CN108746893A - 多流道管电极及系统与单一流通电解切割方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多流道管电极及系统与单一流通电解切割方法，属电化学加工技术领域。选用一端封闭的多流道金属圆管作为电解切割时的工具阴极，其中多流道管电极外部壁面对应各流道分别开设小孔阵列，相邻流道对应的小孔阵列不相同。电解切割时，多流道管电极做旋转运动，在分配转接头作用下，电解液只从多流道管电极进给面处的一个流道进入，从相对应的小孔阵列中射出，对工件进行电解切割。由于相邻流道对应的小孔阵列不相同，随着多流道管电极（11）的旋转，加工间隙内的流场做上下往复运动，使流场更加均匀、电解产物更易排出。且各流道（21）依次切换使用，加工间隙内的电解液（15）呈现脉动流态，进一步提高了电解切割效率和加工精度。

Description

多流道管电极及系统与单一流通电解切割方法

技术领域

本发明涉及一种多流道管电极及系统与单一流通电解切割方法，属于电化学加工技术领域。

背景技术

难加工金属材料在航空航天、兵器、精密仪器等领域的应用越来越广泛，但其加工制造困难，已成为相关领域的共性制造难题。比如航空发动机和燃气轮机的叶片榫头、涡轮盘榫槽、高精度传动齿轮等零件的直纹结构工作型面，采用电火花线切割、激光切割、火焰切割、等离子切割通常会在零件表面形成重铸层和热影响层。

目前，较为理想的切割方式应属于电解切割加工。电解切割技术是以金属丝作为工具阴极，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。

但是电解切割时，加工间隙很小，电解产物很难从切缝中排出，而且新鲜的电解液难以进入，加工间隙内的电解液成分和浓度发生变化，大大降低了电解切割效率和加工稳定性。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。

针对电解切割效率偏低、可切割工件厚度有限这一问题，研究人员提出了轴向冲液电解线切割方法，采用轴向高速流动的电解液包裹电极丝快速冲进切缝，加工间隙内的电解液得到快速更新，并且电解产物被顺利冲出。该方法最明显的优点就是电解液更新速率快，电解切割效率高，可加工工件厚度的能力较高，但是也存在着一定的缺陷，未能满足现代制造的需求，因为随着工件厚度的增加，电解液束发散明显，并且受狭小切缝的壁面影响，加工间隙内电解液更新减缓，使得沿工件深度方向加工缝宽呈锥形，加工表面垂直度显著降低。

为此，研究人员又提出了微细管电极电解切割方法，在一端封闭的管电极侧面开设一定数量的微小开口结构，高速流动的电解液流经管电极后从侧面的开口结构喷出，电解液直接到达加工间隙内，并快速冲出电解产物。采用该方法，电解切割效率和加工大厚度工件的能力得以提升，但是切割精度不高，这是因为在工件厚度方向上，加工间隙内流场均匀性较差，电解液直接冲击到的区域电解液流速高、更新快，未被直接冲击到的区域电解液流速低、更新慢，电解切割量不均匀，切割缝宽不一致。

目前，对于厚度超过20mm的工件，如何高效精密电解切割仍是一个挑战，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，仍是电解切割存在的重要难题。

发明内容

针对高效精密电解切割大厚度工件和切缝中电解产物排出困难、电解液难以更新的问题，本发明提出了一种多流道管电极及系统与单一流通电解切割方法。

一种多流道管电极，其特征在于：多流道管电极为下端封闭的金属圆管，管内轴向设有多块隔板，将圆管内腔分隔成多个流道；每个流道对应的管电极外部壁面布置有小孔阵列；且在工件厚度方向，小孔阵列的分布范围长度大于等于工件厚度，保证从小孔阵列射流出的电解液能够覆盖整个加工区域；相邻流道对应的小孔阵列不相同；所谓小孔阵列不相同是指以下参数的一种或几种不相同：孔径、孔间距、孔高度、孔角度，其中孔角度是指孔从壁面厚度方向由内向外向下倾斜角度。

利用任一上述所述多流道管电极的多流道管电极系统，其特征在于：还包括分配转接头；所述分配转接头上端设有输液管接口，下端设有管电极接口，中部内部由上而下依次设置有主导流腔和偏心导流腔，偏心导流腔直径小于主导流腔直径，两者相通。

采用上述的多流道管电极系统的单一流通电解切割方法，其特征在于：电解切割时，伺服电机通过卡盘带动多流道管电极始终做旋转运动；由于分配转接头内只含有一条与主导流腔相对应的偏心导流腔，多流道管电极相对分配转接头旋转时，电解液只从多流道管电极进给面处的一个流道进入，从相对应的小孔阵列中射出，对工件进行电解切割；由于相邻流道对应的小孔阵列不相同，则在工件厚度方向上电解液的冲击区域不同，随着多流道管电极的旋转，加工间隙内的流场做上下往复运动，使得流场更加均匀、电解产物更易排出，并且由于多流道管电极的旋转，各流道依次切换使用，整个过程中加工间隙内的电解液将呈现脉动流态，进一步促进了电解产物的排出，提高了电解切割效率和加工精度。转向切割时，根据工件与多流道管电极单位时间内在X、Y方向上的相对运动量，电动精密分度盘驱动分配转接头转动一定角度，改变了分配转接头中偏心导流腔的所处位置，从而改变了电解液的喷射方向，实现对工件的转向电解切割。

