CN112372097A - 一种变径孔的加工方法及其加工装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于特种精密机械加工领域，并具体公开了一种变径孔的加工方法及其加工装置。该加工方法具体包括：利用电化学射流对金属材料进行加工，以此完成垂直孔加工；建立加工参数与加工形貌的参数化模型，以获得变径孔的加工工艺参数，根据工艺参数调节施加在金属针管上的电压，并根据该工艺参数控制加工时间和金属针管进给速度，从而对垂直孔的内壁进行加工，进而通过电化学射流制得变径孔。本发明提供的加工方法将变径孔加工分为垂直孔加工和内壁加工两个步骤，并且在内壁加工过程中根据实验结果构建了加工参数与加工形貌的参数化模型，进而根据加工形貌反向计算得到最优的工艺参数，可以节约大量的求解时间，同时能够有效提高加工准确性。

Description

一种变径孔的加工方法及其加工装置

技术领域

本发明属于特种精密机械加工领域，更具体地，涉及一种变径孔的加工方法及其加工装置。

背景技术

变径孔指在不同位置处截面尺寸发生变化的通孔或盲孔，该变径孔从入口处到出口处的截面尺寸发生连续或者间断的变化。在航空航天和发动机燃油喷嘴等领域上，变径孔可以改变喷嘴内流体运动轨迹，提高喷嘴性能，故广泛应用在各种喷嘴上。

对于直径较小、深径比较大的变径孔，使用切削加工的方法进行加工时，刀具容易失稳，难以加工变径孔。李兆龙等人在论文《极脉冲电解加工变径孔研究》中利用管电极对通孔进行电解加工，研究了工艺参数对加工过程的独立影响，给出了加工过程具体建模方法和参数优化方法。于立秋等人在论文《变参数微细电解加工变径孔的实验研究》中首先对加工过程物理模型进行建模，并使用有限元仿真方法进行求解，实现了变径孔的加工。但是采用上述方法得到的加工结果与实际差距仍较大，并且电解加工本身是一个复杂过程，从物理模型出发建立加工模型，需要对加工过程进行大量假设以简化模型，这会导致模型的准确性较差。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种变径孔的加工方法及其加工装置，其中该加工方法将变径孔加工分为垂直孔加工和内壁加工两个步骤，并且在内壁加工过程中根据实验结果构建了加工参数与加工形貌的参数化模型，进而根据加工形貌反向计算得到最优的工艺参数，相对于有限元计算可以节约大量的求解时间，同时能够有效提高加工准确性。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种变径孔的加工方法，该方法具体包括如下步骤：

S1将电解液从金属针管的内壁射出，利用电化学射流对金属材料进行加工，以此完成垂直孔加工；

S2建立加工参数与加工形貌的参数化模型，以获得变径孔的加工工艺参数，具体包括如下子步骤：

S21利用公式(1)建立工艺参数x_i与待加工形貌y的关系：

式中，β₀、β_i、β_ij为各工艺参数的特征参数，x_j为工艺参数；

S22根据前期实验数据，对步骤S21中的特征参数β₀、β_i、β_ij进行权重添加，获得特征参数的表达式Q(β)如公式(2)所示：

式中，w_i为权重值；

S23对Q(β)进行微分，并利用公式(3)计算最优特征参数，并将其代入公式(1)中获得加工参数与加工形貌的参数化模型，输入待加工形貌即可获得变径孔的加工工艺参数；

S3根据步骤S2获得的工艺参数调节施加在所述金属针管上的电压，并根据该工艺参数控制加工时间和金属针管进给速度，从而对所述垂直孔的内壁进行加工，以此通过电化学射流制得所述变径孔。

