CN112091339B - 一种集成式螺旋工具电极及其多电位电解铣磨加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种集成式螺旋工具电极及其多电位电解铣磨加工方法，属于电解磨削复合加工领域。集成式螺旋工具电极的刀头前端侧壁及端面覆盖超硬磨料层，刀头的外周设有螺旋导流槽，螺旋导流槽的槽内表面镀覆电绝缘隔层，电绝缘隔层上外敷惰性金属导电层，槽间肋外圆周面为裸露的工具电极基体。在多电位电解铣磨加工过程中，设置惰性金属导电层的正电位值低于工件的正电位值，超硬磨料层与工具电极基体的电位值均为0V，使电化学阳极溶解反应被高度限定在加工区，同时显著增强已加工表面的钝化效果，并加快加工副产物排除过程。本发明可有效改善杂散电流主动抑制效果，提高电解铣磨加工极易钝化金属微小零件的加工定域性及稳定性。

Description

一种集成式螺旋工具电极及其多电位电解铣磨加工方法

技术领域

本发明涉及一种集成式螺旋工具电极及其多电位电解铣磨加工方法，属于电解磨削复合加工领域。

背景技术

非晶合金、钛合金以其卓越的物理、化学和力学性能，在金属微小零件领域已经并将继续展现出极具诱惑力的应用前景。近十年来，非晶合金、钛合金在医疗器械等行业的需求日益旺盛且迫切，其精密与微细加工也发展为备受关注的前沿热点研究领域。但是，它们均属于难加工金属材料, 基于减材原理的非晶合金及钛合金精微加工尚未获得突破性进展，包括机械微加工、高能束（激光束、电子束、电火花等）微加工、电化学微加工等在内的精微加工技术仍未见商用报道,这严重制约上述金属材料巨大应用潜能的充分释放。

电解铣磨加工是采用棒状带磨料的工具为阴极，以类似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。它因应易钝化高硬、高强金属材料航空航天整体结构件的制造需求而开发出来，融合集成数控铣削加工、电解加工和机械磨削加工于一体，以期获得高效率、高加工柔性、高精度、优质加工面的综合效果。在这方面，其已在电解铣磨加工镍基高温合金所获研究结果中得到了充分的验证。但是，该技术在微尺度加工领域的可行性尚未得到研究验证，尤其是在非晶合金、钛合金微小零件加工方面仍为国际研究空白领域。

电解铣磨加工非晶合金及钛合金微小零件面临两大棘手难题：一是非晶合金及钛合金在水溶液中表面极易自钝化成膜，但这种自然而成的钝化膜并不十分致密，常常弥散分布有大量微孔，在杂散电流条件下极易出现非加工区杂散腐蚀和已加工面再腐蚀现象，导致加工表面质量变差、加工精度降低；二是非晶合金及钛合金不溶性电解产物多、体积大、黏附力强，使得加工易发生短路，加工稳定性较差，加工效率较低。针对上述问题，河南理工大学的牛屾等提出了一种侧壁全域阳极化的螺旋工具电极（专利申请号：CN202010695586.3），即在设有螺旋槽的工具头侧壁外表面上完全覆盖与之电绝缘的惰性金属层（如金或钛），并通过调配惰性金属层与工件的正电位差值（5V~30V），使惰性金属层电位高于工件电位，以吸引工具头端部磨料层在加工位置附近的非加工区辐射的电场，从而抑制非加工表面的杂散腐蚀，与此同时，不溶性电解产物可以借助于螺旋槽的螺旋输送作用，加快其往外排出的过程，进而增强工具头排除产物的能力。

但是，该专利方案（专利申请号：CN202010695586.3）仍然具有一定的局限性：第一，当被加工工件材料与惰性金属层材料的主要成分相同时（如为钛合金和钛），由于惰性金属层所带的正电位值更高，在加工过程中会优先发生电化学反应，造成惰性金属层腐蚀溶解，失去对杂散腐蚀的抑制作用；第二，当多次走刀加工窄槽、深腔等大深宽比结构时，前一次走刀产生的已加工表面上自然氧化而成的疏松多孔的钝化膜，不利于后一次走刀中该表面上材料高度局域化地被溶解去除，从而制约了加工精度的提高；第三，当较大磨削力或者较强电解液冲刷作用时，这种侧壁全域阳极化的方式会使惰性金属层边缘容易发生剥离、脱落，继而导致已加工面的再腐蚀。因此，探索更有效的能够主动抑制杂散电流的工具电极及方法，对于电解铣磨加工在非晶合金及钛合金微小零件制造领域的推广，具有十分重要的意义。

