CN105728874B - 微细倒锥孔的电解加工方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种微细倒锥孔的电解加工方法，以Φ200μm以下的微细倒锥孔加工为研究目标，在采用微细中空电极和高压供液装置的基础上，一次性实现倒锥孔的精密成形。随着工具电极向下进给，根据微细倒锥孔的加工参数协同控制关系，控制电解加工电压U、脉冲占空比λ和工具电极进给速度vf中的一个或多个随加工深度变化。该加工参数协同控制关系由微细倒锥孔的孔径‑参数关系d=83.59+182.06×λ‑17.06×λ×vf+0.35×U2和倒锥孔的形状参数d=a0·h+d0得到，a0由微细倒锥孔的锥角决定，d0为倒锥孔的入口直径；工件被贯通后进行出口圆角加工，最后工具电极向上回退至初始位置，得到微细倒锥孔。
Description
技术领域
本发明涉及一种微细倒锥孔的电解加工方法及其装置，属于微细特种加工技术领域。
背景技术
在机械零件结构的微型化和精密化趋势下，高深宽比的微细倒锥孔在发动机、微机电系统和精密仪器等领域的应用越来越多。例如柴油发动机喷油嘴上的微细倒锥形喷孔可有效提高燃油的燃烧效率、减少废气排放等。而且在其燃油喷射的入口处加工圆角可以进一步提高燃油的流量系数。随着倒锥孔尺寸形状和精度要求的提高，微细倒锥孔精密成形和表面光整加工难度的逐渐增大，如何实现尺寸微小、形状精度高、表面质量好的微细倒锥孔及其出口圆角的加工仍然是一个挑战。
目前微细倒锥形喷孔的常用加工工艺是采用电火花加工或激光加工实现孔的加工成形，然后采用磨粒流挤压研磨工艺提高通孔的表面质量。微细电火花加工得到倒锥孔需采用电极偏摆机构或成型电极，虽然其成形效率较高，但是工具电极的损耗无法避免，影响孔的形状精度。激光加工微细孔没有工具损耗，但是其表面质量较差。尽管飞秒脉冲激光加工的发展具有提高加工效率和表面质量的潜力，但其应用尚不成熟。磨粒流挤压研磨可以辅助降低表面粗糙度改善表面质量，但是磨粒流会破坏孔的形状精度，而且孔内残留的磨粒清洗比较困难。
电解加工是利用电化学反应的原理使阳极金属在电解液中以离子形式溶解，从而将工件蚀除成形的一种精密加工方法。具有加工精度高，工件表面质量好的特点。在采用电解加工微细倒锥孔中，严格控制孔的轮廓形状即直径变化非常关键。在稳定的电解加工状态下，微细倒锥孔的直径由加工电压、脉冲占空比、工具电极进给速度和电解液的电导率分布等因素决定，随着工具电极向下进给，精确控制加电解加工电压、脉冲占空比、进给速度可实现对微细孔尺寸和形状的精确控制。然而，目前电解加工中材料蚀除形成的孔径与加工参数间的定量关系以及加工参数的控制规律的选取方法尚不明确。
CN201110144408提出一种微细倒锥孔的电解加工方法和装置，其工艺是预先在工件上钻削或电火花加工一通孔，然后在该通孔的基础上电解加工得到倒锥孔，其电解工序中工具电极与通孔的二次对中误差较大，对中精度直接影响微细倒锥孔的形状精度，而且由于需要二次加工，所以工序也比较复杂。
发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种微细倒锥孔的电解加工方法及其装置，该电解加工方法一次性实现微细倒锥孔的精密成形，不需二次加工。通过建立孔径与加工参数间的定量关系，按一定规律协同控制加工参数，最终实现微细倒锥形孔的精密成形。
