CN113369611B - 回转体表面凸台电解加工用双极性电极组件及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种回转体表面凸台电解加工用双极性电极组件及其加工方法，包括薄型工具阴极、包围在工具阴极外侧的随动进给式辅助阳极、在工具阴极内侧的固定式辅助阳极，工具阴极为薄壁结构，表面开有镂空窗口；随动式辅助阳极固定于工具阴极进给轴上，随动式辅助阳极靠近工件阳极一侧具有劣弧扇形开口；固定式辅助阳极位置固定，靠近工件阳极一侧形状为弧形，两种辅助阳极比工件具有更高的电位。加工过程中，工件阳极和随动式辅助电极之间保持恒定电势差，内侧固定式辅助电极电位随加工进给深度的增加线性增大。本发明适用于表面具有凸台结构的环形件加工，能够有效提高电解加工中材料溶解定域性，提高电解加工精度。

Description

回转体表面凸台电解加工用双极性电极组件及其加工方法

技术领域

本发明涉及一种电解加工组件及电解加工方法，尤其涉及一种回转体表面凸台电解加工用双极性电极组件及其加工方法。

背景技术

机匣等大型薄壁回转体零件大多具有结构复杂、壁厚不均匀、材料难切削等特点，其加工精度、加工效率和稳定性一直是航空制造业的难题。用传统机械加工，道具损耗很大，加工周期长，加工费用高，加工完成后残余应力大，工件易变形。为解决薄壁机匣零件的加工难题，南京航空航天大学提出了一种新型的航空发动机薄壁机匣电解加工方法(申请号201410547093.X申请人南京航空航天大学，发明人朱荻朱增伟王宏睿王登勇)，使用单一回转体工具电极即可实现复杂型面的一次性加工成型。与传统的采用多个电极分度、分块、分工步加工的机匣电解加工方式相比，加工工序更为简单。此方法克服了传统电解加工工具设计困难、需后续去除“进出口痕迹”、加工工件易变形等问题，实现高效、高质量、低成本电解加工。

杂散腐蚀作为电解加工中的常见问题，严重制约电解加工精度。在上述的航空发动机薄壁机匣电解加工方法中，工件阳极非加工区的凸台表面存在杂散腐蚀，影响工件凸台结构成型质量。如何减少杂散腐蚀以提高电解加工精度已成为电解加工领域中的核心问题之一。

目前，表面具有凸台或扰流柱结构的机匣或火焰筒等结构的薄壁回转体零件越来越常见，上述零件表面的凸台、安装边等特征多为阵列结构，数量多，凸台尺寸小，结构复杂。上述薄壁回转体零件在电解加工过程中表面凸台成型质量受到杂散腐蚀较大影响。对于提高电解加工精度，目前采用的一些有效方法主要有：利用脉冲电解加工方法、使用低浓度的钝性电解液及采用混气电解加工方法。上述方法中能够有效提高电解加工精度，但都会降低加工效率。近年来，在传统加工方法基础之上，研究人员提出了一些新的解决手段来提高加工精度。如在专利“采用双极性电极的微细群坑电解加工方法及其双极性电极”(申请号200810022327.3申请人南京航空航天大学，发明人朱荻曲宁松钱双庆李冬林)中，其采用带有正负两个极性的电极进行群坑电解加工，利用带正电的辅助电极来减少坑侧壁的电场强度，从而提高电解加工精度。在专利“辅助电极管电极电解加工方法”(申请号201310199975.7申请人南京航空航天大学，发明人房晓龙曲宁松朱荻张玉冬)中，采用带有正电位差的辅助电极进行管电极加工以提高管电极电解加工群孔出口精度。在专利“回转体表面凸台结构电解加工双极性电极及其电解加工方法”(申请号201610022855.3申请人南京航空航天大学，发明人朱增伟朱荻王登勇王宁峰)中，采用双极性电极，根据凸台高度不同，辅助电极设置为固定及可往复运动的形式，加工过程中通过电子负载给辅助电极与凸台距离很近，可有效改变加工区凸台表面的电场分布，提高电解加工材料溶解定域性。

上述专利中微细群坑电解用双极性电极、辅助管电极、凸台结构电解用双极性电极都是通过改变加工间隙的电场分布，减少非加工区的杂散电流来提高电解加工精度，但都有其局限性。微细群坑电解用双极性电极以及辅助管电极都是用于解决坑或孔类零件侧壁的杂散腐蚀问题；凸台结构电解用双极性电极不适用于高凸台结构的电解加工场合，且复杂的设计结构在实际加工中易发生弹簧卡顿的情况，影响加工效果。因此有必要设计一种加工方式更加简易、稳定且适用于高深度的凸台环形件加工的新型电极以提高工件表面的凸台加工成型精度。

发明内容

发明目的：针对以上问题，本发明提出一种回转体表面凸台电解加工用双极性电极组件及其加工方法，适用于表面具有凸台结构的环形件加工，能够有效提高电解加工中材料溶解定域性，提高电解加工精度。

