CN111975145B - 一种抽吸式管电极微细深孔电解加工装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种抽吸式管电极微细深孔电解加工装置及其方法，所述的装置，包括基座、电解液储存装置、电解液供给回收装置、工作台、调平实验台、电解液槽、载物台、抽吸式管电极组件、力传感器、脉冲电源、运动平台、Z向进给装置和运动控制单元；所述的抽吸式管电极组件包括阴极夹具和抽吸式管电极，所述的阴极夹具包括圆柱、上三通管、下三通管、上内管和下内管，所述的抽吸式管电极包括内管和外管。本发明采用以下两个措施：一是利用变化的抽吸压力来控制电解液域，将其限制于加工区域，防止已加工区域的再腐蚀。二是通过同时进给内外管电极，保证加工孔内流场稳定，提高排屑能力。

Description

一种抽吸式管电极微细深孔电解加工装置及其方法
技术领域
本发明涉及一种抽吸式管电极微细深孔电解加工装置及其方法，属于精密、微细特种加工技术领域。
背景技术
近年来，随着现代制造业的不断发展，微小单孔、群孔以及斜孔结构在航空、航天、船舶、化工等领域的加工需求逐渐增大，这些孔的制造对于各类零部件的性能有至关重要的作用，而此类结构往往具有孔径小、数量大、材料难加工、表面质量要求高、与零件表面法线方向夹角多变等特点，传统的加工技术已难以满足上述加工需求。
以航空发动机为例，其材料多为高温合金、钛合金、金属间化合物等，其加工难度极大。同时存在许多微孔、群孔结构，涡轮叶片气膜冷却孔、燃烧室火焰筒群孔、发动机喷油孔，以及涡轮静子叶片上的各类型孔，孔径一般在0.3-2mm之间，而深径比最大超过50，因此如何实现这些孔结构的高效、高精度的加工已然成为制造业的研究重点和难题。
相对于传统加工方式，现代特种加工方式具有很多优点，尤其在精细微小加工中具有较大优势。而电解加工方式作为特种加工方式的一种，利用了电解反应中阳极氧化溶解原理，对工件进行减材加工，具有加工效率高、无重铸层、无裂纹、无残余应力、阴极无损耗、工件装夹简单、加工材料应用、加工性能与材料机械性能无关等优点。
管电极加工方法作为电解加工方式的一种，是解决电解液供给问题的一种方式，电解液从中空的管电极中高速流入，从加工间隙中流出。同时，阴极相对阳极做进给运动，阳极工件被溶解，电解产物随电解液从间隙排出，最终工件溶解形成孔。但是管电极加工方式同样存在缺陷，加工时存在杂散腐蚀，会对非加工区域腐蚀，同时在加工深孔时，电解液更新速率慢，加工产物排除受阻，降低了加工效率，同时电解液成分会对工件及设备有一定的腐蚀性，会加快工件的表面腐蚀，因此限制电解液的区域具有一定的必要性。
为了解决管电极加工缺陷问题，国内学者朱荻、王维等人对阴极进给方式提出优化，让阴极进行平动，优化了流场分布，有效的消除了加工中心柱和流纹，提高加工精度，并对工艺参数进行优化，最终加工出深径比2.0、孔径1.03±0.03mm的阵列孔。同时他们还使用楔形管电极来加工斜孔，优化了流场分布。同时，他们采用了抽吸式反流的流场优化方式，提高了加工稳定性，但是所采用的方法仍然需要将工件浸入电解液中，还存在着加工深孔时效率低、加工大深径比孔时加工产物不易排出、加工过程不稳定、存在非加工区域的腐蚀、恶化非加工区域表面精度等问题。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种能提高微细深孔管电极电解加工的加工效率、加工深孔的产物排出能力、加工过程稳定性、加工定域性和加工精度的抽吸式管电极微细深孔电解加工装置及其方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下两个措施：一是利用变化的抽吸压力来控制电解液域，将其限制于加工区域；二是通过同时进给内外管电极，保证加工孔内流场稳定，提高排屑能力。
