CN108890053A - 双流道管电极及其电解切割方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双流道管电极及其电解切割方法，属于电化学加工技术领域。其主要特征在于：选用一端封闭的双流道金属管作为电解切割时的工具阴极，其中双流道管电极的输液流道外侧壁面向下倾斜开设阵列小孔，输气流道外侧壁面两侧开设微细长缝。电解切割时，电解液从阵列小孔中向下倾斜射出，加快电解液向下流动速度，促进电解产物的排出，提高电解切割效率；同时高压气体从微细长缝中喷出，将电解液封闭在前端加工间隙内，减小了电解液在加工间隙内的湍流扩散范围，缩小电解加工区域，提高电解切割精度。

Description

双流道管电极及其电解切割方法

技术领域

本发明涉及一种双流道管电极及其电解切割方法，属于电化学加工技术领域。

背景技术

切割加工技术是机械制造行业中的一道重要工序，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，模具行业中的各种冲模、挤压模、冲裁模等零件的直纹结构工作型面都是采用切割技术加工而成。

随着各种新材料的出现以及对航空航天、精密仪器、模具制造等领域的不断探索，对切割加工的精度和效率提出了更高的要求。电解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、重铸层和热变形。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。

但是电解切割还有一定的局限性：电解切割效率比较低、可切割工件厚度有限。这是因为电解切割切缝很小，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。

当前，针对大厚度工件的电解切割加工，研究人员提出了轴向冲液电解线切割方法，高速流动的电解液沿线电极轴向快速冲进切缝，并带走切缝中的电解产物，达到快速更新电解液的目的。采用该方法，电解切割效率和加工大厚度工件的能力得到大大提升，但还不能满足现代制造的需求，因为电解液从喷嘴中射出后发散明显，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分布，加工表面垂直度显著降低，并且工件太厚时，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，造成切割效率及稳定性降低。

为此，研究人员又提出了微细管电极电解切割方法，在管电极侧面开设一定数量的微小开口结构，电解液从管电极一端进入，从管电极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。该方法大大提高了电解切割的加工效率和切割大厚度工件的能力，但是切割精度太低，这是因为高速流动的电解液在加工间隙内冲击到工件后湍流扩散，从管电极侧面和已切割面之间的间隙向后流出，造成电解液流场域散乱，电解加工区域不集中，杂散腐蚀严重。

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，本发明提出了一种能够提高电解切割效率与精度的双流道管电极及其电解切割方法。

一种双流道管电极，其特征在于：双流道管电极为下端封闭的金属圆管，管内轴向设有一隔板，将圆管内腔分隔成输液流道和输气流道两部分；在输液流道的外侧壁面，壁面厚度方向由内向外，向下倾斜开有阵列小孔，在工件厚度方向，阵列小孔的分布范围不小于加工区域范围，保证从阵列小孔射流出的电解液能够覆盖整个加工区域；在输气流道的外侧壁面上开设两列微细长缝，两列微细长缝分别位于外侧壁面与隔板靠近的边缘位置，微细长缝长度大于工件厚度，保证从微细长缝喷射出的高压气体能够将电解液全部封闭在前端加工区域内。

所述双流道管电极电解切割方法，其特征在于：根据电解线切割技术特点，沿管电极进给方向，定义双流道管电极的输液流道的外侧壁面为电解切割工作面，输气流道的外侧壁面为非工作面；电解切割时，电解液由液压泵注入到输液流道内，高速流动的电解液从阵列小孔中射出，由于阵列小孔向下倾斜，电解液射出时具有了向下的分速度，加快了电解液向下流出加工间隙的速度，促进了电解产物的排出，提高了电解切割效率，并且加工间隙内，电解液在水平方向上的湍流扩散减小，在竖直方向上的流动性能增强，使得电解液在工件厚度方向的流场均匀性和电场一致性都得以提升，提高了电解切割精度；高压气体由气泵注入到输气流道内，高压气体从微细长缝中喷出，将电解液封闭在加工区域内，减小了电解液在加工间隙内的湍流扩散范围，缩小电解加工区域，提高了电解切割精度。

所述双流道管电极电解切割方法，其特征在于：双流道管电极通过双腔转接头实现电解液注入和高压气体注入；双腔转接头上端设有输液接口与输气接口，下端设有管电极接口，内部具有两个腔体；通过管电极接口使两个腔体分别与双流道管电极的输液流道和输气通道对应。

