CN115740656A - 孔内表面竹节状结构电解加工电极及加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电解加工技术领域，公开一种孔内表面竹节状结构电解加工电极及使用该电极进行孔内表面竹节状结构加工的加工方法，电极包括：内层金属管，内层金属管的底端形成有环形金属凸缘；与内层金属管同轴设置，且外径等于环形金属凸缘外径的外层金属管，外层金属管套设于内层金属管的外侧壁上；绝缘结构，内层金属管的外侧壁与外层金属管的内侧壁以及外层金属管的底端与环形金属凸缘的顶端均通过绝缘结构隔开；至少一个绝缘套，各个绝缘套均嵌套于外层金属管的外侧壁上，全部绝缘套沿外层金属管的轴线方向依次设置。利用该电极进行孔内表面竹节状结构加工，无需进行大量基础试验积累进给速度‑电压‑孔径数据，且加工效率更高。

Description

孔内表面竹节状结构电解加工电极及加工方法

技术领域

本发明涉及电解加工技术领域，特别是涉及一种孔内表面竹节状结构电解加工电极及加工方法。

背景技术

随着高新技术产品性能要求的快速发展，复杂内部特征小孔、异型微小孔等被广泛应用于国防、医疗等领域。例如航空发动机涡轮叶片肋状冷却通道，其内表面呈竹节状结构，由两种不同直径的孔组成，且两种不同直径的孔间隔设置，竹节状结构可以增强气流的湍流程度来提高涡轮叶片的散热效率，进而提高航空发动机功率，由于加工原理的限制，机械加工、激光加工、电火花加工等常见的孔加工方法均无法实现上述竹节状结构孔内表面的加工。

管电极电解加工选用成型中空金属管作为工具电极，加工时，工件接电源正极，管电极接电源负极；管电极底部与工件之间保持一定的初始加工间隙(管电极底部与工件之间的距离)，当在工件与管电极之间施加一定的加工电压后，电极端部正对区域的材料发生电化学阳极溶解，工件材料以离子形式去除。通过机床Z轴带动管电极相对工件相向运动，就可加工出孔结构，其特别适合于深小孔、群孔、特殊截面形状型孔的加工。该技术具有无工具电极损耗，加工表面无残余应力、无重铸层与微裂纹缺陷等优点，管电极电解加工能够实现上述竹节状结构孔内表面的加工。

目前管电极电解加工通常通过在加工过程中动态调节加工电压和电极进给速度等参量以及改变侧面加工间隙(管电极外壁与所加工表面之间的距离)大小，来实现孔内表面竹节状结构的加工。该方式存在以下缺陷：1、需要进行大量基础试验积累进给速度-电压-孔径数据；2、变进给速度加工耗费时间长，加工效率低。

因此，如何克服上述缺陷成为本领域技术人员目前所亟待解决的问题。

发明内容

为解决以上技术问题，本发明提供一种无需进行大量基础试验积累进给速度-电压-孔径数据，且能够提高加工效率的孔内表面竹节状结构电解加工电极及孔内表面竹节状结构加工方法。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种孔内表面竹节状结构电解加工电极，包括：内层金属管，所述内层金属管的底端沿径向向外凸出形成有环形金属凸缘；外层金属管，所述外层金属管套设于所述内层金属管的外侧壁上，所述外层金属管与所述内层金属管同轴设置，所述外层金属管的外径等于所述环形金属凸缘的外径；绝缘结构，所述内层金属管的外侧壁与所述外层金属管的内侧壁以及所述外层金属管的底端与所述环形金属凸缘的顶端均通过所述绝缘结构隔开；至少一个绝缘套，所述外层金属管的外侧壁上设置有至少一个环形凹槽，全部所述环形凹槽沿所述外层金属管的轴线方向依次设置，所述绝缘套的形状与所述环形凹槽的形状相匹配，所述绝缘套与所述环形凹槽一一对应，各个所述绝缘套均设置于各自所对应的所述环形凹槽内。

