CN107030342A - 一种无锥度微小孔的电解钻削加工装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种无锥度微小孔的电解钻削加工装置及方法，装置包括微细电解加工机床、高频脉冲电源、可编程变频器、高速电主轴、螺旋电极、液面控制电路等。螺旋电极为阴极，工件为阳极，电极装在高速电主轴上，液面控制电路控制液面高于工件上表面一定高度，利用微细电解加工机床进行对刀，并回退一定初始加工间隙，利用可编程变频器控制高速电主轴转速。接通高频脉冲电源，以设定参数进行加工。加工中，螺旋电极高速旋转，对周围电解液产生离心力和轴向推力，在电解液和空气分界处形成绝缘气蕊；通过控制转速实现气蕊长度增长速度与电极进给速度相等，保证电极前端导电部分长度恒定，形成侧壁绝缘效果，避免已加工区的二次电解，得到无锥度的孔。

Description

一种无锥度微小孔的电解钻削加工装置及方法

技术领域

本发明涉及一种无锥度微小孔的电解钻削加工装置及方法，属于微细电解加工技术领域。

背景技术

随着高新科学技术的发展，微米级产品和零部件被广泛应用于航空航天、生物、医疗以及MEMS等众多领域。因此，微米级尺寸零部件的加工工艺成为研究的热点，微小孔作为常见的零件结构，其加工工艺尤其受到重视。而微小孔的孔径、孔锥度以及孔壁的表面质量等，决定了零件的质量和性能，因此如何加工得到孔壁表面质量较好，近乎无孔锥度的微小孔，具有重要的意义。

传统的电解穿孔法能获得孔壁表面质量较好、高深径比的微小孔，但是由于已加工区的二次电解的存在，加工得到的微小孔无可避免的会存在一定的锥度。目前较好的解决办法是阴极侧壁绝缘法，利用复杂工艺方法在阴极上涂覆一层绝缘层，只留出尖部较小的区域进行电解加工，这种方法可以避免已加工区域的二次电解，最终加工得到无锥度的微小孔。但目前的侧壁绝缘方法，操作步骤比较繁琐，包括先对阴极的整体绝缘和之后的尖部去绝缘，且对微细工具电极的操作频繁。因此，操作的难度较大，对操作者要求较高；同时，频繁操作易对电极造成损坏，增加加工成本。

采用螺旋电极作为阴极的电解钻削方法为：加工过程中，利用螺旋电极旋转产生的离心作用以及螺旋沟槽对电解液的推动力作用，使阴极电极的周围的空气和电解液交界处的液面凹陷，形成对阴极电极侧壁有绝缘作用的空气蕊，，从而实现阴极电极的类似侧壁绝缘。但是，目前存在的采用螺旋旋转电极的方法，采用的是固定转速加工，形成的气蕊长度不变，导致气蕊的侧壁绝缘作用是有限的，即得到的微小孔还是存在一定的锥度。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种无锥度微小孔的电解钻削加工装置及方法。首先利用螺旋电极的高速旋转产生绝缘气蕊，再在加工过程中，利用可编程变频器对螺旋电极转速的控制，实现绝缘气蕊的长度增长速度和进给速度相等，保证了电极电解部分长度恒定，形成类似侧壁绝缘的效果，从而可避免已加工区域的二次电解，进而加工得到无锥度的微小孔。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种无锥度微小孔的电解钻削加工装置，包括微细电解加工机床、高频脉冲电源、可编程变频器、高速电主轴、螺旋电极、液面控制电路、电解液槽和手动升降台。其中，高速电主轴固定安装在微细电解加工机床Z向上，可由机床带动在X、Y、Z轴方向上运动，电解液槽放置于手动升降台上，螺旋电极作为阴极刀具，固定安装在高速电主轴夹头上，阳极工件置于电解液槽中。

