专利名称：一种泡沫铝缓冲吸能材料的电解加工系统及方法
技术领域：
本发明涉及电解加工领域，更具体地说，特别涉及一种泡沫铝缓冲吸能材料的电解加工系统及方法。
背景技术：
泡沫铝是一种以Al或其合 金为基体、包含大量孔洞的轻质多孔金属材料，其主要结构特征是孔径较大且孔隙率较高，正是由于这一特征使泡沫铝成为一种新型结构功能金属材料。泡沫铝具有比重小、重量轻、耐热性强、刚度高等特性，同时还具有缓冲吸能的功能，越来越受到包装运输、军事防护、航空、航天等各个领域的重视。尤其作为一种缓冲吸能材料，已经广泛的应用到了易损物品的缓冲包装、卫星、导弹等重要设备的防护及结构内部填充等方面。和其他的缓冲吸能材料相比，泡沫铝突出的优势表现在(I)在较小的压缩应力作用下，可产生弹性变形，从而传递给被防护物体的应力值很小，起到良好的防护作用；(2)可以通过调节泡沫铝材料的密度来使泡沫铝达到最大的吸能能力；(3)泡沫铝在吸收能量过程中，不发生反弹；(4)泡沫铝在宏观上表现为各向同性，因此其吸能能力与冲击方向无关。当受到外界冲击载荷时很容易发生变形，变形量大而流动应力水平较低，在压缩变形过程能消耗大量的功，将其转变为结构中胞孔的变形、坍塌、破裂、胞壁摩擦等各种形式所耗散的能量，从而有效地吸收外界的冲击能量，这种在较低应力水平下吸收大量冲击能量的特性正是作为缓冲吸能的理想材料。从性能来讲，泡沫铝是一种轻质的缓冲吸能材料，但泡沫铝本身强度不高，不适合单独作为缓冲吸能的结构件使用；金属空心管本身的强度较泡沫铝高，但其缓冲吸能性能远不及泡沫铝。为了充分发挥泡沫铝本身的缓冲吸能优势，将泡沫铝填充在空心金属管内，得到泡沫铝夹芯结构件，成为缓冲吸能更好的复合材料。目前对于泡沫铝的研究重点主要集中在其制备、结构、性能、设计、降低成本以及拓展其应用领域等方面，很少涉及到泡沫铝的机加工方面。为了能将泡沫铝应用于缓冲吸能领域，就需要加工出不同形状尺寸的泡沫铝。由于泡沫铝特殊的孔隙结构，使得传统的车肖IJ、刨削和磨削等加工工艺导致泡沫铝表面孔隙结构的严重变形和破坏，使得加工后的泡沫铝不符合后道工序的要求。为此，寻求泡沫铝新的加工方法是当前泡沫铝实际应用亟需解决的关键问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，对于泡沫铝这种多孔材料，为了克服在加工过程中多孔结构的变形和破坏，提供一种利用金属材料在电解液中发生阳极溶解的电解加工系统及方法，获得具有尺寸精度的特种加工方法。和传统的车削、刨削和磨削相比，电解加工最主要的特征在于该加工方法是一种非接触加工，具有加工范围广，不受材料本身的硬度、强度和韧性的限制，同时，该加工方法还具有生产率高、表面质量好等显著优点，尤其适合于难加工材料的加工。本发明的目的通过下述技术方案予以实现一种泡沫铝缓冲吸能材料的电解加工系统，包括电解加工机床，由加工系统、控制系统、电解液系统和夹具装置构成，所述加工系统由加工电源和加工电极组成，所述加工电源采用脉冲电源，为电解加工提供电能，所述加工电极与待加工工件之间形成电化学反应进行电解加工；所述控制系统控制电解加工过程中，机床的旋转速度、工作电极的横向和纵向的进给速度，从而达到加工的精度要求；所述电解液系统由工作液箱、工作液泵、工作液回路和过滤装置组成，工作液箱用于贮存电解液，工作液泵向加工间隙提供电解液，经工作液回路回收电解液，同时配置工作 液过滤装置，以排除杂质的影响；所述夹具装置用于夹持待加工的工件，并根据工件的加工要求，实现工件所需要的运动。整个电解加工系统需要达到的基本要求包括(1)电解加工机床应具有足够的刚度，必要的抗腐蚀性；(2)控制系统必须具备可靠的短路保护装置以保证加工精度；(3)电解液系统要求供液稳定，并具有过滤、处理电解产物的能力。所述电解加工机床是由普通机床改装而成，为了易于保持原机床的精度和刚度，缩短改装的时间，在改装过程中尽量保持原有机床的主体结构。电解加工机床最长加工长度为700mm，保持原有机床的工件夹持和固定装置，主要是对于圆柱形泡沫铝的夹持，在加工过程中驱动泡沫铝低速旋转，以保证泡沫铝加工的圆度。