一種多電位電解加工方法
【專利摘要】本發明公開了一種多電位電解加工方法，用于加工深孔深槽結構，其包括以下步驟：將工件安裝在電解液槽中；在工件上方設置內電極、包覆內電極的絕緣層、包覆絕緣層的外電極，內電極的下端面裸露而用作加工面；設置三個電位，外電極具有高電位，內電極具有低電位，工件的電位介于內電極與外電極之間；工件、外電極、內電極通過電解液電導通；外電極采用惰性導電材料；調整電位，使高電位區域和電化學蝕除反應集中在低電位電極的正下方區域。該多電位電解加工方法通過在陰極側壁絕緣層外包覆不溶性輔助陽極的高電位來約束電場，可有效控制電解加工孔、縫、槽等結構時的側壁錐度與雜散腐蝕，具有較好的定域性，能夠加工出窄深型直壁深槽結構。
【專利說明】—種多電位電解加工方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種電化學加工工藝，尤其涉及一種多電位電解加工方法。
【背景技術】
[0002]電解加工是利用陽極金屬的電化學溶解原理來去除材料的制造技術，加工時陽極金屬是以離子狀態被蝕除的，但電解加工的實際精度一般與電火花加工等方法相比還要低，其主要原因在于電解加工存在定域性較差等問題。在電解加工中，電場的強度及其分布對蝕除作用影響很大，電力線分布越集中，溶解的定域性越高，因此約束電解加工過程中的電場分布，是提高電解加工定域性、減小雜散腐蝕的有效途徑。目前在電解加工技術中，主要采用脈沖電源、非線性電解液、陽極掩膜、陰極側壁絕緣、輔助陽極等方法來提高加工的定域性。
[0003]而在一定電位下，金屬表面上會生成鈍化膜，這種鈍化膜會阻止金屬的溶解，從另一個角度來限定電解的區域，提高電解加工的定域性。
[0004]申請號為200810022327的中國發明專利申請提出了雙極性電極電解加工方案，其利用依次由工具陰極、絕緣層和輔助陽極組成的雙極性電極與工件陽極緊密貼合的結構進行電解加工，通過雙極性電極上的輔助陽極改變間隙電場分布，從而提高電解加工精度。但其加工方案中，雙極性電極為通孔模板，加工時其輔助陽極與工件陽極電位相等，加工間隙側壁區域的電場強度得到極大減弱，但不能完全抑制電力線，因此依然存在一定的雜散腐蝕；而且該方法采用模板加工方式，僅適用于微坑結構的加工，無法加工出高深寬比的孔、縫等窄深型直壁深槽結構。
[0005]申請號為201310199975的中國發明專利申請提出一種輔助陽極管電極電解加工方法，通過約束電場來減小電解加工中的雜散腐蝕，輔助陽極電位高于工件陽極電位，但由于輔助陽極與工件安裝在一起，不能加工出高深寬比的結構，且每次加工完成后均需分離、清洗工件陽極和輔助陽極，工藝效率較低，靈活性不高。
[0006]申請號為201410015571.2的中國發明專利申請提出的高電位惰性金屬模板表面織構電解加工方法，其輔助電極采用的是惰性金屬模板的形式，電解加工時輔助電極緊密貼合在工件的表面上，工具無法持續進給，因此也無法加工出高深徑比(或深寬比)的孔、
縫、槽等結構。
[0007]上述電解加工工藝中，陽極掩膜電解加工對于每個工件都需要進行掩膜，加工效率較低，而且難以加工出高深寬比的結構；陰極側壁絕緣是提高電解加工定域性最直接的方法，但其約束電場分布的作用有限，不能完全約束側壁電力線的分布，因此電解加工中依然存在一定的雜散腐蝕現象；雙電極電解加工、輔助陽極管電極電解加工以及高電位惰性金屬模板電解加工方法則都存在無法加工出高深徑比(或深寬比)的孔、縫、槽等窄深直壁結構的缺點。
[0008]此外，申請號為201410015571.2專利申請中公開了采用的高電位惰性電極為貼于工件表面的活動模板，與工件結合存在一定誤差，并且由于低電位電極無法進給，而高電位電極與工件的距離過小則易造成短路放電，導致表面精度變差。
[0009]而且，上述兩種方法(專利申請號20141001557L 2與專利申請號201310199975)
均未記載由于電場線被改變而在非加工區域產生鈍化膜。
【發明內容】
[0010]針對現有技術不足，本發明要解決的技術問題是提供一種多電位電解加工方法，可有效控制電解加工孔、縫、槽等結構時的側壁錐度與雜散腐蝕，具有較好的定域性，能夠加工出窄深型直壁深槽結構。
