專利名稱：脈動(dòng)流場(chǎng)管電極電解加工方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的脈動(dòng)流場(chǎng)管電極電解加工方法及裝置，屬于電解加工技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
管電極電解加工(Shapedtube electrochemical drilling，簡(jiǎn)稱 STED)進(jìn)行時(shí)， 電解液從中空金屬管(圓管或異型管)中高速流出，充滿整個(gè)加工間隙。工具陰極進(jìn)給，工件陽(yáng)極在電化學(xué)反應(yīng)作用下溶解并逐漸形成與金屬管截面一致的孔型，同時(shí)電解液將反應(yīng)產(chǎn)物、焦耳熱帶出加工區(qū)。該工藝具有不受工件材料力學(xué)、機(jī)械性能限制，加工質(zhì)量好，工具無(wú)損耗等特點(diǎn)，在航空航天、汽車、模具制造等行業(yè)有重要的應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，孔加工約占機(jī)械加工總量的1/3，占機(jī)械加工總時(shí)間的1/4。其中大約有 5%的孔是難加工材料上的深小孔。例如空心冷卻渦輪葉片和導(dǎo)向器葉片，其上有許多小孔結(jié)構(gòu)，特別是深小孔、呈多向不同角度分布的小孔和異型錐孔。這些孔用傳統(tǒng)機(jī)械鉆孔工藝難以完成加工，工具損耗大；采用激光加工存在表面重熔層問(wèn)題，在對(duì)表面質(zhì)量要求非常苛刻的航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域必須對(duì)孔進(jìn)行二次加工；采用電火花加工效率較激光加工低，且同樣存在重熔層問(wèn)題；采用電解加工加工質(zhì)量明顯提高，還可采用陣列電極加工群孔，提高效率。管電極電解加工技術(shù)是通用電器公司飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)事業(yè)部為解決航空發(fā)動(dòng)機(jī)上超合金材料的小孔加工難題提出的一種電解打孔技術(shù)。采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%-25% HNO3或H2SO4 作為電解液，同時(shí)采用涂有絕緣層的鈦管作為電極進(jìn)行電解打孔加工。為解決不溶性電解產(chǎn)物排出困難問(wèn)題，他們使用了酸性電解液，此時(shí)電解產(chǎn)物呈離子態(tài)，避免了因沉淀物堆積引起的火花放電和短路現(xiàn)象。由于酸性工作液存在著對(duì)環(huán)境不友好，設(shè)備維護(hù)要求高等問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)始研究中性鹽溶液管電極電解加工。采用中性鹽溶液之后，電解產(chǎn)物是絮狀不溶物。如果絮狀產(chǎn)物無(wú)法及時(shí)排出，將瞬間導(dǎo)通陰陽(yáng)兩極，造成火花放電甚至短路，損壞工件和工具陰極，致使加工失敗。此類情況在深小孔加工時(shí)尤為常見(jiàn)(參照?qǐng)D1)。針對(duì)如何及時(shí)排出中性鹽溶液管電極電解加工的絮狀產(chǎn)物，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量研究和探索。國(guó)際電加工技術(shù)權(quán)威、美國(guó)內(nèi)布拉斯加大學(xué)Rajurkar K. P.教授和波蘭理工大學(xué) Kozak J.等，提出采用脈沖電源代替直流電源進(jìn)行管電極電解加工(20% NaNO3溶液)，間隙中的電解產(chǎn)物可以在脈沖間歇時(shí)間內(nèi)得以充分排出，獲得穩(wěn)定的加工過(guò)程。該方法的本質(zhì)是通過(guò)減少單位時(shí)間內(nèi)不溶性產(chǎn)物的生成量，提高產(chǎn)物排出效率，但是對(duì)深小孔加工而言， 該方法效果不明顯，且大大降低了加工效率。臺(tái)灣云林科技大學(xué)郭家誠(chéng)等對(duì)電解液流動(dòng)方式(20% NaNO3溶液)進(jìn)行改進(jìn)，發(fā)明了同軸噴吸法。