作为进一步优选地，步骤S1中，将激光与电解液同轴射出，从而利用激光与电化学射流复合作用进行垂直孔加工。

作为进一步优选地，步骤S1中，对所述金属针管的侧壁进行整体绝缘处理，使得所述金属针管的底面为有效加工面。

作为进一步优选地，步骤S1中，对所述金属针管的侧壁进行间断绝缘处理。

按照本发明的另一方面，提供了一种利用上述方法加工变径孔的装置，该装置包括实验平台模块、XY轴运动模块、工件装夹模块、Z轴运动模块和激光射流喷头模块，其中：

所述实验平台模块包括光学平台以及固定在所述光学平台上的框架龙门；

所述XY轴运动模块固定在所述光学平台上，所述工件装夹模块固定在所述XY轴运动模块上，用于装夹待加工工件，并在所述XY轴运动模块的带动下沿XY轴方向移动；

所述Z轴运动模块固定在所述框架龙门上，所述激光射流喷头模块与所述Z轴运动模块连接，从而在所述Z轴运动模块的带动下沿Z轴方向移动，以利用电化学射流加工变径孔。

作为进一步优选地，变径孔的加工装置还包括激光与光路控制模块，其包括反射镜和激光器，所述反射镜固定在所述激光射流喷头模块的上方，所述激光器设置在所述反射镜的一侧，用于发射激光光路；工作时，所述激光光路经过所述反射镜反射后进入所述激光射流喷头模块，以利用激光加工变径孔。

作为进一步优选地，所述激光射流喷头模块包括Z轴扩展板、激光射流喷头夹具和激光射流喷头，所述Z轴扩展板用于与所述Z轴运动模块连接；所述激光射流喷头夹具与所述Z轴扩展板连接，用于固定所述激光射流喷头；所述中的激光射流喷头包括顶盖组件、筒身组件和喷嘴组件，其中所述顶盖组件包括透光片和顶盖，所述透光片通过所述顶盖进行固定，以保证所述激光光路进入所述激光射流喷头；所述筒身组件包括筒身和供液管接头，所述筒身内部中空，并且其侧壁上开设有螺纹孔，用于与所述供液管接头连接以输入电解液；所述喷嘴组件包括底盖、针筒和金属针管，所述底盖与所述针筒连接，所述金属针管设置在所述针筒的内部，进而实现电解液喷射功能。

作为进一步优选地，所述工件装夹模块包括电解液槽和压板，所述电解液槽固定在所述XY轴运动模块的上方，所述电解液槽的中间设置有凸台，并通过所述压板将待加工工件进行固定，从而实现工件的装夹。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明提出了一种变径孔的加工方法，该方法将变径孔加工分为垂直孔加工和内壁加工两个步骤，并且在内壁加工过程中根据实验结果构建了加工参数与加工形貌的参数化模型，进而根据加工形貌反向计算得到最优的工艺参数，相对于有限元计算可以节约大量的求解时间，同时能够有效提高加工准确性；

2.尤其是，本发明为了提高电化学射流加工的定域性，将激光与电解液同轴射出，从而利用激光与电化学射流复合作用进行垂直孔加工，相对于单独的电化学射流加工过程，能够有效利用激光的高定向性，提高变径孔的加工精度，提高加工效率；

3.此外，本发明通过对金属针管的侧壁进行整体绝缘处理或间断绝缘处理，能够减少电流对金属针管的腐蚀。

附图说明

图1是按照本发明优选实施例构建的变孔径的加工装置的模块划分图；

图2是图1中变孔径的加工装置的轴测视图；

图3是实验平台模块的轴测视图；

图4是XY轴运动模块的轴测视图；

图5是Z轴运动模块的轴测视图；

图6是激光射流喷头模块的轴测视图；

图7是工件装夹模块的轴测视图；

图8是激光与光路控制模块的轴测视图；

图9是激光射流喷头的轴测视图；

图10是激光射流喷头的主视图和区域划分图；

图11是激光射流喷头的俯视图；

图12是激光射流喷头的底视图；

图13是沿图12中A-A线的截面剖视图；

图14是本发明优选实施例中变径孔的加工边界条件示意图；

图15是本发明优选实施例中弧形变径孔的加工仿真结果，其中(a)为36V单正弦电压加工后侧壁形貌，(b)为72V单正弦电压加工后侧壁形貌，(c)为36V单正弦电压随时间变化曲线，(d)为72V单正弦电压随时间变化曲线，(e)为单正弦电压加工侧壁形貌示意图；

