一种具有促蚀物排出、抵消涡流、去残留峰、自纠偏功能的管电极及制作方法与流程

本发明属于电火花—电解复合加工深孔技术领域，具体涉及一种具有促蚀物排出、抵消涡流、去残留峰、自纠偏功能的管电极及制作方法。

背景技术：

随着航空航天工业、汽车工业、医疗器械行业、微机电系统的不断发展，在某些特殊情况下，需要在一些特定的难加工材料上加工大量微小孔微、群孔及斜孔结构，如涡轮叶片气膜冷却孔、航空发动机燃烧室火焰筒群孔、发动机喷油孔及涡轮定子叶片上的各类型孔等，这些孔结构大都是大深径比的深孔结构。由于传统机械加工工艺很难加工大深径比的深孔结构，因此必须采用特种加工技术进行加工，其中电火花—电解复合加工便是一种有效的加工方法。电火花—电解复合加工是一种结合电火花加工和电解加工的精密特种加工技术，也被称之为电化学放电加工技术，它既可以加工金属材料，也可以加工非金属材料。管电极是电火花—电解复合加工深孔的关键部件，也是实现深孔加工过程中电解液循环流动的基础。

针对电火花—电解复合加工中管电极所存在的问题，现有专利文献也提出了一些解决方案。申请号为201510747358.5的中国专利公开了一种消除管电极电解加工间隙内流场涡流的方法，该方法利用经侧面打斜向上孔处理的管电极进行电解加工，虽然在一定程度上能够抵消掉一部分加工区域中的电解液流场涡流，但是这种方法是通过侧面斜向下的孔流出的电解液流速与涡流区电解液流速恰好相反从而进行相互抵消的，从而减缓了电化学蚀除产物及时排出的速度，使得微小加工间隙中的电解液和蚀除产物(包括电解蚀除物和电火花蚀除物)不能够及时有效的排出；另外，利用此方法在侧面打斜向上孔处理的管电极进行电解加工深孔时，会在深孔的内部形成中心残留峰，而中心残留峰会阻碍管电极出口处和加工间隙内电解液的有效循环流动，以致无法保证深孔加工的正常进行和深孔的加工质量。

申请号为201810905989.9的中国专利公开了一种利用小孔反流排除电蚀产物的电极管，包括电极、电极中孔，通过在电极管侧壁加工斜向上的电极斜孔，虽然在一定程度上提高了电蚀产物(包括电解蚀除物和电火花蚀除物)的排出能力，但是通过此电极侧壁斜向上的孔流出的电解液具有竖直向上的分速度，再加工电极管是旋转的，从而加剧了电极管在电火花加工深孔时的不稳定性；另外，利用此方法在侧面打斜向上孔处理的管电极进行电解加工深孔时，会在深孔的内部形成中心残留峰，而中心残留峰会阻碍电极管出口处和加工间隙内电解液的有效循环流动，使得加工间隙中的电蚀产物不能够及时的排出，以致无法保证电火花深孔加工的正常进行。

申请号为201910113040.x的中国专利公开了一种具有柔性支撑及促进加工产物排出的管电极及其深小孔电加工方法，通过在管电极距离加工端面一定距离的一个或多个横截面侧壁上加工出环形阵列均匀分布的不同几何形状的倾斜通孔，虽然在一定程度上能够促进蚀除产物的排出，但是利用该方法加工深孔时同样会在深孔的内部产生中心残留峰，而中心残留峰会阻碍电极管出口处和加工间隙内电解液的有效循环流动，使得加工间隙中的电蚀产物不能够及时的排出，以致无法保证电火花深孔加工的正常进行。

因此，寻找一种有效的管电极及加工方法用于解决电火花—电解复合加工深孔的过程中，加工间隙内易产生电解液流场旋涡、蚀除产物不能及时排出、深孔中心处有残留峰产生、管电极易产生扰动和轴线偏斜四大技术性难题是电火花—电解复合加工深孔的关键技术，也是机械制造行业提高深孔的加工质量和效率的客观要求。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种具有促蚀物排出、抵消涡流、去残留峰、自纠偏功能的管电极及制作方法，旨在解决电火花—电解复合加工深孔的过程中，加工间隙内易产生电解液流场旋涡、蚀除产物不能及时排出、深孔中心处有残留峰产生、管电极易产生扰动和轴线偏斜四大技术性难题。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种具有促蚀物排出、抵消涡流、去残留峰、自纠偏功能的管电极，包括管电极本体，所述管电极本体包括贯穿中心的主通道、以及外部的管侧壁，所述管电极本体的下端部连接有喷头，所述主通道用于电解液的流通，所述管电极本体所在的管侧壁上相间分布有第一辅助斜通孔和第二辅助斜通孔，所述第一辅助斜通孔沿着管电极本体的管侧壁延伸方向斜向下，使流经所述第一辅助斜通孔的电解液具有向下的流场分量，所述第二辅助斜通孔沿着管电极本体的管侧壁延伸方向斜向上，使流经所述第一辅助斜通孔的电解液具有向上的流场分量；