技术方案：本发明所采用的技术方案是一种回转体表面凸台电解加工双极性电极组件，包括工具阴极、包围在工具阴极外侧的随动式辅助阳极、在工具阴极内侧的固定式辅助阳极；工具阴极为薄壁结构，表面开有镂空窗口；随动式辅助阳极固定于工具阴极进给轴上，随动式辅助阳极靠近工件阳极一侧具有劣弧扇形形状开口；固定式辅助阳极位置固定，靠近工件阳极一侧形状为弧形，加工时随动式辅助阳极与固定式辅助阳极比工件阳极具有更高电位，随动式辅助阳极和固定式辅助阳极采用不溶于加工用电解液的材料制成。

加工时所述工件阳极和随动式辅助阳极之间保持恒定电势差，工件阳极和固定式辅助阳极之间电势差随进给深度的增加线性增加。

工具阴极连接电源的负极，工件阳极、外侧随动式辅助阳极、内侧固定式辅助阳极连接电源的正极；两个电子负载均设置为变压模式，用以依据内侧固定式辅助阳极与工件之间的进给距离进行电位调整，随进给深度增加而线性增大。第一电子负载接于工件阳极与外侧随动式阳极、第二电子负载接于辅助阳极与内侧固定式辅助阳极之间，保证外侧随动式辅助阳极、内侧固定式辅助阳极比工件阳极具有更高的电位。

所述工具阴极为薄壁结构，壁厚通常0.1-0.3mm，表面开有镂空窗口结构，加工过程中与工件阳极同步对转。工具阴极表面窗口内壁不需要进行绝缘处理，制造工艺简单，成本较低。

所述外侧随动式辅助阳极固定于工具阴极进给轴上，加工时与工具阴极同步进给，外侧辅助阳极为具有劣弧扇形开口的圆环形状，劣弧扇形开口靠近工件阳极一侧，该劣弧扇形开口对应的随动式辅助阳极缺失的角度2β范围需大于

与工具阴极距离范围为0.5-2mm，加工过程中随工具阴极一同进给。

所述内侧固定式辅助阳极加工时固定不动，靠近工件阳极一侧形状为弧形，初始时刻与工件阳极距离0.5-4mm，具体初始距离取决于进给深度，辅助电极电位随进给深度增加而线性增大。固定式辅助阳极电位的变化范围为8V-30V。加工过程中不随工具阴极进给，可通过电位变化满足较大深度凸台加工；

所述外侧随动式辅助阳极可通过更高电位吸引所述工件阳极表面凸台侧壁电场线，提高加工区域材料的定域性溶解；所述内侧固定式辅助阳极可通过高电位吸引所述工件阳极表面凸台顶部电场，减少凸台顶部表面材料溶解；

本发明还提出一种回转体表面凸台电解加工双极性电极组件的电解加工方法，应用于上述组件中，在加工时，工具阴极与工件阳极以相同的角速度同步对转，阴极以恒定进给速度向工件阳极靠近；外侧随动式辅助阳极固定于工具阴极进给轴上，随工具阴极一同进给，不随工具阴极一起旋转；内侧固定式辅助阳极固定安装于夹具上，加工过程中不发生进给或旋转运动。

加工过程中，工件阳极和外侧随动式辅助阳极之间保持恒定电势差、工件阳极和内侧固定式辅助阳极之间保持随进给深度线性变化的电势差，由电解加工中的电场分布规律分析可得，具有更高电势的辅助电极可以有效改变所加工凸台结构附近的电场分布，减少工件阳极上所加工凸台的表面的杂散电流，如外侧辅助阳极可以吸引阳极工件凸台底部非加工区域的杂散电流，内侧辅助阳极可以吸引阳极工件表面凸台顶部的杂散电流，从而提高工件阳极上所加工凸台表面材料溶解的定域性。

有益效果：相比现有技术，本发明具有以下优点：(1)提出一种回转体表面凸台电解加工双极性电极组件及其加工方法，采用组合式双极性辅助电极。外侧随动式辅助电极在加工过程中可与工件阳极保持小间隙，内部固定式辅助电极与工件阳极电位差随进给距离增大而增大，适用于大深度进给电解加工；(2)利用两种辅助电极以及线性变化的电势差设计，可以有效提高工件阳极上所加工凸台表面材料溶解的定域性，工件表面凸台顶部非加工区域可形成反向电流，对非加工曲面材料进行有效保护，从而提高旋印电解加工精度；(3)辅助电极采用不溶性电极材料，可重复使用，且实施方案简单，加工成本低。

附图说明

图1是凸台电解加工时双电极结构示意图；

图2是电解加工部位细节示意图；

图3是添加辅助阳极前后工件阳极部分区域的电流密度分布对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

图1为凸台电解加工时双电极结构示意图。包括工具阴极6、包围在工具阴极外侧的随动进给式辅助阳极2、在工具阴极内侧的固定式辅助阳极3；两种辅助阳极采用不溶于中性盐溶液的惰性金属材料制造。工具阴极6为薄壁结构，表面开有镂空窗口。工具阴极6加工过程中与工件阳极5同步对转；外侧辅助阳极2安装于工具阴极6进给轴上，随工具阴极6一同进给，不随工具阴极6一起旋转；内侧固定式辅助阳极3安装于薄壁工具阴极内部，加工过程中不发生进给或旋转运动。所述工具阴极与电源负极相连，所述工件阳极与负载串联后分别与外侧辅助阳极和内侧辅助阳极并联再与电源正极相连。加工时电子负载设置为变压模式，保证辅助阳极比工件阳极具有更高的电位。