进一步地，所述内层金属管的外侧壁上以及所述环形金属凸缘的顶端均设置有绝缘胶水，所述绝缘胶水固化后形成所述绝缘结构。

进一步地，所述外层金属管采用耐腐蚀金属材料制成。

进一步地，所述绝缘套的数量为三个。

本发明还提供一种孔内表面竹节状结构加工方法，使用所述的孔内表面竹节状结构电解加工电极对孔内表面竹节状结构进行加工，包括以下步骤：

步骤一，直孔加工，将所述内层金属管与电源的负极相连，将所述外层金属管和工件均与所述电源的正极相连，且所述外层金属管所取电位值等于所述工件的电位值，将所述孔内表面竹节状结构电解加工电极的底端与所述工件相对，在所述孔内表面竹节状结构电解加工电极的内层金属管的内部持续通入流动的电解液，并朝向靠近所述工件的方向匀速移动所述孔内表面竹节状结构电解加工电极，利用所述孔内表面竹节状结构电解加工电极的底端逐渐腐蚀所述工件，以形成所述直孔；

步骤二，在所述直孔的内表面加工所述竹节状结构，所述直孔加工完成后，所述内层金属管不通电，将所述外层金属管与所述电源的负极相连，所述孔内表面竹节状结构电解加工电极的位置保持不变，利用所述外层金属管外侧壁不设置所述绝缘套的部分腐蚀所述直孔的内表面，以在所述直孔的内表面形成所述竹节状结构。

进一步地，所述工件设置于机床的工作台上，所述孔内表面竹节状结构电解加工电极与所述机床的Z轴相连，利用所述机床的所述Z轴驱动所述孔内表面竹节状结构电解加工电极朝向靠近所述工件的方向匀速移动。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

1、利用本发明提供的孔内表面竹节状结构电解加工电极进行孔内表面竹节状结构加工时，先控制整个电极匀速下移加工出一个直孔，之后保持电极位置不变，在直孔的内表面来成形竹节状结构。与变进给速度实现竹节状结构相比，利用本发明提供的孔内表面竹节状结构电解加工电极进行孔内表面竹节状结构加工，耗时更短，加工效率更高；

2、利用本发明提供的孔内表面竹节状结构电解加工电极进行孔内表面竹节状结构加工时，整个加工过程无需调整进给速度和加工电压，只需要控制原位电解时长(电极位置不变的时间)，即可在直孔的内表面形成竹节状结构，如此，有效简化了控制，且无需进行大量基础试验积累进给速度-电压-孔径数据；

3、直孔加工时，外层金属管所取电位值等于工件的电位值，加工间隙内电场分布集中在底部加工间隙处，减小了侧面间隙内杂散电流腐蚀作用，提高了直孔加工精度与孔壁表面质量；

4、本发明提供的孔内表面竹节状结构电解加工电极设置环形金属凸缘，且内层金属管的外侧壁与外层金属管的内侧壁以及外层金属管的底端与环形金属凸缘的顶端均通过绝缘结构隔开，如此，绝缘结构的底端设置于外层金属管和环形金属凸缘之间，如此，有效避免了电解液冲击绝缘结构底端，导致绝缘结构十分容易损坏的情况发生，通过设置环形金属凸缘有效延长了绝缘结构的使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中提供的孔内表面竹节状结构电解加工电极的结构示意图；

