CN102179585A - 基于毛细管阴极的小锥度微小孔电解加工装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的涉及一种基于毛细管阴极的小锥度微小孔电解加工装置及方法，属电解加工技术领域。其阴极系统包括阴极系统框架（7）、夹持模块（2）、滤网（4）、轴向锁紧块（5）、引电螺钉（6）、毛细管（1），毛细管（1）内壁具有连续的金属层，毛细管后端面及与夹持模块（2）接触的外壁面部分具有与内壁金属层连续的金属层，夹持模块（2）的前端面具有绝缘层（8）。本方法阴阳极间距的减小，将大大降低加工所需的电压。绝缘层屏蔽了夹持模块端面电场对工件表面的影响。通过辅助对刀块调整加工初始间隙在d2/2D-2d2/D的范围内，即可稳定地进行小锥度微小孔加工。
Description
所属技术领域
本发明的一种基于毛细管阴极的小锥度微小孔电解加工装置及方法，属于电解加工技术领域。
背景技术
电解加工是一种利用电化学阳极溶解原理进行材料蚀除，并最终将零件加工成型的工艺。该技术不受工件材料力学、机械性能限制，又因其零件表面加工质量高，无应力、无热影响区、工具阴极无损耗等优点，广泛应用于航空航天、微电子、生物医学、汽车、模具制造等工程领域。
电解打孔（Electrochemical drilling，ECD）是一种典型的孔加工工艺，主要应用于难切削材料上的孔加工，如空心冷却涡轮叶片和导向器叶片上的许多微小孔结构。普通机械钻削方法加工微小孔困难、工具耗损大，同时零件产生残余应力；电火花、激光加工存在表面再铸层问题，再铸层内部存在的裂痕、孔洞等缺陷和残余应力，在热应力作用下易开裂形成发丝状裂纹，从而导致零件报废。这对工作在高温环境下的航空发动机零件尤为不利，大大降低了其可靠性和使用寿命。采用电解加工，加工质量明显提高，加工成本大大降低。
微小孔电解加工技术主要包括以下几种：电射流打孔（Jet electrolytic Drilling，JED）、管电极电解打孔（Shaped tube electrochemical drilling，STED）、电液束打孔（Electro stream drilling，ESD）、毛细管打孔（Capillary drilling, CD）等。
电射流工艺采用中间开孔的金属喷嘴作为阴极，利用高压高速带电电解液喷射进行加工。阴极结构尺寸相对喷嘴孔径很大，加工过程中阴极无法进给；同时，为使加工后含有加工产物的电解液能迅速离开工件表面加工区，加工间隙都选择在2mm以上。上述工艺特性使得加工出的孔入口锥度很大，不适合进行薄壁件的孔加工。
管电极电解加工进行时，电解液从中空金属管（圆管或异型管）中高速流出，充满整个加工间隙。阴极工具进给，阳极工件在电化学反应作用下溶解并逐渐形成与金属管一致的孔型。受制于中空金属管电极的尺寸（大于0.3mm），STED工艺很难稳定加工出直径小于0.5mm的孔；同时，随着电极尺寸的减小，制备厚度合适均匀、与基体结合牢、靠耐高压电解液冲击的绝缘层也愈发困难。
毛细管、电液束打孔工艺采用阶梯状毛细管作为电解液通道，并在管内靠近末端的位置布置铂丝作为阴极。一定压力的电解液从毛细管流出，到达工件表面，极间施加合适的工作电压，材料蚀除。CD工艺中毛细管不断进给，实现小孔的加工；ESD工艺毛细管不进给行加工。铂丝阴极与阳极工件距离较远，为达到材料溶解所需的电流密度，上述工艺常采用较高的工作电压(CD 100-200V，ESD 150-850V)。排出不畅的絮状电解产物，极易在数十微米的加工间隙内堵塞，建立经常性拉弧放电通道，损伤阴极端面、破坏加工表面完整性。为避免拉弧放电而预设的初始加工间隙（2mm以上），将使加工出的孔入口出现锥形。阶梯状玻璃毛细管内布置的金属丝，在高压、高速电解液流动状态下的振动，将破坏从毛细管流出的电解液流场稳定性、电场定域性，影响加工稳定性。同时，阶梯状玻璃毛细管、金属丝组成的阴极系统互换性差，且随着加工孔径的减小，金属丝的安装将不易实现；这种组合结构也不利于布置电极阵列。
发明内容