所述管电极本体所在的主通道内壁设置有内螺纹，所述喷头包括圆柱型的上凸台和下凸台，并贯穿喷头的轴向均匀对称设置有四个通道孔，以保证整个加工过程中无中心残留峰产生，所述上凸台的外壁设置有外螺纹，使主通道的内螺纹与喷头上的外螺纹相适配。

进一步的，所述第一辅助斜通孔和第二辅助斜通孔所在的孔洞内壁涂覆绝缘层，绝缘层为类金刚石镀层材料。

进一步的，所述第一辅助斜通孔和第二辅助斜通孔相间分布的个数为1～3组。

进一步的，所述第一辅助斜通孔和第二辅助斜通孔的反向延伸方向为同心，并与所在的管侧壁的水平方向呈30°～60°夹角。

一种具有促蚀物排出、抵消涡流、去残留峰、自纠偏功能的管电极的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

s1、在管电极主体的管侧壁上间隔定位出所要加工的第一辅助斜通孔和第二辅助斜通孔的定位中心点；

s2、往管电极主体的主通道内部空腔注入去除空气后的去离子水，再将管电极主体所在的两端部分别密封，并置于低温冷冻试验箱中进行冰冻处理，待主通道内部的去离子水全部结冰冻实后将其取出；

s3、利用激光加工技术在冷冻后管电极主体的管侧壁上电刻出第一辅助斜通孔和第二辅助斜通孔，并将所述第一辅助斜通孔和第二辅助斜通孔所在的孔洞内作壁涂覆绝缘层处理；

s4、利用精密微型内螺纹攻丝机在管电极主体的主通道内壁底部加工出一段内螺纹；

s5、利用微型精密数控机床加工出喷头，并形成圆柱型的上凸台和下凸台，同时在喷头所在的上凸台外壁开设外螺纹，所述外螺纹与管电极主体的内螺纹相适配，同时沿着所述喷头的轴向贯穿开设通道孔。

进一步的，所述步骤s2中管电极主体的主通道内部空腔注入去离子水的体积占主通道内部空间体积的90％，其原因在于去离子的密度是1.0×103kg/m3，冰的密度是0.9×103kg/m3，水结冰后会体积膨胀。

进一步的，所述步骤s2中冰冻处理的条件为：每隔2～3分钟将管电极主体取出放到摇床上摇匀1～2分钟，然后继续将管电极主体放入低温冷冻试验箱中进行冰冻处理，如此重复4～6次。

进一步的，所述步骤s5中，通道孔的开设方法：在喷头的圆柱型上凸台的上表面沿着周向每间隔90°标定出加工所需通道孔的定位中心点，再利用管电极电解加工方法在喷头的内部逐次加工出四个所需直径且贯穿的通道孔。

与现有的技术相比，本发明的有益效果：

1、本发明通过在管电极侧壁上加工有的第一辅助斜通孔和第二辅助斜通孔，经第一辅助斜通孔流出的电解液具有向下的流场分量，用于抵消加工间隙内所产生的流场涡流；经第二辅助斜通孔流出的电解液具有向上的流场分量，用于促进蚀除产物的及时排出；管电极本体所在的主通道内壁设置有内螺纹，使主通道的内螺纹与喷头上的外螺纹适配，管电极底部的喷头上均匀对称开设有四个通道孔，从而保证整个加工过程中无中心残留峰产生。此外，流经上述辅助斜通孔的电解液在出口处均会产生水平方向的流场分量，用以平衡管电极在加工深孔时所产生的扰动和纠正管电极的轴线偏斜。

2、本发明中管电极主体与所述喷头为可拆卸螺纹连接，因此可根据实际加工需求更换不同直径通道孔的喷头，且所述喷头加工报废时，只需更换同型号的喷头即可，而不必更换整根管电极，从而大大提高了管电极主体部分的循环利用率，也有利于节约成本和资源，同时响应了国家所提倡的环保节材、循环利用的举措。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的整体结构示意图；

