[發明專利]脈動流場管電極電解加工方法及裝置

有效

• 申請號: 201110131009.2
• 申請日: 2011-05-20
• 公開（公告）號: CN102198549A
• 公開（公告）日: 2011-09-28
• 發明（設計）人: 房曉龍;朱荻;曲寧松
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: B23H9/14
• 分類號: B23H9/14;B23H3/00;B23H3/10
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 葉連生

所屬技術領域

本發明的脈動流場管電極電解加工方法及裝置，屬于電解加工技術領域。

背景技術

管電極電解加工(Shaped?tube?electrochemical?drilling，簡稱STED)進行時，電解液從中空金屬管（圓管或異型管）中高速流出，充滿整個加工間隙。工具陰極進給，工件陽極在電化學反應作用下溶解并逐漸形成與金屬管截面一致的孔型，同時電解液將反應產物、焦耳熱帶出加工區。該工藝具有不受工件材料力學、機械性能限制，加工質量好，工具無損耗等特點，在航空航天、汽車、模具制造等行業有重要的應用。

據統計，孔加工約占機械加工總量的1/3，占機械加工總時間的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向器葉片，其上有許多小孔結構，特別是深小孔、呈多向不同角度分布的小孔和異型錐孔。這些孔用傳統機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題，在對表面質量要求非常苛刻的航空發動機領域必須對孔進行二次加工；采用電火花加工效率較激光加工低，且同樣存在重熔層問題；采用電解加工加工質量明顯提高，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是通用電器公司飛機發動機事業部為解決航空發動機上超合金材料的小孔加工難題提出的一種電解打孔技術。采用質量分數10%-25%?HNO₃或H₂SO₄作為電解液，同時采用涂有絕緣層的鈦管作為電極進行電解打孔加工。為解決不溶性電解產物排出困難問題，他們使用了酸性電解液，此時電解產物呈離子態，避免了因沉淀物堆積引起的火花放電和短路現象。由于酸性工作液存在著對環境不友好，設備維護要求高等問題，國內外學者開始研究中性鹽溶液管電極電解加工。

采用中性鹽溶液之后，電解產物是絮狀不溶物。如果絮狀產物無法及時排出，將瞬間導通陰陽兩極，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尤為常見（參照圖1）。針對如何及時排出中性鹽溶液管電極電解加工的絮狀產物，國內外學者做了大量研究和探索。

國際電加工技術權威、美國內布拉斯加大學Rajurkar?K.P.教授和波蘭理工大學Kozak?J.等，提出采用脈沖電源代替直流電源進行管電極電解加工（20%?NaNO₃溶液），間隙中的電解產物可以在脈沖間歇時間內得以充分排出，獲得穩定的加工過程。該方法的本質是通過減少單位時間內不溶性產物的生成量，提高產物排出效率，但是對深小孔加工而言，該方法效果不明顯，且大大降低了加工效率。

臺灣云林科技大學郭家誠等對電解液流動方式（20%?NaNO₃溶液）進行改進，發明了同軸噴吸法。獨特的陰極系統結構，密封工件表面電解液流動區域，抽吸泵提供格外動力及時抽走加工區含有電解產物的電解液。該方法陰極系統結構復雜，不能推廣到大規模陣列群孔加工場合。

南京航空航天大學朱荻教授提出采用電極平動、抽吸式反流等方式進行管電極電解加工（16%?NaNO₃溶液）。電極周期平動將提高陽極溶解均勻性，側壁間隙周期性擴大縮小，內部形成低頻脈動壓力，改善產物排出效果；抽吸式反流管電極電解加工技術，通過改變加工區電解液流動方向，電解液從管電極內孔回流，避免了電解產物對電解液電導率的影響。高轉速下平動頭的運動精度不高，加工穩定性差，管壁四周的不對稱壓力分布易造成電極振動，產生環周溝槽溶解；抽吸式反流由于產生的真空壓差有限，對深小孔加工意義不大。

埃及姆努菲亞大學Hewidy?M.S.、波蘭理工大學Kozak?J.等提出電極低頻振動電解加工技術。工具電極的振動將在間隙內形成壓力波動，電解液更新速率加快，加工產物的排出更加便利。該裝置結構復雜，間隙的大小往復變化會造成電解液回流、間隙內流場紊亂，加工穩定性變差；該方法不能推廣到固定陰極電解加工場合。

發明內容

本發明旨在改善深小孔中性鹽溶液管電極電解加工絮狀產物排出不暢的問題，提出一種加速絮狀產物排出、實現方便的深小孔電解加工的脈動流場管電極電解加工方法。

一種脈動流場管電極電解加工方法，其特征在于：利用壓力伺服控制系統，控制進入加工區電解液流量的變化實現流場脈動；利用電源提供電流進行管電極電解加工；利用電解加工機床的控制系統動態調節進給速度、加工電壓，實現變截面孔的加工。