CN106270841A - 柔性金属薄板微群槽连续电解加工系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种柔性金属薄板微群槽连续电解加工系统及方法，属于电解加工技术领域。包括柔性金属薄板工件输运系统、电解加工工具电极系统、加工电源、电解液循环系统、电解加工机床。加工时，首先完成柔性金属薄板的装夹，柔性金属薄板从若干支撑辊轮及弧形掩膜板之间穿过，内、外表面贴紧相应的支撑辊轮与弧形掩膜板；根据微群槽的结构及尺寸选择工具电极，并完成装夹；电解液进行冲液，工具电极沿支撑辊轮径向进给，在柔性金属薄板表面加工出沟槽结构；加工至指定深度后，主动轮连续转动，带动柔性金属薄板沿辊轮切线方向缓慢滑动，完成柔性金属薄板表面微群槽的连续加工。工具电极同步进行辅助运动，促进电解液的更新及电解产物的排出。

Description

柔性金属薄板微群槽连续电解加工系统及方法

技术领域

本发明的柔性金属薄板微群槽连续电解加工系统及方法，属于电解加工技术领域。

背景技术

微尺度槽结构广泛存在于航空航天、仪器仪表等领域的重要零件中，并且多以群槽结构出现。为了满足使用需求，一般采用钛合金、高温合金、不锈钢等难加工材料。此类难加工材料微群槽结构的制造对现有加工技术提出了极大挑战，已成为研究热点和难点。

国内外研究人员提出了多种工艺方法来提高微群槽结构的加工质量、加工效率。塑性成形是微群槽结构的常用加工方法，已实现常规材料微细结构的生产应用，但由于难加工材料屈服应力较高，塑性成形工艺存在着成形力大、模具磨损大、工件残余应力大、金属薄板材易变形等问题。微细铣削是微群槽结构的又一种加工方法，但对于难加工材料薄壁微群槽结构，微细铣削仍存在板材易变形、加工应力、刀具磨损、加工毛刺不可避免、加工效率低等问题。研究人员还采用微细电火花加工、激光加工、化学刻蚀等工艺加工微群槽结构。电火花加工、激光加工利用热能蚀除工件，薄壁零件受热易变形；电火花加工速度慢，工具电极损耗严重；激光加工存在残留熔融物遇冷凝固形成的“翻边”，通常需要采用二次光整加工工艺去除。激光加工、化学刻蚀加工对于微槽的精度控制能力差。

近年来，国内外研究人员特别关注微细电解加工技术，期望利用其独特的加工原理和特性解决难加工材料薄壁微槽结构的制造难题。日本东京大学Kunieda等采用射流电化学加工技术在复杂曲面表面加工出微沟槽；德国Hackert等采用电液束技术扫描加工出带有微群槽结构的微反应器。台湾元智大学Lee等采用块状成形电极电解加工微流道，模拟了该加工方式下微流道的成型过程，加工出表面宽450微米、底面宽340微米、深65微米的微群槽流道。英国纽卡斯尔大学Roy等采用电解转印工艺加工出微流道。南通大学钱双庆等开展了蛇形微槽的电化学掩膜刻蚀电场的有限元分析，研究了加工参数对槽宽度与深度的影响等。

电解加工技术是基于电化学阳极溶解原理实现材料去除的加工技术，因此其不受材料力学性能的限制。在加工过程中工具阴极与工件阳极始终处于不接触状态，因此不存在机械力，工件表面质量较好、无毛刺，工具电极无损耗可以长期重复使用。

利用微米尺度的金属丝作为工具电极的线电极电解切割技术，可以实现准半圆截面微槽结构的加工，工艺准备时间短。利用多根以并联形式与脉冲电源连接的固定间距的阵列金属丝作为工具电极可以实现微群槽加工，有效提高电解线切割加工的加工效率，特别适合准半圆截面微群槽结构的加工成型。

利用成形工具电极可以实现多种截面形状微槽结构的电解加工。预先制备出与待加工微群槽截面形状和尺寸相对应的成形梳齿状薄片电极及阵列滚齿状电极片，利用高频脉冲电源进行电解加工可以实现微群槽结构的加工需求。在加工过程中辅助以梳齿状薄片电极的微幅往复运动，或者滚齿状电极的高速转动，可以促进加工区电解液的更新及电解产物的有效排出，有助于提高微群槽结构的加工效率和加工精度。

