恒流量管電極電解加工方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種恒流量管電極電解加工方法，屬于電解加工【技術(shù)領(lǐng)域】。該方法包括以下步驟：1、利用計(jì)量泵向加工區(qū)域提供恒定流量的電解液；2、利用安裝在計(jì)量泵出口處的第一壓力傳感器監(jiān)測(cè)計(jì)量泵出口壓力數(shù)值；利用安裝在陰極夾具腔體處的第二壓力傳感器監(jiān)測(cè)管電極出口處電解液壓力數(shù)值；3、利用霍爾電流傳感器監(jiān)測(cè)主回路加工電流4、進(jìn)行管電極電解加工；5、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電解液壓力、加工電流，觀察到電解液壓力、加工電流突變降低時(shí)，表示孔穿通。此時(shí)管電極距工件底面距離為δ；6、管電極繼續(xù)進(jìn)給2δ距離后，停止加工。本發(fā)明的方法及裝置對(duì)促進(jìn)深小孔管電極電解加工中電解產(chǎn)物、焦耳熱量的排出以及保證孔出口精度具有重要意義。
【專利說明】 恒流量管電極電解加工方法
[0001]
所屬【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明的恒流量管電極電解加工方法，屬于電解加工【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0003]據(jù)統(tǒng)計(jì)，孔加工約占機(jī)械加工總量的1/3，占機(jī)械加工總時(shí)間的1/4。其中大約有5%的孔是難加工材料上的深小孔。例如空心冷卻渦輪葉片、導(dǎo)向器葉片、噴油嘴上的深小孔。這些孔用傳統(tǒng)機(jī)械鉆孔工藝難以完成加工，工具損耗大；采用激光加工存在表面重熔層問題，在對(duì)表面質(zhì)量要求非?？量痰暮娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域必須對(duì)孔進(jìn)行二次加工；采用電火花加工效率較激光加工低，且同樣存在重熔層問題；采用電解加工加工質(zhì)量明顯提高，還可采用陣列電極加工群孔，提高加工效率。
[0004]管電極電解加工(Shapedtube electrochemical drilling,簡(jiǎn)稱 STED)進(jìn)行時(shí)，電解液從中空金屬管(圓管或異型管)中高速流出，充滿整個(gè)加工間隙。工具陰極進(jìn)給，工件陽極在電化學(xué)反應(yīng)作用下溶解并逐漸形成與金屬管截面一致的孔型，同時(shí)電解液將反應(yīng)產(chǎn)物、焦耳熱帶出加工區(qū)。該工藝具有不受工件材料力學(xué)、機(jī)械性能限制，加工質(zhì)量好，工具無損耗等特點(diǎn)，在航空航天、汽車、模具制造等行業(yè)有重要的應(yīng)用。
[0005]管電極電解加工技術(shù)是通用電器公司飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)事業(yè)部為解決航空發(fā)動(dòng)機(jī)上超合金材料的小孔加工難題提出的一種電解打孔技術(shù)。采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%-25% HNO3或H2SO4作為電解液，同時(shí)采用涂有絕緣層的鈦管作為電極進(jìn)行電解打孔加工。為解決不溶性電解產(chǎn)物排出困難問題，他們使用了酸性電解液，此時(shí)電解產(chǎn)物呈離子態(tài)，避免了因沉淀物堆積引起的火花放電和短路現(xiàn)象。由于酸性工作液存在著對(duì)環(huán)境不友好，設(shè)備維護(hù)要求高等問題，國內(nèi)外學(xué)者開始研究中性鹽溶液管電極電解加工。
[0006]采用中性鹽溶液之后，電解產(chǎn)物將由于無法溶解形成沉淀，存在于加工間隙，影響加工的穩(wěn)定性，國內(nèi)外已做了大量研究工作來促進(jìn)加工產(chǎn)物排出。
[0007]美國內(nèi)布拉斯加大學(xué)Rajurkar K.P.教授和波蘭理工大學(xué)Kozak J.等,提出采用脈沖電源代替直流電源進(jìn)行管電極電解加工(20% NaNO3溶液)，間隙中的電解產(chǎn)物可以在脈沖間歇時(shí)間內(nèi)得以充分排出，獲得穩(wěn)定的加工過程。該方法的本質(zhì)是通過減少單位時(shí)間內(nèi)不溶性產(chǎn)物的生成量，提高產(chǎn)物排出效率，但是對(duì)深小孔加工而言，該方法效果不明顯，且大大降低了加工效率。