本发明旨在改善毛细管微小孔电解加工技术存在的工艺稳定性差、孔呈锥形、阴极易振动、阴极系统更换困难、不易进行高开孔率阵列微孔加工等缺陷，提出一种加工孔锥度小、小初始间隙、毛细管更换安装简便、阴极固定的基于毛细管阴极的小锥度微小孔电解加工装置及方法。
一种基于毛细管阴极的小锥度微小孔电解加工装置，包括：电源、电解液循环系统，电解加工机床、阴极系统，其特征在于：所述阴极系统包括阴极系统框架，以及从前至后依次安装于阴极系统框架内的夹持模块、滤网、轴向锁紧块，还包括安装于阴极系统框架上的与夹持模块接触的引电螺钉，还包括安装于夹持模块前端的毛细管，毛细管内壁具有连续的金属层，毛细管后端面及与夹持模块接触的外壁面部分具有与内壁金属层连续的金属层，夹持模块的前端面具有绝缘层，还包括安装于阴极系统框架与夹持模块之间，或阴极系统框架与轴向锁紧块之间的密封圈。
利用权利所述基于毛细管阴极的小锥度微小孔电解加工装置的加工方法，其特征在于包括以下步骤：（a）、解液依次通过阴极系统框架、轴向锁紧块、滤网、夹持模块的电解液通道进入毛细管；（b）、通过引电螺钉将电压引导至夹持模块上，金属材质的夹持模块与毛细管末端外壁的金属层接触，将阴极电压引到毛细管内壁，直至前段靠近工件的端面内侧；（c）、利用绝缘层屏蔽夹持模块端面电场对工件表面的影响；（d）、设定毛细管端面与工件表面的初始间隙为d2/2D-2d2/D，即可稳定地进行小锥度微小孔加工，其中d为毛细管内径，D为外径。
阴阳极间距的减小（数十毫米降至百十微米），将大大降低加工所需的电压。绝缘层屏蔽了夹持模块端面电场对工件表面的影响。通过辅助对刀块调整加工初始间隙在d2/2D-2d2/D的范围内，即可稳定地进行小锥度微小孔加工。
采用拉制的薄壁毛细管，管内射流的压力就不能很高（1MPa以下）。借助有限元分析软件，建立极间电场、流场物理模型。通过计算得到，大的初始间隙加工下，非淹没射流在敞开环境下传输到达工件表面时，其沿轴线方向的速度衰减和射流半径扩散很严重；0.5MPa的电解液压力下，加工间隙在d2/2D-2d2/D的范围内，加工区电流密度(>30A/cm2)、电解液流速（>5m/s）完全满足加工稳定进行的要求。
相较于管电极电解加工，毛细管前端尺寸可以小到数十微米，使得加工微孔（直径小于100μm）成为可能；同时绝缘层是连续拉制而成的整体薄壁毛细管，不会发生受到电解液冲击而脱落的状况。相较于传统的毛细管电解加工，采用低的加工电压（数十伏），加工稳定性显著提高，不会发生高压拉弧放电的异常工况；小的初始加工间隙，大大缩短了毛细管进入工件内部的时间，避免已加工区长时间二次腐蚀，减小孔型锥度。
上述毛细管为单电极或阵列式电极。
上述夹持模块可以为一体式夹持模块或组合式夹持模块；组合式夹持模块由用于夹持毛细管的夹持件和用于与引电螺钉接触的引电件组成。
所述组合式夹持模块的夹持件也可以为一体式夹持件或组合式夹持件。
整个阴极系统中，组合式夹持模块及组合式夹持件，拆卸更换简便，制作简单，易于进行阵列电极布置。可以设计成适用于不同电极数量，不同电极直径，不同间距排列的夹持定位模块以满足不同的需求，进行高开孔率微小孔阵列加工。
附图说明
图1 一体式夹持模块示意图；
图2 组合式夹持模块示意图；
图3 一体式夹持模块阴极系统结构示意图；
图4 组合式夹持模块阴极系统结构示意图；
图5 小间隙毛细管微小孔加工示意图。
其中标号名称：1、毛细管，2、夹持定位模块，3、密封圈，4、滤网，5、锁紧块，6、引电螺钉，7、阴极系统框架，8、绝缘层，9、电解液入口，10、机床进给装置，11、锥形电极夹块，12、限位孔，13、一体式夹持模块，14、组合式夹持模块，15、电解液，16、工件，17、电力线。
具体实施方式
图1所示一体式夹持模块13由毛细管1、夹持模块2和绝缘涂层8组成。一体式夹持模块，其形状为内含台阶孔的阶梯状圆柱，小端内部有与毛细管外径尺寸匹配的小孔，用于定位毛细管。另外，一体式夹持模块是毛细管安装完毕后，涂覆绝缘层，然后与阴极系统框架装配；
