电解线切割加工用双极性工具电极及制作与加工方法与流程

本发明的一种电解线切割加工用双极性工具电极及制备与加工方法，属于电解加工技术领域。

背景技术：

电解线切割加工技术采用金属丝或金属棒作为工具线电极，基于电化学阳极溶解原理去除工件材料，加工时通过线电极与工件之间的相对运动将工件加工成形。因而，电解线切割加工具有电解加工的一系列优点：工件阳极基于电化学阳极溶解原理去除材料，加工过程中工件阳极和工具阴极处于非接触式加工状态，加工表面无应力，不存在重铸层、微裂纹、热影响区；不受工件材料力学性能的限制，特别适合高硬度等难加工金属材料的加工成形；工件以离子形式去除材料，能够实现高精度加工以及微细结构的加工目标；工具阴极电极不损耗，可以重复使用。由于直接采用金属丝或者金属棒作为工具线电极，电解线切割加工技术缩短甚至免除了传统电解加工过程中的工具制备阶段，加工准备时间短、成本低；通过线电极与工件之间简单的相对运动，可以实现传统加工方法较难加工的高深宽比缝、槽、直纹面等结构的加工成形。

对于电解线切割加工而言，越小的加工缝宽代表着越高的加工精度。然而加工缝宽越小，就意味着加工间隙越狭窄。在电解加工中，加工间隙内分布着电解液以及大量的加工产物。电解加工产物会造成电解液电导率降低；并且其在加工间隙中的不均匀分布，直接导致了加工间隙中电解液电导率的非均匀分布，引起工件材料的非均匀溶解，最终影响电解加工精度，甚至造成加工短路、损坏工具电极及加工电源。因此必须保证加工间隙中电解液的及时更新以及电解产物的有效排出，促使加工区电解液电导率保持一致，以提高电解线切割加工的加工稳定性、加工效率和加工精度。为此，研究人员先后提出了工件微幅振动、线电极轴向往复振动、线电极微幅往复运丝、工件振动辅助线电极轴向运动、线电极间歇回退辅助轴向运丝等多种形式，利用线电极/工件壁面粘性作用强化传质。此外，针对大厚度工件、高粘性电解产物排出难题，研究人员还采取了线电极轴向高速冲液、线电极单向走丝、肋状线电极大幅值轴向往复运动、非圆截面线电极(螺旋电极、削边电极等)高速旋转等方式来带动或搅动加工区电解液、强化加工区传质过程。

由于电解加工是包括电场、流场、温度场等在内的多场共同作用过程，加工结果最终决定于流经加工区的电量分布。在常规单极性电解线切割的加工过程中，工具进给路径上的加工区先后经历低电流密度杂散腐蚀，高电流密度材料去除，再到已加工区低电流密度二次加工、杂散腐蚀，最后逐步过渡到零电流密度停止加工的过程。加工区外的非加工区也由近及远处于不同程度的电流密度的作用下，因而也存在着不同程度的杂散腐蚀情况。工件已加工区在二次加工的作用下，将造成切缝尺寸进一步增大。在切缝入口处，在二次加工的影响下，也存在着喇叭状入口圆角。杂散腐蚀将造成工件已加工区和非加工区表面发生点蚀等异常溶解现象，破坏工件表面的完整性，造成加工精度的进一步下降。这一现象在加工钛合金、镍基高温合金等易钝化材料时尤为明显。

技术实现要素：

本发明旨在提高电解线切割加工技术的加工精度，减小工件表面的二次加工、杂散腐蚀现象，提出一种工艺简单，实用性强的电解线切割加工用双极性工具电极及制备与加工方法。

一种电解线切割加工用双极性工具电极，包括电解线切割工具阴极，其特征在于：定义电解线切割工具阴极的任一过直径且平行于轴向的面称为中心基准面；依此定义出该电解线切割工具阴极的前、后、左、右；上述电解线切割工具阴极的后侧由前向后依次布置绝缘隔层和不溶性金属辅助阳极贴片，其中绝缘隔层和不溶性金属辅助阳极贴片不溶于电解液；上述绝缘隔层的前壁面、后壁面，不溶性金属辅助阳极贴片的前壁面、后壁面均为与电解线切割工具阴极同心的弧面；上述绝缘隔层和不溶性金属辅助阳极贴片的左侧壁与电解线切割工具阴极左侧边缘相切，绝缘隔层和不溶性金属辅助阳极贴片的右侧壁与电解线切割工具阴极右侧边缘相切，且上述四个侧壁与中心基准面垂直。

