CN111618384B - 螺纹管电极匹配内外冲液电火花-电解组合制孔方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种螺纹管电极匹配内外冲液电火花‑电解组合制孔方法，在电火花高速制孔加工阶段，接入电火花脉冲电源，采用内冲液方式通入去离子水，匹配螺纹管电极旋转，同时向下进给，当极间距离达到火花放电间隙时产生脉冲电火花，以此蚀除工件材料，螺纹旋转扰动和螺纹槽对电蚀固体小颗粒向上作用力，使电蚀固体小颗粒快速向上排出。当工件被击穿时保持电极工位不变，接入电解电源并换为外冲液，外置喷嘴对准间隙喷入电解液，匹配螺纹管电极逆向旋转，螺纹槽容纳更多的电解液进入狭小间隙，工件发生阳极溶解反应，电解絮状物在螺纹槽挤压下快速向下排出。本发明既保证微小孔制造的高精度、高效率，又实现孔壁无微裂纹、无重铸层的加工要求。
Description
技术领域
本发明涉及特种加工技术领域，尤其涉及一种螺纹管电极匹配内外冲液电火花-电解组合制孔方法。
背景技术
随着航空、航天等领域的不断发展，其产品关键零部件上存在大量的微小孔，例如航空发动机涡轮叶片的气膜冷却孔、燃烧室火焰筒群孔、发动机喷油嘴、密封圈等，该微小孔以及群孔具有尺寸小、数量多、精度高，加工表面无重铸层、微裂纹等特点，且采用的材料大多为铸造高温合金、钛合金、钴基合金等难加工材料，因此，针对难加工材料的小尺寸、高精度、高效率、高表面质量的微小孔加工已成为制约航空、航天等先进领域发展的关键难题。
近年来，为了制造航空发动机涡轮叶片的气膜冷却孔、燃烧室火焰筒群孔等微小孔结构，所采用的特种加工工艺有离子束加工、电子束加工、激光加工、电火花加工、电解加工等。离子束加工和电子束加工均需要真空的环境要求，设备昂贵，激光加工过程会产生重铸层且加工成本较高，电火花加工存在工具电极损耗和产生重铸层问题，电解加工的杂散腐蚀严重、精度低、电解效率低。因此，以上特种加工技术存在的缺点难以实现小尺寸、高精度、高效率、高表面质量的微小孔加工。
由于电火花加工具有高成形精度、高效率的优点，电解加工具有高表面质量、无重铸层的优点，两者存在互补，形成电火花-电解组合加工制备微小孔的特种加工新工艺。
2016年1月6日，申请号为201510696012.7的中国专利公开了一种面向非导电硬脆材料的微细高效加工方法及装置，该发明专利将超声振动、电解、电火花等加工方法有机结合，其工具电极为螺旋形实心棒状，在浸液条件下，利用螺旋形实心棒状工具电极的高速旋转及工件的超声振动，促进极间电解液更新，实现针对非导电硬脆材料的高效、高精度、低成本加工。但该方法采用浸液式加工难以快速去除深小孔间隙的产物，导致加工精度变差。
2016年7月2日，申请号为201610269380.8的中国专利公开了一种高速电火花加工磨料水喷嘴内孔的方法，该发明专利采用内冲液方式在螺纹管电极内孔处通入工作液，高压流动的工作液在小孔孔壁按螺旋线轨迹迅速将电蚀产物排出孔外，实现工具电极低损耗和微小孔高精度加工。但该方法没有结合电解加工，难以去除孔壁的重铸层，且孔壁多微裂纹和金属溅射颗粒。
2003年12月24日，申请号为03219172.3的中国专利公开一种带反向冲液装置的高速电火花小孔加工机，该发明在原有的高速电火花小孔加工机上设一反向冲液装置，其位置与被加工件的出口相对应，当工件被加工孔刚刚打穿出现漏液造成加工区域缺液时，该装置的喷头的喷孔口对工件的加工孔出口喷射一定压力的工作液，对加工孔出口区域起辅助冷却及排屑作用。但该方法只能改善微小孔出口加工效果，而孔侧隙仍然存在大量加工产物难以排出，导致侧壁表面质量差。
2015年7月29日，申请号为201510212740.6的中国专利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，该发明以管状电极作工具电极，只采用内冲液方式，当工件击穿时利用低温环境使工件背面结冰形成反衬，保证出口处供液充足，改善小孔出口质量。但该方法在孔穿透瞬间，管电极极易撞击冰层，破坏管电极电极端面形状精度，导致微小孔出口质量难以保证。
2007年8月8日，申请号为CN200710019451.X的中国专利公开了一种电解液轴向流动的微细加工方法及其专用电极喷嘴，该发明利用专用电极喷嘴使电解液沿实心棒状工具电极的轴向平缓流入加工区，最后再从加工区流回电解液槽中，实现微细电解加工。但该喷嘴只能在水平方向供液，且专用喷嘴内部只有两条流道，同时无法实现内冲液方式，因此难以应用到电火花-电解组合加工中。