综上可见，电解加工十分适合难加工材料微群槽结构的加工，采用不同形式的工具电极可加工多种截面形状、不同需求微群槽结构。

发明内容

本发明旨在解决柔性金属薄板微群槽结构的加工难题，提出一种工艺简单，实用性强的柔性金属薄板微群槽连续电解加工系统及方法。

一种柔性金属薄板微群槽连续电解加工系统及方法,其特征在于：包括柔性金属薄板工件输运系统、电解加工工具电极系统、加工电源、电解液循环系统、电解加工机床；所述柔性金属薄板输运系统包括输送轮、若干支撑辊轮、弧形掩膜板、主动轮；上述弧形掩膜板具有镂空沟槽结构，并安装、固定在支撑辊轮的辊轮轴上，加工过程中保持固定、不随支撑辊轮转动；柔性金属薄板一端绕制在输送轮上，柔性金属薄板另一端依次从若干支撑辊轮及弧形掩膜板之间穿过，并固定于主动轮上，柔性金属薄板内表面、外表面贴紧相应的支撑辊轮与弧形掩膜板；所述电解加工工具电极系统包括若干工具阴极单元；每个工具阴极单元包括安装座与工具电极；工具电极固定在安装座上，并通过安装座与加工电源负极相连，工具电极的工作面穿过上述弧形掩膜板的镂空沟槽并与支撑辊轮表面相切，与待加工微群槽位置相对应；上述若干工具电极单元分别与待加工微群槽位置相对应，具体包括下述两种情况之一或两种均包括：第一种情况：工具电极单元分组安装在不同支撑辊轮处，并错位对应金属薄板上不同微群槽位置，以避免微群槽间距过小时在同一支撑辊轮处安装过多工具电极；第二种情况：将同一微槽沿深度方向递进式分为多个工位加工，工具电极分组安装在不同支撑辊轮处，并对应金属薄板上相同微群槽位置。

其实施过程如下：工具电极沿辊轮径向进给，在柔性薄板表面加工出沟槽结构；加工至指定深度后，主动轮连续转动，带动柔性金属薄板沿辊轮切线方向缓慢滑动实现渐进性进给，完成柔性薄板表面微群槽结构的连续电解加工；加工过程中，工具电极同步进行辅助运动，以促进加工区电解液的更新及电解产物的排出。

本发明具有以下优点：

1．采用本系统及方法加工柔性金属薄板微群槽结构，可以有效提高微群槽的加工效率。在整个加工过程工具电极系统只进行一次进给过程，待加工至指定深度后，辊轮连续转动，柔性工件沿辊轮切线方向缓慢滑动实现渐进性进给，柔性表面被连续加工出微群槽结构，实现微群槽结构的一次加工成型，因而可以有效提高微群槽的加工效率。

2．上述柔性金属薄板微群槽连续电解加工系统可以实现柔性金属薄板的单面群槽结构加工，也可以实现柔性金属薄板的双面群槽结构加工。对于柔性金属薄板的单面群槽结构加工，只需在微群槽结构所在表面安装工具电极系统进行电解加工即可。对于柔性金属薄板双面微群槽结构加工，则应在柔性金属薄板上下表面分别安装工具电极系统进行电解加工。

3．上述柔性金属薄板微群槽连续电解加工系统采用具有沟槽状镂空结构的弧形掩膜板。在加工过程中，工件表面待加工区裸露，非加工区被屏蔽。单个工具电极工作面在掩膜板沟槽内与裸露的工件组成独立离散的加工单元，电解液沿掩膜板沟槽流动进入加工区，可以有效实现非加工区的隔离保护。

4.上述柔性金属薄板微群槽连续电解加工系统中，在电解加工工具电极系统中，其工具电极可为阵列线电极。阵列线电极采用常见金属丝作为工具电极，不需要预先制备成形工具电极，结构简单，使用方便。在阵列线电极工具电极系统中，其装夹方式为：

所述安装座上分布有紧固螺钉；所述安装座上预先加工出具有一定间距的微群槽；所述安装座具有阵列线电极张紧装置；工具线电极一端固定于安装座一侧紧固螺钉，工具线电极对应于所要加工的薄板微群槽间距，均匀分布于安装座上微槽内；所述工具线电极另一端固定于安装座另一侧紧固螺钉；所述阵列线电极张紧装置实现阵列线电极的张紧；加工时通过机床X轴或Y轴的微幅往复运动带动阵列线电极微幅往复振动，通过机床Z轴的微幅高频往复运动带动阵列线电极沿进给方向往复运动，实现“脉动态”加工，可以带动加工区电解液流动，促进加工区电解液的更新循环以及电解产物的排出。