本发明的技术方案如下：一种抽吸式管电极微细深孔电解加工装置，包括基座、电解液储存装置、电解液供给回收装置、工作台、调平实验台、电解液槽、载物台、抽吸式管电极组件、力传感器、脉冲电源、运动平台、Z向进给装置和运动控制单元；
所述的工作台固定安装在基座上的中部，所述的电解液储存装置固定安装在基座上的一侧，所述的Z向进给装置固定安装在基座上的另一侧；
所述的电解液供给回收装置包含供给泵、抽吸泵和过滤器，供给泵的入口经过滤器连接电解液储存装置、出口经抽吸式管电极和抽吸泵连接电解液储存装置；
所述的调平实验台通过调平螺钉安装在工作台上，所述的电解液槽安装在调平实验台上，电解液槽内设置载物台，载物台上放置工件；
所述的运动平台安装在Z向进给装置上，所述的运动平台的下方依次安装力传感器和抽吸式管电极组件；
所述的抽吸式管电极组件包括阴极夹具和抽吸式管电极，所述的抽吸式管电极的中心与工件中心对齐；
所述的脉冲电源的阴极与抽吸式管电极连接，阳极与工件连接；
所述的调平实验台为三点调平实验台；
所述的阴极夹具包括圆柱、上三通管、下三通管、上内管和下内管，所述的抽吸式管电极包括内管和外管；所述的上三通管的下端与下三通管的上端通过上内管连接，上三通管的侧口与供给泵连接、下三通管的侧口与抽吸泵连接；
所述的圆柱安装在上三通管的上口内，圆柱的下端位置高于上三通管的侧口位置；所述的上内管安装在上三通管和下三通管内，上内管的上端低于上三通管的侧口位置、下端高于下三通管的侧口位置；所述的下内管安装在下三通管内，下内管的上端低于下三通管的侧口位置、下端伸出下三通管的下口位置；所述的外管嵌套在下内管内，外管的上端与下内管的上端平齐、下端伸出下内管的下口位置；所述的内管嵌套在外管内，内管的上端嵌套在上内管内、且与上内管的上端平齐，内管的下端与外管的下端平齐；所述的外管和内管同轴。
进一步地，所述的上三通管、下三通管的所有出口处由锥形密封卡套通过密封螺母紧固密封
进一步地，所述的外管的外表包覆绝缘层，绝缘层厚度小于60μm。
进一步地，所述的外管和内管的下端出口处、外管和内管之间设置三处定心硅胶，所述的三处定心硅胶沿周向均布。
进一步地，所述的圆柱、内管和外管采用不锈钢制成，所述的上三通管、下三通管、上内管和下内管采用聚四氟乙烯制成。
进一步地，所述的外管外径为0.8-2mm，内管外径为0.3-1mm，外管与内管壁厚为0.1-0.3mm。
一种抽吸式管电极微细深孔电解加工装置的方法，包括以下步骤：
A、工件装夹。使用水平仪放置于调平实验台上，通过对调平螺钉的调节保持调平实验台水平，然后将工件放置于调平实验台上固定，将抽吸式管电极与工件分别接入脉冲电源的阴极与阳极。
B、对刀定位。使用Z向进给装置，将抽吸式管电极抬高，远离工件，然后使用运动平台调节XY方向进给，将抽吸式管电极调节到加工位置上，通过调节Z向进给装置，向下进给抽吸式管电极与工件上表面快要接触时停止进给，调整Z向进给装置进给速度为最低，先将力传感器力示数调零，然后向下进给抽吸式管电极，同时观察力传感器所接的显示器上的力的示数，从0突变为其他示数时，立即停止Z向进给，将抽吸式管电极上抬，直至示数为零，此时将XYZ三轴坐标示数调为0，完成对刀操作。
C、调整初始加工间隙。对刀完成后，调节Z向进给装置，调节其向上进给目标固定距离0-500μm，此时初始加工间隙为100μm。
D、调节电解液供给及电源参数。打开电解液供给回收装置中的供给泵与抽吸泵，等待电解液槽中电解液稳定后，开启脉冲电源，调节电压至目标电压10V，占空比50％，脉冲频率10kHz。
