一种金属件微细结构磨料射流电化学加工系统与方法与流程

本发明属于电化学加工领域，更具体地，涉及一种金属件微细结构磨料射流电化学加工系统与方法。

背景技术：

随着精密器械产品朝着高性能、高可靠性以及集成化的方向快速发展，在产品零件中出现了大量形状各异的微结构，对于航空航天、精密器械产品中广泛存在的尺寸在0.1mm～1.5mm之间的微细孔、窄槽、细缝、微型凹坑、微细刻痕等微结构的加工，目前已经发展了多种微尺度加工方法，主要有微细切削加工技术和微细特种加工技术，其中微细特种加工技术占据主导地位，主要包括微细电火花加工、微细电解加工、激光加工、liga技术、电子束加工、离子束加工以及它们的复合、组合加工。每一种制造技术都有其显著的优点，也有其自身的局限性，例如电子束加工、离子束加工易于实现超精密微细加工，加工精度高，而且由于加工是在真空中进行，加工表面质量也好，但加工成本较高；liga技术能够制造出深宽比大于500、表面粗糙度在亚微米范围的三维立体金属微结构，倍受当今研究人员关注，但其必须使用高强度、高准直度的x射线光源和特制的掩模板，成本极高，且很难用于斜面、阶梯面、自由曲面的微结构件加工，同时由于liga技术采用电铸工艺，能被其加工的金属零件材料种类也受到限制，一般为镍和铜，因此在工业应用中也受到限制。而激光微细加工、微细电火花加工近些年来虽都取得了显著进展，易于实现加工过程自动化，对于特殊微结构和难切削材料零件的加工极为有利，但由于受加工原理的制约，加工表面容易产生微裂纹、残余应力和变质层，由此影响了零件使用的可靠性，从而限制了该技术在某些产品中的应用，为使加工后不产生表面缺陷，人们对改进工艺条件、优选工艺参数作了许多努力，但至今仍未能从根本上解决问题。电解加工，特别是电液束(或称电射流)小孔加工，效率较高、而且是公认的“三无”(无再铸层、无残余应力、无微裂纹)加工技术，美国、英国、俄罗斯等早已成熟应用于航空发动机叶片等零件的小孔加工，我国近几年来也开始得到应用，比较成功地解决了再铸层问题。加工过程中，被加工件接正极，在呈收敛形状的绝缘玻璃管喷嘴中有一金属丝或金属管接负极，在正、负极间加100～1000v高压直流电，小流量耐酸高压泵将净化了的电解液压入导电密封头进入玻璃管电极中，被“负极化”后，高速射向加工工件的待加工部位，进行“切削”加工。

但是，现有技术中，由于电解液喷头与工件之间具有一定的间隙，在加工过程中阻抗大，为了克服该阻抗，必须采用高压直流电将电解液“负极化”后，高速射向加工工件的待加工部位，进行“切削”加工。此外，专利cn109365932a公开了一种带热障涂层叶片气膜孔激光电解组合微细加工新方法及装置，该方法采用先用激光加工的方法去除不导电的热障层，再用电解加工的方法在对金属基体进行加工，这种方法对于单个气膜孔只需要一次定位，实现各种不同工艺的分时原位加工。但是，该方法需要采用紫外激光器和电解加工两套系统，系统复杂，成本较高；同时，激光加工不可避免地带来热影响区，单纯的电解加工效率较低。