图2所示为电解加工部位细节示意图。随着进给深度的增加，为避免外侧随动式辅助阳极与工件阳极发生干涉，所述外侧辅助阳极缺失的劣弧角度需与外侧随动式辅助阳极半径R、工件阳极初始半径r₁、工具阴极半径r₂及进给深度s满足某些条件。假设加工结束时刻外侧随动式辅助阳极恰好与工件阳极表面凸台顶部所在圆弧接触，此时存在如下函数关系：

r₁sinβ＝Rsinα

r₁cosβ+Rcosα＝r₁+r₂-s

联合两式可得

由上式可得，辅助阳极缺失的角度范围需大于

图3所示为电源电压12V，第二电子负载7的电压为0V，第一电子负载4的电压为4V时工件阳极凸台及其附近区域的电流密度分布对比图，可以看出采用双极性辅助电极进行回转体表面的凸台电解加工，可以有效提高工件阳极上所加工凸台表面材料溶解的定域性，工件表面凸台顶部非加工区域可形成反向电流，对非加工曲面材料进行有效保护，从而提高旋印电解加工精度。

Claims (7)

1.一种回转体表面凸台电解加工用双极性电极组件，其特征在于：包括工具阴极(6)、包围在工具阴极外侧的随动式辅助阳极(2)、在工具阴极内侧的固定式辅助阳极(3)；工具阴极(6)为薄壁结构，表面开有镂空窗口；随动式辅助阳极(2)固定于工具阴极(6)进给轴上，随动式辅助阳极(2)靠近工件阳极(5)一侧具有劣弧扇形开口；固定式辅助阳极(3)位置固定，靠近工件阳极(5)一侧形状为弧形，加工时随动式辅助阳极(2)与固定式辅助阳极(3)比工件阳极(5)具有更高电位，随动式辅助阳极(2)和固定式辅助阳极(3)采用不溶于加工用电解液的材料制成。

2.根据权利要求1所述的回转体表面凸台电解加工用双极性电极组件，其特征在于：加工时所述工件阳极(5)和随动式辅助阳极(2)之间保持恒定电势差，工件阳极(5)和固定式辅助阳极(3)之间电势差随进给深度的增加线性增加。

3.根据权利要求1所述的回转体表面凸台电解加工用双极性电极组件，其特征在于：所述随动式辅助阳极(2)靠近工件阳极(5)一侧具有劣弧扇形开口，该劣弧扇形开口对应的随动式辅助阳极(2)扇形缺失的角度范围大于

其中，R为随动式辅助阳极(2)扇形半径、r₁为工件阳极(5)的初始半径、r₂为工具阴极(6)的半径、s为进给深度。

4.根据权利要求1所述的回转体表面凸台电解加工用双极性电极组件，其特征在于：加工时随动式辅助阳极(2)与固定式辅助阳极(3)比工件阳极(5)具有更高电位，采用的电连接方式为：工具阴极(6)连接电源(1)的负极，工件阳极(5)、随动式辅助阳极(2)、固定式辅助阳极(3)连接电源(1)的正极；第一电子负载(4)接于工件阳极(5)与随动式阳极(2)之间，第二电子负载(7)接于随动式辅助阳极(2)与固定式辅助阳极(3)之间，第一电子负载(4)和第二电子负载(7)设置为变压模式。

5.根据权利要求1所述的回转体表面凸台电解加工用双极性电极组件，其特征在于：所述随动式辅助阳极(2)和固定式辅助阳极壁厚为0.1-0.3mm，随动式辅助阳极(2)与工具阴极(6)距离范围为0.5-2mm。

6.一种应用于权利要求1-5任一项所述的回转体表面凸台电解加工用双极性电极组件的电解加工方法，其特征在于：在加工时，工具阴极(6)与工件阳极(5)以相同的角速度同步对转，工具阴极以恒定进给速度向工件阳极(5)靠近；随动式辅助阳极(2)随工具阴极(6)一同进给但无旋转；固定式辅助阳极(3)位置固定，既不进给也无旋转；加工过程中，工件阳极(5)和随动式辅助阳极(2)之间保持恒定电势差，工件阳极(5)和固定式辅助阳极(3)之间具有随进给深度线性变化的电势差。

7.根据权利要求6所述的电解加工方法，其特征在于：所述固定式辅助阳极(3)初始时刻与工件阳极(5)距离0.5-4mm，工件阳极(5)和固定式辅助阳极(3)之间的电势差随进给深度增加而线性增大，固定式辅助阳极电位的变化范围为8V-30V。

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