[0011]為了克服現有技術不足，本發明采用的技術方案是:一種多電位電解加工方法，用于加工深孔深槽結構，所述多電位電解加工方法包括以下步驟:
51、將工件水平地安裝在上側開口的電解液槽中；
52、在工件上方豎向設置組合式電極，組合式電極包括內電極、包覆內電極外側的絕緣層、包覆該絕緣層并與內電極分隔的外電極，內電極的下端面裸露而用作加工面；
53、設置可以輸出三個不同電位電壓的電源，輸出的電壓分別為數值最高的高電位電壓、數值最低的低電位電壓、數值介于高電位與低電位之間的中電位電壓，電源高電位與外電極電連接使外電極具有高電位，電源低電位與內電極電連接使內電極具有低電位，電源中電位與工件電連接使工件的電位介于內電極與外電極之間；
54、將工件、外電極、內電極浸泡于電解液中，或噴淋電解液使工件、外電極、內電極之間電導通，從而可以發生電化學反應；同時連通電源與工件、外電極、內電極使各電極和工件帶電位形成電位差；外電極采用惰性導電材料制作；
55、使用分析軟件，按照實際工件材料與電解液的屬性，對加工區域的電場進行仿真，調節仿真電位輸入參數使得加工區域邊緣的電位處于鈍化區間以滿足定域性要求，繼續仿真槽孔的加工過程并保證加工過程的定域性和邊界區域鈍化，確定電位輸入參數為鈍化電位參數；根據鈍化電位參數調整各電極的電位，使高電位區域集中在低電位電極下方，使電化學蝕除反應集中作用在低電位電極的正下方區域。
[0012]作為本發明多電位電解加工方法的技術方案的一種改進，所述外電極的下端面與內電極的下端面平齊。
[0013]作為本發明多電位電解加工方法的技術方案的一種改進，所述內電極的下端部為喇叭形，內電極的最下端外輪廓大于或等于外電極的外輪廓。
[0014]作為本發明多電位電解加工方法的技術方案的一種改進，所述外電極采用鉬或鈀或碳材料制作。
[0015]作為本發明多電位電解加工方法的技術方案的一種改進，將電解液槽固定安裝在機座，將組件式電極安裝在可縱向進給的軸桿前端，在電解過程中不斷推動電極縱向向前移動。
[0016]本發明的有益效果是:在本發明的一種多電位電解加工方法中，工具電極系統由三層組成，包括最里層的工具陰極(低電位)、中間絕緣層和最外層不溶性的高電位電極(惰性導電材料)，工件的電位介于工具陰極和高電位電極之間。這樣就可以采用多電位方式進行電解加工，通過合理的設計，使高電位區域集中分布于工具陰極正下方區域，而在非加工區域為較低的電位，因而非加工區域會生成一層鈍化膜，阻止蝕除反應進一步發生，可以完全阻止電解加工時加工間隙對側壁區域的蝕除，極大的提高了電解加工在加工深孔、縫時的形狀精度。當加工孔、縫、槽等結構時，配以工具電極系統的進給運動，可以加工出高深徑比(或深寬比)的窄深型直壁深槽結構。此外,還可以通過選擇相關參數(如電位、絕緣層厚度、加工間隙)等方法對電力線的分布進行合理的設計，從而根據需要使工具電極下方發生電解蝕除的區域發生改變，提高了電解加工的適應性與可控性。該多電位電解加工方法通過在陰極側壁絕緣層外包覆不溶性輔助陽極的高電位來約束電場，可有效控制電解加工孔、縫、槽等結構時的側壁錐度與雜散腐蝕，具有較好的定域性，能夠加工出窄深型直壁深槽結構。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1是本發明的多電位電解加工設備實施例的結構示意圖。
[0018]圖2是多電位電極等勢面仿真圖一。
[0019]圖3是多電位電極等勢面仿真圖二。
[0020]圖4是多電位電極等勢面仿真圖三。
[0021]圖5是多電位電極等勢面仿真圖四。
【具體實施方式】
[0022]下面對本發明的實施方式進行具體描述。
[0023]參考圖1所示的電解加工設備，本發明一種多電位電解加工方法，將圖中所示的電解加工設備用于加工深孔深槽結構，所述多電位電解加工方法包括以下步驟:
S1、將工件14水平地安裝在上側開口的電解液槽19中，電解液槽19為浸泡或噴淋工件電解液使其發生電化學反應提供電解液承載空間。