2013年11月13日，申请号为201310272892.6的中国专利公开了一种微小孔电火花-电解组合加工多通道对称冲液装置及方法，该发明专利利用管电极内部流道和外部冲液装置，实现工作液内外冲液方式组合，分别满足电火花、电解加工对流场的要求，使两种加工方法在同一机床、同一工位、同一工具电极下完成，避免频繁更换工装夹具带来的误差，简化了操作，提高了加工效率和质量。但该方法无法保证制孔效果。
2019年8月23日，申请号201910429474.0的中国专利公开了一种微磨料内喷的电火花-电解复合加工装置及其加工，该专利先采用管电极内冲液方式通入磨料去除工件表面绝缘涂层，待金属基体裸露后，利用高压脉冲进行快速穿孔加工，当侧壁间隙大于火花放电间隙，利用低压脉冲进行电解去除孔壁重铸层加工，实现小孔一次性快速成形加工，操作简单，加工效率高。但微小孔狭小间隙本身存在电蚀固体小颗粒难以排出问题，而通入磨料将加剧这一问题，加工过程的稳定性难以保证。
微小孔的制造质量直接决定航空、航天等领域的关键产品零部件的使用性能，进一步制约其领域的发展，因此，探索电火花-电解组合加工制造微小孔的高效率、高精度、高表面质量的研究具有十分重要的意义，同时也具有很大的应用价值。
发明内容
本发明旨在根据现有技术中存在的问题提出一种微小孔加工方法，采用螺纹管电极匹配内外冲液电火花-电解组合制孔方法，既保证微小孔的高精度、高效率制造，又实现孔壁无微裂纹、无重铸层加工要求。
本发明提出的螺纹管电极匹配内外冲液电火花-电解组合制孔方法，包括：
步骤1，采用螺纹管电极作为工具电极，将所述螺纹管电极固定于主旋转头；
步骤2，电火花高速制孔加工阶段：接通电火花脉冲电源，采用内冲液方式，使工作液从所述螺纹管电极内部流入加工区，所述螺纹管电极按一定方向旋转并沿着z轴方向向下进给，当所述螺纹管电极与工件达到脉冲火花放电间隙时，极间产生的脉冲电火花使工件材料高温熔化并在工作液冷却作用下迅速形成电蚀固体小颗粒，通过所述螺纹管电极的螺纹结构的旋转，避免了所述电蚀固体小颗粒的聚集和沉积，同时所述螺纹管电极的螺纹凹槽面对电蚀固体小颗粒产生向上作用力，在内冲液与螺纹结构双重作用下，所述电蚀固体小颗粒顺着螺纹流道快速向上排出；
步骤3，电解加工阶段：当所述工件被击穿并形成微小孔时，保持所述螺纹管电极的工位不变，将电源更换为电解电源，将冲液方式更换为外冲液方式，将外置专用喷嘴置于所述微小孔上方，利用所述外置专用喷嘴对微小孔入口处喷射电解液；电火花加工时所述微小孔的孔壁产生的缺陷层在电解液中发生阳极溶解反应，并在所述微小孔的孔壁与螺纹管电极之间的间隙内产生大量电解絮状物，所述螺纹管电极转变旋转方向，使所述螺纹管电极的螺纹凹槽面对电解絮状物产生向下作用力，在所述外冲液和螺纹管电极的螺纹结构双重作用下，所述电解絮状物从微小孔出口处快速流出；
步骤4，当完全去除所述缺陷层时，停止电解加工，所述螺纹管电极沿z轴方向向上退回，所述电火花-电解组合加工结束，实现所述工件表面的微小孔制造。
进一步地，在一种实现方式中：在所述电火花高速制孔加工阶段采用内冲液的冲液方式，所述内冲液为去离子水，所述去离子水从螺纹管电极内部小孔流入加工区；
在电解阶段转换为外冲液的冲液方式，所述外冲液为中性盐溶液，采用所述外置专用喷嘴向微小孔入口处喷出所述中性盐溶液，所述中性盐溶液流经微小孔的孔壁面与螺纹电极外表面所形成的狭小流道，并从所述微小孔出口处流出。
进一步地，在一种实现方式中：所述螺纹管电极旋转方向与冲液方式相匹配；
在所述电火花高速制孔加工阶段，若所述螺纹管电极为右螺纹管电极，则顺时针旋转所述螺纹管电极配合内冲液方式；若所述螺纹管电极为左螺纹管电极，则逆时针旋转所述螺纹管电极配合内冲液方式；
在所述电解加工阶段，若所述螺纹管电极为右螺纹管电极，则逆时针旋转所述螺纹管电极配合外冲液方式；若所述螺纹管电极为左螺纹管电极，则顺时针旋转所述螺纹管电极配合外冲液方式。
进一步地，在一种实现方式中：在所述电火花高速制孔加工阶段阶段采用的工作液为去离子水，所述去离子水添加爆破剂，所述爆破剂包括聚乙烯醇；在所述电解加工阶段采用的工作液为低电导率中性盐溶液，所述工作液加入添加剂，所述添加剂包括光亮剂、防锈剂以及表面活性剂；
所述低电导率中性盐溶液包括氯化钠、硝酸钠、硫酸钠或氯酸钾；所述光亮剂包括柠檬酸三钠；所述防锈剂包括三乙醇胺和无机硼酸盐；所述表面活性剂包括OP-10。
进一步地，在一种实现方式中：在所述电火花高速制孔加工阶段采用的电火花脉冲电源为电火花高频脉冲电源；在所述电解阶加工段采用的电解电源包括直流电源或电解脉冲电源，所述直流电源包括恒流直流电源或恒压直流电源。
