權(quán)利要求書： 1.一種用于微細(xì)電解加工碳化鎢硬質(zhì)合金的電解裝置，其特征在于，包括設(shè)置在電解池中的工具電極、工件電極、輔助電極、用于連接所述工具電極和所述工件電極的第一電路結(jié)構(gòu)以及用于連接所述輔助電極的第二電路結(jié)構(gòu)，其中，所述電解池內(nèi)設(shè)置有中性電解液；所述輔助電極設(shè)置在所述工具電極的外部，且該輔助電極與所述工具電極之間通過絕緣層隔開；

所述第一電路結(jié)構(gòu)包括可調(diào)直流電源E1、氮化鎵功率晶體管Q1和氮化鎵功率晶體管Q2，其中，所述可調(diào)直流電源E1的正極依次與所述氮化鎵功率晶體管Q1以及所述電解池內(nèi)的工件電極的A端連接；所述可調(diào)直流電源E1的負(fù)極與所述電解池內(nèi)的工具電極的C端連接且同時(shí)接地；所述工具電極的C端接地；所述氮化鎵功率晶體管Q2的一端與所述可調(diào)直流電源E1的負(fù)極連接，另一端連接在所述氮化鎵功率晶體管Q1中與所述電解池內(nèi)的工件電極的A端連接的端部；

所述第二電路結(jié)構(gòu)包括可調(diào)直流電源E2、氮化鎵功率晶體管Q3和氮化鎵功率晶體管Q4，其中，所述可調(diào)直流電源E2的正極依次與所述氮化鎵功率晶體管Q3以及所述電解池內(nèi)的輔助電極的B端連接；所述可調(diào)直流電源E2的負(fù)極接地；所述氮化鎵功率晶體管Q4的一端與所述可調(diào)直流電源E2的負(fù)極連接，另一端連接在所述氮化鎵功率晶體管Q3中與所述電解池內(nèi)的輔助電極的B端連接的端部。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于微細(xì)電解加工碳化鎢硬質(zhì)合金的電解裝置，其特征在于，所述氮化鎵功率晶體管Q4與所述可調(diào)直流電源E2的負(fù)極之間還設(shè)置限流電阻R。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于微細(xì)電解加工碳化鎢硬質(zhì)合金的電解裝置，其特征在于，所述工具電極和所述輔助電極之間用絕緣層進(jìn)行電隔離以防止互相導(dǎo)通，并且兩者同軸設(shè)置；使得所述輔助電極的端面與所述工具電極的端面的間距在1mm以內(nèi)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于微細(xì)電解加工碳化鎢硬質(zhì)合金的電解裝置，其特征在于，通過伺服電機(jī)帶動(dòng)工具電極豎向運(yùn)動(dòng)，以調(diào)整所述工具電極與所述工件電極之間的間隙。

5.一種用于微細(xì)電解加工碳化鎢硬質(zhì)合金的電解方法，其特征在于，通過施加正脈沖電壓和負(fù)脈沖電壓交替作用在權(quán)利要求1?4任一項(xiàng)所述的用于微細(xì)電解加工碳化鎢硬質(zhì)合金的電解裝置中，實(shí)現(xiàn)對(duì)碳化鎢硬質(zhì)合金的連續(xù)電化學(xué)溶解，其中，在正脈沖電壓的tp期間，氮化鎵功率晶體管Q1和氮化鎵功率晶體管Q4分別在驅(qū)動(dòng)信號(hào)G1和驅(qū)動(dòng)信號(hào)G4的控制下導(dǎo)通，氮化鎵功率晶體管Q2和氮化鎵功率晶體管Q3分別在驅(qū)動(dòng)信號(hào)G2和驅(qū)動(dòng)信號(hào)G3的控制下關(guān)斷；此時(shí)，碳化鎢硬質(zhì)合金的工件電極受到來自所述可調(diào)直流電源E1的高電平的作用，工具電極接地；工件電極和工具電極形成電解加工回路；在正脈沖加工電壓UAC的作用下，主電路產(chǎn)生加工電流IAC，工件電極表面的Co發(fā)生溶解，WO3鈍化膜在工件電極表面形成；而工具電極會(huì)發(fā)生析氫反應(yīng)；此時(shí)發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)如下：工件電極：

2+ ?

Co→Co +2e(1)

+ ?

WC+5H2O→WO3+CO2↑+10H+10e(2)

工具電極：

? ?