[0024]S2、在工件14上方豎向設置組合式電極，組合式電極包括內電極11、包覆內電極11外側的絕緣層12、包覆該絕緣層12并與內電極11分隔的外電極13，內電極11的下端面裸露而用作加工面；組合式電極可以提供兩個電位，形成多電位電解的電化學反應模式，從而可以更靈活地實現定域性，同時可以提供多一個電位進行外圍鈍化效果，在非加工區域(深孔深槽的壁面)形成鈍化膜，提高窄深型深孔深槽結構的加工精度，尤其是形狀精度。
[0025]S3、設置可以輸出三個不同電位電壓的電源15，輸出三種不同電位的電壓，分別為數值最高的高電位電壓17、數值最低的低電位電壓16、數值介于高電位與低電位之間的中電位電壓18。電源高電位與外電極13電連接使外電極具有高電位，電源低電位與內電極11電連接使內電極具有低電位，電源中電位與工件14電連接使工件的電位介于內電極11與外電極13之間。這樣，最終形成三個不同電位對應的電極，工件14作為中間電極，相對于低電位的內電極11是陽極，工件的電位處于工具電極(用于加工的內電極)和高電位電極之間，當各電極通電且浸泡或噴淋電解液時，中間電位的工件14發生電化學反應而被蝕除材料實現加工。工件相對于外電極13具有低電位，外電極13具有高電位，從而可以在工件14與外電極13之間形成鈍化膜，保護工件免受電解反應侵蝕，保護工件加工深槽的側壁，提高其形狀精度，工件的側壁垂直度能夠得到極大的改善。
[0026]S4、將工件14、外電極13、內電極11浸泡于電解液中，或噴淋電解液使工件14、夕卜電極13、內電極11之間電導通，從而可以發生電化學反應；同時連通可提供多個電位的電源與工件14、外電極13、內電極11使各電極和工件帶電位形成電位差；形成多個不同電位的綜合性加工模型，通電并加入電解液而最終實現電化學加工。另外，外電極采用惰性導電材料制作，便于在工件14與外電極13之間形成鈍化膜。電解液為NaN03、NaC103等。
[0027]S5、參考圖2、圖3、圖4、圖5所示，圖2所示仿真圖記錄內電極為_3V，外電極為5V的電位線等勢面即電場分布，圖3所示仿真圖記錄內電極為-5V，外電極為5V的電位線等勢面即電場分布，圖4所示仿真圖記錄內電極為-5V，外電極為3V的電位線等勢面即電場分布，圖5所仿真圖記錄內電極為-5V,外電極為IV的電位線等勢面即電場分布。使用分析軟件如Ansys或其他可以進行電場分析的軟件，按照實際工件材料與電解液的屬性，對加工區域的電場進行仿真，調節仿真電位輸入參數使得加工區域邊緣的電位處于鈍化區間，保證電解加工的定域性使得加工區域位置準確并對應于需要加工的區域，繼續仿真深槽深孔的加工過程，加工過程保證定域性和邊界區域鈍化，確定電位輸入參數為鈍化電位參數；根據鈍化電位參數調整各電極的電位，使高電位區域集中在低電位電極下方，使電化學蝕除反應集中作用在低電位電極的正下方區域，實現電化學加工的定域性。調整各電極的電位，使高電位區域集中在低電位電極下方，可以使電化學蝕除反應集中作用在低電位電極的正下方區域；而在高電位電極的側部區域內，分布著相對較低的電位。在選擇合理參數的情況下，可在非加工區域內生成一層鈍化膜，保護工件，阻止蝕除反應。
[0028]多電位電解加工是采用多種電位進行電解加工的方法。在本發明的一種多電位電解加工方法中，工具電極系統由三層組成，包括最里層的工具陰極11 (低電位)、中間絕緣層12和最外層不溶性的高電位電極13 (惰性導電材料)，工件14的電位介于工具陰極即內電極11和高電位電極13之間。這樣就可以采用多電位方式進行電解加工，通過合理的設計，使高電位區域集中分布于工具陰極正下方區域，而在非加工區域為較低的電位，因而在非加工區域內生成了鈍化膜，并且由于約束了加工區域內的電場分布，電解加工的雜散腐蝕也得到了極大的改善，因此在需要長時間加工的場合，可以保護工件非加工區域，使這部分區域避免氧化，阻止蝕除反應進一步發生，可以完全阻止電解加工時加工間隙對側壁區域的蝕除，極大的提高了電解加工在加工深孔、縫時的形狀精度。當加工孔、縫、槽等結構時，配以工具電極系統的進給運動，可以加工出高深徑比(或深寬比)的窄深型直壁深槽結構。此外，還可以通過選擇相關參數(如電位、絕緣層厚度、加工間隙)等方法對電力線的分布進行合理的設計，從而根據需要使工具電極下方發生電解蝕除的區域發生改變，提高了電解加工的適應性與可控性。該多電位電解加工方法通過在陰極側壁絕緣層外包覆不溶性輔助陽極的高電位來約束電場，可有效控制電解加工孔、縫、槽等結構時的側壁錐度與雜散腐蝕，具有較好的定域性，能夠加工出窄深型直壁深槽結構。