E、按目标轨迹移动。通过调节Z向进给装置，以指定的0.2mm/min的进给速度向下进给，进给100μm后，将抽吸压力由500Pa降低到450Pa，保持进给状态，直至加工完成，加工出的孔侧壁垂直度误差控制在±1°以内。
F、加工后，退出抽吸式管电极，然后使用乙醇、去离子水清洗，完成加工。
与现有技术相比，本发明具有以下优点。
1、加工开始时，调节抽吸泵压力为1-3kPa，限制电解液区域，可以提高加工定域性，获得更好的加工孔口质量。
2、加工过程中，调节抽吸泵压力小于1kPa，使得孔内产生的气泡及产物，及时随电解液从抽吸管间隙内带走，将电解液限制在孔内，防止已加工区域的再腐蚀。
3、同时匀速进给内外管电极，保证了加工过程中流场的稳定性。
4、利用三点定心法，保证了内外管电极的同轴度。
5、普通管电极会在盲孔孔底产生突起，本发明的抽吸式管电极的内管的加工可以消除此凸起缺陷。
6、电解液区域的限制，可以减小设备等腐蚀，减小污染。
7、本发明所用的运动平台采用伺服电机驱动，以保证运动精度与稳定性，所述的伺服电机具有高响应速度，定位精度＜1μm。
附图说明
图1是本发明的抽吸式管电极组件示意图。
图2是图1的A-A剖视图。
图3是图1的A处放大图。
图4是本发明所述的抽吸式管电极加工开始时示意图。
图5是本发明所述的抽吸式管电极加工过程中示意图。
图6是本发明的结构示意图。
图中：1、圆柱，2、上三通管，3、上内管，4、锥形密封卡套，5、密封螺母，6、下三通管，7、下内管，8、绝缘层，9、内管，10、外管，11、定心硅胶，12、工件，13、基座，14、电解液储存装置，15、电解液供给回收装置，16、工作台，17、调平实验台，18、调平螺钉，19、电解液槽，20、载物台，21、抽吸式管电极，22、阴极夹具，23、力传感器，24、脉冲电源，25、运动平台，26、Z向进给装置。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细说明本发明的具体实施方式。如图1-6所示，一种抽吸式管电极微细深孔电解加工装置，包括基座13、电解液储存装置14、电解液供给回收装置15、工作台16、调平实验台17、电解液槽19、载物台20、抽吸式管电极组件、力传感器23、脉冲电源24、运动平台25、Z向进给装置26和运动控制单元；
所述的工作台16固定安装在基座13上的中部，所述的电解液储存装置14固定安装在基座13上的一侧，所述的Z向进给装置26固定安装在基座13上的另一侧；
所述的电解液供给回收装置15包含供给泵、抽吸泵和过滤器，供给泵的入口经过滤器连接电解液储存装置14、出口经抽吸式管电极21和抽吸泵连接电解液储存装置14；
所述的调平实验台17通过调平螺钉18安装在工作台16上，所述的电解液槽19安装在调平实验台17上，电解液槽19内设置载物台20，载物台20上放置工件12；
所述的运动平台25安装在Z向进给装置26上，所述的运动平台25的下方依次安装力传感器23和抽吸式管电极组件；
所述的抽吸式管电极组件包括阴极夹具22和抽吸式管电极21，所述的抽吸式管电极21的中心与工件12中心对齐；
所述的脉冲电源24的阴极与抽吸式管电极21连接，阳极与工件12连接；
所述的调平实验台17为三点调平实验台；
所述的阴极夹具22包括圆柱1、上三通管2、下三通管6、上内管3和下内管7，所述的抽吸式管电极21包括内管9和外管10；所述的上三通管2的下端与下三通管6的上端通过上内管3连接，上三通管2的侧口与供给泵连接、下三通管6的侧口与抽吸泵连接；
