本發(fā)明涉及電化學加工領域，尤其是一種電化學加工橢球形竹節(jié)孔的方法。

背景技術：

隨著社會的進步與科技的發(fā)展，在現(xiàn)代航空航天、汽車、機床等制造行業(yè)中，對于使用過程中受力受熱比較嚴重的零件，為了減輕由于冷卻不徹底帶來的零件變形，延長其使用壽命，越來越多的采用非圓異形截面，即橫截面不是圓形，而是橢圓、變橢圓、擺線等非圓形狀。如現(xiàn)代活塞制造業(yè)中普遍采用的異形銷孔設計，可以避免在很高的燃燒壓力下產(chǎn)生的彈性變形，減輕銷孔內側應力集中的問題，使得活塞獲得更好的性能。此外，在航空發(fā)動機滾子軸承中采用非圓滾道，可以有效解決高速輕載時滾子的打滑現(xiàn)象，避免對發(fā)動機造成破壞性的影響。而這些非圓異形截面零件因為其復雜的形狀，加工精度，對制造加工技術提出了很高的要求。

目前，非圓異形截面零件的加工方法大多是通過主軸的回轉運動與切削刀具的徑向伸縮運動的合成來實現(xiàn)的。但在實際加工方面則存在種種問題，主要是因為在回轉鏜桿上安裝高頻響微量進給機構和控制驅動裝置存在著安裝空間小，實施控制和測量難度高等問題。

技術實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術存在的不足，本發(fā)明提供了一種電化學加工橢球形竹節(jié)孔的方法，其是利用通電狀態(tài)下金屬材料發(fā)生電化學溶解的原理進行，利用專門設計的工具電極，控制加工時間、加工電壓、工具電極的擺動實現(xiàn)小孔徑表面橢球形微結構的加工。

本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是：

一種電化學加工橢球形竹節(jié)孔的方法，所述方法包括以下步驟：

1)工具電極A的制備：

將一光滑圓柱形金屬絲或金屬管的表面沿圓周方向按等間隔制成環(huán)形凹槽，然后在環(huán)形凹槽內涂覆絕緣材料并進行固化，形成金屬導電部與絕緣部相互間隔的竹節(jié)形工具電極A；

2)工具電極B的制備：

將一光滑圓柱形金屬絲或金屬管的表面沿軸向前后兩側制成相互平行的平面，在軸向左右兩側分別按等間隔制成弧形凹槽，然后在弧形凹槽以及前后兩側平行的平面上涂覆絕緣材料并進行固化，形成前后兩側絕緣、左右兩側的金屬導電部與絕緣部相互間隔的工具電極B；其中，工具電極B上的相鄰兩個弧形凹槽之間的間隔與工具電極A上的相鄰兩個環(huán)形凹槽之間的間距相同，工具電極A上的環(huán)形凹槽的上下寬度與工具電極B上的弧形凹槽的上下寬度相同，工具電極B的金屬導電部的橫截面的半徑與工具電極A的金屬導電部的橫截面的半徑相同；

3)圓形竹節(jié)孔的加工:

先將工具電極A進給到待加工工件上預先加工好的光孔中，接著將電解液沿著工具電極A與待加工工件上的光孔內壁之間的縫隙自下而上流動，然后將待加工工件接電源正極，工具電極A接電源負極，處于電解液包圍的待加工工件與工具電極A的金屬導電部之間形成電解加工區(qū)，待加工工件表面在電場作用下被去除，形成圓形竹節(jié)孔；

4)橢球形竹節(jié)孔的加工：

將步驟3)中的工具電極A取出，在圓形竹節(jié)孔內插入工具電極B，且工具電極B的金屬導電部、絕緣部與工具電極A的金屬導電部、絕緣部在軸向方向相對應，同時，工具電極B的前后兩側的絕緣層前后布置；設定電解液的加工電壓和通電時間，通過機床主軸帶動工具電極B按設定角度沿著圓周方向往復擺動，圓形竹節(jié)孔處于電解加工區(qū)的內壁面得到二次電解加工，圓形竹節(jié)孔逐漸形成橢球形竹節(jié)孔，當達到設定的通電時間后，圓形竹節(jié)孔完全形成橢球形竹節(jié)孔；

其中，工具電極B的前后往復擺動的設定角度為30°～60°。

進一步，所述步驟1)工具電極A的制備中；

將一光滑圓柱形金屬絲或金屬管的表面沿圓周方向按等間隔涂覆一層絕緣膠，并在紫外光照射下進行固化，然后將其浸入質量濃度為10％NaNO₃的電解液中進行電解腐蝕，將涂覆絕緣膠的圓柱形金屬絲或金屬管接電源正極，質量濃度為10％NaNO₃電解液中的鐵片接電源負極，電解腐蝕達到設定時間后，取出圓柱形金屬絲或金屬管，從而使得圓柱形金屬絲或金屬管表面裸露部分的金屬材料得到腐蝕呈環(huán)形凹槽狀，然后將之前涂覆的一層絕緣膠去除形成工具電極A的金屬導電部，最后在被腐蝕的環(huán)形凹槽內均勻涂覆含15％SiC的光敏樹脂并在紫外光照射下進行固化，環(huán)形凹槽內的光敏樹脂層形成工具電極A的絕緣部，從而制得工具電極A。