本发明的有益效果在于：

1、本发明提出的双流道管电极，阵列小孔向下倾斜，电解液射出时具有了向下的分速度，加快了电解液向下流出加工间隙的速度，促进了电解产物的排出，提高了电解切割效率，并且加工间隙内，电解液在水平方向上的湍流扩散减小，在竖直方向上的流动性能增强，使得电解液在工件厚度方向的流场均匀性和电场一致性都得以提升，提高了电解切割精度；

2、高压气体从微细长缝中喷出，将电解液封闭在前端加工区域内，减小了电解液在加工间隙内的湍流扩散范围，缩小电解加工区域，提高了电解切割精度。

附图说明

图1是双流道管电极结构示意图；

图2是双流道管电极电解切割工件示意图；

图3是双流道管电极电解切割装置结构示意图；

图4是多腔转换接头结构示意图；

图5是常规管电极电解切割时加工间隙内流场分布图，其中图（a）是整体流场分布图，图（b）是轴向剖面流场分布图；

图6是向下倾斜45°开孔管电极电解切割时加工间隙内流场分布图，其中图（a）是整体流场分布图，图（b）是轴向剖面流场分布图；

图7是双流道管电极电解切割时加工间隙内流场分布图，其中图（a）是整体流场分布图，图（b）是轴向剖面流场分布图；

其标号名称分别为：1、阴极夹具，2、伺服电机，3、双腔转接头，4、电解液，5、双流道管电极，6、脉冲电源，7、工件，8、电解液槽，9、阳极夹具，10、通液管，11、液压泵，12、过滤器，13、储液箱，14、通气管，15、气泵，16、气源，17、限位器，18、阵列小孔，19、微细长缝，20、隔板，21、输液流道，22、输气流道，23、输液接口，24、输气接口，25、管电极接口。

具体实施方式

根据图1所示，本发明提出的一种双流道管电极5为下端封闭的金属圆管，管内轴向设有一隔板20，将圆管内腔分隔成输液流道21和输气流道22两部分；在输液流道21的外侧壁面，壁面厚度方向由内向外，向下倾斜开有阵列小孔18，在工件7厚度方向，阵列小孔18的分布范围不小于加工间隙范围；在输气流道22的外侧壁面上开设两列微细长缝19，两列微细长缝19分别位于外侧壁面与隔板20靠近的边缘位置，微细长缝19长度大于工件7厚度。

根据图2-图3所示，根据电解线切割技术特点，沿管电极进给方向，定义双流道管电极5的输液流道21的外侧壁面为电解切割工作面，输气流道22的外侧壁面为非工作面；电解切割时，电解液4由液压泵11注入到输液流道21内，高速流动的电解液4从阵列小孔18中射出，由于阵列小孔18向下倾斜，电解液4射出时具有了向下的分速度，加快了电解液4向下流出加工间隙的速度，促进了电解产物的排出，提高了电解切割效率，并且加工间隙内，电解液4在水平方向上的湍流扩散减小，在竖直方向上的流动性能增强，使得电解液4在工件7厚度方向的流场均匀性和电场一致性都得以提升，提高了电解切割精度；高压气体由气泵15注入到输气流道22内，高压气体从微细长缝19中喷出，将电解液4封闭在加工区域内，减小了电解液4在加工间隙内的湍流扩散范围，缩小电解加工区域，提高了电解切割精度。

根据图4所示，双腔转接头3上端设有输液接口23与输气接口24，下端设有管电极接口25，双流道管电极的输液流道21和输气流道22分别与双腔转接头3的两腔体对应安装，保证电解液4与高压气体分别通过其中一腔体进入双流道管电极5中。

双腔转接头3上端设有输液接口23与输气接口24，下端设有管电极接口25，内部具有两个腔体；通过管电极接口24使两个腔体分别与双流道管电极5的输液流道21和输气通道22对应；通过双腔转接头3实现了电解液4和高压气体到双流道管电极5两个流道的注入。

本发明“双流道管电极及其电解切割方法”的操作过程为：

步骤1、电解液槽8安装在精密机床工作台上，阳极夹具9安装在电解液槽8中，工件7安装在阳极夹具9中；

步骤2、阴极夹具1安装在机床Z轴上，伺服电机2、双腔转接头3和限位器17安装在阴极夹具1中，双流道管电极5上端安装在双腔转接头3下部的管电极接口25中，下端安放在限位器17中；

步骤3、启动液压泵11，电解液4依次通过通液管10、过滤器12、液压泵11、双腔转接头3、双流道管电极5，从阵列小孔18射出后落入电解液槽8中，然后流回储液箱13；

