CN107470726A - 一种金属工件表面深微沟槽的电解加工装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属工件表面深微沟槽的电解加工装置，包括管电极，所述管电极的一端为封闭端，另一端为开口端，所述开口端通过水泵与存储电解液的电解液箱连通，以将所述电解液泵送至所述管电极内，且所述管电极的侧壁上开设有用于电解液溢出的槽道。应用本发明提供的金属工件表面深微沟槽的电解加工装置，通过设计表面带有槽道的管电极，采用正向供液方式走液，随着阴极的转动，所形成的电解液水壁能及时带出电解产物，最终在金属工件表面高效加工出尺寸一致性好、加工精度高、表面质量好的深微沟槽。

Description

一种金属工件表面深微沟槽的电解加工装置

技术领域

本发明涉及电解加工技术领域，更具体地说，涉及一种金属工件表面深微沟槽的电解加工装置。

背景技术

微反应器、微散热器、燃料电池双极板、热管、传感器等其表面都具有大量的微结构，这种微结构使零部件表现出优异的传热特性、流体动力学特性、能量转换特性、化学反应特性、仿生特性。其中微沟槽结构是应用最广的微结构之一，高深宽比的微沟槽更是使零部件表面积比增大，传热、散热和微反应效率大大提升。

目前深微沟槽结构的加工方法主要有：机械加工、激光加工、电火花线切割加工、电解加工等。机械加工中刀具与工件之间存在作用力，导致加工后的工件产生变形，得到的沟槽一般有边角毛刺等缺陷；激光加工由于热效应的影响，在沟槽表面存在重熔层和翻边，在对表面质量要求严格的使用场合必须进行磨料气射流或化学研磨等二次加工，且加工深微沟槽时，容易造成大的槽形锥角；电火花线切割深沟槽时，加工前需要穿丝、张紧，加工后同样存在重熔层，在要求较高的场合需要进行二次加工，并且在实际加工中存在断丝现象，影响加工效率；

从原理上来讲，电解加工(ECM)具有非接触、与材料硬度强度无关、无切削力、高材料去除率、无工具损耗等优点，可以保证加工后工件无应力变形，所以电解加工技术为难加工金属表面深微沟槽结构的高质量低成本加工提供了有效途径。但电解加工时的电场、流场等需要认真考虑和恰当设计，否则加工的精度和效率等难以得到有效保证。

采用电解铣削的加工方式，配合工具电极或工件的数控运动，可以用微细柱状或螺旋状电极加工出平面弯曲微沟槽结构，但由于微细电解加工通常利用微秒甚至纳秒脉宽电流，速度很慢，因此该方法效率低，不适合批量制作。

也有研究者提出多电极螺旋进给整体叶轮叶间流道电解加工方法、群线电极电解切割方法等，但均难以在金属工件表面高效加工出尺寸一致性好、加工精度高、表面质量好的深微沟槽。

综上所述，如何有效地解决金属工件表面深微沟槽加工效率低、尺寸一致性较差、加工精度较低、表面质量较差的等问题，是目前本领域技术人员急需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种金属工件表面深微沟槽加工的装置，该金属工件表面深微沟槽加工的装置的结构设计可以有效地解决金属工件表面深微沟槽加工效率低、尺寸一致性较差、加工精度较低、表面质量较差的问题。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种金属工件表面深微沟槽的电解加工装置，包括管电极，所述管电极的一端为封闭端，另一端为开口端，所述开口端通过水泵与存储电解液的电解液箱连通，以将所述电解液泵送至所述管电极内，且所述管电极的侧壁上开设有用于电解液溢出的槽道。

优选地，上述金属工件表面深微沟槽的电解加工装置中，所述管电极内的槽道为螺旋槽。

优选地，上述金属工件表面深微沟槽的电解加工装置中，所述螺旋槽为单螺旋槽或多螺旋槽。

优选地，上述金属工件表面深微沟槽的电解加工装置中，所述螺旋槽的宽度一致。

优选地，上述金属工件表面深微沟槽的电解加工装置中，所述螺旋槽的宽度由靠近所述开口端的一侧至靠近所述封闭端的一侧逐渐增大或减小。

优选地，上述金属工件表面深微沟槽的电解加工装置中，还包括脉冲电源，所述脉冲电源的正极与工件连接，负极与所述管电极连接。

优选地，上述金属工件表面深微沟槽的电解加工装置中，所述管电极的所述开口端连接有电解液缓存器，所述电解液缓存器与所述水泵连接。

优选地，上述金属工件表面深微沟槽的电解加工装置中，所述电解液缓存器包括上端的柱状部和连接于所述柱状部下端的倒锥形部，所述倒锥形部的底端开口直径与所述管电极的直径相同。

本发明提供的金属工件表面深微沟槽的电解加工装置包括管电极，管电极的一端为封闭端，另一端为开口端，开口端通过水泵与存储电解液的电解液箱连通，以将电解液泵送至管电极内，且管电极的侧壁上开设有用于电解液溢出的槽道。