图16是本发明优选实施例中梯形变径孔的加工仿真结果，其中(a)为36V双正弦电压加工后侧壁形貌，(b)为72V双正弦电压加工后侧壁形貌，(c)为36V双正弦电压随时间变化曲线，(d)为72V峰值双正弦电压随时间变化曲线，(e)为双正弦电压加工侧壁形貌示意图；

图17是本发明优选实施例提供的变径孔加工的工艺优化方法流程图；

图18是本发明优选实施例中进行间断绝缘处理的金属针管的结构示意图；

图19是加工形貌三维扫描轮廓图；

图20是加工形貌参数定义图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-实验平台模块；2-XY轴运动模块；3-Z轴运动模块；4-激光射流喷头模块；5-工件装夹模块；6-激光与光路控制模块；11-光学平台；12-框架龙门；21-X轴位移平台；22-Y轴位移平台；211-X轴步进电机；212-X轴定滑台；213-X轴动滑台；221-Y轴步进电机；222-Y轴定滑台；223-Y轴动滑台；31-Z轴位移平台；311-Z轴步进电机；312-Z轴定滑台；313-Z轴动滑台；41-Z轴扩展板；42-激光射流喷头夹具；43-激光射流喷头；431-顶盖组件；432-筒身组件；433-喷嘴组件；4311-顶盖；4312-顶盖螺钉；4313-顶盖密封圈；4314-透光片；4321-筒身；4322-供液管接头；4331-底盖；4332-底盖夹具；4333-针筒；4334-底盖螺钉；4335-金属针管；4336-底盖密封圈；51-电解液槽；52-压板；53-待加工工件；61-激光器；62-反射镜；63-激光光路；140-对称轴；141-针管内壁边界；142-针管底面边界；143-针管外壁边界；144-孔内壁边界。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明实施例提供了一种变径孔的加工方法，该方法具体包括如下步骤：

S1首先针对垂直孔加工，区别于传统射流电解加工，本发明使用细长管电极4335金属针管，电解液射流通过金属针管内壁射出，利用电化学腐蚀作用对待加工材料进行加工；垂直孔加工时，通过金属针管沉入孔中，可以实现大深径比孔的加工；同使本发明在实现垂直孔加工时，除了单独电化学射流加工，还使用激光器使激光与射流同轴射出，利用激光的热效应和激光对材料的蚀刻作用进行加工，相比于传统射流电解加工，可以提高电化学加工的效率，并提高加工的深径比；

S2建立加工参数与加工形貌的参数化模型，以获得变径孔的加工工艺参数，具体包括如下子步骤：

S21利用公式(1)建立工艺参数x_i与待加工形貌y的关系：

式中，β₀、β_i、β_ij为各工艺参数的特征参数，x_i为工艺参数，如加工时间、进给速度、加工电压等，待加工形貌包括侧壁直径、侧壁锥度等；

S22由于实验结果存在偏差，为了降低实验过程离散点对拟合结果影响，对实验结果数据进行0-1的权重添加，对于较好的实验点，权重值越接近于1，对于离群点，权重接近于0，权重值记为w，根据前期实验数据，对步骤S21中的特征参数β₀、β_i、β_ij进行权重添加，获得特征参数的表达式Q(β)如公式(2)所示：

式中，w_i为权重值；

S23对Q(β)进行微分，并利用公式(3)计算最优特征参数，并将其代入公式(1)中获得加工参数与加工形貌的参数化模型，输入待加工形貌即可获得变径孔的加工工艺参数；

S3针管内壁边界141和针管底面边界142暴露在电解液中，金属针管可以固定不动或以一定速率单向或往复运动，利用针管内壁边界141、针管底面边界142与孔内壁144之间的电压差，通过电解质溶液传导电流，实现对孔内壁144的阳极电解加工，根据步骤S2获得的工艺参数调节施加在金属针管上的电压，并根据该工艺参数控制加工时间和金属针管进给速度，从而对垂直孔的内壁进行加工，通过改变金属针管进给速率、往复加工次数、电压大小、电压随时间变化规律、金属针管直径等工艺参数，可以获得不同形貌的孔内壁，进而制得变径孔。