电解线切割加工用双极性工具电极的制备方法，其特征在于：其绝缘隔层通过镶嵌贴合于电解线切割工具阴极外表面，其不溶性金属辅助阳极贴片通过电镀金或不溶性惰性金属pvd薄膜方法贴合于绝缘隔层外表面。

电解线切割加工用双极性工具电极的电解加工方法，具体实施过程如下：将加工电源的正极同时与不溶性金属辅助阳极贴片和电子负载的一端相连，加工电源的负极与电解线切割工具阴极相连，电子负载的另一端与工件阳极相连；设定电子负载的恒压工作模式，调节不溶性金属辅助阳极贴片与工件阳极之间的电势差；通入电解液，开启加工电源，通过电子负载实现电压调节，不溶性金属辅助阳极贴片的电位高于工件阳极加工电位，进行电解线切割加工；其中上述不溶性金属辅助阳极贴片施加高于电解线切割工作电压的电势，加工时，双极性工具电极中电解线切割工具阴极部分沿着进给方向正对加工区进行切割加工，不溶性金属辅助阳极贴片背向进给方向随电解线切割工具阴极同步进给，抑制杂散低电流密度下已加工区和非加工区的材料去除，消除已加工区和非加工区的二次加工、杂散腐蚀等加工缺陷。

本发明具有以下优点：

1.采用本发明的电解线切割加工用双极性工具电极及制备与加工方法，并在双极性工具电极的不溶性金属辅助阳极贴片施加高于电解加工工作电压的电势，可以极大改变加工区电场分布，改变电解线切割加工的加工时间和加工范围，有效抑制杂散低电流密度下的已加工区和非加工区的材料去除，减小已加工区和非加工区的二次加工、杂散腐蚀等加工缺陷。从而实现更小缝宽及入口圆角、更低杂散腐蚀的更高精度的电解线切割加工。

2.本发明的电解线切割加工用双极性工具电极及制备与加工方法，其绝缘隔层部分可以通过镶嵌等形式贴合于电解线切割工具阴极外表面；其不溶性金属辅助阳极贴片可以通过电镀金、不溶性惰性金属pvd薄膜等方法贴合于绝缘隔层外表面，集成为一体。与其他常见辅助阳极施加方式相比，结构简单、安装固定方便。在加工过程中，不溶性金属辅助阳极贴片随着工件加工位置不断移动，具有更强的灵活性。

3.本发明的电解线切割加工用双极性工具电极，其绝缘隔层和不溶性金属辅助阳极贴片的厚度均设置为电解线切割工具阴极直径的十分之一。其结构简单、体积较小、应用方便。

4.本发明的电解线切割加工用双极性工具电极及制备与加工方法，适用于多种电解线切割加工用线电极形式。既适用于圆柱状工具线电极，也适用于带出液孔管状线电极等电解线切割加工用工具电极。圆柱状工具线电极直接使用金属丝或金属棒作为工具阴极进行电解线切割加工，省去了工具电极的制备时间，是应用最为广泛的电解线切割工具阴极形式；带出液孔管状线电极，可以有效改善加工区的传质效果，适用于大厚度工件及加工产物粘性较大等对加工区传质要求较高的加工情况。

5.本发明的电解线切割加工用双极性工具电极及制备与加工方法，其不溶性金属辅助阳极贴片可以采用金、铂或钯等惰性金属，金、铂或钯稳定性高、不溶于常见电解加工用电解液，理论上不会损耗；其电解线切割工具阴极部分在加工中由于电解加工的原理优势而不会发生损耗。因此，本发明的一种电解线切割加工用双极性工具阴极在理论上不会发生损耗，可以长期无限重复使用。

