锥形电解液槽以及微细电解线切割、穿孔加工方法与流程

本发明涉及一种锥形电解液槽以及微细电解线切割、穿孔加工方法，属精密微细电化学加工领域。

技术背景

电解加工是基于阳极溶解以离子形式去除材料的电解加工方式，可用于金属微结构的加工，微细电解加工采用微细电极以及微能电源来实现微结构的加工。微细电解线切割技术以直径为微米级的金属电极丝作为阴极对工件进行电解切割，实现微缝、微结构的成型。

目前，针对微细电解线切割技术国内外学者纷纷展开研究，通过对工艺方法的改进优化，微细电解线切割效果显著提升，不过针对该加工技术的研究仍需要进一步完善，以实现该加工方法的实际工程应用。

相较于传统加工方法，微细电解线切割加工方法有着诸多优势，如：无电极损耗、无宏观切削应力、无热损伤等，但是与此同时，此技术也存在不足之处，其切割效率低下。受限于加工间隙尺寸微小，甚至是微米级，间隙内的电解反应产物以及气泡难以迅速排出，影响间隙内电解液的电导率，从而降低电解效应作用速率，切割速度难以得到提升，增加加工成本。产物的堆积附着甚至会造成极间短路从而烧伤工件切缝表面，降低微细电解线切割的表面质量。特别是针对易钝化材料的微细电解线切割加工，比如金属玻璃，其会在电解腐蚀过的表面形成一层钝化膜，大大降低加工速度。

为了进一步提升微细电解线切割的实际工业生产能力，提高加工效率，实现易钝化材料的高效加工，在开展实验研究前期，采用电极丝振动、往复走丝、外冲液、阳极辅助振动等方法加强加工间隙内产物的排除效果。其中外冲液就是通过循环进液的方式增加电解液槽内电解液的流通，进一步改善产物排出的效果。该方法采用两端可以进出液的方形电解槽，通过一端进液一端出液的方式使得原本静置的电解液可以流通起来，进一步辅助带走通道内的反应产物。但是该方法也存在一定的弊端，具有一定流速的流动电解液在带走加工间隙内产物的同时也会对加工区域产生一定的冲击，使得直径微小的工具电极产生晃动，造成加工的不稳定，影响切缝的表面质量。除此以外由于方形电解槽的四角直壁结构，当电解液从进液口进入电解槽后，其会产生往两边流动的分流，而分流会碰到电解液槽的侧壁，造成流场紊乱，同样的现象会出现在流动的电解液到达出液口处时，由于电解液槽本身体积较小，其内侧壁处的紊乱流场也会在一定程度上影响加工效果。

除此以外，由于电解加工的诸多优点，诸多学者将该加工方法应用于其他方面，比如微小孔的加工。管电极电解穿孔通过管电极内冲液的方式对微小孔进行加工，在加工过程中，加工间隙内的产物被管电极内的高压冲液带出加工间隙。此加工方式由于穿透瞬间返液通道的消失，间隙内无电解液填充，易产生二次放电，尤其是出口部分。通过锥形电解液槽，工作液会产生回转以及轴向下的运动，一方面回转的流体将内冲液带出来的产物清除，使其远离加工区域，减少加工表面的杂散腐蚀；另一方面，由于不断地循环进液，电解液槽内始终充满电解液，当管电极穿透工件的瞬间，具有向下运动状态的工作液迅速填进加工间隙，延长出口处的电解作用时间，提高出口处的加工质量，改善微小孔的加工效果。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种可产生回转向下流动速度且循环进液的锥形电解液槽以及微细电解线切割、穿孔加工方法。

一种锥形电解液槽，其特征在于：锥形电解液槽整体三维结构由两部分组成，上端的圆柱形槽体和下端的锥形槽体；上部圆柱形槽体的侧面设置有进液口，下端锥形槽体的底部设置有出液口。

所述锥形电解液槽在微细电解线切割中的应用，其特征在于包括以下过程：使用锥形电解液槽作为电解液槽；电解液通过恒流量循环冲液系统从锥形电解液槽的进液口进入槽体，以回转的流动方式充满电解液槽直至漫过工件；同时槽内电解又从锥形电解槽的底部出液口流回恒流量循环系统电解液水箱，从而实现电解液的循环使用；其中圆柱形槽体部分使得直流流动的电解液产生回转运动，使得加工通道四周的产物都充分排出；锥形槽体部分使得流动的流体产生竖直方向的流速，进一步带走通道内的加工产物，加强电解作用效果，提升电解线切割速度；电极丝、工件以及工件夹具的位置处于锥形电解槽的中心位置，中心位置的转速较小，对加工区域的冲击小。