图2所示组合式夹持模块14由毛细管1、锥形电极夹块11组成。电极夹块的数量和半圆凹槽尺寸依加工要求而定。组合式夹持模块由若干锥形电极夹块组成，夹持件电极夹块间相对的表面分布着一定孔间距的半圆凹槽，将这些夹块组合就形成夹持定位阵列毛细管电极的夹持件。半圆凹槽直径与毛细管外径一致。同时组合式夹持模块的引电件在锁紧块的作用下，将向下进步一夹紧夹持件锥形电极夹块，使配合更加紧密。组合式夹持模块则是与阴极系统框架装配好后，进行绝缘层涂覆。绝缘层选用易溶于有机溶剂的粘结剂。图3 所示阴极系统结构中，夹持模块2 被锁紧块5 固定在阴极系统框架7上，其间垫有两层滤网4。一体式夹持模块13 中，毛细管1 由其与夹持模块限位孔12间涂覆的导电粘接剂、与绝缘涂层8 固定。
图4组合式定位模块14 中，锁紧块5 轴向固定而在锥形电极夹块11 间产生的夹持力亦能夹紧毛细管1 。
图5是小间隙毛细管微小孔加工示意图。毛细管1端面内侧的连续金属层作为阴极，设定为初始加工间隙为Δ=d2/2D~2 d2/D（毛细管内径d、外径D）。电解液15从毛细管1的电解液通道冲击待加工材料表面，经过底面间隙、侧面间隙流出加工区。毛细管1管壁为绝缘材料，其限制电力线扩散，提高了加工精度。同时小的加工间隙能减弱了入口圆角和四周材料的杂散腐蚀。
本发明的具体实施步骤为：
1. 参考图1、2，内壁沉积连续金属的薄壁毛细管1由夹持模块13、14 进行定位固定，构成电极夹持模块2。
2．参考图3、4，将环形密封圈3 固定在阴极系统框架8 中，然后把装配好的电极夹持模块2 安装到阴极系统框架7 中，装好引电螺钉6 ，垫好滤网4，用锁紧块5 固定电极夹持模块2。最后将阴极系统通过电解液入口9 安装在数控电解加工机床的进给装置10 上。控制机床进给装置设定初始加工间隙在d2/2D~2 d2/D之间，然后设定阴极进给速度，打开电解液循环系统，即可进行微小孔电解加工。
Claims (5)
1.一种基于毛细管阴极的小锥度微小孔电解加工装置，包括：电源、电解液循环系统，电解加工机床、阴极系统，其特征在于：
所述阴极系统包括阴极系统框架（7），以及从前至后依次安装于阴极系统框架（7）内的夹持模块（2）、滤网（4）、轴向锁紧块（5），还包括安装于阴极系统框架（7）上的与夹持模块（2）接触的引电螺钉（6），还包括安装于夹持模块（2）前端的毛细管（1），毛细管（1）内壁具有连续的金属层，毛细管后端面及与夹持模块（2）接触的外壁面部分具有与内壁金属层连续的金属层，夹持模块（2）的前端面具有绝缘层（8），还包括安装于阴极系统框架（7）与夹持模块（2）之间，或阴极系统框架（7）与轴向锁紧块（5）之间的密封圈（3）；上述轴向锁紧块（5）和夹持模块（2）具有与毛细管（1）相连通的电解液通道。
2.根据权利要求1所述的基于毛细管阴极的小锥度微小孔电解加工装置，其特征在于：上述毛细管（1）为单电极或阵列式电极。
3.根据权利要求1所述的基于毛细管阴极的小锥度微小孔电解加工装置，其特征在于：上述夹持模块（2）为一体式夹持模块或组合式夹持模块；组合式夹持模块由用于夹持毛细管的夹持件和用于与引电螺钉（6）接触的引电件组成。
4.根据权利要求3所述的基于毛细管阴极的小锥度微小孔电解加工装置，其特征在于：所述组合式夹持模块的夹持件为一体式夹持件或组合式夹持件。
5.利用权利要求1所述基于毛细管阴极的小锥度微小孔电解加工装置的加工方法，其特征在于包括以下步骤：
（a）、解液依次通过阴极系统框架（7）、轴向锁紧块（5）、滤网（4）、夹持模块（2）的电解液通道进入毛细管（1）；
（b）、通过引电螺钉（6）将电压引导至夹持模块（2）上，金属材质的夹持模块（2）与毛细管末端外壁的金属层接触，将阴极电压引到毛细管内壁，直至前段靠近工件的端面内侧；
（c）、利用绝缘层（8）屏蔽夹持模块（2）端面电场对工件表面的影响；
（d）、设定毛细管端面与工件表面的初始间隙为d2/2D-2d2/D，进行小锥度微小孔加工，其中d为毛细管内径，D为外径。
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