2H2O+2e→H2↑+2OH(3)

在負(fù)脈沖電壓的tn期間，氮化鎵功率晶體管Q1和氮化鎵功率晶體管Q4分別在驅(qū)動(dòng)信號(hào)G1和驅(qū)動(dòng)信號(hào)G4的控制下關(guān)閉，氮化鎵功率晶體管Q2和氮化鎵功率晶體管Q3分別在驅(qū)動(dòng)信號(hào)G2和驅(qū)動(dòng)信號(hào)G3的控制下打開；此時(shí)，工件電極和工具電極之間的電勢(shì)為零；同時(shí)，輔助電極連接到所述可調(diào)直流電源E2時(shí)保持高電位；且由于所述可調(diào)直流電源E1和所述可調(diào)直流電源E2的負(fù)極共地，因此工件電極和輔助電極形成電解加工回路，其中的工件電極充當(dāng)陰極，輔助電極充當(dāng)陽極；在負(fù)脈沖電壓UAB下，主電路中產(chǎn)生電流IBA；在此條件下，工件電極表面發(fā)生析氫反應(yīng)，此時(shí)發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)如下：工件電極：

? ?

2H2O+2e→H2↑+2OH(4)

輔助電極

? +

M?ne→Mn(6)。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于微細(xì)電解加工碳化鎢硬質(zhì)合金的電解方法，其特征在于，在負(fù)脈沖電壓的tn期間，輔助電極充當(dāng)陽極，電流對(duì)輔助電極和中性電解液之間的雙電層進(jìn)行充電；當(dāng)去除負(fù)脈沖電壓時(shí)，所述輔助電極應(yīng)接地。

7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于微細(xì)電解加工碳化鎢硬質(zhì)合金的電解方法，其特征在于，在正脈沖電壓的tp期間，通過控制輔助電極的直徑及其與工件電極之間的距離來減少電化學(xué)反應(yīng)；同時(shí)在所述電解裝置的第二電路結(jié)構(gòu)中添加限流電阻R以減小工件電極和輔助電極之間的電流IAB。

8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于微細(xì)電解加工碳化鎢硬質(zhì)合金的電解方法，其特征在于，在電解加工過程中，工件電極與輔助電極之間施加的電壓UAB為雙極性脈沖電壓，工件電極與工具電極之間施加的電壓UAC為單極性脈沖電壓，而工具電極的電勢(shì)始終保持為零。

9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于微細(xì)電解加工碳化鎢硬質(zhì)合金的電解方法，其特征在于，所述電解裝置中的主控芯片FPGA采用Altera的CycloneI的EP4CE6E22C8發(fā)出超短脈沖信號(hào)，經(jīng)過隔離，驅(qū)動(dòng)放大電路后，控制所述氮化鎵功率晶體管Q1、Q2、Q3、Q4對(duì)所述可調(diào)直流電源E1和E2斬波輸出可調(diào)的脈沖電壓。

10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于微細(xì)電解加工碳化鎢硬質(zhì)合金的電解方法，其特征在于，通過在所述電解裝置中加入電流傳感器以便實(shí)時(shí)檢測(cè)電解加工過程中的電流，當(dāng)發(fā)生短路時(shí)，電流傳感器檢測(cè)電流信號(hào)發(fā)生較大變化，輸出處理后的電壓并與數(shù)控系統(tǒng)的閾值電壓進(jìn)行比較，發(fā)送脈沖信號(hào)控制伺服電機(jī)，使工具電極后退到初始加工間隙再按預(yù)定速度進(jìn)給，確保電解加工的持續(xù)進(jìn)行。

