CN112170995B - 微小金属流道内表面复合抛光用柔性线电极组件与方法 - Google Patents

微小金属流道内表面复合抛光用柔性线电极组件与方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种微小金属流道内表面复合抛光用柔性线电极组件与方法。其主要特征在于：微小金属流道内表面电化学机械复合抛光用柔性线电极为两根柔性丝螺旋缠绕而成，其中，一根为绝缘柔性丝，另一根为导电阴极丝，且绝缘柔性丝直径大于导电阴极丝，导电阴极丝位于绝缘柔性丝形成的螺旋沟槽内，使导电阴极丝与微小金属流道内表面不发生接触短路；抛光时，柔性线电极在微小金属流道里做往复运动，混有磨粒的电解液经增压泵从微小金属流道的一端流入，从另一端流出，利用电化学作用和高速运动磨粒的微切削作用对微小金属流道内表面进行电化学机械复合抛光。

Description

微小金属流道内表面复合抛光用柔性线电极组件与方法
技术领域
本发明属于金属流道内壁表面抛光技术领域，具体涉及一种微小金属流道内表面复合抛光用柔性线电极组件与方法。
背景技术
3D打印技术近年来取得了快速的发展，这种制造技术可以实现传统工艺难以或无法加工的复杂结构的制造，在航空航天等领域应用上具有极大的优势。结合3D打印技术对零件进行一体化设计制造，有效简化了生产工序，缩短了制造周期。但同时3D打印技术作为一种相对较新的制造技术，还存在着诸如成形件的成形精度有限，表面粗糙度相对较大等问题。对于微小金属流道工件，粗糙的表面会增加流体运动阻力，带来尺寸误差、多余物等一系列问题，因此需要对成形零件表面进行后续抛光处理。
采用3D打印加工的微小金属流道件，其管壁较薄，一般在3mm左右，内壁表面原始粗糙度较大，部分悬垂面可达1mm，流道直径较小，一般在5-10mm之间，且流道形状弯曲复杂，例如L形、U形、T形和阶梯形等流道形状。
目前最常见的抛光技术有传统机械抛光、化学抛光、磨料流抛光、电化学抛光等等。采用固结磨料或游离磨料的传统机械抛光技术的研究已经相当成熟并得到了广泛的应用，但其抛光效率较低、工序较多，尤其对于微小流道这种尺寸较小、深径比较大且曲面类零件加工困难；化学抛光设备简单、成本低、不受工件形状的限制，但存在加工精度难以控制、易产生有毒气体损害人体污染环境的问题；磨料流抛光效率较高，且由于流体的灵活性和仿形性，特别适用于交叉通道和异型曲面等，但磨料流在封闭流道内往复运动，加工产物无法排出，易导致加工好的表面二次损伤，且加工后的外观表面具有方向性纹理；电化学抛光不受加工材料的硬度和强度限制，且抛光过程没有接触力，因此不会在零件表面产生额外的残余应力，同时加工表面具有良好的耐腐蚀性和光洁度，但电解抛光表面必须预加工到比较低的粗糙度，否则很难获得高的抛光质量。
上述抛光工艺所存在的固有弊端使其很难对微小金属流道这类结构件进行抛光处理，而在电解液中混入游离磨粒，将电化学作用和机械作用结合起来，对于微小金属流道这类结构表面的抛光具有明显的优势，磨粒电化学复合抛光零件表面质量好，加工效率高，且不受材料的硬度和强度的限制。加工过程中，大部分材料由电化学作用去除，磨粒的微切削作用主要用来去除表面凸起区域的钝化膜。并且由于磨粒是混在电解液中的，不管多么复杂的结构表面，都可以轻易到达普通工具无法接触的地方，对表面进行抛光处理，在复杂构件表面抛光的可达性方面优势明显。
但目前针对此工艺方法和工件结构的研究还相对较少，没有较为理想的电极形式可以直接应用在微小金属流道这类管壁较薄、内径较小、形状弯曲复杂的结构件表面的电化学机械复合抛光中。
发明内容
针对微小金属流道内表面的电化学机械复合抛光，提供一种微小金属流道内表面复合抛光用柔性线电极组件与方法。
该柔性线电极由一根导电阴极丝和一根绝缘柔性丝相互螺旋缠绕而成，可随微小金属流道形状任意弯曲；导电阴极丝为柔性金属丝，绝缘柔性丝为PVC软丝；绝缘柔性丝的直径大于导电阴极丝的直径，导电阴极丝位于绝缘柔性丝形成的螺旋沟槽内，有效避免了导电阴极丝与微小金属流道内表面直接接触，防止短路；绝缘柔性丝与导电阴极丝可根据待抛光流道的粗糙度调整两者的直径比，当待抛光流道粗糙度较大时采用大直径比，反之，当待抛光流道粗糙度较小时采用小直径比。
电化学机械复合抛光用组件，包括柔性线电极和电极夹持装置。其中电极夹持装置包括依次连接的管道接头、往复环和基座；其中管道接头用于连接输送磨粒电解液的高压管；基座用于固定于夹具上；其中管道接头内还安装有夹持环；夹持环开设有中心夹持孔用来夹持柔性线电极，还开设有磨粒电解液流入孔；管道接头与夹持环之间通过楔形结构配合使夹持环的夹持孔夹紧柔性线电极第一端；管道接头、夹持环和往复环在外部运动机构的带动下做相对于基座的轴向往复运动。
