間均通過環(huán)氧樹脂膠進行粘接，所述超聲發(fā)生器產(chǎn)生特定頻率的信號，徑向超聲換能器是由一個厚度極化的壓電陶瓷管24和兩個金屬薄圓環(huán)在半徑方向復合而成；在外部電壓激勵下，利用壓電陶瓷管24的逆壓電效應來產(chǎn)生徑向振動，逆壓電效應是指當在電介質(zhì)的極化方向施加電場，這些電介質(zhì)就在一定方向上產(chǎn)生機械變形或機械壓力，當外加電場撤去時，這些變形或應力也隨之消失。

x軸驅動機構、y軸驅動機構均是由一步進電機與高精度滾珠絲杠配合而成，在滾珠絲杠副的輸入端安裝步進電機，將絲杠兩端裝上軸承、軸承座固定在工作平臺上，絲杠螺母插裝在方形帶孔的螺母座里，用螺絲固定；螺母座和xy軸移動平臺用螺絲固定并用兩個圓錐銷定位，螺母和孔滑動配合；z軸驅動機構也是由一步進電機與高精度滾珠絲杠配合而成，所述陽極軸承座與z軸移動平臺9通過兩個m6螺釘進行配合，z軸驅動機構的步進電機配合安裝在電機固定支架上，固定支架通過四個m4螺釘與z軸移動平臺9相互配合。

通過同時控制雙滾輪的自轉速度，可以保證兩者具有相同的線速度，然后通過徑向超聲換能器的徑向振動，改變電解加工的間隙，提高了超聲電解加工精度。所述陽極滾輪也可以換成平板工件，比如10×8mm的不銹鋼金屬薄板29，拆下陽極軸承座2和陽極步進電機7，取下整個陽極工件，通過4×m8螺釘30來固定住10×8mm的不銹鋼薄板，實現(xiàn)平面上微織構的加工，如圖8所示。

運動控制裝置為四軸步進或數(shù)字式伺服控制，脈沖輸出速度可達1.0mpps，梯形加減速、運動中可變速，多軸高速線性插補，可輸出脈沖/方向或雙脈沖信號；設定好一定的參數(shù)，控制陰極主軸13和陽極主軸16同樣的角速度旋轉，進行穩(wěn)定的電解加工。

本裝置中陰極滾輪17上有許多微織構群，如心形、菱形、矩形等凹凸結構形態(tài)，均通過反拷貝法加工出具有類似形狀的微織構群；陽極工件可以是具備復雜型面的空心或者實心的任意金屬零件，如薄壁件、扎輥類零件；超聲振動輔助裝置在電解加工過程中起到輔助作用，能有效的提高電解加工效率，工具電極所需振幅在0.01-0.1mm，仔細調(diào)控好電解加工電源和超聲電源的頻率，使電解加工與所述工具電極的徑向超聲振動實現(xiàn)同頻、同步，達到共振的效果，提高電解加工效率；

本發(fā)明保證了加工的穩(wěn)定性與均勻性，通過兩組相同的同步帶輪傳動，旋轉主軸與軸承座緊密連接，頂部與滾輪用夾具進行裝夾，實現(xiàn)低轉速調(diào)節(jié)控制，有效地保證了陽極主軸16與陰極主軸13有相同的轉速，提高了超聲電解加工精度。

如圖1、圖3、圖4所示，電解加工裝置均在一個較大的工作平臺14上加工反應，首先安裝陰極滾輪17與陽極滾輪18，陽極滾輪18通過陽極前蓋板20與陽極后蓋板19來夾緊，陽極緊定螺釘22通過陽極壓板21來固定住陽極滾輪18；陽極滾輪18與陰極滾輪17采用碰刀短路的方法來保證陰極主軸13位于陽極主軸16正上方：碰刀短路的方法就是利用電流不經(jīng)過用電器，直接連接電源正負極，從而產(chǎn)生非常大的電流，通過調(diào)節(jié)萬用表的歐姆檔，歐姆檔是當正負兩表筆直接接觸時，會發(fā)出蜂鳴聲，也可以通過在電路中串聯(lián)超精密電流表來顯示電流，當碰刀時，超精密電流表會一瞬間突然增大，此時系統(tǒng)發(fā)送信號給回路中繼電器開關，切斷電路。之后設定好已經(jīng)調(diào)好的運動參數(shù)與加工參數(shù)；調(diào)整好加工間隙之后，打開電解液水泵的開關，進行電解反應。