5.上述柔性金属薄板微群槽连续电解加工系统中，在电解加工工具电极系统中，其工具电极可为梳齿状薄片电极，其单个电极可制备为不同形状的成形电极，因此可以实现不同截面形状的群槽结构加工。由于薄片电极具有一定强度和刚度，因此加工时可实现方便快速对刀，并且在加工过程中没有“让刀”现象。其装夹方式为：梳齿状薄片电极固定于安装座上。加工时通过机床X轴或Y轴的微幅往复运动带动梳齿状薄片电极微幅往复运动，可以带动加工区电解液流动，促进加工区电解液的更新循环以及电解产物的排出。

6.上述柔性金属薄板微群槽连续电解加工系统中，在电解加工工具电极系统中，其工具电极可为阵列滚齿状电极。由于滚齿状电极具有一定强度和刚度，因此加工时可实现方便快速对刀，并且在加工过程中没有“让刀”现象。此外，在加工过程中滚齿状电极处于高速转动状态，因此其单个电极片中局部锯齿结构的损坏对加工结果的影响较小。其装夹方式为：所述安装座一端固定于电解加工机床的电主轴上；所述安装座具有若干个隔离垫片，隔离垫片厚度略大于待加工微群槽的间距大小；所述阵列滚齿状电极与隔离垫片，按照滚齿状电极—隔离垫片的顺序多层依次相隔安装固定在安装座上；加工时通过电主轴转动带动滚齿状电极高速转动，可以带动加工区电解液流动，促进加工区电解液的更新循环以及电解产物的排出。

附图说明

图1柔性金属薄板微群槽连续电解加工示意图；

图2阵列线电极微群槽电解加工示意图；

图3梳齿状薄片电极微群槽电解加工示意图；

图4阵列滚齿状电极微群槽电解加工示意图；

图5柔性金属薄板微群槽连续电解加工系统示意图。

图中标号名称：1、加工电源，2、微群槽，3、支撑辊轮、4、弧形掩膜板，5、柔性金属薄板，6、阵列线电极，7、电解液，8、输送轮，9、主动轮，10、梳齿状薄片电极，11、阵列滚齿电极，12、电解液储液箱，13、过滤器，14、压力泵，15、单向阀，16、压力表，17、程控电源，18、霍尔传感器，19、数据采集卡，20、工控机，21、运动控制卡，22、机床Z向进给轴，23、工作箱，24、电解加工工具电极系统，25、机床Y向进给轴，26、机床X向进给轴，27、机床本体。

具体实施方式

图1所示的柔性金属薄板微群槽连续电解加工示意图中，加工时，首先将弧形掩膜板4安装、固定在支撑辊轮3的辊轮轴上，将柔性金属薄板5一端绕制在输送轮8上，柔性金属薄板5另一端依次从弧形掩膜板4和支撑辊轮3之间穿过，并固定于主动轮9上，柔性金属薄板5内表面、外表面贴紧相应的支撑辊轮3与弧形掩膜板4；然后根据所要加工的微群槽2的槽宽、槽深、截面形状、槽间距选择电解加工工具电极，完成工具电极的安装、固定；然后，将电解液7对准加工区进行冲液，工具电极沿支撑辊轮3径向进给，在柔性金属薄板5表面加工出沟槽结构；加工至指定深度后，主动轮9连续转动，带动柔性金属薄板5沿支撑辊轮3切线方向缓慢滑动实现渐进性进给，完成柔性金属薄板5表面微群槽2结构的加工。加工过程中，工具电极同步进行辅助运动，以促进加工区电解液的更新及电解产物的排出。

图5所示的柔性金属薄板微群槽连续电解加工系统示意图中，程控电源17、机床Z向进给轴22、电解切割工装夹具系统24、机床Y向进给轴25、机床X向进给轴26、机床本体27组成电解加工机床硬件系统；运动控制卡21、数据采集卡19、霍尔传感器18、工控机20及相关线路组成了电解加工机床控制系统；电解液储液箱12、过滤器13、压力泵14、单向阀15、压力表16、工作箱23及相关管路组成电解液循环系统。

