CN108406025B - 用于电解切割大厚度工件方法的微细管电极系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于电解切割大厚度工件方法的微细管电极系统，属于电化学加工技术领域。其主要特征在于：选用开有群孔或者群缝的微细中空金属管或带有导电涂层的中空非金属管替代现用的金属丝状电极来切割大厚度工件。在一端封闭的微细管电极上开有群孔状或者群缝状的开口结构，具有一定压力的电解液从微细管电极的一端注入，从群孔或者群缝中射出，高速流动的新鲜电解液能够直接到达加工区域对工件进行蚀除切割，并快速冲出微小切缝中的电解产物和气泡。加工过程中，伺服电机通过转向装置驱动微细管电极转动来改变电解液的喷射方向，同时利用数控机床工作台的运动来控制微细管电极与工件的相对运动，实现对工件的转向切割。使用该方法及装置可提高加工间隙中电解液的更新速率，加快电解反应速度，提升电解切割的稳定性，同时也可提高电解切割大厚度工件的能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于电解切割大厚度工件方法的微细管电极系统，属于电化学加工技术领域。
背景技术
在现代工业制造领域中，切割加工是应用量大、应用面广的基础工艺之一，尤其是在机械制造行业，切割工作量占有很大的比重，切割的效率和质量将直接影响着工业生产。
近年来，随着各种新材料的出现以及人们对切割效率和切割精度的追求，研究人员提出了多种非传统切割技术：火焰切割、等离子切割、激光切割、电火花线切割、水射流切割、电解线切割等等。它们相对传统的刀具切割来说，可加工高硬质合金，工具损耗小，并且切割效率和精度都比较高，但是也存在一定的缺陷。比如，火焰切割、等离子切割、激光切割、电火花线切割，这几种切割技术属于热切割方式，通常会在零件表面形成重铸层和热影响层，降低了加工精度，并且重铸层是熔融材料在零件表面快速冷却形成的淬火铸造组织，内部常含有微裂纹，在交变载荷的长期作用下，微裂纹易扩展，导致零件发生断裂破坏；水射流切割技术属于冷切割方式，采用高压水射流对工件进行冲击切割，切割精度较低，并且切割时要求的水压很大，对设备的性能要求过高。
电解线切割技术是以线电极作为工具阴极，利用金属在电解液中发生电化学溶解的原理，结合多轴数控运动，对金属材料进行加工成形的一种电解加工方法。从理论上讲，工件是以离子的形式被蚀除，加工精度高，并且可以忽略材料的硬度，也不会产生加工应力、再铸层和热变形。此外，电解加工时，工具阴极上仅析出氢气，电极本身不会发生溶解，而且工具阴极不与工件接触，正常加工情况下工具阴极不会有损耗。
基于以上优点，电解线切割技术在实际生产中得到广泛应用，但是美中仍存在不足：电解切割效率较低、可切割工件厚度有限。这是因为电解线切割切缝很小，甚至达到微米级，这时新鲜电解液很难进入切缝到达加工区域，降低了电解反应速度，并且电解加工时产生的气泡和不溶性产物很难从切缝中排出，蓄积在切缝中会导致电解液的成分和浓度发生变化，影响电解加工的稳定性，甚至会出现短路而中止加工。尤其是切割大厚度工件时，厚度越大，切缝越深，产物越难以排出，电解液越难以更新。
电解切割大厚度工件时，如何快速高效排出切缝中的电解产物、更新电解液，研究人员也提出了不少观点和方法。比如：轴向冲液电解线切割方法，利用高速流动的电解液快速冲进切缝，带走切缝中的电解产物，达到快速更新电解液的目的，但是由于切缝太小，线电极轴向方向太深，能够冲进切缝中的电解液并不多，并且受狭小切缝的壁面影响，在切缝中的电解液流速也大大减小，很难冲到底端；线电极单向走丝、往复走丝以及工件或工具电极低频振动等电解线切割方法，它们都是利用电极丝相对工件做轴向运动，对加工间隙内的电解液进行拖拽，促进电解产物的排出和电解液的更新，但是线电极表面光滑，对电解液的拖拽、扰动能力有限，加工大厚度工件时狭长切缝中的电解液更新仍然较慢，电解加工效率增加不明显，并且电极丝做轴向运动时产生颤动，影响着电解线切割加工的精度和稳定性。
