CN115582588A - 一种管电极及电解加工深小孔的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种管电极及电解加工深小孔的方法和装置，属于管电极技术领域，包括管电极本体，管电极本体内部中空，管电极本体上端为进液端、下端为出液端，出液端包括水平端面和倾斜端面，倾斜端面上设有端面绝缘层，管电极本体下部设有绝缘层，本发明的管电极能够实现加工区的脉动电场和脉动流场耦合，实现在高流速下电解加工，低流速下补充电解液和排出电解产物和热量，大幅提升加工间隙内电解产物排出效率，降低电解产物对加工过程的影响，从而提高深小孔电解加工效率、质量和稳定性从而提高深小孔的加工质量。

Description

一种管电极及电解加工深小孔的方法和装置

技术领域

本发明属于管电极技术领域，涉及深小孔电解加工技术领域，特别涉及一种管电极及电解加工深小孔的方法和装置。

背景技术

管电极电解加工是一种以中空金属管作为阴极对工件阳极进行电化学蚀除的加工工艺，其应用主要是在航空制造邻域，例如航空发动机的热端部件都广泛的应用了气膜冷却孔，每个叶片都有几十乃至数百个气膜冷却孔，而叶片材料大多数是难加工材料，传统工艺加工比较困难。电解加工有不受工件硬度的限制、加工后没有热再铸层及残余应力的优点，该方法非常适宜加工对热再铸层和微裂纹非常敏感的发动机热端部件。但传统管电极电解加工小孔尤其是深径比较大的深小孔尚存在一些问题，限制了它的发展与应用，尤其是随着加工深度的增加，电解液在运动过程中动能损失较很大，在加工间隙内流速下降明显，电解液的更新效率也随之降低，电解产物排出效率低，很容易产生短路，导致加工表面质量差且加工效率较低。

现有技术中专利号CN201910808116.0公开了一种具有促蚀物排出、抵消涡流、去残留峰、自纠偏功能的管电极，包括管电极本体，管电极本体包括贯穿中心的主通道、以及外部的管侧壁，管电极本体的下端部连接有喷头，主通道用于电解液的流通，管电极本体所在的管侧壁上相间分布有第一辅助斜通孔和第二辅助斜通孔，第一辅助斜通孔沿着管电极本体的管侧壁延伸方向斜向下；第二辅助斜通孔沿着管电极本体的管侧壁延伸方向斜向上，管电极本体所在的主通道内壁设置有内螺纹，喷头包括圆柱型的上凸台和下凸台，并贯穿喷头的轴向均匀对称设置有四个通道孔，以保证整个加工过程中无中心残留峰产生，上凸台的外壁设置有外螺纹，使主通道的内螺纹与喷头上的外螺纹相适配。该发明采用开设的第一辅助斜通孔和第二辅助斜通孔，用于抵消加工间隙内所产生的流场涡流、促进蚀除产物的及时排出，但是该装置不仅加工结构复杂，而且由于只对通孔进行涂覆绝缘层处理，其侧壁与工件之间仍然会产生电场，会形成杂散腐蚀，导致加工表面质量差，电解产物排出效率低，电解液更新效率低下。

综上，现有技术的管电极在深小孔电解加工中出现电解液更新效率低、电解产物排出效率低的问题，造成容易发生短路、导致加工质量差和效率低的问题。

发明内容

本发明为克服以上技术问题，提供一种管电极及电解加工深小孔的方法和装置解决现有技术中电解液更新效率低、电解产物排出效率低的问题。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：一种管电极，包括管电极本体，所述管电极本体内部中空，所述管电极本体上端为进液端、下端为出液端，所述出液端包括水平端面和倾斜端面，所述倾斜端面上设有端面绝缘层，所述管电极本体下部设有绝缘层。

