CN105522239B - 回转体表面凸台结构电解加工双极性电极及其电解加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明采用一种回转体表面凸台结构电解加工双极性电极及其电解加工方法，属于电解加工技术领域。该方法，其特征在于：工具电极为双极性电极，根据凸台高度的不同，辅助电极设置为固定及可往复运动的形式，加工过程中通过电子负载给辅助电极与工件阳极间施加恒定的正电势差，由于辅助电极与凸台距离很近，根据电场分布原理，具有更高电势的辅助电极能够有效改变加工区凸台表面的电场分布，消除凸台表面的杂散电流，起到保护凸台表面不受杂散腐蚀的作用。
Description
技术领域
本发明采用回转体表面凸台结构电解加工双极性电极及其电解加工方法，属于电解加工技术领域。
背景技术
电解加工是利用电化学反应快速去除工件材料。与传统机械加工方式相比，电解加工为非接触加工，在加工过程中无刀具损耗、无残余应力、无冷作硬化、无塑性变形、表面粗糙度低等优点。因此电解加工适用于薄壁零件、空间复杂曲面以及难切削的高温合金材料的加工。
机匣作为航空发动机中的重要零件，是一种具有复杂凹凸型面的大型薄壁零件，其材料多为高温合金或钛合金，用传统的机械加工，刀具损耗很大，加工周期长，加工费用高，加工完成后残余应力大，工件易变形，需经过复杂的热处理工艺来消除变形。为解决薄壁机匣零件的加工难题，南京航空航天大学提出了一种新型的航空发动机薄壁机匣电解加工方法（申请号 201410547093.X 申请人 南京航空航天大学，发明人 朱荻 朱增伟 王宏睿 王登勇），在加工过程中，只使用单一回转体工具电极即可实现复杂型面的一次性加工成型。与传统的采用多个电极分度、分块、分工步加工的机匣电解加工方式相比，加工工序更为简单。此方法克服了传统电解加工工具设计困难、需后续去除“进出口痕迹”、加工工件易变形等问题，实现高效、高质量、低成本电解加工。
杂散腐蚀是电解加工中的常见问题，已经成为制约电解加工精度的一个重要因素。在上述的航空发动机薄壁机匣电解加工方法中，由于工件阳极与工具阴极相对旋转，非加工区的凸台表面的杂散腐蚀依然存在，影响凸台结构的成型质量。如何减少杂散腐蚀以提高电解加工精度已成为电解加工领域中的核心问题之一。
传统提高电解加工精度的方法主要有：1）改变电解液，使用低浓度的NaNO3等钝性电解液；2）采用混气电解加工方法，在电解液中混入大量的压缩空气，降低加工间隙中电解液的电导率使得侧面间隙区域溶解速度降低；3）利用脉冲电解加工方法，脉冲电解加工有利于电解产物的及时排出，改善加工间隙的电解液，提高加工质量。上述方法中能够有效提高电解加工精度，但是仍然有其不足之处，低浓度的钝性电解液、低电导率的混气电解液以及脉冲电解加工都会导致加工效率的降低。近年来，在以上基础之上，研究人员又提出了一些新的解决手段来提高电解加工精度。在专利“型面电解加工复合磁场装置”（申请号200320109822.0 申请人 西安工业学院，发明人 范植坚 马保吉 钟玲 陈林 贾建利）中，利用磁场与电解加工复合，有效地解决了复杂型面电解加工的精加工问题。在专利“采用双极性电极的微细群坑电解加工方法及其双极性电极”（申请号 200810022327.3 申请人 南京航空航天大学，发明人 朱荻 曲宁松 钱双庆 李冬林）中，采用带有正负两个极性的电极进行群坑电解加工，利用带正电的辅助电极来减少坑侧壁的电场强度，从而提高电解加工精度。在专利“辅助电极管电极电解加工方法”（申请号 201310199975.7 申请人 南京航空航天大学，发明人 房晓龙 曲宁松 朱荻 张玉冬）中，采用带有正电位差的辅助电极进行管电极加工以提高管电极电解加工群孔出口精度。
上述专利中复合磁场、双极性电极、辅助电极管都是通过改变加工间隙的电场分布，减少非加工区的杂散电流来提高电解加工精度，但都有其局限性，复合磁场装置较为复杂实施比较困难，双极性电极以及辅助电极管都是用于解决孔或坑类零件侧壁的杂散腐蚀问题。由于在上述新型的薄壁机匣电解加工方法中，工件阳极与工具阴极在相对旋转，其运动形式较传统电解加工更为复杂，因此有必要设计一种新型电极以提高工件表面的凸台加工成型精度。