进一步，步骤S1中，对金属针管的侧壁进行整体绝缘处理，使得金属针管的底面为有效加工面，减少对侧壁的腐蚀作用，提高垂直孔侧壁的垂直度。优选地，为了提高加工效率，如图18所示，对金属针管的侧壁进行间断绝缘处理，使得绝缘层间隔一定距离后断开，裸露内层的金属针管。加工时，非绝缘层可对侧壁进行加工，提高加工效率。相比于传统针头不作绝缘处理时，减轻了加工时对侧壁的过切效应；相比于侧壁完全绝缘，间断绝缘可对侧壁进行批量加工，提高变截面孔加工效率。

按照本发明的一个优选实施例，工艺参数选择x₁为加工电压、x₂为加工时间，以其为例建立加工参数与加工形貌的参数化模型，以获得变径孔的加工工艺参数，具体包括：

S21利用公式(4)建立工艺参数x_i与待加工形貌y的关系，

y＝β₀+β₁x₁+β₂x₂+β₃x₁x₂ (4)

式中，β₀、β₁、β₂、β₃为各工艺参数的特征参数；

S22由于实验结果存在偏差，为了降低实验过程离散点对拟合结果影响，对实验结果数据进行0-1的权重添加，对于较好的实验点，权重值越接近于1，对于离群点，权重接近于0，权重值记为w，根据前期实验数据，对步骤S21中的特征参数β₀、β₁、β₂、β₃进行权重添加，获得特征参数的表达式Q(β)如公式(5)所示：

式中，w_i为权重值；

S23问题转化为求解误差权重和最小时的参数β值：

显然，Q(β₀,β₁,β₂,β₃)≥0，且关于β₀、β₁、β₂、β₃可微，则：

整理后写成矩阵形式，得：

利用公式(8)计算最优特征参数，并将其代入公式(5)中获得加工参数与加工形貌的参数化模型，输入待加工形貌即可获得变径孔的加工工艺参数。

如图1-2所示，按照本发明的另一方面，提供了一种利用上述方法加工变径孔的装置，该装置包括实验平台模块1、XY轴运动模块2、工件装夹模块5、Z轴运动模块3和激光射流喷头模块4，其中：

如图3所示，实验平台模块1包括光学平台11以及固定在光学平台11上的框架龙门12，光学平台11为一块表面平整的金属平台，上表面均布有等间距的螺钉孔，用于和其他模块连接和固定；框架龙门12由多根铝型材通过螺栓连接而成，其中一端和光学平台11通过螺钉进行连接；

XY轴运动模块2固定在光学平台11上，工件装夹模块5固定在XY轴运动模块2上，用于装夹待加工工件，并在XY轴运动模块2的带动下沿XY轴方向移动；

如图4所示，XY轴运动模块2包括X轴位移平台21、Y轴位移平台22，X轴位移平台21包括X轴步进电机211、X轴定滑台212、X轴动滑台213；X轴步进电机211通过螺栓固定在X轴定滑台212上，X轴定滑台212上安装有导轨、丝杆和滑块，X轴步进电机211通过联轴器与丝杆连接，丝杆上安装有滑块，滑块与X轴动滑台213通过螺钉连接，当X轴步进电机211旋转运动时，带动X轴动滑台213进行沿导轨方向的位移；X轴动滑台213表面有若干螺钉孔，用于和其他模块连接使用；

Y轴位移平台22包括Y轴步进电机221、Y轴定滑台222、Y轴动滑台223；Y轴步进电机221通过螺栓固定在Y轴定滑台222上，Y轴定滑台222上安装有导轨、丝杆和滑块，Y轴步进电机221通过联轴器与丝杆连接，丝杆上安装有滑块，滑块与Y轴动滑台223通过螺钉连接，当Y轴步进电机221旋转运动时，带动Y轴动滑台223进行沿导轨方向的位移；Y轴动滑台223表面有若干螺钉孔，用于和其他模块连接使用；其中，Y轴定滑台222通过螺钉固定在X轴动滑台213上，由此可以实现沿着X轴和Y轴两个方向的运动；

