[发明专利]恒流量管电极电解加工方法

说明书

 

所属技术领域

本发明的恒流量管电极电解加工方法，属于电解加工技术领域。

背景技术

据统计，孔加工约占机械加工总量的1/3，占机械加工总时间的1/4。其中大约有5%的孔是难加工材料上的深小孔。例如空心冷却涡轮叶片、导向器叶片、喷油嘴上的深小孔。这些孔用传统机械钻孔工艺难以完成加工，工具损耗大；采用激光加工存在表面重熔层问题，在对表面质量要求非常苛刻的航空发动机领域必须对孔进行二次加工；采用电火花加工效率较激光加工低，且同样存在重熔层问题；采用电解加工加工质量明显提高，还可采用阵列电极加工群孔，提高加工效率。

管电极电解加工(Shaped tube electrochemical drilling，简称STED)进行时，电解液从中空金属管（圆管或异型管）中高速流出，充满整个加工间隙。工具阴极进给，工件阳极在电化学反应作用下溶解并逐渐形成与金属管截面一致的孔型，同时电解液将反应产物、焦耳热带出加工区。该工艺具有不受工件材料力学、机械性能限制，加工质量好，工具无损耗等特点，在航空航天、汽车、模具制造等行业有重要的应用。

管电极电解加工技术是通用电器公司飞机发动机事业部为解决航空发动机上超合金材料的小孔加工难题提出的一种电解打孔技术。采用质量分数10%-25% HNO₃或H₂SO₄作为电解液，同时采用涂有绝缘层的钛管作为电极进行电解打孔加工。为解决不溶性电解产物排出困难问题，他们使用了酸性电解液，此时电解产物呈离子态，避免了因沉淀物堆积引起的火花放电和短路现象。由于酸性工作液存在着对环境不友好，设备维护要求高等问题，国内外学者开始研究中性盐溶液管电极电解加工。

采用中性盐溶液之后，电解产物将由于无法溶解形成沉淀，存在于加工间隙，影响加工的稳定性，国内外已做了大量研究工作来促进加工产物排出。

美国内布拉斯加大学Rajurkar K.P.教授和波兰理工大学Kozak J.等，提出采用脉冲电源代替直流电源进行管电极电解加工（20% NaNO₃溶液），间隙中的电解产物可以在脉冲间歇时间内得以充分排出，获得稳定的加工过程。该方法的本质是通过减少单位时间内不溶性产物的生成量，提高产物排出效率，但是对深小孔加工而言，该方法效果不明显，且大大降低了加工效率。

台湾云林科技大学郭家诚等对电解液流动方式（20% NaNO₃溶液）进行改进，发明了同轴喷吸法。独特的阴极系统结构，密封工件表面电解液流动区域，抽吸泵提供格外动力及时抽走加工区含有电解产物的电解液。该方法阴极系统结构复杂，不能推广到大规模阵列群孔加工场合。

南京航空航天大学朱荻教授提出采用电极平动、抽吸式反流等方式进行管电极电解加工（16% NaNO₃溶液）。电极周期平动将提高阳极溶解均匀性，侧壁间隙周期性扩大缩小，内部形成低频脉动压力，改善产物排出效果；抽吸式反流管电极电解加工技术，通过改变加工区电解液流动方向，电解液从管电极内孔回流，避免了电解产物对电解液电导率的影响。高转速下平动头的运动精度不高，加工稳定性差，管壁四周的不对称压力分布易造成电极振动，产生环周沟槽溶解；抽吸式反流由于产生的真空压差有限，对深小孔加工意义不大。

埃及姆努菲亚大学Hewidy M.S.、波兰理工大学Kozak J.等提出电极低频振动电解加工技术。工具电极的振动将在间隙内形成压力波动，电解液更新速率加快，加工产物的排出更加便利。该装置结构复杂，间隙的大小往复变化会造成电解液回流、间隙内流场紊乱，加工稳定性变差；该方法的工具电极往复低频振动幅值远小于孔的加工深度，对于深小孔加工产物排出效果微弱。

上述研究工作均采用电解液恒压力加工，随着加工深度的增加沿程压降增加，电解液流量减小、流速降低，使得电解产物、焦耳热排出变慢，影响了加工稳定性。

此外，现有管电极电解加工，通常单独根据电流的变化来判断孔是否加工完成。但由于孔穿通时杂散腐蚀的存在，给电流变化判断带来困难，难以得到理想的孔出口精度。

发明内容

本发明旨在改善深小孔中性盐溶液管电极电解加工中随孔深度增加沿程压降增大，电解液流速降低导致加工产物、焦耳热排出不畅的问题；以及改善由于杂散腐蚀的存在，单独通过电流变化无法较为准确判断孔出口位置，造成孔出口精度不高的情况。提出一种可以使加工稳定，提高孔出口精度的恒流量管电极电解加工方法。