CN107971592B - 激光介入微细电解加工方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种激光介入微细电解加工方法，至少包括以下步骤：工具电极和待加工工件分别与电源的负极和正极连接；激光和电解液通过工具电极传输至待加工工件的加工区域；接通电源后进行微细电解加工，工具电极向待加工工件进给，得到目标结构。本申请中的方法以及激光介入微细电解加工装置中，激光光束通过液核光纤以全反射传输至较深的加工区域，实现了激光能量场与电化学加工的大深度耦合，可实现大深径比微细结构的高效率加工。

Description

激光介入微细电解加工方法及其装置

技术领域

本申请涉及一种激光介入微细电解加工方法及其装置，属于微细电解加工领域。

背景技术

随着科学技术的发展，大深径比微型结构在航空航天、精密模具、微机电系统(MEMS)、精密医疗、武器装备等领域得到了广泛的应用。微细电解加工以离子形式去除工件材料，具有加工表面完整性好、加工材料类型广、工具负极无损耗等优点，在微细加工领域展现出广阔的应用前景。

微细电解加工基于电化学阳极溶解原理去除工件材料，通过控制电解刻蚀影响区域以控制材料的去除精度，实现微纳米尺度结构的加工，具有较高的定域性和可控性。微细电解加工包括模板微细电化学加工、约束刻蚀剂层加工、电液束微细加工、超短脉冲微细电解加工和微细电解线切割加工等；微细电解加工具有工具电极与工件不接触，无电极损耗，不受被加工材料力学性能限制及加工表面质量好等优势，适于加工尺度微小的金属或半导体微型结构和零件。

目前，微细电解加工存在可加工深径比有限、加工效率偏低等问题，限制了微细电解加工在精密微细制造领域的应用。微细电解加工过程中工具电极的进给速率一般小于1μm/s，远小于机械加工、电火花加工等加工技术。微细电解加工精度受到杂散腐蚀电流的限制，杂散腐蚀电流影响区域越大，电化学加工定域性和精度越低。为提高微细电解加工效率，一般采取提高电参数(如加工电压和电解液浓度)或电极振动等方法。但是电化学加工效率的提高往往伴随着杂散腐蚀效应的增强，导致加工精度的降低。国内外学者提出了工件表面覆盖掩膜板、超短脉冲电流和工具电极侧面绝缘等方法，以提高微细电化学加工方法的精度。利用工具电极侧面绝缘方法，可有效提高微细电解加工的精度，但是目前还存在加工效率较低，加工区域底部有凸起等问题。此外，微细电解加工大深径比微细结构时深度加工区域存在供液困难，加工效率较低等问题，限制了微细电解加工深径比的提高。

发明内容

根据本申请的一个方面，提供了一种激光介入微细电解加工方法，该方法利用激光光热效应提高微细电解加工深径比及效率。

所述激光介入微细电解加工方法，至少包括以下步骤：

(1)工具电极和待加工工件分别与电源的负极和正极连接；

(2)激光和电解液通过工具电极传输至待加工工件的加工区域；

(3)接通电源后进行微细电解加工，工具电极向待加工工件进给，得到目标结构；

其中，所述工具电极位于待加工工件的上方。

优选地，步骤(1)中所述工具电极的结构为：内部为液核光纤，外层为包裹液核光纤的金属导管；

所述激光和电解液通过液核光纤传输至待加工工件的加工区域。

优选地，所述工具电极的金属导管与电源的负极连接。所述液核光纤同轴位于所述金属导管内。

优选地，所述液核光纤的末端高于金属导管末端。以利用电解刻蚀效应防止加工区域产生凸起结构。

优选地，所述液核光纤、金属导管的截面形状选自椭圆形、圆形或多边形。从而得到用于加工大深径比异型孔的异型工具电极。

优选地，所述多边形选自三角形、矩形、正方形、五边形或六边形。

优选地，所述激光以一定的入射角射入工具电极的液核光纤的入口中心，以全反射的形式传输至待加工工件的加工区域；所述电解液以一定的流速和压强由液核光纤内部流入加工区域。

