一种电化学加工椭球形竹节孔的方法与流程

本发明涉及电化学加工领域，尤其是一种电化学加工椭球形竹节孔的方法。

背景技术：

随着社会的进步与科技的发展，在现代航空航天、汽车、机床等制造行业中，对于使用过程中受力受热比较严重的零件，为了减轻由于冷却不彻底带来的零件变形，延长其使用寿命，越来越多的采用非圆异形截面，即横截面不是圆形，而是椭圆、变椭圆、摆线等非圆形状。如现代活塞制造业中普遍采用的异形销孔设计，可以避免在很高的燃烧压力下产生的弹性变形，减轻销孔内侧应力集中的问题，使得活塞获得更好的性能。此外，在航空发动机滚子轴承中采用非圆滚道，可以有效解决高速轻载时滚子的打滑现象，避免对发动机造成破坏性的影响。而这些非圆异形截面零件因为其复杂的形状，加工精度，对制造加工技术提出了很高的要求。

目前，非圆异形截面零件的加工方法大多是通过主轴的回转运动与切削刀具的径向伸缩运动的合成来实现的。但在实际加工方面则存在种种问题，主要是因为在回转镗杆上安装高频响微量进给机构和控制驱动装置存在着安装空间小，实施控制和测量难度高等问题。

技术实现要素：

为了克服现有技术存在的不足，本发明提供了一种电化学加工椭球形竹节孔的方法，其是利用通电状态下金属材料发生电化学溶解的原理进行，利用专门设计的工具电极，控制加工时间、加工电压、工具电极的摆动实现小孔径表面椭球形微结构的加工。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种电化学加工椭球形竹节孔的方法，所述方法包括以下步骤：

1)工具电极A的制备：

将一光滑圆柱形金属丝或金属管的表面沿圆周方向按等间隔制成环形凹槽，然后在环形凹槽内涂覆绝缘材料并进行固化，形成金属导电部与绝缘部相互间隔的竹节形工具电极A；

2)工具电极B的制备：

将一光滑圆柱形金属丝或金属管的表面沿轴向前后两侧制成相互平行的平面，在轴向左右两侧分别按等间隔制成弧形凹槽，然后在弧形凹槽以及前后两侧平行的平面上涂覆绝缘材料并进行固化，形成前后两侧绝缘、左右两侧的金属导电部与绝缘部相互间隔的工具电极B；其中，工具电极B上的相邻两个弧形凹槽之间的间隔与工具电极A上的相邻两个环形凹槽之间的间距相同，工具电极A上的环形凹槽的上下宽度与工具电极B上的弧形凹槽的上下宽度相同，工具电极B的金属导电部的横截面的半径与工具电极A的金属导电部的横截面的半径相同；

3)圆形竹节孔的加工:

先将工具电极A进给到待加工工件上预先加工好的光孔中，接着将电解液沿着工具电极A与待加工工件上的光孔内壁之间的缝隙自下而上流动，然后将待加工工件接电源正极，工具电极A接电源负极，处于电解液包围的待加工工件与工具电极A的金属导电部之间形成电解加工区，待加工工件表面在电场作用下被去除，形成圆形竹节孔；

4)椭球形竹节孔的加工：

将步骤3)中的工具电极A取出，在圆形竹节孔内插入工具电极B，且工具电极B的金属导电部、绝缘部与工具电极A的金属导电部、绝缘部在轴向方向相对应，同时，工具电极B的前后两侧的绝缘层前后布置；设定电解液的加工电压和通电时间，通过机床主轴带动工具电极B按设定角度沿着圆周方向往复摆动，圆形竹节孔处于电解加工区的内壁面得到二次电解加工，圆形竹节孔逐渐形成椭球形竹节孔，当达到设定的通电时间后，圆形竹节孔完全形成椭球形竹节孔；

其中，工具电极B的前后往复摆动的设定角度为30°～60°。

进一步，所述步骤1)工具电极A的制备中；

将一光滑圆柱形金属丝或金属管的表面沿圆周方向按等间隔涂覆一层绝缘胶，并在紫外光照射下进行固化，然后将其浸入质量浓度为10％NaNO₃的电解液中进行电解腐蚀，将涂覆绝缘胶的圆柱形金属丝或金属管接电源正极，质量浓度为10％NaNO₃电解液中的铁片接电源负极，电解腐蚀达到设定时间后，取出圆柱形金属丝或金属管，从而使得圆柱形金属丝或金属管表面裸露部分的金属材料得到腐蚀呈环形凹槽状，然后将之前涂覆的一层绝缘胶去除形成工具电极A的金属导电部，最后在被腐蚀的环形凹槽内均匀涂覆含15％SiC的光敏树脂并在紫外光照射下进行固化，环形凹槽内的光敏树脂层形成工具电极A的绝缘部，从而制得工具电极A。

