CN105234507A - 基于锥形孔模板的群孔模板电解加工系统 - Google Patents

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李寒松
曲宁松
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Abstract

本发明涉及一种基于锥形孔模板的群孔模板电解加工系统。其加工系统由金属板（1），模板（2），工件（3），绝缘板（4）组成。加工前，在模板（2）上加工出一定大小的锥形孔（5），将模板（2）紧密覆盖于工件之上，绝缘板4置于工件（3）之下。金属板（1）连接电源负极，工件（3）连接电源正极，金属板（1）和模板（2）之间有一定的间隙，使电解液以一定的速度流过，在电解反应的作用下，工件（3）逐渐被腐蚀。本发明采用锥形孔模板，电解液能更加顺畅的进入加工区域，减少加工区涡流的产生，使电解过程的物质输运和热量输运更加有效。因此，可有效提高加工精度和加工效率。

Description

基于锥形孔模板的群孔模板电解加工系统
技术领域
本发明涉及一种基于锥形孔模板的群孔模板电解加工系统，属于模板电解加工技术领域。
背景技术
在科学技术和制造技术高速发展的今天,由于各个领域的需要，很多具有特殊性能的材料不断被研究出来并加以利用。在航空领域、机械制造业、石油产业、船舶技术、高级汽车开发、医疗器械等行业中，用特殊材料制成的零件应用很广。其中，有相当数量的表面织构和群孔类零件。
此类零件选用各种难加工材料，且加工精度要求比较高，传统机械加工存在很多问题。诸如，加工后零件表层存在残余应力，加工零件容易变形，加工成本过高等问题。电解加工是利用金属在电解液中的电化学阳极溶解原理，来获得一定尺寸精度的零件。电解加工的优势在于，不受金属材料的力学性能限制，适用范围广；加工过程无机械接触，零件表面不会产生残余应力；加工过程中，工具阴极无损耗，加工成本比较低。
模板电解加工技术将具有特定图案的掩模板覆盖在工件阳极上，利用电解加工原理在工件上加工出与模板类似的图案。该技术被广泛应用于，表面织构和群孔类零件的加工中。在模板电解加工过程中，模板主要作用是限定加工区域。传统的模板电解加工中，模板孔为垂直通孔，存在着诸多问题。例如，电解液流入加工区极易形成涡流，影响电解产物的输运；工件与模板相接处受到模板侧壁的影响，容易产生电场集中，影响加工精度；直角孔模板的孔径容易受到模板厚度的制约，影响模板电解加工的应用范围（参照：李冬林，朱荻，李寒松，中国机械工程2010，21（17）：2090-2094）。因此，发明一种有利于流场分布的新型模板孔，对科学研究和工程实践都有着重要意义。
发明内容
针对现有模板电解加工技术所存在的上述不足，本发明提供一种基于锥形孔模板的群孔模板电解加工系统，能够有效改善模板电解加工中的流场分布，提高加工质量。
一种基于锥形孔模板的群孔模板电解加工系统，由金属板、模板、工件、绝缘板组成；其中在模板上加工有群孔，模板紧密覆盖于工件之上，绝缘板置于工件之下；金属板连接电源负极，工件连接电源正极，金属板和模板之间有一定的间隙；其特征在于：上述模板上的群孔为上大下小的锥形孔结构，其中锥角α的范围是100o~170o。
锥形孔模板上的群孔为上大下小的锥形，电解液由模板上方流过，锥形孔更有利于电解液进入加工区，更有效的将电解产物和电解热带离加工区，保证加工区高质量的加工过程。通过试验仿真，锥形孔可有效减少模板孔内的涡流现象。由于锥形孔锥角为90o~100o时，效果不明显，同时大于170o时，将不利于实际工程中群孔的排布。
所述的基于锥形孔模板的群孔模板电解加工系统，其特征在于：所述模板上的锥形孔的锥角α最优值为160o。根据试验仿真结果，当锥形孔的锥角大于160o时，模板孔内的涡流现象完全消失；同时，锥角继续增大，对孔内流场不再有进一步改善，因此选定160o为锥形孔锥角的最优值。
附图说明
图1是锥形孔模板的示意图；
图2是本发明一种使用锥形孔模板进行模板电解加工方法的加工过程图；
图3-1是小深径比孔的90o锥角时模板孔内流场的分布情况；
图3-2是小深径比孔的100o锥角时模板孔内流场的分布情况；
图3-3是小深径比孔的110o锥角时模板孔内流场的分布情况；
图3-4是小深径比孔的120o锥角时模板孔内流场的分布情况；