因此，本领域亟待提出一种金属件微细结构磨料射流电化学加工方法，以克服现有技术中激光加工、电火花加工等方法带来的热影响、微裂纹和重铸层等问题。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种金属件微细结构磨料射流电化学加工系统与方法，其中结合电化学加工自身的特征及其金属件维系结构加工工艺特点，相应设计了金属件微细结构磨料射流电化学加工系统，并对其关键组件如三维数控机床、喷头单元、管状电极、可编程脉冲电源及磨料电解液输出控制单元的结构及其具体设置方式进行研究和设计，相应的可实现在一次对刀的情况下，在时间上分段进行微细结构射流加工和微细结构磨料电解加工，同时通过将微细结构射流加工和微细结构磨料电解加工两个工艺进行结合，避免了高压电源的使用，从而减少了加工过程中的热影响、微裂纹和重铸层，提高了加工的质量、精度和效率，因而尤其适用于表面带有涂层的金属件微细结构的加工。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种金属件微细结构磨料射流电化学加工系统，包括机架、三维数控机床、喷射磨料装置、电解液供给装置，其中，

所述机架用于固定所述三维数控机床；所述三维数控机床用于固定金属件和所述喷射磨料装置，并根据加工需要实时调整金属件和所述喷射磨料装置之间的相对位置；

所述喷射磨料装置包括喷头单元、管状电极以及可编程脉冲电源，所述喷头单元固定设于所述三维数控机床上，所述管状电极一端与所述喷头单元固定连接，另一端用于加工金属件，所述可编程脉冲电源一端与所述喷头单元连接，另一端与金属件连接；

所述电解液供给装置包括磨料电解液存储箱和磨料电解液输出控制单元，所述磨料电解液存储箱通过管道与所述喷头单元连接，所述磨料电解液输出控制单元设于所述管道上，用于根据需要将放置于所述磨料电解液存储箱中的电解液输送至所述喷头单元；

工作时，所述磨料电解液输出控制单元将放置于所述磨料电解液存储箱中的电解液输送至所述喷头单元，电解液经过所述管状电极导流和加速后喷射至金属件上，完成金属件表面涂层的微细结构射流加工，然后开启所述可编程脉冲电源，对除去表面涂层的金属件进行微细结构磨料电解加工。

进一步的，所述可编程脉冲电源为脉冲频率不大于300khz、峰值电压不大于30v、占空比为20％～80％的脉冲电源。

进一步的，所述磨料电解液输出控制单元包括通过管道依次相连的隔膜泵、压力表和方向阀，所述隔膜泵通过管道与所述磨料电解液存储箱连接，所述方向阀通过管道与所述喷头单元连接。

进一步的，所述磨料电解液输出控制单元还包括蓄能器和过滤器，所述蓄能器设置在连接所述隔膜泵和所述压力表之间的管道上，所述过滤器设置在连接所述磨料电解液存储箱与所述隔膜泵的管道上；进一步的，所述磨料电解液输出控制单元还包溢流阀，所述溢流阀一端通过管道与所述磨料电解液存储箱连接，另一端通过管道与连接所述隔膜泵和压力表之间的管道连接。

进一步的，所述磨料电解液存储箱包括搅拌器、磨料电解液存储箱体以及搅拌电机，所述搅拌器设于所述磨料电解液存储箱体内，所述搅拌电机用于驱动所述搅拌器转动，使得放置于所述磨料电解液存储箱体中的电解液均匀分布。

进一步的，所述机架包括支撑架、底座及悬臂，所述支撑架的一端与所述底座连接，另一端与所述悬臂连接，所述底座与悬臂平行设置；所述三维数控机床包括y轴数控工作台、x轴数控工作台以及z轴数控工作台，所述y轴数控工作台设于所述底座上方，所述x轴数控工作台设于所述y轴数控工作台上方，用于固定待加工的金属件，并驱动待加工的金属件沿x轴和y轴运动；所述z轴数控工作台设置在所述悬臂的底部，用于固定所述喷头单元，并驱动所述喷头单元沿z方向运动。

进一步的，所述x轴数控工作台上设有电解工作平台，所述电解工作平台用于固定金属件；进一步的，所述电解工作平台上还设有夹具，所述夹具用于夹持金属件；进一步的，所述x轴数控工作台上还设有电解工作箱，所述电解工作箱的底部通过管道与所述磨料电解液存储箱连接。

