CN102198549B

CN102198549B - 脉动流场管电极电解加工装置

Info

Publication number: CN102198549B
Application number: CN2011101310092A
Authority: CN
Inventors: 房晓龙; 朱荻; 曲宁松
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2011-05-20
Filing date: 2011-05-20
Publication date: 2012-11-07
Anticipated expiration: 2031-05-20
Also published as: CN102198549A

Abstract

本发明涉及一种脉动流场管电极电解加工方法及装置，属于电解加工技术领域。该方法包括以下步骤：1、通过压力伺服执行模块（4），控制伺服阀（9）阀芯的动作来调节流量、压力，输出脉动电解液到电解加工区；2、电解加工机床的控制系统根据压力、电压反馈信号，调制控制指令相位，使得加工区压力、电压脉冲节奏匹配；3、电解加工机床的控制系统动态调节进给速度、加工电压，加工出一定规律变化的变截面孔。本发明的方法及装置对提高中性盐溶液深小孔管电极电解加工的絮状产物排出速度、加工稳定性有重要意义。

Description

脉动流场管电极电解加工装置

所属技术领域

本发明的脉动流场管电极电解加工装置，属于电解加工技术领域。

背景技术

管电极电解加工(Shaped tube electrochemical drilling，简称STED)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。工具阴极进给，工件阳极在电化学反应作用下溶解并逐渐形成与金属管截面一致的孔型，同时电解液将反应产物、焦耳热带出加工区。该工艺具有不受工件材料力学、机械性能限制，加工质量好，工具无损耗等特点，在航空航天、汽车、模具制造等行业有重要的应用。

据统计，孔加工约占机械加工总量的1/3，占机械加工总时间的1/4。其中大约有5%的孔是难加工材料上的深小孔。例如空心冷却涡轮叶片和导向器叶片，其上有许多小孔结构，特别是深小孔、呈多向不同角度分布的小孔和异型锥孔。这些孔用传统机械钻孔工艺难以完成加工，工具损耗大；采用激光加工存在表面重熔层问题，在对表面质量要求非常苛刻的航空发动机领域必须对孔进行二次加工；采用电火花加工效率较激光加工低，且同样存在重熔层问题；采用电解加工加工质量明显提高，还可采用阵列电极加工群孔，提高效率。

管电极电解加工技术是通用电器公司飞机发动机事业部为解决航空发动机上超合金材料的小孔加工难题提出的一种电解打孔技术。采用质量分数10%-25% HNO₃或H₂SO₄作为电解液，同时采用涂有绝缘层的钛管作为电极进行电解打孔加工。为解决不溶性电解产物排出困难问题，他们使用了酸性电解液，此时电解产物呈离子态，避免了因沉淀物堆积引起的火花放电和短路现象。由于酸性工作液存在着对环境不友好，设备维护要求高等问题，国内外学者开始研究中性盐溶液管电极电解加工。

采用中性盐溶液之后，电解产物是絮状不溶物。如果絮状产物无法及时排出，将瞬间导通阴阳两极，造成火花放电甚至短路，损坏工件和工具阴极，致使加工失败。此类情况在深小孔加工时尤为常见（参照图1）。针对如何及时排出中性盐溶液管电极电解加工的絮状产物，国内外学者做了大量研究和探索。

国际电加工技术权威、美国内布拉斯加大学Rajurkar K.P.教授和波兰理工大学Kozak J.等，提出采用脉冲电源代替直流电源进行管电极电解加工（20% NaNO₃溶液），间隙中的电解产物可以在脉冲间歇时间内得以充分排出，获得稳定的加工过程。该方法的本质是通过减少单位时间内不溶性产物的生成量，提高产物排出效率，但是对深小孔加工而言，该方法效果不明显，且大大降低了加工效率。

台湾云林科技大学郭家诚等对电解液流动方式（20% NaNO₃溶液）进行改进，发明了同轴喷吸法。独特的阴极系统结构，密封工件表面电解液流动区域，抽吸泵提供格外动力及时抽走加工区含有电解产物的电解液。该方法阴极系统结构复杂，不能推广到大规模阵列群孔加工场合。

南京航空航天大学朱荻教授提出采用电极平动、抽吸式反流等方式进行管电极电解加工（16% NaNO₃溶液）。电极周期平动将提高阳极溶解均匀性，侧壁间隙周期性扩大缩小，内部形成低频脉动压力，改善产物排出效果；抽吸式反流管电极电解加工技术，通过改变加工区电解液流动方向，电解液从管电极内孔回流，避免了电解产物对电解液电导率的影响。高转速下平动头的运动精度不高，加工稳定性差，管壁四周的不对称压力分布易造成电极振动，产生环周沟槽溶解；抽吸式反流由于产生的真空压差有限，对深小孔加工意义不大。

