CN111805027B - 一种螺旋工具电极及其双极性电解铣磨加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种螺旋工具电极及其双极性电解铣磨加工方法，属于电解磨削复合加工领域。螺旋工具电极包括刀杆，和与刀杆相连的工具头，在工具头的外周有螺旋槽，在工具头的端面覆盖磨料层，电绝缘层紧密贴合于工具头的外周和刀杆的端面，惰性金属层紧密贴合于电绝缘层。在双极性电解铣磨加工过程中，惰性金属层的电位高于工件的电位，在工件已加工表面及非加工区，磨料层的电势绝大部分被惰性金属层吸引，因此杂散电流腐蚀能够被抑制。而且，不溶性电解产物可通过螺旋槽的螺旋输送作用，加快其往外排出的过程，从而防止其黏附于工件表面。本发明可有效提高电解铣磨加工金属微小零件的效率、稳定性、精度及表面完整性，促进该技术在微尺度加工领域的推广和工业应用。

Description

一种螺旋工具电极及其双极性电解铣磨加工方法

技术领域

本发明涉及一种螺旋工具电极及其双极性电解铣磨加工方法，属于电解磨削复合加工领域。

背景技术

随着材料科学与制造技术的发展，金属微小零件在生物医疗、航空航天、环境监测、电子封装等领域的需求量与日俱增。这些金属微小零件多采用钛合金、非晶合金等难切削加工材料，并且体积小、结构复杂，对精度及表面质量要求高，因而给当前的微细加工技术提出了重大挑战。

电解铣磨加工采用棒状带磨料的工具电极作为阴极，以类似多轴数控铣削加工的方式，通过电化学阳极溶解作用和机械磨削作用相复合实现材料去除，具有加工柔性好、加工效率高、刀具损耗小、加工精度高、表面质量好等优点，可望为金属微小零件的精密高效高品质加工提供一种更有的竞争力的实现途径。

目前，电解铣磨加工已经在宏观尺度加工领域展现出预期的良好效果，但在金属微小零件加工方面仍为国际研究空白领域。由于钛合金、非晶合金等易钝化、不溶性电解产物多、体积大且黏附性强，所以在电解铣磨加工金属微小零件过程中，一方面不溶性电解产物经常会黏附于工件表面，导致加工易发生短路，效率低、稳定性差；另一方面工件已加工表面在杂散电流作用下会产生点蚀，破坏精度及表面完整性。上述问题严重制约了电解铣磨加工技术在微尺度加工领域的推广及工业应用。

发明内容

本发明在于，针对上述问题，提出一种螺旋工具电极及其双极性电解铣磨加工方法，改善该技术在加工金属微小零件时的加工效率、加工稳定性、加工精度及表面完整性。

一种螺旋工具电极，其特征在于：它包括工具电极基体、磨料层、电绝缘层和惰性金属层；所述的工具电极基体具有阶梯圆柱体结构，包括刀杆和与之同轴相连的工具头；所述的工具头外侧壁开设有螺旋槽；所述的螺旋槽在工具头上的分布长度小于或等于工具头的长度；所述的工具头的底端面覆盖有磨料层；所述的工具头的侧壁外表面与刀杆的底端面均涂覆有电绝缘层；所述的电绝缘层外敷盖有不电化学溶解于中性盐溶液的惰性金属层；所述的刀杆的外径大于工具头的外径；所述的工具头的外径为0.1~1mm；所述的螺旋槽呈右旋或呈左旋走向；所述的电绝缘层的材质为氮化硅；所述的惰性金属层采用金或钛制作。

一种双极性电解铣磨加工方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1、把刀杆的外侧壁装夹在机床主轴（图中未画出）的下端，且与工件的被加工面垂直；

S2、将脉冲电源的负极与刀杆的外侧壁相连，脉冲电源的正极同时与刀杆的底端面上的惰性金属层和电子负载的一端相连，电子负载的另一端与工件相连；

S3、设定电子负载为恒压工作模式，开启脉冲电源，并通过电子负载调节惰性金属层与工件之间的正电位差值△U，使惰性金属层的电位高于工件的电位；

S4、打开喷嘴的开关，使之向工具头底端面上的磨料层与工件之间的加工区喷射电解液；

S5、驱动刀杆高速旋转，同时按照设定轨迹使工具头相对于工件运动，此时，工件被加工区的金属在极小杂散腐蚀电流作用和不溶性电解产物被螺旋槽高效导出的状态下快速溶解，当工具头运动到设定轨迹的终点时，断开脉冲电源，关停喷嘴，工具头退出加工区，完成加工。