所述的圆柱1安装在上三通管2的上口内，圆柱1的下端位置高于上三通管2的侧口位置；所述的上内管3安装在上三通管2和下三通管6内，上内管3的上端低于上三通管2的侧口位置、下端高于下三通管6的侧口位置；所述的下内管7安装在下三通管6内，下内管7的上端低于下三通管6的侧口位置、下端伸出下三通管6的下口位置；所述的外管10嵌套在下内管7内，外管10的上端与下内管7的上端平齐、下端伸出下内管7的下口位置；所述的内管9嵌套在外管10内，内管9的上端嵌套在上内管3内、且与上内管3的上端平齐，内管9的下端与外管10的下端平齐；所述的外管10和内管9同轴。
进一步地，所述的上三通管2、下三通管6的所有出口处由锥形密封卡套4通过密封螺母5紧固密封。
进一步地，所述的外管10的外表包覆绝缘层8，绝缘层8厚度小于60μm。
进一步地，所述的外管10和内管9的下端出口处、外管10和内管9之间设置三处定心硅胶11，所述的三处定心硅胶11沿周向均布。
进一步地，所述的圆柱1、内管9和外管10采用不锈钢制成，所述的上三通管2、下三通管6、上内管3和下内管7采用聚四氟乙烯制成。
进一步地，所述的外管10外径为0.8-2mm，内管9外径为0.3-1mm，外管10与内管9壁厚均为0.1-0.3mm。
本发明各部件的功能如下：
电解液储存装置14用于存放电解液；
电解液供给回收装置15用于过滤加工过程中产生的较大颗粒；
工作台16水平固定于基座13上；
调平实验台17用于放置电解液槽19，使用时用调平螺钉18进行调平，保持调平实验台17的水平；
电解液槽19用于加工区域存放电解液；
载物台20用于固定放置工件12；
抽吸式管电极21根据加工不同的孔径需求大小，选用不同直径的管电极；
阴极夹具22用于固定抽吸式管电极21，同时为抽吸式管电极21提供电解液；
力传感器23用于测量抽吸式管电极21的受力情况，在抽吸式管电极21对刀时，传感器实数由0突变，则表示抽吸式管电极21与工件12表面相接触，则定为坐标零点；
脉冲电源24使用脉冲电源24可以很好的限值抽吸式管电极21电解加工区域，有效的控制杂散腐蚀，提高加工定域性；
运动平台25用于控制抽吸式管电极21加工过程中的XY方向的进给；
Z向进给装置26用于控制抽吸式管电极21加工过程中的Z方向的进给。
其中聚四氟乙烯三通管，材料耐酸耐腐蚀，用于电解液的供给；
定心硅胶11利用三点固定，提高外管10和内管9的同轴度，同时保证加工过程中的稳定性；
绝缘层8用于加工过程中的侧壁绝缘，可以减小非加工区域的材料腐蚀。
本发明所用电源为脉冲电源24，根据不同材料，脉冲频率为10-1000kHz，占空比为10％-90％，电压为5-30V。
本实施例以航空航天发动机中涡轮叶片气膜孔为例，其材料为难加工材料高温合金GH4169。气膜孔用于降低叶片的实际温度，数量大，直径大多数在0.25-1.5mm之间，深径比最大超越20，孔的结构精度，以及表面质量和锥度直径影响了航空航天发动机的性能和稳定性。
实验采用的抽吸式管电极21的外管10外径为1mm，内管9外径为0.3mm，外管10与内管9壁厚均为0.1mm。
先对高温合金GH4169进行上表面的研磨、抛光，然后使用乙醇、去离子水清洗。
使用如图5加工装置对高温合金GH4169进行深孔加工，通过以下步骤实现：
A、工件12装夹。使用水平仪放置于调平实验台17上，通过对调平螺钉18的调节保持调平实验台17水平，然后将工件12放置于调平实验台17上固定，将抽吸式管电极21与工件12分别接入脉冲电源24的阴极与阳极。
B、对刀定位。使用Z向进给装置26，将抽吸式管电极21抬高，远离工件12，然后使用运动平台25调节XY方向进给，将抽吸式管电极21调节到加工位置上，通过调节Z向进给装置26，向下进给抽吸式管电极21与工件12上表面快要接触时停止进给，调整Z向进给装置26进给速度为最低，先将力传感器23力示数调零，然后向下进给抽吸式管电极21，同时观察力传感器23所接的显示器上的力的示数，从0突变为其他示数时，立即停止Z向进给，将抽吸式管电极21上抬，直至示数为零，此时将XYZ三轴坐标示数调为0，完成对刀操作。