进一步，所述步骤2)工具电极B的制备中；

将一光滑圆柱形金属丝或金属管的表面沿轴向左右两侧绷直涂覆一层绝缘胶并在紫外光照射下进行固化，然后将其侵入到配好的质量浓度为10％NaNO₃的电解液中，将涂覆绝缘胶的圆柱形金属丝或金属管接电源正极，质量浓度为10％NaNO₃电解液中的铁片接电源负极，电解腐蚀到设定时间后，取出圆柱形金属丝或金属管，从而使得圆柱形金属丝或金属管表面裸露部分的金属材料得到腐蚀，其轴向前后两侧形成相互平行的平面，并在平面上涂覆15％SiC的光敏树脂，并在紫外光照射下进行固化，得到轴向前后两侧绝缘的金属丝或金属管；

然后，在前后两侧绝缘的金属丝或金属管的轴向左右两侧分别按等间隔涂覆一层绝缘胶，并在紫外光照射下进行固化，固化后将其浸入到质量浓度为10％NaNO₃电解液中进行电解腐蚀，将前后两侧绝缘的圆柱形金属丝或金属管接电源正极，质量浓度为10％NaNO₃电解液中的铁片接电源负极，电解腐蚀达到设定时间后，取出金属丝或金属管，从而使得金属丝或金属管表面裸露部分的金属材料得到腐蚀呈弧形凹槽状，然后将之前涂覆的一层绝缘胶去除形成工具电极B的金属导电部，最后在被腐蚀的弧形凹槽内均匀涂覆含15％SiC的光敏树脂并在紫外光照射下进行固化，弧形凹槽内的光敏树脂层形成工具电极B的绝缘部，从而制得工具电极B。

本发明的主要有益效果在于：可实现圆周方向非圆截面冷却孔加工；加工工艺操作简单；在阵列电极情况下，可一次性进行多孔加工，效率高；加工精度较高，可加工孔径尺寸小、加工工件表面性能不会受到切削力的影响。

附图说明

图1a是表面呈环形凹槽状的金属丝的结构示意图。

图2a是图1a制成工具电极A的结构示意图。

图1b是表面呈环形凹槽状的金属管的结构示意图。

图2b是图1b制成工具电极A2的结构示意图。

图3是轴向前后两侧被腐蚀为平面、轴向左右两侧被腐蚀为弧形凹槽的金属丝的结构示意图。

图4是图3制成的工具电极B的结构示意图。

图5是椭球形竹节孔的电解加工原理图。

图6是通过工具电极A加工后的圆形竹节孔的纵剖图。

图7是图6的主视图。

图8是工具电极B在圆形竹节孔内周期性沿轴向周向摆动的示意图。

图9是椭球形竹节孔的纵剖图。

图10是图9的主视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图10，一种电化学加工椭球形竹节孔的方法，所述方法包括以下步骤：

2)工具电极A的制备：

将一光滑圆柱形金属丝或金属管的表面沿圆周方向按等间隔制成环形凹槽，然后在环形凹槽内涂覆绝缘材料并进行固化，形成金属导电部与绝缘部相互间隔的竹节形工具电极A；

3)工具电极B的制备：

将一光滑圆柱形金属丝或金属管的表面沿轴向前后两侧制成相互平行的平面，在轴向左右两侧分别按等间隔制成弧形凹槽，然后在弧形凹槽以及前后两侧平行的平面上涂覆绝缘材料并进行固化，形成前后两侧绝缘、左右两侧的金属导电部与绝缘部相互间隔的工具电极B；其中，工具电极B上的相邻两个弧形凹槽之间的间隔与工具电极A上的相邻两个环形凹槽之间的间距相同，工具电极A上的环形凹槽的上下宽度与工具电极B上的弧形凹槽的上下宽度相同，工具电极B的金属导电部的横截面的半径与工具电极A的金属导电部的横截面的半径相同；