獨(dú)特的陰極系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，密封工件表面電解液流動(dòng)區(qū)域，抽吸泵提供格外動(dòng)力及時(shí)抽走加工區(qū)含有電解產(chǎn)物的電解液。該方法陰極系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不能推廣到大規(guī)模陣列群孔加工場(chǎng)合。南京航空航天大學(xué)朱荻教授提出采用電極平動(dòng)、抽吸式反流等方式進(jìn)行管電極電解加工(16% NaNO3溶液)。電極周期平動(dòng)將提高陽(yáng)極溶解均勻性，側(cè)壁間隙周期性擴(kuò)大縮小，內(nèi)部形成低頻脈動(dòng)壓力，改善產(chǎn)物排出效果；抽吸式反流管電極電解加工技術(shù)，通過(guò)改變加工區(qū)電解液流動(dòng)方向，電解液從管電極內(nèi)孔回流，避免了電解產(chǎn)物對(duì)電解液電導(dǎo)率的影響。高轉(zhuǎn)速下平動(dòng)頭的運(yùn)動(dòng)精度不高，加工穩(wěn)定性差，管壁四周的不對(duì)稱壓力分布易造成電極振動(dòng)，產(chǎn)生環(huán)周溝槽溶解；抽吸式反流由于產(chǎn)生的真空壓差有限，對(duì)深小孔加工意義不大。埃及姆努菲亞大學(xué)Hewidy M. S.、波蘭理工大學(xué)Kozak J.等提出電極低頻振動(dòng)電解加工技術(shù)。工具電極的振動(dòng)將在間隙內(nèi)形成壓力波動(dòng)，電解液更新速率加快，加工產(chǎn)物的排出更加便利。該裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，間隙的大小往復(fù)變化會(huì)造成電解液回流、間隙內(nèi)流場(chǎng)紊亂，加工穩(wěn)定性變差；該方法不能推廣到固定陰極電解加工場(chǎng)合。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在改善深小孔中性鹽溶液管電極電解加工絮狀產(chǎn)物排出不暢的問(wèn)題，提出一種加速絮狀產(chǎn)物排出、實(shí)現(xiàn)方便的深小孔電解加工的脈動(dòng)流場(chǎng)管電極電解加工方法。一種脈動(dòng)流場(chǎng)管電極電解加工方法，其特征在于利用壓力伺服控制系統(tǒng)，控制進(jìn)入加工區(qū)電解液流量的變化實(shí)現(xiàn)流場(chǎng)脈動(dòng)；利用電源提供電流進(jìn)行管電極電解加工；利用電解加工機(jī)床的控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)進(jìn)給速度、加工電壓，實(shí)現(xiàn)變截面孔的加工。實(shí)現(xiàn)所述的脈動(dòng)流場(chǎng)管電極電解加工方法的裝置，包括電源、電解液循環(huán)系統(tǒng)、電解加工機(jī)床、電解加工機(jī)床的控制系統(tǒng)、陰極系統(tǒng)，上述電解加工機(jī)床的控制系統(tǒng)包括運(yùn)動(dòng)控制卡、數(shù)據(jù)采集卡、電流傳感器、工控機(jī)；上述電解液循環(huán)系統(tǒng)依次包括儲(chǔ)液箱、單向閥、 壓力泵、壓力表、工作箱；其特征在于上述電解液循環(huán)系統(tǒng)還包括位于壓力泵和壓力表之間的壓力伺服執(zhí)行模塊；上述壓力伺服執(zhí)行模塊包括與壓力泵出口相連的蓄能器、還包括與蓄能器相連的伺服閥，伺服閥出口與壓力表相連，還包括一端與電解加工機(jī)床的控制系統(tǒng)相連另一端與伺服閥相連的伺服閥控制器。恒定電解液壓力管電極電解加工時(shí)，液體在間隙內(nèi)經(jīng)歷過(guò)流截面不斷變大的過(guò)程，供液不足、管口周向電解液分布不均時(shí)，空化現(xiàn)象極易發(fā)生，而這種偶然發(fā)生的空化現(xiàn)象不利于加工的正常進(jìn)行，其結(jié)果是周向間隙分布不均，進(jìn)而加劇電解液的分布不均，最終導(dǎo)致缺液區(qū)絮狀產(chǎn)物不能及時(shí)排除、加工失敗。