[0008]臺(tái)灣云林科技大學(xué)郭家誠等對(duì)電解液流動(dòng)方式(20% NaNO3溶液)進(jìn)行改進(jìn)，發(fā)明了同軸噴吸法。獨(dú)特的陰極系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，密封工件表面電解液流動(dòng)區(qū)域，抽吸泵提供格外動(dòng)力及時(shí)抽走加工區(qū)含有電解產(chǎn)物的電解液。該方法陰極系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不能推廣到大規(guī)模陣列群孔加工場(chǎng)合。
[0009]南京航空航天大學(xué)朱荻教授提出采用電極平動(dòng)、抽吸式反流等方式進(jìn)行管電極電解加工(16% NaNO3溶液)。電極周期平動(dòng)將提高陽極溶解均勻性，側(cè)壁間隙周期性擴(kuò)大縮小，內(nèi)部形成低頻脈動(dòng)壓力，改善產(chǎn)物排出效果；抽吸式反流管電極電解加工技術(shù)，通過改變加工區(qū)電解液流動(dòng)方向，電解液從管電極內(nèi)孔回流，避免了電解產(chǎn)物對(duì)電解液電導(dǎo)率的影響。高轉(zhuǎn)速下平動(dòng)頭的運(yùn)動(dòng)精度不高，加工穩(wěn)定性差，管壁四周的不對(duì)稱壓力分布易造成電極振動(dòng)，產(chǎn)生環(huán)周溝槽溶解；抽吸式反流由于產(chǎn)生的真空壓差有限，對(duì)深小孔加工意義不大。
[0010]埃及姆努菲亞大學(xué)Hewidy M.S.、波蘭理工大學(xué)Kozak J.等提出電極低頻振動(dòng)電解加工技術(shù)。工具電極的振動(dòng)將在間隙內(nèi)形成壓力波動(dòng)，電解液更新速率加快，加工產(chǎn)物的排出更加便利。該裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，間隙的大小往復(fù)變化會(huì)造成電解液回流、間隙內(nèi)流場(chǎng)紊舌L加工穩(wěn)定性變差；該方法的工具電極往復(fù)低頻振動(dòng)幅值遠(yuǎn)小于孔的加工深度，對(duì)于深小孔加工產(chǎn)物排出效果微弱。
[0011]上述研究工作均采用電解液恒壓力加工，隨著加工深度的增加沿程壓降增加，電解液流量減小、流速降低，使得電解產(chǎn)物、焦耳熱排出變慢，影響了加工穩(wěn)定性。
[0012]此外，現(xiàn)有管電極電解加工，通常單獨(dú)根據(jù)電流的變化來判斷孔是否加工完成。但由于孔穿通時(shí)雜散腐蝕的存在，給電流變化判斷帶來困難，難以得到理想的孔出口精度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]本發(fā)明旨在改善深小孔中性鹽溶液管電極電解加工中隨孔深度增加沿程壓降增大，電解液流速降低導(dǎo)致加工產(chǎn)物、焦耳熱排出不暢的問題；以及改善由于雜散腐蝕的存在，單獨(dú)通過電流變化無法較為準(zhǔn)確判斷孔出口位置，造成孔出口精度不高的情況。提出一種可以使加工穩(wěn)定，提高孔出口精度的恒流量管電極電解加工方法。
[0014]一種恒流量管電極電解加工方法，采用管電極電解加工孔，其特征在于包括以下步驟:(1)、利用計(jì)量泵向加工區(qū)域提供恒定流量的電解液；(2)、利用安裝在計(jì)量泵出口處的第一壓力傳感器監(jiān)測(cè)計(jì)量泵出口壓力數(shù)值；利用安裝在陰極夾具腔體處的第二壓力傳感器監(jiān)測(cè)管電極出口處電解液壓力數(shù)值；(3)、利用霍爾電流傳感器監(jiān)測(cè)主回路加工電流
(4)、進(jìn)行管電極電解加工；(5)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電解液壓力、加工電流，觀察到電解液壓力和加工電流突變降低時(shí)，表示孔穿通。此時(shí)測(cè)得管電極距工件底面距離為δ ; (6)、管電極繼續(xù)進(jìn)給2 ^距離后，停止加工。