优选的，所述水平端面为半圆面，所述倾斜端面的投影面为半圆面；即所述水平端面和倾斜端面相交于出液端投影于水平端面所在平面的中心。

优选的，所述倾斜端面与水平端面的夹角为20-80度。

优选的，所述进液端至水平端面的长度为70-100mm。

优选的，所述端面绝缘层和绝缘层的厚度均为10-30μm。

优选的，所述端面绝缘层和绝缘层的材质均采用特氟龙。

优选的，所述管电极本体采用金属，金属的导电性能及刚性选择较好的材质。

一种电解加工深小孔的方法，采用前述管电极，包括以下步骤：

步骤一：将工件固定安装在加工机床上，将管电极本体与中空旋转主轴电机的中空通液旋转主轴连接，所述中空旋转主轴电机安装在加工机床的竖向移动部上；

步骤二：将电源负极与管电极电本体上部未绝缘处连接，电源正极与工件电连接；

步骤三：将管电极本体的进液端外接电解液源，令电解液从进液端流向出液端喷出；

步骤四：启动加工机床，开启电源，中空旋转主轴电机带动管电极本体旋转，竖向移动平台控制管电极本体向工件方向移动并与工件保持100-300微米的加工间隙，管电极本体的水平端面提供电场对工件深度方向电解加工。

优选的，所述竖向移动平台控制管电极本体进给速度和进给量对工件深度方向进行加工。

优选的，所述绝缘层高度高于加工深度3-5mm。

优选的，所述步骤四管电极本体对工件加工时，所述水平端面与工件的初始间隙为0.2-0.5mm。

优选的，所述电解液源为氯化钠溶液。

一种用于前述电解加工深小孔的方法的电解加工装置，包括加工机床、电解液源和电源，所述加工机床包括定位部和竖向移动部，所述竖向移动部安装有中空旋转主轴电机用于连接管电极本体，所述定位部上设置有电解槽，所述电解槽内设有装载台用于固定工件，所述电解液源包括电解液箱，所述电解液箱的出液口与进液端连通。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

1、管电极在电解加工钻孔时，电解液从旋转的管电极中喷出，由于管电极倾斜端面的存在，在加工间隙内会产生一个稳定的脉动流场，从而将加工间隙内的电解产物和热量快速排出，尤其是在深小孔的加工中，与传统管电极电解加工相比，随着加工深度的增加，电解产物和热量的排出的优势更为明显，使得加工效率和精度得到显著提高；

2、由于管电极的下部侧壁和倾斜端面绝缘而水平端面未绝缘，直流电源供给电源，加工区的电场均为交替变化，形成脉动电场，离散材料溶解过程和产物分布；

3、在加工环境稳定及管电极旋转过程中，实现加工区的脉动电场和脉动流场耦合，实现在高流速下电解加工，低流速下补充电解液和排出电解产物和热量，大幅提升加工间隙内电解产物排出效率，降低电解产物对加工过程的影响，从而提高深小孔电解加工效率、质量和稳定性从而提高深小孔的加工质量。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为图1的主视图；

图3为A处放大图；

图4为水平端面和倾斜端面夹角示意图；

图5为本发明倾斜端面超出出液端中部的结构示意图；

图6为图5的主视图；

图7为B处放大图；

图8为本发明倾斜端面未超出出液端中部的结构示意图；

图9为图8的主视图；

图10为C处放大图；

图11为电解加工装置结构示意图；

图12为电解加工深小孔电解液流向示意图；

图13为脉动流场和脉动电场耦合数据图；

其中：1、管电极本体；2、进液端；3、出液端；4、水平端面；5、倾斜端面；6、端面绝缘层；7、绝缘层；10、加工机床；11、电解液源；12、电源；13、定位部；14、竖向移动部；15、电解槽；16、装载台；17、电解液箱。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1：

参考图1-10，一种管电极，包括管电极本体1，管电极本体1内部中空，管电极本体1上端为进液端2、下端为出液端3，出液端3包括水平端面4和倾斜端面5，倾斜端面5上设有端面绝缘层6，管电极本体1下部设有绝缘层7。