一种微细倒锥孔的电解加工方法，包括以下工序：提供一待加工工件、一工具电极、一脉冲电源和一高压内冲液单元，所述工具电极具有一内孔，所述待加工工件与所述脉冲电源的正极电连接，所述工具电极与所述脉冲电源的负极电连接；打开高压内冲液单元的液泵电源，使所述高压内冲液单元通过所述工具电极的内孔向加工间隙提供电解液；开启脉冲电源输出脉冲信号，所述工具电极向下进给运动，工具电极向下进给运动过程中，根据电解加工中微细倒锥孔的加工参数协同控制关系，控制电解加工电压U、脉冲占空比λ和工具电极进给速度vf三个参数中的一个或多个参数随着加工深度h变化，所述加工参数协同控制关系由微细倒锥孔的孔径-参数关系d＝83.59+182.06×λ-17.06×λ×vf+0.35×U2以及微细倒锥孔的形状参数d＝a0·h+d0得到，其中，所述孔径-参数关系是以待加工工件材料为18CrNi8，电解液为NaClO3建立的，a0由微细倒锥孔的锥角决定，d0为微细倒锥孔的入口直径，h为加工深度；所述待加工工件被贯通后，所述工具电极作变加速向上回退运动，进行出口圆角的加工，最后工具电极向上回退运动到初始位置，得到所述微细倒锥孔。
一种微细倒锥孔的电解加工装置，包括一工具电极，一待加工工件，一脉冲电源以及一高压内冲液单元，所述工具电极与所述脉冲电源的负极电连接，所述待加工工件与所述脉冲电源的正极电连接，所述工具电极包括一内孔，所述高压内冲液单元通过所述工具电极的内孔向加工间隙提供电解液，其特征在于，进一步包括一低压电解液循环单元，该低压电解液循环单元用于在所述待加工工件被贯通后，向工具电极和待加工工件间的加工间隙内提供电解液。
与现有技术相比较，本发明提供的微细倒锥孔的电解加工方法及装置，通过一个工序就可以实现微细倒锥孔的精密成形，不存在二次对中问题，提高了微细倒锥孔的形状精度，简化了加工工序。另外，所述微细倒锥孔电解加工孔径-参数关系明确了微细倒锥孔的孔径与电解加工电压U，脉冲占空比λ以及电极进给速度vf的定量关系，指导了微细倒锥孔加工中的协同参数控制规律的选取，在工具电极进给过程中精确协同控制加工电压、脉冲占空比以及进给速度，可以实现对微细孔尺寸和形状的精确控制。
附图说明
图1是本发明实施方式提供的微细倒锥孔及其出口圆角精密成形示意图。
图2是本发明实施方式提供的微细倒锥孔的电解加工装置的组成示意图。
图3是本发明实施方式提供的高压内冲液单元的供液压力和加工深度的变化曲线。
主要元件符号说明
微细倒锥孔的电解加工装置 100
工具电极 10
待加工工件 20
脉冲电源 30
高压内冲液单元 40
低压电解液循环单元 50
隔膜泵 41，51
电磁流量阀 42
精密过滤器 43，53
电解液箱 44，54
废液槽 45
电磁减压阀 52
绝缘层 60
工装夹具 70
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施例，对本发明提供的微细倒锥孔的电解加工方法及其装置作进一步的详细说明。
请参阅图1和2，本发明提供的微细倒锥孔的电解加工装置100包括一工具电极10，一待加工工件20，一脉冲电源30，一高压内冲液单元40和一低压电解液循环单元50。所述工具电极10与所述脉冲电源30的负极电连接，所述待加工工件20与所述脉冲电源30的正极电连接。
所述工具电极10为一微细中空电极，工具电极10具有一内孔(图未标)。该工具电极10的外侧壁包覆一绝缘层60。优选的，工具电极10的材料为黄铜，其内径为60μm，外径为130μm，侧壁绝缘处理后直径为150μm。
所述高压内冲液单元40由隔膜泵41，电磁流量阀42，精密过滤器43，电解液箱44以及废液槽45组成，具有供液压力高、电解液流量小、流道纯净度高等特点。所述高压内冲液单元40的供液压力可以实时精确调整，高压内冲液单元40的供液压力p1范围优选为0.2～1.3MPa。所述高压内冲液单元40通过工具电极10的内孔向加工间隙提供电解液，实现电解液更新的同时排出电解产物。
所述低压电解液循环单元50由隔膜泵51，电磁减压阀52，精密过滤器53以及电解液箱54组成。所述低压电解液循环单元50的供液压力p2范围优选为0.05～0.2MPa，低压电解液循环单元50的供液压力p2在电解加工中保持不变。所述低压电解液循环单元50在待加工工件20被部分贯通后，向工具电极10和待加工工件20间的加工间隙内提供电解液，保证电化学反应的正常进行，进而避免倒锥孔出口及圆角欠加工的现象。可以理解，所述低压电解液循环单元50为一可选择元件，可以根据实际需要进行选择。