所述的螺旋槽呈右旋形时，刀杆的旋转方向为顺时针；所述的螺旋槽呈左旋形时，刀杆的旋转方向为逆时针。

所述的惰性金属层与工件之间的正电位差值△U的优选范围为5V~30V。

本发明相比现有技术具有以下优点：

1、加工效率更高，工艺稳定性更好。本发明提供的工具电极的工具头外侧壁上开设有螺旋槽，在工具电极高速旋转过程中，侧边间隙内的电解液除了具有围绕工具头旋转的切向速度外，还具有沿着螺旋槽向上运动的轴向速度（见图3），此流动类似于轴向压力梯度和内圆柱旋转的螺旋流，可以显著促进侧边间隙内不溶性电解产物的及时排出。而且，螺旋流的强力扰动和脉冲电流的间隙作用、压力波效应耦合有助于促进电解液中气泡与工件表面碰撞，使得黏附于工件表面的不溶性电解产物脱落，进入电解液，跟随电解液流动从侧边间隙排出。因此，与常规的光杆工具电极相比，本发明可以有效改善工件表面因不溶性电解产物黏附而引起的短路现象，从而提高电解铣磨加工金属微小零件的加工效率及加工稳定性。

2、加工精度更高，表面完整性更好。本发明提供的工具电极的工具头侧壁外表面与刀杆底端表面均附设与工具电极基体电绝缘的电化学惰性金属层，并通过连接脉冲电源正极以及调节电子负载施加高于电解铣磨加工工作电压的电势，可以有效抑制工件已加工表面的杂散电流腐蚀。根据经典电场理论可知，电流流动方向总是由高电位等势面流向低电位等势面，金属材料的电化学溶解发生于高电极电位。利用有限元分析技术，可得到常规单极性电解铣磨加工的电流线分布（见图4）和双极性电解铣磨加工的电流线分布（见图5和图6）。当正电位差值△U=5V时，惰性金属层电位高于工件电位，产生从惰性金属层流向工件已加工表面的电流，而工件已加工表面流向磨料层的电流明显减少，工件已加工表面的点蚀现象被有效抑制。当正电位差值△U增大到30V时，工件已加工表面的电流几乎全部来自于惰性金属层，材料电化学溶解定域性被进一步增强。然而，随着正电位差值△U的增大，惰性金属层流向磨料层的电流也逐渐增多，导致分布到工件加工表面的电流减少，使得加工区材料溶解不够充分。因此，使用本发明可以大幅改善电解铣磨加工金属微小零件的加工精度及表面完整性，且惰性金属层与工件所带正电位差值△U的范围是5V~30V。

3、加工柔性高、适用性广。本发明将工具电极的惰性金属层与脉冲电源的正极相连，而工件通过电子负载也与脉冲电源的正极相连，如此在电解铣磨加工时可根据金属微小零件的形状结构特点以及余量和精度要求，利用电子负载调节工件与工具电极的惰性金属层所带正电位差值值△U，从而提高了该技术在微尺度加工领域的适用范围与可控性。

4、工具电极设计合理且供电稳定性好。本发明提供的工具电极具有阶梯圆柱体结构，其中工具头外径小于1mm、大于100μm，如此既可满足金属微小零件的微尺度加工需求，还可保证工具头具备一定的刚度；刀杆外径远大于工具头外径，且刀杆侧壁为工具电极基体，如此既方便在机床主轴上装夹，又易于利用电刷与脉冲电源负极相连；通过在刀杆底端表面附设与工具电极基体电绝缘的惰性金属层，可便于利用导电滑环连接脉冲电源正极，如此既可使脉冲电源的负极与正极集成于同一工具电极，构成双极性关系，还可保证双极性工具电极高速旋转时引电稳定可靠，并且简单方便容易实现。

5、工具电极易制备且耐用度高。本发明提供的工具电极的惰性金属层采用电化学稳定性高的金或钛惰性金属材料，即使其电极电位最高，在电解铣磨加工过程中也不会发生电化学溶解，理论上无损耗，可重复无限次使用。此外，工具电极的电绝缘层采用氮化硅材料，氮化硅薄膜耐水、耐化学腐蚀，且粘着性强、绝缘性好、硬度高、机械强度大、使用寿命长。而且，工具电极的电绝缘层以及惰性金属层均可通过磁控溅射技术等现有的较为成熟的工艺方法制备。因此，本发明具有工具电极制备工艺简单、容易实施且使用寿命长等特点，便于在实际工程中推广及应用。