本發(fā)明利用電液伺服閥的流量控制在電解液循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生脈動(dòng)流動(dòng)，并將波動(dòng)壓力傳輸?shù)诫娊饧庸^(qū)。脈沖電解液射流高速進(jìn)入加工間隙，在管口產(chǎn)生強(qiáng)烈脈動(dòng)渦環(huán)流，以波動(dòng)壓力的方式連續(xù)不斷沖擊孔底，改善間隙內(nèi)流場(chǎng)，減少側(cè)壁環(huán)空對(duì)絮狀產(chǎn)物的“壓持效應(yīng)”，提高絮狀產(chǎn)物排出能力，從而保證了深小孔管電極電解加工的繼續(xù)進(jìn)行。同時(shí)，脈動(dòng)流場(chǎng)的存在增加了間隙內(nèi)各處空化發(fā)生的概率。普遍存在的空化現(xiàn)象能強(qiáng)化極間傳質(zhì)、傳熱過(guò)程，提高電化學(xué)反應(yīng)效率；空化泡的擾動(dòng)使得電解液電導(dǎo)率沿程分布均勻，陽(yáng)極表面溶解均勻性提高。該方法脈動(dòng)壓力實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，無(wú)須改變?cè)械墓ぱb夾具、機(jī)床結(jié)構(gòu)，只需在電解液循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)安裝壓力伺服執(zhí)行模塊。該方法還適用于固定陰極電解加工場(chǎng)合，可推廣性強(qiáng)。上述流場(chǎng)脈動(dòng)符合正弦波變化規(guī)律或方波變化規(guī)律或三角波變化規(guī)律。流場(chǎng)脈動(dòng)的波形受伺服閥閥芯運(yùn)動(dòng)規(guī)律和伺服閥壓力流量關(guān)系影響，上述三種波形是符合伺服閥負(fù)載特性易實(shí)現(xiàn)的波形。
上述電源為脈沖電源，脈沖電源的脈沖頻率與流場(chǎng)脈動(dòng)頻率一致、相位匹配。脈沖電源被實(shí)踐驗(yàn)證改善電解加工定域性效果顯著。流場(chǎng)脈動(dòng)、電壓脈動(dòng)在脈寬、脈間上的相位關(guān)系匹配將最大化產(chǎn)物排出的效果，提高脈沖電解的加工效率。上述的脈動(dòng)流場(chǎng)管電極電解加工方法，如果利用電解加工機(jī)床的控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)進(jìn)給速度、加工電壓，可以實(shí)現(xiàn)變截面深小孔加工。電解加工機(jī)床的控制系統(tǒng)設(shè)定流場(chǎng)脈動(dòng)參數(shù)(波形、幅值、頻率等)，同時(shí)根據(jù)從加工區(qū)反饋的壓力、電流信號(hào)對(duì)壓力進(jìn)行閉環(huán)控制；在數(shù)字化建立加工特征尺寸與進(jìn)給速度、 加工電壓關(guān)系的基礎(chǔ)上，控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)上述可控加工參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)變截面深小孔的加工；控制系統(tǒng)還能夠根據(jù)反饋信號(hào)調(diào)制脈沖電源、流場(chǎng)脈動(dòng)相位關(guān)系，使之匹配達(dá)到最佳的工作效果。


圖1是深小孔管電極電解加工間隙內(nèi)產(chǎn)物分布示意圖； 圖2是脈動(dòng)流場(chǎng)管電極電解加工系統(tǒng)示意圖3是壓力伺服執(zhí)行模塊后視圖； 圖4是壓力伺服執(zhí)行模塊右視圖； 圖5是壓力伺服執(zhí)行模塊軸測(cè)圖。其中標(biāo)號(hào)名稱1、電解液儲(chǔ)液箱，2、單向閥，3、壓力泵，4、壓力伺服執(zhí)行模塊，5、壓力表，6、工具夾具，7、主軸進(jìn)給裝置，8、機(jī)床本體，9、管電極，10、XY運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)，11、工件， 12、工作箱，13、電解液，14、運(yùn)動(dòng)控制卡，15、程控穩(wěn)壓脈沖電源，16、電流傳感器，17、數(shù)據(jù)采集卡，18、工控機(jī)，19、電液伺服閥，20、蓄能器，21、壓力表開(kāi)關(guān)，22、壓力表，23、流量計(jì)，24、 壓力傳感器，25、過(guò)濾器，26、安全閥，27、過(guò)濾器，28、動(dòng)力單元，29、放油螺座，30、電氣控制盒，31、電解液，32、氣泡，33、絮狀不溶產(chǎn)物，34、回液口，35、進(jìn)液口，36、出液口。