利用所述线电极系统的微小金属流道内表面电化学机械复合抛光方法，其特征在于包括以下过程：用电极夹持装置夹持住柔性线电极；导电阴极丝接电源负极，微小金属流道接电源正极；上述柔性线电极随夹持环做往复运动，且其往复运动幅度大小与导电阴极丝的螺距相等，使微小金属流道内表面各处的电流密度和电荷转移量在宏观上保持动态一致；混有磨粒的电解液经增压泵、高压管和夹持环的磨粒电解液流入孔注入微小金属流道，高速运动的磨粒刮擦去除微小金属流道内表面凸起处的钝化膜，实现对微小金属流道内表面的整平。
柔性线电极随电极夹持环做往复运动，且其往复运动幅度大小与导电阴极丝的螺距相等，使微小金属流道内表面各处的电流密度和电荷转移量在宏观上保持动态一致，有效避免了微小金属流道内表面发生过抛或欠抛现象。
采用钝化型电解液，使微小金属流道内表面形成一层钝化膜，混有磨粒的电解液经增压泵、高压管和夹持环的磨粒电解液流入孔注入微小金属流道，高速运动的磨粒刮擦去除微小金属流道内表面凸起处的钝化膜，实现对微小金属流道内表面的整平。
本发明的有益效果在于：
1、本发明提出的微小金属流道内表面电化学机械复合抛光用柔性线电极是由一根导电阴极丝和一根绝缘柔性丝相互螺旋缠绕而成，具有良好的仿形功能，可随微小金属流道形状任意弯曲，满足不同的弯曲复杂流道结构。
2、抛光过程中，具有一定压力的磨料电解液流在微小金属流道中对柔性线电极有一定的约束力，使柔性线电极位于中心轴线附近，且柔性线电极做往复运动，其往复幅度大小与导电阴极丝螺距相等，使微小金属流道内表面各处的电流密度和电荷转移量在宏观上保持动态一致。
3、绝缘柔性丝的直径大于导电阴极丝的直径，且两者的直径可调，导电阴极丝位于绝缘柔性丝形成的螺旋沟槽内，且两者位于流道中心轴线附近，避免了导电阴极丝与流道内表面直接接触发生短路。
附图说明
图1为微小金属流道内表面电化学机械复合抛光用柔性线电极示意图；
图2为微小金属流道内表面电化学机械复合抛光装置示意图；
图3为柔性线电极夹持装置示意图；
图4为微小金属流道内表面电化学机械复合抛光过程示意图；
其标号名称分别为：1、柔性线电极，2、导电阴极丝，3、绝缘柔性丝，4、微小金属流道，5、电解液，6、电极夹持装置，7、电源，8、夹具，9、磨粒，10、钝化膜，11、管道接头，12、夹持环，13、往复环，14、基座，15磨粒电解液流入孔。
具体实施方式
下面以流道内径5mm，壁厚3mm的U形金属流道作为待抛光工件为例，结合附图对本发明中的技术方案进行清楚、完整的描述。
根据图1所示，微小金属流道内表面电化学机械复合抛光用柔性线电极1是由一根导电阴极丝2和一根绝缘柔性丝3相互螺旋缠绕而成，可随微小金属流道4形状任意弯曲，绝缘柔性丝3的直径大于导电阴极丝2的直径，绝缘柔性丝3为0.8mm的PVC软丝，导电阴极丝2为0.2mm的钨丝，从而导电阴极丝2位于绝缘柔性丝3形成的螺旋沟槽内，使导电阴极丝2与微小金属流道4内表面不发生接触短路，导电阴极丝2和绝缘柔性丝3的直径和螺距可根据实际需要进行调整。
根据图2所示，抛光时，微小金属流道4通过夹具8固定于试验平台上，柔性线电极1穿过微小金属流道4，一端固定于电极夹持装置6上，另一端为自由端，微小金属流道4作为工件接电源7正极，柔性线电极1接电源7负极，混有磨粒9的电解液5经增压泵后以一定的压力经高压管和电极夹持装置6注入微小金属流道4中，电解液5对柔性线电极1的约束力使得柔性线电极1位于微小金属流道4中心轴线附近。
根据图3所示，电极夹持装置6包括管道接头11、夹持环12、往复环13和基座14四部分。基座14通过螺钉固定于夹具8上，管道接头11连接输送电解液5和磨粒9的高压管，夹持环12开有四个大小相同的通孔，电解液5和磨粒9经此流过，中间小孔用来夹持柔性线电极1。管道接头11与夹持环12之间为楔形结构接触，管道接头11与往复环13为螺纹连接，拧动管道接头11，使其向右运动，管道接头11给夹紧环12以一定压力，使夹持环12中间的小孔夹紧柔性线电极1第一端。管道接头11、夹持环12和往复环13通过螺纹固定在一起，在外部往复运动机构的作用下做往复运动，从而带动柔性线电极1在微小金属流道4中做往复运动，控制往复运动机构，使其往复运动幅度大小与柔性线电极1的螺距保持一致。
根据图4所示，微小金属流道4内表面在钝化型电解液和所施加的钝化区电压作用下，生成一层钝化膜10，流道表面凸起处钝化膜较薄，表面凹陷处钝化膜较厚，钝化膜10相对基体较软，电解液5中的磨粒9以一定速度刮擦微小金属流道4内表面，凸起处的钝化膜被去除，使基体材料裸露出来，随后生成新的钝化膜10，生成钝化膜和磨粒刮除凸起处的钝化膜这两个过程周而复始的交替进行，直到将微小金属流道4内表面抛光平整。