說明書： 一種用于微細(xì)電解加工碳化鎢硬質(zhì)合金的電解裝置及方法技術(shù)領(lǐng)域[0001] 本發(fā)明涉及電解加工領(lǐng)域，具體涉及一種用于微細(xì)電解加工碳化鎢硬質(zhì)合金的電解裝置及方法。背景技術(shù)[0002] 微細(xì)電解加工(Electrochemicalmicromachining，micro?ECM)，是一種基于陽極金屬以“離子”形式溶解去除材料的方法，理論上可達(dá)到微米甚至納米級(jí)加工精度。微細(xì)電解加工工藝具有工具無損耗、加工后工件電極表面無熱影響層、結(jié)構(gòu)表面光滑、無內(nèi)應(yīng)力、無裂紋、加工不受材料硬度的限制等優(yōu)點(diǎn)，國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)利用這種方法制作了微齒輪、微軸等微尺度零件。[0003] 碳化鎢硬質(zhì)合金是通過粉末冶金工藝將硬質(zhì)化合物(WC)和金屬粘結(jié)劑(如Co)燒結(jié)而成的一種復(fù)合材料，由于這種材料具有非常高的硬度和優(yōu)良的耐磨性，所以通常用于制造如模具、刀具等耐磨零部件。然而，這種材料在微細(xì)加工方面具有較大的難度。鑒于微細(xì)電解加工具有工具無損耗、加工不受材料硬度限制等突出優(yōu)點(diǎn)，因此采用這種方法加工碳化鎢硬質(zhì)合金具有較為明顯的優(yōu)勢(shì)。[0004] 目前，已有一些微細(xì)電解加工碳化鎢硬質(zhì)合金的研究方法，主要是針對(duì)這種材料在不同的電解液中具有不同的溶解行為進(jìn)行研究。電解加工通常采用中性導(dǎo)電溶液(NaCl水溶液或NaNO3水溶液)作為電解液，然而在此情況下，碳化鎢硬質(zhì)合金作為工件陽極，其表面會(huì)產(chǎn)生高阻抗性的氧化鎢(WO3)鈍化膜，這會(huì)阻礙電解反應(yīng)的進(jìn)行。為了去除這層鈍化膜，可以采用酸性或堿性溶液作為電解液進(jìn)行加工，因?yàn)樗嵝匀芤喝菀兹芙忖?Co)，而堿性溶液容易溶解氧化鎢(WO3)。在電解磨削的方法中，利用導(dǎo)電砂輪中的磨粒可以刮除鈍化膜，或者采用電化學(xué)漿液噴射微細(xì)加工(Electrochemicalslurryjetmicro?machining，ESJM)方法，即利用中性電解液中的高動(dòng)能磨粒去撞擊工件電極表面的鈍化膜。除此之外，在中性電解液和兩電極(工件電極和工具電極)加工方式中，采用雙極性脈沖電壓也可以去?除氧化鎢(WO3)鈍化膜，這是因?yàn)樵谪?fù)脈沖階段,工件電極作為陰極可以在其表面產(chǎn)生OH ，從而與氧化鎢(WO3)反應(yīng)發(fā)生溶解。

[0005] 電解加工碳化鎢硬質(zhì)合金采用強(qiáng)酸或強(qiáng)堿電解液時(shí)，這類型的電解液對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備有腐蝕，對(duì)操作人員有安全風(fēng)險(xiǎn)且不環(huán)保；采用懸浮的磨粒流進(jìn)行電解磨削的方法可以去除碳化鎢硬質(zhì)合金表面的鈍化膜，但磨粒會(huì)撞擊工具電極，造成工具電極有損耗；雙極性脈沖電壓和中性電解液的使用雖然可以進(jìn)行電解加工碳化鎢硬質(zhì)合金，但會(huì)造成工具電極損耗，在復(fù)制成型加工時(shí)會(huì)改變工具電極的形狀，從而造成加工形貌不一致等問題。[0006] 在微細(xì)電解加工電源方面，可采用脈沖電源，該脈沖電源實(shí)質(zhì)是一種通過開關(guān)型功率器件控制電路通斷的電源，作用是把直流電轉(zhuǎn)變?yōu)橐欢l率的序列脈沖，為電解加工提供電化學(xué)反應(yīng)所需的能量，進(jìn)而對(duì)工件電極進(jìn)行材料的去除，并且對(duì)加工的過程進(jìn)行控制。目前微細(xì)電解加工電源采用的常規(guī)主電路包括斬波式和功率放大式兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中，斬波式是基于開關(guān)通斷原理，利用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生超短脈沖信號(hào)來驅(qū)動(dòng)單路或雙路斬波器件，把穩(wěn)定、單一的直流電壓通過斬波器件的通斷動(dòng)作，輸出與信號(hào)頻率相同的超短脈沖電壓；功率放大式是直接將脈沖發(fā)生器生成的超短脈沖信號(hào)通過功率放大器直接放大，從而獲得微細(xì)電解加工所需的超短脈沖電壓。[0007] 在雙極性脈沖微細(xì)電解加工電源方面：[0008] 南京工程學(xué)院申請(qǐng)公開了一種可編程納秒雙脈沖集成電源的發(fā)明專利申請(qǐng)(申請(qǐng)?zhí)枮?01010502233.3)，該電源主要由調(diào)壓、整流、濾波、斬波電路所組成；利用CPLD產(chǎn)生控制脈沖經(jīng)過電壓放大驅(qū)動(dòng)開關(guān)管進(jìn)行斬波輸出正負(fù)脈沖電壓。[0009] 清華大學(xué)申請(qǐng)公開了具有輔助電極脈間輸出的微細(xì)電解加工電源及加工方法(申請(qǐng)?zhí)枮?01410743850.0),該電源通過控制三路MOSFET管的開關(guān)狀態(tài)，可輸出等周期、不等幅值的兩路正脈沖信號(hào)，利用輔助電極導(dǎo)入電解池的完全去極化電流，快速消除加工工件電極與溶液間的原電池效應(yīng)，使極間維持電壓降低為零，并快速去除工件電極與電解液交界面上的鈍化膜。申請(qǐng)?zhí)枮?01711147097.9的發(fā)明專利申請(qǐng)中公開了通過采用一個(gè)或兩個(gè)直流電源，調(diào)節(jié)四路晶體管的導(dǎo)通和關(guān)閉可輸出單極性或者雙極性脈沖電壓。即在使用脈沖電源電解加工處于脈間期，通過短接工具與工件電極，以加速極間電壓消除，或者在極間增加占空比和幅值可調(diào)的反向電壓以加速去極化。[0010] 在微細(xì)電解加工試驗(yàn)中，為了精確控制工件材料的定域性去除，以實(shí)現(xiàn)高局部化的材料去除率的目的，需要采用脈沖頻率高達(dá)kHz以上甚至MHz級(jí)別、脈沖寬度一般在納秒級(jí)別的脈沖電源以滿足加工需求。對(duì)于微細(xì)電解加工電源，其主功率上的斬波開關(guān)器件通常采用絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET),這類元器件通常是由硅(Si)或者碳化硅(SiC)制作。在SiCMOSFET的開發(fā)與應(yīng)用方面，與相同功率等級(jí)的SiMOSFET相比，SiCMOSFET導(dǎo)通電阻、開關(guān)損耗大幅降低，適用于更高的工作頻率。相比于SiC器件，GaN器件可以在更高的開關(guān)頻率下工作，并且適當(dāng)?shù)墓β实燃?jí)設(shè)計(jì)可以使GaN獲得顯著的高功率輸出。另外，申請(qǐng)?zhí)枮?01010502233.3的發(fā)明專利申請(qǐng)中的可編程納秒雙脈沖集成電源由于采用單電源提供斬波所需的直流電壓，無法輸出不同電壓的正負(fù)脈沖，這對(duì)實(shí)驗(yàn)研究仍有一定限制。

