一种基于阴极析氢强化电解加工微间隙内传质效率的方法及控制系统与流程

本发明涉及一种基于阴极析氢强化电解加工微间隙内传质效率的方法及控制系统。

背景技术：

精密化、微型化是现代工业产品的主流发展方向，而微细加工技术是实现产品微型化的支撑技术，也是衡量一个国家先进制造水平的重要评价指标之一。微细电解加工技术是一种基于电化学阳极溶解原理的微细制造方法，具有加工不受材料机械性能的限制、加工表面质量好、阴极无损耗、可重复使用等优点。鉴于以上这些优点，微细电解加工技术已成为微细制造领域最具发展前景的加工方法之一。然而，在微细电解加工过程中，阴阳两极之间的间隙(加工间隙)通常仅为数微米至数十微米，有时甚至处于亚微米量级，如此狭小的加工间隙使得加工过程中，间隙内电解产物排出十分困难，特别是阳极产生的絮状不溶性产物，极易粘附在阳极加工表面，造成加工间隙内的电解液更新困难，使得加工表面质量和稳定性降低，有时甚至会有火花和短路现象的发生，使得加工无法持续进行。因此，非常有必要强化电解加工微尺度加工间隙内传质速度的方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于阴极析氢强化电解加工微间隙内传质的方法，以解决加工间隙内阳极产物排出、电解液更新困难的问题，从而提高微细电解加工效率、改善加工表面的质量和稳定性。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于阴极析氢强化电解加工微间隙内传质效率的方法，包括用以对设置在电解液中的工件交替切换地实行第一加工段和第二加工段，其中，所述第一加工段为电解所述工件，所述第二加工段为将所述工件作为阴极并实施阴极析氢。

进一步地，所述方法包括：提供插入至电解液中的微细电极和辅助电极；所述第一加工段具体为：将所述微细电极作为阴极，所述工件作为阳极，供电以使所述微细电极和所述工件之间形成回路；所述第二加工段具体为：将所述工件作为阴极，所述辅助电极作为阳极，供电以使所述工件和所述辅助电极之间形成回路。

进一步地，所述第二加工段还包括，将所述微细电极作为阴极，供电以使所述微细电极和所述辅助电极之间形成回路。

进一步地，在所述第一加工段中，采用超短脉冲电压；在所述第二加工段中，采用直流或高频窄脉冲电压。

进一步地，所述超短脉冲电压为5.0v，脉冲频率为1mhz，脉冲宽度为80ns；所述高频窄脉冲电压为2.0v，脉冲频率为50khz，占空比为50％。

进一步地，所述微细电极为直径为50μm的钨棒，所述辅助电极为304不锈钢片且尺寸为30mm×30mm×1mm。

进一步地，所述微细电极的下端面与所述工件的上表面之间的间隙设置为5μm作为初始加工间隙，在所述第一加工段，所述微细电极以恒定的速度v＝1.0μm向所述工件进给，在所述第二加工段，所述微细电极相对所述工件保持不动。

本发明还提供一种实现所述的基于阴极析氢强化电解加工微间隙内传质效率的方法的控制系统，用以对设置在电解液中的工件进行加工，所述控制系统包括用以插入在电解液中的微细电极和辅助电极以及分别与所述微细电极、所述辅助电极和所述工件电连接的供电装置，所述供电装置与所述微细电极、所述工件构成第一回路，所述供电装置与所述辅助电极、所述工件构成第二回路，所述控制系统还包括控制切换所述第一回路、所述第二回路中其中一个导通的切换开关，所述第一回路中，所述微细电极为阴极，所述工件为阳极；所述第二回路中，所述工件为阴极，所述辅助电极为阳极。

