CN110394520A - 瞬冻冰层的电解小孔加工方法 - Google Patents

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徐正扬
陆江伟
张璟阳
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    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23H—WORKING OF METAL BY THE ACTION OF A HIGH CONCENTRATION OF ELECTRIC CURRENT ON A WORKPIECE USING AN ELECTRODE WHICH TAKES THE PLACE OF A TOOL; SUCH WORKING COMBINED WITH OTHER FORMS OF WORKING OF METAL
    • B23H9/00—Machining specially adapted for treating particular metal objects or for obtaining special effects or results on metal objects
    • B23H9/14—Making holes
    • B23H9/16—Making holes using an electrolytic jet

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Abstract

本发明公开了一种瞬冻冰层的电解小孔加工方法，属于特种加工领域。本发明特征在于利用正流式电解液冲击低温工件时，电解液温度在回流过程中冷却，到达冰点时瞬间冻结成冰，包覆在已加工的孔壁四周以及孔口周边。因为低温下离子活性的降低，冰层包覆处的电化学溶解现象几乎消失，可以有效缓解孔壁和孔口处的杂散腐蚀现象，实现高质量、小锥度的小孔加工。

Description

瞬冻冰层的电解小孔加工方法
技术领域
发明涉及一种小孔的电解加工方法，属于特种加工技术领域，具体是基于已加工壁面瞬冻冰层的电解小孔加工方法和装置。
背景技术
随着技术的发展进步，小孔结构在航空、航天、机械、船舶等各方面得到广泛应用。同时，对于小孔的结构方面所提出的要求越来越高，大量的群孔、斜孔、大深径比的小孔等难加工结构被大量运用。同时，被加工的材料大多都是高温合金、硬质合金等难加工材料。这些都对小孔的加工技术提出很高的要求。
针对小孔结构的加工，近年来如激光、电火花、电解等特种加工方法得到广泛使用并取得良好的效果。
2019年3月1日，中国发明专利CN109396674A公开了一种光纤导光辅助激光打孔专用夹具及进行小孔加工的方法。通过在工件上放置内部包含纤芯的光纤加持层、激光在小尺寸纤芯上的传导实现高精度小孔的加工。该加工方法有效解决了现有激光技术直接照射工件表面使得孔径变大达不到加工要求的问题。
2015年7月29日，中国发明专利CN104801801A公开了一种基于低温环境的冰冻辅助微小孔加工方法及装置。这种方法只在工件底部冻结上一层冰，起到“反衬”作用，使得工作液回流，保证微小孔加工之后小孔出口得到较好的质量。
沈阳航空航天大学马宁等进行了管电极电解加工小孔的实验研究（电加工与模具，2018，增刊1：33~36），利用中性盐溶液代替酸溶液，分析了电压和电解液浓度对孔径的影响，不同电解速度配合不同电压值对加工深度影响，但杂散腐蚀现象仍然存在。青岛科技大学魏曾等提出超声扰动电解液电解加工小孔的实验研究（模具技术，2018（5）：57~63），通过研究不同脉冲频率下超声扰动电解液及常规电解加工对侧面间隙、加工速度以及加工精度的影响，表明超声扰动电解液能够减小加工间隙，提高加工速度和加工精度，但是仍未解决加工过程中杂散腐蚀情况的发生。
发明内容
本发明旨在用较为简便的方式，实现质量较高的电解小孔加工，减弱杂散腐蚀效应，提高加工精度。
一种瞬冻冰层的电解小孔加工方法，其特征在于包括以下过程：将工件冷却到低温状态，同时电解液从中空管电极中喷出，电解液温度可调，保证在管电极端部电解加工时，电解液不会凝固；当电解液沿着管壁回流到一定流程时，被冷态工件冷却到冰点，瞬间冻结成冰，附着于贴近孔壁的一侧；由于管电极内电解液有一定温度，所以在贴近阴极壁面处回流的电解液不会凝固，使得电解液有顺畅的流动；包覆着孔壁的冰层，能减少阴极侧边对已加工孔壁的二次腐蚀，使得孔壁的锥度和形貌达到要求。同时，回流的电解液也会在孔口周边形成冰层，保护孔口部分不发生二次腐蚀，提高孔口处的表面质量。
上述的瞬冻冰层的电解小孔加工方法，其特征在于：工件冷却到-80℃~-40℃，电解液温度为20℃~40℃；包覆的冰层厚度取决于阴极外壁面和已加工孔壁面之间的温度梯度，当电解液与工件温度确定后，冰层形成厚度较为稳定的动态平衡；通过控制电解液和工件温度来控制冰层厚度。工件温度需要足够低，保证在较短的流程内将电解液冷却到冰点；电解液需要稍高的温度，保证靠近阴极管电极部分不会被完全冻死，加工过程有顺畅的电解液回流通道。工件温度与电解液温度是重要的加工参数，二者对加工过程的稳定性都有较大影响，需要恰当地选择。
上述的瞬冻冰层的电解小孔加工方法，其特征在于：工件的冷却方法为液氮冷却，或低温冷空气冷却；电解液的温度调控为水浴加热。无论是哪种冷却方式和加热方式，都要保证温度波动小且可实时监控调节。
本发明有益效果在于
本发明能在很大程度上减小杂散腐蚀对已加工孔壁的影响，得到质量较好的孔壁结构。在管电极电解小孔加工中，尤其是深小孔加工时，管电极除了端部电解外，其侧边也会对已加工孔壁进行二次腐蚀，严重影响孔壁质量和锥度，往往加工出来的小孔孔壁不是直壁，而是斜壁面甚至曲线壁面。本发明通过将工件冷态处理、将电解液进行一定的加热，使得在端部电解液不冻结，能够正常流动；而在孔壁侧面处，由于电解液回流，贴近壁面的电解液温度逐渐降低，到冰点瞬间凝固，形成包覆于孔侧壁的冰层。这就保证了，在端部，所需要的电解作用顺利进行，而在侧壁，所不希望看到的二次腐蚀、杂散腐蚀等现象得到有效的抑制。同时，因为管电极中不断流动的电解液具有一定温度，所以贴近管电极一侧的电解液不会冻结，使得电解液有较稳定的回流，保证整个电解加工的顺利进行。
本发明有利于减少孔口周边的杂散腐蚀，改善孔口质量。一般的电解小孔加工结束后，孔口附近表面质量往往会因为杂散腐蚀而变得很差。本发明将工件冷却，使得回流的电解液在孔壁瞬间冻结，同时，由于电解液回流到工件上表面，所以孔口周围也有冰层包裹，低温冰层有助于减缓杂散腐蚀，有利于得到质量较好的孔口表面。
本发明易于实现与控制。在实际的应用过程中，只要将工件冷却，电解液加热，之后的加工过程与管电极电解小孔加工几乎一致。本发明中的关键因素——冰层厚度，完全取决于管电极和工件之间的温度梯度。升高或降低工件或电解液的温度，可以实现对冰层厚度的有效调控。
附图说明
图1和图2展示了冰层的形成过程；
各标号代表如下:1.管电极；2.电解液；3.加工产物；4.冰层；5.工件。
具体实施方式
下面结合图具体进行说明：
图1展示加工刚开始时的冰层情况。因为电解液带有一定的温度，所以刚开始在离加工区域较远范围内才形成冰层，加工区域仍然是正常的电解加工。
图2展示加工一段时间后的冰层情况。随着加工过程的进行，小孔越来越深，工作液沿着孔壁回流的流程越来越长，工作液逐渐冷却，冰层不断由外向内扩展，最后包覆于已加工表面的孔壁，使得孔壁周边的杂散腐蚀减小。同时由于孔的上表面也包覆着冰层，孔口的杂散腐蚀也会得到抑制。