Claims (2)

1.一种微小金属流道内表面复合抛光用柔性线电极组件，其特征在于：
包括柔性线电极和电极夹持装置（6）；
上述柔性线电极（1）由一根导电阴极丝（2）和一根绝缘柔性丝（3）相互螺旋缠绕而成，可随微小金属流道（4）形状任意弯曲；绝缘柔性丝（3）的直径大于导电阴极丝（2）的直径，导电阴极丝（2）位于绝缘柔性丝（3）形成的螺旋沟槽内；其中导电阴极丝（2）为柔性金属丝；绝缘柔性丝（3）为非导电材料软丝；
上述电极夹持装置（6）包括依次连接的管道接头（11）、往复环（13）和基座（14）；其中管道接头（11）用于连接输送磨粒电解液的高压管；基座（14）用于固定于夹具（8）上；其中管道接头（11）内还安装有夹持环（12）；夹持环（12）开设有中心夹持孔，还开设有磨粒电解液流入孔（15）；管道接头（11）与夹持环（12）之间通过楔形结构配合使夹持环（12）的夹持孔夹紧柔性线电极（1）第一端；管道接头（11）、往复环（13）和夹持环（12）可做相对于基座（14）的轴向往复运动。
2.利用权利要求1所述微小金属流道内表面复合抛光用柔性线电极组件的微小金属流道内表面电化学机械复合抛光方法，其特征在于包括以下过程：
用电极夹持装置（6）夹持住柔性线电极（1）；
导电阴极丝（2）接电源（7）负极，微小金属流道（4）接电源（7）正极；
上述柔性线电极（1）随夹持环（12）做往复运动，且其往复运动幅度大小与导电阴极丝（2）的螺距相等，使微小金属流道（4）内表面各处的电流密度和电荷转移量在宏观上保持动态一致；
混有磨粒（9）的电解液（5）经增压泵、高压管和夹持环（12）的磨粒电解液流入孔（15）注入微小金属流道（4），高速运动的磨粒（9）刮擦去除微小金属流道（4）内表面凸起处的钝化膜（10），实现对微小金属流道（4）内表面的整平。
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