优选地，所述液核光纤包括由光学折射率低于所述电解液的光学折射率的材料制备得到的毛细管；

所述金属导管的材料选自不锈钢、钛合金中的至少一种；其中，所述金属导管的内径为150～1100μm，外径为200～1200μm。

所述金属导管的材料还选自其他金属导电材料。

优选地，所述液核光纤为光学折射率为1.29的材料制备得到的毛细管；其中，液核光纤的内径为100～1000μm，外径为150～1100μm。

优选地，所述液核光纤是由折射率低于电解液的材料制成的毛细管，其材料为美国杜邦公司研发的AF 2400，光学折射率约为n₁＝1.29。其中，液核光纤内径100～1000μm，外径150～1100μm。

优选地，所述金属导管的外侧进行绝缘处理。

优选地，步骤(2)中所述激光在进入工具电极之前进行聚焦；所述电解液为钝性电解液，在待加工工件表面形成钝化层。

优选地，所述电解液采用氧化性较强的钝性电解液，如硫酸、硝酸钠、氯酸钠等溶液，在工件表面形成均匀、致密的钝化层。

优选地，步骤(3)中所述微细电解加工过程中工具电极与待加工工件之间的电压幅值为5～20V，频率为10～100KHz。

进一步优选地，步骤(3)中所述微细电解加工过程中工具电极与待加工工件之间的电压幅值为5～20V，频率为10～30KHz。

优选地，步骤(3)中所述微细电解加工过程中电解液的浓度为0.05～1.5mol/L。

优选地，步骤(3)中所述微细电解加工过程中电解液的浓度为0.05～0.3mol/L。

优选地，步骤(3)中所述微细电解加工过程中电解液为流动电解液。

优选地，步骤(3)中所述微细电解加工过程中电解液的流量为0.01～0.8m³/h。

进一步优选地，步骤(3)中所述微细电解加工过程中电解液的流量为0.1～0.5m³/h。

优选地，步骤(3)中所述微细电解加工过程中电解液的压力为0.1～0.5MPa。

优选地，所述微细电解加工过程中通过数字示波器检测加工过程中电流的实时变化。

优选地，所述工具电极末端和与待加工工件的初始加工间隙为0.2～1mm。

传统的微电解加工过程中随着加工深度的增加，工具电极的进给速速率发生一定程度的下降，不仅仅降低了微电解加工的效率，而且使得待加工工件的深径比有限，不能满足生产需要。同时，随着加工深度的增加，深加工区域会出现供液困难、加工区域底部会有凸起等问题。同时，现有激光加工过程中均会存在加工产生的锥度、局部发热等弊端，其中受激光的光热效应导致在激光加工过程中，区域受热不均等因素影响。

本申请中为了克服具有较大深径比的小孔加工过程中存在的缺陷，将激光加工中产生的“光热效应”与电解加工进行复合。通过本申请发明人的反复探索和设计，创造性的将激光加工和微电解加工以本申请的特定方式结合，具体而言：

激光加工产生的局部发热等弊端，在本申请结合方式的技术方案中，可以通过结构和控制成为有利于微电解加工的优势。在优选方案中，通过的设计匹配和功率匹配，将激光产生的升温反倒显著提升微电解加工技术效果。

另一个方面，微电解加工存在的电极附近减材更显著、难以深入加工、锥度、需要电解液等问题，在本申请结合方式的技术方案中，不仅未对激光处理产生负面影响，反倒与激光配合使得深孔加快可以高效快速推进的，并且获得了激光加工无法获得的深度、表面光洁度以及极低的锥度。

本申请中的技术方案创造性的将激光加工过程中产生光热效应与微电解加工结合，不仅克服了微电解加工和激光加工过程中的各自缺陷，获得了激光加工、微电解甚至二者简单组合加工都无法实现的深度、极高的表面光洁度以及极低的锥度。同时实现了工具电极进给速度快、精度高的深小孔等大深径比微细结构的高效率加工。

本申请中激光与电解液以一定形式进行耦合，实现了激光与电解加工的复合。同时，通过对激光能量以及电解液流量的限定，不仅提高了加工效率，而且能够进一步实现保持加工区域持续加工的同时，使得电解液的温度以及电导率升高，让电解加工区域的电解加工电流密度处于最有利状态。