[0015]實(shí)現(xiàn)所述的恒流量管電極電解加工方法的裝置，包括電源、電解液循環(huán)系統(tǒng)、電解加工機(jī)床、電解加工機(jī)床的控制系統(tǒng)、陰極系統(tǒng)，上述電解加工機(jī)床的控制系統(tǒng)包括運(yùn)動(dòng)控制卡、數(shù)據(jù)采集卡、電流傳感器、工控機(jī)；上述電解液循環(huán)系統(tǒng)依次包括儲(chǔ)液箱、閥門、計(jì)量泵、壓力表、流量計(jì)、工作箱；其特征在于:用計(jì)量泵代替?zhèn)鹘y(tǒng)恒壓泵，向加工區(qū)域輸送恒流量電解液；還包括連接在管電極安裝腔體上的壓力傳感器，用于實(shí)時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)出口壓力，與電流傳感器相結(jié)合，判斷孔穿通時(shí)管電極的準(zhǔn)確位置。
[0016]恒定電解液壓力管電極電解加工時(shí)，特別在進(jìn)行深小孔加工時(shí)，隨著小孔深度增加電解液沿程壓降，造成電解液流量逐漸降低、流速下降。電解液無法及時(shí)更新，將造成電解產(chǎn)物與焦耳熱排除困難。本發(fā)明利用計(jì)量泵將恒定流量的電解液輸送至加工區(qū)域，保證在加工過程中隨著小孔深度增加，電解液流量、流速保持不變，從而使得電解液始終可以及時(shí)更新，改善電解產(chǎn)物及焦耳熱排出困難的情況。
[0017]此外，利用壓力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控電解液出口的壓力，觀察電解液壓力數(shù)值的變化。當(dāng)采用恒流量加工時(shí)，隨著加工深度的增加，電解液壓力逐漸升高?？状┩〞r(shí)，會(huì)產(chǎn)生泄壓，使得此時(shí)的電解液壓力有突然下降。此時(shí)管電極端面距離工件底面5，這個(gè)距離即為加工間隙。根據(jù)仿真結(jié)果，管電極電解加工中，當(dāng)管電極進(jìn)給至超過工件底面距離大于加工間隙值位置時(shí)，孔側(cè)壁電流密度已小于lOA/cm2，孔完全成形。因此，孔穿通后，管電極仍需繼續(xù)進(jìn)給2 5距離直至加工停止。若陰極進(jìn)給距離過小，孔出口不能完全成形；若進(jìn)給距離過大，則會(huì)由于陰極端面對(duì)工件底面的雜散腐蝕而使得出口呈喇叭狀。
[0018]該方法恒流量實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，無須改變?cè)械墓ぱb夾具、機(jī)床結(jié)構(gòu)，使用計(jì)量泵提供恒定流量的電解液，并在電解液輸出端安裝壓力傳感器。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是深小孔管電極電解加工間隙內(nèi)產(chǎn)物分布示意圖；
圖2是管電極電解加工陰極位置示意圖；
圖3是恒流量管電極電解加工系統(tǒng)示意圖；
圖4是加工過程仿真模型；
圖5是加工過程電流密度沿側(cè)壁分布圖。
[0020]其中標(biāo)號(hào)名稱:1、電解液儲(chǔ)液箱，2、閥門，3、計(jì)量泵，4、第一壓力傳感器，5、流量計(jì)，6、壓力表，7、工具夾具，8、主軸進(jìn)給裝置，9、機(jī)床本體，10、管電極，11、第二壓力傳感器，12、XY運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)，13、工件，14、工作箱，15、電解液，16、運(yùn)動(dòng)控制卡，17、程控穩(wěn)壓脈沖電源，18、電流傳感器，19、數(shù)據(jù)采集卡，20、工控機(jī)。

【具體實(shí)施方式】
[0021]圖1中，電解液以一定的流量進(jìn)入管電極9，高速射入加工間隙，帶走電解產(chǎn)物和焦耳熱，完成極間電解液更新。通過管電極9側(cè)壁絕緣，可以提高電解加工定域性。
[0022]圖2，Ca)是管電極電解加工孔穿通陰極位置示意圖，如(a)所示的恒流量管電極電解加工孔穿通時(shí)，壓力傳感器數(shù)值突然降低，此時(shí)工具陰極端面距工件底面δ。(b)是管電極電解加工孔加工結(jié)束陰極位置示意圖jn(b)所示，陰極繼續(xù)進(jìn)給2 5，孔完全成形，力口工結(jié)束。