进一步地，在一种实现方式中：所述工具电极为空心螺纹管电极，所述空心螺纹管电极的外表面螺纹牙型的截面为三角形、梯形、矩形、锯齿形或椭圆形。
进一步地，在一种实现方式中：所述螺纹管电极的内孔为单孔结构，所述内孔的直径大小根据加工微小孔的效率和成形精度确定，所述内孔的直径大小小于或等于电极外径的80％；
或者，所述螺纹管电极的内孔为双孔、四孔或其他多孔结构。
进一步地，在一种实现方式中：所述螺纹管电极的螺纹方向为左螺纹或右螺纹；所述螺纹管电极的螺距、牙型角和螺纹槽深度根据加工条件确定；所述螺纹管电极的外表面螺纹结构为单线、双线或多线螺纹结构。
进一步地，在一种实现方式中：所述的螺纹管电极的材料为紫铜、黄铜、钨铜合金、铜锌合金、钛合金或不锈钢。
进一步地，在一种实现方式中：所述外冲液方式通过外置专用喷嘴结构实现，所述外置专用喷嘴通过穿有螺纹管电极的导向器与导流装置组成，所述导向器与导流装置螺纹紧固，所述导流装置上表面存在阵列流道入口孔，用于工作液流入导流装置的内部密封型腔中，所述内部型腔接近出口位置存在竖直的阵列流道出口孔，所述导流装置底部粘结密封垫片，所述外置专用喷嘴包括两个独立不相通的供液流道，所述供液流道相互间供液互不影响，用于实现内冲液方式与外冲液方式之间的转化。
本发明的有益效果在于：
本发明采用螺纹管电极匹配内外冲液电火花-电解组合制孔方法，在电火花-电解组合加工基础上利用工具电极外表面螺纹结构匹配内外冲液方式，即在电火花高速穿孔加工阶段，采用螺纹管电极旋转匹配内冲液方式，工作液从管电极内孔流入，经过盲孔底面，从工件上表面流出，从而保证狭小间隙内工作液充足，同时间隙内部分小颗粒在工作液流动中带出加工区，螺纹结构旋转扰动避免了另一部分电蚀固体小颗粒在狭小间隙内聚集和沉积，同时螺旋凹槽面对颗粒也产生向上作用力，在内冲液和顺时针螺纹管电极旋转作用下，狭小间隙内电蚀固体小颗粒被完全排出。在电解阶段，螺纹管电极转变旋转方向匹配外冲液方式，电解液从专用外置喷嘴中直接射入孔壁，由于微小孔间隙狭小，其间隙电解液更新缓慢，螺纹管电极的外表面螺纹槽可以容纳更多电解液，从而增加了间隙电解液流量，在电极逆时针旋转时螺纹凹槽对间隙电解絮状物产生向下作用力，利用逆时针螺纹管电极旋转、外冲液方式和重力作用下，保证间隙电解液充足和高速排出电解絮状产物。通过工具电极外表面螺纹结构匹配内外冲液方式，最终实现高精度、高效率、无重铸层的微小孔制备。
本发明提出的螺纹结构管电极不同于传统棒状电极或管电极，其优点是螺纹管电极的不同螺纹结构具备不同工艺效果，三角形螺纹截面的间隙扰动最强，有利于避免产物聚集和沉积，矩形螺纹截面对加工产物形成的作用力最强，有利于促进其快速排出，梯形截面、锯齿形截面、椭圆形截面产生的扰动与作用力适中，螺纹结构的螺距大小直接影响螺纹槽在间隙内的数量，牙型角直接影响螺纹结构扰动效果，螺纹槽深度直接影响单个凹槽容纳电蚀产物量，因此针对加工间隙内产物浓度大小、产物排出难易程度确定最优螺纹结构。
本发明提出的内外冲液组合方式，在电火花高速穿孔阶段，工作液从管电极内孔流入，流至盲孔端面，从小孔上表面流出，其优点是使狭小间隙内电蚀固体小颗粒快速、完全排出，减少电极损耗，保证电火花高效、高成形精度。在电解阶段，工作液从外置专用喷嘴流入，经过螺纹管电极外表面，从小孔出口流出，其优点是解决了穿孔后间隙缺液问题，间隙内电解液更新加快，保证电解稳定性。
电火花高速制孔加工阶段采用的工作液为去离子水，电解阶段采用中性盐溶液，区别于传统电火花-电解组合/复合加工采用的乳化液或弱酸弱碱溶液，其具有的优点有(1) 电火花加工和电解加工采用不同的工作液，使电火花加工时不存在电解作用，保证加工效率，而电解加工时不存在电火花加工，从而一次性去除电火花加工产生的缺陷层，实现对孔壁的电解光整作用；(2)由于电火花加工和电解加工分开进行，保证电解扩孔时孔径尺寸易于控制；(3)电解作用时间短且可控制，从而减少非加工区域的杂散腐蚀。
本发明可以采用电火花脉冲电源和电解直流电源组合使用，也可以只采用电火花脉冲和电解脉冲电源，对比传统复合加工中只采用恒定模式的脉冲电源，采用分步式加工方式，在接入电火花脉冲电源时加工区域只进行电火花高速穿孔加工，保证了穿孔效率。穿孔结束后，改变电源为电解脉冲电源或电解直流电源，孔壁只进行电解加工，通过精确控制电解条件，避免传统加工时电解时间长、电解过程难以控制而破坏工件形状精度的问题，确保工件形状精度下其表面无缺陷层。