埃及姆努菲亚大学Hewidy M.S.、波兰理工大学Kozak J.等提出电极低频振动电解加工技术。工具电极的振动将在间隙内形成压力波动，电解液更新速率加快，加工产物的排出更加便利。该装置结构复杂，间隙的大小往复变化会造成电解液回流、间隙内流场紊乱，加工稳定性变差；该方法不能推广到固定阴极电解加工场合。

发明内容

本发明旨在改善深小孔中性盐溶液管电极电解加工絮状产物排出不畅的问题，提出一种加速絮状产物排出、实现方便的深小孔电解加工的脉动流场管电极电解加工装置。

一种脉动流场管电极电解加工方法，其特征在于：利用压力伺服控制系统，控制进入加工区电解液流量的变化实现流场脉动；利用电源提供电流进行管电极电解加工；利用电解加工机床的控制系统动态调节进给速度、加工电压，实现变截面孔的加工。

实现所述的脉动流场管电极电解加工方法的装置，包括电源、电解液循环系统、电解加工机床、电解加工机床的控制系统、阴极系统，上述电解加工机床的控制系统包括运动控制卡、数据采集卡、电流传感器、工控机；上述电解液循环系统依次包括储液箱、单向阀、压力泵、压力表、工作箱；其特征在于：上述电解液循环系统还包括位于压力泵和压力表之间的压力伺服执行模块；上述压力伺服执行模块包括与压力泵出口相连的蓄能器、还包括与蓄能器相连的伺服阀，伺服阀出口与压力表相连，还包括一端与电解加工机床的控制系统相连另一端与伺服阀相连的伺服阀控制器。

恒定电解液压力管电极电解加工时，液体在间隙内经历过流截面不断变大的过程，供液不足、管口周向电解液分布不均时，空化现象极易发生，而这种偶然发生的空化现象不利于加工的正常进行，其结果是周向间隙分布不均，进而加剧电解液的分布不均，最终导致缺液区絮状产物不能及时排除、加工失败。本发明利用电液伺服阀的流量控制在电解液循环系统内产生脉动流动，并将波动压力传输到电解加工区。脉冲电解液射流高速进入加工间隙，在管口产生强烈脉动涡环流，以波动压力的方式连续不断冲击孔底，改善间隙内流场，减少侧壁环空对絮状产物的“压持效应”，提高絮状产物排出能力，从而保证了深小孔管电极电解加工的继续进行。同时，脉动流场的存在增加了间隙内各处空化发生的概率。普遍存在的空化现象能强化极间传质、传热过程，提高电化学反应效率；空化泡的扰动使得电解液电导率沿程分布均匀，阳极表面溶解均匀性提高。该方法脉动压力实现简单，无须改变原有的工装夹具、机床结构，只需在电解液循环系统内安装压力伺服执行模块。该方法还适用于固定阴极电解加工场合，可推广性强。

上述流场脉动符合正弦波变化规律或方波变化规律或三角波变化规律。流场脉动的波形受伺服阀阀芯运动规律和伺服阀压力流量关系影响，上述三种波形是符合伺服阀负载特性易实现的波形。

上述电源为脉冲电源，脉冲电源的脉冲频率与流场脉动频率一致、相位匹配。脉冲电源被实践验证改善电解加工定域性效果显著。流场脉动、电压脉动在脉宽、脉间上的相位关系匹配将最大化产物排出的效果，提高脉冲电解的加工效率。

上述的脉动流场管电极电解加工方法，如果利用电解加工机床的控制系统动态调节进给速度、加工电压，可以实现变截面深小孔加工。

电解加工机床的控制系统设定流场脉动参数（波形、幅值、频率等），同时根据从加工区反馈的压力、电流信号对压力进行闭环控制；在数字化建立加工特征尺寸与进给速度、加工电压关系的基础上，控制系统动态调节上述可控加工参数，可实现变截面深小孔的加工；控制系统还能够根据反馈信号调制脉冲电源、流场脉动相位关系，使之匹配达到最佳的工作效果。

