本发明涉及一种激光-电解-超声原位复合超精密切削黑色金属装置，属于超精密加工领域。
背景技术：
1、黑色金属以其卓越的机械性能广泛应用于现代工业。对于要求超高精度、高表面质量的复杂形状黑色金属工件而言，磨削、研磨、抛光等工艺工序复杂、加工周期长、成本高，且难以达到预期加工效果。金刚石具有极高的硬度，能够形成锋利的刀刃以实现超薄切削，是超精密切削的理想工具材料之一。然而，在切削黑色金属时，金刚石刀具的碳元素极易在高温下与黑色金属发生化学亲和反应生成金属碳化物进而导致刀具快速磨损，无法生产高一致性的超精密构件。这一刀具快速且严重的磨损现象极大限制了金刚石超精密切削技术在黑色金属领域的推广和应用。
2、为降低刀具磨损，改善切削效果，研究人员探索了多种技术方案。申请号为us2012024827a1的专利提出多光源分布的激光辅助切削技术，通过调整多角度的激光能量以控制切削加工区域的温度分布，从而软化材料，减少刀具磨损。然而，由于高温下铁、碳更易发生反应，因此该技术在采用金刚石刀具切削黑色金属时仍有限制。申请号为cn111069767b的专利提出将超声振动、单点金刚石切削、微激光辅助集成至同一加工系统，通过超声振动实现激光束的高频离焦，减少激光热效应聚集，但该技术引入的聚焦激光束同样不利于抑制金刚石切削黑色金属过程中的化学磨损。申请号为cn107363552a的专利提出使用激光辅助生成软质氧化层，过程中采用低功率激光避免热量持续积累，但富氧环境易使加工工件表面发生氧化，导致已加工表面变质。申请号为cn113211161b的专利提出通过氧化物隔离金刚石与黑色金属间的反应来减缓铁、碳亲和作用而导致的化学磨损，该技术依靠化学能生成氧化物，同样易使已加工表面变质。
3、除氧化剂氧化外，电化学反应亦可快速生成厚度可控的氧化层，且氧化层仅在反应区生成，避免对已加工表面进行二次污染。此外，电化学反应可采用环境友好型溶液，如中性的nacl、nano3等环保型溶液。电化学反应生成氧化层的电极反应如下：
4、
5、对于黑色金属，反应主要生成含fe2o3、fe3o4等成分的软质层，切削力小，有助于减小刀具的机械磨损，同时提高切削精度，此外，这些氧化物与金刚石间亲和力较弱，可作为隔离层改善因亲和性引起的化学磨损。
6、研究表明，提高温度有助于加速电化学反应进行，激光作为一种高度局域化的热源，尤其适用于反应过程中的局部加热，局部温升有助于电化学反应进行，进一步提高加工定域性。相较于激光热软化技术，激光辅助电化学氧化技术所需的激光功率较低，在加速电化学反应的同时避免引入、积累过多热量；电化学反应生成的氧化层质软疏松，易去除，切削省力、产热小；激光与电化学的组合和实现更快的氧化速度、更大的氧化深度、更好的定域性；超声的引入可在加工区产生空化效应，有利于材料的去除与切屑的排离。在现有研究的基础上，本发明提出一种激光-电解-超声原位复合超精密切削黑色金属的装置，通过多能场复合作用实现高一致性的黑色金属金刚石精密切削。
技术实现思路
1、针对现有金刚石超精密切削在黑色金属加工方面技术的不足，本发明提出一种通过多能场复合作用以实现高效、精确、可控的激光-电解-超声原位复合超精密切削黑色金属装置。
2、为解决上述问题，本发明的技术方案是：一种激光-电解-超声原位复合超精密切削黑色金属装置，包括刀柄、聚焦红外激光束、超声振动单元、伺服驱动平台、工件，其特征在于：它还包括开设有气流通道与给液通道的金刚石刀头、电解液循环过滤单元、电解液、高压脉冲气流产生单元、惰性高压气流、电解电源；所述的气流通道设有进气口和出气口；所述的进气口和出气口分别位于金刚石刀头的背面和前刀面处；所述的气流通道在金刚石刀头的内部呈水平斜向下方向布置，其轴线与水平面的夹角为10°～30°；所述的气流通道的横截面积沿进气口至出气口方向呈阶梯式减小，且各段横截面形状为长方形；所述的给液通道设有进液口与出液口；所述的进液口与出液口分别位于前刀面上部和气流通道的最小横截面段；所述的给液通道在金刚石刀头内部沿竖直方向布置，且进液口位于出液口的正上方；所述的给液通道的横截面