本发明提出螺纹管电极材料为紫铜、黄铜、钨铜合金、铜锌合金、钛合金、不锈钢等，其优点为：紫铜材料的延展性好，导电性仅次于银，有利于加工出高精度螺纹结构；黄铜材料和铜锌合金韧性弱于紫铜，但强度高于紫铜，有利于减少电火花加工中电极损耗；钨铜合金材料中铜金属较低的强度、较高的热导率和钨金属高强度、耐高温、耐磨特性，易于在微米级管电极表面制作螺纹结构，同时保证管电极内孔不变形；钛合金材料具有比强度高、耐磨损、耐腐蚀等优点，可以确保加工螺纹管电极的形状精度；不锈钢材料的强度大约是紫铜强度的三倍，并且易于切削，有利于加工螺纹管电极结构同时保证管电极形状精度。因此根据材料性能和加工工艺要求，优化选择螺纹管电极材料。
本发明提出的外冲液专用喷嘴装置，由于狭小孔隙内工作液难以流入加工区，导致电解不稳定，甚至出现火花放电现象，而传统外冲液喷嘴装置为水平方向供液，在冲液过程中会影响电极稳定性，造成电极轴向偏移。本发明设计的外置专用喷嘴优点是：外置专用喷嘴入口处的冲液方向与电极方向平行，导流装置的内部密封型腔与导向器的内部型腔不相通，导流装置出口处的竖直流道对外冲液具有导向作用，避免外冲液与工具电极接触而造成电极轴向偏移，保证工具电极的稳定性，导流装置底部存在的阵列流道出口孔和密封垫片一方面保证工作液均匀喷入小孔内，另一方面避免了工作液在微小孔四周喷溅现象。因此，利用外置专用喷嘴可以避免外冲液对工具电极造成偏移问题，确保电极轴向稳定性，保证间隙内工作液流量充足。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，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是本发明实施例部分提供的一种螺纹管电极匹配内外冲液电火花-电解组合制孔方法的装置结构示意图；
图2a是本发明实施例部分提供的一种螺纹管电极匹配内外冲液电火花-电解组合制孔方法中电火花高速制孔加工阶段的原理示意图；
图2b是是本发明实施例部分提供的一种螺纹管电极匹配内外冲液电火花-电解组合制孔方法中电解加工阶段的原理示意图；
图3a是本发明实施例部分提供的一种螺纹管电极匹配内外冲液电火花-电解组合制孔方法中专用喷嘴的结构示意图；
图3b是本发明实施例部分提供的一种螺纹管电极匹配内外冲液电火花-电解组合制孔方法中专用喷嘴的局部俯视图；
图3c是本发明实施例部分提供的一种螺纹管电极匹配内外冲液电火花-电解组合制孔方法中专用喷嘴的局部仰视图；
图4是本发明实施例部分提供的一种螺纹管电极匹配内外冲液电火花-电解组合制孔方法中的不同截面形状的螺纹管电极示意图；
图5是本发明实施例部分提供的一种螺纹管电极匹配内外冲液电火花-电解组合制孔方法中的不同内孔结构示意图。
图中，1-夹持装置，2-螺纹管电极，3-单向节流阀，4-阵列流道入口孔，5-导向器，6-导向装置，7-工件，8-工作台，9-伺服控制系统，10-废液槽，11-中性盐溶液槽，12-去离子水槽，13-柱塞式计量泵，14-溢流阀，15-导流装置，16-电磁换向阀，17-电源，18- 电蚀固体小颗粒，19-电解产物，20-电火花，21-竖直阵列流道出口孔，22-密封垫片，23- 密封型腔通道。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明实施例公开一种螺纹管电极匹配内外冲液电火花-电解组合制孔方法，本方法应用于航空发动机涡轮叶片的气膜冷却孔、燃烧室火焰筒群孔、发动机喷油嘴小孔、印刷电路板微孔、热交换器等零部件的微小孔加工。本发明提出的制孔方法能够在铸造高温合金、钛合金、钴基合金等难加工材料，不锈钢、铜基合金、铝基合金等易切削金属材料上制孔。涡轮叶片、火焰筒、喷油嘴等微小孔零部件所使用的材料为难加工材料，微小孔结构具有数量多、孔径小、精度高等特点，电路板孔具有孔径小、间距小、位置精度高特点，热交换器微小孔多为异形孔，传统微小孔钻削加工存在钻削力大、钻削温度高、钻头磨损严重、钻头易折断、切削易堵塞、大深径比微小孔和异形孔无法加工等问题，同时，钻削机床精度要求高、成本高，钻削效率难以满足大数量制孔工艺要求。
本实施例提供的螺纹管电极匹配内外冲液电火花-电解组合制孔方法，包括以下步骤：
步骤1，采用螺纹管电极作为工具电极，将所述螺纹管电极固定于主旋转头；
步骤2，电火花高速制孔加工阶段：接通电火花脉冲电源，采用内冲液方式，使工作液从所述螺纹管电极内部流入加工区，所述螺纹管电极按一定方向旋转并沿着z轴方向向下进给，当所述螺纹管电极与工件达到脉冲火花放电间隙时，极间产生的脉冲电火花使工件材料高温熔化并在工作液冷却作用下迅速形成电蚀固体小颗粒，通过所述螺纹管电极的螺纹结构的旋转，避免了所述电蚀固体小颗粒的聚集和沉积，同时所述螺纹管电极的螺纹凹槽面对电蚀固体小颗粒产生向上作用力，在内冲液与螺纹结构双重作用下，所述电蚀固体小颗粒顺着螺纹流道快速向上排出；具体的，本实施例中，所述脉冲火花放电间隙为10-20μm。