所述微细倒锥孔的电解加工装置100可进一步包括一工装夹具70，用于夹持待加工工件20。
本发明提供的微细倒锥孔的电解加工方法主要实现在厚度为0.5～1.5mm的18CrNi8上加工出口直径为0.1mm～0.2mm，锥角大小为0～1.15°的微细倒锥孔的一次精密成形和光整加工。18CrNi8为目前柴油发动机喷油嘴普遍采用的材料。可以理解，本发明提供的微细倒锥孔电解加工方法也可以用于其它材料的微细倒锥孔。
所述微细倒锥孔的电解加工方法包括以下工序：提供一工具电极10、一待加工工件20、一脉冲电源30和一高压内冲液单元40，所述工具电极10具有一内孔，所述待加工工件20与脉冲电源30的正极电连接，所述工具电极10与脉冲电源30的负极电连接。打开高压内冲液单元40的液泵电源，使高压内冲液单元40通过工具电极10的内孔向加工间隙提供电解液。开启脉冲电源30，该脉冲电源30输出脉冲信号，控制所述工具电极10向下进给，工具电极10向下进给过程中，根据微细倒锥孔电解加工中孔径-参数关系以及加工参数协同控制规律，精确控制电解加工电压、脉冲占空比和加工进给速度三个参数中的中的一个或多个参数随着加工深度变化。所述待加工工件20被贯通后，脉冲电源30继续输出脉冲信号，工具电极10作变加速向上回退，对微细倒锥孔的出口表面进行圆弧加工，得到带有出口圆角的微细倒锥孔；以及关闭脉冲电源30，控制工具电极10恢复到初始位置。
利用NaClO3作为电解液加工18CrNi8材料时，所述微细倒锥孔的孔径-参数关系如式(1)所示：
d＝83.59+182.06×λ-17.06×λ×vf+0.35×U2 (1)。
其中，U为电解加工电压，U＝8～12V；λ为脉冲占空比，λ＝0.3～0.8；vf为工具电极进给速度，vf＝1～6μm/s。所述孔径-参数关系由电解加工电场仿真和正交试验得到，其中d的单位为μm。
由于微细倒锥孔的孔壁面母线形状为直线，微细倒锥孔孔径d随加工深度h的变化关系为d＝a0·h+d0，即，微细倒锥孔形状参数为d＝a0·h+d0。其中a0由微细倒锥孔的锥角θ决定，a0＝2tan(θ/2)，d0为微细倒锥孔的入口直径。根据微细倒锥孔的孔径-参数关系可以得到在电解加工电压，脉冲占空比和工具电极进给速度任意组合的加工条件下微细倒锥孔的直径大小，结合微细倒锥孔的尺寸和形状，可选取微细倒锥孔的协同参数控制规律，从而加工出特定直径和形状的微细倒锥孔。换言之，根据d＝83.59+182.06×λ-17.06×λ×vf+0.35×U2以及d＝a0·h+d0可以得到电解加工电压、脉冲占空比以及工具电极进给速度的控制规律。
在加工过程中可以选择电解加工电压U、脉冲占空比λ和工具电极进给速度vf三个参数中的一个参数、两个参数或者三个参数随着加工深度h变化。为了简化加工参数的控制规律的选取和实现参数变化的精确控制，在加工过程中优选只有单一参数随着加工深度h变化，本实施例中采用变电解加工电压U或变进给速度vf两种方式进行加工。
在所述变电解加工电压方式中，将脉冲占空比λ设为恒值λU，将进给速度vf设为恒值vfU，根据d＝83.59+182.06×λ-17.06×λ×vf+0.35×U2以及d＝a0·h+d0可得电解加工电压U的控制规律Φ1(h)如式(2)所示。
Φ1(h)＝[(a0·h+d0-F(0,λU,vfU))/0.35]0.5 (2)
其中h＝0～1500μm。
在所述变进给速度方式中，将电解加工电压U设为恒值Uv，将脉冲占空比λ设为恒值λv，根据d＝83.59+182.06×λ-17.06×λ×vf+0.35×U2以及d＝a0·h+d0可得工具电极进给速度vf的控制规律Φ2(h)如式(3)所示。
Φ2(h)＝a1·h+dvf(3)
其中a1＝-a0/17.06λv，dvf＝-[d0-F(Uv,λv,0)]/17.06λv，h＝0～1500μm。