发明内容

本发明在于，针对上述问题，提出一种集成式螺旋工具电极及其多电位电解铣磨加工方法，以获得更有效的杂散电流主动抑制效果。

一种集成式螺旋工具电极，包括设有刀柄和刀身的呈一级阶梯圆柱体结构特征的工具电极基体、超硬磨料层、电绝缘隔层和惰性金属层；所述的刀身包括刀杆和外周设有螺旋导流槽的刀头；所述的螺旋导流槽的槽口宽度大于或者等于槽间肋宽度的两倍；所述的螺旋导流槽为单线螺纹槽；所述的螺旋导流槽螺旋升角小于15°；所述的螺旋导流槽的内部表面和所述的刀杆外圆周面上均涂覆有电绝缘隔层；所述的电绝缘隔层的表面镀覆有惰性金属层；所述的螺旋导流槽深度不超过所述的刀头直径的30%；所述的螺旋导流槽的横截面形状为弧形、矩形或者梯形。

所述的刀杆与所述的刀头同轴一体成型且直径相等。

所述的刀头的前端侧壁外表面及端部表面上均固结有超硬磨料层。

所述的超硬磨料层与所述的螺旋导流槽在刀头侧壁上的分布长度之和等于所述的刀头的总长度。

所述的刀杆的直径小于刀柄的直径，且刀杆与刀柄之间设置有倒角。

所述的电绝缘隔层的材质为氮化硅或者氮化硼。

所述的惰性金属层的材质为金、铂或者钛。

所述的工具电极基体的材质为不锈钢。

一种多电位电解铣磨加工方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1、把工件水平安装在机床工作台（图中未画出）上，在工件上方垂直设置刀柄，并将工件初始加工位置定位到刀头的正下方；

S2、把主电源的正极与工件相连，主电源的负极与刀柄相连，同时将辅助电源的正极与刀杆外圆周面上的惰性金属层相连，辅助电源的负极与刀柄相连；

S3、开启并调节主电源及辅助电源，使工具电极基体的表面电位值为0V，同时工件和惰性金属层均为正电位、工件的表面电位值高于惰性金属层的表面电位值，且惰性金属层的表面电位值介于工件的表面电位值与工具电极基体的表面电位值之间；

S4、将刀头、工件浸没于电解液中，或者喷淋电解液使工件、惰性金属层、超硬磨料层以及刀头的侧壁上裸露的工具电极基体之间实现电导通；

S5、驱动刀柄作高速旋转运动，并按照设定轨迹使刀头相对于工件运动，此时，刀头上的超硬磨料层沿着进给方向正对加工区进行加工，这样，被加工区的金属材料在电解-机械复合作用下被局域化溶解去除，加工副产物（图中未画出）在螺旋导流槽的导流与螺杆泵效应作用下被高效运离加工间隙，同时工件的已加工表面在超硬磨料层和刀头侧壁上裸露的工具电极基体所施加的电场作用下生成一层致密无孔且膜厚分布均匀的钝化膜；

S6、当刀头运动到设定轨迹的终点时，断开主电源及辅助电源，驱动超硬磨料层退出加工区，卸下工件和刀柄并清洗，完成加工。

所述的螺旋导流槽的走向为右螺旋时，刀柄作顺时针旋转；螺旋导流槽的走向为左螺旋时，刀柄的旋转方向为逆时针。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、加工范围更广，工程应用价值更高。本发明提供的集成式螺旋工具电极及其多电位电解铣磨加工方法中，刀头上的工具电极基体表面及超硬磨料层表面的电位值均为0V，为低电位电极；工件表面的电位值最高，为高电位电极；惰性金属导电层表面的电位值介于低电位电极和高电位电极之间，为中电位电极。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位电极。因此，即使工件材料与惰性金属导电层材料的主要成分相同，电化学反应也会优先发生在高电位电极（工件）表面。如此，可以根据实际工件材料在电解液中的电化学特性，通过合理设置上述各电极的电位值，使得阳极材料溶解现象仅发生于超硬磨料层沿进给方向正对的工件加工区表面，从而有效防止惰性金属导电层表面出现材料蚀除行为。

