交叉群槽编码式流场电解加工方法及装置

摘要

本发明涉及一种交叉群槽编码式流场电解加工方法及装置，属于电解加工技术领域。该方法的特点在于加工区电解液的进液口和出液口设置在工具阴极上的成矩阵分布的网状空刀槽中，使得电解液进、出液空刀槽成交替分布的编码式矩阵。本发明的交叉群槽编码式流场电解加工装置，包括供液入口座（1）、电解液编码分配接口板（2）、电解液编码供液与出液间隔板（3）、交叉槽工具阴极（4）；加工时，电解液由供液入口座（1）流入，先后流经电解液编码分配接口板（2）、电解液编码供液与出液间隔板（3），交叉槽工具阴极（4）；在加工区，电解液从进液空刀槽流入，沿着待加工槽的宽度方向流向出液空刀槽，完成加工区电解产物的排出以及电解液的更新。

说明书

技术领域

本发明的交叉群槽编码式流场电解加工方法及装置，属于电解加工技术领域。

背景技术

微尺度阵列群槽结构，在形如燃料电池、燃料处理器等紧凑、整体型传热、传质应用器件中的应用越来越广泛。为满足耐高温，耐腐蚀，良好的导电、导热特性的使用要求，这类结构一般采用钛合金、高温合金、不锈钢等难加工材料，且分布在大尺度金属薄板上，给现有制造技术带来新的挑战。

电解加工技术通过控制电化学阳极溶解去除工件材料，加工过程不受金属材料强度、硬度等力学性能的限制，没有工具损耗，且工件表面质量好，无残余应力、金属毛刺、再铸层等加工缺陷。在利用电解加工技术加工交叉群槽结构时，工具阴极一般为与待加工群槽结构相仿的阵列凸起。加工过程中，阴极与电源负极相接，金属槽板与电源正极相接，阴阳极中间流经高速、高压的电解液，仅需一次进给即可实现阵列群槽结构的高效加工成形。因此，电解加工技术特别适合难加工金属薄壁材料阵列群槽结构的加工成形。

在电解加工中，阴阳极之间的电解液是实现阳极电化学溶解的载体。加工时，受阴极表面生成的氢气、阳极溶解生成的不溶性产物、电路中的焦耳热等的影响，加工区电解液的电导率并不是均匀分布的，而是沿流程呈现非线性变化的。电解液电导率的不均匀分布，将导致加工区阳极的不均匀溶解，影响工件的加工精度；严重时甚至会造成阴阳极短接、造成阴阳极以及加工系统的严重损坏。由此可见，及时快速排出电解产物、实现加工区电解液的有效更新，从而提高加工区电解液电导率的一致性，是确保电解加工正常进行以及提高电解加工精度的关键。

针对阵列微流道结构的加工，朱荻、刘嘉、姜小琛的专利“具有伸缩梳状封液结构的群槽电解加工工具及方法，ZL201611063283.X”公开了一种具有伸缩梳状封液结构的群槽电解加工工具，该工具可以有效抑制阵列流道之间筋上表面的杂散腐蚀，能显著改善阵列直槽加工的成型质量。然而加工交叉群槽时，单向流动的电解液势必会撞击到与流向垂的工具阴极的侧壁，导致电解液流阻大幅上升。若电解液不能将产物带出加工间隙，则可能会诱发短路等加工意外。王国乾的论文《金属阵列结构模版电解加工关键技术研究》提出了一种模版电解加工阵列群槽的加工方法，其通过控制模版电解加工的加工时间来控制待加工群槽结构的尺寸及轮廓精度，实现了阵列群槽结构的高效加工。陈晓磊等的专利“一种微流道电解加工装置，ZL 201810467763.5”提出了一种新型的射流电解加工方法，其将电解液喷头、绝缘模版与电解液通孔一体化，解决了传统射流电解加工的效率低、产品精度差的问题。刻蚀和射流都可以实现交叉槽电解加工，但都是自由腐蚀的，槽的形状轮廓精度一致性控制比较困难，而且无法加工截面为矩形的槽。因此迫切的需要寻找一种有效的交叉群槽电解加工方法。

发明内容

本发明旨在解决交叉群槽结构电解加工的电解液更新难题，提出一种结构简单、实用性强的交叉群槽编码式流场电解加工方法及装置。

一种交叉群槽编码式流场电解加工方法，交叉群槽工件由N条横槽和K条纵槽相互垂直交叉排布形成，交叉群槽之间的筋结构称作分隔筋；其特征在于：

工具阴极为与待加工的交叉群槽结构对应的阵列凸起结构，所述阵列凸起结构由N条横台和K条纵台相互垂直交叉排布形成，凸起结构的高度大于待加工交叉群槽的目标深度；

工具阴极的阵列凸起结构之间的间隙作为容纳交叉群槽结构之间相应阵列分隔筋的成（N-1）*（K-1）阵列分布的空刀槽；

将这些空刀槽上下贯通，电解液从其中进、出；将进液空刀槽标记为1，出液空刀槽标记为0，则进出液空刀槽的排布成一个（N-1）*（K-1）的进出液编码矩阵；

工具阴极空刀槽的进出液编码排布规则如下：首先，设定工具阴极的某一边角处的空刀槽为进液空刀槽，编码为1，并以此为基准，按照进、出液空刀槽交替排布的规律排布，使得交叉群槽工具阴极上的每个进液空刀槽的周围均是出液空刀槽、且每个出液空刀槽的周围均是进液空刀槽；此外，为保证边角处的加工稳定性，需确保交叉群槽所有边角处的空刀槽均为进液空刀槽；