优选的，所述高频脉冲电源，最高频率达50MHz。

所述可编程变频器可通过编程，控制输出脉冲频率，进而控制高速电主轴转速，最高控制转速为60000r/min。

优选的，所述高速电主轴，最高可运行转速为60000r/min。

所述液面控制电路，由直流电源、LED灯、导电块串联组成，利用液面到达指定高度之后，LED灯亮来控制液面高度。

所述螺旋柱状电极，直径取值为50-500um。

所述工件为导电的金属板。

优选的，所述微细电解加工机床，最小控制精度为0.1um。

一种基于上述装置的电解钻削加工方法，包括以下步骤：

(1)以已知直径的螺旋电极为阴极，加工工件为阳极，螺旋电极安装在高速电主轴的夹头上，阳极工件置于电解液槽中；

(2)往电解液槽中加入电解液，利用液面控制电路，控制液面高度；并利用机床控制螺旋电极缓慢接近阳极工件，以实现对刀，再将螺旋电极回退，形成一定的初始加工间隙；

(3)设置高频脉冲电源加工参数，再利用可编程变频器根据电极直径、电解液浓度、液面高度、初始加工间隙以及进给速度，控制高速电主轴转速变化规律，通过控制转速实现空气蕊长度增长速度与电极钻削进给速度相等，保证电极前端的导电部分长度恒定；

(4)接通高频脉冲电源，以所设加工参数及转速变化规律进行电解钻削加工；

(5)在到达预定的加工深度之后，断开高频脉冲电源，设置电主轴转速为初始转速恒定，并控制螺旋电极退出已加工孔。

所述步骤(2)中控制液面高度的方法是：设定的导电块下表面距离工件上表面的高度，高度一般取值范围为100-500um；然后，接通液面控制电路，往电解液槽中缓慢加入电解液，当电解液达到导电块下表面时，电路导通，LED灯亮，说明液面高度达到设定高度；最后断开液面控制电路。

所述步骤(2)中对刀操作的方法是：先调节手动升降台带动电解液槽沿Z方向向上运动到合适位置，然后利用微细电解加工机床带动高速电主轴沿Z方向缓慢向下运动，至精密机械电流表指针偏转超过一定幅度后，反向回退一定的间隙，一般为2-20um。

所述步骤(3)中可编程变频器对电极转速的控制方法是，电极转速随电极直径的增大而减小，随着电解液浓度的增大而增大，随着液面高度的增大而增大，随着初始加工间隙的增大而减小，随着实时加工深度的增大而增大。

所述步骤(3)中螺旋电极前端的导电部分长度恒定，一般控制为电极直径的一半。

本发明的工作原理为：在加工过程中，利用螺旋电极旋转时产生的离心作用以及螺旋沟槽对电解液的轴向推力作用，使螺旋电极周围的空气和电解液交界处的液面凹陷，形成对螺旋电极侧壁有绝缘作用的空气蕊，起到一定的阴极侧壁绝缘作用。进一步，利用可编程变频器对螺旋电极转速的控制，实现绝缘气蕊的长度增长速度和进给速度相等，保证了电极电解部分长度恒定，实现了阴极的侧壁绝缘效果，从而可避免已加工区域的二次电解，进而加工得到无锥度的微小孔。可见利用本发明提供的装置和方法，在不对电极本身做侧壁绝缘处理的情况下，就可以加工得到无锥度的微小孔。在进行多次重复加工时，本发明相对侧壁绝缘处理的方式，具有操作简单，效率较高的优势。本发明可实现阴极电极的侧壁绝缘效果，而不需要对电极进行复杂的工艺操作，有利于减少电极的损坏率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的无锥度微小孔的电解钻削加工方法使用的加工装置的示意图；