發(fā)明內(nèi)容[0011] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種用于微細(xì)電解加工碳化鎢硬質(zhì)合金的電解裝置，所述電解裝置可以實(shí)現(xiàn)在中性電解液條件下，采用雙極性脈沖電源加工碳化鎢硬質(zhì)合金時(shí)，通過犧牲輔助電極來保護(hù)工具電極不被腐蝕，從而獲取較好的加工成型精度。[0012] 本發(fā)明的第二個(gè)目的在于提供一種用于微細(xì)電解加工碳化鎢硬質(zhì)合金的電解方法。[0013] 本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案是：[0014] 一種用于微細(xì)電解加工碳化鎢硬質(zhì)合金的電解裝置，包括設(shè)置在電解池中的工具電極、工件電極、輔助電極、用于連接所述工具電極和所述工件電極的第一電路結(jié)構(gòu)以及用于連接所述輔助電極的第二電路結(jié)構(gòu)，其中，[0015] 所述電解池內(nèi)設(shè)置有中性電解液；所述輔助電極設(shè)置在所述工具電極的外部，且該輔助電極與所述工具電極之間通過絕緣層隔開；[0016] 所述第一電路結(jié)構(gòu)包括可調(diào)直流電源E1、氮化鎵功率晶體管Q1和氮化鎵功率晶體管Q2，其中，所述可調(diào)直流電源E1的正極依次與所述氮化鎵功率晶體管Q1以及所述電解池內(nèi)的工件電極的A端連接；所述可調(diào)直流電源E1的負(fù)極與所述電解池內(nèi)的工具電極的C端連接且同時(shí)接地；所述工具電極的C端接地；所述氮化鎵功率晶體管Q2的一端與所述可調(diào)直流電源E1的負(fù)極連接，另一端連接在所述氮化鎵功率晶體管Q1中與所述電解池內(nèi)的工件電極的A端連接的端部；[0017] 所述第二電路結(jié)構(gòu)包括可調(diào)直流電源E2、氮化鎵功率晶體管Q3和氮化鎵功率晶體管Q4，其中，所述可調(diào)直流電源E2的正極依次與所述氮化鎵功率晶體管Q3以及所述電解池內(nèi)的輔助電極的B端連接；所述可調(diào)直流電源E2的負(fù)極接地；所述氮化鎵功率晶體管Q4的一端與所述可調(diào)直流電源E2的負(fù)極連接，另一端連接在所述氮化鎵功率晶體管Q3中與所述電解池內(nèi)的輔助電極的B端連接的端部。[0018] 優(yōu)選的，所述氮化鎵功率晶體管Q4與所述可調(diào)直流電源E2的負(fù)極之間還設(shè)置限流電阻R。[0019] 優(yōu)選的，所述工具電極和所述輔助電極之間用絕緣層進(jìn)行電隔離以防止互相導(dǎo)通，并且兩者同軸設(shè)置；使得所述輔助電極的端面與所述工具電極的端面的間距在1mm以內(nèi)。[0020] 優(yōu)選的，通過伺服電機(jī)帶動(dòng)工具電極豎向運(yùn)動(dòng)，以調(diào)整所述工具電極與所述工件電極之間的間隙。[0021] 一種用于微細(xì)電解加工碳化鎢硬質(zhì)合金的電解方法，通過施加正脈沖電壓和負(fù)脈沖電壓交替作用在所述電解裝置中，實(shí)現(xiàn)對(duì)碳化鎢硬質(zhì)合金的連續(xù)電化學(xué)溶解，其中，[0022] 在正脈沖電壓的tp期間，氮化鎵功率晶體管Q1和氮化鎵功率晶體管Q4分別在驅(qū)動(dòng)信號(hào)G1和驅(qū)動(dòng)信號(hào)G4的控制下導(dǎo)通，氮化鎵功率晶體管Q2和氮化鎵功率晶體管Q3分別在驅(qū)動(dòng)信號(hào)G2和驅(qū)動(dòng)信號(hào)G3的控制下關(guān)斷；此時(shí)，碳化鎢硬質(zhì)合金的工件電極受到來自所述可調(diào)直流電源E1的高電平的作用，工具電極接地；工件電極和工具電極形成電解加工回路；在正脈沖加工電壓UAC的作用下，主電路產(chǎn)生加工電流IAC，工件電極表面的Co發(fā)生溶解，WO3鈍化膜在工件電極表面形成；而工具電極會(huì)發(fā)生析氫反應(yīng)；此時(shí)發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)如下：[0023] 工件電極：[0024] Co→Co2++2e?(1)[0025] WC+5H2O→WO3+CO2↑+10H++10e?