作为一种优选地实施方式，所述激光介入微细电解加工方法至少包括以下步骤：

1、将液核光纤安装于侧面绝缘的金属导管中组成工具电极；

2、将工具电极装夹于加工工件的上方，并合理设定工具电极末端和工件加工表面的初始加工间隙约0.2～1mm；

3、电解液以一定的流速和压强由液核光纤内部流入加工区域；

4、调整激光光束通过聚焦透镜以一定的入射角射入液核光纤入口中心，激光光束以全反射形式传输至加工工件的加工区域；

5、工具电极内部金属导管和加工工件分别与高频脉冲电解加工电源的负极和阳极连接，并通过数字示波器检测加工过程中电流的实时变化；

6、工具电极以一定的进给速率向加工工件进给，基于液核光纤的工具电极可深度介入加工工件深度加工区域，实现大深径比微细结构的高效率加工。

所述方法中采用液核光纤传输电解液，并使激光在电解液/液核光纤界面形成全反射，从而实现激光光束在液核光纤中的全反射传输。液核光纤是由折射率低于电解液的材料制成的毛细管，其材料为美国杜邦公司研发的AF 2400，光学折射率约为n₁＝1.29。由于电解液的光学折射率(n₂＝1.33)较大，当激光光束以一定的入射角射向液核光纤内壁时，激光光束在电解液/液核光纤界面形成全反射，折射光线无法穿过液核光纤材料。

本申请中的方法中，激光光束通过聚焦透镜射入工具电极内部液核光纤中，其中，液核光纤材料的光学折射率小于电解液的光学折射率，当激光光束以一定的入射角射向液核光纤内壁时，激光光束在电解液/液核光纤界面形成全反射，而折射光线无法穿过液核光纤材料。激光光束在液核光纤中以“之”字形传输，因此激光光束在全反射作用下可以传输至较深的加工区域。液核光纤外侧包裹的金属导管和加工工件分别与高频脉冲电解加工电源的负极和阳极连接，工件材料在电化学阳极刻蚀作用下被去除。激光束作用于工件表面产生的局部光热效应使加工区域的电解液的温度和电导率升高，从而提高微细电解加工电流密度，即提高微细电解加工效率。同时，激光光束作用于加工区域引起的光热效应使加工工件和电解液界面处产生的紊流会起到微区搅拌效果，导致界面扩散层厚度降低，减轻浓度极化作用，增大电解加工区域电流密度，从而提高电解加工效率。电解加工产物和产生的气泡在流动电解液的带动下排出加工区域，防止加工深度较大时电解产物累积于加工微细结构底部堵塞加工区域，有利于提高微细电解加工的稳定性。

本发明的基于激光光热效应提高微细电解加工深径比和效率方法，目的在于提出介入式激光与电解复合深小孔加工方法，综合利用电解加工和激光加工在工件表面产生的光热效应，利用液核光纤激光的光热效应实时高精度去除工件表面产生的致密钝化层，而钝化层覆盖的区域不会被电解加工，从而提高了微细电解加工的定域性。

本申请中方法中所述激光能量较低，激光作用与加工区域的能量密度低于10⁴W/cm²，工件材料无法被激光直接去除。激光作用产生的加工区域温升有利于电化学反应界面的粒子交换速率，有利于提高电解加工效率。工件材料在电化学阳极刻蚀作用下被去除，由于基于液核光纤的工具电极可深度介入加工工件深度加工区域，利用该方法可实现大深径比微细结构的高效率加工。

电解液通过液核光纤以一定的压力和流速流向加工区域，由侧面加工间隙流出加工区域。金属导管侧面绝缘有利于将电解加工区域限制于金属导管的端部，减小电解加工引起的加工锥度，提高加工精度。利用激光束在电解液和光纤界面的全反射效应在工件表面形成能量均匀分布的能量束，引起加工区域工件表面的光热效应，实现激光能量场和电解效应的理想耦合。电解产物在高速流动电解液的带动下迅速排出加工区域，防止加工深度较大时电解产物累积于加工型孔底部堵塞加工区域，导致短路现象的发生，损伤工具电极并造成加工稳定性的下降。

所述的基于激光光热效应提高微细电解加工深径比和效率方法可将激光束高效传输至较深加工区域，实现高精度、无热影响层深小孔的加工。介入式激光与电解复合加工采用氧化性较强的钝性电解液，易在工件表面形成致密钝化层，一方面保护激光未照射区域不被电解加工去除，有利于提高电解加工定域性，提高电解加工精度；另一方面有助于改善工件表面对激光的吸收率。另外，随着加工深度的提高，在已加工表面形成钝化层进一步阻止了对加工深孔入口的继续加工，有利于减小加工深孔的锥度，提高微细电解加工精度。