发明内容
本发明旨在能够有效地地减少电解加工中工件非加工凸台表面的杂散腐蚀，提高电解加工定域性，提出一种回转体表面凸台结构电解加工双极性电极及其电解加工方法。
一种回转体表面凸台结构电解加工双极性电极，其特征在于：包括电源、工具阴极、工件阳极、辅助电极、电子负载；辅助电极为不溶于中性盐溶液的钛或惰性金属；
所述工具阴极表面开有镂空的窗口结构；所述工具阴极紧紧固定于所述辅助电极表面，且两者之间具有绝缘层；
所述工件阳极与所述电子负载串联后，再与所述辅助电极串联后与电源正极相连；所述工具阴极与电源负极相连。
根据所述回转体表面凸台结构电解加工双极性电极的电解加工方法，其特征在于：该方法适用于回转体表面高度为0-1mm的低凸台电解加工，加工时将电子负载设定为恒压模式，以保证辅助电极与工件阳极之间有稳定的正电势差；由于辅助电极与凸台距离很近，根据电场分布原理，具有更高电势的辅助电极能够有效改变加工区凸台表面的电场分布，消除凸台表面的杂散电流，起到保护凸台表面不受杂散腐蚀的作用。
对于回转体表面高度为0-1mm的低凸台，辅助电极与凸台距离很近，辅助电极固定在工具阴极窗口内壁即可满足实际加工要求。
一种回转体表面凸台结构电解加工双极性电极，其特征在于：包括电源、工具阴极、工件阳极、辅助电极、电子负载；辅助电极为不溶于中性盐溶液的钛或惰性金属；
所述工具阴极具有安装凹槽，在工具阴极的外壁面，且与安装凹槽对应的位置具有弹簧安装框；所述安装凹槽的底部具有通孔，所述辅助电极安装于该安装凹槽中，且辅助电极的末端穿过上述通孔；辅助电极末端与弹簧安装框底部之间依次为限位螺母和弹簧；所述工具阴极与辅助电极之间具有绝缘层；所述辅助电极上与所述工件阳极相对的面嵌有使辅助电极和工件阳极不能接触的绝缘挡片；
所述工件阳极与所述电子负载串联后，再与所述辅助电极串联后与电源正极相连；所述工具阴极与电源负极相连。
根据所述回转体表面凸台结构加工电极系统的电解加工方法，其特征在于：对于回转体表面高度为1-20mm的高凸台电解加工，加工时将电子负载在工作时设定为恒压模式，以保证辅助电极与工件阳极之间有稳定的正电势差；在加工过程中，工件阳极与工具阴极以相同的转速相对旋转，当凸台转至中间的加工区域时，辅助电极在弹簧的弹性作用下能够始终与凸台表面接触；限位螺母用于控制辅助电极随着弹簧在一定范围内运动；
由于辅助电极与凸台距离很近，根据电场分布原理，具有更高电势的辅助电极能够有效改变加工区凸台表面的电场分布，消除凸台表面的杂散电流，起到保护凸台表面不受杂散腐蚀的作用。
对于回转体表面高度为1-20mm的高凸台，当辅助电极固定在工具阴极窗口内壁时，辅助电极与凸台距离很远，不能有效消除凸台表面的杂散电流，将辅助电极安装在弹簧装置上，在弹簧的弹性作用下能够保证辅助电极与凸台表面始终接触，从而起到消除凸台的表面杂散腐蚀。
附图说明
图1对于高度0-1mm的低凸台电解加工时双电极结构示意图；
图2对于高度1-20mm的高凸台电解加工时辅助电极刚进入加工区时的示意图；
图3对于高度1-20mm的高凸台电解加工时辅助电极进入加工区时弹簧被压缩时的示意图；
图4对于高度1-20mm的高凸台电解加工时辅助电极即将离开加工区时的示意图；
图5 对于高度1-20mm的高凸台电解加工时辅助电极结构示意图；
图6对于高度1-20mm的高凸台电解加工时工件阳极非加工区域的电流密度分布图；
图7未使用辅助电极所加工出的凸台结构；
图8对于高度2mm的高凸台电解加工时在辅助电极与工件阳极间施加10 V电势差所加工出的凸台结构。
图中标号名称：1、工件阳极，2、辅助电极，3、工具阴极，4、电源，5、弹簧，6、限位螺母，7、绝缘层, 8、弹簧安装框，9、电子负载，10、绝缘挡片，11、安装凹槽，12、凸台。
具体实施方式
结合图1、2、3、4、5，说明本发明的实施过程：
图1对于高度0-1mm的低凸台电解加工时双电极结构示意图。辅助电极固定于工具阴极内壁，通过绝缘层进行绝缘，工件阳极与电子负载串联后再与辅助电极并联连接电源正极，工具阴极与电源负极相连。电子负载在工作时设定为恒压模式，以保证辅助电极与工件阳极之间有稳定的正电势差。