管电极在使用时，其内部中空的结构用于流通电解液，上端设置有进液端2用于进入电解液，下端设有出液端3，用于从上端至下端电解液流出，管电极本体1上部未覆盖绝缘层的部位连接供电电源的负极，待加工的工件连接供电电源的正极，结合出液端3流出的电解液，基于电化学阳极溶解原理，利用管电极本体1未覆盖绝缘层的水平端面4的位置提供电场；同时电解液带走电解产物和热量，电解液从出液端的水平端面4和倾斜端面5流出，通过加工间隙排出加工区域。

管电极使用时的工作原理：管电极本体1高速旋转，由于管电极本体1下部侧壁设有绝缘层7，向工件深度方向加工时，侧壁不会产生电场，不会对工件进行电解加工；出液端3的倾斜端面5由于设有端面绝缘层6，向深度方向加工时不会产生电场，只进行电解液冲刷带走电解产物和热量并补充电解液；只有水平端面4未设有绝缘层，会在水平端面4所处的加工区产生电场，产生对工件深度方向的电解加工，在管电极本体1旋转的情况下，工件加工区的电场均为交替变化，形成脉动电场，离散材料溶解过程和产物分布；

电解液从出液端3流出，从倾斜端面5、水平端面4流向加工区，并从加工间隙流向上方流出，倾斜端面5流入加工间隙的电解液流量及流速不同与水平端面4，倾斜端面5处流出的电解液转角大，流速较小，但是容易排出电解产物；在管电极本体1的旋转下，加工区的流场不断交替变化，在加工间隙内会形一个脉动流场，利用其紊动能量大和扰动性强的特点强化轴向冲液效果。

在脉动流场和脉动电场的脉动耦合作用下可大幅提升加工间隙内电解产物排出效率，实现在水平端面4处流场高流速下电解加工，倾斜端面5处流场低流速下补充电解液和排出电解产物和热量，降低其对加工过程的影响，从而提高电解加工效率、质量和稳定性。

更进一步地实施例中，参考图1-3，水平端面1021为半圆面，倾斜端面5的投影面为半圆面；水平端面4和倾斜端面5相交于出液端3的中部，此时倾斜端面5与水平端面4均分管电极本体1，电解液从进液端2流入后，分别从水平端面4和倾斜端面5流出，流量相同，水平端面4的电场范围能够保持加工效率，倾斜端面5形成的脉动流场更稳定；

也能够改变倾斜端面5占比，来调节加工电场的大小，适应不同的电解加工要求；参考图5-7，倾斜端面5超过出液端3的中部，整体占比大于水平端面4，此时水平端面4的面积较小，加工电场较小；

参考图8-10，倾斜端面5未超过出液端3的中部，整体占比小于水平端面4，此时水平端面4的面积较大，加工电场较大。

更进一步地实施例中，参考图4，倾斜端面5与水平端面4的夹角θ为20-80度；产生一定角度后，使得该处流速相较于水平端面4较小，通过改变倾斜端面5与水平面之间夹角的大小，来改变电解液流出时的脉动流场；通过调节倾斜端面5的倾斜角度使得电解液的冲出电解产物和带走热量的效果更好。

更进一步地实施例中，进液端1至水平端面4的长度为70-100mm。

更进一步地实施例中，端面绝缘层6和绝缘层7的厚度均为10 -30μm。

实施例2：

一种电解加工深小孔的方法，采用实施例1的管电极，包括以下步骤：

步骤一：将工件固定安装在加工机床上，将管电极本体1与中空旋转主轴电机的中空通液旋转主轴连接，所述中空旋转主轴电机安装在加工机床的竖向移动部上；

步骤二：将电源负极与管电极本体1上部未绝缘处电连接，电源正极与工件电连接；

步骤三：将管电极本体1的进液端2外接电解液源，令电解液从进液端2流向出液端3喷出；

步骤四：启动加工机床，开启电源，中空旋转主轴电机带动管电极本体1旋转，竖向移动平台控制管电极本体1向工件方向移动并与工件保持100-300微米的加工间隙，管电极本体1的水平端面4提供电场对工件深度方向电解加工。

