金属回转体微细电解加工中的间隙流场的均流装置及方法

本发明属于低电压、高电解液流速的微细电解加工领域，尤其涉及一种金属回转体微细电解加工中的间隙流场的均流装置及方法。

背景技术：

微结构被广泛应用于航空航天、汽车、电子、模具等工业领域，在零件表面加工出一些微坑等类织构组织，可以存储微量润滑液、有效提高摩擦性能、增加散热等。目前微织构的加工方法主要有切削加工技术、电火花加工技术、电射流加工技术、激光加工技术、微细电解加工技术等。切削加工容易产生机械应力和热应力，效率低；电火花技术成本高，电极损耗严重；电射流加工定域性差，杂散腐蚀严重；激光加工技术加工效率高，加工材料广泛，但会产生“翻边”现象；微细电解加工具有加工工具无损耗、蚀除速度不受加工材料硬度、强度影响、加工变形小等优点，在微结构加工领域具有较明显的优势。但微细电解加工存在间隙流场不稳定的问题，间隙流场的稳定性直接影响着实验结果和加工精度，如何有效地改善间隙流场的均流以提高电解加工的稳定性和工件表面质量，越来越被人们所关注。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种金属回转体微细电解加工中的间隙流场的均流装置及方法。

为达到上述目的，提出以下技术方案：

金属回转体微细电解加工中的间隙流场的均流装置，其特征在于，包括调压系统、电解液系统和电极装置，调压系统和电极装置设于外壳内，电极装置之间构成加工间隙，调压系统位于加工间隙的出液侧，所述的调压系统包括活塞、丝杠、丝杠螺母、电机和计算机，活塞的一侧设有压力传感器，用于感应间隙流场压力，活塞的另一侧开设有插槽，丝杠的一端穿过丝杠螺母插入插槽中，另一端与电机连接，丝杠螺母固定连接在活塞上，电机与计算机相连对活塞进行控制。

进一步地，外壳采用透明有机玻璃材料制作，包括前壳体和后壳体，前壳体的一侧与后壳体通过螺栓、螺母和垫片固定连接，另一侧开设有电解液进液口，后壳体与前壳体的连接处开设有电解液出口，电极装置设于前壳体和后壳体之间，调压系统置于后壳体中，电解液系统连接电解液进液口和电解液出口构成回路。

进一步地，所述的电极装置包括阴极和阳极，以微凸台织构的超声换能器作为阴极，以金属回转体作为阳极，超声换能器和金属回转体置于前壳体和后壳体中构成加工间隙。

进一步地，电解液系统包括电解液槽、过滤器、单向定量泵、液压节流阀和液压截止阀，电解液槽通过管道依次连接过滤器、单向定量泵和液压节流阀，液压节流阀的出口与电解液进液口连接，电解液出口通过管道依次与液压截止阀和电解液槽连接。

进一步地，所述的前壳体中设有第一圆滑流道和第二圆滑流道，第一圆滑流道位于超声换能器的下方，第二圆滑流道位于金属回转体的上方，第一圆滑流道和第二圆滑流道分别设于加工间隙的进液侧构成圆滑进液口，通过圆滑流道流入加工间隙区域，可防止因附面层产生分离现象，可以避免产生涡流区和死水区，使流入加工间隙的电解液流速、压力稳定。

进一步地，所述的超声换能器和金属回转体通过夹具与转台连接。

进一步地，所述的液压节流阀与电解液进液口之间设有压力表。

一种金属回转体微细电解加工中的间隙流场的均流方法，包括如下步骤：

1）装置启动后，电解液通过过滤器过滤后由单向定量泵抽液，电解液经过液压节流阀后，喷射向加工间隙；

2）压力传感器采集加工间隙的流场压力，并传输到计算机上，根据预先设置压力的阀值，计算机通过电机旋转丝杠，丝杠旋转带动丝杠螺母的移动，从而调整各个活塞的前后位置，保持加工间隙内电解液均流；

3）电解液从电解液出口流出，通过液压截止阀进入电解液槽，如此循环电解加工。

进一步地，所述的电解液采用质量浓度5%~10%的nano3溶液。

进一步地，所述装置的加工电压为直流或脉冲，加工电压为5~15v。

本发明相对于现有技术的有益效果在于：

1）本发明将调压系统与超声场作用相结合，使超声辅助作用和调压系统对间隙流场共同作用，结合微细电解加工对金属回转体外表面进行加工，既在入口处设计圆滑过渡的流道，避免产生涡流区或死水区，又使间隙流场受到稳定的背压，防止产生空穴现象，使间隙流场均匀稳定，可以提高电解加工的稳定性和加工精度，还利用了超声场的作用促进了加工反应产物的排出，降低了电解液束中的气体体积分数，解决了电解液中气体体积分数增大而降低材料蚀除速度的问题，超声协同配合辅助电解加工既提高了各微织构之间加工的均匀性，又提高了加工定域性，改善了加工过程中的杂散腐蚀现象，从而提高了径向超声振动金属回转体外表面微织构电解加工的加工精度和加工效率。