本实施例中，采用螺纹管电极按一定方向旋转匹配内冲液方式，使得工作液从管电极内孔流入，经过盲孔底面，从工件上表面流出，从而保证狭小间隙内的工作液充足，同时间隙内部分小颗粒在工作液流动中带出加工区，螺纹结构旋转扰动避免了另一部分电蚀固体小颗粒在狭小间隙内聚集和沉积，同时螺旋凹槽面对颗粒也产生向上作用力，在内冲液和顺时针螺纹管电极旋转作用下，狭小间隙内电蚀固体小颗粒被完全排出。在电火花高速制孔加工阶段，工作液从管电极内孔流入，流至盲孔端面，从小孔上表面流出，其优点是使狭小间隙内电蚀固体小颗粒快速、完全排出，减少电极损耗，保证电火花高效、高成形精度，实现电火花高速穿孔。
步骤3，电解加工阶段：当所述工件被击穿并形成微小孔时，保持所述螺纹管电极的工位不变，将电源更换为电解电源，将冲液方式更换为外冲液方式，将外置专用喷嘴置于所述微小孔上方，利用所述外置专用喷嘴对微小孔入口处喷射电解液；电火花加工时所述微小孔的孔壁产生的缺陷层在电解液中发生阳极溶解反应，并在所述微小孔的孔壁与螺纹管电极之间的间隙内产生大量电解絮状物，所述螺纹管电极转变旋转方向，使所述螺纹管电极的螺纹凹槽面对电解絮状物产生向下作用力，在所述外冲液和螺纹管电极的螺纹结构双重作用下，所述电解絮状物从微小孔出口处快速流出；
本实施例中，在电解阶段，螺纹管电极转变旋转方向匹配外冲液方式，电解液从专用外置喷嘴中直接射入孔壁，由于微小孔间隙狭小，其间隙电解液更新缓慢，螺纹管电极的外表面螺纹槽可以容纳更多电解液，从而增加了间隙电解液流量，在电极逆时针旋转时螺纹凹槽对间隙电解絮状物产生向下作用力，利用逆时针螺纹管电极旋转、外冲液方式和重力作用下，保证间隙电解液充足和高速排出电解絮状产物。通过工具电极外表面螺纹结构匹配内外冲液方式，能够实现高精度、高效率、无重铸层的微小孔制备。在电解阶段，工作液从外置专用喷嘴流入，经过螺纹管电极外表面，从小孔出口流出，其优点是解决了穿孔后间隙缺液问题，间隙内电解液更新加快，保证电解稳定性。
步骤4，当完全去除所述缺陷层时，停止电解加工，所述螺纹管电极沿z轴方向向上退回，所述电火花-电解组合加工结束，实现所述工件表面的微小孔制造。
本实施例所述的螺纹管电极匹配内外冲液电火花-电解组合制孔方法中：在所述电火花高速制孔加工阶段采用内冲液的冲液方式，所述内冲液为去离子水，所述去离子水从螺纹管电极内部小孔流入加工区；
在电解阶段转换为外冲液的冲液方式，所述外冲液为中性盐溶液，采用所述外置专用喷嘴向微小孔入口处喷出所述中性盐溶液，所述中性盐溶液流经微小孔的孔壁面与螺纹电极外表面所形成的狭小流道，并从所述微小孔出口处流出。
本实施例中，电火花高速制孔加工阶段采用的工作液为去离子水，电解阶段采用中性盐溶液，区别于传统电火花-电解组合/复合加工采用的乳化液或弱酸弱碱溶液，其具有的优点有(1)电火花加工和电解加工采用不同的工作液，使电火花加工时不存在电解作用，保证加工效率，而电解加工时不存在电火花加工，从而一次性去除电火花加工产生的缺陷层，实现对孔壁的电解光整作用；(2)由于电火花加工和电解加工分开进行，保证电解扩孔时孔径尺寸易于控制；(3)电解作用时间短且可控制，从而减少非加工区域的杂散腐蚀。
本实施例所述的螺纹管电极匹配内外冲液电火花-电解组合制孔方法中：所述螺纹管电极旋转方向与冲液方式相匹配；
在所述电火花高速制孔加工阶段，若所述螺纹管电极为右螺纹管电极，则顺时针旋转所述螺纹管电极配合内冲液方式；若所述螺纹管电极为左螺纹管电极，则逆时针旋转所述螺纹管电极配合内冲液方式；
在所述电解加工阶段，若所述螺纹管电极为右螺纹管电极，则逆时针旋转所述螺纹管电极配合外冲液方式；若所述螺纹管电极为左螺纹管电极，则顺时针旋转所述螺纹管电极配合外冲液方式。
本发明提出的内外冲液组合方式，在电火花高速制孔加工阶段，工作液从管电极内孔流入，流至盲孔端面，从小孔上表面流出，其优点是使狭小间隙内电蚀固体小颗粒快速、完全排出，减少电极损耗，保证电火花高效、高成形精度，实现电火花高速制孔。在电解阶段，工作液从外置专用喷嘴流入，经过螺纹管电极外表面，从小孔出口流出，其优点是解决了穿孔后间隙缺液问题，间隙内电解液更新加快，保证电解稳定性。
本实施例所述的螺纹管电极匹配内外冲液电火花-电解组合制孔方法中：在所述电火花高速制孔加工阶段采用的工作液为去离子水，所述去离子水添加爆破剂，所述爆破剂包括聚乙烯醇；本实施例中，在加工间隙狭小、加工产物较多情况下，通过在所述去离子水中添加爆破剂，利用爆破剂对间隙的流体产生冲击而加快电蚀固体小颗粒排出。