下面结合图1、图2、图3、图4、图5说明本发明的具体实施过程：

1．参考图1、图2、图5，利用阵列线电极加工柔性金属薄板微群槽结构时，首先将弧形掩膜板4安装、固定在支撑辊轮3的辊轮轴上，将柔性金属薄板5一端绕制在输送轮8上，柔性金属薄板5另一端依次从弧形掩膜板4和支撑辊轮3之间穿过，并固定于主动轮9上，柔性金属薄板5内表面、外表面贴紧相应的支撑辊轮3与弧形掩膜板4。根据所要加工的微群槽2的槽宽、槽深选择微尺度金属线电极6，将阵列线电极6安装在安装座上，并张紧。安装电解加工工具电极系统24于机床Z向进给轴22上，调整阵列线电极6与柔性金属薄板5的相对位置，使阵列线电极6所在平面平行于弧形掩膜板4外圆柱表面中心位置的相切面。对刀时，由程控电源17在两极间施加测试电压，机床进给轴缓慢进给，电流信号的变化通过霍尔传感器18测定，工控机20对信号进行监控完成对刀，并设定初始加工间隙。加工开始时，启动压力泵14，将电解液7以恒定压力输送到工作箱23实现冲液，程控电源17输出电压；阵列线电极6沿支撑辊轮3径向进给，在柔性金属薄板5表面加工出沟槽；加工至指定深度后，主动轮9连续转动，带动柔性金属薄板5沿支撑辊轮3切线方向缓慢滑动实现渐进性进给，完成柔性金属薄板5表面微群槽2结构的加工。加工过程中，阵列线电极6在机床X向进给轴26或Y向进给轴25的带动下往复运动；通过机床Z向进给轴22的微幅高频往复运动带动阵列线电极沿进给方向往复运动，实现“脉动态”加工，促进电解液的更新及电解产物的排出。

2．参考图1、图3、图5，利用梳齿状薄片电极加工柔性金属薄板微群槽结构时，首先将弧形掩膜板4安装、固定在支撑辊轮3的辊轮轴上，将柔性金属薄板5一端绕制在输送轮8上，柔性金属薄板5另一端依次从弧形掩膜板4和支撑辊轮3之间穿过，并固定于主动轮9上，柔性金属薄板5内表面、外表面贴紧相应的支撑辊轮3与弧形掩膜板4。根据所要加工的微群槽2的槽宽、槽深、截面形状及槽间距制备梳齿状薄片电极10，将梳齿状薄片电极10安装、固定在安装座上。安装电解加工工具电极系统24于机床Z向进给轴22上，调整梳齿状薄片电极10与柔性金属薄板5的相对位置，使梳齿状薄片电极10加工前端所在平面平行于弧形掩膜板4外圆柱表面中心位置的相切面。对刀时，由程控电源17在两极间施加测试电压，机床进给轴缓慢进给，电流信号的变化通过霍尔传感器18测定，工控机20对信号进行监控完成对刀，并设定初始加工间隙。加工开始时，启动压力泵14，将电解液7以恒定压力输送到工作箱23实现冲液，程控电源17输出电压；梳齿状薄片电极10沿支撑辊轮3径向进给，在柔性金属薄板5表面加工出沟槽；加工至指定深度后，主动轮9连续转动，带动柔性金属薄板5沿支撑辊轮3切线方向缓慢滑动实现渐进性进给，完成柔性金属薄板5表面微群槽2结构的加工。加工过程中，梳齿状薄片电极10在机床X向进给轴26或机床Y向进给轴25的带动下往复运动，促进电解液的更新及电解产物的排出。

3．参考图1、图4、图5，利用阵列滚齿状电极加工柔性金属薄板微群槽结构时，首先将弧形掩膜板4安装、固定在支撑辊轮3的辊轮轴上，将柔性金属薄板5一端绕制在输送轮8上，柔性金属薄板5另一端依次从弧形掩膜板4和支撑辊轮3之间穿过，并固定于主动轮9上，柔性金属薄板5内表面、外表面贴紧相应的支撑辊轮3与弧形掩膜板4。根据所要加工的微群槽2的槽宽、槽深、截面形状及槽间距制备阵列滚齿状电极11，将阵列滚齿状电极11安装、固定在安装座上。安装电解加工工具电极系统24于机床Z向进给轴22上，调整阵列滚齿状电极11与柔性金属薄板5的相对位置，使阵列滚齿状电极11与弧形掩膜板4外圆柱表面中心位置在加工区相切。对刀时，由程控电源17在两极间施加测试电压，机床进给轴缓慢进给，电流信号的变化通过霍尔传感器18测定，工控机20对信号进行监控完成对刀，并设定初始加工间隙。加工开始时，启动压力泵14，将电解液7以恒定压力输送到工作箱23实现冲液，程控电源17输出电压；阵列滚齿状电极11沿支撑辊轮3径向进给，在柔性金属薄板5表面加工出沟槽；加工至指定深度后，主动轮9连续转动，带动柔性金属薄板5沿支撑辊轮3切线方向缓慢滑动实现渐进性进给，完成柔性金属薄板5表面微群槽2结构的加工。加工过程中，阵列滚齿状电极11在电主轴的带动下高速转动，促进电解液的更新及电解产物的排出。