(2)[0026] 工具電極：[0027] 2H2O+2e?→H2↑+2OH?(3)[0028] 在負(fù)脈沖電壓的tn期間，氮化鎵功率晶體管Q1和氮化鎵功率晶體管Q4分別在驅(qū)動(dòng)信號(hào)G1和驅(qū)動(dòng)信號(hào)G4的控制下關(guān)閉，氮化鎵功率晶體管Q2和氮化鎵功率晶體管Q3分別在驅(qū)動(dòng)信號(hào)G2和驅(qū)動(dòng)信號(hào)G3的控制下打開；此時(shí)，工件電極和工具電極之間的電勢(shì)為零；同時(shí)，輔助電極連接到所述可調(diào)直流電源E2時(shí)保持高電位；且由于所述可調(diào)直流電源E1和所述可調(diào)直流電源E2的負(fù)極共地，因此工件電極和輔助電極形成電解加工回路，其中的工件電極充當(dāng)陰極，輔助電極充當(dāng)陽極；在負(fù)脈沖電壓UAB下，主電路中產(chǎn)生電流IBA；在此條件下，工件電極表面發(fā)生析氫反應(yīng)，此時(shí)發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)如下：[0029] 工件電極：[0030] 2H2O+2e?→H2↑+2OH?(4)[0031][0032] 輔助電極[0033] M?ne?→Mn+(6)。[0034] 優(yōu)選的，在負(fù)脈沖電壓的tn期間，輔助電極充當(dāng)陽極，電流對(duì)輔助電極和中性電解液之間的雙電層進(jìn)行充電；當(dāng)去除負(fù)脈沖電壓時(shí)，所述輔助電極應(yīng)接地。[0035] 優(yōu)選的，在正脈沖電壓的tp期間，通過控制輔助電極的直徑及其與工件電極之間的距離來減少電化學(xué)反應(yīng)；同時(shí)在所述電解裝置的第二電路結(jié)構(gòu)中添加限流電阻R以減小工件電極和輔助電極之間的電流IAB。[0036] 優(yōu)選的，在電解加工過程中，工件電極與輔助電極之間施加的電壓UAB為雙極性脈沖電壓，工件電極與工具電極之間施加的電壓UAC為單極性脈沖電壓，而工具電極的電勢(shì)始終保持為零。[0037] 優(yōu)選的，所述電解裝置中的主控芯片F(xiàn)PGA采用Altera的CycloneI的EP4CE6E22C8發(fā)出超短脈沖信號(hào)，經(jīng)過隔離，驅(qū)動(dòng)放大電路后，控制所述氮化鎵功率晶體管Q1、Q2、Q3、Q4對(duì)所述可調(diào)直流電源E1和E2斬波輸出可調(diào)的脈沖電壓。[0038] 優(yōu)選的，通過在所述電解裝置中加入電流傳感器以便實(shí)時(shí)檢測(cè)電解加工過程中的電流，當(dāng)發(fā)生短路時(shí)，電流傳感器檢測(cè)電流信號(hào)發(fā)生較大變化，輸出處理后的電壓并與數(shù)控系統(tǒng)的閾值電壓進(jìn)行比較，發(fā)送脈沖信號(hào)控制伺服電機(jī)，使工具電極后退到初始加工間隙再按預(yù)定速度進(jìn)給，確保電解加工的持續(xù)進(jìn)行。[0039] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下的有益效果：[0040] 1、目前在中性電解液的條件下，采用兩電極(工件電極和工具電極)加工方式和雙極性脈沖電源加工碳化鎢硬質(zhì)合金時(shí)，存在工具電極磨損問題。為此，本發(fā)明的用于微細(xì)電解加工碳化鎢硬質(zhì)合金的電解裝置在兩電極(工件電極和工具電極)中引入輔助電極，在負(fù)脈沖電壓作用下，將工件電極作為陰極，促使工件電極表面發(fā)生析氫反應(yīng)，一方面通過氣泡周期性地生成、移動(dòng)、碰撞和潰滅，削弱工件電極表面氧化產(chǎn)物的附著力，并產(chǎn)生水動(dòng)力流，?強(qiáng)化傳質(zhì)傳熱過程，加速電解產(chǎn)物排出加工區(qū)；另一方面工件電極表面會(huì)生成OH ，這可以溶解在正脈沖電壓期間時(shí)工件電極的表面生成的WO3，從而暴露新的加工表面以實(shí)現(xiàn)高效去除工件材料；通過正脈沖電壓和負(fù)脈沖電壓交替作用在所述電解裝置中，實(shí)現(xiàn)對(duì)碳化鎢硬質(zhì)合金的連續(xù)電化學(xué)溶解，并且可以避免工具電極發(fā)生電化學(xué)腐蝕，最終獲得較好的加工成型精度。