6.本发明的电解线切割加工用双极性工具电极的电解加工方法，在具体加工时，不溶性金属辅助阳极贴片与工件阳极之间电势差的优选范围为2-4v。加工过程中，工件已加工区和非加工区的电场被在不溶性金属辅助阳极贴片的作用下被约束，切缝宽度及切缝入口处圆角尺寸将得到减小，非加工区杂散腐蚀现象也将得到改善。

7.本发明的电解线切割加工用双极性工具电极及制备与加工方法，适用于多种线电极数量的电解线切割加工。既适用于单线电极电解线切割加工，也适用于多线电极电解线切割加工。单线电极电解线切割加工加工结构简单、组织方便，是应用最为广泛的电解线切割加工形式；多线电极电解线切割加工同时应用多个线电极进行电解线切割加工，可以数倍提高电解线切割加工效率，充分发挥电解线切割加工潜力。

8.本发明的电解线切割加工用双极性工具电极及制备与加工方法，适用于多种电解线切割加工的传质方式。既适用于线电极轴向运动、工件振动辅助线电极轴向运动、线电极间歇回退辅助轴向运动等通过线电极与工件之间的相对运动实现加工区传质需求的电解线切割加工传质方式，也适用于轴向高速冲液、管电极阵列通液小孔高速冲液等其他强对流形式的电解线切割加工传质方式。

附图说明

图1双极性工具电极电解线切割加工示意图；

图2双极性工具电极模型图；

图3常规单极性工具电极电解线切割加工切缝示意图；

图4双极性工具电极电解线切割加工切缝示意图；

图5常规单极性工具电极电解线切割加工加工间隙内电流线分布图；

图6双极性工具电极电解线切割加工加工间隙内电流线分布图；

图7单极性电极与双极性电极切缝表面电流密度分布图；

图8常规单极性工具电极电解线切割加工初始加工端待加工区及非加工区电流线分布图；

图9双极性工具电极电解线切割加工初始加工端待加工区及非加工区电流线分布图；

图10常规单极性工具电极电解线切割加工仿真结果；

图11采用电势差δu＝0v的双极性工具电极电解线切割加工仿真结果；

图12采用电势差δu＝2v的双极性工具电极电解线切割加工仿真结果；

图13采用电势差δu＝4v的双极性工具电极电解线切割加工仿真结果；

图中标号名称：1、工件，2、双极性工具电极工具阴极，3、双极性工具电极绝缘隔层，4、双极性工具电极不溶性金属辅助阳极贴片，5、加工电源，6、电子负载，7、切缝入口圆角，8、工件阳极初始边界。

具体实验过程：

图3中，由于常规单极性工具电极电解线切割加工过程中，低电流密度下已加工区和非加工区发生二次加工及杂散腐蚀，切缝入口处出现明显的入口圆角7，且已加工区缝宽较大。

在电解加工电场中，电流线始于高电位止于低电位，金属材料的电化学溶解发生于高电位电极。如图7所示，采用常规单极性工具电极进行电解线切割加工时，切缝表面从端面间隙(ab1段)过渡到侧面间隙(b1b4段)时，其电流密度由端面间隙(ab1段)的高电流密度缓慢衰减(b1b3段)至零电流密度(b3处)。工具进给路径上的加工区先后经历低电流密度杂散腐蚀，高电流密度(ab1段)材料去除，再到已加工区低电流密度(b1b3段)二次加工、杂散腐蚀，最后逐步过渡到零电流密度(b3b4段)停止加工的过程。加工区外的非加工区也由近及远处于不同程度的电流密度的作用下，因而也存在着不同程度的杂散腐蚀情况。工件已加工区在二次加工的作用下，将造成切缝尺寸进一步增大。在切缝入口处，在二次加工的影响下，也存在着喇叭状入口圆角。杂散腐蚀将造成工件已加工区和非加工区表面发生点蚀等异常溶解现象，破坏工件表面的完整性，造成加工精度的进一步下降。

