CN116551089A - 一种恒电流管电极电解加工深小孔的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种恒电流管电极电解加工深小孔的装置，涉及电解加工技术领域，装置包括控制终端、输出电源、第一承载组件、电解液储液组件、电极夹头、管状电极和第二承载组件；输出电源的正极与待加工工件连接，输出电源的负极与电极夹头连接，输出电源用于依据恒定电流指令输出恒定电流；电极夹头还与电解液储液组件通过管路连通；电解液储液组件用于依据恒定流量指令为电极夹头供给恒定流量的电解液；管状电极设置在电极夹头上，电极夹头设置在第二承载组件上；所述第二承载组件用于依据恒速移动指令带动电极夹头向待加工工件的方向恒速进给，以使得管状电极对待加工工件进行电解加工得到深小孔。本发明提高了深小孔加工的鲁棒性和加工精度。

Description

一种恒电流管电极电解加工深小孔的装置

技术领域

本发明涉及电解加工技术领域，特别是涉及一种恒电流管电极电解加工深小孔的装置。

背景技术

航空发动机、自主重型燃气轮机、防空战术武器等重大装备对超大深径比孔的制造提出极端要求：如叶片尾缘直径1mm径向冷却孔可达深度200mm以上，要求加工表面不允许有重铸层、微裂纹、绣斑等现象。由于现有机械和特种能场制孔技术无法同时满足深小孔的加工精度、表面完整性和绿色清洁制造要求，限制了重大装备设计功能的实现和规模化应用。

电解加工具有无加工应力、无工具损耗等优点，是航空航天领域高温合金、钛合金等难切削加工材料的热门制造技术。管电极电解制孔是美国GE公司为解决航空发动机超合金材料深小孔加工难题提出的技术方法，采用浓度100g/L-200g/L的HNO₃或H₂SO₄溶液作为电解液。李兆龙等研究了电解液压力、工具电极进给速度等工艺参数的影响规律，通过阶段性的改变电解液压力来提高超深小孔加工精度和加工效率，加工出深径比85、直径2.9mm的深孔，但是加工精度一般。酸性溶液对机床维护要求高，工作液环保处理成本昂贵。采用中性盐溶液进行管电极电解制孔，可以显著对环境的友好性和降低加工成本，但深小孔加工存在产物排出困难、加工稳定性变差等问题，限制了其在深小孔加工方面的应用。

现有的管电极电解加工深小孔时，均采用恒电压，孔径一致性问题尤为突出。气体与焦耳热排出过程受加工深度增加而变化，引起加工区电解液电导率和孔底电流密度分布波动，影响阳极工件材料溶解速度，从而造成加工孔径波动，影响深小孔加工精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种恒电流管电极电解加工深小孔的装置，通过恒电流控制，提高深小孔加工鲁棒性和加工精度。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种恒电流管电极电解加工深小孔的装置，包括控制终端、输出电源、第一承载组件、电解液储液组件、电极夹头、管状电极和第二承载组件；

所述控制终端用于生成恒速移动指令、恒定流量指令和恒定电流指令；

所述第一承载组件用于容置待加工工件；

所述输出电源的正极与所述待加工工件连接，所述输出电源的负极与所述电极夹头连接，所述输出电源还与所述控制终端连接，所述输出电源用于依据所述恒定电流指令输出恒定电流；

所述电极夹头还与所述电解液储液组件通过管路连通；所述电解液储液组件与所述控制终端电连接，所述电解液储液组件用于依据所述恒定流量指令，为所述电极夹头供给恒定流量的电解液；

所述管状电极设置在所述电极夹头上，所述电极夹头设置在所述第二承载组件上；所述第二承载组件与所述控制终端连接，所述第二承载组件用于依据所述恒速移动指令，带动所述电极夹头向所述待加工工件的方向恒速进给，以使得所述管状电极对所述待加工工件进行电解加工，得到深小孔。