图2是本发明实施例的a处结构示意图；

图3是本发明实施例的管电极等轴侧结构示意图；

图4是本发明实施例的管电极结构示意图；

图5是本发明实施例的喷头等轴侧结构示意图；

图6是本发明实施例的管电极主体结构示意图；

图7是本发明实施例的管电极主体加工时的定位中心点的截面结构示意图；

图8是本发明实施例在100rpm进行有限元流场仿真分析结果示意图；

图9是本发明实施例在200rpm进行有限元流场仿真分析结果示意图；

图10是本发明实施例在300rpm进行有限元流场仿真分析结果示意图；

图11是本发明实施例在400rpm进行有限元流场仿真分析结果示意图；

图12是本发明实施例的单孔和四孔管电极对中心残留峰去除效果示意图；

图13是本发明实施例的管电极制作方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1、图2所示，本发明实施例提供的一种具有促蚀物排出、抵消涡流、去残留峰、自纠偏功能的管电极，包括管电极本体1，该管电极本体1的材质为黄铜材料制成，管电极本体1包括贯穿中心的主通道102、以及外部的管侧壁101，管电极本体1的下端部连接有喷头5，主通道102用于电解液的流通，管电极本体1所在的管侧壁101上相间分布有第一辅助斜通孔6和第二辅助斜通孔7，同时将所在的孔洞内壁作涂覆绝缘层处理，绝缘层为类金刚石镀层材料，以避免第一辅助斜通孔6和第二辅助斜通孔7所在的出液口孔洞发生电火花放电腐蚀而破坏已加工的深孔内壁。

如图3、图4所示，根据需要第一辅助斜通孔6和第二辅助斜通孔7相间分布的个数分别为1～3组，同时第一辅助斜通孔6和第二辅助斜通孔7的反向延伸方向为同心，并与所在的管侧壁101的水平方向呈30°～60°夹角。第一辅助斜通孔6沿着管电极本体1的管侧壁101延伸方向斜向下，使流经第一辅助斜通孔6的电解液具有向下的流场分量，用于抵消加工间隙内产生的流场涡流；第二辅助斜通孔7沿着管电极本体1的的管侧壁101延伸方向斜向上，使流经第一辅助斜通孔7的电解液具有向上的流场分量，用于促进蚀除产物的及时排出。此外，流经上述第一辅助斜通孔6和第二辅助斜通孔7的电解液在出口处均会产生水平方向上的流场分量，用以平衡管电极在加工深孔时所产生的扰动和纠正管电极的轴线偏斜。

管电极本体1所在的主通道102内壁设置有内螺纹201，如图5、图6所示，喷头5包括圆柱型的上凸台51和下凸台52，并贯穿喷头5设置有四个中心对称的通道孔501，以保证整个加工过程中无中心残留峰产生，上凸台51的外壁设置有外螺纹202，使主通道102的内螺纹201与喷头5上的外螺纹202相适配。

为了验证本发明实施例中第一辅助斜通孔6和第二辅助斜通孔7有益效果的可行性，对本发明实施例中的管电极施加转速分别为100rpm、200rpm、300rpm、400rpm进行有限元流场仿真分析，其电解液流场流线矢量图分别如图8、图9、图10、图11所示，从上述各电解液流场流线矢量图中可以观察到：经第一辅助斜通孔6流出的电解液具有向下的电解液流场流线分量，用于抵消加工间隙内所产生的流场涡流；经第二辅助斜通孔7流出的电解液具有向上的电解液流场流线分量，用于促进蚀除产物的及时排出；此外，流经上述辅助斜通孔的电解液在出口处均会产生水平方向的电解液流场流线分量，用以平衡管电极在加工深孔时所产生的扰动和纠正管电极的偏斜；本发明实施例的有限元流场仿真结果与本发明实施例的有益效果十分吻合，在一定程度上验证了本发明实施例的可行性。

为了验证本发明实施例中通道孔501有益效果的可行性，对本发明实施例中的多孔管电极和传统的单孔管电极进行试验对比验证，试验过程中的加工参数保证一致(比如：相同的电解液、相同的管电极转速、相同的加工电压及相同的待加工件等加工参数)，多孔管电极和传统的单孔管电极分别各加工两组工件试样，且上述管电极最终加工出来的各两组工件试样的深孔加工深度分别为550μm和1100μm，其中采用传统的单孔管电极所加工的两组工件试样的电镜微观结构扫描结果如图12(a)和图12(b)所示，从图中可以观察到，采用单孔管电极加工深孔时，在深孔中心处会有中心残留峰产生，且随着加工深度的增加，其中心残留峰的高度也变得愈加明显，而中心残留峰会阻碍管电极出口处和加工间隙内电解液的有效循环流动，使得加工间隙中的电蚀产物不能够及时的排出，以致无法保证电火花深孔加工的正常进行；采用本发明实施例中的多孔管电极所加工的两组工件试样的电镜微观结构扫描结果如图12(c)和图12(d)所示，从图中可以观察到，采用多孔管电极加工深孔时，在深孔中心处无中心残留峰产生，且随着加工深度的增加，其中心残留峰也不会产生，从而有利于管电极出口处和加工间隙内电解液的有效循环流动，使得加工间隙中的电蚀产物能够及时的排出，最终保证电火花—电解复合加工深孔的正常进行。

