CN111822799B - 平板电极模拟回转体零件旋印电解溶解过程的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种平板电极模拟回转体零件旋印电解溶解过程的装置及方法，属于电解加工领域。该试验装置，其特征在于：使用可编程电源、电解工装夹具、电解液过滤循环系统、数据记录仪、平板工件、工具电极等设备装置，使用静止的平板电极代替旋转的回转体电极，实现了对旋印电解加工溶解特性的相关研究。它包括以下过程：步骤1.使用电场仿真软件数值模拟计算出旋印电解加工阳极表面的电流密度分布波形；步骤2.计算出电流密度分布对应的电流波形数据，将电流波形点阵数据导入可编程电源；步骤3.连通电解液循环过滤系统和电解加工阴阳级电路；4.打开电源进行相关溶解试验。本发明缩短了旋印电解加工的试验周期，简化了旋印电解加工的研究流程，对于降低研究成本，提高研究精度具有重要意义。
Description
技术领域
一种平板电极模拟回转体零件旋印电解溶解过程的装置及方法，属于电解加工技术领域。
背景技术
电解加工一种是利用电化学反应快速去除工件材料的特种加工方法。与传统的机械加工相比，电解加工是一种非接触式加工，在加工过程中有无刀具损耗、无残余应力、无冷作硬化、无塑性变形、表面粗糙度低等优点。因此电解加工适用于薄壁零件、空间复杂曲面以及难切削的高温合金材料的加工。
机匣作为航空发动机中的重要零件，是一种具有复杂凹凸型面的大型薄壁零件，其材料多为高温合金或钛合金，使用传统的机械加工，刀具损耗大，加工周期长，加工费用高，并且工件加工完成后残余应力大，工件易变形，需要经过复杂的热处理工艺来消除变形。为解决薄壁机匣零件的加工难题，南京航空航天大学提出了一种新型的航空发动机薄壁机匣旋印电解加工方法(申请号 201410547093.X申请人南京航空航天大学，发明人朱荻朱增伟王宏睿王登勇)，在加工过程中，只使用单一的回转体工具电极即可实现复杂型面的一次性加工成型。与传统的采用多个电极分度、分块、分工步加工机匣零件的电解加工方式相比，加工工序更为简单。同时此方法克服了传统电解加工阴极工具设计困难、需后续处理“进出口痕迹”、加工工件易变形等问题，实现高效、高质量、低成本的薄壁机匣电解加工。
在上述新型旋印电解加工方法中，由于阳极呈圆柱状，故阳极表面电流密度分布受到电场线分布影响，随着阴极和阳极相对旋转，阳极加工表面处于由低电流密度逐渐上升至高电流密度，再镜像下降至低电流密度的周期性脉冲循环状态。在周期性低频、低占空比脉冲加工状态下，阳极材料特别是易钝化金属的电解溶解行为不同于常规直流及脉冲电解加工，会产生异常的溶解行为，严重影响加工表面质量和加工精度。
为了进行旋印电解加工表面质量控制，需要在旋印电解加工过程上展开相关研究。由于阳极上的“点”是不断运动的，相关试验及研究难以展开，所以用静止的平板电极代替旋转的回转体电极，以“静”代“动”，通过模拟旋印电解加工旋转阳极上“点”的电流变化波形，在静止的平板电极上展开相关试验和研究。
由于旋印电解加工的上述特点，为了解决相关科研难题、展开相关科研研究，有必要设计一种新型的研究旋印电解加工过程的方法以简化研究流程、缩短研究周期、降低研究成本、提高研究精度。
发明内容
本发明旨在研究不同材料在旋印电解加工过程中的溶解特性，提出了一种流程精简、周期短、成本低、精度高的平板电极模拟回转体零件旋印电解溶解过程的装置及方法。
一种平板电极模拟回转体零件旋印电解溶解过程的装置，其特征在于：