按照本发明的另一个方面，提供一种金属件微细结构磨料射流电化学加工系统的加工方法，包括以下步骤：

s1根据金属件微细结构的图案，生成三维数控机床的运动路径；

s2通过三维数控机床调整金属件和喷射磨料装置之间的相对位置满足预设值；

s3磨料电解液输出控制单元将放置于磨料电解液存储箱中的电解液输送至所述喷头单元,所述喷头单元喷射的电解液经过管状电极导流和加速后喷射至金属件表面涂层上，对金属件表面涂层进行微细结构的磨料射流加工，同时，所述三维数控根据所述运动路径，实时调整金属件和喷射磨料装置之间的相对位置满足预设值，直至完成金属件微细结构处表面涂层的去除；

s4步骤s3中完成金属件微细结构处表面涂层的去除后，开启可编程脉冲电源，对所述金属件和电解液进行极化，并在该极化条件下对金属件进行微细结构磨料电解加工，同时，所述三维数控根据所述运动路径，实时调整金属件和喷射磨料装置之间的相对位置满足预设值，直至完成金属件微细结构的加工，关闭可编程脉冲电源；

s5重复s1至步骤s4，直至完成金属件表面涂层微细结构群的加工。

进一步的，步骤s3中，所述电解液为钝化效应的电解液，其磨料粒度为w5；磨料射流加工时，所述流经所述管状电极的电解液的射流压力不小于4mpa；步骤3中，所述可编程脉冲电源为脉冲频率不大于300khz、峰值电压不大于30v、占空比为20％～80％的脉冲电源。

进一步的，步骤s4中，在完成金属件表面涂层微细结构的加工后，通过改变所述可编程脉冲电源的极性，以实现对所述管状电极上附着的杂质进行清洗。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明可实现在一次对刀的情况下，在时间上分段进行微细结构射流加工和微细结构磨料电解加工，同时通过将微细结构射流加工和微细结构磨料电解加工两个工艺进行结合，有效避免激光加工、电火花加工等方法带来的热影响，提高了加工的精度和效率。其中，本发明装置对对带表面涂层的金属件的微细结构射流加工和微细结构磨料电解加工均通过电解液来实现，只需一次对刀，即可在时间上分段进行微细结构射流加工和微细结构磨料电解加工，具有集成结构简单，方便操作，加工可控性高等特点。

2.本发明可编程脉冲电源为脉冲频率不大于300khz、峰值电压不大于30v、占空比为20％～80％的脉冲电源，进一步结合管状电极对电解液的引导和加速，来完成微细结构磨料电解加工，从而进一步提高加工的精度和效率，避免热影响、微裂纹和重铸层的产生。

3.本发明可根据加工需求实时调整电解液的喷射压力值，以保证加工精确稳定的进行。

4.本发明可对加工后的电解液进行进一步回收，并对回收后的电解液进行过滤后再利用，提高了材料的利用率。

5.本发明可根据加工需求实时调整金属件与喷射磨料装置的相对位置，以准确高效完成金属件微细结构磨料射流电化学加工。

6.本发明组合了磨料射流和磨料电解工艺的优点，只需一次对刀，在时间上分段进行微细结构射流加工和微细结构磨料电解加工，同时不会出现激光加工、电火花加工等方法带来的热影响、微裂纹和重铸层等问题，具有工作效率高、精度高、适应性强等特点。

7.本发明可通过改变电源极性的方法来完成管状电极上附着杂质的自清除，操作简单易实现。

附图说明

图1是本发明涉及的一种金属件微细结构磨料射流电化学加工系统的结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-蓄能器，2-压力表，3-方向阀，4-隔膜泵，5-溢流阀，6-过滤器，7-磨料电解液存储箱，8-搅拌电机，9-可编程脉冲电源，10-金属件，11-z轴数控工作台，12-喷头单元，13-管状电极，14-夹具，15-电解工作平台，16-电解工作箱，17-x轴数控工作台，18-y轴数控工作台，19-搅拌器，20-机架。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明一种金属件微细结构磨料射流电化学加工系统包括机架20、三维数控机床、喷射磨料装置、电解液供给装置。其中，机架20用于支撑三维数控机床及喷射磨料装置，并根据运动路径进行运动，以实时调整金属件和所述喷射磨料装置之间的相对位置。