具體實(shí)施例方式圖1中，電解液以一定的壓力進(jìn)入管電極9，高速射入加工間隙，帶走電解產(chǎn)物和焦耳熱，完成極間電解液更新。通過(guò)管電極9側(cè)壁絕緣，可以提高電解加工定域性。圖2所示的脈動(dòng)流場(chǎng)管電極電解加工系統(tǒng)中，脈沖電源15、主軸進(jìn)給裝置7、電極夾具6和機(jī)床本體8、工作箱12和工作臺(tái)10組成電解加工機(jī)床硬件系統(tǒng)；運(yùn)動(dòng)控制卡14、 數(shù)據(jù)采集卡17、電流傳感器16、工控機(jī)18及相關(guān)線路組成了電解加工機(jī)床控制系統(tǒng)；電解儲(chǔ)液箱1，單向閥2、壓力泵3、壓力伺服執(zhí)行模塊4、工作箱12及相關(guān)管路組成電解液循環(huán)系統(tǒng)。電解液壓力波形、幅值，可以通過(guò)工控機(jī)18給壓力伺服執(zhí)行模塊4的實(shí)時(shí)指令1來(lái)調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同的加工情況。圖3、圖4、圖5所示壓力伺服執(zhí)行模塊中，電解液由進(jìn)液口經(jīng)過(guò)過(guò)濾器27，進(jìn)入電液伺服閥19，蓄能器20吸收壓力泵3產(chǎn)生的壓力紊動(dòng)，壓力表22顯示進(jìn)入伺服閥19的初始?jí)毫?。電液伺服閥19接收到工控機(jī)發(fā)出的指令后，動(dòng)力單元觀工作，帶動(dòng)伺服閥19的閥芯動(dòng)作，壓力傳感器M反饋壓力信號(hào)給控制電路，伺服控制閥芯的動(dòng)作來(lái)調(diào)節(jié)流量輸出， 流量計(jì)23顯示出液口流量。結(jié)合圖1、圖2、圖3、圖4、圖5說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施過(guò)程1，參考圖2，工件11安裝之后通過(guò)XY平臺(tái)10進(jìn)行定位。對(duì)刀時(shí)，由電源15在兩極間施加測(cè)試電壓，主軸7低速進(jìn)給，電流信號(hào)的變化通過(guò)電流傳感器16來(lái)測(cè)定，工控機(jī)18對(duì)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)完成對(duì)刀，并設(shè)定初始加工間隙值。 2，參考圖1、圖2、圖3、圖4、圖5，電解加工開(kāi)始時(shí)，啟動(dòng)壓力泵3，將電解液以恒定壓力輸送到壓力伺服執(zhí)行模塊4進(jìn)液口 ；根據(jù)預(yù)先設(shè)定的壓力脈動(dòng)參數(shù)(如波形、壓力幅值、頻率)，設(shè)置工控機(jī)18上管電極電解加工智能控制系統(tǒng)壓力控制參數(shù)，發(fā)出控制指令1 ； 壓力伺服執(zhí)行模塊4根據(jù)指令1動(dòng)作響應(yīng)，伺服控制閥芯的動(dòng)作來(lái)調(diào)節(jié)流量、壓力，輸出脈動(dòng)壓力的電解液到電解加工區(qū)；根據(jù)預(yù)先設(shè)定的電壓參數(shù)，設(shè)置管控制系統(tǒng)電壓控制參數(shù)， 發(fā)出控制指令2 ；程控脈沖電源15根據(jù)控制指令2，輸出電壓；主軸7帶動(dòng)工具電極9進(jìn)給， 進(jìn)行深小孔管電極電解加工。電解加工機(jī)床的控制系統(tǒng)根據(jù)壓力、電壓反饋信號(hào)，調(diào)控指令 1、2的相位，使得加工區(qū)壓力、電壓脈沖匹配、節(jié)奏一致；控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)進(jìn)給速度、加工電壓，可加工出一定規(guī)律變化的變截面深小孔。