如图7所示，工件装夹模块5包括电解液槽51和压板52，电解液槽51通过螺钉固定在Y轴动滑台223上，电解液槽51的中间设置有凸台，凸台略低于槽边缘，凸台中心有若干均布的螺钉孔；待加工工件53放置在电解液槽中间的凸台上，压板52将待加工工件53压住，然后压板52通过螺钉固定在电解液槽51上，实现工件的装夹；

Z轴运动模块3固定在框架龙门12上，激光射流喷头模块4与Z轴运动模块3连接，从而在Z轴运动模块3的带动下沿Z轴方向移动，以利用电化学射流加工变径孔；

如图5所示，Z轴运动模块3包括Z轴位移平台31，Z轴位移平台31包括Z轴步进电机311、Z轴定滑台312、Z轴动滑台313；Z轴步进电机311通过螺栓固定在Z轴定滑台312上，Z轴定滑台312上安装有导轨、丝杆和滑块，Z轴步进电机311通过联轴器与丝杆连接，丝杆上安装有滑块，滑块与Z轴动滑台312通过螺钉连接，当Z轴步进电机311旋转运动时，带动Z轴动滑台313进行沿导轨方向的位移；Z轴动滑台表面有若干螺钉孔，用于和其他模块连接使用；Z轴定滑台312通过螺钉固定在框架龙门12上，可以实现Z轴动滑台313沿着竖直方向的运动，配合X轴位移平台和Y轴运动平台，三个位移平台可以实现沿着XYZ三轴的运动；

如图6、9-13所示，激光射流喷头模块4包括Z轴扩展板41、激光射流喷头夹具42和激光射流喷头43，Z轴扩展板41用于与Z轴动滑台313连接；激光射流喷头夹具42与Z轴扩展板41连接，用于固定激光射流喷头43；激光射流喷头43包括顶盖组件431、筒身组件432和喷嘴组件433，各组件之间通过螺栓进行连接，需要密封的位置处设有密封圈或密封垫片，螺纹处涂抹密封胶；其中顶盖组件431包括透光片4314和顶盖4311，透光片4314通过顶盖4311进行固定，以保证激光光路进入激光射流喷头43；筒身组件432包括筒身4321和供液管接头4322，筒身4321内部中空，并且其侧壁上开设有螺纹孔，用于与供液管接头4322连接以输入电解液；喷嘴组件433包括底盖4331、针筒4333和金属针管4335，底盖4331与针筒4333连接，金属针管4335设置在针筒4333的内部，进而实现电解液喷射功能。

进一步，如图8所示，变径孔的加工装置还包括激光与光路控制模块6，其包括反射镜62和激光器61，反射镜62固定在激光射流喷头模块4的上方，激光器61设置在反射镜62的一侧，用于发射激光光路63；工作时，激光光路63经过反射镜62反射后进入激光射流喷头模块4，以利用激光加工变径孔。

进一步，透光片4314上下各有一片顶盖密封圈4313，并且与筒身4321顶部的凹槽配合，安装在凹槽内部，筒身顶部安装顶盖4311，顶盖4311通过顶盖螺钉4312固定在筒身4321上；通过顶盖螺钉4312的压力，使得顶盖密封圈4313可以与透光片4314紧密金接触，防止电解液泄露；金属针管4335与针筒4333通过注塑的方式结合在一起，通过改变金属针管4335的内外径，可以实现不同尺寸的加工；针筒4333内壁和底盖4331连接，中间放置底盖密封圈4336，针筒4333外壁和底盖夹具4332接触，在底盖螺钉4334的固定下，与筒身4321连接；在底盖螺钉4334的压力下，底盖密封圈4336和底盖密封垫片起到密封作用，防止电解液泄露。