其中，在本发明中，机架20包括机架包括支撑架、底座及悬臂，所述支撑架的一端与所述底座连接，另一端与所述悬臂连接。底座及悬臂之间设有三维数控机床，该三维数控机床包括：x轴数控工作台17、y轴数控工作台18、z轴数控工作台11以及电解工作平台15，y轴数控工作台18设于底座上，x轴数控工作台17设于y轴数控工作台上，且x轴数控工作台17与y轴数控工作台18的运动方向垂直，电解工作平台15设于x轴数控工作台17上，进而在x轴数控工作台17与y轴数控工作台18的驱动作用下，电解工作平台15可实现沿x轴方向和y轴方向运动。z轴数控工作台11设于悬臂的下方，其一端与悬臂固定连接，另一端固定连接有喷射磨料装置，其用于驱动喷射磨料装置沿z轴方向运动，以此来调整本发明系统在工作时，喷射磨料装置与固定在电解工作平台15上的金属件之间的垂直距离。

进一步的，在本发明中，喷射磨料装置包括喷头单元12、管状电极13以及可编程脉冲电源9，其中，喷头单元12一端固定设置在z轴数控工作台11的底部，其进料口与磨料射流供液装置的出料口连接，另一端的出料口与管状电极13固定连接。可编程脉冲电源9的负极与喷头单元12连接，可编程脉冲电源9的正极则与金属件连接，电解液进入喷头单元12后，被“负极化”后进入管状电极13，管状电极13对形成射流的电解液进行导向，使其高速喷射至金属件的表面，以实现对金属件表面的涂层进行射流喷射冲击作业。同时，由于本专利采用的是金属管状电极，可减小电极与金属件之间的间隙，从而减少加工过程中的阻抗，不需要采用高压电源。为了保证作业的安全性，在x轴数控工作台17上还设有电解工作箱16，喷头单元12、管状电极13、电解工作平台15及金属件设于该电解工作箱16内部。

进一步的，在本发明中，电解液供给装置包括磨料电解液存储箱7和磨料电解液输出控制单元，所述磨料电解液存储箱7通过管道与所述喷头单元12连接，所述磨料电解液输出控制单元设于所述管道上，用于根据需要将放置于所述磨料电解液存储箱7中的电解液输送至所述喷头单元12。具体而言，电解液供给装置具体包括通过管道依次连接的磨料电解液存储箱7、过滤器6、隔膜泵4，其中，隔膜泵4将磨料电解液存储箱7中的电解液抽出经过过滤器6过滤后输送至喷头单元12中进行喷射作业。磨料电解液存储箱7与电解工作箱16之间连接有管道，用于将电解工作箱16中的电解液重新引入到磨料电解液存储箱7中，避免材料的浪费，实现材料可循环利用。磨料电解液存储箱7包括搅拌器19、磨料电解液存储箱体以及搅拌电机8，所述搅拌器19设于所述磨料电解液存储箱体内，所述搅拌电机8用于驱动所述搅拌器19转动，使得放置于所述磨料电解液存储箱体中的电解液均匀分布。隔膜泵4与喷头单元12之间的管道上还设有压力表2和方向阀3，在压力表2和隔膜泵4之间还设有蓄能器1。进一步的，所述磨料电解液输出控制单元还包溢流阀5，所述溢流阀5一端通过管道与所述磨料电解液存储箱7连接，另一端通过管道与连接所述隔膜泵4和压力表2之间的管道连接，当隔膜泵4工作时，将磨料电解液泵出，为保持磨料电解液的压力大小及流量均匀，在供液回路上设置了压力表2、溢流阀5和蓄能器1，当回路压力超过设定值时，通过溢流阀5将部分磨料电解液返回到磨料电解液存储箱7中；方向阀3控制供液回路对喷头单元12供液，稳定的磨料电解质射流通过管状电极13喷出，电解工作箱16内的废液通过管道流回磨料电解液存储箱7中；可编程脉冲电源9分别与喷头单元12及通过夹具14与工件13联接，从而形成一个完整的磨料射流电化学加工系统。

