本發(fā)明涉及一種無(wú)錐度微小孔的電解鉆削加工裝置及方法，屬于微細(xì)電解加工技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著高新科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，微米級(jí)產(chǎn)品和零部件被廣泛應(yīng)用于航空航天、生物、醫(yī)療以及mems等眾多領(lǐng)域。因此，微米級(jí)尺寸零部件的加工工藝成為研究的熱點(diǎn)，微小孔作為常見的零件結(jié)構(gòu)，其加工工藝尤其受到重視。而微小孔的孔徑、孔錐度以及孔壁的表面質(zhì)量等，決定了零件的質(zhì)量和性能，因此如何加工得到孔壁表面質(zhì)量較好，近乎無(wú)孔錐度的微小孔，具有重要的意義。

傳統(tǒng)的電解穿孔法能獲得孔壁表面質(zhì)量較好、高深徑比的微小孔，但是由于已加工區(qū)的二次電解的存在，加工得到的微小孔無(wú)可避免的會(huì)存在一定的錐度。目前較好的解決辦法是陰極側(cè)壁絕緣法，利用復(fù)雜工藝方法在陰極上涂覆一層絕緣層，只留出尖部較小的區(qū)域進(jìn)行電解加工，這種方法可以避免已加工區(qū)域的二次電解，最終加工得到無(wú)錐度的微小孔。但目前的側(cè)壁絕緣方法，操作步驟比較繁瑣，包括先對(duì)陰極的整體絕緣和之后的尖部去絕緣，且對(duì)微細(xì)工具電極的操作頻繁。因此，操作的難度較大，對(duì)操作者要求較高；同時(shí)，頻繁操作易對(duì)電極造成損壞，增加加工成本。

采用螺旋電極作為陰極的電解鉆削方法為：加工過(guò)程中，利用螺旋電極旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心作用以及螺旋溝槽對(duì)電解液的推動(dòng)力作用，使陰極電極的周圍的空氣和電解液交界處的液面凹陷，形成對(duì)陰極電極側(cè)壁有絕緣作用的空氣蕊，，從而實(shí)現(xiàn)陰極電極的類似側(cè)壁絕緣。但是，目前存在的采用螺旋旋轉(zhuǎn)電極的方法，采用的是固定轉(zhuǎn)速加工，形成的氣蕊長(zhǎng)度不變，導(dǎo)致氣蕊的側(cè)壁絕緣作用是有限的，即得到的微小孔還是存在一定的錐度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種無(wú)錐度微小孔的電解鉆削加工裝置及方法。首先利用螺旋電極的高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生絕緣氣蕊，再在加工過(guò)程中，利用可編程變頻器對(duì)螺旋電極轉(zhuǎn)速的控制，實(shí)現(xiàn)絕緣氣蕊的長(zhǎng)度增長(zhǎng)速度和進(jìn)給速度相等，保證了電極電解部分長(zhǎng)度恒定，形成類似側(cè)壁絕緣的效果，從而可避免已加工區(qū)域的二次電解，進(jìn)而加工得到無(wú)錐度的微小孔。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種無(wú)錐度微小孔的電解鉆削加工裝置，包括微細(xì)電解加工機(jī)床、高頻脈沖電源、可編程變頻器、高速電主軸、螺旋電極、液面控制電路、電解液槽和手動(dòng)升降臺(tái)。其中，高速電主軸固定安裝在微細(xì)電解加工機(jī)床z向上，可由機(jī)床帶動(dòng)在x、y、z軸方向上運(yùn)動(dòng)，電解液槽放置于手動(dòng)升降臺(tái)上，螺旋電極作為陰極刀具，固定安裝在高速電主軸夾頭上，陽(yáng)極工件置于電解液槽中。