在所述电解加工阶段采用的工作液为低电导率中性盐溶液，所述工作液加入添加剂，所述添加剂包括光亮剂、防锈剂以及表面活性剂；所述低电导率中性盐溶液包括氯化钠、硝酸钠、硫酸钠或氯酸钾；所述光亮剂包括柠檬酸三钠；所述防锈剂包括三乙醇胺和无机硼酸盐；所述表面活性剂包括OP-10。本实施例中，在所述工作液中加入添加剂，能够进一步提高已加工表面的洁净度，防止表面生锈。
本实施例所述的螺纹管电极匹配内外冲液电火花-电解组合制孔方法中：在所述电火花高速制孔加工阶段采用的电火花脉冲电源为电火花高频脉冲电源；本实施例中，在电火花高速制孔加工阶段采用电火花高频脉冲电源，通过利用高频率的脉冲，一方面保证每次放电通道内放电能量集中，从而提高加工效率，另一方面保证一次放电结束后立即使两极间恢复绝缘状态，从而改善表面质量。
在所述电解阶加工段采用的电解电源包括直流电源或电解脉冲电源，所述直流电源包括恒流直流电源或恒压直流电源。本实施例中，在电解阶加工段直流电源或电解脉冲电源，其中直流电源具有可靠性、稳定性、高加工效率等特点，广泛应用于电解加工过程；而以周期间歇式供电的电解脉冲电源在间歇过程中能够促进电解产物及时排出，从而保证加工表面的精度和质量。
如图4所示，本实施例所述的螺纹管电极匹配内外冲液电火花-电解组合制孔方法中：所述工具电极为空心螺纹管电极，所述空心螺纹管电极的外表面螺纹牙型的截面为三角形、梯形、矩形、锯齿形或椭圆形。
具体的，本实施例提出的螺纹结构管电极不同于传统棒状电极或管电极，其优点是螺纹管电极的不同螺纹结构具备不同工艺效果。其中，三角形螺纹截面的间隙扰动最强，有利于避免产物聚集和沉积；矩形螺纹截面对加工产物形成的作用力最强，有利于促进其快速排出；梯形截面、锯齿形截面、椭圆形截面产生的扰动与作用力适中。由于螺纹结构的螺距大小直接影响螺纹槽在间隙内的数量，牙型角直接影响螺纹结构扰动效果，螺纹槽深度直接影响单个凹槽容纳电蚀产物量，因此，在实际应用中，能够针对加工间隙内产物浓度大小、产物排出难易程度，灵活确定最优螺纹结构。
如图5所示，本实施例所述的螺纹管电极匹配内外冲液电火花-电解组合制孔方法中：所述螺纹管电极的内孔为单孔结构，所述内孔的直径大小根据加工微小孔的效率和成形精度确定，所述内孔的直径大小小于或等于电极外径的80％；
或者，所述螺纹管电极的内孔为双孔、四孔或其他多孔结构。
本实施例所述的螺纹管电极匹配内外冲液电火花-电解组合制孔方法中：所述螺纹管电极的螺纹方向为左螺纹或右螺纹；所述螺纹管电极的螺距、牙型角和螺纹槽深度根据加工条件确定；所述螺纹管电极的外表面螺纹结构为单线、双线或多线螺纹结构。
本实施例所述的螺纹管电极匹配内外冲液电火花-电解组合制孔方法中：所述的螺纹管电极的材料为紫铜、黄铜、钨铜合金、铜锌合金、钛合金或不锈钢。
本实施例中，螺纹管电极材料为紫铜、黄铜、钨铜合金、铜锌合金、钛合金、不锈钢等，其优点为：紫铜材料的延展性好，导电性仅次于银，有利于加工出高精度螺纹结构；黄铜材料和铜锌合金韧性弱于紫铜，但强度高于紫铜，有利于减少电火花加工中电极损耗；钨铜合金材料中铜金属较低的强度、较高的热导率和钨金属高强度、耐高温、耐磨特性，易于在微米级管电极表面制作螺纹结构，同时保证管电极内孔不变形；钛合金材料具有比强度高、耐磨损、耐腐蚀等优点，可以确保加工螺纹管电极的形状精度；不锈钢材料的强度大约是紫铜强度的三倍，并且易于切削，有利于加工螺纹管电极结构同时保证管电极形状精度。因此根据材料性能和加工工艺要求，优化选择螺纹管电极材料。
本实施例所述的螺纹管电极匹配内外冲液电火花-电解组合制孔方法中：所述外冲液方式通过外置专用喷嘴结构实现，所述外置专用喷嘴通过穿有螺纹管电极的导向器与导流装置组成，所述导向器与导流装置螺纹紧固，所述导流装置上表面存在阵列流道入口孔，用于工作液流入导流装置的内部密封型腔中，所述内部型腔接近出口位置存在竖直的阵列流道出口孔，所述导流装置底部粘结密封垫片，所述外置专用喷嘴包括两个独立不相通的供液流道，所述供液流道相互间供液互不影响，用于实现内冲液方式与外冲液方式之间的转化。
本发明提出的外冲液专用喷嘴装置，由于狭小孔隙内工作液难以流入加工区，导致电解不稳定，甚至出现火花放电现象，而传统外冲液喷嘴装置为水平方向供液，在冲液过程中会影响电极稳定性，造成电极轴向偏移。本发明设计的外置专用喷嘴优点是：外置专用喷嘴入口处的冲液方向与电极方向平行，导流装置的内部密封型腔与导向器的内部型腔不相通，导流装置出口处的竖直流道对外冲液具有导向作用，避免外冲液与工具电极接触而造成电极轴向偏移，保证工具电极的稳定性，导流装置底部存在的阵列流道出口孔和密封垫片一方面保证工作液均匀喷入小孔内，另一方面避免了工作液在微小孔四周喷溅现象。因此，利用外置专用喷嘴可以避免外冲液对工具电极造成偏移问题，确保电极轴向稳定性，保证间隙内工作液流量充足。