图2为图1中加工装置的工作状态示意图；

图3为图2中空气蕊对阴极的绝缘过程示意图；

其中，1-高频脉冲电源，2-可编程变频器，3-螺旋电极，4-待加工工件，5-高速电主轴，6-手动升降台，7-微细电解加工机床，8-电解液槽，9-导电块，10-电解液，11-空气蕊。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，先取一根已知直径的螺旋电极3作为阴极电极，固定安装在高速电主轴5的夹头中，微细电解加工机床7可以控制高速电主轴5沿图1中X、Y、Z方向运动，微细机床在X、Y、Z向的分辨率为0.1um。将待加工工件4固定安装在电解液槽8中，电解液槽8置于手动升降台6上，调节手动升降台6，使电解液槽8处于合适高度。往电解液槽8中加入电解液10，电解液为NaNO3溶液的质量分数为2-6％；然后，利用液面控制电路，控制电解液10液面高于待加工工件4上表面一定高度，再利用微细电解加工机床7控制螺旋电极3缓慢接近待加工阳极工件4，以实现对刀，并回退一定的加工间隙。之后，在高频脉冲电源1上设置加工参数，并启动可编程变频器2，根据电极直径、液面高度、初始加工间隙决定高速电主轴5初始转速，以控制初始时电极前端的导电部分长度为电极直径的一半。在转速稳定之后，可编程变频器2根据电极直径、电解液浓度、液面高度、初始加工间隙以及给定的进给速度，控制加工过程中高速电主轴5的转速变化规律，高频脉冲电源1给阴阳极通电开始加工。最后，在达到设定的加工深度之后，断开高频脉冲电源1，控制电主轴5转速为初始转速，并利用微细电解加工机床7将螺旋电极9从已加工孔中退出。

其中，液面控制电路如图1所示，由直流电源、LED灯、导电块9串联组成。在液面控制之前，先设定的导电块9下表面距离工件4上表面的高度，一般取值为100-500um；然后，接通直流电源，往电解液槽8中缓慢加入电解液10，当电解液10达到导电块9下表面时，电路导通，LED灯亮，说明液面高度达到设定高度；最后断开直流电源。同时需要注意，设定的液面高度不能太高也不能太低，太低时易由于外界条件影响而使工件表面无电解液；液面太高时，又要求较高的转速，电极直径较小时，所需转速可能超过可编程变频器2和高速电主轴5的最大转速。

其中，对刀电路如图1所示，主要由高频脉冲电源1、精密机械电流表以及微细电解加工机床7组成。首先在高频脉冲电源1上设置对刀参数，微细电解加工机床7控制螺旋电极3尖端缓慢向待加工工件4运动，当精密机械电流表指针偏转超过一定幅度时，机床Z向停止向下运动，开始向上回退一定的间隙，一般为2-20um。同时注意，初始加工间隙不能太小，否则易导致加工产物难以排出间隙而短路，加工间隙也不能太大，否则会使加工的孔径较大。

如图2为螺旋电极3作逆时针高速旋转时，由于螺旋沟槽的存在，将对沟槽中的电解液10产生一个推力作用Fn，此推力大小与转速大小以及电极直径有关。转速越大，电极直径越粗，推力Fn越大，但是Fn的方向是确定的，总是垂直于螺旋线。因此，Fn将产生沿轴向向下的分力fn，分力fn推动电解液10向下运动，既促进了孔内电解液10的更新以及电解产物的排出；同时上侧电解液向下运动，导致上侧电解液压强降低，有利于空气蕊11的形成。因此，螺旋电极3的高速旋转有利于维持孔内的电解液10环境的稳定，保证了初次电解得到的孔径基本相同。同时在加工过程中，旋转的螺旋电极3周围的电解液10具有较大的线速度，从而具有较大的离心力，由于离心力和轴向分力fn的作用，在空气和电解液交界处电极周围的液面将凹陷，而形成对阴极侧壁具有绝缘作用的空气蕊11。