優(yōu)選的，所述高頻脈沖電源，最高頻率達(dá)50mhz。

所述可編程變頻器可通過(guò)編程，控制輸出脈沖頻率，進(jìn)而控制高速電主軸轉(zhuǎn)速，最高控制轉(zhuǎn)速為60000r/min。

優(yōu)選的，所述高速電主軸，最高可運(yùn)行轉(zhuǎn)速為60000r/min。

所述液面控制電路，由直流電源、led燈、導(dǎo)電塊串聯(lián)組成，利用液面到達(dá)指定高度之后，led燈亮來(lái)控制液面高度。

所述螺旋柱狀電極，直徑取值為50-500um。

所述工件為導(dǎo)電的金屬板。

優(yōu)選的，所述微細(xì)電解加工機(jī)床，最小控制精度為0.1um。

一種基于上述裝置的電解鉆削加工方法，包括以下步驟：

(1)以已知直徑的螺旋電極為陰極，加工工件為陽(yáng)極，螺旋電極安裝在高速電主軸的夾頭上，陽(yáng)極工件置于電解液槽中；

(2)往電解液槽中加入電解液，利用液面控制電路，控制液面高度；并利用機(jī)床控制螺旋電極緩慢接近陽(yáng)極工件，以實(shí)現(xiàn)對(duì)刀，再將螺旋電極回退，形成一定的初始加工間隙；

(3)設(shè)置高頻脈沖電源加工參數(shù)，再利用可編程變頻器根據(jù)電極直徑、電解液濃度、液面高度、初始加工間隙以及進(jìn)給速度，控制高速電主軸轉(zhuǎn)速變化規(guī)律，通過(guò)控制轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)空氣蕊長(zhǎng)度增長(zhǎng)速度與電極鉆削進(jìn)給速度相等，保證電極前端的導(dǎo)電部分長(zhǎng)度恒定；

(4)接通高頻脈沖電源，以所設(shè)加工參數(shù)及轉(zhuǎn)速變化規(guī)律進(jìn)行電解鉆削加工；

(5)在到達(dá)預(yù)定的加工深度之后，斷開高頻脈沖電源，設(shè)置電主軸轉(zhuǎn)速為初始轉(zhuǎn)速恒定，并控制螺旋電極退出已加工孔。

所述步驟(2)中控制液面高度的方法是：設(shè)定的導(dǎo)電塊下表面距離工件上表面的高度，高度一般取值范圍為100-500um；然后，接通液面控制電路，往電解液槽中緩慢加入電解液，當(dāng)電解液達(dá)到導(dǎo)電塊下表面時(shí)，電路導(dǎo)通，led燈亮，說(shuō)明液面高度達(dá)到設(shè)定高度；最后斷開液面控制電路。

所述步驟(2)中對(duì)刀操作的方法是：先調(diào)節(jié)手動(dòng)升降臺(tái)帶動(dòng)電解液槽沿z方向向上運(yùn)動(dòng)到合適位置，然后利用微細(xì)電解加工機(jī)床帶動(dòng)高速電主軸沿z方向緩慢向下運(yùn)動(dòng)，至精密機(jī)械電流表指針偏轉(zhuǎn)超過(guò)一定幅度后，反向回退一定的間隙，一般為2-20um。

所述步驟(3)中可編程變頻器對(duì)電極轉(zhuǎn)速的控制方法是，電極轉(zhuǎn)速隨電極直徑的增大而減小，隨著電解液濃度的增大而增大，隨著液面高度的增大而增大，隨著初始加工間隙的增大而減小，隨著實(shí)時(shí)加工深度的增大而增大。

