CN114289803A - 一种表面微坑阵列结构超声平动射流电解加工装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明专利公开了一种表面微坑阵列结构超声平动射流电解加工装置及方法，具体涉及特种加工工艺的技术领域。包括超声振动发生器和液体分液装置，液体分液装置上设有进液口，液体分液装置内设有液体缓冲层，液体缓冲层上开设有漏液孔，液体分液装置连接有由上至下依次设置的阴极板、绝缘板和阳极工件，阴极板设有第一阵列微孔，阴极板的底部设有双向导流槽，阴极板上还连通有对称设置的导出管，绝缘板上设有多个呈阵列分布的第二阵列微孔。采用本发明技术方案解决了微细电解加工中存在加工定域性差、加工效率低、微结构一致性差的问题，可用于阵列微孔的高质量批量加工。

Description

一种表面微坑阵列结构超声平动射流电解加工装置及方法

技术领域

本发明涉及特种加工工艺的技术领域，特别涉及一种表面微坑阵列结构超声平动射流电解加工装置及方法。

背景技术

柴油发动机具有功率大、能耗低、可靠性高等优势，是各类拖拉机、收割机等农用机械的主要动力装置。缸套是柴油发动机燃烧室的关键零件之一，长时间处于高温、高压和润滑不良的工作状态，极易发生磨损失效而引起发动机故障。研究表明，在缸套表面加工阵列微坑等微织构能够起到增强流体动压润滑效应、储存杂质磨粒等作用，有效改善缸套零件的摩擦磨损性能，延长缸套零件的使用寿命。因此，在缸套表面加工出尺寸可控、一致性好的微坑阵列结构，对提升柴油机的工作性能、降低其使用和维护成本具有重要的工程实用价值。

目前，微织构的加工方法主要有机械加工、激光加工、电解加工及复合加工技术等。其中，电解加工利用电化学阳极溶解原理以离子形式去除材料，具有工具无损耗、无切削力、加工表面完整性好等优势，在微细加工领域展现出广阔的应用潜力。但是，微细电解加工还存在如加工定域性差、加工效率低、微结构一致性差等问题。

发明内容

本发明意在提供一种表面微坑阵列结构超声平动射流电解加工装置及方法，解决了微细电解加工中存在加工定域性差、加工效率低、微结构一致性差的问题。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：一种表面微坑阵列结构超声平动射流电解加工装置，包括设置在机床主轴上的超声振动发生器和位于超声振动发生器下方的液体分液装置，所述液体分液装置为内部中空且底部开口的箱体，所述液体分液装置上设有进液口，所述液体分液装置内设有液体缓冲层，所述液体缓冲层上开设有多个漏液孔，所述液体分液装置连接有由上至下依次设置的阴极板、绝缘板和阳极工件，所述阴极板设有多个呈阵列分布的第一阵列微孔，所述阴极板的底部设有多个位于第一阵列微孔横向和纵向上的双向导流槽，所有的所述双向导流槽将所有的第一阵列微孔相互连通，所述阴极板上还连通有对称设置的导出管，所述绝缘板上设有多个呈阵列分布的第二阵列微孔，所述阳极工件与阴极板之间电连接有电源，所述阳极工件上加工出目标阵列微孔。

进一步的，所述液体分液装置与阴极板之间设有密封垫圈，所述密封垫圈上开有与螺栓相配合的第一光孔。

进一步的，所述阴极板的底部还设有包覆在导流槽外的O型环槽，所述O型环槽上分别设有与对应导出管连通的对称导出孔，所述O型环槽内对称卡合有O型密封圈，两个所述O型密封圈之间留有与对称导出孔宽度相同的间隙。

进一步的，所述液体分液装置、阴极板、螺栓、垫圈为不锈钢材质；所述密封垫圈、O型密封圈材质为橡胶。

进一步的，所述导出管通过焊接方法与阴极板成45°角连接，所述导出管的材质为不锈钢，所述导出管的内孔直径Φ≤d₁，其中d₁为对称导出孔的直径。

进一步的，所述阴极板与绝缘板保持一定压力接触，该压力范围在1kN-10kN且应满足下列公式：

F＝KΔd₂₂，Δd₂∈[0.1d₂,0.5d₂]

其中，K为O型密封圈的弹性系数，d₂为O型密封圈的直径，Δd₂为O型密封圈的直径方向形变量。

进一步的，所述液体缓冲层的厚度为2-4mm，所述漏液孔位于液体缓冲层上纵向和横向的总数相同；所述漏液孔的个数n满足如下公式：

n＝x²，x∈[2,10]