2、加工表面质量更好，加工零件精度更高。在本发明方案中，刀头上的螺旋导流槽的槽内表面为惰性金属导电层（中电位电极），而槽间肋的外圆周面则为裸露的工具电极基体（低电位电极），而且槽口宽度大于等于槽间肋宽度的两倍，即槽内的中电位电极面积是槽间肋上的低电位电极面积的两倍及以上。当加工高深宽比零件时，低电位电极（超硬磨料层和刀头侧壁上裸露的工具电极基体）在加工位置附近的已加工区域辐射的电场，绝大部分会被中电位电极（惰性金属导电层）吸引，同时一小部分会被高电位电极（工件）的已加工表面吸引。因此，对于本发明方案，只需合理设置各电极电位值，不仅可使超硬磨料层沿着进给方向正对加工区工件表面的电流密度值高于工件材料发生电化学阳极溶解所需的临界电流密度值，还可使工件已加工表面的电流密度值低于该临界电流密度值。结果，工件阳极溶解现象被高度局域化地限定在加工区，而已加工表面则在电场作用下生成一层致密无孔且膜厚分布均匀的钝化膜。显然，该钝化膜可有效保护前一次走刀形成的已加工表面免受化学、流体、电场等作用破坏，从而在后一次走刀时继续实现该已加工表面的高定域性加工。

3、加工效率更高，加工稳定性更好。本发明方案在刀头外侧壁上开设螺旋导流槽，利用螺旋导流槽在高速旋转时产生的“螺杆泵效应”，强化极间间隙内不溶性电解产物向上输送的能力，从而促进整个加工区域内固体产物的及时排除，同时有效防止加工副产物在已加工区堆积甚至黏附于已加工表面。此外，该螺旋导流槽的螺旋升角小于15°，而且槽深不超过刀头直径的30%，如此设计既可保证刀头具备一定刚度，还有助于实现更好的排除加工产物效果。

4、工具电极设计更合理，耐用度更高。本发明方案将惰性金属导电层镀覆于刀头侧壁上螺旋导流槽的槽内表面，而槽间肋外圆周面上没有覆盖惰性金属导电层，如此可有效减少电解液对惰性金属导电层的冲刷，从而显著提高工具电极耐用度。而且，由于螺旋导流槽为单线螺纹，即使采用较小直径的刀头，螺旋导流槽的制备也较为容易，并且精度易于保证。此外，通过在与刀头一体成型的刀杆外圆周面上附设惰性金属导电层，可便于利用碳刷连接辅助电源正极，同时设置刀柄直径大于刀身直径，既方便在机床主轴上装夹，又易于利用导电滑环与主电源及辅助电源的负极相连，如此不仅可实现多电位电解铣磨加工，还有确保集成式工具电极在高速旋转时引电稳定可靠，并且简单方便易于实现。

附图说明

图1集成式螺旋工具电极示意图。

图2螺旋工具电极基体示意图。

图3集成式螺旋工具电极多电位电解铣磨加工示意图。

图4集成式螺旋工具电极多电位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、超硬磨料层；3、电绝缘隔层；4、惰性金属导电层；5、刀柄；6、刀身；7、刀杆；8、刀头；9、螺旋导流槽；10、工件；11、主电源；12、辅助电源；13、电解液；14、刀柄旋转方向；15、走刀路径；16、钝化膜。

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和图2所示，一种集成式螺旋工具电极，包括工具电极基体1、超硬磨料层2、电绝缘隔层3、惰性金属导电层4。工具电极基体1使用耐腐蚀性好的不锈钢材料，外形为一级阶梯圆柱体结构，大直径圆柱体部分称为刀柄5，小直径圆柱体部分称为刀身6。刀身6由刀杆7和与之同轴一体成型且直径相等的刀头8两部分组成。刀杆7同轴焊接在刀柄5的前端，且两者连接处的外圈加工有倒角。利用电镀或者化学镀，将金刚石或者立方氮化硼磨料和镍及镍合金金属结合剂共沉积于刀头8的前端侧壁外表面及端部表面，制备出超硬磨料层2。利用飞秒激光雕刻法或者离子束刻蚀法，在刀头8的侧壁外表面上从超硬磨料层2后端边缘处开始沿着右旋单线螺纹轨迹加工出螺旋导流槽9。所获螺旋导流槽9的螺旋升角为10°，截面形状为矩形，槽口宽度是槽间肋宽度的2.2倍，槽深度为刀头8直径的12.5%，且螺旋导流槽9与超硬磨料层2的分布长度之和等于刀头8的长度。利用磁控溅射技术，将氮化硅或者氮化硼镀覆于螺旋导流槽9的内部表面和刀杆7的外圆周面，制备出电绝缘隔层3。利用磁控溅射技术，将极难溶解于中性盐溶液的电化学惰性金属，如金、铂或者钛，外敷于电绝缘隔层3的表面，制备出惰性金属导电层4。