采用本发明的双极性工具电极进行电解线切割加工时，在供电回路中串联电子负载，设置不溶性金属辅助阳极贴片电位高于工件电位，如图7所示，从端面间隙(a’b1’段)过渡到侧面间隙(b1’b4’段)时，其电场在不溶性金属辅助阳极贴片的作用下，切缝表面电流密度由端面间隙(a’b1’段)的高电流密度迅速衰减(b1’b2’段)至零电流密度(b2’处)，并进一步偏转为负电流密度(b2’b4’段)。加工表面由b1b3段“阳极性”溶解表面(电流密度大0)调控为b2’b3’段“阴极性”非溶解表面(电流密度小于0)，b2’b3’段切缝表面发生析氢反应，使得b2b3段低电流密度下的工件表面异常溶解情况完全消失，从而抑制了低电流密度下的二次加工、杂散腐蚀情况(b2b3段)，避免了表面粗糙度和表面加工质量的恶化(b2b3段)，提高了加工表面完整性(b2’b3’段)。此外，由于加工过程中电流密度的大小、作用时间及作用范围(由ab3段转变为a’b2’段)都大幅减小，流经加工区的电量因而大幅降低，从而可以实现更小切缝宽度、更小甚至零入口圆角的电解线切割加工。同时，在非加工区，由于不溶性金属辅助阳极贴片的存在，非加工区电场由加工区的高电流密度快速减小至低电流密度，再减小至零电流密度和负电流密度。因此，非加工区的杂散腐蚀现象得到抑制。

下面结合图1、图2，具体说明本发明的实施过程。

步骤1、选择与待加工切缝尺寸相对应的电解线切割工具阴极2、绝缘隔层3、不溶性金属辅助阳极贴片4，完成双极性工具电极的制备，并完成双极性工具电极的安装固定；

步骤2、完成待加工阳极工件1的安装固定；

步骤3、将加工电源5的正极同时与不溶性金属辅助阳极贴片4和电子负载6的一端相连，加工电源5的负极与电解线切割工具阴极2相连，电子负载6的另一端与工件阳极1相连；

步骤4、设定电子负载6的恒压工作模式，设置不溶性金属辅助阳极贴片4高于工件阳极1加工电压2-4v的电势差；

步骤5、通入电解液，开启加工电源5，通过电子负载6实现电压调节，不溶性金属辅助阳极贴片4的电位高于工件阳极1的加工电位，进行电解线切割加工；

步骤6、分离、清洗工件阳极1，双极性工具电极。

图10、图11、图12、图13分别为采用常规单极性工具电极电解线切割加工和采用电势差δu＝0v、2v、4v的双极性工具电极电解线切割加工的仿真结果图。具体仿真条件如下：

工件阳极尺寸：2.65mm×2mm；

工件阳极电位：8v；

实际体积电化学当量：k＝2×10^-12m³·c^-1；

电解线切割工具阴极2直径：0.5mm；

电解液电导率：1.8s/m；

阴极进给速度：1×10^-6m/s；

初始加工间隙:0.1mm；

进给深度：2mm。

如图10，采用常规单极性工具电极电解线切割加工时，切缝宽度及切缝入口处圆角7尺寸均较大；在工件阳极初始边界8处，非加工区在低电流密度下存在严重的杂散腐蚀现象。

图11、图12、图13为采用双极性工具电极进行电解线切割加工的加工仿真结果，其中绝缘隔层3与不溶性金属辅助阳极贴片4的厚度相同，均设定为电解线切割工具阴极2直径的十分之一。

如图11，采用双极性工具电极进行电解线切割加工时，当设定电势差δu＝0v时，相比图10的常规单极性工具电极电解切割加工的结果已经得到明显的改善。切缝宽度及切缝入口处圆角7尺寸明显减小；在工件阳极初始边界8处，非加工区杂散腐蚀现象明显消除。

图12、图13分别为电势差δu＝2v和δu＝4v的电解线切割加工的加工仿真结果，此时，切缝宽度及切缝入口处圆角7尺寸、工件阳极初始边界8处非加工区杂散腐蚀现象与图11电势差δu＝0v时相比得到进一步改善。

当δu继续增大时，当工件切穿时，过大的电势差使得工具阴极的电场被不溶性金属辅助阳极贴片吸引，分布到切缝出口位置的电流过小，使得切缝出口位置溶解不够充分。因此，对于上述加工案例，电势差的优选范围为δu＝2-4v。