[0023]圖3所示的恒流量管電極電解加工系統(tǒng)中，脈沖電源17、主軸進(jìn)給裝置8、電極夾具7和機(jī)床本體9、工作箱13和工作臺(tái)12組成電解加工機(jī)床硬件系統(tǒng)；運(yùn)動(dòng)控制卡16、數(shù)據(jù)采集卡19、電流傳感器18、壓力傳感器4、工控機(jī)20及相關(guān)線路組成了電解加工機(jī)床控制系統(tǒng)；電解儲(chǔ)液箱1、閥門2、計(jì)量泵3、工作箱14及相關(guān)管路組成電解液循環(huán)系統(tǒng)。計(jì)量泵將電解液以恒定流量輸送至加工區(qū)域。電解液壓力經(jīng)由壓力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控，并將壓力數(shù)值隨時(shí)間的變化圖形輸出到工控機(jī)上，用以觀測(cè)監(jiān)控加工過程。
[0024]結(jié)合圖1、圖2、圖3說明本發(fā)明的實(shí)施過程:
1，參考圖3，工件12安裝之后通過XY平臺(tái)11進(jìn)行定位。對(duì)刀時(shí)，由電源17在兩極間施加測(cè)試電壓，主軸8低速進(jìn)給，電流信號(hào)的變化通過電流傳感器18來測(cè)定，工控機(jī)20對(duì)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)完成對(duì)刀，并設(shè)定初始加工間隙值。
[0025]2，參考圖1、圖2、圖3，電解加工開始時(shí)，啟動(dòng)計(jì)量泵3，將電解液以恒定流量輸送到管電極夾具腔體，高速射入加工間隙；電源17輸出電壓；主軸8帶動(dòng)工具電極10進(jìn)給，進(jìn)行深小孔管電極電解加工。加工過程中，第二壓力傳感器11實(shí)時(shí)監(jiān)控電解液壓力數(shù)值，電流傳感器18顯示電流數(shù)值，流量計(jì)5顯示實(shí)時(shí)流量數(shù)值，用以觀察監(jiān)控加工過程。當(dāng)電解液壓力數(shù)值突變降低時(shí)，管電極距離工件底面5，即為加工間隙值。陰極繼續(xù)進(jìn)給2 5后，結(jié)束加工。
[0026]下面，結(jié)合圖4、圖5，進(jìn)一步對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說明:
圖4，是利用COMSOL Multiphysics軟件對(duì)管電極電解加工過程中的電場(chǎng)分布情況進(jìn)行仿真所建立的模型。利用穩(wěn)態(tài)電流模塊采用軸對(duì)稱方式進(jìn)行建模，管電極外徑為0.8mm,內(nèi)徑0.6mm，加工間隙值為0.15mm。端面及內(nèi)壁為接地，陽極工件電勢(shì)值設(shè)為10V，其他邊界條件均為絕緣。
[0027]圖5，是仿真結(jié)果加工過程中電流密度沿工件側(cè)壁的分布情況。可以看出工件側(cè)壁處在陰極端面之上的加工電流密度隨著z坐標(biāo)值的增大而減小，當(dāng)z坐標(biāo)值為0.15時(shí)，電流密度已小于10A/cnT2，可以認(rèn)為此處已不再進(jìn)行加工，孔完全成形。因此，孔穿通后，管電極仍需繼續(xù)進(jìn)給2 5距離直至加工停止。若陰極進(jìn)給距離過小，孔出口不能完全成形；若進(jìn)給距離過大，則會(huì)由于陰極端面對(duì)工件底面的雜散腐蝕而使得出口呈喇叭狀。
【權(quán)利要求】
1.一種恒流量管電極電解加工方法，采用管電極電解加工孔，其特征在于包括以下步驟: (1)、利用計(jì)量泵向加工區(qū)域提供恒定流量的電解液； (2)、利用安裝在計(jì)量泵出口處的第一壓力傳感器監(jiān)測(cè)計(jì)量泵出口壓力數(shù)值；利用安裝在陰極夾具腔體處的第二壓力傳感器監(jiān)測(cè)管電極出口處電解液壓力數(shù)值； (3 )、利用霍爾電流傳感器監(jiān)測(cè)主回路加工電流； (4)、進(jìn)行管電極電解加工； (5)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電解液壓力、加工電流，觀察到電解液壓力和加工電流突變降低時(shí)，表示孔穿通；此時(shí)測(cè)得管電極距工件底面距離為δ ； (6)、管電極繼續(xù)進(jìn)給2^距離后，停止加工。
【文檔編號(hào)】B23H3/00GK104227160SQ201410477621
【公開日】2014年12月24日 申請(qǐng)日期:2014年9月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月18日
【發(fā)明者】房曉龍, 王芯蒂, 曲寧松 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)