CN113070537A - 一种3d打印的中空循环辅助电极结构 - Google Patents
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Abstract
一种3D打印的中空循环辅助电极结构，属于电解加工技术领域，其结构为二级阶梯圆柱型结构，内部设有中空的流道结构。流道结构包括八条“斜入射”结构的入口流道、一条出口流道和环形隔板，入口流道出口处与出口流道连通；入口流道作为电解液入口，电解液从二级阶梯圆柱型结构大径端流入，在小径端经过被加工面流入出口流道，由出口流道流出。使用时，电极结构紧贴待加工表面，被加工工件作为阳极与电源正极相连，设于出口流道处的阴极结构与电源负极相连。本发明应用于电解加工高精度的小孔，作为电解加工小孔的辅助电极，通过改善结构使得被加工区域的电解液流速更为均匀，能够得到更优秀的小孔表面质量；可提高小孔加工精度，长时间可靠工作。
Description
技术领域
本发明属于电解加工技术领域，基于电解加工小孔的原理并依靠3D打印技术，设计出一种3D打印的中空循环辅助电极。
背景技术
3D打印，也被称为增材制造，是一种新兴技术，具有通过在单一加工过程中，结合加工对象或加工装置的设计和制造，改变许多领域制造过程的潜力。3D打印起初是应用于工业中快速成型制造的工具，而现在越来越多地用于多种工学和医学应用中，例如制造组织生长支架、微血管系统、骨科植入物、康复辅助工具、电子设备、功能性机械组件等，低费用的3D打印技术的日益普及也促进了这种制造方法的广泛使用，从一般家庭到研究机构实验室都有不同程度的应用。3D打印技术可以在无需其他制造设备参与的情况下，自由设计并且直接制造出几乎任何所需形状的物体。最近有许多研究表明，可以利用3D打印技术直接制造具有复杂形状的电极。
小孔法测量机械零部件的近表面残余应力具有可靠性高、测量深度较大等优势，是工程界应用最广泛的一种残余应力测试方法。小孔法测量残余应力具有可靠性强，测量深度较大(0.02-15mm)等优点，已经被美国材料与实验协会(ASTM)和中华人民共和国国家标准(GB/T 31310-2014)《金属材料残余应力测定钻孔应变法》确定为标准的残余应力测试方法。小孔法的测量方法为：在具有一定近表面残余应力的试件表面加工一个小孔，在小孔附近的试件表面由于部分应力的释放而产生相应的位移和应变，通过测量产生的位移和应变，将其代入一系列公式即可计算出已去除材料所在部位的残余应力。
电解加工是一种利用金属工件在电场作用下在电解液中发生阳极溶解特性的特种加工方法。电解加工过程不受材料力学性能影响，具有加工表面无残余应力产生等优点。相比传统的钻削、铣削等机械方法加工小孔，利用电解法加工小孔测工件表面残余应力不会引入附加应力，也不会导致工件的塑性变形。然而电解加工过程中加工稳定性较差这一问题限制了它的发展和应用，近年来，研究人员都致力于解决稳定性差这一问题来改善电解加工。对于现有方法，即静液电解法，使用掩膜板使被加工面与电解液接触加工小孔，其阳极产热与电解产物不易排出，因此考虑使用流动电解法的加工方式来加工小孔。然而流动电解法需要解决电解液流速的不均匀性，因为小孔内电解表面电解液流速的不均匀会造成电解液的电导率变化较大，使得被加工表面材料去除有所差异，进而影响电解加工质量。因此需要通过改善电解加工方法以提高电解加工的稳定性。
电解加工可以直接受益于3D打印技术，因为通过使用3D打印技术，能够以较低的价格构建一套复杂的测量系统，并且该系统具有很大的通用性。并且，3D打印技术可以直接同来生产形状复杂或材料特殊的电极，或者用于氧化还原反应和电解液处理系统，例如电化学电池和微流体系统等。因此可以通过3D打印技术改善电解加工的不稳定性。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种3D打印的中空循环电极结构，提供一种涡旋流道方案能够解决现有技术中采用小孔法测量工件表面残余应力时，当采用电解加工小孔时产生的不稳定性的问题。