积沿进液口至出液口方向呈阶梯式减小，且各段横截面形状均为长方形；所述的气流通道的轴线、给液通道的轴线、金刚石刀头的刀尖三者共面；所述的气流通道的最小横截面段的几何形状与尺寸与出液口的几何形状与尺寸都相同；所述的金刚石刀头的前刀面设有宽度为0.15mm、深度0.15mm的微流槽和直径1.5mm、深度0.15mm的圆形微储液池；所述的微流槽与圆形微储液池的对称中心线与前刀面的对称中心线重合，且所述的圆形微储液池的最下端距离刀尖1.5mm；所述的微流槽和圆形微储液池位于出气口的下方；所述的微流槽的上下两端分别与出气口、圆形微储液池连通；所述的微流槽的深度与微储液池的深度相同；所述的气流通道的内壁面、给液通道的内壁面、微流槽的底面、圆形微储液池的底面均镀覆有耐酸碱腐蚀的金属层；所述的电解液循环过滤单元与进液口连通，电解液循环过滤单元以1khz频率泵入压力为1.0mpa的10％nano3溶液；所述的高压脉冲气流产生单元与进气口连通，高压脉冲气流产生单元以5khz频率输出压力为1.0mpa的压缩氮气；所述的电解电源的正极与工件电气连接，负极与金刚石刀头内的金属层电气连接；所述的金刚石刀头固定在刀柄上；所述的刀柄固定在超声振动单元上；所述的超声振动单元固定至伺服驱动平台；所述的聚焦红外激光束自金刚石刀头的背面射入，并由刀尖处射出；所述的气流通道位于聚焦红外激光束的上方，且气流通道轴线、聚焦红外激光束轴线、金刚石刀头的对称中轴线三线共面；
3、本发明的工作原理为：电解液由电解液循环过滤单元泵入进液口，随给液通道运动至出液口后，在气流通道内惰性高压气流作用下形成电解液射流液滴，射流液滴随惰性高压气流由出气口射出，然后在工件的切屑作用下沿微流槽流至微储液池。电解液与惰性高压气流对经过部位进行冷却，避免热量积累。工件与电解电源正极连接带正电，金刚石刀头的金属层与电解电源负极连接带负电，工件与金刚石刀头之间充满电解液形成回路并发生电化学反应，切削区覆盖有电解液的金属表层材料发生阳极氧化生成质软疏松的、碳亲和力弱的氧化层。一方面，金刚石刀具的切削从直接切削黑色单质金属(如fe、cr、mn等)基体转变为切削去除疏松质软的氧化物材料，切削力大幅降低，切削产热也明显减小，机械磨损显著减弱；另一方面，活泼的黑色金属转化为惰性的氧化物后，与金刚石碳元素的化学亲和作用显著减弱，氧化层作为隔离层，避免金刚石与黑色金属直接接触，大幅减小金刚石刀具的化学磨损。低功率、低强度的聚焦红外激光束的引入进一步加快电化学反应速度(黑色金属氧化速度)，使得金属氧化速度能更好地与切削速度相匹配，同时高压高速气流把射流液滴以非连续方式投送到加工微区，可获得微量供给、局域作用、气流冷却降温等多重协同作用，使得刀具系统和加工区的温度更低、材料阳极氧化范围极度局域化，进而获得低温切削、极微量切削的效果。在此基础上，辅以超声振动作用，通过电解液内的空化效应和刀刃的高频振动效应促进材料的高效去除、切屑的快速排离、积热的即时散发，从而降低刀具磨损、提高加工效率与稳定性。高压气流和电解液射流流滴在刀体内通过，可持续对金刚石刀体进行稳定冷却降温，减小热变形，保障刀具系统的稳定工作。
4、与现有技术相比，本发明的突出优点如下。
5、1.极低的刀具磨损与更长的刀具寿命。
6、本装置采用独特的电化学阳极氧化原理把被切削的活泼黑色金属材料在低温下快速地转化为质软疏松且化学活性弱的氧化物材料，使得金刚石刀具切削更省力，刀-材摩擦力更小，产热少，而且被切削材料转化为氧化物材料后，与金刚石刀具碳元素的亲和性大幅降低，加之氧化物层隔离把刀具与黑色单质金属隔离开，避免直接接触，进而大幅减小了机械磨损和化学磨损，刀具工作寿命显著延长。
7、2.更高的加工精度与加工效率、更好的表面质量。
8、本发明综合采用了电化学氧化软化材料、低强激光辅热加快氧化速度、高速气流和微液滴冷却降温刀体和切削区、黑色金属材料改性惰性化和弱亲和化、超声振动促进切削排离和积热耗散等措施，能使材料的去除过程更省力、更精微、更温和、更高效和更稳定，使得加工精度显著提高，表面/表层损伤更小，表面更光洁。