3)圆形竹节孔的加工:

先将工具电极A进给到待加工工件6上预先加工好的光孔中，接着将电解液沿着工具电极A与待加工工件6上的光孔内壁之间的缝隙自下而上流动，然后将待加工工件接电源正极，工具电极A接电源负极，处于电解液包围的待加工工件6与工具电极A的金属导电部之间形成电解加工区，待加工工件6表面在电场作用下被去除，形成圆形竹节孔；

4)椭球形竹节孔的加工：

将步骤3)中的工具电极A取出，在圆形竹节孔内插入工具电极B，且工具电极B的金属导电部、绝缘部与工具电极A的金属导电部、绝缘部在轴向方向相对应，同时，工具电极B的前后两侧的绝缘层前后布置；设定电解液的加工电压和通电时间，通过机床主轴带动工具电极B按设定角度沿着圆周方向往复摆动，圆形竹节孔处于电解加工区的内壁面得到二次电解加工，圆形竹节孔逐渐形成椭球形竹节孔，当达到设定的通电时间后，圆形竹节孔完全形成椭球形竹节孔；

其中，工具电极B的前后往复摆动的设定角度为30°～60°。

进一步，所述步骤1)工具电极A的制备中；

将一光滑圆柱形金属丝或金属管的表面沿圆周方向按等间隔涂覆一层绝缘胶，并在紫外光照射下进行固化，然后将其浸入质量浓度为10％NaNO₃的电解液中进行电解腐蚀，将涂覆绝缘胶的圆柱形金属丝或金属管接电源正极，质量浓度为10％NaNO₃电解液中的铁片接电源负极，电解腐蚀达到设定时间后，取出圆柱形金属丝或金属管，从而使得圆柱形金属丝或金属管表面裸露部分的金属材料得到腐蚀呈环形凹槽状，然后将之前涂覆的一层绝缘胶去除形成工具电极A的金属导电部1，最后在被腐蚀的环形凹槽2内均匀涂覆含15％SiC的光敏树脂并在紫外光照射下进行固化，环形凹槽2内的光敏树脂层3形成工具电极A的绝缘部，从而制得工具电极A。

进一步，所述步骤2)工具电极B的制备中；

将一光滑圆柱形金属丝或金属管的表面沿轴向左右两侧绷直涂覆一层绝缘胶并在紫外光照射下进行固化，然后将其侵入到配好的质量浓度为10％NaNO₃的电解液中，将涂覆绝缘胶的圆柱形金属丝或金属管接电源正极，质量浓度为10％NaNO₃电解液中的铁片接电源负极，电解腐蚀到设定时间后，取出圆柱形金属丝或金属管，从而使得圆柱形金属丝或金属管表面裸露部分的金属材料得到腐蚀，其轴向前后两侧形成相互平行的平面4，并在平面4上涂覆15％SiC的光敏树脂，并在紫外光照射下进行固化，得到轴向前后两侧绝缘的金属丝或金属管；

然后，在前后两侧绝缘的金属丝或金属管的轴向左右两侧分别按等间隔涂覆一层绝缘胶，并在紫外光照射下进行固化，固化后将其浸入到质量浓度为10％NaNO₃电解液中进行电解腐蚀，将前后两侧绝缘的圆柱形金属丝或金属管接电源正极，质量浓度为10％NaNO₃电解液中的铁片接电源负极，电解腐蚀达到设定时间后，取出金属丝或金属管，从而使得金属丝或金属管表面裸露部分的金属材料得到腐蚀呈弧形凹槽状，然后将之前涂覆的一层绝缘胶去除形成工具电极B的金属导电部，最后在被腐蚀的弧形凹槽5内均匀涂覆含15％SiC的光敏树脂并在紫外光照射下进行固化，弧形凹槽5内的光敏树脂层3形成工具电极B的绝缘部，从而制得工具电极B。

当然其中表面被腐蚀呈环形凹槽状的金属丝/金属管可以采用其他加工方法获得，如3D打印、车削加工，然后再进一步在环形凹槽处涂覆光敏树脂等绝缘材料以获得工具电极A；轴向前后两侧被腐蚀为平面、轴向左右两侧被腐蚀为弧形凹槽5的金属丝/金属管可以采用其他加工方法获得，如3D打印、车削加工，然后再进一步在轴向前后两侧、弧形凹槽处涂覆光敏树脂等绝缘材料以获得工具电极B。