如图14所示，使用时，该激光射流喷头与数控机床相连，控制其位移，顶部为激光入射处；电解液通过供液管接头4322输入筒身4321内部，与激光混合；两者通过金属针管4335射出，金属针管4335下方为待加工工件的待加工区域，通过激光的局部烧蚀和热效应，改善电解液加工的精度和效率。加工时，金属针管4335可以固定不动或以一定速率单向或往复运动，利用针管内壁边界141、针管底面边界142与孔内壁之间的电压差，通过电解质溶液传导电流，实现对孔内壁的阳极电解加工。通过改变不同工艺参数，可加工出不同形貌的孔内壁。

本发明提供的变径孔的加工装置可以实现多种方式的加工：电化学射流独立加工、激光独立加工、激光与电化学射流同时加工、激光与电化学分时独立加工、激光致热强化电化学加工等。

变径孔的加工装置在电化学射流独立加工状态时，通过XY轴运动模块2和Z轴运动模块3带动激光射流喷头模块4移动，控制金属针管4335与待加工工件53之间的距离。同时使用外部电源，将电源正极与工件连接，负极与金属针管4335连接，即可实现待加工工件53的电化学射流加工。通过改变电源电压、电源脉冲占空比和频率、金属针管4335直径和电解液浓度等参数，即可实现加工工艺的调整，从而实现对工件的电化学射流复杂加工。

变径孔的加工装置在激光独立加工状态时，激光通过激光与光路控制模块6输出，通过激光射流喷头模块4直接照射在待加工工件53上，通过改变激光功率、光斑直径和脉冲频率，即可实现对工件53的激光独立加工。

变径孔的加工装置在激光和电化学射流同时加工状态时，激光射流喷头模块4喷射出电解液至工件53表面，同时，激光与光路控制模块6输出的激光通过激光射流喷头模块4，在金属针管4335处与电解液射流同轴射出。激光和电解液同时撞击在待加工工件53表面，高功率激光使待加工工件53表面气化，以达到加工目的，同时电解液射流一方面降低工件非加工区域额温度，减小重铸层，另一方面通过电化学加工，改善工件表面的质量。

变径孔的加工装置在激光和电化学射流分时加工状态时，激光加工和电化学射流加工按照一定顺序先后加工。激光首先通过金属针管4335射出，此时金属针管4335不施加电压，对材料无加工效果，通过激光对材料进行烧蚀加工。激光加工一定脉冲数量或一定加工时间后，对金属针管4335施加电压，此时关闭激光输出，利用电化学射流对待加工工件53进行加工。如此循环既可实现激光和电化学射流交替加工，改善激光加工质量，提高加工精度。

变径孔的加工装置在激光致热强化电化学加工时，激光和电化学射流同时同轴加工，但此时激光功率较低，无法实现对工件的烧蚀，此时激光的加工效果以热效应为主。激光的照射使得待加工工件53表面的待加工区域局部温度升高，降低材料的化学反应活化能，同时，由于热传导，电解液在该处局部温度提高，电解液电导率随之提高，促进局部电化学加工效果。

本发明提供的变径孔的加工装置可以将激光加工和电化学射流加工在同一台设备上一次装夹完成，减少装夹次数，提高生产效率。激光加工和电化学射流加工两种加工方式可以同时同轴进行，也可以进行单一种类加工方式的加工，可在激光加工完成后再进行电化学射流加工，也可以在电化学加工完成后进行激光加工，提高了生产的自由度，在一台设备上实现了多种工艺复合加工。本发明可以通过更换和调整激光器和激光光路，实现不同种类激光对材料的加工，模块化设计，易于扩展和调整。通过改变电极进给速率、往复加工次数、电压大小、电压随时间变化规律、电极直径等工艺参数，可以实现对通孔或盲孔内部的复杂加工。

本发明提供的变径孔的加工装置集多种加工方式为一体，可以实现电化学射流独立加工、激光独立加工、激光与电化学射流同时加工、激光与电化学分时独立加工以及激光致热强化电化学加工，提高了加工效率和加工自由度。

进一步，激光器61采用波长为1064nm的Nd-YAG激光器，通过Q开关可以实现连续和脉冲激光输出的切换。待加工工件的材料为TC4合金，电解液为NaCl溶液、NaNO₃溶液或两者的混合溶液。透光片采用可以通过1064nm的加工激光和532nm的定位红光的玻璃片。金属针管4335根据实际需要可以采用14G(内径1.55mm，外径1.8mm)～34G(内径0.06mm，外径0.25mm)的针管。