1.一种激光-电解-超声原位复合超精密切削黑色金属装置，包括刀柄(3)、聚焦红外激光束(5)、超声振动单元(4)、伺服驱动平台(6)和工件(1)，其特征在于：它还包括开设有气流通道(24)与给液通道(25)的金刚石刀头(2)、电解液循环过滤单元(8)、电解液(12)、高压脉冲气流产生单元(9)、惰性高压气流(11)、电解电源(10)；所述的气流通道(24)设有进气口(241)和出气口(242)；所述的进气口(241)和出气口(242)分别位于金刚石刀头(2)的背面(21)和前刀面(22)处；所述的气流通道(24)在金刚石刀头(2)的内部呈水平斜向下方向布置，其轴线与水平面的夹角为10°～30°；所述的气流通道(24)的横截面积沿进气口(241)至出气口(242)方向呈阶梯式减小，且各段横截面形状为长方形；所述的给液通道(25)设有进液口(251)与出液口(252)；所述的进液口(251)与出液口(252)分别位于前刀面(22)上部和气流通道(24)的最小横截面段；所述的给液通道(25)在金刚石刀头(2)内部沿竖直方向布置，且进液口(251)位于出液口(252)的正上方；所述的给液通道(25)的横截面积沿进液口(251)至出液口(252)方向呈阶梯式减小，且各段横截面形状均为长方形；所述的气流通道(24)的轴线、给液通道(25)的轴线、金刚石刀头(2)的刀尖(23)三者共面；所述的气流通道(24)的最小横截面段的几何形状与尺寸与出液口(252)的几何形状与尺寸都相同；所述的金刚石刀头(2)的前刀面(22)设有微流槽(221)和圆形微储液池(222)；所述的微流槽(221)与圆形微储液池(222)的对称中心线与前刀面(22)的对称中心线重合；所述的微流槽(221)和圆形微储液池(222)位于出气口(242)的下方；所述的微流槽(221)的上下两端分别与出气口(242)、圆形微储液池(222)连通；所述的微流槽(221)的深度与微储液池(222)的深度相同；所述的气流通道(24)的内壁面、给液通道(25)的内壁面、微流槽(221)的底面、圆形微储液池(222)的底面均镀覆有耐酸碱腐蚀的金属层(7)；所述的电解液循环过滤单元(8)与进液口(251)连通；所述的高压脉冲气流产生单元(9)与进气(241)连通；所述的电解电源(10)的正极与工件(1)电气连接，负极与金刚石刀头(2)内的金属层(7)电气连接；所述的金刚石刀头(2)固定在刀柄(3)上；所述的刀柄(3)固定在超声振动单元(4)上；所述的超声振动单元(4)固定至伺服驱动平台(6)；所述的聚焦红外激光束(5)自金刚石刀头(2)的背面(21)射入，并由刀尖(23)处射出；所述的气流通道(24)位于聚焦红外激光束(5)的上方，且气流通道(24)轴线、聚焦红外激光束(5)轴线、金刚石刀头(2)的对称中轴线三线共面。
2.根据权利要求1所述的一种激光-电解-超声原位复合超精密切削黑色金属装置，其特征在于：所述的微流槽(221)的宽度为0.1～0.2mm，深度为0.1～0.2mm。
3.根据权利要求1所述的一种激光-电解-超声原位复合超精密切削黑色金属装置，其特征在于：所述的圆形微储液池(222)的直径为1～2mm，深度为0.1～0.2mm。
4.根据权利要求1所述的一种激光-电解-超声原位复合超精密切削黑色金属装置，其特征在于：所述的圆形微储液池(222)的最下端距刀尖(23)的距离为1～2mm。
5.根据权利要求1所述的一种激光-电解-超声原位复合超精密切削黑色金属装置，其特征在于：所述的高压脉冲气流产生单元(9)输出惰性高压气流(11)频率可调，范围为1khz～5khz。
6.根据权利要求1所述的一种激光-电解-超声原位复合超精密切削黑色金属装置，其特征在于：所述的电解液(12)为质量百分浓度为10％～25％的nacl溶液或nano3溶液。
7.根据权利要求1所述的一种激光-电解-超声原位复合超精密切削黑色金属装置，其特征在于：所述的微流槽(221)、圆形微储液池(222)、出气(242)均以前刀面(22)的中轴线为基准呈轴对称分布。