包括电解工装夹具、平板工件和工具电极；电解工装夹具具有一个入液口和一个出液口；所述入液口和出液口之间是封闭的水平狭长状电解液流道；电解工装夹具在电解液流道中设置了一个平板工件安装槽；平板工件嵌入式安装在安装槽内，与阳极引电器连接，仅留有一个加工平面暴露于电解液流道中参与电解反应，其他部分的电场线被屏蔽，不参与电解；所述工具电极安装在电解工装夹具内，正对于平板工件加工面。
还包括控制阀门、电解液驻液槽、过滤器和柱塞泵；所述电解工装夹具的出液口与过滤器入口相连，过滤器出口与电解液驻液槽入口相连，电解液驻液槽内安装柱塞泵，电解液驻液槽出口与控制阀门入口相连，控制阀门出口与电解工装夹具的入液口相连；
还包括计算机、可编程电源和数据记录仪；其中计算机的数据输出端与可编程电源的数据输入端相连，数据记录仪的传感器与阳极引电器的电线相连。
通过设置可编程电源的参数可以输出单个周期或者连续多个周期的电流波形。
根据所述的平板电极模拟回转体零件旋印电解溶解过程的装置的方法，其特征在于包括以下过程：
步骤1、设定旋印电解圆柱形工件和圆柱形电极的形状尺寸及相对位置、电解加工电压、电解液电导率参数，建立电场仿真模型，利用有限元分析软件对加工间隙内电场分布进行求解计算，获得阳极回转面不同角度位置θ处的电流密度值iθ；设定旋印电解加工阳极工件旋转角速度w、阳极工件上某点的初始角度位置θ0，获得该点在旋转一圈不同时刻t时的电流密度值it，以点阵数组(t,it) 存储，其中t＝(θ-θ0)/w，it＝iθ；
步骤2、设定所采用的平板工件的加工面积S，对点阵数据(t, it)处理得到不同时刻t时的电流值It，以点阵数组(t,It)存储，其中It＝it×S，将点阵数据(t,It)从计算机的数据输出端导入可编程控制电源的数据输入端，通过设置可编程电源的参数输出单个周期或者连续多个周期的电流波形；
步骤3、接通电解液循环过滤系统和电解加工阴阳极电路；
步骤4、打开电源进行溶解试验，获得表面溶解的试件，使用所述数据记录仪对电流、电压波形进行实时采集。
本发明具有以下优点：
(1)通过功能完备的仿真软件数值计算仿真，用静止的平板电极代替旋转的回转体电极，以“静”代“动”，通过模拟旋印电解加工旋转阳极上“点”的电流变化波形，在静止的平板电极上展开相关试验和研究，简化动点溶解研究过程。
(2)对于旋印电解加工过程具有精准可控性，可以实现旋印电解加工单周期、多周期、分解周期等不同的过程，可以清晰直观观察到电解加工中出现的现象，增强研究精细度，方便进行相关研究工作。
(3)研究平台易搭建，本方法使用的设备便携，适用性广。精简试验过程、降低研究成本、缩短科研周期。
(4)本发明研究方法和原理适用性较广泛，具有一定发展潜力，可以推广至其他研究领域。
附图说明
图1为利用平板电极模拟回转体零件旋印电解加工溶解过程的试验装置示意图；
图2为电解工装夹具结构示意图；
图3为旋印电解加工阴极和阳极及其电场线分布示意图；
图4为旋印电解加工中回转体零件上一点旋转一个周期的电流分布图；
图5为本发明试验中得到的平板电极表面微观形貌图。
图中标号名称：1、电解工装夹具，2、计算机，3、可编程电源， 4、数据记录仪，5、控制阀门，6、电解液驻液槽，7、过滤器，8、工具电极，9、平板工件，10、电解液流道，11、柱塞泵，12、橡胶水管。13、入液口，14、出液口，15、平板工件安装槽，16、阳极引电器，17、圆柱形工件，18、圆柱形电极。
具体实施方式
结合图3、4、5，说明本发明的实施过程：