如图17所示，为了实现加工参数的智能优化，首先进行加工实验和仿真实验。首先在加工实验中，针对某种材料，设计正交试验，并测量加工后工件形貌，提取描绘工件形貌的关键特征参数，降低数据量和维数。同时通过计算或实验得到有限元仿真参数，使用有限元分析软件对加工过程进行仿真。通过工件形貌数据，对仿真参数和仿真模型进行改进，保存优化改进后的仿真数据，并建立加工过程与仿真模型的双向数学模型。为了优化工艺参数，利用已经建立的加工过程数学模型，输入工艺参数，即可得到加工形貌的仿真结果，根据仿真数据即可对加工工艺参数继续进行优化改进，直到结果达到预期要求。为了简化工艺参数的优化过程，根据加工过程双向数学数学模型，输入期望加工后形貌数据，根据历史加工数据，通过智能优化算法，计算得到加工工艺参数，可以省去利用有限元方法，通过工艺参数得到加工形貌后，再对参数进行改进的正向参数优化。通过大量的加工数据积累，模型的准确性会随之提高，反求得到的加工参数也会更加准确。

针对图15中(e)图所示的圆弧变径内壁的加工，在针管内壁边界141和针管底面边界142分别施加图15中(c)和(d)所示的时变电压，即可加工出如图15中(a)和(b)所示的圆弧形貌。其中加工结果使用有限元计算软件进行仿真，针管底面边界下降速度为0.1mm/s，图15中(c)的电压为正弦信号，电压最小值为0V，最大值36V，加工时长20s；图15中(d)的电压为正弦信号，电压最小值为0V，最大值72V，加工时长20s。从加工结果中可以看到随着电压的加大，孔内壁144加工量变大，圆弧弧度增加。

针对图16中(e)图所示的梯形变径内壁的加工，在针管内壁边界141和针管底面边界142分别施加图16中(c)和(d)所示的时变电压，即可加工出如图16中(a)和(b)所示的圆弧形貌。其中加工结果使用有限元计算软件进行仿真，针管底面边界下降速度为0.1mm/s，图16中(c)的电压为正弦信号，电压最小值为0V，最大值36V，加工时长20s；图16中(d)的电压为正弦信号，电压最小值为0V，最大值72V，加工时长20s。从加工结果中可以看到随着电压的加大，孔内壁144加工量变大，由于加工电压为两个正弦脉冲，加工出的侧壁中心部位的壁面更加平直，可以实现近似梯形截面的加工。

下面根据具体实施例对本发明提供的技术方案进行具体描述。

如图19、20所示，以TC4钛合金为例，为了控制电化学射流加工后材料形貌，首先设计实验：研究金属针管加工间隙G和加工时间T对加工形貌(深度D、入口半径R0、1/D半径R1、1/2D半径R2、3/4D半径R3)的影响，设计正交试验如表1所示。

表1正交试验设计表和实验结果

利用本发明提供算法得到加工参数与加工深度之间满足如下关系：

D＝0.926-2.273G+0.389T-0.046GT+1.896G²-0.025T²

加工参数与加工半径满足如下关系：

R＝1.883-2.802G+0.119T+2.477G²

至此建立TC电化学射流加工数学模型。输入加工参数，即可得到加工形貌数据。也可以通过对加工形貌的约束，求出加工参数。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种变径孔的加工方法，其特征在于，该加工方法具体包括如下步骤：

S1将电解液从金属针管的内壁射出，利用电化学射流对金属材料进行加工，以此完成垂直孔加工；

S2建立加工参数与加工形貌的参数化模型，以获得变径孔的加工工艺参数，具体包括如下子步骤：

S21利用公式(1)建立工艺参数x_i与待加工形貌y的关系：

式中，β₀、β_i、β_ij为各工艺参数的特征参数，x_j为工艺参数；

S22根据前期实验数据，对步骤S21中的特征参数β₀、β_i、β_ij进行权重添加，获得特征参数的表达式Q(β)如公式(2)所示：

式中，w_i为权重值；

S23对Q(β)进行微分，并利用公式(3)计算最优特征参数，并将其代入公式(1)中获得加工参数与加工形貌的参数化模型，输入待加工形貌即可获得变径孔的加工工艺参数；