目前，上述各种电解线切割技术常用来加工工件的厚度为1mm，对加工速度和精度要求很低时可加工工件的厚度能达到5mm，而大厚度工件的厚度达20mm，使用以上方法难以加工。因此，如何快速高效排出切缝中的电解产物、更新切缝中的电解液，仍是电解切割大厚度工件时存在的重要难题。
发明内容
针对电解线切割加工大厚度工件时切缝中电解产物排出困难、电解液难以更新的问题，本发明提出了一种用于电解切割大厚度工件方法的微细管电极系统。
一种微细管电极电解切割大厚度工件的方法，其特征在于：选用微细中空金属管或带有导电涂层的中空非金属管作为电解切割加工中的阴极，其中微细管电极上开有群孔状或者群缝状的开口结构且一端封闭，具有一定压力的电解液从微细管电极一端注入，从群孔状或者群缝状的开口结构中射出，高速流动的新鲜电解液直接到达加工区域对工件进行蚀除切割，并快速冲出切缝中电解产生的气泡和不溶性产物；电解切割过程中通过微细管电极的转动来改变电解液的喷射方向，完成对工件的转向切割。
实现上述微细管电极电解切割大厚度工件方法的微细管电极系统，其特征在于：该系统包括支架、转向装置、导流装置、限位装置、微细管电极；上述支架包括上支架盖板、上支架和下支架；上述转向装置包括伺服电机和转盘；其中伺服电机固定安装于上支架盖板中，转盘安装于上支架中；伺服电机输出轴安装驱动齿轮，转盘外体具有与之配合的齿轮结构；转向装置主要用来带动导流装置、微细管电极转动从而改变电解液的喷射方向，结合机床工作台的运动，实现对工件的转向切割；上述导流装置包括导流管、密封垫圈、导流嘴和螺母；上述转向装置的转盘中心具有导流管安装腔，导流管安装于该导流管安装腔中并可随转盘转动；导流管一端为进液口另一端为出液口，进液口与电解液流通管道相连，密封垫圈和导流嘴安装于出液口，并通过螺母紧固；上述限位装置包括轴承和限位器；轴承安装在下支架中，限位器固定安装于轴承内，其中限位器具有孔径与微细管电极外径相等的限位孔；利用限位装置防止微细管电极下端发生偏移，保证整根管电极处于一条直线状态；上述微细管电极一端固定安装于导流装置的导流嘴中，另一端固定安装于限位装置的限位孔中。上述微细管电极为微细中空金属管或带有导电涂层的中空非金属管，其中微细管电极的末端封闭，微细管电极上具有群孔状或者群缝状的开口结构。
上述的微细管电极系统，其特征在于：上述微细管电极的开口结构满足以下条件：一、电解液的喷射范围能够整体覆盖工件加工区；二、加工区无缺液区；三、从各个开口结构喷射出的电解液的压力达到要求。
本发明的有益效果在于：
1、本发明采用具有群孔或群缝等开口结构的微细管电极作为电解切割加工中的阴极，高速流动的新鲜电解液通过微细管电极上的开口结构直接到达加工区域对工件进行蚀除切割，并冲出切缝中电解产生的气泡和不溶性产物，加快了电解反应速度，提高了电解切割效率；同时，由于电解液能够冲击到整个加工区域内，切缝内的电解产物、气泡等被顺利冲击出，避免了由于电解产物堆积引起的短路现象，提高了电解切割的稳定性；
2、电解切割过程中，伺服电机通过转向装置带动导流装置、微细管电极转动从而改变电解液在切缝中的喷射方向，结合机床工作台的运动，实现对工件的转向切割；
3、通过改变微细管电极上开口结构的参数，增大电解液在工件厚度方向的喷射覆盖范围，实现对大厚度工件的切割，提高了电解切割大厚度工件的能力。