2）本发明液压系统实现间隙流场均流所需要的压力及活塞的前后位置由有限元仿真软件分析算出，可以实现金属圆柱面微织构一致均匀性加工。

附图说明

图1为本发明的电极装置和调压系统的立体结构前视图；

图2为本发明的电极装置和调压系统立体结构后视图；

图3为本发明的调压系统的立体剖视图；

图4为本发明的示意图；

图5为本发明的超声换能器的立体结构示意图。

图中：1-活塞；2-丝杠；3-丝杠螺母；4-电机；5-计算机；6-加工间隙；7-压力传感器；8-超声换能器；9-金属回转体；10-前壳体；11-后壳体；12-电解液槽；13-过滤器；14-单向定量泵；15-液压节流阀；16-液压截止阀；17-夹具；18-转台；19-压力表；20-第一圆滑流道；21-第二圆滑流道；101-电解液进液口；111-电解液出口。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明进行进一步地说明，但本发明的保护范围并不仅限于此。

如图1和图2所示，金属回转体微细电解加工中的间隙流场装置包括作为阴极的超声换能器8和作为阳极的金属回转体9，超声换能器8和金属回转体9分别置于外壳中，外壳包括前壳体10和后壳体11，前壳体10和后壳体11之间通过螺栓和螺母固定连接，超声换能器8和金属回转体9分别置于前壳体10和后壳体11的连接处的上方和下方，前壳体10上开设有电解液进液口101，后壳体11与前壳体10的连接处两侧开设有电解液出口111，超声换能器8和金属回转体9分别通过一个夹具17与转台18连接，通过转台18的旋转带动超声换能器8和金属回转体9的回转，后壳体11上通过螺钉固定连接有四个电机4。

如图3所示，调压系统包括四个活塞1、四个丝杠2、四个丝杠螺母3、四个电机4和计算机5，调压系统置于后壳体11中，活塞1朝向超声换能器8和金属回转体9的一侧设有压力传感器7，活塞1的另一侧开设有插槽，插槽处通过螺钉固定连接有丝杠螺母3，丝杠2的一端穿过丝杠螺母3插入活塞1的插槽中，丝杠2与丝杠螺母3螺纹连接，丝杠2的另一端与电机4通过弹性联轴节连接，计算机5通过数据线分别与电机4和压力传感器7连接，压力传感器7感受间隙流场的压力，传输给计算机5，计算机5根据预先设置压力的阀值，传输给电机4，电机4根据情况进行转动，电机4旋转丝杠2，通过丝杠2推动丝杠螺母3的移动，从而推动活塞1的移动，实现间隙流场压力的调节。

如图4所示，电解液系统包括电解液槽12、过滤器13、单向定量泵14、液压节流阀15、液压截止阀16和压力表19，电解液槽12的出口依次与过滤器13、单向定量泵14和液压节流阀15连接，液压节流阀15的另一端与电解液进液口101连接，电解液进液口101与液压节流阀15连接的管路上设有压力表19，超声换能器8和金属回转体9之间构成加工间隙6，超声换能器8和金属回转体9的右侧为活塞1，前壳体10内的上下两侧分别设有第一圆滑流道20和第二圆滑流道21，第一圆滑流道20和第二圆滑流道21为四分之一的圆环柱，第一圆滑流道20位于超声换能器8的下方，第二圆滑流道21位于金属回转体9的上方，第一圆滑流道20和第二圆滑流道21分别设于加工间隙6的进液侧构成圆滑进液口，第一圆滑流道20与第二圆滑流道21与前壳体10一体成型。

如图5所示，超声换能器8的外表面加工有微凸台织构的电极柱，超声换能器8连接超声发生器，提供一定振幅的径向振动，有利于加工间隙6内产物的排出。

启动装置，加工电压为15v，装置启动后，nano3溶液电解液通过过滤器13过滤后由单向定量泵14抽液，电解液经过液压节流阀15后，喷射向加工间隙6；压力传感器7采集加工间隙6的流场压力，并传输到计算机5上，根据预先设置压力的阀值，计算机5通过电机4旋转丝杠2，从而调整各个活塞1的前后位置，保持加工间隙6内电解液均流；电解液从电解液出口111流出，通过液压截止阀16进入电解液槽12，如此循环电解加工。高速流动的电解液经射向加工间隙6，防止因附面层产生分离现象，避免发生涡流区或死水区，通过改变各个活塞1的位置，致使电解液因受压力而改变加工间隙6中流场的分布，防止空穴现象的产生，以形成均匀稳定的间隙流场。