本发明的有益效果在于：1、本发明提出的多流道管电极，每个流道对应的管电极外部壁面布置有小孔阵列；且在工件厚度方向，小孔阵列的分布范围长度大于等于工件厚度，保证从小孔阵列射流出的电解液能够覆盖整个加工区域；相邻流道对应的小孔阵列不相同，所谓小孔阵列不相同是指以下参数的一种或几种不相同：孔径、孔间距、孔高度、孔角度，其中孔角度是指孔从壁面厚度方向由内向外向下倾斜角度，使得从各列小孔阵列中喷射的电解液在工件上的冲击位置不同。2、由于分配转接头内只含有一条与主导流腔相对应的偏心导流腔，多流道管电极相对分配转接头旋转时，电解液只从多流道管电极进给面处的一个流道进入，从相对应的小孔阵列中射出，对工件进行电解切割；同时通过改变分配转接头中偏心导流腔的所处位置，来改变电解液的喷射方向，实现对工件的转向电解切割。3、伺服电机通过卡盘带动多流道管电极始终做旋转运动，由于相邻流道对应的小孔阵列不相同，则在工件厚度方向上电解液的冲击区域不同，随着多流道管电极的旋转，加工间隙内的流场做上下往复运动，使得流场更加均匀、电解产物更易排出，并且由于多流道管电极的旋转，各流道依次切换使用，整个过程中加工间隙内的电解液将呈现脉动流态，进一步促进了电解产物的排出，提高了电解切割效率和加工精度。

所述的多流道管电极，其特征在于：管内轴向设的多块隔板均匀布置，将圆管内腔分隔成多个相同的流道。

所述的多流道管电极，其特征在于：所有流道对应的小孔阵列中的孔径、孔间距均相同。

所述的多流道管电极，其特征在于：相邻流道对应的小孔阵列，其孔径、孔间距、孔高度相同，孔角度不同。

所述的多流道管电极，其特征在于：相邻流道对应的小孔阵列，其孔径、孔间距、孔角度相同，孔高度不同。

附图说明

图1是多流道管电极结构示意图，其中图（a）孔角度不同但其他参数相同的多流道管电极，图（b）是孔高度不同但其他参数相同的多流道管电极；

图2是分配转接头结构示意图；

图3是多流道管电极单一流通电解切割工件示意图；

图4是多流道管电极单一流通电解切割装置结构示意图；

其标号名称分别为：1、阴极夹具，2、电动精密分度盘，3、分配转接头，4、输液管，5、卡盘，6、脉冲电源，7、上支架，8、伺服电机，9、中支架，10、工件，11、多流道管电极，12、限位器，13、下支架，14、电解液槽，15、电解液，16、阳极夹具，17、液压泵，18、过滤器，19、储液箱，20、隔板，21、流道，22、主导流腔，23、偏心导流腔，24、输液管接口，25、管电极接口。

具体实施方式

根据图1所示，本发明提出的一种多流道管电极11为下端封闭的金属圆管，管内轴向设的多块隔板20均匀布置，将圆管内腔分隔成多个相同的流道21；每个流道21对应的多流道管电极11外部壁面布置有小孔阵列；且在工件10厚度方向，小孔阵列的分布范围长度大于等于工件厚度，保证从小孔阵列射流出的电解液15能够覆盖整个加工区域；相邻流道21对应的小孔阵列不相同；所谓小孔阵列不相同是指以下参数的一种或几种不相同：孔径、孔间距、孔高度、孔角度，其中孔角度是指孔从壁面厚度方向由内向外向下倾斜角度；比如相邻流道21对应的小孔阵列，其孔径、孔间距、孔高度相同，孔角度不同，或者相邻流道21对应的小孔阵列，其孔径、孔间距、孔角度相同，孔高度不同。

根据图2所示，分配转接头3上端设有输液管接口24，下端设有管电极接口25，中部内部由上而下依次设置有主导流腔22和偏心导流腔23，偏心导流腔23直径小于主导流腔22直径，两者相通。

根据图3-图4所示，电解切割时，伺服电机8通过卡盘5带动多流道管电极11始终做旋转运动；由于分配转接头3内只含有一条与主导流腔22相对应的偏心导流腔23，多流道管电极11相对分配转接头3旋转时，电解液15只从多流道管电极11进给面处的一个流道11进入，从相对应的小孔阵列中射出，对工件进行电解切割。