图2为本发明实施例中提供的孔内表面竹节状结构电解加工电极的剖视图；

图3为本发明实施例中提供的孔内表面竹节状结构电解加工电极与工件及机床的配合方式示意图；

图4为利用本发明实施例中提供的孔内表面竹节状结构电解加工电极加工直孔初始时的结构示意图；

图5为利用本发明实施例中提供的孔内表面竹节状结构电解加工电极加工直孔时的结构示意图；

图6为利用本发明实施例中提供的孔内表面竹节状结构电解加工电极在直孔内表面加工竹节状结构时的结构示意图。

附图标记说明：100、孔内表面竹节状结构电解加工电极；1、内层金属管；2、环形金属凸缘；3、外层金属管；4、绝缘结构；5、绝缘套；6、电源；7、工件；8、工作台；9、Z轴；10、直孔；11、竹节状结构。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种无需进行大量基础试验积累进给速度-电压-孔径数据，且能够提高加工效率的孔内表面竹节状结构电解加工电极及孔内表面竹节状结构加工方法。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参考图1-图6所示，本实施例提供一种孔内表面竹节状结构电解加工电极100，包括：内层金属管1，内层金属管1的底端沿径向向外凸出形成有环形金属凸缘2；外层金属管3，外层金属管3套设于内层金属管1的外侧壁上，外层金属管3与内层金属管1同轴设置，外层金属管3的外径等于环形金属凸缘2的外径；绝缘结构4，内层金属管1的外侧壁与外层金属管3的内侧壁以及外层金属管3的底端与环形金属凸缘2的顶端均通过绝缘结构4隔开；至少一个绝缘套5，外层金属管3的外侧壁上设置有至少一个环形凹槽，全部环形凹槽沿外层金属管3的轴线方向依次设置，绝缘套5的形状与环形凹槽的形状相匹配，绝缘套5与环形凹槽一一对应，各个绝缘套5均设置于各自所对应的环形凹槽内，环形凹槽的宽度和相邻两个环形凹槽之间的间距根据竹节状结构11两种不同直径的孔的设置方式而定。利用本实施例提供的孔内表面竹节状结构电解加工电极100进行孔内表面竹节状结构11加工，无需进行大量基础试验积累进给速度-电压-孔径数据，且加工效率更高。

于本实施例中，内层金属管1的外侧壁上以及环形金属凸缘2的顶端均设置有绝缘胶水，绝缘胶水固化后形成绝缘结构4。具体地，在内层金属管1的外侧壁与外层金属管3的内侧壁之间以及环形金属凸缘2的顶端以及外层金属管3的底端之间均设置绝缘胶水，之后进行烘干处理，使绝缘胶水固化，绝缘胶水固化后，外层金属管3牢固连接于内层金属管1的外侧壁上。需要说明的是，绝缘结构4并不仅限于采用上述方式制成，这里仅举例说明。例如，还可以采用绝缘材料制成管状结构，利用该管状结构来充当绝缘结构4。

于本实施例中，为了避免加工时外层金属管3受到杂散腐蚀而导致电极损耗，外层金属管3采用耐腐蚀金属材料制成。具体采用何种材料，根据实际需要而定。

于本实施例中，绝缘套5的数量为三个。需要说明的是，绝缘套5的数量并不仅限于为三个，根据实际竹节状结构形貌来决定，这里仅举例说明。

参考图3-图6所示，本实施例还提供一种孔内表面竹节状结构11加工方法，使用孔内表面竹节状结构电解加工电极100对孔内表面竹节状结构11进行加工，包括以下步骤：

步骤一，直孔10加工，如图3和图5所示，将内层金属管1与电源6的负极相连，将外层金属管3和工件7均与电源6的正极相连，且外层金属管3所取电位值等于工件7的电位值，将孔内表面竹节状结构电解加工电极100的底端与工件7相对，在孔内表面竹节状结构电解加工电极100的内层金属管1的内部持续通入高速(5～50m/s)流动的电解液，并朝向靠近工件7的方向匀速移动孔内表面竹节状结构电解加工电极100，利用孔内表面竹节状结构电解加工电极100的底端逐渐腐蚀工件7，以形成直孔10；

步骤二，在直孔10的内表面加工竹节状结构11，如图6所示，直孔10加工完成后，内层金属管1不通电，将外层金属管3与电源6的负极相连，孔内表面竹节状结构电解加工电极100的位置保持不变，利用外层金属管3外侧壁不设置绝缘套5的部分(外层金属管3外侧壁除去绝缘套5剩余的部分)腐蚀直孔10的内表面，以在直孔10的内表面形成竹节状结构11。

内层金属管1在直孔10加工阶段与电源6正极相连，用于工件7材料的去除，实现直孔10的加工；外层金属管3在不同加工阶段有着不同的作用，在直孔10加工时，外层金属管3与电源6正极相连，由于此时外层金属管3与待加工工件7之间同为正电位，加工间隙内电场分布集中在底部加工间隙(孔内表面竹节状结构电解加工电极100底部与工件7之间的距离)处，减小了侧面间隙内杂散电流腐蚀作用，提高直孔10加工精度与孔壁表面质量，在竹节状结构11加工时，外层金属管3则用于去除直孔10壁面材料，实现竹节状结构11的加工。