C、调整初始加工间隙。对刀完成后，调节Z向进给装置26，调节其向上进给目标固定距离0-500μm，此时初始加工间隙为100μm。
D、调节电解液供给及电源参数。打开电解液供给回收装置15中的供给泵与抽吸泵，等待电解液槽19中电解液稳定后，开启脉冲电源24，调节电压至目标电压10V，占空比50％，脉冲频率10kHz。
E、按目标轨迹移动。通过调节Z向进给装置26，以指定的0.2mm/min的进给速度向下进给，进给100μm后，将抽吸压力由500Pa降低到450Pa，保持进给状态，直至加工完成，加工出的孔侧壁垂直度误差控制在±1°以内。
F、加工后，退出抽吸式管电极21，然后使用乙醇、去离子水清洗，完成加工。
本发明不局限于本实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。
本实施例以航空航天发动机中涡轮叶片气膜孔为例，其材料为难加工材料高温合金GH4169。气膜孔用于降低叶片的实际温度，数量大，直径大多数在0.25-1.5mm之间，深径比最大超越20，孔的结构精度，以及表面质量和锥度直径影响了航空航天发动机的性能和稳定性。
实验采用的抽吸式管电极的外管外径为1mm，内管外径为0.3mm，外管与内管壁厚均为0.1mm。
先对高温合金GH4169进行上表面的研磨、抛光，然后使用乙醇、去离子水清洗。
使用如图1-6所示的加工装置对高温合金GH4169进行深孔加工，通过以下步骤实现：
本发明不局限于本实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种抽吸式管电极微细深孔电解加工装置，其特征在于：包括基座(13)、电解液储存装置(14)、电解液供给回收装置(15)、工作台(16)、调平实验台(17)、电解液槽(19)、载物台(20)、抽吸式管电极组件、力传感器(23)、脉冲电源(24)、运动平台(25)、Z向进给装置(26)和运动控制单元；
所述的工作台(16)固定安装在基座(13)上的中部，所述的电解液储存装置(14)固定安装在基座(13)上的一侧，所述的Z向进给装置(26)固定安装在基座(13)上的另一侧；
所述的电解液供给回收装置(15)包含供给泵、抽吸泵和过滤器，供给泵的入口经过滤器连接电解液储存装置(14)、出口经抽吸式管电极(21)和抽吸泵连接电解液储存装置(14)；
所述的调平实验台(17)通过调平螺钉(18)安装在工作台(16)上，所述的电解液槽(19)安装在调平实验台(17)上，电解液槽(19)内设置载物台(20)，载物台(20)上放置工件(12)；
所述的运动平台(25)安装在Z向进给装置(26)上，所述的运动平台(25)的下方依次安装力传感器(23)和抽吸式管电极组件；
所述的抽吸式管电极组件包括阴极夹具(22)和抽吸式管电极(21)，所述的抽吸式管电极(21)的中心与工件(12)中心对齐；
所述的脉冲电源(24)的阴极与抽吸式管电极(21)连接，阳极与工件(12)连接；
所述的调平实验台(17)为三点调平实验台；
所述的阴极夹具(22)包括圆柱(1)、上三通管(2)、下三通管(6)、上内管(3)和下内管(7)，所述的抽吸式管电极(21)包括内管(9)和外管(10)；所述的上三通管(2)的下端与下三通管(6)的上端通过上内管(3)连接，上三通管(2)的侧口与供给泵连接、下三通管(6)的侧口与抽吸泵连接；