4、选用外径50-500um、内径30-300um的微细管电极，不仅保证了电解液在其内部的流通，而且保证了微细管电极的强度和刚度，防止电解切割中微细管电极发生弯曲、扭转等变形，同时也得到了缝宽较小的电解切缝。
附图说明
图1是微细管电极电解切割大厚度工件整体装置结构示意图；
图2是采用微细管电极电解切割大厚度工件示意图；
图3是微细管电极系统及各组成部分结构示意图；其中图（a）是微细管电极系统结构示意图，图（b）是转向装置示意图，（c）是导流装置示意图，（d）是限位装置示意图；
图4是电解切割时转向切割原理示意图；
图5是开有群孔或者群缝的微细管电极示意图；
图6是电解加工制作微细管电极示意图；其中图（a）是电解加工群孔结构示意图，图（b）是电解加工群缝结构示意图；
其标号名称分别为：1、工控机，2、运动控制卡，3、脉冲电源，4、电解液循环系统，5、工件，6、工件夹具，7、流通管道，8、液压泵，9、过滤器，10、电解液，11、储液箱，12、伺服电机，13、微细管电极，14、微细管电极系统，15、电解液槽，16、工作台，17、三坐标机床，18、定位孔，19、上支架盖板，20、上支架，21、支架，22、下支架，23、导流装置，24、转向装置，25、限位装置，26、驱动齿轮，27、导流管安装腔，28、齿轮结构，29、转盘，30、导流管，31、密封垫圈，32、导流嘴，33、螺母，34、限位孔，35、限位器，36、轴承，37、群孔结构，38、群缝结构，39、柱状电极，40、线电极。
具体实施方式
根据图1所示，本发明提出的一种微细管电极电解切割大厚度工件装置整体结构主要包括脉冲电源3、工控机1、三坐标机床17、电解液循环系统4、微细管电极系统14、工件夹具6；电解液循环系统4包括储液箱11、流通管道7、过滤器9、液压泵8、导流管30、导流嘴32、微细管电极13、电解液槽15。
根据图2-图3所示，微细管电极系统包括支架21、转向装置24、导流装置23、限位装置25、微细管电极13；支架21包括上支架盖板19、上支架20和下支架22；转向装置24包括伺服电机12和转盘29，其中伺服电机12固定安装于上支架盖板19中，转盘29安装于上支架20中，伺服电机12输出轴安装驱动齿轮26，转盘29外体具有与之配合的齿轮结构28，转向装置24主要用来带动导流装置23、微细管电极13转动从而改变电解液10的喷射方向，结合机床工作台16的运动，实现对工件5的转向切割；导流装置23包括导流管30、密封垫圈31、导流嘴32和螺母33，转向装置24的转盘29中心具有导流管安装腔27，导流管30安装于该导流管安装腔27中并可随转盘29转动，导流管30一端为进液口另一端为出液口，进液口与电解液10流通管道7相连，密封垫圈31和导流嘴32安装于出液口，并通过螺母33紧固；限位装置25包括轴承36和限位器35，轴承36安装在下支架22中，限位器35固定安装于轴承36内，其中限位器35具有孔径与微细管电极13外径相等的限位孔34，利用限位装置25能够防止微细管电极13下端发生偏移，保证整根微细管电极13处于一条直线状态；微细管电极13一端固定安装于导流装置23的导流嘴32中，另一端固定安装于限位装置25的限位孔34中。
根据图5所示，微细管电极13为微细中空金属管或带有导电涂层的中空非金属管，且末端封闭，其外径为50-500um，内径为30-300um；微细管电极13具有群孔状或者群缝状的开口结构，其开口结构满足以下条件：一、电解液10的喷射范围能够整体覆盖工件5加工区；二、加工区无缺液区；三、从各个开口结构喷射出的电解液10的压力达到要求。
根据图6所示，金属材质的微细管电极13上的群孔状或者群缝状的开口结构可根据实际所需尺寸大小自行加工，其中群孔结构37可以使用柱状电极39进行电解打孔，群缝结构38可以使用钨丝或者钼丝等线电极40进行电解切割。