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种3D打印的中空循环辅助电极结构，参考图1，所述中空循环辅助电极结构为二级阶梯圆柱型结构，内部设有中空的流道结构。所述流道结构包括八条结构尺寸相同的“斜入式”入口流道1、一条出口流道2和环形隔板3，出口流道2内径大于入口流道1。所述入口流道出口处12与出口流道2连通；入口流道1作为电解液入口，电解液从二级阶梯圆柱型结构大径端流入，在小径端经过被加工面流入出口流道2，由出口流道2流出。使用时，参考图5，中空循环电极结构的小径端紧贴待加工表面，被加工工件作为阳极与电源正极相连，网状铜阴极8作为阴极与电源负极相连，其中述网状铜阴极8设于出口流道2处。
所述出口流道2为中央管道结构，八条入口流道1关于出口流道2的轴线中心对称，且均布于出口流道2外周。所述的出口流道2直径应略大于待加工小孔直径，出口流道2与待加工表面垂直。所述的八条入口流道直径相同且均小于出口流道2的直径。所述的八条入口流道与出口流道的连通位置应靠近被加工表面。
所述的八条入口流道1均为三段弯折结构，其第一段、第二段位于二级阶梯圆柱型结构的大径端，第一段与出口流道2管道平行，第二段与出口流道2管道垂直；第三段位于二级阶梯圆柱型结构的小径端，与出口流道2管道平行；入口流道出口处12与出口流道2入口连通，连通结构参考图2：第三段入口流道出口段12并不沿着指向出口流道2的径向，而是与出口流道2的径向呈20°～25°角，即“斜入射”结构，使得电解液在流出入口流道1后可以形成涡旋。为便于入口流道与机械泵10相连，可以适当调整入口流道的弯折结构，使八个入口适当靠近或远离出口。
参考图3-4，所述的环形隔板3位于出口流道2与被加工表面之间；所述的环形隔板3为非等厚结构，靠近待加工工件的一面为水平面，另一面与水平面呈45°～60°角，环形隔板3内侧面厚度小于外侧面厚度，且环形隔板3外侧面固定在出口流道2出口内壁面。所述环形隔板3水平面紧贴待加工表面，使电解液易于流入被加工表面边缘区域。
具体的，所说的出口流道2的管道上对称设有8个通孔结构，与入口流道1出口处12连通。
本发明入口流道与垂直方向成一定角度射入底面加工区域，使得流体在底面加工区域形成涡旋，设计的涡旋流道方案，使得电解液经入口流道1流向被加工表面时，可以在被加工表面形成涡旋。提高了被加工表面流场的均匀性，避免了对向流道设计导致的流速“抵消”现象。而提高被加工表面流场的均匀性可以提高电解液的导电率均匀性，进而提高小孔的加工质量。同时，本发明的出口流道直径比入口流道直径大，可以减缓出口流速，同时便于电解液带走电解加工产物和产热。
本发明在以上涡旋流道的基础上，在中央管道与加工工件表面间增加了一种环形隔板结构，该结构使得电解液更易流入被加工表面边缘区域，可以减缓底面加工区域边缘到中心流速的阶梯型升高，使得电解液流速分布更加均匀，基本满足电解加工小孔的稳定性需求。
本发明的有益效果是：采用流动电解法加工小孔，可以及时带走电解产物和电解产热，提高加工稳定性；采用八入口流道和斜入射角度，在被加工表面加工区域形成涡旋，改善被加工表面流速均匀性；采用大直径出口流道，降低出口流速和液压，增强流体流动的稳定性，便于辅助电极与电极相连接；采用内部壁角为45°～60°的环形隔板，使电解液更易流入被加工表面边缘区域，减少被加工表面边缘区域中流体流速较低的区域。
具体地，本发明相较于现有技术，具有如下优点：
(1)本发明采用流动电解法，可以带走电解产物和产热；大直径出口流道的设计便于与电极接触，提高了电解加工的稳定性。
(2)本发明使流动电解时被加工表面加工区域流速均匀；边缘处无明显的流体流速较低的区域；使得电解液的导电性均匀，电解液的电导率均匀，可以得到加工质量较好的小孔。
附图说明
图1是本发明一种3D打印的中空循环电极的内部结构，所展示的模型图为该结构的实体区域；
图2是入口流道与出口流道连接处的结构及电解液流经被加工表面形成涡旋的原理示意图；
图3是增加环形隔板结构的位置示意图及局部放大图；
图4是隔板结构剖面图与电解流动模型示意图；
图5是电解加工小孔实验装置模拟图；
图6是扫描电子显微镜观察下的电解加工小孔孔型；