随着所述工具电极10向下进给运动，根据协同参数控制规律采用变电解加工电压方式或变工具电极进给速度方式都可以实现微细倒锥孔的精密成形，其加工参数组合分别为[Φ1(h),λU,vfU]，[Uv,λv,Φ2(h)]。
可以理解，在实现微细倒锥孔的协同控制中，也可以控制只有脉冲占空比λ随着加工深度h变化，电解加工电压U、脉冲占空比λ和工具电极进给速度vf中的任意两个参数随着加工深度h变化，或者电解加工电压U、脉冲占空比λ和工具电极进给速度vf均随着加工深度h变化。
所述高压内冲液单元40通过工具电极10的内孔向加工间隙提供电解液，实现电解液更新的同时排出电解产物。
所述高压内冲液单元40的供液压力p1随着加工深度h而实时变化的作用如下，其一随着加工深度h的增大，电解液更新和产物排出更加困难，增大p1可以实现高深宽比微细倒锥孔的正常加工；其二通过严格控制p1的变化过程，可以保持加工区域内电解液中电流密度的均匀性和一致性。p1的变化过程p1＝ψ(h)如式(4)。p1随着加工深度h变化的关系曲线如图3所示。
p1＝5.2×105+204h+0.12h2(4)其中，h＝0～1500μm，p1的单位为Pa。
所述微细倒锥孔电解加工方法可进一步包括提供一低压电解液循环单元50，在待加工工件20被贯通后，低压电解液循环单元50中的电解液被压入工具电极10和待加工工件20间的加工间隙内，进而使加工间隙内留存电解液，保证倒锥孔出口及圆角的正常加工，解决微细倒锥孔贯通后出现的倒锥孔及圆角欠加工问题。同时使加工得到的电解液产物和气泡等将随着电解液的流动而排出。
优选的，所述待加工工件20被贯通后，工具电极10继续进给10～20μm。然后进行变加速回退。回退距离根据具体的圆角加工要求而定。
所述低压电解液循环单元50的液泵电源可以与所述高压内冲液单元40的液泵电源同时打开，也可以在待加工工件20被贯通后打开。
实施例一
本实施例在工件厚度为1.0mm的18CrNi8上加工得到出口直径为178μm，锥度为1.15°的微细倒锥孔及其出口圆角，该微细倒锥孔的形状参数为d＝178+0.02h(h＝0～1000μm)。该微细倒锥孔的电解加工方法包括以下步骤：
S1:将待加工工件20安装在工装夹具70上，将待加工工件20与脉冲电源30的正极电连接，工具电极10与脉冲电源30的负极电连接。
S2:打开高压内冲液单元40以及低压电解液循环单元50的液泵电源，使高压内冲液单元40通过所述工具电极10的内孔向加工间隙提供电解液，设置低压电解液循环单元50的电解液压力p2为0.05MPa，高压内冲液单元40以及低压电解液循环单元50的电解液均为NaClO3。
S3:开启脉冲电源30，该脉冲电源30输出脉冲信号，控制所述工具电极10向下进给，将工具电极10与待加工工件20的接触点作为初始加工位置，即h＝0。
S4:在工具电极10向下进给过程中，工具电极10进给速度vf＝4μm/s，脉冲占空比λ＝0.5，电解加工电压按照U＝1.69×(37.49+0.02h)0.5的控制规律进行变化，高压内冲液单元40的供液压力p1按照p1＝5.2×105+204h+0.12h2的控制规律变化。
其中，电解加工电压单位为V，脉冲占空比的单位为1，高压内冲液单元40的供液压力p1单位为Pa，h＝0～1000μm。
S5:待加工工件20被贯通后，脉冲电源30继续供电，工具电极10保持进给速度继续进给10μm，对倒锥孔出口表面进行圆弧加工，然后进行向上加速回退40μm，工具电极10的回退速度由2μm/s变化为10μm/s。加速回退时间为6s。
S6:关闭电解加工的脉冲电源30，控制工具电极10继续回退直至恢复到工具电极10的初始位置，快速回退速度为1000μm/s。
S7:关闭高压内冲液单元40以及低压电解液循环单元50的液泵电源。
实施例二
本实施例的电解加工方法的步骤与实施例1的步骤基本相同，两者的区别仅在于步骤S4，本实施例的步骤S4包括以下步骤：