将传统加工使用的刀具换成加工电极，通过电极与工件之间电化学反应实现对工件的电解加工，调节电极和工件之间的距离(工件固定安装之后，通过控制系统控制电极的横向和纵向的进给速度，横向进给速度范围为0. Ori. 08mm/min，纵向进给速度范围为0. 04^2. 16mm/min)、电压和电流(例如采用脉冲电源，其电源额定输入功率为60KVA，工作电源输出电流范围为(T2000A)实现对电解加工的控制。在工件和加工电极之间形成电化学反应，通过电解液系统在两者之间电解液环境，通过工作液泵实现电解液的循环，同时利用过滤装置避免杂质的影响，其中电解液供给泵的功率为3. 2KW，电解液过滤泵的功率为0. 35KW。一种泡沫铝缓冲吸能材料的电解加工方法，按照下述步骤进行(I)将待加工的泡沫铝多孔材料进行固定；(2)加工开始前，调节泡沫铝材料与电极间的距离，并设置各个加工参数；(3)开始加工，待泡沫铝加工完后，停止设备，对加工的泡沫铝工件进行清洗。在电解加工过程中，其相应的加工参数如下所示(I)电流密度电流密度是电解加工过程中一个重要的加工参数，电流密度的大小直接影响加工的效率和材料的表面粗糙度。在实际的加工过程中，电流密度不能太大，当电流密度值超过一定的上限后，极间热量和蚀除产物增加太多，如果不同时提高泵的压力和电解液流速，则会造成加工区电解液的蒸发、沸腾等异常现象，导致出现短路等故障，从而中断加工过程。因此，对于泡沫铝多孔材料的电解加工过程中，确定泡沫铝多孔材料合适的电流密度范围在 25 30A/cm2。(2)加工电压电解加工过程中，加工电压是指工件阳极与工具阴极之间的电位差，它是建立工件阳极与工件阴极之间电场使得电解加工得以进行的能量来源。加工电压值的确定需要根据所加工的材料、形状、大小以及所选的电流密度来综合选择。对于泡沫铝电解加工过程中，加工电压一般为18 20V。(3)初始加工间隙在电解加工前给定的初始加工间隙的不同，会影响在电解加工过程中达到平衡间隙的过渡过程，从而影响加工的精度。针对泡沫铝多孔材料，其初始加工间隙确定为I. 0-2mmo(4)进给速度电解加工过程汇总，电解进给速度的确定主要依据所加工材料的面积和所选定的初始加工间隙，同时还需要综合考虑电压的容量。对于泡沫铝多孔材料的电解加工，其横向进给速度范围应控制在0. 03、. 08mm/min，纵向进给速度范围应控制在0. 07^1. 50mm/min。(5)电解液的选择电解液是电解加工过程中产生阳极溶解的载体，正确选择电解液是实现电解加工的基本条件。在电解加工过程中，电解液的主要作用为1)作为导电介质传递电流；2)在电场作用下进行电化学反应，使阳极溶解能够顺利而有控制地进行；3)及时地把加工间隙内产生的电解产物及热量带走，起到更新与冷却作用。综合考虑各种电解液具体的应用条件，确定泡沫铝多孔材料的电解加工过程，所选择的电解液为浓度为25Wt9T30wt%的NaNO3水溶液。(6)电解液压力高压、高速的电解液流是保证高的电流密度的前提。为了与所确定的电流密度、初始加工间隙等参数合理匹配，带走在加工过程中所产生的电解产物和热量，需要调节电解液压力来改变电解液的流速和流量。经过理论计算，结合大量的工艺试验，确定在泡沫铝的电解加工过程中，电解液的压力为0. 2^0. 4MPa。传统的材料加工方法主要有车削、铣削、刨削和磨削四种。由于泡沫铝是由金属基体框架在空间交错构成的多孔材料，其基体内部分散着大量孔洞，这些孔洞呈胞状结构，由金属骨骼包围，而且这些孔洞都彼此分割，形状大小不一。因此采用传统的机加工方式对泡沫铝多孔材料进行加工时，极易导致泡沫铝多孔材料的表面孔洞结构发生严重塌陷，而使整个结构受到破坏。如采用铣削的方式加工泡沫铝多孔材料时。由于铣削过程是以铣刀旋转为主，工件作进给运动的切削加工方法。该过程中，铣刀施加在工件上的切削力是周期性变化的，因为在铣削过程中工件必然会产生振动，这样更容易使泡沫铝多孔结构受到破坏。另外，刨削加工过程中，切削过程无进给运动，切削是间歇断续进行的，刀具切入和切离工件时，均有冲击负载，从而造成刨削过程存在冲击和振动，也容易造成泡沫铝孔隙结构的塌陷。