本发明提供了一种金属件微细结构磨料射流电化学加工系统，其中结合电化学加工自身的特征及其金属件维系结构加工工艺特点，相应设计了金属件微细结构磨料射流电化学加工系统，并对其关键组件如三维数控机床、喷头单元、管状电极、可编程脉冲电源及磨料电解液输出控制单元的结构及其具体设置方式进行研究和设计，相应的可实现在一次对刀的情况下，在时间上分段进行微细结构射流加工和微细结构磨料电解加工，同时通过将微细结构射流加工和微细结构磨料电解加工两个工艺进行结合，避免了高压电源的使用，从而减少了加工过程中的热影响、微裂纹和重铸层，提高了加工的精度和效率，因而尤其适用于表面带有涂层的金属件微细结构的加工。

本发明一种金属件微细结构磨料射流电化学加工系统的工作流程如下：

(1)根据金属件微细结构的图案，生成三维数控机床的运动路径；

(2)将金属件通过夹具14安装定位在位于三维数控机床上的电解工作箱16内，调整x轴数控工作台17与y轴数控工作台18，使得所述金属件10移动至预设位置，即管状电极13与金属件上需加工的微细结构位置对应；

(3)将射流喷头装置12安装定位于z轴数控工作台11上，射流喷头单元12上安装的管状电极13，按照加工微结构的特征尺寸选取管状电极13的型号，调整z轴数控工作台11，使得管状电极13与金属件之间的距离为预设值；

(4)开启电解液供给装置，待其压力稳定；

(5)控制方向阀，使得混合均匀的电解液通过喷头单元12后进入管状电极13，电解液通过管状电极13的导向和加速后，高速喷射至金属件上，对金属件表面涂层进行微细结构磨料射流加工，同时，所述三维数控根据所述运动路径，实时调整金属件和喷射磨料装置之间的相对位置满足预设值，直至完成金属件微细结构处表面涂层的去除。

(6)完成金属件微细结构处表面涂层的去除后，开启可编程脉冲电源9，对所述金属件和电解液进行极化，并在该极化条件下对金属件除去表面涂层的地方进行微细结构磨料电解加工，同时，所述三维数控根据所述运动路径，实时调整金属件和喷射磨料装置之间的相对位置满足预设值，直至完成金属件表面涂层微细结构的加工。

(7)在完成金属件微细结构的加工后，通过改变，所述可编程脉冲电源9的极性，以使得管状电极暂时为阳极，金属件暂时为阳极，实现对所述管状电极13的清洗，关闭可编程脉冲电源9。

(8)重复步骤(1)至步骤(7)，直至完成金属件微细结构群的加工。

进一步的，本发明中所述电解液为钝化效应的电解液，其磨料粒度为w5；磨料射流加工时，所述流经所述管状电极13的电解液的射流压力不小于4mpa。

进一步的，所述可编程脉冲电源9为脉冲频率不大于300khz、峰值电压不大于30v、占空比为20％～80％的脉冲电源,进一步的，所述可编程脉冲电源9为0khz～300khz、峰值电压0v～30v、占空比20％～80％的脉冲电源。

本发明所述的加工方法，组合了磨料射流和磨料电解工艺的优点，只需一次对刀，在时间上分段进行微细结构射流加工和微细结构磨料电解加工。同时不会出现激光加工、电火花加工等方法带来的热影响、微裂纹和重铸层等问题，进而加工效率和加工质量比单纯的电解加工高。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。