附图说明

图1螺旋工具电极示意图。

图2螺旋工具电极双极性电解铣磨加工方法示意图。

图3螺旋工具电极促进电解铣磨加工侧边间隙内电解产物排除示意图。

图4常规单极性电解铣磨加工电流线分布。

图5正电位差值△U=5V时双极性电解铣磨加工电流线分布。

图6正电位差值△U=30V时双极性电解铣磨加工电流线分布。

图中标号名称为：1、工具电极基体；2、磨料层；3、电绝缘层；4、惰性金属层；5、刀杆；6、工具头；7、螺旋槽；8、脉冲电源；9、电子负载；10、工件；11、喷嘴；12、电解液喷射方向；13、电解液；14、刀杆旋转方向；15、走刀路径；16、不溶性电解产物；17、电解液流动轴向速度；18、气泡。

具体实施方式

下面结合具体附图对本发明做进一步的解释说明。

如图1所示，一种螺旋工具电极，包括工具电极基体1、磨料层2、电绝缘层3、惰性金属层4。工具电极基体1选用通常的导电材料，如碳钢，并制成阶梯圆柱体结构，其中大直径圆柱体部分称为刀杆5，小直径圆柱体部分称为工具头6，且工具头6的外径小于1mm。采用通常的工艺，如离子铣或激光雕刻等，在工具头6的侧壁外表面加工出螺旋槽7，并且螺旋槽7在工具头6上的分布长度小于或等于工具头6的长度。通过常规的方法，如电镀或化学镀等，将绝缘的磨料固结于工具头6的底端表面，制出磨料层2。利用磁控溅射技术，将氮化硅镀覆于刀杆5的底面表面和工具头6的侧壁外表面，形成电绝缘层3。采用磁控溅射技术，将电化学惰性金属，如金或钛，外敷于刀杆5以及工具头6的电绝缘层3表面，制得惰性金属层4。

如图2所示，采用图1所示的螺旋工具电极进行双极性电解铣磨加工，其方法主要包括以下步骤：

步骤1、把刀杆5的外侧壁装夹在机床主轴（图中未画出）的下端，通过机床运动控制系统（图中未画出）完成对刀、定位，使刀杆5与工件10的被加工面垂直，磨料层2定位到初始加工位置；

步骤2、将刀杆5的外侧壁通过导电滑环（图中未画出）与脉冲电源8的负极相连，刀杆5的底端面上的惰性金属层4则通过电刷（图中未画出）与脉冲电源8的正极相连，同时脉冲电源8的正极与电子负载9的一端相连，电子负载9的另一端连接工件10；

步骤3、设定电子负载9的恒压工作模式，设置工具头6的惰性金属层4高于工件10加工电压5~30V电势差；

步骤4、设定电解液13的压力和温度，打开喷嘴11的开关，使电解液13沿喷射方向12喷射到磨料层2与工件10之间的加工区域；

步骤5、开启脉冲电源8，通过电子负载9实现电压调节，使惰性金属层4的电位高于工件10的电位；

步骤6、驱动刀杆5沿方向14旋转，同时工件10按照预设的走刀路径做进给运动，进行电解铣磨加工；

步骤7、断开脉冲电源8，关闭喷嘴11，驱动工具头6退出加工区，完成加工。

如图3所示，当工具头6的螺旋槽7被设计为右旋形时，通过机床运动控制系统（图中未画出）驱动刀杆5沿方向14做顺时针旋转运动，使工具头6与工件10的左右侧面形成“螺杆泵”结构，产生“螺杆泵效应”，对侧边间隙内的电解液进行强力搅动和增压。沿顺时针高速旋转的右旋形螺旋槽7使临近工件10侧面的电解液流动不仅包含横截面内的圆周切向运动，还具有方向向上的轴向速度17，可显著促进不溶性电解产物16从侧边间隙顶部排出。同时，“螺杆泵效应”引起的强力扰动以及脉冲电流的间歇作用、压力波效应耦合有助于促进电解液中气泡18与工件10侧面碰撞，使黏附于工件10侧面的不溶性电解产物16脱落，进入电解液，并跟随电解液流动从侧边间隙的顶部排出。因此，采用螺旋工具电极可改善不溶性电解产物16在侧边间隙内沉积以及工件侧面上黏附现象，提高电解铣磨加工金属微小零件的加工效率及加工稳定性。

图4、图5、图6分别为采用常规单极性电解铣磨加工和采用正电位差值△U=5V、30V时双极性电解铣磨加工的电场仿真结果图。电场仿真主要参数设置条件如下：电解铣磨加工工作电压为30V，正电位差值△U分别为5V、30V，工具头外径为0.8mm，电解液电导率为10S/m，工具头的惰性金属层材料为金属钛。