如图1所示，为本发明组合加工装置示意图，夹持装置1、螺纹管电极2、阵列流道入口孔4、导向器5、导向装置6、工件7、工作台8、伺服控制系统9、废液槽10、中性盐溶液槽11、去离子水槽12、电源17组成了螺纹管电极匹配内外冲液电火花-电解组合加工的工作平台，柱塞式计量泵13、溢流阀14、导流装置15、电磁换向阀16、单向节流阀3组成了电火花-电解组合加工的工作液循环系统，确定内外供液方式和提供加工所需的工作液，精确控制每个环节相互匹配关系，从而实现高精度、高效、高表面质量微小孔加工。
如图2a和图2b所示，为本发明的组合加工方法原理图。如图2a所示，在电火花高速制孔加工阶段，接通电火花脉冲电源，工作液循环系统中通入去离子水，通过控制螺纹管电极 2顺时针旋转并向工件方向进给，匹配内冲液方式，工件与螺纹管电极距离达到火花放电间隙，极间产生电火花20、电蚀固体小颗粒18和少量的电解产物19，在螺纹结构和内冲液方式双重作用下极间电火花产物被迅速排出加工区域。如图2b所示，在电解加工阶段，接通电解电源，工作液循环系统中通入中性盐溶液，通过控制螺纹管电极2逆时针旋转，匹配外冲液方式，促进电解产物19和电蚀固体小颗粒18向下快速排出。因此采用该匹配方法可以高效促进狭小间隙内加工产物排出，确保电火花-电解组合加工的稳定性。
如图3a至图3c所示，为本发明专用喷嘴装置图，其中，图3b和图3c为分别以图3a中A-A与 B-B为视角的局部俯视图与局部仰视图。穿有螺纹管电极2的导向器5与导向装置6通过图 3a中的细实线处的螺纹紧固，导向装置6上表面有阵列流道入口孔4，导向装置6内部存在密封型腔通道23，密封型腔通道23出口处存在竖直阵列流道出口孔21，箱体底部粘结密封垫片22。当采用内冲液方式加工时，将工作液通入螺纹管电极2内孔中；当采用外冲液方式加工时，将工作液通入导流装置上表面阵列流道入口孔4中，工作液流入密封型腔内，从密封型腔出口处的竖直阵列流道出口孔21流出，该段竖直导流通道一方面对工作液起导向作用，另一方面隔断导流装置的密封型腔与导向器型腔连接，避免了外冲液对工具电极造成轴向偏移而破坏电极稳定性。导流装置底面粘贴的密封垫片22贴近工件7表面，避免外冲液漏液现象，保证冲液的均匀性。
如图4中(a)(b)(c)(d)(e)所示，为本发明的不同截面形状螺纹管电极图。其截面形状分别为三角形、梯形、矩形、锯齿形、椭圆形。在电火花高速制孔加工阶段，控制螺纹管电极顺时针旋转，其作用为螺纹结构旋转可以增加间隙内的介质扰动，避免电蚀固体小颗粒聚集和沉积，螺纹槽也增加了狭小间隙的空间，从而增加间隙工作液流量，间隙产物在高压内冲液和螺纹结构双重作用下顺着螺纹线快速排出加工区；在电解阶段，控制螺纹管电极逆时针旋转，利用螺纹槽上表面对介质产生向下作用力，加快间隙电解液更新速度，提高电解产物向下排出速度，保证电解均匀性和稳定性。
如图5中(a)(b)(c)(d)(e)(f)所示，为本发明的螺纹管电极不同内孔结构图。其中，(a)(b)(c)表示不同直径内孔的单孔结构，(d)表示多孔结构中双孔结构， (e)(f)表示多孔结构中四孔结构。不同内孔结构将产生不同内冲液效果，内孔直径较大，则内冲液方式流入间隙的流量增加，但盲孔端面中心区域工件材料难以去除，存在盲孔端面中心区域凸起结构，而较小的内孔则可以避免该凸起结构，因此针对不同加工要求，合理选择螺纹管电极内孔结构。
综合图1至图5，本发明所述的一种螺纹管电极匹配内外冲液电火花-电解组合制孔方法为：通过伺服控制系统9将去离子水以外冲液方式流入螺纹管电极2内孔中，同步保证管电极顺时针旋转，调节极间电源为电火花脉冲电源，利用螺纹槽表面对极间颗粒挤压和扰动作用，促进电蚀固体小颗粒快速排出加工区；当穿孔后，伺服控制系统9控制电磁换向阀16，使中性盐溶液以外冲液方式从导流装置流道阵列流道入口孔4中流入，同步调整螺纹电极为逆时针旋转，调节电源17为电解电源，利用外冲液方式和螺纹槽旋转产生的类似于螺杆泵效应，促进间隙电解液更新速度。利用螺纹管电极表面结构特性和冲液方式组合应用于电火花- 电解组合加工中，从而确保制造高精度、高表面质量微小孔。
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.螺纹管电极匹配内外冲液电火花-电解组合制孔方法，其特征在于，包括：
步骤1，采用螺纹管电极作为工具电极，将所述螺纹管电极固定于主旋转头；