进一步地，所述第二回路中还包括与所述工件并联并同时为阴极的所述微细电极。

进一步地，所述切换开关为继电器。

本发明的有益效果在于：本发明所提供的基于阴极析氢强化电解加工微间隙内传质的方法有效利用了电化学反应过程中阴极析氢这一特点，无需借助其他技术手段，便可有效去除加工间隙中的阳极不溶性产物，特别是粘附于阳极加工表面的不溶性产物，以解决加工间隙内阳极产物排出、电解液更新困难的问题，从而提高微尺度加工间隙内的传质速度、微细电解加工效率、改善加工表面质量和稳定性，并可实现大深宽比微结构的加工。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1为本发明所示的用以实现基于阴极析氢强化电解加工微间隙内传质效率的方法的控制系统的结构示意图；

图2为图1中电路板和继电器的结构示意图；

图3为图1中继电器接通触点和微细电极进给量随时间变化的波形图，其中(a)为继电器接通触点随时间变化的波形图；(b)为微细电极进给量随时间变化的波形图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

请参见图1，本发明提供了一种用以实现基于阴极析氢强化电解加工微间隙内传质效率的方法的控制系统，该控制系统用以对设置在电解液中的工件2进行加工。控制系统包括用以插入在电解液中的微细电极1和辅助电极3以及分别与微细电极1、辅助电极3和工件2电连接的供电装置。供电装置与微细电极1、工件2构成第一回路，在第一回路中，供电装置为超短脉冲电源6，提供超短脉冲电压，超短脉冲设置的电压为5.0v，脉冲频率为1mhz，脉冲宽度为80ns。供电装置与辅助电极3、工件2构成第二回路，在第二回路中，供电装置为直流或高频窄脉冲电源5，提供直流或高频窄脉冲电压，其中，高频窄脉冲设置的电压为2.0v，脉冲频率为50khz，占空比为50％。第一回路中，微细电极1为阴极，工件2为阳极，以此实现对工件2的电解加工；第二回路中，工件2为阴极，辅助电极3为阳极，并且第二回路中还包括与工件2并联并同时为阴极的微细电极1，以此实现在工件2和微细电极1上实现阴极快速析氢，产生大量微气泡，从而使得工件2和微细电极1表面粘附的阳极产物剥落并被带离加工间隙。

控制系统还包括控制切换第一回路、第二回路中其中一个导通的切换开关，切换开关为继电器，该继电器可编成控制其接通位置。具体的，请结合图2，控制系统的继电器设置的数量为两个，包括第一继电器7和第二继电器8，并且第一继电器7和第二继电器8固定在一个电路板4上，电路板4上设置有七个端口并且七个端口相对设置在电路板4的两侧，其中四个端口在一侧，将其标号为a、b、c、d，另外三个端口在另一侧，将其标号为e、f、g。继电器内设置有x、y、z三个触点，其中第一继电器7的x触点与电路板4的f端口连接，第一继电器7的y触点与电路板4的c端口连接,第一继电器7的z触点与电路板4的g端口连接，第二继电器8的x触点与电路板4的g端口连接，第二继电器8的y触点与电路板4的d端口连接,第二继电器8的z触点与电路板4的b端口连接，第一继电器7和第二继电器8的可编制控制选择性的接通x触点和y触点或者接通x触点和z触点，以使得导通第一回路或者导通第二回路。

控制系统中，微细电极1为直径50μm的钨棒，并且微细电极1与电路板4中的f端口相连。待加工工件2与电路板4中的g端口相连。辅助电极3为304不锈钢片，尺寸为30mm×30mm×1mm，并且辅助电极3与电路板4中的e端口相连，诚然，微细电极1和辅助电极3也可以为其他材料，形状大小在此也不做具体现在。超短脉冲电源6的正极与负极分别于电路板4中的d端口和c端口相连，高频窄脉冲电源5的正极与负极分别于电路板4中的a端口和b端口相连。