如图3所示，利用图1所示的集成式螺旋工具电极进行多电位电解铣磨加工，其方法主要包括以下步骤：

步骤1、将工件10水平装夹在机床工作台（图中未画出）上，把刀柄5装夹在与机床工作台（图中未画出）垂直的机床主轴（图中未画出）下端，利用机床精密运动控制系统（图中未画出）完成对刀，使工件10初始加工位置定位到超硬磨料层2的正下方；

步骤2、将刀柄5通过导电滑环（图中未画出）分别与主电源11和辅助电源12的负极相连，刀杆7外圆周面上的惰性金属导电层4通过碳刷（图中未画出）与辅助电源12的正极相连，同时工件10与主电源11的正极相连；

步骤3、打开主电源11和辅助电源12的开关，调节并设置主电源11和辅助电源12的工作参数，使工件10所带的正电位值大于惰性金属导电层4所带的正电位值，同时超硬磨料层2和刀头8侧壁上裸露的工具电极基体1所带的电位值均为0V，从而形成三种不同电位对应的电极，包括高电位电极（工件10）、中电位电极（惰性金属导电层4）、低电位电极（刀头8上的超硬磨料层2以及裸露的工具电极基体1）；

步骤4、将刀头8、工件10浸泡在电解液中，或者使用外置喷嘴（图中未画出）向工件10的被加工区喷淋电解液13，使步骤3中具有三种不同电位值的电极之间实现电导通，从而形成多电位电解铣磨加工的电化学反应模式；

步骤5、驱动刀柄5沿方向14做顺时针高速旋转运动，并按照预设的走刀路径15使刀头8上的超硬磨料层2相对于工件10做进给运动，此时，工件10被加工区材料在电化学阳极溶解和机械磨削的复合作用下被高度局域化地去除，加工副产物（图中未画出）借助于螺旋导流槽9高速旋转时产生的“螺杆泵效应”被快速地运离极间间隙，有效改善了不溶性电解产物（图中未画出）在工件10已加工表面的黏附现象，从而显著提高了加工效率及稳定性，同时低电位电极在加工位置附近的已加工区域辐射的电场，绝大部分被中电位电极吸引，而一小部分则被高电位电极的已加工表面吸引，并使之形成一层致密无孔且膜厚分布均匀的钝化膜16，有效增强了已加工表面的钝化效果，以保护其免受电解蚀除反应侵蚀，防止杂散电流腐蚀现象发生，显著提高后续走刀的加工精度及表面质量；

步骤6、当刀头8运动到设定轨迹的终点时，断开主电源11和辅助电源12，驱动刀头8上的超硬磨料层2退出加工区，卸下工件10和刀柄5并超声清洗，完成加工。

图4为采用集成式螺旋工具电极进行多电位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：工件10所带正电位值为30V（高电位电极），惰性金属导电层4所带正电位值为29V（中电位电极），刀头8上的超硬磨料层2以及裸露的工具电极基体1所带电位值均为0V（低电位电极），刀头8的外径为0.8mm，电解液13的电导率为10S/m，工件10和惰性金属导电层4的材质均为金属钛。

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位电极。从图4中可以看出，由于工件10所带正电位值大于惰性金属导电层4所带正电位值，所以不会产生从惰性金属导电层4流向工件10的电流，这样，即使工件10和惰性金属导电层4的材料完全一致，惰性金属导电层4表面也不会发生电化学阳极溶解反应。此外，由于刀头8侧壁裸露的工具电极基体1所带电位值最低，且惰性金属导电层4表面较工件10已加工表面到工具电极基体1表面的距离更近，致使从惰性金属导电层4表面流向工具电极基体1表面的电流更多更密集，而从工件10已加工表面流向工具电极基体1表面的电流则较少且稀疏。显然，基于这一电场分布特性，可根据工件10材料在电解液13中的电化学特性，通过合理设置各个电极的电位值，使工件10已加工表面的实际电流密度值低于工件10发生电化学阳极溶解所需的临界电流密度值。结果，工件10已加工表面在电场作用下生成一层致密无孔且膜厚分布均匀的钝化膜16，进而有效保护工件10已加工表面免受化学、流体、电场等作用的二次腐蚀。

本发明能获得更有效的杂散电流主动抑制效果，从而显著提高电解铣磨加工非晶合金及钛合金微小零件的加工效率、加工稳定性、加工精度及表面质量，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 (10)