从而使得加工时，电解液由进液空刀槽流入，在加工区阴阳极之间的间隙、沿待加工槽的宽度方向流向出液空刀槽，并由相邻的出液空刀槽流出加工区，从而形成交叉群槽的编码式流场加工。

一种交叉群槽编码式流场电解加工方法的装置，其特征在于：包括依次相连的供液入口座、电解液编码分配接口板、电解液编码供液与出液间隔板、交叉槽工具阴极；

所述供液入口座第一端与机床运动主轴相接，第二端与电解液编码分配接口板第一端相接；其内部为中空结构，在其侧面布置有电解液供液接口；

所述电解液编码分配接口板布置有若干上下贯通的电解液分配接口，其第二端与电解液编码供液与出液间隔板第一端相接；

所述的电解液编码供液与出液间隔板第二端与交叉槽工具阴极相接；

按照进出液编码矩阵的编码1，在电解液编码供液与出液间隔板上布置有若干贯通电解液编码分配接口板的电解液分配接口和交叉槽工具阴极的进液空刀槽的电解液供液接口；

按照进出液编码矩阵的编码0，在电解液编码供液与出液间隔板上布置有若干与交叉槽工具阴极的出液空刀槽连通的电解液回液接口；在电解液编码供液与出液间隔板上还布置有与电解液回液接口相连通的电解液出口。

利用所述的交叉群槽编码式流场电解加工方法的装置，其具体实施过程如下：

电解加工过程中，将供液入口座安装在电解加工机床的运动轴上，并将供液入口座上的电解液供液接口与电解液循环系统相接，以实现交叉群槽编码式流场电解加工装置体的运动与电解液供给；

加工时，待加工交叉槽工件接电源正极，交叉槽工具阴极接电源负极；

电解液从电解液循环系统流入供液入口座，并通过供液入口座内部的腔体流向电解液编码分配接口板，然后通过电解液编码分配接口板上的电解液分配接口流向电解液编码供液与出液间隔板，进而通过电解液编码供液与出液间隔板上的电解液供液接口流向交叉槽工具阴极上的进液空刀槽，最终流至交叉槽的加工区；

在交叉槽加工区，电解液在阴阳极之间的间隙、沿待加工槽的宽度方向流动，完成加工区电解产物的排出以及电解液的更新；随后，电解液由相邻的出液空刀槽流出加工区，从而形成交叉群槽的编码式流场电解加工；

流出加工区后，电解液由电解液编码供液与出液间隔板上的电解液回液接口返流至电解液编码供液与出液间隔板上的电解液出口，并最终流出交叉群槽编码式流场电解加工装置体，返流至电解液循环系统。

本发明针对传统侧流式电解加工流场在加工交叉形群槽结构时无法满足电解产物的充分排出以及电解液的有效更新问题，提出了交叉群槽编码式流场电解加工方法及装置。该方法及装置能够将传统电解加工的全域流场离散为多个独立的局域流场，并且在每个局域流场加工区，电解液始终沿槽宽度方向冲刷。显著缩短了加工区电解液流程，避免了传统侧流式流场在加工交叉形群槽时，由于与电解液侧流方向垂直排布的槽结构的存在而导致的电解液流场紊乱、局部缺液、流程过长等问题，能够实现加工区电解产物的及时排出以及电解液的有效更新，保证了交叉形群槽结构的精密、高效电解加工；

本发明的交叉群槽编码式流场电解加工方法及装置，其电解液的流程长度始终为待加工槽的槽宽尺寸，与待加工槽的深度尺寸无关。从而解决了传统电解加工侧流式流场在加工大深度、大深宽比群槽结构时，由于电解液流程过长导致的电解液流速衰减问题。能够实现传统电解加工流场无法实现的大深度、大深宽比群槽结构的电解加工；

本发明的交叉群槽编码式流场电解加工装置，在加工不同槽宽、变槽宽、甚至非直线交叉群槽结构时，只需更换交叉槽工具阴极即可直接使用，操作便捷、适用性强。

所述的实现交叉群槽编码式流场电解加工方法的装置，其特征在于：交叉槽工具阴极的凸起结构为等截面、直线结构，或变截面、曲线结构。

常规侧流式电解加工在加工群槽类结构时，由于其流场的限制，一般在加工变截面、曲线结构群槽时，加工区电解液更新较为困难。本发明的交叉群槽编码式流场电解加工方法及加工装置，由于其加工区电解液被离散为多个独立的加工局域，且在每个加工局域，其电解液流向均为由进液空刀槽流入、沿着槽宽方向由相邻的出液空刀槽流出，因此，其电解液更新能力受阴极结构的影响不大，适用于更多样的工具阴极结构的电解加工。