可选地，所述控制终端，具体包括：

数据获取模块，用于获取预设电解液流量值、预设加工速度、预设深小孔加工孔径、待加工工件的材料体积电化学当量和电流效率；

指令生成模块，与所述数据获取模块连接，用于：

根据所述预设加工速度、所述预设深小孔加工孔径、所述待加工工件的材料体积电化学当量和所述电流效率，计算当前加工电流值；

生成加工速度为所述预设加工速度的恒速移动指令，生成电解液流量为所述预设电解液流量值的恒定流量指令，生成电流为所述当前加工电流值的恒定电流指令。

可选地，所述控制终端还包括加工时间计算模块；

所述数据获取模块还用于获取预设深小孔加工深度；

所述加工时间计算模块用于根据所述预设深小孔加工深度和所述预设加工速度，计算当次加工时长；

所述指令生成模块还用于在管状电极对所述待加工工件进行电解加工的时长等于所述当次加工时长时，生成电解停止指令；所述电解停止指令用于指示所述第二承载组件停止进给移动、所述输出电源停止输出电流以及所述电解液储液组件停止输出电解液。

可选地，所述电解液储液组件包括电解液储液箱、计量泵和流量计；

所述电解液储液箱与所述电极夹头之间通过管路连通，所述管路上设置所述计量泵和所述流量计。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明公开一种恒电流管电极电解加工深小孔的装置，输出电源的正极与待加工工件连接，输出电源的负极与电极夹头连接，输出电源依据恒定电流指令输出恒定电流；电解液储液组件依据恒定流量指令为电极夹头供给恒定流量的电解液；管状电极设置在电极夹头上，电极夹头设置在第二承载组件上，第二承载组件依据恒速移动指令，带动电极夹头向所待加工工件的方向恒速进给，以使得管状电极对待加工工件进行电解加工得到深小孔。本发明通过采用恒电流的方式进行电解加工，能够抑制压力、电导率等波动对加工精度的影响，提高了深小孔加工鲁棒性；本发明同时控制输送至加工区域电解液流量恒定，使得加工区电解液流速保持不变，电解液始终可以及时更新，保证了深小孔加工的产物及时排出，提高了加工稳定性。

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明恒电流管电极电解加工深小孔的装置实例的结构示意图。

符号说明：

1-电解液储液箱，2-阀门，3-计量泵，4-第一压力传感器，5-流量计，6-压力表，7-电极夹头，8-主轴进给装置，9-机床本体，10-管状电极，11-第二压力传感器，12-XY运动工作台，13-待加工工件，14-工作箱，15-电解液，16-运动控制卡，17-输出电源，18-电流传感器，19-数据采集卡，20-工控机。

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。

本发明提供一种恒电流管电极电解加工深小孔的装置，提高深小孔加工鲁棒性。

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。

本发明恒电流管电极电解加工深小孔的装置，包括控制终端、输出电源、第一承载组件、电解液储液组件、电极夹头、管状电极和第二承载组件。所述第一承载组件用于容置待加工工件。

所述控制终端用于生成恒速移动指令、恒定流量指令和恒定电流指令。具体地，控制终端包括数据获取模块、指令生成模块和加工时间计算模块。

数据获取模块用于获取预设电解液流量值、预设深小孔加工深度、预设加工速度、预设深小孔加工孔径和待加工工件的材料体积电化学当量。

所述加工时间计算模块用于根据所述预设深小孔加工深度和所述预设加工速度，计算当次加工时长。

指令生成模块与所述数据获取模块和所述加工时间计算模块连接，用于：

1)根据所述预设加工速度υ_c、所述预设深小孔加工孔径D和待加工工件的材料体积电化学当量ω、电流效率η，计算当前加工电流值。其中，电流效率指电解时，在电极上实际沉积或溶解的物质的量与按理论计算出的析出或溶解量之比，而本发明所用到的电流效率是基于历史管电极电解试验的基础上，所得到的一个数值。当前加工电流值的计算公式如下：

2)生成加工速度为所述预设加工速度的恒速移动指令，生成电解液流量为所述预设电解液流量值的恒定流量指令，生成电流为所述当前加工电流值的恒定电流指令。

3)在管状电极对所述待加工工件进行电解加工的时长等于所述当次加工时长时，生成电解停止指令；所述电解停止指令用于指示所述第二承载组件停止进给移动、所述输出电源停止输出电流以及所述电解液储液组件停止输出电解液。

所述输出电源的正极与所述待加工工件连接，所述输出电源的负极与所述电极夹头连接，所述输出电源还与所述控制终端连接，所述输出电源用于依据所述恒定电流指令输出恒定电流，即加工电压随加深小孔加工过程变化进行自适应调整以保持加工电流值不变。