现有技术中加工机床具有竖向移动平台的装置，一般为Z轴移动平台，控制物体竖直方向的移动，带有的中空旋转主轴电机能够旋转物体转动，电源采用直流电源，电解液源采用能够供给电解液的液源，例如中性盐溶液；以上均可采用本领域的现有设备，且是本领域技术人员熟知的，不是本申请的主要技术特征；

具体在于使用过程，按照步骤一将管电极、待加工的工件固定好位置，然后将电源负极连接管电极本体1，具体连接管电极本体1上部未绝缘的位置，电源正极连接待加工的工件，将电解液源连通管电极本体1的进液端2，电解液从进液端2流入管电极本体1内部然后从出液端3流出，对工件进行电解；

竖向移动平台带动管电本体1沿竖直方向移动并由中空旋转主轴电机带动管电极本体1高速旋转，水平端面4未设有绝缘层，会在水平端面4所处的加工区产生电场，产生对工件深度方向的电解加工，倾斜端面5由于设有端面绝缘层6，向深度方向加工时不会产生电场，只进行电解液冲刷带走电解产物和热量并补充电解液；管电极本体1深度方向的工件加工区电场均为交替变化，形成脉动电场；倾斜端面5处流出的电解液转角大，流速较小，在管电极本体1的旋转下，加工区的流场不断交替变化，在加工间隙内会形一个脉动流场；脉动电场和脉动流场耦合对工件深度方向进行电解加工，提高电解产物的排出效率，降低电解产物对加工过程的影响，，从而提高深小孔的电解加工效率、质量和稳定性。与传统管电极电解加工相比，随着加工深度的增加，电解产物和热量的排出的优势会更明显。

更进一步地实施例中，竖向移动平台控制管电极本体1进给速度和进给量对工件深度方向进行加工，深度方向即竖直方向，通过竖向移动平台控制管电极本体1的在竖向的加工速度和加工深度来按照加工要求对工件加工。

更进一步地实施例中，绝缘层7高度高于加工深度3-5mm，加工时绝缘效果好，防止侧壁产生电场，防止漏电。

更进一步地实施例中，步骤四管电极本体1对工件加工时，水平端面4与工件的初始间隙为0.2-0.5mm，用于提供初始的加工空间。

实施例3：

一种用于前述电解加工深小孔的方法的电解加工装置，参考图11，包括加工机床10、电解液源11和电源12，加工机床10包括定位部13和竖向移动部14，竖向移动部14安装有中空旋转主轴电机1401用于连接管电极本体1，定位部13上设置有电解槽15，电解槽15内设有装载台16用于固定工件，电解液源11包括电解液箱17，电解液箱17的出液口与进液端2连通。。

在具体实施过程中，使用时，将工件固定在定位部13的电解槽15内，管电极的管电极本体1与中空旋转主轴电机1401连接，电源负极与管电极本体1上部，即不绝缘的部位连接，电源正极与工件连接，电解液源11的电解液箱17内有电解液，从电解液箱17的出液端输送至进液端2，由出液端3流出形成电解环境，电解液从加工间隙流出带动电解产物一起流出工件与管电极本体1的加工间隙，流入电解槽15收集，防止污染环境；管电极本体1由中空旋转主轴电机1401带动其高速旋转，来改变水平端面4和倾斜端面5的位置，从而形成脉动电场和脉动流场，使得加工质量更好，效率更高。