附图说明

图1 是深小孔管电极电解加工间隙内产物分布示意图；

图2 是脉动流场管电极电解加工系统示意图；

图3 是压力伺服执行模块后视图；

图4 是压力伺服执行模块右视图；

图5 是压力伺服执行模块轴测图。

其中标号名称：1、电解液储液箱，2、单向阀，3、压力泵，4、压力伺服执行模块，5、压力表，6、工具夹具，7、主轴进给装置，8、机床本体，9、管电极，10、XY运动工作台，11、工件，12、工作箱，13、电解液，14、运动控制卡，15、程控稳压脉冲电源，16、电流传感器，17、数据采集卡，18、工控机，19、电液伺服阀，20、蓄能器，21、压力表开关，22、压力表，23、流量计，24、压力传感器，25、过滤器，26、安全阀，27、过滤器，28、动力单元，29、放油螺座，30、电气控制盒，31、电解液，32、气泡，33、絮状不溶产物，34、回液口，35、进液口，36、出液口。

具体实施方式

图1中，电解液以一定的压力进入管电极9 ，高速射入加工间隙，带走电解产物和焦耳热，完成极间电解液更新。通过管电极9侧壁绝缘，可以提高电解加工定域性。

图2所示的脉动流场管电极电解加工系统中，脉冲电源15、主轴进给装置7、工具夹具6和机床本体8、工作箱12和工作台10组成电解加工机床硬件系统；运动控制卡14、数据采集卡17、电流传感器16、工控机18及相关线路组成了电解加工机床控制系统；电解储液箱1，单向阀2、压力泵3、压力伺服执行模块4、工作箱12及相关管路组成电解液循环系统。电解液压力波形、幅值，可以通过工控机18给压力伺服执行模块4的实时指令1来调节，以适应不同的加工情况。

图3、图4、图5所示压力伺服执行模块中，电解液由进液口经过过滤器27，进入电液伺服阀19，蓄能器20吸收压力泵3产生的压力紊动，压力表22显示进入伺服阀19的初始压力。电液伺服阀19接收到工控机发出的指令后，动力单元28工作，带动伺服阀19的阀芯动作，压力传感器24反馈压力信号给控制电路，伺服控制阀芯的动作来调节流量输出，流量计23显示出液口流量。

结合图1、图2、图3、图4、图5说明本发明的实施过程：

1，参考图2，工件11安装之后通过XY平台10进行定位。对刀时，由电源15在两极间施加测试电压，主轴进给装置7低速进给，电流信号的变化通过电流传感器16来测定，工控机18对信号进行检测完成对刀，并设定初始加工间隙值。

2，参考图1、图2、图3、图4、图5，电解加工开始时，启动压力泵3，将电解液以恒定压力输送到压力伺服执行模块4进液口；根据预先设定的压力脉动参数（如波形、压力幅值、频率），设置工控机18上管电极电解加工智能控制系统压力控制参数，发出控制指令1；压力伺服执行模块4根据指令1动作响应，伺服控制阀芯的动作来调节流量、压力，输出脉动压力的电解液到电解加工区；根据预先设定的电压参数，设置管控制系统电压控制参数，发出控制指令2；程控脉冲电源15根据控制指令2，输出电压；主轴进给装置7带动管电极9进给，进行深小孔管电极电解加工。电解加工机床的控制系统根据压力、电压反馈信号，调控指令1、2的相位，使得加工区压力、电压脉冲匹配、节奏一致；控制系统动态调节进给速度、加工电压，可加工出一定规律变化的变截面深小孔。

Claims

1.一种脉动流场管电极电解加工装置，包括电源、电解液循环系统、电解加工机床、电解加工机床的控制系统、阴极系统，上述电解加工机床的控制系统包括运动控制卡（14）、数据采集卡（17）、电流传感器（16）、工控机（18）；

上述电解液循环系统依次包括储液箱（1）、单向阀（2）、压力泵（3）、压力表（5）、工作箱（12）；

其特征在于：

上述电解液循环系统还包括位于压力泵（3）和压力表（5）之间的压力伺服执行模块（4）；

上述压力伺服执行模块（4）包括与压力泵（3）出口相连的蓄能器（20）、还包括与蓄能器（20）相连的电液伺服阀（19），电液伺服阀（19）出口与压力表（5）相连，还包括一端与电解加工机床的控制系统相连另一端与电液伺服阀（19）相连的伺服阀控制器；

电解加工开始时，启动压力泵（3），将电解液以恒定压力输送到压力伺服执行模块（4）进液口；根据预先设定的压力脉动参数，设置工控机（18）上管电极电解加工智能控制系统压力控制参数，发出控制指令；压力伺服执行模块（4）根据所述控制指令动作响应，伺服控制阀芯的动作来调节流量、压力，输出脉动压力的电解液到电解加工区；

利用所述电源提供电流进行管电极电解加工。