所述的圆柱(1)安装在上三通管(2)的上口内，圆柱(1)的下端位置高于上三通管(2)的侧口位置；所述的上内管(3)安装在上三通管(2)和下三通管(6)内，上内管(3)的上端低于上三通管(2)的侧口位置、下端高于下三通管(6)的侧口位置；所述的下内管(7)安装在下三通管(6)内，下内管(7)的上端低于下三通管(6)的侧口位置、下端伸出下三通管(6)的下口位置；所述的外管(10)嵌套在下内管(7)内，外管(10)的上端与下内管(7)的上端平齐、下端伸出下内管(7)的下口位置；所述的内管(9)嵌套在外管(10)内，内管(9)的上端嵌套在上内管(3)内且与上内管(3)的上端平齐，内管(9)的下端与外管(10)的下端平齐；所述的外管(10)和内管(9)同轴；
所述抽吸式管电极(21)微细深孔电解加工装置的方法，包括以下步骤：
A、工件(12)装夹；使用水平仪放置于调平实验台(17)上，通过对调平螺钉(18)的调节保持调平实验台(17)水平，然后将工件(12)放置于调平实验台(17)上固定，将抽吸式管电极(21)与工件(12)分别接入脉冲电源(24)的阴极与阳极；
B、对刀定位；使用Z向进给装置(26)，将抽吸式管电极(21)抬高，远离工件(12)，然后使用运动平台(25)调节XY方向进给，将抽吸式管电极(21)调节到加工位置上，通过调节Z向进给装置(26)，向下进给抽吸式管电极(21)与工件(12)上表面快要接触时停止进给，调整Z向进给装置(26)进给速度为最低，先将力传感器(23)力示数调零，然后向下进给抽吸式管电极(21)，同时观察力传感器(23)所接的显示器上的力的示数，从0突变为其他示数时，立即停止Z向进给，将抽吸式管电极(21)上抬，直至示数为零，此时将XYZ三轴坐标示数调为0，完成对刀操作；
C、调整初始加工间隙；对刀完成后，调节Z向进给装置(26)，调节其向上进给目标固定距离0-500μm，此时初始加工间隙为100μm；
D、调节电解液供给及电源参数；打开电解液供给回收装置(15)中的供给泵与抽吸泵，等待电解液槽(19)中电解液稳定后，开启脉冲电源(24)，调节电压至目标电压10V，占空比50％，脉冲频率10kHz；
E、按目标轨迹移动；通过调节Z向进给装置(26)，以指定的0.2mm/min的进给速度向下进给，进给100μm后，将抽吸压力由500Pa降低到450Pa，保持进给状态，直至加工完成，加工出的孔侧壁垂直度误差控制在±1°以内；
F、加工后，退出抽吸式管电极(21)，然后使用乙醇、去离子水清洗，完成加工。
2.根据权利要求1所述的一种抽吸式管电极微细深孔电解加工装置，其特征在于：所述的上三通管(2)、下三通管(6)的所有出口处由锥形密封卡套(4)通过密封螺母(5)紧固密封。
3.根据权利要求1所述的一种抽吸式管电极微细深孔电解加工装置，其特征在于：所述的外管(10)的外表包覆绝缘层(8)，绝缘层(8)厚度小于60μm。
4.根据权利要求1所述的一种抽吸式管电极微细深孔电解加工装置，其特征在于：所述的外管(10)和内管(9)的下端出口处、外管(10)和内管(9)之间设置三处定心硅胶(11)，所述的三处定心硅胶(11)沿周向均布。
5.根据权利要求1所述的一种抽吸式管电极微细深孔电解加工装置，其特征在于：所述的圆柱(1)、内管(9)和外管(10)采用不锈钢制成，所述的上三通管(2)、下三通管(6)、上内管(3)和下内管(7)采用聚四氟乙烯制成。
6.根据权利要求1所述的一种抽吸式管电极微细深孔电解加工装置，其特征在于：所述的外管(10)外径为0.8-2mm，内管(9)外径为0.3-1mm，外管(10)与内管(9)壁厚均为0.1-0.3mm。
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