图2、3、4为对于高度1-20mm的高凸台电解加工时辅助电极在不同位置时的示意图。在转入加工区时，辅助电极开始与工件阳极表面接触并逐渐被压入工件阴极的窗口内部。在转出加工区后，辅助电极后在弹簧作用下伸出工件阴极窗口。在整个过程中，辅助电极始终与工件阳极接触。如图5所示，辅助电极末端为螺杆结构，其底部装有限位螺母，可限定辅助电子在一定范围内运动，辅助电极表面嵌有绝缘薄片以保证辅助电极与工具阴极间的绝缘。与低凸台电解加工时类似，通过电子负载来以保证辅助电极与工件阳极之间有稳定的正电势差。
图6所示为电源电压U=25V，电子负载电压ΔU分别为0V、1V、3V、5V、10V时工件阳极非加工区域的电流密度分布图，可以看出利用可往复运动的辅助电极可以有效地降低工件阳极表面杂散电流值。给辅助电极与工件阳极之间施加10V的正电势差可以完全消除工件阳极非加工表面的杂散腐蚀。
图7所示为在工件阳极加工电压Ua=15V，未使用辅助电极所加工出的凸台结构，可以看出凸台成型轮廓质量很差，表面杂散腐蚀严重。
图8所示为在电源电压U=25V，电子负载电压ΔU=10V，使用辅助电极所加工出的凸台结构，可以看出利用双极性电极可以有效地改善凸台表面的杂散腐蚀，极大地提高了凸台的加工精度。
Claims (4)
1.一种回转体表面凸台结构电解加工双极性电极，其特征在于：
包括电源（4）、工具阴极（3）、工件阳极（1）、辅助电极（2）、电子负载（9）；辅助电极（2）表面涂覆不溶于中性盐溶液惰性金属材料；
所述工具阴极（3）表面开有镂空的窗口结构；所述工具阴极（3）紧紧固定于所述辅助电极（2）表面，且两者之间具有绝缘层（7）；
所述工件阳极（1）与所述电子负载（9）串联后，再与所述辅助电极（2）串联后与电源（4）正极相连；所述工具阴极（3）与电源（4）负极相连。
2.利用权利要求1所述回转体表面凸台结构电解加工双极性电极的电解加工方法，其特征在于：
该方法适用于回转体表面高度为0-1mm的低凸台（12）电解加工，加工时将电子负载（9）设定为恒压模式，以保证辅助电极（2）与工件阳极（1）之间有稳定的正电势差；由于辅助电极（2）与凸台（12）距离很近，根据电场分布原理，具有更高电势的辅助电极（2）能够有效改变加工区凸台表面的电场分布，消除凸台（12）表面的杂散电流，起到保护凸台（12）表面不受杂散腐蚀的作用。
3.一种回转体表面凸台结构电解加工双极性电极，其特征在于：
包括电源（4）、工具阴极（3）、工件阳极（1）、辅助电极（2）、电子负载（9）；辅助电极（2）表面涂覆不溶于中性盐溶液惰性金属材料；
所述工具阴极（3）具有安装凹槽（11），在工具阴极（3）的外壁面，且与安装凹槽（11）对应的位置具有弹簧安装框（8）；所述安装凹槽（11）的底部具有通孔，所述辅助电极（2）安装于该安装凹槽（11）中，且辅助电极（2）的末端穿过上述通孔；辅助电极末端与弹簧安装框（8）底部之间依次为限位螺母（6）和弹簧（5）；所述工具阴极（3）与辅助电极（2）之间具有绝缘层（7）； 所述辅助电极（2）上与所述工件阳极（1）相对的面嵌有使辅助电极（2）和工件阳极（1）不能接触的绝缘挡片（10）；
所述工件阳极（1）与所述电子负载（9）串联后，再与所述辅助电极（2）串联后与电源（4）正极相连；所述工具阴极（3）与电源（4）负极相连。
4.利用权利要求3所述回转体表面凸台结构电解加工双极性电极的电解加工方法，其特征在于：
对于回转体表面高度为1-20mm的高凸台（12）电解加工，加工时将电子负载（9）在工作时设定为恒压模式，以保证辅助电极（2）与工件阳极（1）之间有稳定的正电势差；在加工过程中，工件阳极（1）与工具阴极（3）以相同的转速相对旋转，当凸台（12）转至中间的加工区域时，辅助电极（2）在弹簧的弹性作用下能够始终与凸台（12）表面接触；限位螺母（6）用于控制辅助电极（2）随着弹簧（5）在一定范围内运动；
由于辅助电极（2）与凸台（12）距离很近，根据电场分布原理，具有更高电势的辅助电极（2）能够有效改变加工区凸台（12）表面的电场分布，消除凸台（12）表面的杂散电流，起到保护凸台（12）表面不受杂散腐蚀的作用。
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