本发明的电解加工原理为：

电解液沿着工具电极A与待加工工件6光孔侧壁间缝隙自下而上流动，待加工工件6接电源正极，工具电极A接负极，处于电解液包围的待加工工件6与工具电极A的金属导电部之间形成电解加工区，工件表面材料在电场作用下被去除，根据工具电极A周围电场分布规律，正对工具电极A的金属导电部电场强度呈现对称弧形，因此处于工具电极A阴极裸露金属材料附近的工件表面材料腐蚀速度呈现中间快、两侧慢的规律，最终光孔被加工成圆形竹节孔即竹节孔的横截面为圆形截面8；之后将工具电极A取出，在相对应的位置插入工具电极B10，再次进行二次电解加工，由于工具电极B轴向前后两侧涂覆了绝缘材料含15％SiC的光敏树脂，使得已加工的圆截面竹节孔内侧仅部分区域再次得到电解腐蚀，在工具电极B10电解加工的过程中，通过控制机床主轴带动工具电极B10进行一定角度，如设定角度为30°～60°往复摆动，同时设置一定的加工电压与通电时间，控制该圆形竹节孔处于电解加工区的内壁面得到进一步的腐蚀，圆形竹节孔逐渐形成椭球形竹节孔，椭球形竹节孔的横截面为椭圆形9。

实例一：

1、工具电极的制备。

工具电极7包括工具电极A和工具电极B；

工具电极A制备：取一直径为1.5mm，长60mm的圆柱形金属丝，按一定相同距离即等间隔如5mm，沿圆周方向均匀涂覆绝缘胶并紫外光照射下进行固化，再将其固定在机床上，进给浸入到质量浓度为10％的NaNO₃电解液中，将涂覆绝缘胶的圆柱形金属丝接电源正极，质量浓度为10％的NaNO₃电解液中的铁片接电源负极，施加电压8V，工作时间5min后把金属丝取出，去除金属丝表面的绝缘胶，形成工具电极A的金属导电部即得到工具电极A基体；然后在工具电极A基体的金属表面腐蚀的环形凹槽内涂覆含15％SiC的光敏树脂，放至在紫外光固化机下固化3min后，形成工具电极A的绝缘部，即制备获得工具电极A。

工具电极B制备：取一直径为1.5mm，长60mm的圆柱形金属丝，沿其轴向左右两侧绷直涂覆绝缘胶并固化，再将金属丝固定在机床上，进给到配好的10％NaNO₃电解液中，将涂覆绝缘胶的圆柱形金属丝或金属管接电源正极，质量浓度为10％NaNO₃电解液中的铁片接电源负极，加入工作电压8V，工作时间5分钟后把金属丝取出；在金属丝腐蚀过的前后两侧面涂覆含15％SiC的光敏树脂，并在紫外光固化机下固化3min，待其冷却后取出按等间隔如5mm沿圆周方向均匀涂覆绝缘胶并固化，第二次浸入到质量浓度为10％NaNO₃电解液中进行电解腐蚀，由于金属丝的前后两侧具有光敏树脂绝缘的保护，电解过程中只腐蚀金属丝的金属裸露部分逐渐形成弧形凹槽，施加电压8V，工作时间5分钟后，取出金属丝并在弧形凹槽内均匀涂覆含15％SiC的光敏树脂，并在紫外光固化机下固化3min后即制备获得工具电极B。

2、椭球形竹节孔的加工。

预先在待加工工件6上加工出孔径2mm，孔深60mm的光孔即光滑通孔，将待加工工件6固定在工作台夹具中，质量浓度为15％NaNO₃电解液从光滑通孔自下而上流入；首先将工具电极A进给到待加工工件6上的光滑通孔中，工具电极A接电源负极，待加工工件6接电源正极，施加电压为10V，加工时间为10min，加工结束后将工具电极A取出；接下来工具电极B10再次进给到相同位置进行二次电解加工，施加电压为10V，加工时间10min，其中工具电极B的轴向前后两侧绝缘平面是前后布置的，工具电极B10的导电部在其轴向的左右两侧上。加工过程中工具电极B10作60°角度前后周向往复摆动，加工结束后即得到椭球形竹节孔。