S4:在所述工具电极10向下进给过程中，工具电极10电解加工电压U＝11V，脉冲占空比λ＝0.5，进给速度按照vf＝4.6-0.0024h的控制规律进行变化，高压内冲液单元40的供液压力p1按照p1＝5.2×105+204h+0.12h2的控制规律变化。
其中，脉冲占空比的单位为1，进给速度vf的单位为μm/s，高压内冲液单元40的供液压力单位为Pa，h＝0～1000μm。
本发明提出的微细倒锥孔的电解加工方法及其装置具有以下优点：(1)通过一次加工就可以实现微细倒锥孔的精密成形和表面光整，倒锥孔出、入口不存在毛刺，不存在二次对中问题，提高了微细倒锥孔的形状精度，而且工序也比较简单。(2)所述微细倒锥孔电解加工孔径-参数关系涵盖了100～200μm的微细倒锥孔的孔径与电解加工电压U，脉冲占空比λ以及电极进给速度vf的定量的数学关系，指导了微细倒锥孔加工中的协同参数控制规律的选取。(3)高压内冲液单元的供液压力p1的控制规律可以在实现高深宽比微细倒锥孔加工的同时，保持加工区域内电解液中电流密度的均匀，为微细倒锥孔的精密成形提供了条件。(4)低压电解液循环管路可以保证工件被贯通后加工区域内的电解液留存，解决微细倒锥孔及圆角欠加工的问题。
另外，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其它变化，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。
Claims (5)
1.一种微细倒锥孔的电解加工方法，包括以下工序：
提供一待加工工件、一工具电极、一脉冲电源和一高压内冲液单元，所述工具电极具有一内孔，所述待加工工件与所述脉冲电源的正极电连接，所述工具电极与所述脉冲电源的负极电连接；打开高压内冲液单元的液泵电源，使所述高压内冲液单元通过所述工具电极的内孔向加工间隙提供电解液；
开启脉冲电源输出脉冲信号，所述工具电极向下进给运动，工具电极向下进给运动过程中，根据电解加工中微细倒锥孔的加工参数协同控制关系，控制电解加工电压U、脉冲占空比λ和工具电极进给速度vf三个参数中的一个或多个参数随着加工深度h变化，所述加工参数协同控制关系由微细倒锥孔的孔径-参数关系d＝83.59+182.06×λ-17.06×λ×vf+0.35×U2以及微细倒锥孔的形状参数d＝a0·h+d0得到，其中，所述孔径-参数关系是以待加工工件材料为18CrNi8，电解液为NaClO3建立的，a0由微细倒锥孔的锥角决定，d0为微细倒锥孔的入口直径,h为加工深度；
所述待加工工件被贯通后，所述工具电极作变加速向上回退运动，进行出口圆角的加工，最后工具电极向上回退运动到初始位置，得到所述微细倒锥孔。
2.如权利要求1所述的微细倒锥孔的电解加工方法，其特征在于：将脉冲占空比λ设为恒值λU，进给速度vf设为恒值vfU，电解加工电压U的控制规律Φ1(h)为：
Φ1(h)＝[(a0·h+d0-F(0,λU,vfU))/0.35]0.5，其中h＝0～1500μm。
3.如权利要求1所述的微细倒锥孔的电解加工方法，其特征在于：将电解加工电压U设为恒值Uv，将脉冲占空比λ设为恒值λv，加工进给速度vf的控制规律Φ2(h)为：
Φ2(h)＝a1·h+dvf，
其中a1＝-a0/17.06λv，dvf＝-[d0-F(Uv,λv,0)]/17.06λv，h＝0～1500μm。
4.如权利要求1所述的微细倒锥孔的电解加工方法，其特征在于：所述高压内冲液单元的供液压力p1＝5.2×105+204h+0.12h2，其中，p1的单位为Pa，h为加工深度，h＝0～1500μm。
5.如权利要求1所述的微细倒锥孔的电解加工方法，其特征在于：进一步包括一低压电解液循环单元，所述待加工工件被贯通后，所述低压电解液循环单元向工具电极和待加工工件间的加工间隙内提供电解液。
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