所述漏液孔的总面积满足如下公式：

其中n漏液孔个数、π为圆周率、d₃为漏液孔直径、N为阳极工件所需加工微孔总个数、D₁为目标阵列微孔直径。

进一步的，所述对称导出孔(18)的直径d满足下列公式：

d＝(0.5-1.0)D₂

其中，D₂为进液口(29)的内孔直径。

进一步的，所述电解加工装置的加工方法包括如下步骤：

S1、所述液体分液装置的连接口与机床主轴相连，所述液体分液装置和阴极板通过螺栓经第一光孔、第二光孔、螺纹孔紧固连接，所述阴极板与绝缘板保持一定压力接触，所述超声振动发生器固定在机床主轴上，所述绝缘板与阳极工件无缝贴合；

S2、阴极板与阳极工件分别与电源负极、正极相连；

S3、电解液在液体分液装置中保持高压，使其能够向工作区域输出均匀稳定的射流工作液；提供新的工作液的同时将加工后的工作液和加工产物带出工作区；

S4、开启超声振动发生器来调整阴极板的振动方向，可实现对阴极板在x方向与y方向的实时可控调节，其耦合振动放向可与任意优化目标方向一致；阴极板高频振动使得射流电解液交替正冲、侧冲阳极工件；

S5、将工作时间控制在5-20s，保证阳极工件上加工目标阵列微孔符合加工需求；

S6、加工完成后更换阳极工件，可实现高效自动化加工。

与现有技术相比，本方案的有益效果：

1、本方案通过液体分液装置中的液体缓冲层，可有效保证通过漏液孔并达到阴极板各阵列微孔的电解液流体状态的一致性。

2、本方案采用液体分液装置、阴极板与密封垫圈的固定配合使用，较好地解决了加工阵列微孔时的定域性问题。

3、本方案通过阴极板与绝缘板根据所需加工阳极工件的具体要求设计制作，很容易满足不同需求阵列微孔的加工需求，且对于同一型号工件的加工，仅需将加工完成的阳极工件与被加工零件直接更换，便可实现工件加工的连续性。

附图说明

图1是本发明一种表面微坑阵列结构超声平动射流电解加工装置的结构示意图；

图2是本实施例中液体分液装置的结构示意图；

图3是本实施例中O型密封圈的结构示意图；

图4是本实施例中阴极板的结构示意图；

图5是图4中A处的剖视图；

图6是本实施例中密封垫圈的结构示意图；

图7是本实施例的加工方法示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

说明书附图中的附图标记包括：机床主轴1、超声振动发生器2、计算机3、螺栓4、垫圈5、液体分液装置6、密封垫圈7、阴极板8、O型密封圈9、绝缘板10、阳极工件11、液体缓冲层12、漏液孔13、第一阵列微孔14、第二阵列微孔15、连接口16、导出管17、对称导出孔18、O型环槽19、螺纹孔20、第一光孔21、抽水泵22、加压泵23、出液阀24、电源25、目标阵列微孔26、第二光孔27、双向导流槽28、进液口29。

实施例

如图1至图7所示，一种表面微坑阵列结构超声平动射流电解加工装置，包括设置在机床主轴1上的超声振动发生器2和位于超声振动发生器2下方的液体分液装置6，超声振动发生器2与计算机3电连接。液体分液装置6为内部中空且底部开口的箱体，液体分液装置6的顶部设有与机床主轴1连接的连接口16，液体分液装置6的左侧壁连通有进液口29，液体分液装置6内设有液体缓冲层12，液体缓冲层12上开设有多个均匀分布的漏液孔13。本实施例中液体缓冲层12的厚度为2-4mm，漏液孔13位于液体缓冲层12上且其纵向和横向的总数相同；漏液孔13的个数n满足如下公式：

n＝x²，x∈[2,10]