应用本发明提供的金属工件表面深微沟槽的电解加工装置，水泵将电解液箱内的电解液泵送至管电极内，即采用正向充液方式进行供液，电解液高速从阴极表面的槽道中出来冲刷工件表面，能及时带走电解产物使电解加工基本不会发生短路现象，加工稳定性提高。同时，电极表面的槽道使电极与工件相对的面积减小，从而使加工间隙处的密度减小、加工精度提高。综上，通过设计表面带有槽道的管电极，采用正向供液方式走液，随着阴极的转动，所形成的电解液水壁能及时带出电解产物，最终在金属工件表面高效加工出尺寸一致性好、加工精度高、表面质量好的深微沟槽。

在一个优选的实施方式中，管电极上的槽道为螺旋槽。电解液从阴极表面的螺旋微沟槽流出时形成螺旋水壁，随着阴极的旋转螺旋水壁呈向上或向下的游走状，游走的水壁能及时带出不溶性电解产物、气泡、焦耳热，保持电导率稳定。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的电解加工装置一种具体实施方式的结构示意图；

图2为本发明提供的电解加工装置一种具体实施方式的加工深微沟槽排屑的原理图；

图3为管电极的结构示意图；

图4a为仿真软件对一般管电极的电场仿真结果；

图4b为仿真软件对螺旋槽管电极的电场仿真结果；

图4c为仿真软件对一般管电极的电流密度模；

图4d为仿真软件对螺旋槽管电极的电流密度模。

附图中标记如下：

1-工件、2-管电极、3-水泵、4-脉冲电源、5-电解液箱。

具体实施方式

本发明实施例公开了一种金属工件表面深微沟槽的电解加工装置，以在金属工件表面高效加工出尺寸一致性好、加工精度高、表面质量好的深微沟槽。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-图4，图1为本发明提供的电解加工装置一种具体实施方式的结构示意图；图2为本发明提供的电解加工装置一种具体实施方式的加工深微沟槽排屑的原理图；图3为管电极的结构示意图；图4a为仿真软件对一般管电极的电场仿真结果；图4b为仿真软件对螺旋槽管电极的电场仿真结果；图4c为仿真软件对一般管电极的电流密度模；图4d为仿真软件对螺旋槽管电极的电流密度模。

在一个具体实施例中，本发明提供的金属工件表面深微沟槽的电解加工装置包括管电极2、水泵3和电解液箱5。

其中，管电极2的一端为封闭端，另一端为开口端，也就是管电极2为单向导通的盲管，盲管的开口一端通过管路与电解液箱5连通，且管路内设置有水泵3，水泵3用于将电解液箱5内的电解液泵送至盲管内，其具体结构及工作原理等请参考现有技术，此处不再赘述。

管电极2的侧壁上开设有槽道，进而进入管电极2的电解液能够由槽道溢出。槽道贯穿管电极2的侧壁，具体槽道的宽度、形状等可根据需要进行设置，此处不做具体限定。电解液箱5用于存储电解液，其具体结构等可根据需要进行设置，此处不作限定。在水泵3的作用下将电解液从电解液箱5中抽出，流入管电极2内，然后从管电极2侧壁的槽道中流出，对工件1表面进行冲刷，即形成正向充液。供电方面，可通过脉冲电源4正极接工件1，负极管电极2。加工时流场和电场同时接通，随着加工的进行，最终加工出深微沟槽。当然，该加工装置既可以包括脉冲电源4，及内置有脉冲电源4，也可以通过外接脉冲电源4以工作。

应用本发明提供的金属工件表面深微沟槽的电解加工装置，水泵3将电解液箱5内的电解液泵送至管电极2内，即采用正向充液方式进行供液，电解液高速从阴极表面的槽道中出来冲刷工件1表面，能及时带走电解产物使电解加工基本不会发生短路现象，加工稳定性提高。同时，电极表面的槽道使电极与工件1相对的面积减小，从而使加工间隙处的密度减小、加工精度提高。

优选的，管电极上的槽道为螺旋槽。电解液从阴极表面的螺旋微沟槽流出时形成螺旋水壁，随着阴极的旋转螺旋水壁呈向上或向下的游走状，游走的水壁能及时带出不溶性电解产物、气泡、焦耳热，保持电导率稳定。