上述控制系统用以实现基于阴极析氢强化电解加工微间隙内传质效率的方法，该方法包括用以对设置在电解液中的工件2交替切换地实行第一加工段和第二加工段，其中，第一加工段为电解工件2，第二加工段为将工件2作为阴极并实施阴极析氢。方法包括：提供插入至电解液中的微细电极1和辅助电极3；第一加工段具体为：将微细电极1作为阴极，工件2作为阳极，供电以使微细电极1和工件2之间形成回路；第二加工段具体为：将工件2作为阴极，辅助电极3作为阳极，供电以使工件2和辅助电极3之间形成回路。第二加工段还包括，将微细电极1作为阴极，供电以使微细电极1和辅助电极3之间形成回路。微细电极1的下端面与工件2的上表面之间的间隙设置为5μm作为初始加工间隙，在第一加工段，微细电极1以恒定的速度v＝1.0μm向工件2进给，在第二加工段，微细电极1相对工件2保持不动。

关于基于阴极析氢强化电解加工微间隙内传质效率的方法，下面以具体实施例进行说明，

s1、将直径为50μm的钨棒作为微细电极1，将其固定在电解加工平台的阴极夹具中，并将微细电极1与电路板4中的f端口相连。

s2、将尺寸为10mm×10mm×2mm的304不锈钢片作为待加工工件2，先将其在超声波清洗机中进行清洗，以除去表面的油污和灰尘等杂质，然后将工件2固定在电解加工平台的工件夹具中，并与电路板4中的g端口相连。

s3、将尺寸为30mm×30mm×1mm的304不锈钢片作为辅助电极3，并将其与电路板4中的e端口相连。

s4、将高频窄脉冲电源5的正极与负极分别于电路板4中的a端口和b端口相连。设置高频窄脉冲电源5的电压为2.0v，脉冲频率为50khz，占空比为50％。

s5、将超短脉冲电源6的正极与负极分别于电路板4中的d端口和c端口相连。设置超短脉冲电源6的电压为5.0v，脉冲频率为1mhz，脉冲宽度为80ns。

s6、初始状态下，可编程控制第一继电器7中的x和y接通，第二继电器8中同样是x和y接通。调节微细电极1的下端面与工件2的上表面之间的间隙为5μm，将其作为初始加工间隙，并开启高频窄脉冲电源5和超短脉冲电源6。加工过程中，可编程控制继电器7和8的按图3(a)所示的波形周期性动作，其中：设定x-y触点接通时间t1＝1.0s，x-z触点接通时间为t2＝1.0s。当两个继电器的x-y触点接通时，系统处于第一加工段的电解加工状态，即：微细电极1为阴极，工件2为阳极，且阳极材料发生电化学溶解；当两个继电器的x-z触点接通时，系统处于第二加工段的阴极析氢状态，即：微细电极1和工件2为阴极，辅助电极3为阳极，且阴极表面析出大量的氢气泡，使得在第一加工段中工件2表面粘附的不容产物剥离，同时微加工间隙内的电解产物会被氢气泡在浮力的作用下带离加工间隙，电解液得到有效的更新。微细电极1的进给按附图3(b)所示的波形进行，即：在第一加工段，微细电极1以恒定的速度v＝1.0μm向工件2进给，在第二加工段，微细电极1相对工件2保持不动。

s7、待加工达到所需的深度，停止加工，整个加工过程结束。

该基于阴极析氢强化电解加工微间隙内传质效率的方法除了采用本申请给出的实施例实现外，还可以通过其他电路结构实现。

综上，本发明所提供的基于阴极析氢强化电解加工微间隙内传质的方法有效利用了电化学反应过程中阴极析氢这一特点，无需借助其他技术手段，便可有效去除加工间隙中的阳极不溶性产物，特别是粘附于阳极加工表面的不溶性产物，以解决加工间隙内阳极产物排出、电解液更新困难的问题，从而提高微尺度加工间隙内的传质速度、微细电解加工效率、改善加工表面质量和稳定性，并可实现大深宽比微结构的加工。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。