所述锥形电解液槽在微细管电极电解穿孔中的应用，其特征在于包括以下过程：以锥形电解液槽作为电解液槽；工作液在圆柱形电解液槽内产生回转运动，将管电极内冲液带出的加工产物从加工区域带走，减少微小孔四周的杂散腐蚀；工作液通过锥形槽体产生的竖直方向的流速，当管电极穿透小孔的瞬间，具有向下分速度的工作液快速充满管电极和工件之间的加工间隙，并充分带走加工间隙内的所有产物，防止短路影响微小孔的加工质量，延长电解作用时间，改善微小孔出口的形貌；同时，间隙内稳定的流场提高电解加工效果，对微小孔出口的质量有提升效果。

附图说明

图1是缓冲式循环冲液微细电解线切割加工整体结构示意图。

图2是锥形电解槽的三维模型。

图3是锥形电解槽的三维模型。

图4是恒流量循环冲液系统。

图5是锥形电解液槽内流场分布仿真图。

图中标号名称：1、隔振平台，2、pzt平台，3、工件夹具，4、工件，5、工具电极夹具，6、工具电极，7、电解槽，8、运动平台底座，9、y轴精密移动平台，10、x轴精密移动平台，11、z轴精密移动平台，12、运动控制卡，13、示波器，14、超高频窄脉冲电源，15、工控机，16、单向阀，17、计量泵，18、溢流阀，19、电解液水箱，20、管电极，21、试片，22、电解槽进液口，23、电解槽出液口，24、阻尼器，25、管道阀门，26、压力表。

具体实施方式

图1是缓冲式循环冲液微细电解线切割加工整体结构示意图。该结构的主要组成部分有隔振平台1、pzt平台2、工件夹具3、工件4、工具电极夹具5、工具电极6、电解槽7、运动平台底座8、y轴精密移动平台9、x轴精密移动平台10、z轴精密移动平台11、运动控制卡12、示波器13、超高频窄脉冲电源14、工控机15、单向阀16、计量泵17、溢流阀18、电解液水箱19。其加工过程简述如下：通过工控机15和运动控制卡12控制x、y、z轴精密移动平台10、9、11，使得工具电极6可以在三维空间内进给运动，实现复杂轨迹加工；通过控制pzt平台2的震动，使得工件4在加工过程中有一定的震动效果，加强加工间隙内产物的排出效果。

图2是微小孔电解加工过程示意图，左右分别是穿孔过程以及穿透瞬间。在穿孔过程中，管电极20向下进给，电解液在工件21的反衬作用下形成返液通道，对工件21进行电解腐蚀加工。而当小孔穿透之后加工通道内的液体迅速流尽，影响微小孔的加工质量，特别是孔的出口部分。

图3所示为锥形电解槽的三维模型图，其特点在电解液从进液口22进入电解槽并以回转的运动方式开始流动，出液口23位于下端锥体的底部，电解液在重力作用下从出液口23流出，使得电解液整体有竖直方向的分速度，进一步带走通道内的加工产物，加强电解作用效果，提升电解线切割速度。

图4是恒流量冲液系统，通过启动柱塞式计量泵17，将电解液水箱19中的电解液抽取出来，进入冲液系统，通过阻尼器24消除柱塞运动带来的的流量波动，然后经过溢流阀18和通道阀门25，最终经过压力表26从通道出液口进入电解液槽7，提供流量恒定的电解液，进一步缓解电解液本身流量波动对加工区域的冲击。

图5是锥形电解液槽内流场分布仿真图，电解液进入电解液槽7后做回转流动，速度分布从槽壁到槽中心呈现降低的趋势，中心处的流体冲击最小，回转流体的传质效果更好，而且电解液在回转的同时会向下流出，更有效的排出加工产物，加工效率进一步提升。

结合图1、图2、图3、图4和图5说明实施本发明“一种锥形电解液槽以及微细电解线切割、穿孔加工方法”的操作过程：

（1）将工具电极6和工具电极夹具5、工件4和工件夹具3以及电解液槽7安装固定；

（2）启动计量泵17并调高输入流量，往电解液槽7内注入电解液，当电解液没过工件4后降低输入流量，维持电解液槽7内电解液的液面高于工件4；

（3）将示波器13的电压探头接入示波器13，并将电压探头的正极接工件4，负极接工具电极6；

（4）通过工控机15控制z轴精密移动平台11轴向振动，启动pzt平台2，并控制pzt平台2产生z方向的振动，改善加工间隙内产物的排出效果；

（5）通过控制软件设置加工参数并进行对刀，从而实现缓冲式循环冲液微细电解线切割加工；

（6）将线切割电极、工件以及配套夹具置换成管电极20和工件21以及配套夹具，并安装固定在机床上，重复上述过程，实现微小孔的加工。