所述的一种交叉群槽编码式流场电解加工方法，其特征在于：适用于脉冲振动耦合电解加工，或常规运动形式的电解加工。

脉冲振动耦合电解加工在小间隙通电加工、在大间隙断电冲刷，能够极大程度实现加工区电解液的有效更新、提高小间隙的电解加工能力，从而提高电解加工的加工稳定性和加工精度；常规运动形式电解加工，即工具阴极与工件阳极之间仅发生相对进给运动、并不发生相对振动运动，其加工稳定性更加依赖于加工区电解液的有效更新能力。本发明的交叉群槽编码式流场电解加工方法及装置可以极大程度提高加工区电解液的有效更新能力，因此，本发明适用于脉冲振动耦合电解加工，也适用于常规运动形式的电解加工。

附图说明

图1 交叉群槽编码式流场电解加工方法及加工装置图（a）加工装置示意图，（b）加工区电解液编码流向示意图；

图2 交叉槽工件结构示意图；

图3交叉群槽编码式流场电解加工方法电解液流向编码示意图；

图4交叉群槽编码式流场电解加工方法加工区电解液流向剖视图；

图5交叉群槽编码式流场电解加工装置爆炸图；

图6交叉群槽编码式流场电解加工装置电解液流向示意图；

图中标号名称为：1、供液入口座，2、电解液编码分配接口板，3、电解液编码供液与出液间隔板，4、交叉槽工具阴极，5、交叉槽工件，6、电解液入口方向，7、电解液出口方向，8、加工电源，9电解液循环系统。

具体实施方式

如图2为交叉槽工件结构示意图，其表面分布有相互垂直排布的N条横向和K条纵向群槽，并且纵横群槽之间的分隔筋成（N-1）*（K-1）阵列分布。采用传统侧流式流场电解加工此类交叉群槽结构时，单向流动的电解液势必会撞击到与流向垂的工具阴极的侧壁，导致电解液流阻大幅上升。若电解液不能将产物带出加工间隙，则可能会诱发短路等加工意外。

本发明的交叉群槽编码式流场电解加工方法如图1、图3、图4所示。如图1，以加工6行6列垂直交叉的群槽结构为例，其工具阴极上的交叉形阵列凸起结构之间分布着5行5列的空刀槽阵列。对这些空刀槽上下贯通加工，使电解液从其中进、出，并将出液空刀槽标记为1，出液空刀槽标记为0，则进出液空刀槽的排布就成了一个5行5列的0、1编码矩阵，如图3（a）所示。

工具阴极空刀槽的进出液编码排布规则如下：首先，设定交叉槽工具阴极的某一边角处的空刀槽为进液空刀槽，并以此为基准，按照进、出液空刀槽交替排布的规律排布，使得交叉群槽工具阴极上的每个进液空刀槽的周围均是出液空刀槽、且每个出液空刀槽的周围均是进液空刀槽，如图3（a）所示；此外，为保证边角处的加工稳定性，需确保交叉群槽所有边角处的空刀槽均为进液空刀槽，如图3（b）。

由图1、图4，在加工时，电解液由进液空刀槽流入，在加工区阴阳极之间的间隙、沿待加工槽的宽度方向流动，并由相邻的出液空刀槽流出加工区，从而形成交叉群槽的编码式流场加工。

本发明的交叉群槽编码式流场电解加工装置如图1、图5、图6所示。供液入口座1与电解液编码分配接口板2相接，电解液编码分配接口板2的另一端与电解液编码供液与出液间隔板3相接，电解液编码供液与出液间隔板3的另一端与交叉槽工具阴极4相接，以此完成交叉群槽编码式流场电解加工装置体的装配。

加工时，供液入口座1安装在电解加工机床的运动轴上，并将供液入口座1上的电解液供液接口与电解液循环系统9相接，以实现交叉群槽编码式流场电解加工装置体的运动与电解液供给；加工时，待加工交叉槽工件5接电源正极，交叉槽工具阴极4接电源负极。

如图6，加工时，电解液的流向为：电解液由电解液循环系9从供液入口座1上的电解液供液接口流入，如图6中电解液入口方向6所示，并通过供液入口座1内部的腔体流向电解液编码分配接口板2，电解液通过供液入口座上的电解液供液接口从电解液循环系统9中流入，并通过供液入口座内部的腔体流向电解液编码分配接口板，然后通过电解液编码分配接口板2上的电解液分配接口流向电解液编码供液与出液间隔板3，进而通过电解液编码供液与出液间隔板3上的电解液供液接口流向交叉槽工具阴极4上的进液空刀槽，最终流至交叉槽的加工区；在交叉槽加工区，电解液在阴阳极之间的间隙、沿待加工槽的宽度方向流动，完成加工区电解产物的排出以及电解液的更新；随后，电解液由相邻的出液空刀槽流出加工区，从而形成交叉群槽的编码式流场电解加工；流出加工区后，电解液由电解液编码供液与出液间隔板3上的电解液回液接口返流至电解液由电解液编码供液与出液间隔板3上的电解液出口，并最终流出交叉群槽编码式流场电解加工装置体，返流至电解液循环系统9。