更进一步地实施例中，电解液箱17出液口通过高压水泵18与进液端2连通，连通管路上设置高压水阀19；用于控制电解液的流通速度与压力。

更进一步地实施例中，中空旋转主轴电机1401采用的型号为GS105/20。

实施例4：

在前述实施例的基础上，本实施例采用本发明的管电极进行深小孔加工，采用水平端面4和倾斜端面5相交于出液端3的中部的管电极，水平端面4为半圆面；参考图1-3；电源采用直流电源20V，管电极的转速为2000rmp，电解液的内喷压力为1.2Mpa，倾斜端面5与水平面夹角为40度，参考图12，管电极本体1下方与工件之间的间隙所在的加工区测量点100，随着管电极本体1旋转的角度，电场强度和电解液流速的数据图，具体数据见图13，可以看出此脉动流场和脉动电场脉动耦合电解加工深小孔的方法能够实现在高流速下电解加工；低流速下，电场强度小不进行电解加工，此时补充电解液和排出电解产物；脉动流场能够强化加工间隙内的冲液效果，脉动电场能够离散材料溶解过程和产物分布，两者耦合可大幅提升加工间隙内电解产物排出效率，降低其对加工过程的影响，从而提高深小孔电解加工效率、质量和稳定性。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种管电极，其特征在于：包括管电极本体(1)，所述管电极本体(1)内部中空，所述管电极本体(1)上端为进液端(2)、下端为出液端(3)，所述出液端(3)包括水平端面(4)和倾斜端面(5)，所述倾斜端面(5)上设有端面绝缘层(6)，所述管电极本体(1)下部设有绝缘层(7)。

2.根据权利要求1所述的一种管电极，其特征在于：所述水平端面(1021)为半圆面，所述倾斜端面(5)的投影面为半圆面。

3.根据权利要求1或2所述的一种管电极，其特征在于：所述倾斜端面(5)与水平端面(4)的夹角为20-80度。

4.根据权利要求3所述的一种管电极，其特征在于：所述进液端(1)至水平端面(4)的长度为70-100mm。

5.根据权利要求3所述的一种管电极，其特征在于：所述端面绝缘层(6)和绝缘层(7)的厚度均为10-30μm。

6.一种电解加工深小孔的方法，其特征在于：采用权利要求1-5任一所述的管电极，包括以下步骤：

步骤一：将工件固定安装在加工机床上，将管电极本体(1)与中空旋转主轴电机的中空通液旋转主轴连接，所述中空旋转主轴电机安装在加工机床的竖向移动部上；

步骤二：将电源负极与管电极本体(1)上部未绝缘处电连接，电源正极与工件电连接；

步骤三：将管电极本体(1)的进液端(2)外接电解液源，令电解液从进液端(2)流向出液端(3)喷出；

步骤四：启动加工机床，开启电源，中空旋转主轴电机带动管电极本体(1)旋转，竖向移动平台控制管电极本体(1)向工件方向移动并与工件保持100-300微米的加工间隙，水平端面(4)提供电场对工件深度方向电解加工。

7.根据权利要求6所述的一种电解加工深小孔的方法，其特征在于：所述竖向移动平台控制管电极本体(1)进给速度和进给量对工件深度方向进行加工。

8.根据权利要求6所述的一种电解加工深小孔的方法，其特征在于：所述绝缘层(7)高度高于加工深度3-5mm。

9.根据权利要求6所述的一种电解加工深小孔的方法，其特征在于：所述步骤四管电极本体(1)对工件加工时，所述水平端面(4)与工件的初始间隙为0.2-0.5mm。

10.一种用于权利要求6-9任一所述电解加工深小孔的方法的电解加工装置，包括加工机床(10)、电解液源(11)和电源(12)，所述加工机床(10)包括定位部(13)和竖向移动部(14)，其特征在于：所述竖向移动部(14)安装有中空旋转主轴电机(1401)用于连接管电极本体(1)，所述定位部(13)上设置有电解槽(15)，所述电解槽(15)内设有装载台(16)用于固定工件，所述电解液源(11)包括电解液箱(17)，所述电解液箱(17)的出液口与进液端(2)连通。

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