步骤2，电火花高速制孔加工阶段：接通电火花脉冲电源，采用内冲液方式，使工作液从所述螺纹管电极内部流入加工区，所述螺纹管电极按一定方向旋转并沿着z轴方向向下进给，其中，若所述螺纹管电极为右螺纹管电极，则顺时针旋转所述螺纹管电极配合内冲液方式；若所述螺纹管电极为左螺纹管电极，则逆时针旋转所述螺纹管电极配合内冲液方式；当所述螺纹管电极与工件达到脉冲火花放电间隙时，极间产生的脉冲电火花使工件材料高温熔化并在工作液冷却作用下迅速形成电蚀固体小颗粒，通过所述螺纹管电极的螺纹结构的旋转，避免了所述电蚀固体小颗粒的聚集和沉积，同时所述螺纹管电极的螺纹凹槽面对电蚀固体小颗粒产生向上作用力，在内冲液与螺纹结构双重作用下，所述电蚀固体小颗粒顺着螺纹流道快速向上排出；
步骤3，电解加工阶段：当所述工件被击穿并形成微小孔时，保持所述螺纹管电极的工位不变，将电源更换为电解电源，将冲液方式更换为外冲液方式，将外置专用喷嘴置于所述微小孔上方，利用所述外置专用喷嘴对微小孔入口处喷射电解液；其中，若所述螺纹管电极为右螺纹管电极，则逆时针旋转所述螺纹管电极配合外冲液方式；若所述螺纹管电极为左螺纹管电极，则顺时针旋转所述螺纹管电极配合外冲液方式；电火花加工时所述微小孔的孔壁产生的缺陷层在电解液中发生阳极溶解反应，并在所述微小孔的孔壁与螺纹管电极之间的间隙内产生大量电解絮状物，所述螺纹管电极转变旋转方向，使所述螺纹管电极的螺纹凹槽面对电解絮状物产生向下作用力，在所述外冲液和螺纹管电极的螺纹结构双重作用下，所述电解絮状物从微小孔出口处快速流出；
步骤4，当完全去除所述缺陷层时，停止电解加工，所述螺纹管电极沿z轴方向向上退回，电火花-电解组合加工结束，实现所述工件表面的微小孔制造；
所述外冲液方式通过外置专用喷嘴实现，所述外置专用喷嘴通过穿有螺纹管电极的导向器与导流装置组成，所述导向器与导流装置螺纹紧固，所述导流装置上表面存在阵列流道入口孔，用于工作液流入导流装置的内部密封型腔中，所述内部密封型腔接近出口位置存在竖直的阵列流道出口孔，所述导流装置底部粘结密封垫片，所述密封垫片内径大于外置专用喷嘴出口直径；所述外置专用喷嘴包括两个独立不相通的供液流道，所述供液流道相互间供液互不影响，用于实现内冲液方式与外冲液方式之间的转化；
所述螺纹管电极的内孔为单孔结构，所述内孔的直径大小根据加工微小孔的效率和成形精度确定，所述内孔的直径大小小于或等于电极外径的80％；或者，所述螺纹管电极的内孔为双孔、四孔或其他多孔结构。
2.根据权利要求1所述的螺纹管电极匹配内外冲液电火花-电解组合制孔方法，其特征在于：在所述电火花高速制孔加工阶段采用内冲液的冲液方式，所述内冲液为去离子水，所述去离子水从螺纹管电极内部小孔流入加工区；
在电解阶段转换为外冲液的冲液方式，所述外冲液为中性盐溶液，采用所述外置专用喷嘴向微小孔入口处喷出所述中性盐溶液，所述中性盐溶液流经微小孔的孔壁面与螺纹电极外表面所形成的狭小流道，并从所述微小孔出口处流出。
3.根据权利要求2所述的螺纹管电极匹配内外冲液电火花-电解组合制孔方法，其特征在于：在所述电火花高速制孔加工阶段采用的工作液为去离子水，所述去离子水添加爆破剂，所述爆破剂包括聚乙烯醇；在所述电解加工阶段采用的工作液为低电导率中性盐溶液，所述工作液加入添加剂，所述添加剂包括光亮剂、防锈剂以及表面活性剂；
所述低电导率中性盐溶液包括氯化钠、硝酸钠、硫酸钠或氯酸钾；所述光亮剂包括柠檬酸三钠；所述防锈剂包括三乙醇胺和无机硼酸盐；所述表面活性剂包括OP-10。
4.根据权利要求1所述的螺纹管电极匹配内外冲液电火花-电解组合制孔方法，其特征在于：在所述电火花高速制孔加工阶段采用的电火花脉冲电源为电火花高频脉冲电源；在所述电解加工阶段采用的电解电源包括直流电源或电解脉冲电源，所述直流电源包括恒流直流电源或恒压直流电源。
5.根据权利要求1所述的螺纹管电极匹配内外冲液电火花-电解组合制孔方法，其特征在于：所述工具电极为空心螺纹管电极，所述空心螺纹管电极的外表面螺纹牙型的截面为三角形、梯形、矩形、锯齿形或椭圆形。
6.根据权利要求1所述的螺纹管电极匹配内外冲液电火花-电解组合制孔方法，其特征在于：所述螺纹管电极的螺纹方向为左螺纹或右螺纹；所述螺纹管电极的螺距、牙型角和螺纹槽深度根据加工条件确定；所述螺纹管电极的外表面螺纹结构为单线或多线螺纹结构。
7.根据权利要求1所述的螺纹管电极匹配内外冲液电火花-电解组合制孔方法，其特征在于：所述的螺纹管电极的材料为紫铜、黄铜、钨铜合金、铜锌合金、钛合金或不锈钢。
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