本申请中的另一方面，提供了一种激光介入微细电解加工装置，所述装置至少包括：电解系统、激光系统；

其中，所述电解系统至少包括：电源，电解液、工具电极；

所述电解系统在激光系统发出的激光介入下进行微细电解加工。

优选地，所述电解系统还包括精密过滤系统和高压计量泵。

优选地，所电解系统还包括加工电流检测系统。

优选地，所电解系统还包括示波器。

优选地，所述装置还包括激光与电解液耦合装置；所述激光系统包括激光器、激光传输光路；其中，工具电极与电源负极连接；所述工具电极安装于激光与电解液耦合装置的端部；所述激光系统发出的激光与电解液通过激光与电解液耦合装置进行耦合，实现激光光束和电解液的传输。

所述待加工工件与电源正极相连。

优选地，所述激光和电解液耦合装置至少包括：激光传输模块、电解液存储模块。所述激光通过激光传输模块传输与电解液存储模块中的电解液耦合进入液核光纤中。

优选地，所述激光传输模块包括：高透玻璃(透过率大于90％)。

优选地，所述激光和电解液的耦合过程为：激光光束通过高透光玻璃与电解液腔体中电解液耦合进液核光纤中；其中，电解液由电解液入口流入激光光束与电解液的耦合装置。所述工具电极通过金属夹头与所述激光与电解液耦合装置连接。

优选地，所述电源为高频脉冲电源。

优选地，所述激光传输光路包括聚焦透镜。

优选地，所述激光器选自气体激光器、固体激光器或半导体激光器。进一步优选地，所述激光器为固体激光器。

优选地，所述装置还包括位移系统、光学移动平台、储液箱；其中，所述位移系统控制待加工工件的运动轨迹；所述光学移动平台用于激光系统发出的激光耦合进入液核光纤中心；电解液流经电解加工后进入所述储液箱。

优选地，所述位移系统包括：运动模块、控制系统；所述待加工工件安装于运动模块上。

优选地，所述控制系统为工控机或计算机；所述运动模块为三轴运动平台、四轴运动平台或五轴运动平台。

优选地，所述(基于液核光纤的激光电解复合加工)装置，包括加工电流检测系统、五轴运动平台、光学移动平台、控制系统(工控机)、固体激光器、光学传输系统、激光与液核光纤耦合系统、精密过滤系统等。电解液通过高压计量泵和精密过滤系统流入激光与液核光纤耦合系统中，并以一定的压力和流速流入工具电极中液核光纤。固体激光器产生的激光光束通过光学传输系统射入激光与液核光纤耦合系统中，激光光束在液核光纤中以全反射传输至加工工件的加工区域。控制系统(工控机)通过五轴运动平台控制加工工件的运动轨迹。

所述装置中采用加工电流检测系统实时检测加工电流的变化，检测电流的突变以预测短路现象，防止工具电极和工件直接接触，损害工具电极。其中，控制系统协调各个系统正常工作，控制工件的运动轨迹，并处理采集的电流信号，根据电流信号做出决策。当检测到短路现象发生时，及时切断高频脉冲电解加工电源，并使工件回退一定的间隙。

本发明主要控制参数为激光束能量密度和电解加工参数。控制激光束作用于工件加工区域的能量密度不足以使工件材料熔融，但是激光束引起的光热效应有利于钝化层的去除，不被钝化层保护的工件表面发生电解刻蚀作用，使该区域的工件材料被蚀除。调整电解加工参数，包括高频脉冲幅值、频率、电解液浓度、加工间隙等，提高电解加工精度和效率。

液核光纤及金属导管的界面几何形状可设计为矩形、三角形、椭圆形、圆形和多边形等，可以得到用于加工大深径比异型孔的异型工具电极，可实现大深径比微细结构的一次成型加工。