1.一种集成式螺旋工具电极，包括设有刀柄（5）和刀身（6）的呈一级阶梯圆柱体结构特征的工具电极基体（1）、超硬磨料层（2）、电绝缘隔层（3）和惰性金属层（4）；所述的刀身（6）包括刀杆（7）和外周设有螺旋导流槽（9）的刀头（8）；所述的螺旋导流槽（9）的槽口宽度大于或者等于槽间肋宽度的两倍；所述的螺旋导流槽（9）为单线螺纹槽；所述的螺旋导流槽（9）螺旋升角小于15°；所述的螺旋导流槽（9）的内部表面和所述的刀杆（7）外圆周面上均涂覆有电绝缘隔层（3）；所述的电绝缘隔层（3）的表面镀覆有惰性金属层（4）；所述的螺旋导流槽（9）深度不超过所述的刀头（8）直径的30%；所述的螺旋导流槽（9）的横截面形状为弧形、矩形或者梯形。

2.根据权利要求1所述的一种集成式螺旋工具电极，其特征在于：所述的刀杆（7）与所述的刀头（8）同轴一体成型且直径相等。

3.根据权利要求1所述的一种集成式螺旋工具电极，其特征在于：所述的刀头（8）的前端侧壁外表面及端部表面上均固结有超硬磨料层（2）。

4.根据权利要求1所述的一种集成式螺旋工具电极，其特征在于：所述的超硬磨料层（2）与所述的螺旋导流槽（9）在刀头（8）侧壁上的分布长度之和等于所述的刀头（8）的总长度。

5.根据权利要求1所述的一种集成式螺旋工具电极，其特征在于：所述的刀杆（7）的直径小于刀柄（5）的直径，且刀杆（7）与刀柄（5）之间设置有倒角。

6.根据权利要求1所述的一种集成式螺旋工具电极，其特征在于：所述的电绝缘隔层（3）的材质为氮化硅或者氮化硼。

7.根据权利要求1所述的一种集成式螺旋工具电极，其特征在于：所述的惰性金属层（4）的材质为金、铂或者钛。

8.根据权利要求1所述的一种集成式螺旋工具电极，其特征在于：所述的工具电极基体（1）的材质为不锈钢。

9.一种多电位电解铣磨加工方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1、把工件（10）水平安装在机床工作台上，在工件（10）上方垂直设置刀柄（5），并将工件（10）初始加工位置定位到刀头（8）的正下方；

S2、把主电源（11）的正极与工件（10）相连，主电源（11）的负极与刀柄（5）相连，同时将辅助电源（12）的正极与刀杆（7）外圆周面上的惰性金属层（4）相连，辅助电源（12）的负极与刀柄（5）相连；

S3、开启并调节主电源（11）及辅助电源（12），使工具电极基体（1）的表面电位值为0V，同时工件（10）和惰性金属层（4）均为正电位、工件（4）的表面电位值高于惰性金属层（4）的表面电位值，且惰性金属层（4）的表面电位值介于工件（10）的表面电位值与工具电极基体（1）的表面电位值之间；

S4、将刀头（8）、工件（10）浸没于电解液（13）中，或者喷淋电解液（13）使工件（10）、惰性金属层（4）、超硬磨料层（2）以及刀头（8）的侧壁上裸露的工具电极基体（1）之间实现电导通；

S5、驱动刀柄（5）作高速旋转运动，并按照设定轨迹使刀头（8）相对于工件（10）运动，此时，刀头（8）上的超硬磨料层（2）沿着进给方向正对加工区进行加工，这样，被加工区的金属材料在电解-机械复合作用下被局域化溶解去除，加工副产物在螺旋导流槽（9）的导流与螺杆泵效应作用下被高效运离加工间隙，同时工件（10）的已加工表面在超硬磨料层（2）和刀头（8）侧壁上裸露的工具电极基体（1）所施加的电场作用下生成一层致密无孔且膜厚分布均匀的钝化膜（16）；

S6、当刀头（8）运动到设定轨迹的终点时，断开主电源（11）及辅助电源（12），驱动超硬磨料层（2）退出加工区，卸下工件（10）和刀柄（5）并清洗，完成加工。

10.根据权利要求9所述的一种多电位电解铣磨加工方法，其特征在于：所述的螺旋导流槽（9）的走向为右螺旋时，刀柄（5）作顺时针旋转；螺旋导流槽（9）的走向为左螺旋时，刀柄（5）的旋转方向为逆时针。

Images