Claims (5)

1.一种柔性金属薄板微群槽连续电解加工系统,其特征在于：

包括柔性金属薄板工件输运系统、电解加工工具电极系统、加工电源、电解液循环系统、电解加工机床；

所述柔性金属薄板输运系统包括输送轮（8）、若干支撑辊轮（3）、弧形掩膜板（4）、主动轮（9）；上述弧形掩膜板具有镂空沟槽结构，并安装、固定在支撑辊轮的辊轮轴上，加工过程中保持固定、不随支撑辊轮转动；柔性金属薄板一端绕制在输送轮上，柔性金属薄板另一端依次从若干支撑辊轮及弧形掩膜板之间穿过，并固定于主动轮上；柔性金属薄板内表面、外表面贴紧相应的支撑辊轮与弧形掩膜板；

所述电解加工工具电极系统包括若干工具阴极单元；每个工具阴极单元包括安装座与工具电极；工具电极固定在安装座上，并通过安装座与加工电源负极相连，工具电极的工作面穿过上述弧形掩膜板的镂空沟槽并与支撑辊轮表面相切，与待加工微群槽位置相对应；

上述若干工具电极单元分别与待加工微群槽位置相对应，具体包括下述两种情况之一或两种均包括：第一种情况：工具电极单元分组安装在不同支撑辊轮处，并错位对应金属薄板上不同微群槽位置，以避免微群槽间距过小时在同一支撑辊轮处安装过多工具电极；第二种情况：将同一微槽沿深度方向递进式分为多个工位加工，工具电极分组安装在不同支撑辊轮处，并对应金属薄板上相同微群槽位置。

2.根据权利要求1所述的柔性金属薄板微群槽连续电解加工系统，其特征在于：所述工具电极为阵列线电极（6）；所述安装座上分布有紧固螺钉；所述安装座上预先加工出具有一定间距的微群槽；所述安装座具有阵列线电极张紧装置；阵列线电极（6）一端固定于安装座一侧紧固螺钉，阵列线电极对应于所要加工的薄板微群槽间距，均匀分布于安装座上微槽内；所述阵列线电极另一端固定于安装座另一侧紧固螺钉；所述阵列线电极张紧装置实现阵列线电极的张紧；加工时通过机床X轴或Y轴的微幅往复运动带动阵列线电极微幅往复振动；通过机床Z轴的微幅高频往复运动带动阵列线电极沿进给方向往复运动，实现“脉动态”加工。

3.根据权利要求1所述的柔性金属薄板微群槽连续电解加工系统，其特征在于：所述工具电极为梳齿状薄片电极（5）；梳齿状薄片电极（5）固定于安装座上；加工时通过机床X轴或Y轴的微幅往复运动带动梳齿状薄片电极微幅往复运动。

4.根据权利要求1所述的柔性金属薄板微群槽连续电解加工系统，其特征在于：所述工具电极为阵列滚齿状电极（11）；所述安装座一端固定于电解加工机床的电主轴上；所述安装座具有若干个隔离垫片，隔离垫片厚度略大于待加工微群槽的间距大小；所述阵列滚齿状电极（11）与隔离垫片，按照滚齿状电极—隔离垫片的顺序多层依次相隔安装固定在安装座上；加工时通过电主轴转动带动滚齿状电极片高速转动。

5.根据权利要求1所述的柔性金属薄板微群槽连续电解加工系统的工作方法，其特征在于：

工具电极沿支撑辊轮径向进给，在柔性薄板表面加工出沟槽结构；加工至指定深度后，主动轮连续转动，带动柔性金属薄板沿支撑辊轮切线方向缓慢滑动实现渐进性进给，完成柔性薄板表面微群槽结构的连续电解加工；加工过程中，工具电极同步进行辅助运动，以促进加工区电解液的更新及电解产物的排出。