本申请中所有涉及数值范围的条件均可独立地选自所述数值范围内的任意点值。

本申请能产生的有益效果包括：

1)本申请所提供的激光介入微细电解加工方法，利用激光光热效应提高微细电解加工深径比及效率。

2)本申请所提供的激光介入微细电解加工方法，提高了微细电解加工的定域性、稳定性和精度。

3)本申请所提供的激光介入微细电解加工方法，能够得到大深径比微细结构，且在制备过程中，克服了现有技术中的供液困难，加工效率低的问题。

4)本申请所提供的激光介入微细电解加工装置，操作简单，可实现大深径比微细结构的高效率加工。

附图说明

图1是本发明中一种基于液核光纤的激光电解复合加工示意图；

图2是本发明中一种液核光纤示意图；

图3是本发明中一种异型工具电极示意图；

图4是本发明中一种基于液核光纤的激光电解复合加工装置组成示意图。图5是本发明中激光光束与液核光纤全反射耦合装置。

部件和附图标记列表：

具体实施方式

下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。

如无特别说明，本申请的实施例中的原料和催化剂均通过商业途径购买。

其中，液核光纤是由折射率低于电解液的材料制成的毛细管，其材料为美国杜邦公司研发的AF 2400，光学折射率约为n₁＝1.29。

实施例1激光介入微细电解加工

本实施例中基于激光光热效应进行微细电解加工，涉及的示意图如图1所示。具体包括以下步骤：

(1)将液核光纤464安装于侧面绝缘的金属导管462中组成工具电极；所述液核光纤同轴位于所述金属导管内；

(2)将工具电极装夹于加工工件2的上方，并合理设定工具电极末端和工件加工表面的初始加工间隙约0.2mm；

(3)电解液40流入激光与液核光纤耦合系统中，然后流入工具电极中液核光纤464传输至加工区域；

(4)调整激光光束62通过聚焦透镜60以射入液核光纤464入口中心区域，激光光束62以全反射形式传输至加工工件2的加工区域；

其中，所述激光作用与加工区域的能量密度为10³W/cm²；

(5)工具电极的金属导管462和加工工件2分别与高频脉冲电解加工电源42的负极和阳极连接，并通过数字示波器44检测加工过程中电流的实时变化；

其中，所述工具电极与待加工工件之间的电压幅值为5V，频率为10KHz。

其中，所述金属导管的材料为不锈钢；内径为150μm，外径为200μm。

所述液核光纤为光学折射率为1.29的材料制备得到的毛细管；其中，液核光纤的内径为100μm，外径为150μm。

所述电解液为0.1～1.5mol/L的硝酸钠溶液，流量为0.05～0.5m³/h。

根据图1所示，激光光束62通过聚焦透镜60射入液核光纤464中，激光光束62以全反射传输至加工工件2中深度加工区域。液核光纤464外层包裹的金属导管462和加工工件2分别与高频脉冲电解加工电源42的负极和阳极连接，并通过数字示波器44实时检测电解加工电流变化趋势。激光光束62作用于加工工件2表面的激光光热效应影响区域02，使加工区域局部电解液40的温度和电导率升高，并有利于去除激光光热效应影响区域02附近的钝化层20，未被钝化层20保护的工件表面工件材料在电解加工作用下被蚀除，从而提高了电解加工的定域性和精度。激光光束62产生的光热效应使加工工件2和电解液40界面处产生的紊流起到微区搅拌效果，导致界面扩散层厚度降低，减轻浓度极化效应，增大电解加工区域电流密度，从而提高电解加工效率。电解加工产物08和产生的气泡06在流动电解液40的带动下排出加工区域，防止加工深度较大时电解产物累积于加工型孔底部堵塞加工区域，提高微细电解加工的稳定性。

同时，工控机通过运动控制器控制运动模块的运动轨迹，由于加工工件2安装于运动模块之上，因此可以通过控制系统精密控制加工工件2的运动轨迹。基于液核光纤的工具电极安装于激光与电解液耦合装置8的端部，激光光束和电解液40通过激光与电解液耦合装置8实现激光光束在电解液40/液核光纤界面的全反射传输。通过多自由度精密光学移动平台将激光光束精确耦合进液核光纤中心。电解液40流经电沉积区域后流入储液箱中。

图2是液核光纤示意图，聚焦透镜60的焦距为f，液核光纤464的长度为L。激光光束62通过聚焦透镜60以耦合角α射入液核光纤464中，激光光束62在液核光纤464/电解液40界面形成全反射，激光光束62以“之”字形传输至加工工件2的加工区域。