本发明“一种微细管电极电解切割大厚度工件方法及装置”的操作过程为：
步骤1、参考图1，电解液槽15安装在三坐标机床17的工作台16上，工件夹具6安装在电解液槽15内，工件5装夹在工件夹具6上；
步骤2、参考图1-图3，将微细管电极13装夹在微细管电极系统14中，利用定位孔18将微细管电极系统14安装在三坐标机床17的Z轴上；
步骤3、参考图1，启动液压泵8，并根据实际加工情况调节液压泵8的流量，电解液10通过流通管道7，经过滤器9、导流管30、导流嘴32进入微细管电极13，然后从微细管电极13上的群孔37或群缝38结构喷出，冲击到工件5后落入电解液槽15中，最终流入储液箱11中；
步骤4、参考图1，工件5接脉冲电源3正极，微细管电极13接脉冲电源3负极，启动脉冲电源3，并设定合适的电参数；
步骤5、参考图4，电解加工时，工件5在电解液10中发生电化学溶解而被蚀除切割，电解液10的喷射方向决定了电解切割方向，当切割加工到预定切割轨迹的转折处，工控机1通过运动控制卡2控制伺服电机12转动，转动角度根据单位时间内X、Y方向的进给量决定，伺服电机12通过驱动齿轮26和齿轮结构28带动转盘29、导流管30、微细管电极13转动，从而改变电解液10的喷射方向，同时工控机1通过运动控制卡2控制三坐标机床17的工作台16运动，实现微细管电极13与工件5的相对运动，完成对工件5的转向切割；
步骤6、加工完毕后，关闭脉冲电源3、液压泵8，分离、清洗工件5。
Claims (3)
1.一种用于电解切割大厚度工件方法的微细管电极系统，其特征在于：
该系统包括支架（21）、转向装置（24）、导流装置（23）、限位装置（25）、微细管电极（13）；
上述支架（21）包括上支架盖板（19）、上支架（20）和下支架（22）；
上述转向装置（24）包括伺服电机（12）和转盘（29）；其中伺服电机（12）固定安装于上支架盖板（19）中，转盘（29）安装于上支架（20）中；伺服电机（12）输出轴安装驱动齿轮（26），转盘（29）外体具有与之配合的齿轮结构（28）；
上述导流装置（23）包括导流管（30）、密封垫圈（31）、导流嘴（32）和螺母（33）；上述转向装置（24）的转盘（29）中心具有导流管安装腔（27）；导流管（30）安装于该导流管安装腔（27）中并可随转盘（29）转动；导流管（30）一端为进液口另一端为出液口，进液口与电解液（10）流通管道（7）相连，密封垫圈（31）和导流嘴（32）安装于出液口，并通过螺母（33）紧固；
上述限位装置（25）包括轴承（36）和限位器（35）；轴承（36）安装在下支架（22）中，限位器（35）固定安装于轴承（36）内，其中限位器（35）具有孔径与微细管电极（13）外径相等的限位孔（34）；
上述微细管电极（13）一端固定安装于导流装置（23）的导流嘴（32）中，另一端固定安装于限位装置（25）的限位孔（34）中；
上述微细管电极（13）为微细中空金属管或带有导电涂层的中空非金属管，其中微细管电极（13）的末端封闭，微细管电极（13）具有群孔状或者群缝状的开口结构。
2.根据权利要求1所述的用于电解切割大厚度工件方法的微细管电极系统，其特征在于：上述微细管电极（13）的开口结构满足以下条件：一、电解液（10）的喷射范围能够整体覆盖工件（5）加工区；二、加工区内无缺液区；三、从各个开口结构喷射出的电解液（10）的压力达到要求。
3.根据权利要求1所述的用于电解切割大厚度工件方法的微细管电极系统，其特征在于：上述微细管电极（13）外径为50-500um、内径为30-300um。
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