所述步驟(3)中螺旋電極前端的導(dǎo)電部分長(zhǎng)度恒定，一般控制為電極直徑的一半。

本發(fā)明的工作原理為：在加工過(guò)程中，利用螺旋電極旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的離心作用以及螺旋溝槽對(duì)電解液的軸向推力作用，使螺旋電極周圍的空氣和電解液交界處的液面凹陷，形成對(duì)螺旋電極側(cè)壁有絕緣作用的空氣蕊，起到一定的陰極側(cè)壁絕緣作用。進(jìn)一步，利用可編程變頻器對(duì)螺旋電極轉(zhuǎn)速的控制，實(shí)現(xiàn)絕緣氣蕊的長(zhǎng)度增長(zhǎng)速度和進(jìn)給速度相等，保證了電極電解部分長(zhǎng)度恒定，實(shí)現(xiàn)了陰極的側(cè)壁絕緣效果，從而可避免已加工區(qū)域的二次電解，進(jìn)而加工得到無(wú)錐度的微小孔?？梢娎帽景l(fā)明提供的裝置和方法，在不對(duì)電極本身做側(cè)壁絕緣處理的情況下，就可以加工得到無(wú)錐度的微小孔。在進(jìn)行多次重復(fù)加工時(shí)，本發(fā)明相對(duì)側(cè)壁絕緣處理的方式，具有操作簡(jiǎn)單，效率較高的優(yōu)勢(shì)。本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)陰極電極的側(cè)壁絕緣效果，而不需要對(duì)電極進(jìn)行復(fù)雜的工藝操作，有利于減少電極的損壞率。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明提供的無(wú)錐度微小孔的電解鉆削加工方法使用的加工裝置的示意圖；

圖2為圖1中加工裝置的工作狀態(tài)示意圖；

圖3為圖2中空氣蕊對(duì)陰極的絕緣過(guò)程示意圖；

其中，1-高頻脈沖電源，2-可編程變頻器，3-螺旋電極，4-待加工工件，5-高速電主軸，6-手動(dòng)升降臺(tái)，7-微細(xì)電解加工機(jī)床，8-電解液槽，9-導(dǎo)電塊，10-電解液，11-空氣蕊。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。

如圖1所示，先取一根已知直徑的螺旋電極3作為陰極電極，固定安裝在高速電主軸5的夾頭中，微細(xì)電解加工機(jī)床7可以控制高速電主軸5沿圖1中x、y、z方向運(yùn)動(dòng)，微細(xì)機(jī)床在x、y、z向的分辨率為0.1um。將待加工工件4固定安裝在電解液槽8中，電解液槽8置于手動(dòng)升降臺(tái)6上，調(diào)節(jié)手動(dòng)升降臺(tái)6，使電解液槽8處于合適高度。往電解液槽8中加入電解液10，電解液為nano3溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2-6％；然后，利用液面控制電路，控制電解液10液面高于待加工工件4上表面一定高度，再利用微細(xì)電解加工機(jī)床7控制螺旋電極3緩慢接近待加工陽(yáng)極工件4，以實(shí)現(xiàn)對(duì)刀，并回退一定的加工間隙。之后，在高頻脈沖電源1上設(shè)置加工參數(shù)，并啟動(dòng)可編程變頻器2，根據(jù)電極直徑、液面高度、初始加工間隙決定高速電主軸5初始轉(zhuǎn)速，以控制初始時(shí)電極前端的導(dǎo)電部分長(zhǎng)度為電極直徑的一半。在轉(zhuǎn)速穩(wěn)定之后，可編程變頻器2根據(jù)電極直徑、電解液濃度、液面高度、初始加工間隙以及給定的進(jìn)給速度，控制加工過(guò)程中高速電主軸5的轉(zhuǎn)速變化規(guī)律，高頻脈沖電源1給陰陽(yáng)極通電開始加工。最后，在達(dá)到設(shè)定的加工深度之后，斷開高頻脈沖電源1，控制電主軸5轉(zhuǎn)速為初始轉(zhuǎn)速，并利用微細(xì)電解加工機(jī)床7將螺旋電極9從已加工孔中退出。

其中，液面控制電路如圖1所示，由直流電源、led燈、導(dǎo)電塊9串聯(lián)組成。在液面控制之前，先設(shè)定的導(dǎo)電塊9下表面距離工件4上表面的高度，一般取值為100-500um；然后，接通直流電源，往電解液槽8中緩慢加入電解液10，當(dāng)電解液10達(dá)到導(dǎo)電塊9下表面時(shí)，電路導(dǎo)通，led燈亮，說(shuō)明液面高度達(dá)到設(shè)定高度；最后斷開直流電源。同時(shí)需要注意，設(shè)定的液面高度不能太高也不能太低，太低時(shí)易由于外界條件影響而使工件表面無(wú)電解液；液面太高時(shí)，又要求較高的轉(zhuǎn)速，電極直徑較小時(shí)，所需轉(zhuǎn)速可能超過(guò)可編程變頻器2和高速電主軸5的最大轉(zhuǎn)速。