[0041] 2、目前參數(shù)方便可控的電解裝置常采用絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)作為功率開關(guān)器件，但隨著脈沖頻率的增加，其電流的承載能力會(huì)有所降低，并且在高頻率時(shí)損耗較大。因此，為滿足微細(xì)電解加工使用高頻超短脈沖電壓的需求，本發(fā)明的用于微細(xì)電解加工碳化鎢硬質(zhì)合金的電解方法采用氮化鎵(GaN)晶體管作為功率晶體管，因?yàn)榈?GaN)晶體管的開關(guān)速度可以比MOSFET快得多，因此可以實(shí)現(xiàn)更低的開關(guān)損耗，且功率能有所提高，這有利于提高微細(xì)電解加工電源的功率。附圖說明[0042] 圖1為本發(fā)明的用于微細(xì)電解加工碳化鎢硬質(zhì)合金的電解裝置的電路結(jié)構(gòu)示意圖。[0043] 圖2為施加正脈沖電壓時(shí)的電路結(jié)構(gòu)示意圖。[0044] 圖3為施加負(fù)脈沖電壓時(shí)的電路結(jié)構(gòu)示意圖。[0045] 圖4為氮化鎵功率晶體管Q1、Q2、Q3、Q4的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)以及電源輸出電壓UAB和UAC的波形圖。[0046] 圖5為本發(fā)明的用于微細(xì)電解加工碳化鎢硬質(zhì)合金的電解裝置的控制示意圖。具體實(shí)施方式[0047] 下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。[0048] 參見圖1?圖5，本發(fā)明的用于微細(xì)電解加工碳化鎢硬質(zhì)合金的電解裝置，包括設(shè)置在電解池中的工具電極3、工件電極4、輔助電極1、用于連接所述工具電極3和所述工件電極4的第一電路結(jié)構(gòu)以及用于連接所述輔助電極1的第二電路結(jié)構(gòu)，其中，所述電解池內(nèi)設(shè)置有中性電解液5；所述輔助電極1設(shè)置在所述工具電極3的外部，且同軸設(shè)置；所述輔助電極1與所述工具電極3之間通過絕緣層2隔開；所述第一電路結(jié)構(gòu)包括可調(diào)直流電源E1、氮化鎵功率晶體管Q1和氮化鎵功率晶體管Q2，其中，所述可調(diào)直流電源E1的正極依次與所述氮化鎵功率晶體管Q1以及所述電解池內(nèi)的工件電極4的A端連接；所述可調(diào)直流電源E1的負(fù)極與所述電解池內(nèi)的工具電極3的C端連接且共地，即所述工具電極3的C端接地；所述氮化鎵功率晶體管Q2的一端與所述可調(diào)直流電源E1的負(fù)極連接，另一端連接在所述氮化鎵功率晶體管Q1中與所述電解池內(nèi)的工件電極4的A端連接的端部；所述第二電路結(jié)構(gòu)包括可調(diào)直流電源E2、氮化鎵功率晶體管Q3和氮化鎵功率晶體管Q4，其中，所述可調(diào)直流電源E2的正極依次與所述氮化鎵功率晶體管Q3以及所述電解池內(nèi)的輔助電極1的B端連接；所述可調(diào)直流電源E2的負(fù)極接地；所述氮化鎵功率晶體管Q4的一端與所述可調(diào)直流電源E2的負(fù)極連接，另一端連接在所述氮化鎵功率晶體管Q3中與所述電解池內(nèi)的輔助電極1的B端連接的端部。所述氮化鎵功率晶體管Q4與所述可調(diào)直流電源E2的負(fù)極之間還設(shè)置限流電阻R。