其中，n₁(1.29)和n₂(1.33)分别为液核光纤和电解液的光学折射率，当激光光束以一定的入射角射向液核光纤内壁时，激光光束在电解液/液核光纤界面形成全反射，折射光线无法穿过液核光纤材料。图中α₁、α₂、θ₁、θ₂满足上述全反射条件。

实施例2激光介入微细电解加工

本实施例中激光介入微细电解加工与实施例1的区别为：

(3)电解液40经过电解液通过高压计量泵和精密过滤系统流入激光与液核光纤耦合系统中，并以一定的压力和流速流入工具电极中液核光纤464传输至加工区域。

所述工具电极与待加工工件之间的电压幅值为15V，频率为100KHz。

所述电解液为0.05mol/L的硝酸钠溶液，流量为0.01m³/h。

其余操作与实施例1相同。

实施例3激光介入微细电解加工

本实施例中激光介入微细电解加工与实施例1的区别为：

(3)电解液40经过电解液通过高压计量泵和精密过滤系统流入激光与液核光纤耦合系统中，并以一定的压力和流速流入工具电极中液核光纤464传输至加工区域；

所述电解液的压力为0.1～0.5MPa；

(6)工具电极以一定的进给速率向加工工件2进给，基于液核光纤464的工具电极可深度介入加工工件2深度加工区域，得到大深径比微细结构。所述工具电极与待加工工件之间的电压幅值为15V，频率为30KHz。

其中，所述金属导管的材料为钛合金；内径为1100μm，外径为1200μm。

所述液核光纤为光学折射率为1.29的材料制备得到的毛细管；其中，液核光纤的内径为1000μm，外径为1100μm。

所述电解液为0.3mol/L的硝酸钠溶液，流量为0.8m³/h。

其余操作与实施例1相同。

实施例4激光介入微细电解加工

本实施例中激光介入微细电解加工与实施例1的区别为：

(5)工具电极的金属导管462和加工工件2分别与高频脉冲电解加工电源42的负极和阳极连接，并通过数字示波器44检测加工过程中电流的实时变化；

其中，所述工具电极与待加工工件之间的电压幅值为20V，最高频率为100KHz。

其余操作与实施例1相同。

实施例5激光介入微细电解加工

本实施例中激光介入微细电解加工与实施例1的区别为：

(5)工具电极的金属导管462和加工工件2分别与高频脉冲电解加工电源42的负极和阳极连接，并通过数字示波器44检测加工过程中电流的实时变化；

其中，所述金属导管的材料为钛合金；内径为800μm，外径为1000μm。

所述液核光纤为光学折射率为1.29的材料制备得到的毛细管；其中，液核光纤的内径为700μm，外径为800μm。

其余操作与实施例1相同。

实施例6激光介入微细电解加工装置

本实施例中的激光介入微细电解加工装置如图4所示。

图4是基于液核光纤的激光电解复合加工装置组成示意图，包括加工电流检测系统48、电解液40、加工工件2、五轴运动平台42、光学移动平台12、控制系统(工控机)102、固体激光器64、光学传输系统66、CCD视觉系统68、激光与液核光纤耦合系统8、精密过滤系统402、储液器404、工具电极46、高频脉冲电解加工电源42。

所述激光与液核光纤耦合系统包括：电解液入口80、电解液腔体82、高透光玻璃84(透过率大于90％)、密封垫圈86、金属夹头88；如图5所示。其中，激光光束62通过高透光玻璃84与电解液腔体82中电解液耦合进液核光纤中，其中电解液由电解液入口流入激光光束与电解液的耦合装置，工具电极通过金属夹头与耦合装置连接；所述密封垫圈用于密封。

所述装置进行激光介入微细电解加工：

(1)将工具电极装夹于加工工件2的上方，并合理设定工具电极末端和工件加工表面的初始加工间隙约0.2mm；

(2)电解液40通过高压计量泵和精密过滤系统402流入激光与液核光纤耦合系统8中，并带有压力和流速流入工具电极46中的液核光纤，传输至加工区域；

(3)调整激光光束62通过聚焦透镜60以射入液核光纤464入口中心区域，激光光束62以全反射形式传输至加工工件2的加工区域；

(4)工具电极的金属导管462和加工工件2分别与高频脉冲电解加工电源42的负极和阳极连接，并通过数字示波器44检测加工过程中电流的实时变化；

(5)工控机102通过运动控制器控制运动模块(五轴运动平台)100的运动轨迹，由于加工工件2安装于五轴运动平台100之上，因此可以通过工控机102精密控制加工工件2的运动轨迹。基于液核光纤的工具电极通过CCD视觉系统68安装于激光与电解液耦合装置8的端部，激光光束和电解液40通过激光与电解液耦合装置8实现激光光束在电解液40/液核光纤界面的全反射传输。通过多自由度精密光学移动平台12将激光光束精确耦合进液核光纤中心。电解液40流经电沉积区域后流入储液箱404中。