權(quán)利要求
1.一種脈動(dòng)流場(chǎng)管電極電解加工方法，其特征在于利用壓力伺服控制系統(tǒng)，控制進(jìn)入加工區(qū)電解液流量的變化實(shí)現(xiàn)流場(chǎng)脈動(dòng)； 利用電源提供電流進(jìn)行管電極電解加工。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈動(dòng)流場(chǎng)管電極電解加工方法，其特征在于上述流場(chǎng)脈動(dòng)符合正弦波變化規(guī)律或方波變化規(guī)律或三角波變化規(guī)律。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的脈動(dòng)流場(chǎng)管電極電解加工方法，其特征在于上述電源為脈沖電源，脈沖電源的脈沖頻率與流場(chǎng)脈動(dòng)頻率一致、相位匹配。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈動(dòng)流場(chǎng)管電極電解加工方法，其特征在于利用電解加工機(jī)床的控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)進(jìn)給速度、加工電壓，實(shí)現(xiàn)變截面深小孔加工。
5.實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述的脈動(dòng)流場(chǎng)管電極電解加工方法的裝置，包括電源、電解液循環(huán)系統(tǒng)、電解加工機(jī)床、電解加工機(jī)床的控制系統(tǒng)、陰極系統(tǒng)，上述電解加工機(jī)床的控制系統(tǒng)包括運(yùn)動(dòng)控制卡(14)、數(shù)據(jù)采集卡(17)、電流傳感器(16)、工控機(jī)(18)；上述電解液循環(huán)系統(tǒng)依次包括儲(chǔ)液箱(1)、單向閥(2)、壓力泵(3)、壓力表(5)、工作箱 (12)；其特征在于上述電解液循環(huán)系統(tǒng)還包括位于壓力泵(3)和壓力表(5)之間的壓力伺服執(zhí)行模塊(4)；上述壓力伺服執(zhí)行模塊(4)包括與壓力泵出口相連的蓄能器(20)、還包括與蓄能器相連的伺服閥(19)，伺服閥出口與壓力表相連，還包括一端與電解加工機(jī)床的控制系統(tǒng)相連另一端與伺服閥(19)相連的伺服閥控制器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈動(dòng)流場(chǎng)管電極電解加工裝置，其特征在于所述電源為脈沖電源，脈沖電源的脈沖頻率與流場(chǎng)脈動(dòng)頻率一致、相位匹配。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種脈動(dòng)流場(chǎng)管電極電解加工方法及裝置，屬于電解加工技術(shù)領(lǐng)域。該方法包括以下步驟1、通過(guò)壓力伺服執(zhí)行模塊(4)，控制伺服閥(9)閥芯的動(dòng)作來(lái)調(diào)節(jié)流量、壓力，輸出脈動(dòng)電解液到電解加工區(qū)；2、電解加工機(jī)床的控制系統(tǒng)根據(jù)壓力、電壓反饋信號(hào)，調(diào)制控制指令相位，使得加工區(qū)壓力、電壓脈沖節(jié)奏匹配；3、電解加工機(jī)床的控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)進(jìn)給速度、加工電壓，加工出一定規(guī)律變化的變截面孔。本發(fā)明的方法及裝置對(duì)提高中性鹽溶液深小孔管電極電解加工的絮狀產(chǎn)物排出速度、加工穩(wěn)定性有重要意義。
文檔編號(hào)B23H9/14GK102198549SQ201110131009
公開(kāi)日2011年9月28日 申請(qǐng)日期2011年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月20日
發(fā)明者房曉龍, 曲寧松, 朱荻 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)