转向切割时，根据工件10与多流道管电极11单位时间内在X、Y方向上的相对运动量，电动精密分度盘2驱动分配转接头3转动一定角度，改变了分配转接头3中偏心导流腔23的所处位置，从而改变了电解液15的喷射方向，实现对工件10的转向电解切割。

本发明“多流道管电极单一流通电解切割方法”的操作过程为：

步骤1、电解液槽14安装在精密机床工作台上，阳极夹具16安装在电解液槽14中，工件10安装在阳极夹具16中；

步骤2、阴极夹具1安装在机床Z轴上，电动精密分度盘2安装在阴极夹具1的上支架7中，分配转接头3安装在电动精密分度盘2中，伺服电机8和卡盘5安装在阴极夹具1的中支架9中，限位器12安装在阴极夹具1的下支架13中，多流道管电极11上端穿过卡盘5中心安装在分配转接头3的管电极接口25中，下端为封闭端，安放在限位器12中，电动精密分度盘2、分配转接头3、卡盘5、限位器12、多流道管电极11同轴安装；

步骤3、启动液压泵17，电解液15依次通过输液管4、过滤器18、液压泵17、分配转接头3、多流道管电极11，从小孔阵列射出后落入电解液槽14中，然后流回储液箱19；

步骤4、启动脉冲电源6，通过机床控制多流道管电极11与工件10之间的相对运动，完成对工件10的切割；当需要转向切割时，电动精密分度盘2驱动分配转接头3转动，改变分配转接头3中的导流腔23位置，从而改变了电解液15的喷射方向，转动角度由单位时间内X、Y方向的进给量决定，结合工件10和多流道管电极11之间的相对运动，实现对工件10的转向电解切割；

步骤5、加工完毕后，关闭脉冲电源6、液压泵17，分离、清洗工件10。

Claims (7)

1.一种多流道管电极，其特征在于：

所述多流道管电极（11）为下端封闭的金属圆管，管内轴向设有多块隔板（20），将圆管内腔分隔成多个流道（21）；

每个流道（21）对应的多流道管电极（11）外部壁面布置有小孔阵列；且在工件（10）厚度方向，小孔阵列的分布范围长度大于等于工件（10）厚度，保证从小孔阵列射流出的电解液（15）能够覆盖整个加工区域；

相邻流道对应的小孔阵列不相同；所谓小孔阵列不相同是指以下参数的一种或几种不相同：孔径、孔间距、孔高度、孔角度，其中孔角度是指孔从壁面厚度方向由内向外向下倾斜角度。

2.根据权利要求1所述的多流道管电极，其特征在于：管内轴向设的多块隔板（20）均匀布置，将圆管内腔分隔成多个相同的流道（21）。

3.根据权利要求1所述的多流道管电极，其特征在于：所有流道（21）对应的小孔阵列中的孔径、孔间距均相同。

4.根据权利要求1所述的多流道管电极，其特征在于：相邻流道（21）对应的小孔阵列，其孔径、孔间距、孔高度相同，孔角度不同。

5.根据权利要求1所述的多流道管电极，其特征在于：相邻流道（21）对应的小孔阵列，其孔径、孔间距、孔角度相同，孔高度不同。

6.利用权利要求1-5任一所述多流道管电极的多流道管电极系统，其特征在于：

还包括分配转接头（3）；所述分配转接头（3）上端设有输液管接口（24），下端设有管电极接口（25），中部内部由上而下依次设置有主导流腔（22）和偏心导流腔（23），偏心导流腔（23）直径小于主导流腔（22）直径，两者相通。

7.采用权利要求6所述的多流道管电极系统的单一流通电解切割方法，其特征在于：

电解切割时，伺服电机（8）通过卡盘（5）带动多流道管电极（11）始终做旋转运动；由于分配转接头（3）内只含有一条与主导流腔（22）相对应的偏心导流腔（23），多流道管电极（11）相对分配转接头（3）旋转时，电解液（15）只从多流道管电极（11）进给面处的一个流道（21）进入，从相对应的小孔阵列中射出，对工件进行电解切割；

由于相邻流道对应的小孔阵列不相同，则在工件（10）厚度方向上电解液（15）的冲击区域不同，随着多流道管电极（11）的旋转，加工间隙内的流场做上下往复运动，使得流场更加均匀、电解产物更易排出，并且由于多流道管电极（11）的旋转，各流道（21）依次切换使用，整个过程中加工间隙内的电解液（15）将呈现脉动流态，进一步促进了电解产物的排出，提高了电解切割效率和加工精度;

转向切割时，根据工件（10）与多流道管电极（11）单位时间内在X、Y方向上的相对运动量，电动精密分度盘（2）驱动分配转接头（3）转动一定角度，改变了分配转接头（3）中偏心导流腔（23）的所处位置，从而改变了电解液（15）的喷射方向，实现对工件（10）的转向电解切割。