(1)使用电场仿真软件搭建二维模型如图3，阴极和阳极均为直径50mm的圆形结构，阴阳极之间的最小加工间隙为0.4mm，电场封闭空间为长140mm、宽100mm的长方形区域。阳极施加18V直流电压，阴极施加0V电势，电解液电导率设置为14.5M/S。
(2)使用电场仿真软件进行数值模拟仿真，获得阳极回转面不同角度位置θ处的电流密度值iθ；设定旋印电解加工阳极工件旋转角速度w＝2πrad/min、阳极工件上某点的初始角度位置θ0，获得该点在旋转一圈不同时刻t时的电流密度值it，以点阵数组(t, it)存储，其中t＝(θ-θ0)/w，it＝iθ。设定所采用的平板工件的加工面积S＝12.56mm2，将得到的it分别乘以加工面积S，得到不同时刻t时的电流值It(图4)，并以点阵数组(t,It)存储，使用计算机将点阵数据(t,It)导入可编程控制电源；
(3)接通电解液循环过滤系统；
(4)使用导线将可编程电源的正极与阳极引电器相连，将可编程电源的负极与工具电极相连；
(5)打开电源进行溶解试验，使用数据记录仪对电流、电压波形进行实时采集，获得腐蚀后的平板工件，表面形貌如图5所示。
Claims (2)
1.一种平板电极模拟回转体零件旋印电解溶解过程的装置，其特征在于：
包括电解工装夹具(1)、平板工件(9)和工具电极(8)；电解工装夹具(1)具有一个入液口(13)和一个出液口(14)；所述入液口(13)和出液口(14)之间是封闭的水平狭长状电解液流道(10)；电解工装夹具(1)在电解液流道(10)中设置了一个平板工件安装槽(15)；平板工件(9)嵌入式安装在安装槽(15)内，与阳极引电器(16)连接，仅留有一个加工平面暴露于电解液流道(10)中参与电解反应，其他部分的电场线被屏蔽，不参与电解；所述工具电极(8)安装在电解工装夹具内，正对于平板工件加工面；
还包括控制阀门(5)、电解液驻液槽(6)、过滤器(7)和柱塞泵(11)；所述电解工装夹具(1)的出液口(14)与过滤器(7)入口相连，过滤器(7)出口与电解液驻液槽(6)入口相连，电解液驻液槽(6)内安装柱塞泵(11)，电解液驻液槽(6)出口与控制阀门(5)入口相连，控制阀门(5)出口与电解工装夹具(1)的入液口(13)相连；
还包括计算机(2)、可编程电源(3)和数据记录仪(4)；其中计算机(2)的数据输出端与可编程电源(3)的数据输入端相连，数据记录仪(4)的传感器与阳极引电器(16)的电线相连。
2.根据权利要求1所述的平板电极模拟回转体零件旋印电解溶解过程的装置的模拟方法，其特征在于包括以下过程：
步骤1、设定旋印电解圆柱形工件(17)和圆柱形电极(18)的形状尺寸及相对位置、电解加工电压、电解液电导率参数，建立电场仿真模型，利用有限元分析软件对加工间隙内电场分布进行求解计算，获得阳极回转面不同角度位置θ处的电流密度值iθ；设定旋印电解加工阳极工件旋转角速度w、阳极工件上某点的初始角度位置θ0，获得该点在旋转一圈不同时刻t时的电流密度值it，以点阵数组(t,it)存储，其中t＝(θ-θ0)/w，it＝iθ；
步骤2、设定所采用的平板工件(9)的加工面积S，对点阵数据(t,it)处理得到不同时刻t时的电流值It，以点阵数组(t,It)存储，其中It＝it×S，将点阵数据(t,It)从计算机(2)的数据输出端导入可编程控制电源(3)的数据输入端，通过设置可编程电源(3)的参数输出单个周期或者连续多个周期的电流波形；
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