漏液孔13的总面积满足如下公式：

其中n漏液孔13个数、π为圆周率、d₃为漏液孔13直径、N为阳极工件11所需加工微孔总个数、D₁为目标阵列微孔26直径。

液体分液装置6的四个角上均设有第二光孔27，第二光孔27内穿设有螺栓4，液体分液装置6通过连接有由上至下依次设置的阴极板8、绝缘板10和阳极工件11，液体分液装置6与阴极板8之间设有密封垫圈75，密封垫圈75上开有与螺栓4相配合的第一光孔21。阴极板8的四个角上均攻有与螺栓4螺纹连接的螺纹孔20，上述的第一光孔21、第二光孔27、螺纹孔20和螺栓4配合制作、使用。阴极板8上贯穿有多个呈阵列分布的第一阵列微孔14，阴极板8的底部设有多个位于第一阵列微孔14横向和纵向上的双向导流槽28，位于横向或纵向的所有双向导流槽28呈阵列分布，所有的双向导流槽28将所有的第一阵列微孔14相互连通，所有的双向导流槽28与第一阵列微孔14连接处的阴极板8均采用45°倒角设置，阴极板8的左右两侧还连通有对称设置的导出管17，导出管17通过焊接方法与阴极板8成45°角连接，导出管17的材质为不锈钢，导出管17的内孔直径Φ≤d₁，其中d₁为对称导出孔18的直径。

阴极板8的底部还设有包覆在导流槽外的O型环槽19，O型环槽19上分别设有与对应导出管17连通的对称导出孔18，其中对称导出孔18的直径d满足下列公式：

d＝(0.5-1.0)D₂

其中，D₂为进液口29的内孔直径。

O型环槽19内对称卡合有O型密封圈9，两个O型密封圈9之间留有与对称导出孔18宽度相同的间隙。阴极板8与绝缘板10保持一定压力接触，该压力范围在1kN-10kN且应满足下列公式：

F＝KΔd₂₂，Δd₂∈[0.1d₂,0.5d₂]

其中，K为O型密封圈9的弹性系数，d₂为O型密封圈9的直径，Δd₂为O型密封圈9的直径方向形变量。绝缘板10与阴极板8无缝贴合，且二者完全固定，使其在加工过程中无法产生相对位移。绝缘板10上设有多个呈阵列分布的第二阵列微孔15。阳极工件11与阴极板8之间电连接有电源25，阳极工件11上加工出目标阵列微孔26。

上述的液体分液装置6、阴极板8、螺栓4、垫圈5为不锈钢材质；密封垫圈75、O型密封圈9材质为橡胶。

本实施例的进液口29和导出管17之间还连接有外部电解液循环系统，外部电解液循环系统包括电解液池、循环管、抽水泵22。加压泵23、出液阀24和浊液槽，抽水泵22放置在电解液池中，抽水泵22与进液口29之间连接循环管，加压泵23安装在该处的循环管上。导出管17与浊液槽之间连接循环管，出液阀24安装在该处的循环管上。

本方案的加工方法包括如下步骤：

S1、液体分液装置6、密封垫圈75和阴极板8通过螺栓4经第一光孔21、第二光孔27、螺纹孔20紧固连接，确保工作液无法从装置侧面溢出；O型密封圈9置入阴极板8下O型环槽19内，并将上述连接好的结构与绝缘板10保持一定压力接触；液体分液装置6的连接口16与机床主轴1相连，超声振动发生器2固定在机床主轴1上；绝缘板10与阳极工件11无缝贴合。

S2、外部电解液循环系统与本电解加工装置串联配合使用，阴极板8与阳极工件11分别与电源25负极、正极相连。

S3、开启外部电解液循环系统，该系统通过抽水泵22、加压泵23、出液阀24的配合使用，保证工作液在液体分液装置6中保持高压，使其能够向工作区域输出均匀稳定的射流工作液；提供新的工作液的同时，将加工后的工作液和加工产物带出工作区。

S4、开启超声振动发生器2和计算机3，智能化监测、调整阴极板8的振动方向，可实现对阴极板8在x方向与y方向的实时可控调节，其耦合振动放向可与任意优化目标方向一致；阴极板8高频振动使得射流电解液交替正冲、侧冲阳极工件11。

S5、将工作时间控制在5-20s，保证阳极工件11上加工目标阵列微孔26符合加工需求；

S6、加工完成后关闭抽水泵22、多维可控超声振动发生器2，将工作区电解液排进后，更换阳极工件11，可实现高效自动化加工。

以上的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构和/或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (9)