S3根据步骤S2获得的工艺参数调节施加在所述金属针管上的电压，并根据该工艺参数控制加工时间和金属针管进给速度，从而对所述垂直孔的内壁进行加工，以此通过电化学射流制得所述变径孔。

2.如权利要求1所述的变径孔的加工方法，其特征在于，步骤S1中，将激光与电解液同轴射出，从而利用激光与电化学射流复合作用进行垂直孔加工。

3.如权利要求1所述的变径孔的加工方法，其特征在于，步骤S1中，对所述金属针管的侧壁进行整体绝缘处理，使得所述金属针管的底面为有效加工面。

4.如权利要求1～3任一项所述的变径孔的加工方法，其特征在于，步骤S1中，对所述金属针管的侧壁进行间断绝缘处理。

5.一种利用如权利要求1～4任一项所述方法加工变径孔的装置，其特征在于，该装置包括实验平台模块(1)、XY轴运动模块(2)、工件装夹模块(5)、Z轴运动模块(3)和激光射流喷头模块(4)，其中：

所述实验平台模块(1)包括光学平台(11)以及固定在所述光学平台(11)上的框架龙门(12)；

所述XY轴运动模块(2)固定在所述光学平台(11)上，所述工件装夹模块(5)固定在所述XY轴运动模块(2)上，用于装夹待加工工件，并在所述XY轴运动模块(2)的带动下沿XY轴方向移动；

所述Z轴运动模块(3)固定在所述框架龙门(12)上，所述激光射流喷头模块(4)与所述Z轴运动模块(3)连接，从而在所述Z轴运动模块(3)的带动下沿Z轴方向移动，以利用电化学射流加工变径孔。

6.如权利要求5所述的变径孔的加工装置，其特征在于，变径孔的加工装置还包括激光与光路控制模块(6)，其包括反射镜(62)和激光器(61)，所述反射镜(62)固定在所述激光射流喷头模块(4)的上方，所述激光器(61)设置在所述反射镜(62)的一侧，用于发射激光光路(63)；工作时，所述激光光路(63)经过所述反射镜(62)反射后进入所述激光射流喷头模块(4)，以利用激光加工变径孔。

7.如权利要求5所述的变径孔的加工装置，其特征在于，所述激光射流喷头模块(4)包括Z轴扩展板(41)、激光射流喷头夹具(42)和激光射流喷头(43)，所述Z轴扩展板(41)用于与所述Z轴运动模块(3)连接；所述激光射流喷头夹具(42)与所述Z轴扩展板(41)连接，用于固定所述激光射流喷头(43)；所述中的激光射流喷头(43)包括顶盖组件(431)、筒身组件(432)和喷嘴组件(433)，其中所述顶盖组件(431)包括透光片(4314)和顶盖(4311)，所述透光片(4314)通过所述顶盖(4311)进行固定，以保证所述激光光路进入所述激光射流喷头(43)；所述筒身组件(432)包括筒身(4321)和供液管接头(4322)，所述筒身(4321)内部中空，并且其侧壁上开设有螺纹孔，用于与所述供液管接头(4322)连接以输入电解液；所述喷嘴组件(433)包括底盖(4331)、针筒(4333)和金属针管(4335)，所述底盖(4331)与所述针筒(4333)连接，所述金属针管(4335)设置在所述针筒(4333)的内部，进而实现电解液喷射功能。

8.如权利要求5～7任一项所述的变径孔的加工装置，其特征在于，所述工件装夹模块(5)包括电解液槽(51)和压板(52)，所述电解液槽(51)固定在所述XY轴运动模块的上方，所述电解液槽(51)的中间设置有凸台，并通过所述压板(52)将待加工工件进行固定，从而实现工件的装夹。

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