进一步地，螺旋槽为单螺旋槽或多螺旋槽。也就是螺旋槽可以为单螺旋线或多螺旋线，从而电解液从螺旋槽中流出形成单螺旋水壁或多螺旋水壁，具体可根据需要设置。

具体的，螺旋槽的宽度一致。也就是螺旋槽的上下宽度一致，从而形成宽度一致的螺旋水壁。根据需要，也可以设置为螺旋槽的宽度由靠近开口端的一侧至靠近封闭端的一侧逐渐增大或减小。也就是螺旋槽的宽度由上至下逐渐增大或减小。具体逐渐增大或减小既包括均匀渐变，也包括阶梯状突变的情况。或者螺旋槽的宽度也可以在预设位置突变或渐变。具体可根据需要设置。在充液时由于螺旋槽的存在使电解液自然形成一个螺旋水壁，随着管电极2的旋转，螺旋水壁呈游走状，游走方向为向上或向下，该方向由管电极2旋转方向(顺时针或逆时针)决定。游走的水壁能促进不溶性电解产物、气泡、焦耳热排出。并且由于电极表面具有槽结构使得加工区电流密度减小，进而使电解加工间隙减小、加工精度提高。

进一步地，管电极2的开口端连接有电解液缓存器，电解液缓存器与水泵3连接。也就是水泵3将电解液先抽送至电解液缓存器中，再由缓存器中流入管电极2，从而便于管电极2中电解液流量的控制。

具体的，电解液缓存器包括上端的柱状部和连接于柱状部下端的倒锥形部，倒锥形部的底端开口直径与管电极2的直径相同。也就是电解液缓存器层漏斗状，以将电解液平稳的导入仅管电极2内。

综上所述，上述各实施例提供的金属工件表面深微沟槽的电解加工装置，流场方面，现有的技术主要是采用浸泡式供液，这种情况下排屑不理想，配合工件1或丝线振动的话一定程度上可以强化排屑能力但同时也使装置趋于复杂，振动也一定程度上引起加工区气泡空化，引起电极径向抖动影响加工精度，而本发明采用正向充液，并形成游走的水壁流场，非常有利于电解产物的排出。在电场方面，现有的技术主要是丝线电极或管电极2，此时圆柱面与工件1相对，电流密度较大，即加工间隙较大，容易导致加工不确定性加大，影响加工精度，而本发明阴极表面具有微槽结构，使圆柱面面积减小，电流密度降低，加工间隙减小，加工精度提高。

如图3所示，在电极旋转时电解液正向充液形成的螺旋水壁向下游走，形成一种类似于软刃的流场，给电解产物一个向下的力F，带动电解产物离开加工区，当电极反转时力F反向，实际方向由实际加工条件决定。如图4a和图4b，利用仿真软件对一般管电极2和螺旋槽管电极2电场进行仿真，选用的物理场为静态电流场，仿真条件为：电极电压12V，工件10V，电解液电导率为7S/m，相对介电常数为7。可以清晰发现在阴极为管电极2时电场分布非常规律，从从阳极到阴极均匀过渡，但在阴极为螺旋槽管电极2时，槽口所对的阳极表面电压过渡产生畸变，此处畸变就是使加工间隙电流密度减小的原因。图4c和图4d为一般管电极2和螺旋槽管电极2的电流密度模，验证了螺旋管电极2使加工区电流密度减小。

综上，本发明提供的金属工件表面深微沟槽的电解加工装置，流场设计的更合理：正向充液，电解液高度从螺旋槽里流出冲刷工件1表面，排屑能力好，同时阴极旋转使螺旋水壁呈向上或向下游走状，流场进一步改善，排泄能力进一步加强。电场设计更合理，由于阴极表面具有槽结构，即使与工件1加工表面相对的阴极面积减小，电流密度减小，电解间隙也减小，小加工间隙使加工精度提高。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种金属工件表面深微沟槽的电解加工装置，其特征在于，包括管电极，所述管电极的一端为封闭端，另一端为开口端，所述开口端通过水泵与存储电解液的电解液箱连通，以将所述电解液泵送至所述管电极内，且所述管电极的侧壁上开设有用于电解液溢出的槽道。

2.根据权利要求1所述的金属工件表面深微沟槽的电解加工装置，其特征在于，所述管电极上的槽道为螺旋槽。

3.根据权利要求2所述的金属工件表面深微沟槽的电解加工装置，其特征在于，所述螺旋槽为单螺旋槽或多螺旋槽。

4.根据权利要求3所述的金属工件表面深微沟槽的电解加工装置，其特征在于，所述螺旋槽的宽度一致。

5.根据权利要求3所述的金属工件表面深微沟槽的电解加工装置，其特征在于，所述螺旋槽的宽度由靠近所述开口端的一侧至靠近所述封闭端的一侧逐渐增大或减小。

6.根据权利要求1-5任一项所述的金属工件表面深微沟槽的电解加工装置，其特征在于，还包括脉冲电源，所述脉冲电源的正极与工件连接，负极与所述管电极连接。

7.根据权利要求6所述的金属工件表面深微沟槽的电解加工装置，其特征在于，所述管电极的所述开口端连接有电解液缓存器，所述电解液缓存器与所述水泵连接。

8.根据权利要求7所述的金属工件表面深微沟槽的电解加工装置，其特征在于，所述电解液缓存器包括上端的柱状部和连接于所述柱状部下端的倒锥形部，所述倒锥形部的底端开口直径与所述管电极的直径相同。