图3-5是小深径比孔的130o锥角时模板孔内流场的分布情况；
图3-6是小深径比孔的140o锥角时模板孔内流场的分布情况；
图3-7是小深径比孔的150o锥角时模板孔内流场的分布情况；
图3-8是小深径比孔的160o锥角时模板孔内流场的分布情况；
图3-9是小深径比孔的170o锥角时模板孔内流场的分布情况；
图4-1是大深径比孔的90o锥角时模板孔内流场的分布情况；
图4-2是大深径比孔的120o锥角时模板孔内流场的分布情况；
图4-3是大深径比孔的150o锥角时模板孔内流场的分布情况；
图4-4是大深径比孔的160o锥角时模板孔内流场的分布情况；
图5-1是90o孔在5m/s流速时孔内流场的分布情况；
图5-2是90o孔在10m/s流速时孔内流场的分布情况；
图5-3是90o孔在15m/s流速时孔内流场的分布情况；
图6-1是120o孔在5m/s流速时孔内流场的分布情况；
图6-2是120o孔在10m/s流速时孔内流场的分布情况；
图6-3是120o孔在15m/s流速时孔内流场的分布情况；
图7-1是150o孔在5m/s流速时孔内流场的分布情况；
图7-2是150o孔在10m/s流速时孔内流场的分布情况；
图7-3是150o孔在15m/s流速时孔内流场的分布情况；
图8-1是160o孔在5m/s流速时孔内流场的分布情况；
图8-2是160o孔在10m/s流速时孔内流场的分布情况；
图8-3是160o孔在15m/s流速时孔内流场的分布情况；
其中标号名称：1、金属板，2、模板，3、工件，4、绝缘板，5、锥形孔,6、电源。
具体实施方式
1．在绝缘材料上制备锥形孔5，获得锥形孔模板2；
2.将锥形孔模板2紧密覆盖于工件3之上；
3.将阳极工件3和锥形孔模板2放入夹具，阳极工件3放置于夹具的绝缘板4上，夹具的阴极金属板1置于锥形孔模板2的上方，并与锥形孔模板2保持一定的空隙；
4.阴极金属板1与电源6的负极相连；同时将阳极工件3与电源6的正极相连；
5.在阴极金属板1和锥形孔模板2之间，通入电解液，打开电源，即可开始电解加工。
具体实施例分析
现结合仿真结果分析一下孔的锥角对模板孔内流场分布的影响。由于模板孔的深径比（孔的深度与直径的比值）和电解液入口流速，都可能影响流场分布，因此在不同深径比和入口流速下，分析了孔的锥角对模板孔内流场分布的影响。
图3-1至图3-9为小深径比的孔，由图3-1至图3-9可以看到，模板孔角度为90o的直角孔时，在模板孔内会形成明显的大范围涡流，影响电解产物的输运；当模板孔角度逐渐增大，模板孔内的涡流范围明显减小，加工区流场更加顺畅；当模板孔角度达到160o时，模板孔内的涡流消失，模板孔内达到最优的流场状态。模板孔锥角继续增大，孔内流场并没有进一步的改善，因此可以认为160o为锥形孔的锥角最优值。
图4-1至图4-4为大深径比的孔，对比图3-1至图3-9，和图4-1至图4-4可以发现，深径比不影响锥角对流场的作用。虽然，不同深径比的孔内的涡流区域不同，但随着锥角的增大都再减小。最重要的是，当锥角达到160o时，不同深径比的孔内的涡流区都会消失。因此可以证明，孔的深径比不影响孔的锥角对孔内流场的优化作用。
图5-1至图8-3为不同入口流速时，孔内流场的分布情况。由图可知入口流速仅仅影响孔内各点的速度，并不改变流畅的分布情况。无论入口流速如何，孔内涡流范围都会随着锥角的增大而减小。由图8-1至图8-3可知当锥角为160o时，不同入口流速下，孔内涡流都会消失。因此可以证明，入口流速不影响孔的锥角对孔内流场的优化作用。

Claims (2)

1.一种基于锥形孔模板的群孔模板电解加工系统，
由金属板（1）、模板（2）、工件（3）、绝缘板（4）组成；其中在模板（2）上加工有群孔，模板（2）紧密覆盖于工件3之上，绝缘板（4）置于工件（3）之下；金属板（1）连接电源负极，工件（3）连接电源正极，金属板（1）和模板（2）之间有一定的间隙；
其特征在于：上述模板（2）上的群孔为上大下小的锥形孔结构，其中锥角α的范围是100o~170o。
2.根据权利要求1所述的基于锥形孔模板的群孔模板电解加工系统，其特征在于：
所述模板（2）上的锥形孔的锥角α最优值为160o。
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