步骤4、启动气泵5，高压气体通过气泵5、通气管14、双腔转接头3、双流道管电极5，从微细长缝19中喷射出；

步骤5、启动脉冲电源6，通过机床控制双流道管电极5与工件7之间的相对运动，完成对工件7的切割；当需要转向切割时，伺服电机2驱动双腔转接头3、双流道管电极5转动，转动角度由单位时间内X、Y方向的进给量决定，完成对工件7的转向切割；

步骤6、加工完毕后，关闭脉冲电源3、液压泵11、气泵15，分离、清洗工件7。

为验证本发明提出的双流道管电极电解切割方法的有益效果，使用Fluent软件对加工间隙内的流场进行了仿真，仿真条件为：管电极外径0.5mm，内径0.3mm，加工间隙宽度0.7mm，工件厚度5mm，阵列小孔孔径0.1mm，数量5个，间距1mm，电解液压力1MPa。

图5是常规管电极电解切割时加工间隙内流场分布图，由图可以看出，在工件7厚度方向，加工间隙内流场均匀性较差，在前端加工区域，电解液4直接冲击到的区域切割深度大，电解液4未直接冲击到的区域切割深度小，甚至还存在缺液区，电解切割精度较低，并且电解液4从阵列小孔18射出后在加工间隙内湍流扩散，造成已加工面被二次电解；

图6是向下倾斜45°开孔管电极电解切割时加工间隙内流场分布图，由图可以看出，相比常规管电极电解切割，在工件7厚度方向，加工间隙内流场均匀性大大改善，并且电解液4向下流动速度增大，促进了电解产物的快速排出，电解切割效率得到提高，但是仍存在电解液4湍流扩散，出现二次电解，电解切割精度不高；

图7是双流道管电极电解切割时加工间隙内流场分布图，由于高压气体的封闭作用，减小了电解液4在加工间隙内的湍流扩散范围，缩小电解加工区域，并且加工区域内的流场更佳均匀、流动速度更大，电解切割效率和加工精度都得以提高。

对双流道管电极5的阵列小孔18和微细长缝19进行优化，选用合适的加工参数，效果更佳。

通过对加工间隙内的电解液4流场进行仿真对比可以看出，本发明提出的“双流道管电极及其电解切割方法”可以提高电解切割效率和加工精度。

Claims (3)

1.一种双流道管电极（5），其特征在于：

所述双流道管电极（5）为下端封闭的金属圆管，管内轴向设有一隔板（20），将圆管内腔分隔成输液流道（21）和输气流道（22）两部分；

在输液流道（21）的外侧壁面，壁面厚度方向由内向外，向下倾斜开有阵列小孔（18），在工件（7）厚度方向，阵列小孔（18）的分布范围不小于加工区域范围，保证从阵列小孔（18）射流出的电解液（4）能够覆盖整个加工区域；

在输气流道（22）的外侧壁面上开设两列微细长缝（19），所述两列微细长缝（19）分别位于外侧壁面与隔板靠近的边缘位置；微细长缝（19）长度大于工件（7）厚度，保证从微细长缝（19）喷射出的高压气体能够将电解液（4）全部封闭在前端加工区域内。

2.采用权利要求1所述的双流道管电极（5）的电解切割方法，其特征在于：

根据电解线切割技术特点，沿管电极进给方向，定义双流道管电极（5）的输液流道（21）的外侧壁面为电解切割工作面；输气流道（22）的外侧壁面为非工作面；

电解切割时，电解液（4）由液压泵（11）注入到输液流道（21）内，高速流动的电解液（4）从阵列小孔（18）中射出，由于阵列小孔（18）向下倾斜，电解液（4）射出时具有了向下的分速度，加快了电解液（4）向下流出加工间隙的速度，促进了电解产物的排出，提高了电解切割效率，并且加工间隙内，电解液（4）在水平方向上的湍流扩散减小，在竖直方向上的流动性能增强，使得电解液（4）在工件（7）厚度方向的流场均匀性和电场一致性都得以提升，提高了电解切割精度；

高压气体由气泵（15）注入到输气流道（22）内，高压气体从微细长缝（19）中喷出，将电解液（4）封闭在加工区域内，减小了电解液（4）在加工间隙内的湍流扩散范围，缩小电解加工区域，提高了电解切割精度。

3.根据权利要求2所述的双流道管电极（5）的电解切割方法，其特征在于：

双流道管电极（5）通过双腔转接头（3）实现电解液注入和高压气体注入；

双腔转接头（3）上端设有输液接口（23）与输气接口（24），下端设有管电极接口（25），内部具有两个腔体；通过管电极接口（25）使两个腔体分别与双流道管电极（5）的输液流道（21）和输气通道（22）对应。