如图13所示，一种具有促蚀物排出、抵消涡流、去残留峰、自纠偏功能的管电极的制作方法，具体操作步骤如下所示：

s1、在管电极主体1的管侧壁101上每间隔120°标定出加工所需第一辅助斜通孔6和第二辅助斜通孔7的定位中心点oi(i＝1～3)，如图7所示的截面。

s2、往管电极主体1的主通道102内部空腔注入去除空气后的去离子水，且注入的去离子水体积占主通道102内部空腔空间体积的90％(这样处理的原因是由于去离子的密度是1.0×103kg/m3，冰的密度是0.9×103kg/m3，水结冰后会体积膨胀)，再将管电极主体1所在的两端部分别密封，并置于低温冷冻试验箱中进行冰冻处理，每隔2～3分钟将管电极主体1取出放到摇床上摇匀1～2分钟，然后继续将管电极主体1放入低温冷冻试验箱中进行冰冻处理，如此重复4～6次，待主通道102内部的去离子水全部结冰冻实后将其取出。

s3、利用激光加工方法在冷冻后管电极主体1的管侧壁101上加工出第一辅助斜通孔6和第二辅助斜通孔7，并将第一辅助斜通孔6和第二辅助斜通孔7所在的孔洞内壁作涂覆绝缘层处理，以避免第一辅助斜通孔6和第二辅助斜通孔7所在的出液口发生电火花放电腐蚀而破坏已加工的深孔内壁表面；同时电解液主通道102内部的冰有利于激光加工散热和防止加工第一辅助斜通孔6和第二辅助斜通孔7的出口时被激光高温灼伤，保证了管电极主体1的结构不发生变形，从而确保其加工质量。

s4、利用精密微型内螺纹攻丝机在管电极主体1的主通道102内壁底部(即加工有第一辅助斜通孔6和第二辅助斜通孔7的那一端)加工出一段内螺纹201。

s5、利用微型精密数控机床加工出喷头5，并形成圆柱型的上凸台51和下凸台52，圆柱型下凸台52的直径等于管电极主体1的外径，同时在喷头5所在的上凸台51外壁开设外螺纹202，外螺纹202与管电极主体1的内螺纹201相适配，以保证喷头5与管电极主体1之间装配的精度与可行性。同时沿着喷头5的轴向贯穿开设通道孔501，在喷头5的圆柱型上凸台51的上表面沿着周向每间隔90°标定出加工所需通道孔501的定位中心点，再利用管电极电解加工方法在喷头5的内部逐次加工出四个所需直径且贯穿的通道孔501。

综上所述，本发明提供的一种具有促蚀物排出、抵消涡流、去残留峰、自纠偏功能的管电极及制作方法，通过在管电极侧壁上加工有辅助斜通孔，且辅助斜通孔与管电极侧壁的夹角(锐角)为30°～60°，并均匀分布在管电极侧壁上。电解液从管电极的电解液通道的上端流入，经电解液通道并分别从管电极底部的喷头和管电极侧壁上的辅助斜通孔流出。经第一辅助斜通孔流出的电解液具有向下的电解液速度分量，用于抵消端面加工间隙(管电极底端与待加工件之间的垂直距离)和侧面加工间隙(管电极侧壁外表面与待加工件之间的垂直距离)交错区域内所产生的电解液流场旋涡；经第二辅助斜通孔流出的电解液具有向上的电解液速度分量，用于促进电火花蚀除物和电解蚀除物的有效迅速排出；与管电极的电解液通道底部螺纹连接的喷头均匀对称布置有四个通道孔，从而保证整个加工过程中无中心残留峰产生。

此外，流经上述辅助斜孔的电解液在出口处均会产生水平方向上的流场分量，用以平衡管电极在加工深孔时所产生的扰动和纠正管电极的轴线偏斜。管电极主体与所述喷头为可拆卸螺纹连接，因此可根据实际加工需求更换不同直径通道孔的喷头，且所述喷头加工报废时，只需更换同型号的喷头即可，而不必更换整根管电极，从而大大提高了管电极主体部分的循环利用率，也有利于节约成本和资源，同时响应了国家所提倡的环保节材、循环利用的举措。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。