所述电极夹头还与所述电解液储液组件通过管路连通；所述电解液储液组件与所述控制终端电连接，所述电解液储液组件用于依据所述恒定流量指令，为所述电极夹头供给恒定流量的电解液。具体地，所述电解液储液组件包括电解液储液箱、计量泵和流量计；所述电解液储液箱与所述电极夹头之间通过管路连通，所述管路上设置所述计量泵和所述流量计，通过计量泵和流量计对电解液储液箱输出的电解液的流量值进行自主调节。

所述管状电极设置在所述电极夹头上，具体地，所述管状电极为侧壁绝缘。所述电极夹头设置在所述第二承载组件上；所述第二承载组件与所述控制终端连接，所述第二承载组件用于依据所述恒速移动指令，带动所述电极夹头向所述待加工工件的方向恒速进给，以使得所述管状电极对所述待加工工件进行电解加工，得到深小孔。

如图1所示，在一个具体实施例中，本发明恒电流管电极电解加工深小孔的装置的控制终端为工控机20，装置包括电解液储液箱1、阀门2、计量泵3、第一压力传感器4、流量计5、压力表6、电极夹头7、主轴进给装置8、机床本体9、管状电极10、第二压力传感器11、XY运动工作台12、待加工工件13、工作箱14、电解液15、运动控制卡16、输出电源17、电流传感器18和数据采集卡19；其中主轴进给装置8和机床本体9构成第二承载组件；工作箱14、电解液15构成第一承载组件。

待加工工件13设置在工作箱14内，且工作箱14内设置电解液15，以使得所述待加工工件13放置在电解液之中。将工作箱14设置在XY运动工作台12，以使得电解加工开始之前，能够通过在XY运动工作台12上移动工作箱14的位置，带动待加工工件13移动。当管状电极10与待加工工件13上的待加工部位处于同一竖直平面时，完成对刀，可以开始电解加工。

电解加工开始时，工控机20打开，生成恒速移动指令，发送至运动控制卡16，进而对机床本体9进行移动速度的控制，以带动电极夹头7和管状电极10移动；工控机20生成恒定流量指令，发送至数据采集卡19，数据采集卡19采集第一压力传感器4和流量计5采集到的电解液流量信息，并将采集到的电解液流量信息与恒定流量指令对应的流量信息进行匹配，根据匹配结果对阀门2的开闭进行控制，来调节流量、压力；工控机20生成恒定电流指令，发送给输出电源17，工控机20与输出电源17之间通过数据采集卡19和电流传感器18连接，电流传感器18检测输出电源输出的电流值，并将检测到的电流值输出至数据采集卡19中存储。然后在输出电源以恒电流模式输出、机床主轴恒速进给以及电解液恒速供给的基础上，进行管状电极电解加工。当主轴运动至指定深度停止，关闭直流电源，关闭供液泵。最后拆卸、清洗工件，加工完成。

深小孔管电极加工时，随着加工深度增加，加工区电解液压力升高；根据理想气体状态方程可知，压力增大，气体体积减小，电解液气泡率降低，电解液电导率增大。随着加工深度逐渐增大，恒电流加工模式改善了加工间隙内的电解液流场，同时抑制进一步气体和焦耳热对孔底电流密度的影响。在加工深度达到30mm后，恒电流加工模式下电解产物对深小孔加工的影响很小。为保持加工电流不变，加工电压相应地减小。

相对于现有技术中，采用恒定电压加工时，电解液电导率增大引起加工区电流密度升高、材料的电化学溶解增多，加工孔径变大的情况，本发明采用恒定电流加工，电流大小决定了单位时间内溶解材料的量为定值，电极恒速进给，则沿着深度方向加工孔径不变，大幅提高了深小孔加工孔径一致性，抑制了深度变化、电解液电导率变化和电解液流动状态变化对材料腐蚀的影响。

在一个具体实施例中，基于上述恒电流管电极电解加工深小孔的装置，进行了实验优化验证。需知，对于恒电流管电极电解加工方法而言，加工电流和电极进给速度是重要的工艺参数，直接影响着深小孔的加工精度和加工效率。因此，选取加工电流和进给加工速度作为恒电流加工方法的试验变量并进行参数试验，如表1所示。