如图3所示，在加工过程中，螺旋电极B段为空气蕊形成的绝缘部分长度；螺旋电极A段为未被绝缘的导电部分，用于实际电解加工。随着加工深度的增加，如果电主轴5转速不变，则空气蕊11深度不变，而阴极电极3匀速进给，就会导致图3中的A段部分的长度越来越长，因而微小孔初次电解的入口侧孔径处又开始发生二次电解作用，导致入口侧孔径变大，整体锥度变大。所以，本发明提供的无锥度微小孔的电解钻削加工方法中，通过可编程变频器2控制螺旋电极3转速随着加工深度的增加而增加，以实现气蕊长度的增长速度与电极的进给速度相等，这样相当于电解加工多少深度，绝缘气蕊11增加多少深度，从而实现电极A段的长度恒定，形成类似阴极侧壁绝缘的效果，减小了二次电解现象的发生，从而有利于加工得到无锥度的孔。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种无锥度微小孔的电解钻削加工装置，其特征在于，包括微细电解加工机床、高频脉冲电源、可编程变频器、高速电主轴、螺旋电极、液面控制电路、电解液槽和手动升降台；其中，高速电主轴固定安装在微细电解加工机床Z向上，可由机床带动在X、Y、Z轴方向上运动，电解液槽放置于手动升降台上，螺旋电极作为阴极刀具，固定安装在高速电主轴夹头上，阳极工件置于电解液槽中。

2.如权利要求1所述的无锥度微小孔的电解钻削加工装置，其特征在于，所述高频脉冲电源，作为电解钻削加工的动力源，最高频率可达50MHz。

3.如权利要求1所述的无锥度微小孔的电解钻削加工装置，其特征在于，所述可编程变频器可通过编程，控制输出脉冲频率，进而控制高速电主轴转速，最高控制转速为60000r/min。

4.如权利要求1所述无锥度微小孔的电解钻削加工装置，其特征在于，所述液面控制电路，由直流电源、LED灯、导电块串联组成，利用液面到达指定高度之后，LED灯亮来控制液面高度。

5.如权利要求1所述无锥度微小孔的电解钻削加工装置，其特征在于，所述螺旋电极为螺旋柱状电极，直径取值范围为50-500um。

6.一种无锥度微小孔的电解钻削加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

以已知直径的螺旋电极为阴极，加工工件为阳极，螺旋电极安装在高速电主轴的夹头上，阳极工件置于电解液槽中；

往电解液槽中加入电解液，利用液面控制电路，控制液面高度；并利用机床控制螺旋电极缓慢接近阳极工件，以实现对刀，再将螺旋电极回退，形成一定的初始加工间隙；

设置高频脉冲电源加工参数，再利用可编程变频器根据电极直径、电解液浓度、液面高度、初始加工间隙以及进给速度，控制高速电主轴转速变化规律，通过控制转速实现空气蕊长度增长速度与电极钻削进给速度相等，保证电极前端的导电部分长度恒定；

接通高频脉冲电源，以所设加工参数及转速变化规律进行电解钻削加工；

在到达预定的加工深度之后，断开高频脉冲电源，设置电主轴转速为初始转速恒定，并控制螺旋电极退出已加工孔。

7.如权利要求6所述电解钻削加工方法，其特征在于，所述液面高度控制方法是：设定的导电块下表面距离工件上表面的高度，高度取值范围为100-500um；然后，接通液面控制电路，往电解液槽中加入电解液，当电解液达到导电块下表面时，电路导通，LED灯亮，说明液面高度达到设定高度；最后断开液面控制电路。

8.如权利要求6所述电解钻削加工方法，其特征在于，所述对刀操作的方法是：先调节手动升降台带动电解液槽沿Z方向向上运动到合适位置，然后利用微细电解加工机床带动高速电主轴沿Z方向向下运动，至精密机械电流表指针偏转超过一定幅度后，反向回退一定的间隙，取值范围为2-20um。。

9.如权利要求6所述电解钻削加工方法，其特征在于，所述可编程变频器对螺旋电极转速的控制方法是，电极转速随电极直径的增大而减小，随着电解液浓度的增大而增大，随着液面高度的增大而增大，随着初始加工间隙的增大而减小，随着实时加工深度的增大而增大。

10.如权利要求6所述电解钻削加工方法，其特征在于，所述螺旋电极前端的导电部分长度恒定，一般控制为螺旋电极直径的一半。