本发明涉及一种大厚度电解切割矩形截面异形管电极与加工方法，属于电解加工领域。
背景技术：
钛合金等难加工材料广泛应用于航空航天等领域。由于钛合金本身具有的耐高温、耐腐蚀、高强度等特点，传统机械加工刀具磨损严重，加工工艺复杂，且通常会在已加工表面产生残余应力，形成加工硬化层；此外，某些零件的形状较为复杂，材料去除量，进一步提高了加工的难度。如何提高难加工材料的加工效率和加工质量已成为先进制造领域的研究重点之一。
电解切割利用金属在电解液中发生电化学阳极溶解的原理将工件切割成形。电解切割不受工件本身强度、硬度等特性的限制，适合加工钛合金等难加工材料；加工过程中无切削力和切削热的影响，不会产生加工变形和残余应力等现象；加工过程中工具电极理论上无损耗，可重复使用。
加工区域电解液充足和流场稳定是电解切割技术的关键。在切割深宽比较大的工件时，电解液的流量相对不足，电解液压力的沿程损失较大，加工间隙狭窄，电解液的流入和流出比较困难且电解液流场混乱，导致加工效率降低，加工表面质量差，容易在加工表面上形成波纹或凹坑。在电极进给过程中，在某些加工区域可能由于缺液使得部分金属未被完全去除，从而发生短路，产生电火花，破坏加工表面和管电极。电极的进给还会使得管电极两侧表面对已加工表面产生二次腐蚀，产生过切，降低加工精度。
因此，保证电解切割加工间隙中电解液流场均匀稳定，提高电解液流量和流场的均匀性，改善加工表面表面质量，减少过切，是电解切割加工大厚度工件时需要解决的重要问题。
技术实现要素：
本发明旨在提高电解切割加工间隙中电解液流场的均匀稳定，改善加工上的波纹和凹槽，降低二次腐蚀，提高加工效率，提出一种加工大厚度矩形截面凹槽的电解切割异形管电极与加工方法。
异形管电极1具有一个加工壁和两个侧壁，异形管电极1截面形状为近似等腰三角形，其中两侧边为弧形，三个角均为圆角；所述两侧壁覆有绝缘层4；所述异形管电极1加工壁具有若干列沿管电极轴向排布的圆形出液孔7，相邻列出液孔7之间交错分布；每列出液孔的孔径和出液孔的朝向符合以下规则：孔径沿管电极轴向从上往下逐渐变化，其变化趋势为先减小后增大，在异形管电极1的中下部达到最小；出液孔7的朝向逐渐变化，孔径最小的出液孔7垂直于电极轴向，其上方出液孔7逐渐下斜且离最小孔越远下斜幅度越大，其下方出液孔7逐渐上斜且离最小孔越远上斜幅度越大；所述异形管电极1内壁的每个出液孔7装有挡水板8，挡水板8位于出液孔的下方，方向与出液孔的轴向一致，且挡水板8上表面与出液孔7下沿在一个面上；所述异形管电极1的加工壁上每列出液孔7处开有竖向凹槽，凹槽横截面形状为圆弧。
本发明异形管电极截面形状为近似等腰三角形。该异形截面相比于常规的矩形截面，增大了两侧壁与已加工表面的间距，拓宽了电解废液流出加工区域的流道。根据流体力学相关知识，拓宽流道能够促进电解废液的排出，提高了电解切割的加工效率和加工质量。所述异形管电极的两侧壁覆有绝缘层，通过对异形管电极两侧壁进行绝缘处理，极大地弱化了该区域电场强度，有效抑制了该表面对工件已加工表面的二次腐蚀作用，能够减小过切、提高已加工表面的尺寸精度。
所述异形管电极以若干列交错分布的出液孔替代常规的喷液窄缝。由于大厚度电解切割所用的管电极深径比很大且进液口的面积较小，常规喷液窄缝出液面积过大，导致电解液流量不足，喷出的电解液分布不均匀且流速较低，影响加工区域流场的稳定性和均匀性，某些区域甚至出现缺液，容易造成短路打火。以出液孔替代喷液窄缝，减小了整体出液面积，有利于提高喷出电解液的流速；各列出液孔交叉分布，有利于加工区域流场的均匀化，从而减小工件加工表面波纹的产生，提高表面质量。