相比传统的加工方法，本发明的技术方案电解加工在泡沫铝的加工方面有着显著的优势。因为电解加工是利用金属在电解液中发生阳极溶解的原理将工件加工成形的一种非接触的特种加工方法。该加工方法的基本过程为加工过程中，电解电极和工件之间保、持较小间隙，电解液在间隙中流过。在间隙上施加低压直流电，按照法拉第定律，工件开始溶解，溶解产物被流动的电解液排出加工区，电解电极向工件恒速进给，以保持加工间隙的恒定。随着加工过程的延续，工件形状将近似复制电解电极的形状，得到加工所需要的工件外形尺寸。因为，该方法具有加工范围广、生产率高、表面质量好、电解电极无损耗等显著优点，尤其适合于难加工材料的加工，从而克服在加工过程中多孔结构的变形和破坏。
图I是本发明的电解加工系统的组成示意图，其中I为夹具、2为泡沫铝工件、3为顶头、4为导轨、5为工作电极(即电解电极)。
具体实施例方式下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。使用的电解加工机床为东莞市辉碟自动化科技有限公司的电解切削专用机床PHECMC 6132-750。采用的加工电极(即电解电极)为采用不锈钢材料lCrl8Ni9Ti制造，电极的两侧面粘贴环氧树脂绝缘。所使用的泡沫铝多孔材料是以牌号为ZLlll铝合金作为基体材料，采用熔体发泡法制备得到。该泡沫铝的密度为0. 65X 103kg/m3，其主要化学成分如表I所示。表I ZLlll铝合金的化学成分(wt%)
权利要求
1.一种泡沫铝缓冲吸能材料的电解加工系统，包括电解加工机床，其特征在于，由加工系统、控制系统、电解液系统和夹具装置构成， 所述加工系统由加工电源和加工电极组成，所述加工电源采用脉冲电源，为电解加工提供电能，所述加工电极与待加工工件之间形成电化学反应进行电解加工； 所述控制系统控制电解加工过程中，机床的旋转速度、工作电极的横向和纵向的进给速度，从而达到加工的精度要求； 所述电解液系统由工作液箱、工作液泵、工作液回路和过滤装置组成，工作液箱用于贮存电解液，工作液泵向加工间隙提供电解液，经工作液回路回收电解液，同时配置工作液过滤装置，以排除杂质的影响； 所述夹具装置用于夹持待加工的工件，并根据工件的加工要求，实现工件所需要的运动。
2.根据权利要求I所述的一种泡沫铝缓冲吸能材料的电解加工系统，其特征在于，所述夹具装置对于圆柱形泡沫铝的夹持，在加工过程中驱动泡沫铝低速旋转，以保证泡沫铝加工的圆度。
3.—种泡沫铝缓冲吸能材料的电解加工方法，其特征在于，按照下述步骤进行 (1)将待加工的泡沫铝多孔材料进行固定； (2)加工开始前，调节泡沫铝材料与电极间的距离，并设置各个加工参数； (3)开始加工，待泡沫铝加工完后，停止设备，对加工的泡沫铝工件进行清洗。
4.根据权利要求3所述的一种泡沫铝缓冲吸能材料的电解加工方法，其特征在于，在电解加工过程中，其相应的加工参数如下电流密度范围在25 30A/cm2 ;加工电压为18^20V ;初始加工间隙为I. 0-2mm ;横向进给速度范围应控制在0. 03、. 08mm/s，纵向进给速度范围应控制在0. 07 I. 50mm/min ;电解液为浓度为25wt°/T30wt%的NaNO3水溶液；电解液的压力为0. 2^0. 4MPa。
5.电解加工方法在泡沫铝缓冲吸能材料加工领域的应用。
全文摘要
本发明公开了一种泡沫铝缓冲吸能材料的电解加工系统及方法，包括电解加工机床，由加工系统、控制系统、电解液系统和夹具装置构成，先将待加工的泡沫铝多孔材料进行固定后，调节泡沫铝材料与电极间的距离，并设置各个加工参数后即可进行电解加工。对于泡沫铝这种多孔材料，和传统的车削、刨削和磨削相比，本发明技术方案克服在加工过程中多孔结构的变形和破坏。
文档编号B23H3/00GK102699454SQ201210149370
公开日2012年10月3日 申请日期2012年5月7日 优先权日2012年5月7日
发明者敖三三, 王皓, 罗震, 袁涛, 赵春凤 申请人:天津大学