其中，所述金属导管的材料为不锈钢；内径为150μm，外径为200。

所述液核光纤为光学折射率为1.29的材料制备得到的毛细管；其中，液核光纤的内径为100μm，外径为150μm。

其中，所述工具电极8由液核光纤、包裹液核光纤的金属导管组成，金属导管外侧进行绝缘处理。

实施例7激光介入微细电解加工装置

本实施例中的激光介入微细电解加工装置与实施例6的区别如下。

所述加工电流检测系统为示波器；所述光学传输系统为聚焦透镜。

其余同实施例6。

所述装置可以通过实施例1～实施例5中任一所述的激光介入微细电解加工方法得到大深径比的微细结构。

以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

Claims (16)

1.一种激光介入微细电解加工方法，其特征在于，至少包括以下步骤：

(1)工具电极和待加工工件分别与电源的负极和正极连接；

(2)激光和电解液通过工具电极传输至待加工工件的加工区域；

(3)接通电源后进行微细电解加工，工具电极向待加工工件进给，得到目标结构；

其中，所述工具电极位于待加工工件的上方；

步骤(1)中所述工具电极的结构为：内部为液核光纤，外层为包裹液核光纤的金属导管；

所述激光和电解液通过液核光纤传输至待加工工件的加工区域；

所述电解液通过液核光纤内部传输至加工区域；

所述激光射入液核光纤，通过在液核光纤内壁/电解液界面全反射传输至加工区域；

所述电解液为钝性电解液，在所述待加工工件表面形成钝化层。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述液核光纤的末端高于金属导管末端。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述液核光纤、金属导管的截面形状选自椭圆形、圆形或多边形。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述液核光纤包括由光学折射率低于所述电解液的光学折射率的材料制备得到的毛细管；

所述金属导管的材料选自不锈钢、钛合金中的至少一种；其中，所述金属导管的内径为150～1100μm，外径为200～1200μm。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述液核光纤为光学折射率为1.29的材料制备得到的毛细管；其中，液核光纤的内径为100～1000μm，外径为150～1100μm。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述金属导管的外侧进行绝缘处理。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中所述激光在进入工具电极之前进行聚焦；

所述电解液为钝性电解液，在待加工工件表面形成钝化层。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中所述微细电解加工过程中工具电极与待加工工件之间的电压幅值为5～20V，频率为10～100KHz。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述工具电极末端和与待加工工件的初始加工间隙为0.2～1mm。

10.一种激光介入微细电解加工装置，其特征在于，所述装置至少包括：

电解系统、激光系统；

其中，所述电解系统至少包括：电源，电解液、工具电极；

所述电解系统在激光系统发出的激光介入下进行微细电解加工；

所述工具电极的结构为：内部为液核光纤，外层为包裹液核光纤的金属导管；

所述激光和电解液通过液核光纤传输至待加工工件的加工区域。

11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述装置还包括激光与电解液耦合装置；

所述激光系统包括激光器、激光传输光路；

其中，工具电极与电源负极连接；所述工具电极安装于激光与电解液耦合装置的端部；

所述激光系统发出的激光与电解液通过激光与电解液耦合装置进行耦合，实现激光光束和电解液的传输。

12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述电源为高频脉冲电源。

13.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述激光传输光路包括聚焦透镜。

14.根据权利要求10至13中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括位移系统、光学移动平台、储液箱；

其中，所述位移系统控制待加工工件的运动轨迹；

所述光学移动平台用于激光系统发出的激光耦合进入液核光纤中心；

电解液流经电解加工后进入所述储液箱。

15.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，所述位移系统包括：运动模块、控制系统；所述待加工工件安装于运动模块上。

16.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，所述控制系统为工控机或计算机；

所述运动模块为三轴运动平台、四轴运动平台或五轴运动平台。