[0049] 在本實(shí)施例中，所述輔助電極1與工具電極3同軸放置并且兩者的端面間距在1mm以內(nèi)；并且可通過伺服電機(jī)帶動(dòng)工具電極3豎向運(yùn)動(dòng)，以調(diào)整所述工具電極3與所述工件電極4之間的間隙。另外，由于微細(xì)電解加工環(huán)境比較惡劣的，加工過程時(shí)常會(huì)出現(xiàn)火花放電甚至短路，因此在本發(fā)明的電解裝置中采用高精度的電流傳感器檢測(cè)出加工異常信號(hào)，并將該信號(hào)處理后傳輸至數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行信息交互，從而判別短路是否發(fā)生，最終控制伺服電機(jī)的主軸回退，避免長(zhǎng)時(shí)間處于短路狀態(tài)，確保電解加工的持續(xù)進(jìn)行。[0050] 參見圖2，在施加正脈沖電壓的tp期間，氮化鎵功率晶體Q1和Q4分別在驅(qū)動(dòng)信號(hào)G1和G4的控制下導(dǎo)通，氮化鎵功率晶體Q2和Q3分別在驅(qū)動(dòng)信號(hào)G2和G3的控制下關(guān)斷。此時(shí)，碳化鎢硬質(zhì)合金的工件電極4受到來自所述可調(diào)直流電源E1的高電平的影響，工具電極3接地(零電位)。工件電極4和工具電極3形成電解加工回路。在正脈沖加工電壓UAC的作用下，主電路產(chǎn)生加工電流IAC，工件電極4表面會(huì)Co發(fā)生溶解，WO3鈍化膜在工件電極4的表面形成。而工具電極3則會(huì)發(fā)生析氫反應(yīng)；此時(shí)發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)如下：[0051] 工件電極4：[0052] Co→Co2++2e?(1)[0053] WC+5H2O→WO3+CO2↑+10H++10e?(2)[0054] 工具電極3：[0055] 2H2O+2e?→H2↑+2OH?(3)[0056] 參見圖3，在負(fù)脈沖電壓的tn期間，氮化鎵功率晶體Q1和Q4分別在驅(qū)動(dòng)信號(hào)G1和G4的控制下關(guān)閉，氮化鎵功率晶體Q2和Q3分別在驅(qū)動(dòng)信號(hào)G2和G3的控制下打開。此時(shí)，工件電極4和工具電極3之間的電勢(shì)為零，因此可以加速這兩個(gè)電極之間的去極化作用。同時(shí)，輔助電極1連接到所述可調(diào)直流電源E2時(shí)保持高電位。由于可調(diào)直流電源E1和E2的負(fù)極共地，因此工件電極4和輔助電極1形成電解加工回路，其中的工件電極4成為陰極，輔助電極1成為陽極。在負(fù)脈沖電壓UAB下，主電路中產(chǎn)生電流IBA。在此條件下，工件電極表面發(fā)生析氫反應(yīng)，一方面通過氣泡周期性地生成、移動(dòng)、碰撞和潰滅，有助于削弱氧化產(chǎn)物在工件電極4表面的附著力，且有利于產(chǎn)生水動(dòng)力流，強(qiáng)化傳質(zhì)傳熱過程，同時(shí)對(duì)工件表面產(chǎn)生沖刷，促進(jìn)?電解產(chǎn)物的順利排除；另一方面工件電極4表面會(huì)生成OH ，這可以溶解在正脈沖期間時(shí)工件電極4表面生成的WO3，從而暴露新的加工表面，而輔助電極1發(fā)生腐蝕。此時(shí)發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)如下：