Claims (5)

1.一种瞬冻冰层的电解小孔加工方法，其特征在于包括以下过程：
将工件冷却到低温状态，同时电解液从中空管电极中喷出，电解液温度可调，保证在管电极端部电解加工时，电解液不会凝固；当电解液沿着管壁回流到一定流程时，被冷态工件冷却到冰点，瞬间冻结成冰，附着于贴近孔壁的一侧；由于管电极内电解液有一定温度，所以在贴近阴极壁面处回流的电解液不会凝固，使得电解液有顺畅的流动；包覆着孔壁的冰层，减少阴极侧边对已加工孔壁的二次腐蚀，使得孔壁的锥度和形貌达到要求。
2.根据权利要求1所述的瞬冻冰层的电解小孔加工方法，其特征在于：工件冷却到-80℃~-40℃，电解液温度为20℃~40℃。
3.根据权利要求1所述的瞬冻冰层的电解小孔加工方法，其特征在于：包覆的冰层厚度取决于阴极外壁面和已加工孔壁面之间的温度梯度，当电解液与工件温度确定后，冰层形成厚度较为稳定的动态平衡；通过控制电解液和工件温度来控制冰层厚度。
4.根据权利要求1所述的瞬冻冰层的电解小孔加工方法，其特征在于：工件的冷却方法为液氮冷却，或低温冷空气冷却。
5.根据权利要求1所述的瞬冻冰层的电解小孔加工方法，其特征在于：
电解液的温度调控为水浴加热。
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