在電解反應工作箱6內(nèi)，z軸位移裝置5控制陰極工具向陽極工件進給運動，由于xy軸位移裝置4承載能力較大，陽極工件整體加工安裝在xy軸移動平臺12上，同時進行陰極主軸13的轉動；將陽極主軸16和陰極主軸13用導線分別連接至脈沖電源輸出端的正極和負極，并在電解加工回路中串入高精度電流表，顯示電流信號，預防短路現(xiàn)象發(fā)生。

電解加工使用脈沖電源，徑向超聲振動在徑向超聲電解加工過程中，陰極主軸13與陽極主軸16始終保持較小的間隙，設定好徑向超聲振動參數(shù)，將超聲發(fā)生器的頻率調(diào)成與脈沖電源的加工頻率一樣，啟動超聲發(fā)生器，將系統(tǒng)調(diào)至共振狀態(tài)，開啟電解加工脈沖電源，即可對工件進行徑向超聲電解復合微細加工。脈沖電源產(chǎn)生脈沖電信號，與徑向超聲幅頻相同，從而提高效率，延長換能器的使用壽命，徑向換能器能夠通過逆壓電效應，帶動陰極主軸13進行徑向振動，通過周期性地改變陰極滾輪17與陽極滾輪18之間的加工間隙，能夠有效地排出加工產(chǎn)物，促進電解液循環(huán)更新。

本發(fā)明采用電解液水平?jīng)_液方式，由左噴嘴1與右噴嘴15同時噴射向滾輪間隙，能夠完全地使電解液進入加工間隙，防止電解液意外流入工具電極或者加工工件中，導致電解短路，破壞了電極，影響加工的穩(wěn)定性；如圖9所示，所述轉動塊31位于電解液噴嘴與電解液供液箱連接的一端的下方；通過定位螺釘29與電解反應工作箱側板連接，可以自由轉動，通過順時針旋動電解反應工作箱上的緊定螺釘30，使其頂觸轉動塊與長條槽孔內(nèi)壁貼合，從而夾緊電解液噴嘴；逆時針旋動緊定螺釘30，松開轉動塊，然后轉動定位螺釘29，定位螺釘31帶動轉動塊，轉動塊帶動電解液噴嘴轉動一定角度，從而調(diào)控好加工的角度，進行有角度的電解加工；定位螺釘29內(nèi)六角圓柱頭螺釘。電解反應工作箱底部的槽口，加工后的電解液能夠順著槽口流入電解液水箱，避免浪費。

本發(fā)明利用同步帶輪減速傳動的原理，實現(xiàn)主軸的低速傳動，由陰極步進電機11開始傳動，陰極主軸13連接陰極同步帶輪10傳動，陰極主軸18靠軸承連接在陰極軸承座8上，保持轉動的穩(wěn)定性；陽極也是采用陽極步進電機7傳動，通過陽極同步帶輪3的傳動帶動陽極主軸16的轉動，通過陽極軸承座2來支撐滑動軸承，實現(xiàn)主軸同步轉動。

本發(fā)明利用徑向超聲換能器連接主軸，進行有效地進行間隙振動，本裝置既要控制陽極向陰極不斷進給，也要控制陰極不斷地振動，改變工具電極與加工工件之間的間隙，加快加工產(chǎn)物的去除，更好地促進電解液的循環(huán)，提高加工精度，促進加工的穩(wěn)定性。