图中：1入口流道，2出口流道，3环形隔板，4被加工工件，5电源，6电解液，7电解液池，8网状铜阴极，9中空循环电极，10机械泵，11塑胶管道，12入口流道出口段。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面结合附图对本发明的实施例进行进一步阐述，该实施例仅用于解释本发明的使用方法，并不构成对本发明保护范围的限定。
参考图5，基于本发明提供的3D打印中空循环辅助电极，搭建了流动电解法加工小孔的实验装置。该实验装置包括中空循环电极9，机械泵10，塑胶管道11，被加工工件4，电源5，电解液6以及电解液池7。所述的中空循环电极需与网状阴极8配合使用，需将网状阴极8置于中空循环电极出口流道的出口处，便于阴极与电解液接触。将中空循环电极小径端面紧贴待加工表面，并将被加工工件4作为阳极与电源5正极相连。
所述实验装置采用机械泵10将电解液6通过塑胶管道11打入八个中空循环电极的入口流道1中，为保证八个入口流道1内的流体流速相同，以更好的实现本发明的功能，应当采用同一个机械泵10分别打入八个入口中或采用八个同样规格的机械泵10以相同的速度供液。电解液6通过中空辅助电极后流经工件的被加工工件4的待加工表面，再通过塑胶管道11返回电解液槽7中。在中空循环电极出口流道2处增加网状铜阴极8，与电源负极相连接。
所述阳极工件材料为纯铁(DT4E)，将试件表面用400#、800#、1200#砂纸打磨至平整光亮，超声清洗后进行干燥，完成预处理，并将工件的待加工表面与辅助电极贴紧。电解加工小孔装置电源为恒压20V电源，电解加工时间为300s，加工小孔孔径为2mm，所采用的电解液成分为1.5mol/L NaCl+0.1mol/LHCl。
经过电解加工后的小孔孔型参考图6。
以上所述为本发明的实施例，仅用于阐释本发明的使用方法，并非限制本发明的专利范围。
Claims (4)
1.一种3D打印的中空循环辅助电极结构，其特征在于，所述中空循环辅助电极结构为二级阶梯圆柱型结构，内部设有中空的流道结构；所述流道结构包括八条结构尺寸相同的入口流道(1)、一条出口流道(2)和环形隔板(3)，出口流道(2)内径大于入口流道(1)；所述入口流道出口处(12)与出口流道(2)连通，连通位置靠近被加工表面；所述入口流道(1)作为电解液入口，电解液从二级阶梯圆柱型结构大径端流入，在小径端经过被加工面后流入出口流道(2)，由出口流道(2)流出；使用时，中空循环电极结构的小径端紧贴待加工表面，被加工工件作为阳极与电源正极相连，设于出口流道(2)处的阴极结构与电源负极相连；
所述出口流道(2)为管道结构，八条入口流道(1)关于出口流道(2)的轴线中心对称，且均布于出口流道(2)外周；所述的出口流道(2)与待加工表面垂直；
所述的八条入口流道(1)均为三段弯折结构，其第一段、第二段位于二级阶梯圆柱型结构的大径端，第一段与出口流道(2)管道平行，第二段与出口流道(2)管道垂直；第三段位于二级阶梯圆柱型结构的小径端，与出口流道(2)管道平行；入口流道出口处(12)与出口流道(2)入口连通，连通结构：第三段入口流道出口处(12)与出口流道(2)的径向呈一定角度，即“斜入射”结构，使电解液在流出入口流道(1)后可以形成涡旋；
所述的环形隔板(3)位于出口流道(2)与被加工表面之间；所述的环形隔板(3)为非等厚结构，靠近待加工工件的一面为水平面，另一面与水平面呈一定角度，环形隔板(3)内侧厚度小于外侧厚度，且环形隔板(3)外侧面固定在出口流道(2)出口内壁面；所述环形隔板(3)水平面贴待加工表面，使电解液易于流入被加工表面边缘区域。
2.根据权利要求1所述的一种3D打印的中空循环辅助电极结构，其特征在于，所述的第三段入口流道出口处(12)与出口流道(2)的径向呈20°～25°角。
3.根据权利要求1所述的一种3D打印的中空循环辅助电极结构，其特征在于，所述的环形隔板(3)另一面与水平面呈45°～60°角。
4.根据权利要求1所述的一种3D打印的中空循环辅助电极结构，其特征在于，所述的出口流道(2)直径大于待加工小孔直径。
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