从图4到图6中可以看出，在常规单极性电解铣磨加工的电场中，大量电流从工件10已加工底面及侧面流向工具头6的侧壁外表面。在采用双极性电解铣磨加工方法后改变了电场分布，当工具头6的侧壁外表面上惰性金属层4与工件10的正电位差值△U=5V时，惰性金属层4电位高于工件10电位，产生从惰性金属层4流向工件10已加工底面及侧面的电流，而且仅有少量电流从工件10已加工底面流向工具头6的底端表面上磨料层2，说明工件10已加工表面的杂散电流腐蚀被有效抑制。当惰性金属层4与工件10的正电位差值△U=30V时，工件10已加工底面及侧面的电流几乎全部来源与惰性金属层4，同时，从惰性金属层4流向磨料层2的电流明显增多，导致从工件10底面流向磨料层2的电流减少，而且几乎被完全控制在磨料层2正下方的加工区域，使得工件10已加工侧面及底面的杂散电流腐蚀得以避免。但是，当惰性金属层4与工件10的正电位差值△U继续增大时，过大的电势差会造成从工件10加工区域流向磨料层2的电流进一步减少，导致工件10加工表面材料溶解不够充分。因此，采用双极性电解铣磨加工方法可显著提高电解铣磨加工金属微小零件的加工精度及表面完整性，且惰性金属层4与工件10所带正电位差值△U的范围是5~30V。

本发明能有效提高电解铣磨加工金属微小零件的加工效率、加工稳定性、加工精度及表面完整性，但是以上描述并不能理解为对本发明专利的限制。应该说明的是，对于本领域的其他技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改善，这些均应落入本发明的保护。

Claims (2)

1.一种双极性电解铣磨加工方法，其特征在于：所述加工方法采用螺旋工具电极，所述螺旋工具电极包括工具电极基体(1)、磨料层(2)、电绝缘层(3)和惰性金属层(4)；所述的工具电极基体(1)具有阶梯圆柱体结构，包括刀杆(5)和与之同轴相连的工具头(6)；所述的工具头(6)外侧壁开设有螺旋槽(7)；所述的螺旋槽(7)在工具头(6)上的分布长度小于或等于工具头(6)的长度；所述的工具头(6)的底端面覆盖有磨料层(2)；所述的工具头(6)的侧壁外表面与刀杆(5)的底端面均涂覆有电绝缘层；所述的电绝缘层(3)外敷盖有不电化学溶解于中性盐溶液的惰性金属层(4)；所述的刀杆(5)的外径大于工具头(6)的外径；所述的工具头(6)的外径为0.1～1mm；所述的螺旋槽(7)呈右旋或呈左旋走向；所述的电绝缘层(3)的材质为氮化硅；所述的惰性金属层(4)采用金或钛制作；

刀杆(5)的侧壁通过导电滑环与脉冲电源(8)的负极相连，惰性金属层(4)通过电刷与脉冲电源(8)的正极相连；

所述双极性电解铣磨加工方法包括以下步骤：

S1、把刀杆(5)的外侧壁装夹在机床主轴的下端，且与工件(10)的被加工面垂直；

S2、将脉冲电源(8)的负极与刀杆(5)的外侧壁相连，脉冲电源(8)的正极同时与刀杆(5)的底端面上的惰性金属层(4)和电子负载(9)的一端相连，电子负载(9)的另一端与工件(10)相连；

S3、设定电子负载(9)为恒压工作模式，开启脉冲电源(8)，并通过电子负载(9)调节惰性金属层(4)与工件(10)之间的正电位差值△U，使惰性金属层(4)的电位高于工件(10)的电位；

S4、打开喷嘴(11)的开关，使之向工具头(6)底端面上的磨料层(2)与工件(10)之间的加工区喷射电解液(13)；

S5、驱动刀杆(5)高速旋转，同时按照设定轨迹使工具头(6)相对于工件(10)运动，此时，工件(10)被加工区的金属在极小杂散腐蚀电流作用和不溶性电解产物(16)被螺旋槽(7)高效导出的状态下快速溶解，当工具头(6)运动到设定轨迹的终点时，断开脉冲电源(8)，关停喷嘴(11)，工具头(6)退出加工区，完成加工；

所述惰性金属层(4)与工件(10)之间的正电位差值△U为30V。

2.根据权利要求1所述的一种双极性电解铣磨加工方法，其特征在于：所述的螺旋槽(7)呈右旋形时，刀杆(5)的旋转方向为顺时针；所述的螺旋槽(7)呈左旋形时，刀杆(5)的旋转方向为逆时针。

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