[0029]工件不再成為絕對意義上的陽極，而是相對于高電位電極，成為陰極。多電位的電解加工，在電解加工中采用多種不同電位，約束加工間隙內的電場分布。高電位電極與低電位電極緊密結合，形成新的工具電極組件，共同進給加工，在加工微孔、縫的過程中，極大減少了電解加工中的雜散腐蝕，不會發生側壁的腐蝕，能最大程度減小電解加工時的側壁錐度，保證孔、縫的側壁垂直度。
[0030]只要將工具制作完成，就可以對不同的工件進行加工，因此效率提高、適用范圍擴大，不僅適用于模板加工，而且還可以對高深寬比的結構(理論上深寬比不受限制)進行加工。
[0031]更佳地，所述外電極13的下端面與內電極11的下端面平齊，從而發生電解反應的加工面位于內電極11下側，僅蝕除內電極11下側方的工件材料，實現定域加工，加工尺寸精度和形狀精度較高。
[0032]更佳地，所述內電極11的下端部為喇叭形，內電極11的最下端外輪廓大于或等于外電極12的外輪廓，使得蝕除區域依然維持在內電極下方，在不斷深入過程中，僅僅蝕除內電極下側方的材料，電極外側的材料無損害，維持較高的形狀精度，減少了電解加工中的雜散腐蝕，最大程度減小電解加工時的側壁錐度，保證孔、縫的側壁垂直度。
[0033]更佳地，所述外電極13采用鉬或鈀或碳材料制作，保證在電解加工時不發生電解，促進鈍化膜的形成。
[0034]更佳地，將電解液槽19固定安裝在機座，將組件式電極安裝在可縱向進給的軸桿前端，在電解過程中不斷推動電極縱向向前移動，蝕除工件材料，實現電解加工，可以加工窄深型深槽直壁結構，以及錐度很小的深槽結構。
[0035]以上所揭露的僅為本發明的優選實施例而已，當然不能以此來限定本發明之權利范圍，因此依本發明申請專利范圍所作的等同變化，仍屬本發明所涵蓋的范圍。
【權利要求】
1.一種多電位電解加工方法，用于加工深孔深槽結構，其特征在于，所述多電位電解加工方法包括以下步驟: 51、將工件水平地安裝在上側開口的電解液槽中； 52、在工件上方豎向設置組合式電極，組合式電極包括內電極、包覆內電極外側的絕緣層、包覆該絕緣層并與內電極分隔的外電極，內電極的下端面裸露而用作加工面； 53、設置可以輸出三個不同電位電壓的電源，輸出的電壓分別為數值最高的高電位電壓、數值最低的低電位電壓、數值介于高電位與低電位之間的中電位電壓，電源高電位與外電極電連接使外電極具有高電位，電源低電位與內電極電連接使內電極具有低電位，電源中電位與工件電連接使工件的電位介于內電極與外電極之間； 54、將工件、外電極、內電極浸泡于電解液中，或噴淋電解液使工件、外電極、內電極之間電導通，從而可以發生電化學反應；同時連通電源與工件、外電極、內電極使各電極和工件帶電位形成電位差；外電極采用惰性導電材料制作； 55、使用分析軟件，按照實際工件材料與電解液的屬性，對加工區域的電場進行仿真，調節仿真電位輸入參數使得加工區域邊緣的電位處于鈍化區間以滿足定域性要求，繼續仿真槽孔的加工過程并保證加工過程的定域性和邊界區域鈍化，確定電位輸入參數為鈍化電位參數；根據鈍化電位參數調整各電極的電位，使高電位區域集中在低電位電極下方，使電化學蝕除反應集中作用在低電位電極的正下方區域。
2.根據權利要求1所述的多電位電解加工方法，其特征在于:所述外電極的下端面與內電極的下端面平齊。
3.根據權利要求1所述的多電位電解加工方法，其特征在于:所述內電極的下端部為喇叭形，內電極的最下端外輪廓大于或等于外電極的外輪廓。
4.根據權利要求1所述的多電位電解加工方法，其特征在于:所述外電極采用鉬或鈀或碳材料制作。
5.根據權利要求1所述的多電位電解加工方法，其特征在于:將電解液槽固定安裝在機座，將組件式電極安裝在可縱向進給的軸桿前端，在電解過程中不斷推動電極縱向向前移動。
【文檔編號】B23H3/00GK104227157SQ201410373682
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年8月1日 優先權日:2014年8月1日
【發明者】羅紅平, 吳明, 郭鐘寧, 江樹鎮, 張永俊, 孫濤濤 申請人:廣東工業大學