其中，對(duì)刀電路如圖1所示，主要由高頻脈沖電源1、精密機(jī)械電流表以及微細(xì)電解加工機(jī)床7組成。首先在高頻脈沖電源1上設(shè)置對(duì)刀參數(shù)，微細(xì)電解加工機(jī)床7控制螺旋電極3尖端緩慢向待加工工件4運(yùn)動(dòng)，當(dāng)精密機(jī)械電流表指針偏轉(zhuǎn)超過(guò)一定幅度時(shí)，機(jī)床z向停止向下運(yùn)動(dòng)，開始向上回退一定的間隙，一般為2-20um。同時(shí)注意，初始加工間隙不能太小，否則易導(dǎo)致加工產(chǎn)物難以排出間隙而短路，加工間隙也不能太大，否則會(huì)使加工的孔徑較大。

如圖2為螺旋電極3作逆時(shí)針高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于螺旋溝槽的存在，將對(duì)溝槽中的電解液10產(chǎn)生一個(gè)推力作用fn，此推力大小與轉(zhuǎn)速大小以及電極直徑有關(guān)。轉(zhuǎn)速越大，電極直徑越粗，推力fn越大，但是fn的方向是確定的，總是垂直于螺旋線。因此，fn將產(chǎn)生沿軸向向下的分力fn，分力fn推動(dòng)電解液10向下運(yùn)動(dòng)，既促進(jìn)了孔內(nèi)電解液10的更新以及電解產(chǎn)物的排出；同時(shí)上側(cè)電解液向下運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致上側(cè)電解液壓強(qiáng)降低，有利于空氣蕊11的形成。因此，螺旋電極3的高速旋轉(zhuǎn)有利于維持孔內(nèi)的電解液10環(huán)境的穩(wěn)定，保證了初次電解得到的孔徑基本相同。同時(shí)在加工過(guò)程中，旋轉(zhuǎn)的螺旋電極3周圍的電解液10具有較大的線速度，從而具有較大的離心力，由于離心力和軸向分力fn的作用，在空氣和電解液交界處電極周圍的液面將凹陷，而形成對(duì)陰極側(cè)壁具有絕緣作用的空氣蕊11。

如圖3所示，在加工過(guò)程中，螺旋電極b段為空氣蕊形成的絕緣部分長(zhǎng)度；螺旋電極a段為未被絕緣的導(dǎo)電部分，用于實(shí)際電解加工。隨著加工深度的增加，如果電主軸5轉(zhuǎn)速不變，則空氣蕊11深度不變，而陰極電極3勻速進(jìn)給，就會(huì)導(dǎo)致圖3中的a段部分的長(zhǎng)度越來(lái)越長(zhǎng)，因而微小孔初次電解的入口側(cè)孔徑處又開始發(fā)生二次電解作用，導(dǎo)致入口側(cè)孔徑變大，整體錐度變大。所以，本發(fā)明提供的無(wú)錐度微小孔的電解鉆削加工方法中，通過(guò)可編程變頻器2控制螺旋電極3轉(zhuǎn)速隨著加工深度的增加而增加，以實(shí)現(xiàn)氣蕊長(zhǎng)度的增長(zhǎng)速度與電極的進(jìn)給速度相等，這樣相當(dāng)于電解加工多少深度，絕緣氣蕊11增加多少深度，從而實(shí)現(xiàn)電極a段的長(zhǎng)度恒定，形成類似陰極側(cè)壁絕緣的效果，減小了二次電解現(xiàn)象的發(fā)生，從而有利于加工得到無(wú)錐度的孔。

以上所述僅是本發(fā)明的具體實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。