所述异形管电极每列出液孔的孔径和朝向均沿管电极轴向逐渐变化。若采用常规孔径一致的出液孔，各孔流出的电解液流速差异很大。这是由于在重力和电解液冲力作用下，电解液更倾向于流动到管电极轴向的下半部分，导致管电极轴向的下半部分出液口流速较高，又由于出液口孔径一致，即出水面积一致，由流量等于流速与出水面积的乘积可知，流速高的出液口处流量大，流速低的出液口处流量小，最终导致加工区域电解液流量不均。采用孔径和角度变化的出液孔，使流速较大的出液孔减小，流速较小的出液孔孔径增大，并设计出液孔的方向与管电极内部电解液流线方向基本一致，从而使得各出液孔内的电解液流量趋于一致，提高加工区域电解液流场的稳定性。
所述异形管电极，其内壁装有挡水板，挡水板位于每个出液孔的下方，方向与出液孔的轴向一致。挡水板可起引流作用，改善异形管电极与出液孔中的流场，保证加工区域流场充足稳定。
所述异形管电极的加工壁上每列出液孔处开有竖向凹槽，凹槽横截面形状为圆弧。由于出液孔处的电解液流速高，该处的电解产物排出速度大于其他区域，电解加工速率高，容易在出液孔正对的工件表面形成凹坑。本发明将每列出液孔设计于竖向凹槽之中，增大了出液孔与加工表面之间的距离，降低了该区域电解作用的电场强度，从而弱化了该处的电解作用，能够减小工件加工面上对应区域产生的凹坑，从而提高被加工表面的平整度。
所述的异形管电极的大厚度电解切割加工方法，其特征在于包括以下过程：步骤1、将异形管电极沿轴向垂直安装在机床主轴上并连接工作电源负极；步骤2、将工件的待加工面对准异形管电极的加工侧面，而后安装在机床工作台上并连接工作电源正极，通过机床的数控系统控制加工间隙，完成对刀和定位；步骤3、打开电解液循环系统并调节流场参数；步骤4、打开工作电源，调节电场参数，设定异形管电极加工路径，开始电解切割加工，管电极在xy平面内沿设定路径，加工出所需结构；步骤5、加工完毕，拆除和清洗异形管电极和工件。
本发明具有如下优点：
1、本发明提出的大厚度电解切割异形管电极，其近似于三角形的截面形状有利于电解废液的排出，从而提高了电解切割的加工效率和加工质量。
2、本发明提出以若干列交错分布的出液孔替代常规的喷液窄缝，且在每列出液孔处开有竖向凹槽，并对异形管电极两侧壁进行绝缘处理，有利于减少二次腐蚀，提高已加工表面的尺寸精度和表面平整度。
3、本发明提出的大厚度电解切割异形管电极，其出液孔的孔径和朝向沿管电极轴向逐渐变化，且异形管电极内壁装有挡水板，可改善异形管电极与出液孔的流场，使各出液孔内的电解液流量趋于一致，从而提高了加工区域电解液流场的均匀性。
附图说明
图1是大厚度电解切割异形管电极外形示意图；
图2是大厚度电解切割异形管电极加工示意图；
图3是异形管电极改善加工截面形状轮廓示意图；
图4是交叉开孔改善工件表面波纹示意图；
图5是出液孔孔径和朝向渐变示意图；
图6是挡水板示意图；
图7大厚度电解切割异形管电极加工装置示意图；
其中标号名称：1.异形管电极，2.工件，3.电解液，4.绝缘层，5.电解产物，6.常规电极，7.出液孔，8.挡水板，9.电解加工机床，10.工控机，11.电脑，12.大功率直流电源，13.压力流量表，14.单向阀，15.恒压力泵，16.过滤器，17.电解液槽。