[0057] 工件電極4：[0058] 2H2O+2e?→H2↑+2OH?(4)[0059][0060] 輔助電極1[0061] M?ne?→Mn+(6)[0062] 需要指出的是，在電解加工過程中的施加負(fù)脈沖電壓期間，輔助電極1充當(dāng)陽極，電流對(duì)輔助電極1和中性電解液之間的雙電層進(jìn)行充電。當(dāng)去除負(fù)脈沖電壓時(shí)，雙電層的電荷仍會(huì)保持一段時(shí)間，從而導(dǎo)致輸出脈沖波形發(fā)生畸變。為了加速雙電層電荷的去除并減少輸出脈沖的波形失真，輔助電極1應(yīng)接地(零電位)。另外，在施加正脈沖電壓期間，為了盡可能減少工件電極4和輔助電極1之間的電化學(xué)反應(yīng)。一方面，通過控制輔助電極1的直徑及其端面與工件電極4表面的距離，可以減少電化學(xué)反應(yīng)；另一方面，在電路中添加限流電阻R以減小電極之間的電流IAB。從而在正脈沖電壓的tp期間，電化學(xué)反應(yīng)集中在工具電極3和工件電極4之間的區(qū)域。[0063] 當(dāng)正脈沖電壓和負(fù)脈沖電壓交替作用于電解裝置時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)碳化鎢硬質(zhì)合金的連續(xù)電化學(xué)溶解。圖4示出了每個(gè)GaN功率晶體管的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)以及電源輸出電壓UAB和UAC的波形。為了防止上橋和下橋GaN功率晶體管由于每個(gè)功率晶體管的不同開關(guān)速度而同時(shí)導(dǎo)通，在柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)中專門添加了死區(qū)時(shí)間td。在整個(gè)電解加工過程中，工件電極4與輔助電極1之間施加的電壓UAB為雙極性脈沖電壓，工件電極4與工具電極3之間的電壓UAC為單極性脈沖電壓，而工具電極3的電勢(shì)始終保持為零(最低電勢(shì))，因此可以避免工具電極3發(fā)生電化學(xué)腐蝕，最終獲得較好的加工成型精度。[0064] 參見圖5，本發(fā)明的電解裝置的主控芯片F(xiàn)PGA采用Altera的CycloneI的EP4CE6E22C8發(fā)出超短脈沖信號(hào)，經(jīng)過隔離，驅(qū)動(dòng)放大電路后，控制多路氮化鎵(GaN)功率晶體管對(duì)可調(diào)直流電壓斬波輸出可調(diào)的脈沖電壓。為了方便控制脈沖電壓的頻率和占空比，從而滿足調(diào)整加工參數(shù)的需求，該電解裝置中加入了頻率和占空比調(diào)節(jié)的4個(gè)按鍵。為了檢測(cè)電解加工過程中是否發(fā)生工具電極3與工件電極4短路，在該電解裝置中加入電流傳感器以便實(shí)時(shí)檢測(cè)加工中的電流，當(dāng)發(fā)生短路時(shí)，電流傳感器檢測(cè)電流信號(hào)發(fā)生較大變化，輸出處理后的電壓并與數(shù)控系統(tǒng)的閾值電壓進(jìn)行比較，發(fā)送脈沖信號(hào)控制伺服電機(jī)，使工具電極3后退到初始加工間隙再按預(yù)定速度進(jìn)給，確保電解加工的持續(xù)進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)微細(xì)電解加工電源與電解加工運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)交互。[0065] 目前在中性電解液5的條件下，采用兩電極(工件電極4和工具電極3)加工方式和雙極性脈沖電源加工碳化鎢硬質(zhì)合金時(shí)，存在工具電極磨損問題。為此，在兩電極(工件電極4和工具電極3)的電解裝置中引入輔助電極1，結(jié)合本發(fā)明的電解裝置，將工件電極4作為陰極，促使工件電極4表面發(fā)生析氫反應(yīng)，一方面通過氣泡周期性地生成和潰滅，削弱工件電極4表面的氧化產(chǎn)物的附著力，并產(chǎn)生水動(dòng)力流，強(qiáng)化傳質(zhì)傳熱過程，同時(shí)對(duì)工件表面產(chǎn)?生沖刷，促進(jìn)電解產(chǎn)物的順利排除；另一方面工件電極表面會(huì)生成OH ，這可以溶解在正脈沖電壓期間時(shí)工件電極4的表面生成的WO3，以此暴露新的加工表面，從而實(shí)現(xiàn)高效去除工件材料；此外，該方法通過犧牲輔助電極可以實(shí)現(xiàn)工具電極不發(fā)生電化學(xué)腐蝕，以獲得更好的加工成型精度；通過正脈沖電壓和負(fù)脈沖電壓交替作用在所述電解裝置中，實(shí)現(xiàn)對(duì)碳化鎢硬質(zhì)合金的連續(xù)電化學(xué)溶解。

[0066] 上述為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述內(nèi)容的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。