竹节状结构11的加工原理如下：

由于外层金属管3外表面覆盖有分段的绝缘套5，因此外层金属管3未绝缘部分(不设置绝缘套5的部分)所对的工件7区域受到电化学溶解被腐蚀，形成大直径节段，外层金属管3绝缘部分(设置有绝缘套5的部分)所对的工件7区域不受电场影响而保持原貌，作为小直径节段，进而形成竹节状结构11。绝缘套5的具体数量根据小直径节段的数量而定。

另外，具体加工过程中，电解液从内层金属管1顶部流入，由内层金属管1底部流出，进入直孔10。常规管电极电解加工孔内表面竹节状结构11时，随着电极的进给，在不同深度方向，电极与孔壁之间的间隙变化会使间隙内电解液流动不稳定，容易引起电极振动，使得流动电解液在加工区容易分布不均，导致加工区域材料溶解速率不一致，导致孔的加工精度低，相较于该加工方式，采用本发明先加工直孔10，再通过原位电解加工内部竹节状结构11的方法，可以使间隙内电解液流动更加稳定，使得电极振动更小，进而采用本发明先加工直孔10，再通过原位电解加工内部竹节状结构11的方法能够提高加工精度。

于本实施例中，工件7设置于机床的工作台8上，孔内表面竹节状结构电解加工电极100与机床的Z轴9相连，利用机床的Z轴9驱动孔内表面竹节状结构电解加工电极100朝向靠近工件7的方向匀速移动。

于本实施例中，如图4所示，在直孔10加工之前，孔内表面竹节状结构电解加工电极100与工件7之间保持预设的初始加工间隙，具体大小根据实际情况而定。

于本实施例中，可通过将内层金属管1与电源6负极之间的连接断开来实现内层金属管1不通电，但并不仅限于采用该方式，这里仅举例说明。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种孔内表面竹节状结构电解加工电极，其特征在于，包括：

内层金属管，所述内层金属管的底端沿径向向外凸出形成有环形金属凸缘；

外层金属管，所述外层金属管套设于所述内层金属管的外侧壁上，所述外层金属管与所述内层金属管同轴设置，所述外层金属管的外径等于所述环形金属凸缘的外径；

绝缘结构，所述内层金属管的外侧壁与所述外层金属管的内侧壁以及所述外层金属管的底端与所述环形金属凸缘的顶端均通过所述绝缘结构隔开；

至少一个绝缘套，所述外层金属管的外侧壁上设置有至少一个环形凹槽，全部所述环形凹槽沿所述外层金属管的轴线方向依次设置，所述绝缘套的形状与所述环形凹槽的形状相匹配，所述绝缘套与所述环形凹槽一一对应，各个所述绝缘套均设置于各自所对应的所述环形凹槽内。

2.根据权利要求1所述的孔内表面竹节状结构电解加工电极，其特征在于，所述内层金属管的外侧壁上以及所述环形金属凸缘的顶端均设置有绝缘胶水，所述绝缘胶水固化后形成所述绝缘结构。

3.根据权利要求1所述的孔内表面竹节状结构电解加工电极，其特征在于，所述外层金属管采用耐腐蚀金属材料制成。

4.根据权利要求1所述的孔内表面竹节状结构电解加工电极，其特征在于，所述绝缘套的数量为三个。

5.一种孔内表面竹节状结构加工方法，其特征在于，使用如权利要求1-4任一项所述的孔内表面竹节状结构电解加工电极对孔内表面竹节状结构进行加工，包括以下步骤：

步骤一，直孔加工，将所述内层金属管与电源的负极相连，将所述外层金属管和工件均与所述电源的正极相连，且所述外层金属管所取电位值等于所述工件的电位值，将所述孔内表面竹节状结构电解加工电极的底端与所述工件相对，在所述孔内表面竹节状结构电解加工电极的内层金属管的内部持续通入流动的电解液，并朝向靠近所述工件的方向匀速移动所述孔内表面竹节状结构电解加工电极，利用所述孔内表面竹节状结构电解加工电极的底端逐渐腐蚀所述工件，以形成所述直孔；

步骤二，在所述直孔的内表面加工所述竹节状结构，所述直孔加工完成后，所述内层金属管不通电，将所述外层金属管与所述电源的负极相连，所述孔内表面竹节状结构电解加工电极的位置保持不变，利用所述外层金属管外侧壁不设置所述绝缘套的部分腐蚀所述直孔的内表面，以在所述直孔的内表面形成所述竹节状结构。

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