1.一种表面微坑阵列结构超声平动射流电解加工装置，其特征在于：包括设置在机床主轴(1)上的超声振动发生器(2)和位于超声振动发生器(2)下方的液体分液装置(6)，所述液体分液装置(6)为内部中空且底部开口的箱体，所述液体分液装置(6)上设有进液口(29)，所述液体分液装置(6)内设有液体缓冲层(12)，所述液体缓冲层(12)上开设有多个漏液孔(13)，所述液体分液装置(6)连接有由上至下依次设置的阴极板(8)、绝缘板(10)和阳极工件(11)，所述阴极板(8)设有多个呈阵列分布的第一阵列微孔，所述阴极板(8)的底部设有多个位于第一阵列微孔横向和纵向上的双向导流槽，所有的所述双向导流槽将所有的第一阵列微孔相互连通，所述阴极板(8)上还连通有对称设置的导出管(17)，所述绝缘板(10)上设有多个呈阵列分布的第二阵列微孔(15)，所述阳极工件(11)与阴极板(8)之间电连接有电源(25)，所述阳极工件(11)上加工出目标阵列微孔(26)。

2.根据权利要求1所述的一种表面微坑阵列结构超声平动射流电解加工装置，其特征在于：所述液体分液装置(6)与阴极板(8)之间设有密封垫圈(7)，所述密封垫圈(7)上开有与螺栓相配合的第一光孔(21)。

3.根据权利要求1所述的一种表面微坑阵列结构超声平动射流电解加工装置，其特征在于：所述阴极板(8)的底部还设有包覆在导流槽外的O型环槽(19)，所述O型环槽(19)上分别设有与对应导出管(17)连通的对称导出孔(18)，所述O型环槽(19)内对称卡合有O型密封圈(9)，两个所述O型密封圈(9)之间留有与对称导出孔(18)宽度相同的间隙。

4.根据权利要求1所述的一种表面微坑阵列结构超声平动射流电解加工装置，其特征在于：所述液体分液装置(6)、阴极板(8)、螺栓(4)、垫圈(5)为不锈钢材质；所述密封垫圈(7)、O型密封圈(9)材质为橡胶。

5.根据权利要求1所述的一种表面微坑阵列结构超声平动射流电解加工装置，其特征在于：所述导出管(17)通过焊接方法与阴极板(8)成45°角连接，所述导出管(17)的材质为不锈钢，所述导出管(17)的内孔直径Φ≤d₁，其中d₁为对称导出孔(18)的直径。

6.根据权利要求5所述的一种表面微坑阵列结构超声平动射流电解加工装置，其特征在于：所述阴极板(8)与绝缘板(10)保持一定压力接触，该压力范围在1kN-10kN且应满足下列公式：

F＝KΔd₂₂，Δd₂∈[0.1d₂,0.5d₂]

其中，K为O型密封圈(9)的弹性系数，d₂为O型密封圈(9)的直径，Δd₂为O型密封圈(9)的直径方向形变量。

7.根据权利要求1所述的一种表面微坑阵列结构超声平动射流电解加工装置，其特征在于：所述液体缓冲层(12)的厚度为2-4mm，所述漏液孔(13)位于液体缓冲层(12)上纵向和横向的总数相同；所述漏液孔(13)的个数n满足如下公式：

n＝x²，x∈[2,10]

所述漏液孔(13)的总面积满足如下公式：

其中n漏液孔(13)个数、π为圆周率、d₃为漏液孔(13)直径、N为阳极工件(11)所需加工微孔总个数、D₁为目标阵列微孔(26)直径。

8.根据权利要求1所述的一种表面微坑阵列结构超声平动射流电解加工装置，其特征在于：所述对称导出孔(18)的直径d满足下列公式：

d＝(0.5-1.0)D₂

其中，D₂为进液口(29)的内孔直径。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的一种表面微坑阵列结构超声平动射流电解加工装置，其特征在于：所述电解加工装置的加工方法包括如下步骤：

S1、所述液体分液装置的连接口与机床主轴相连，所述液体分液装置和阴极板通过螺栓经第一光孔、第二光孔、螺纹孔紧固连接，所述阴极板与绝缘板保持一定压力接触，所述超声振动发生器固定在机床主轴上，所述绝缘板与阳极工件无缝贴合；

S2、阴极板与阳极工件分别与电源负极、正极相连；

S3、电解液在液体分液装置中保持高压，使其能够向工作区域输出均匀稳定的射流工作液；提供新的工作液的同时将加工后的工作液和加工产物带出工作区；

S4、开启超声振动发生器来调整阴极板的振动方向，可实现对阴极板在x方向与y方向的实时可控调节，其耦合振动放向可与任意优化目标方向一致；阴极板高频振动使得射流电解液交替正冲、侧冲阳极工件；

S5、将工作时间控制在5-20s，保证阳极工件上加工目标阵列微孔符合加工需求；

S6、加工完成后更换阳极工件，可实现高效自动化加工。

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