表1恒电流管电极电解加工深小孔参数试验工艺参数表

为了更直观的研究恒电流加工方法对深小孔的影响，将加工出的深小孔沿轴线剖开，清洗烘干后分别使用三维轮廓测量仪和工业显微镜检测深小孔的侧壁形貌和孔径。由检测得出的深小孔的侧壁形貌和孔径，根据公式：平衡间隙＝(孔径-电极直径)/2可得平衡间隙的值，基于此，可以得到试验结果：当大加工电流与低进给速度匹配时，即平衡间隙为0.195～0.227mm，加工出的深小孔轮廓变化大；当加工电流与进给速度匹配适中时，即平衡间隙为0.105～0.193mm，加工出的深小孔轮廓陡直正常，可稳定加工出孔径一致性好、加工质量高的深小孔；当小加工电流与高进给速度匹配时，即平衡间隙为0.070～0.094mm，加工出的深小孔在入口处出现喇叭口缺陷，伴随着孔底出现凸起缺陷；在加工电流较小的基础上进一步提高进给速度，加工容易出现短路现象，加工稳定性降低。根据上述分析可知，恒电流管电极电解加工深小孔中，不同的加工电流值所配合不同的进给加工速度所对应的可加工性不一样，总结如表2所示。

表2

恒电流管电极电解加工深小孔中，进给加工速度越快，杂散电流作用时间就越短，表面加工质量越好，则表面粗糙度值越小。因此，通过对加工电流和进给加工速度匹配设计获得不同的平衡间隙可实现深小孔的孔径和表面加工质量控制。

在经过多次实验后，可以得到多个加工电流和进给加工速度匹配对，整理记录成表，可用于之后的管电极电解加工深小孔，从而不必每次均进行优化试验，提高效率。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文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 (4)

1.一种恒电流管电极电解加工深小孔的装置，其特征在于，装置包括控制终端、输出电源、第一承载组件、电解液储液组件、电极夹头、管状电极和第二承载组件；

所述控制终端用于生成恒速移动指令、恒定流量指令和恒定电流指令；

所述第一承载组件用于容置待加工工件；

所述输出电源的正极与所述待加工工件连接，所述输出电源的负极与所述电极夹头连接，所述输出电源还与所述控制终端连接，所述输出电源用于依据所述恒定电流指令输出恒定电流；

所述电极夹头还与所述电解液储液组件通过管路连通；所述电解液储液组件与所述控制终端电连接，所述电解液储液组件用于依据所述恒定流量指令，为所述电极夹头供给恒定流量的电解液；

所述管状电极设置在所述电极夹头上，所述电极夹头设置在所述第二承载组件上；所述第二承载组件与所述控制终端连接，所述第二承载组件用于依据所述恒速移动指令，带动所述电极夹头向所述待加工工件的方向恒速进给，以使得所述管状电极对所述待加工工件进行电解加工，得到深小孔。

2.根据权利要求1所述的恒电流管电极电解加工深小孔的装置，其特征在于，所述控制终端，具体包括：

数据获取模块，用于获取预设电解液流量值、预设加工速度、预设深小孔加工孔径、待加工工件的材料体积电化学当量和电流效率；

指令生成模块，与所述数据获取模块连接，用于：

根据所述预设加工速度、所述预设深小孔加工孔径、所述待加工工件的材料体积电化学当量和所述电流效率，计算当前加工电流值；

生成加工速度为所述预设加工速度的恒速移动指令，生成电解液流量为所述预设电解液流量值的恒定流量指令，生成电流为所述当前加工电流值的恒定电流指令。

3.根据权利要求2所述的恒电流管电极电解加工深小孔的装置，其特征在于，所述控制终端还包括加工时间计算模块；

所述数据获取模块还用于获取预设深小孔加工深度；

所述加工时间计算模块用于根据所述预设深小孔加工深度和所述预设加工速度，计算当次加工时长；

所述指令生成模块还用于在管状电极对所述待加工工件进行电解加工的时长等于所述当次加工时长时，生成电解停止指令；所述电解停止指令用于指示所述第二承载组件停止进给移动、所述输出电源停止输出电流以及所述电解液储液组件停止输出电解液。

4.根据权利要求1所述的恒电流管电极电解加工深小孔的装置，其特征在于，所述电解液储液组件包括电解液储液箱、计量泵和流量计；

所述电解液储液箱与所述电极夹头之间通过管路连通，所述管路上设置所述计量泵和所述流量计。