[发明专利]具有辅助电极脉间输出的微细电解加工电源及其加工方法

说明书

技术领域

本发明属于电解加工技术领域，具体涉及一种高频脉冲微细电解加工电源以及利用该电源进行电解加工的方法。

背景技术

电解加工(Electrochemical Machining，ECM)是利用电流流过加工间隙使阳极金属在电解液中以离子形式溶解，从而将阳极金属工件加工成型的一种加工方法。它具有以下优点：凡是导电材料均可加工，且不受材料强度、硬度和韧性等影响；工件材料以离子形式被去除，理论加工精度高，可达微米甚至纳米尺度；加工后工件表面质量好、无热影响层，无残余应力及毛刺等。宏观尺度的电解加工在制造领域中已成为一种不可或缺的加工手段。自上世纪90年代以来，随着性能优异的金属合金材料的不断涌现和对高精度、高表面质量微三维结构金属零件需求的日益增长，促使微细电解加工(Micro-ECM或μECM)有了迅速发展。

在微细电解加工中，为提高加工定域性，减少杂散腐蚀和降低工件表面粗糙度，通常采用的工艺方法是：利用侧壁绝缘电极，在低浓度水基钝性电解液中，通过控制高频/超短脉冲电源的幅值、频率、电极进给速度和加工间隙等工艺参数，来提高加工精度和表面质量。其中，高频/超短脉冲电源(脉宽为数百μs至数十ns)是微细电解加工领域中的关键装备之一。

目前国内外先后出现了多种用于微细电解加工的高频脉冲电源，与主回路采用逆变式高频脉冲电源相比，斩波式脉冲电源具有电路结构简单，脉冲调节方便等优势，得到广泛应用，迄今电解加工脉冲电源几乎全部采用斩波式。按斩波放大器件的不同，高频脉冲电解加工电源可分类为：IGBT(绝缘栅双极晶体管)式、单路MOSFET(绝缘栅场效应晶体管)式和双路MOSFET管式等几类。按微细电解加工中所采用电极数目的不同，可分为：两电极高频脉冲电源、三电极高频超短电源和四电极超短脉冲电源三大类。

单路MOSFET管斩波式高频脉冲电源的特点是：频率高(数十Hz至数MHz)、电源结构较简单，成本较低。小功率此类高频脉冲电源可适用于微细电解加工，但随着脉冲频率的提高，脉冲间隙期间不足以界面双电层电容完全放电，致使极间存在一个较大的维持电压，使得微细电解加工的杂散腐蚀增加，且易造成波形下降沿失真。

双路MOSFET管斩波式高频脉冲电源采用互斥导通的控制方法，快速消除维持电压和电离状态，使加工表面形貌有较大改善，一定程度提高了加工精度和表面质量。双路MOSFET管斩波式高频脉冲电源，其脉冲频率最高可达数MHz，可适用于微细电解加工中。目前通过工程设计，已能解决双路MOSFET管斩波式高频脉冲电源中对输入信号的同步性、边沿陡峭程度及MOSFET管对称性等的高要求，故此类高频脉冲电源在微细电解加工中得到广泛应用，但在保证小加工定域性的前提下，其加工效率和表面质量有待进一步提高。

迄今，国内外在微细电极加工中，大部分采用工具作为阴极、工件作为阳极(阳极工件端输入高频正脉冲电流信号)的两电极高频脉冲电源，脉冲电源仍旧沿用传统电解加工模式。在保证小加工定域性的前提下，为了进一步提高微细电解加工精度、加工效率和工件表面质量，国内外学者在脉冲电源电极结构上提出了几种创新的解决方法。

韩国国立汉城大学Se Hyun Ahn等学者于2004年左右，在工具阴极和工件阳极旁边用铂片作为平衡电极，构成三电极高频脉冲电源。设置平衡铂电极，抑制在不锈钢加工表面钝化层的生成，一定程度的提高了加工效率，但平衡铂电极的放置位置距离工具电极较远，且其与工具电极直接相连，导致平衡电极所对应工件表面处的杂散腐蚀变大，工件表面质量降低。

清华大学李勇等学者于2013年，提出一种三电极高频超短脉冲微细电解加工电源及其电解加工方法(公开号：CN103302368A)，此高频超短脉冲电源在两路非平衡供电模式下，由高速电流型宽带运算放大器和电阻组成的电压负反馈型高速放大器，构成三电极电解池体系；在辅助电极、工具电极与工件电极三电极之间，施加同步、等脉宽、等周期、不等幅值、负脉冲、高频超短复合加工波形的加工电压，实现被加工金属工件的抑气促溶。此电源输出最小脉宽约为十ns左右，实现亚微米级精度的加工，但其加工效率较低。