具体实施方式
图1所示为大厚度电解切割异形管电极的外形示意图，其截面形状为两侧边为弧形的等腰三角形；异形管电极1的加工侧面开有两个竖向凹槽，凹槽中交错分布若干与中心盲孔相通的出液孔7。
图2所示的大厚度电解切割异形管电极加工示意图中，首先调整异形管电极1出液孔7与加工工件2之间的间距，并保证管电极1喷液孔正对加工工件2；然后，在控制系统中设定走刀路线，打开电源11开始加工。
图3所示的异形管电极改善加工截面形状轮廓示意图中，常见矩形管电极6的出液孔正对工件加工区域处流场较强，导致该区域的电解反应强于其他区域，因此在工件2上对应区域产生了凹坑，如图3a所示；本发明提出的异形管电极1，其出液孔7处的凹槽增大了出液孔与加工表面之间的距离，降低了该区域的电场强度，从而弱化了电解作用，能够减小工件2加工面上对应区域产生的凹坑，提高表面质量，如图3b所示。
图3所示的异形管电极改善加工截面形状轮廓示意图中，常见矩形管电极6两侧的拐角处，流道较窄，不利于电解液3的排出，如图3a所示；本发明提出的异形管电极，其两侧的圆角增大了流道的宽度，便于电解液3排出，提高了加工效率，如图3b所示。
图3所示的异形管电极改善加工截面形状轮廓示意图中，常见矩形管电极6两侧面容易对工件的已加工表面造成二次腐蚀，产生过切，影响加工的尺寸精度和轮廓，如图3a所示；本发明通过对异形管电极两侧壁进行绝缘处理4，弱化了该区域电场强度，降低了对工件已加工表面的二次腐蚀作用，能够有效减小过切，提高已加工表面的尺寸精度，如图3b所示。
图4所示的交叉开孔改善工件表面波纹的示意图中，由于出液孔7处流场较强，出液孔间隔处流场较弱，常规矩形管电极6的单排出液孔容易在加工表面上形成波纹，如图4a所示；本专利采用交叉开孔能够提高加工区域流场的均匀程度，有利于减少工件表面的波纹，提高加工的尺寸精度，如图4b所示。
如图4和图5所示，出液孔7的孔径和朝向沿管电极轴向逐渐变化。在管电极的上半部，由于重力和电解液的冲力的作用，出液孔中电解液的流速由上往下逐渐增加；在管电极的下半部，由于流道逐渐封闭，出水面积逐渐减小，出液孔中电解液的流速由上往下逐渐降低；因此每列出液孔中的流速呈现出沿管电极轴向由上往下先增大后减小的规律，流速最大的出液孔位于管电极的中下部。由流量等于流速与出水面积的乘积可知，出液孔的孔径相同，即出水面积相同时，各孔内的流量变化规律与流速变化规律相同，即沿管电极轴向由上往下出液孔的流量先增大后减小，因此出液孔所对应加工区域流场内各处流量不一致。本发明设计出液孔的孔径逐渐变化，增大得流速较低的出液孔的孔径，缩小流速较高的出液孔的孔径，从而使得各出液孔内的流量基本一致。本发明管电极侧壁出液孔朝向逐渐变化，使得出液孔的方向与管电极内电解液的流向基本一致，减小了电解液由管电极流向出液孔时，转弯处的能量损失，有利于提高电解液流速。
图6所示的挡水板示意图中，挡水板8可起引流作用，改善异形管电极1与出液孔7中的流场，使得电解液的流向与出液孔7的方向基本一致，保证加工区域流场均匀、稳定和充足。
图7所示的大厚度电解切割异形管电极加工装置示意图中，工控机10和电脑11为电解喷射切割加工的主要控制系统；异形管电极1、压力流量表13、单向阀14、恒压力泵15、过滤器16、电解液槽17组成电解液循环系统；电解加工机床主体9和大功率直流电源12为电解喷射切割加工的主要硬件系统。