進一步，所述步驟2)工具電極B的制備中；

將一光滑圓柱形金屬絲或金屬管的表面沿軸向左右兩側繃直涂覆一層絕緣膠并在紫外光照射下進行固化，然后將其侵入到配好的質量濃度為10％NaNO₃的電解液中，將涂覆絕緣膠的圓柱形金屬絲或金屬管接電源正極，質量濃度為10％NaNO₃電解液中的鐵片接電源負極，電解腐蝕到設定時間后，取出圓柱形金屬絲或金屬管，從而使得圓柱形金屬絲或金屬管表面裸露部分的金屬材料得到腐蝕，其軸向前后兩側形成相互平行的平面，并在平面上涂覆15％SiC的光敏樹脂，并在紫外光照射下進行固化，得到軸向前后兩側絕緣的金屬絲或金屬管；

然后，在前后兩側絕緣的金屬絲或金屬管的軸向左右兩側分別按等間隔涂覆一層絕緣膠，并在紫外光照射下進行固化，固化后將其浸入到質量濃度為10％NaNO₃電解液中進行電解腐蝕，將前后兩側絕緣的圓柱形金屬絲或金屬管接電源正極，質量濃度為10％NaNO₃電解液中的鐵片接電源負極，電解腐蝕達到設定時間后，取出金屬絲或金屬管，從而使得金屬絲或金屬管表面裸露部分的金屬材料得到腐蝕呈弧形凹槽狀，然后將之前涂覆的一層絕緣膠去除形成工具電極B的金屬導電部，最后在被腐蝕的弧形凹槽內均勻涂覆含15％SiC的光敏樹脂并在紫外光照射下進行固化，弧形凹槽內的光敏樹脂層形成工具電極B的絕緣部，從而制得工具電極B。

本發(fā)明的主要有益效果在于：可實現(xiàn)圓周方向非圓截面冷卻孔加工；加工工藝操作簡單；在陣列電極情況下，可一次性進行多孔加工，效率高；加工精度較高，可加工孔徑尺寸小、加工工件表面性能不會受到切削力的影響。

附圖說明

圖1a是表面呈環(huán)形凹槽狀的金屬絲的結構示意圖。

圖2a是圖1a制成工具電極A的結構示意圖。

圖1b是表面呈環(huán)形凹槽狀的金屬管的結構示意圖。

圖2b是圖1b制成工具電極A2的結構示意圖。

圖3是軸向前后兩側被腐蝕為平面、軸向左右兩側被腐蝕為弧形凹槽的金屬絲的結構示意圖。

圖4是圖3制成的工具電極B的結構示意圖。

圖5是橢球形竹節(jié)孔的電解加工原理圖。

圖6是通過工具電極A加工后的圓形竹節(jié)孔的縱剖圖。

圖7是圖6的主視圖。

圖8是工具電極B在圓形竹節(jié)孔內周期性沿軸向周向擺動的示意圖。

圖9是橢球形竹節(jié)孔的縱剖圖。

圖10是圖9的主視圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明作進一步描述。

參照圖1～圖10，一種電化學加工橢球形竹節(jié)孔的方法，所述方法包括以下步驟：

2)工具電極A的制備：

將一光滑圓柱形金屬絲或金屬管的表面沿圓周方向按等間隔制成環(huán)形凹槽，然后在環(huán)形凹槽內涂覆絕緣材料并進行固化，形成金屬導電部與絕緣部相互間隔的竹節(jié)形工具電極A；

3)工具電極B的制備：

將一光滑圓柱形金屬絲或金屬管的表面沿軸向前后兩側制成相互平行的平面，在軸向左右兩側分別按等間隔制成弧形凹槽，然后在弧形凹槽以及前后兩側平行的平面上涂覆絕緣材料并進行固化，形成前后兩側絕緣、左右兩側的金屬導電部與絕緣部相互間隔的工具電極B；其中，工具電極B上的相鄰兩個弧形凹槽之間的間隔與工具電極A上的相鄰兩個環(huán)形凹槽之間的間距相同，工具電極A上的環(huán)形凹槽的上下寬度與工具電極B上的弧形凹槽的上下寬度相同，工具電極B的金屬導電部的橫截面的半徑與工具電極A的金屬導電部的橫截面的半徑相同；

3)圓形竹節(jié)孔的加工:

先將工具電極A進給到待加工工件6上預先加工好的光孔中，接著將電解液沿著工具電極A與待加工工件6上的光孔內壁之間的縫隙自下而上流動，然后將待加工工件接電源正極，工具電極A接電源負極，處于電解液包圍的待加工工件6與工具電極A的金屬導電部之間形成電解加工區(qū)，待加工工件6表面在電場作用下被去除，形成圓形竹節(jié)孔；

4)橢球形竹節(jié)孔的加工：

將步驟3)中的工具電極A取出，在圓形竹節(jié)孔內插入工具電極B，且工具電極B的金屬導電部、絕緣部與工具電極A的金屬導電部、絕緣部在軸向方向相對應，同時，工具電極B的前后兩側的絕緣層前后布置；設定電解液的加工電壓和通電時間，通過機床主軸帶動工具電極B按設定角度沿著圓周方向往復擺動，圓形竹節(jié)孔處于電解加工區(qū)的內壁面得到二次電解加工，圓形竹節(jié)孔逐漸形成橢球形竹節(jié)孔，當達到設定的通電時間后，圓形竹節(jié)孔完全形成橢球形竹節(jié)孔；

其中，工具電極B的前后往復擺動的設定角度為30°～60°。

進一步，所述步驟1)工具電極A的制備中；

將一光滑圓柱形金屬絲或金屬管的表面沿圓周方向按等間隔涂覆一層絕緣膠，并在紫外光照射下進行固化，然后將其浸入質量濃度為10％NaNO₃的電解液中進行電解腐蝕，將涂覆絕緣膠的圓柱形金屬絲或金屬管接電源正極，質量濃度為10％NaNO₃電解液中的鐵片接電源負極，電解腐蝕達到設定時間后，取出圓柱形金屬絲或金屬管，從而使得圓柱形金屬絲或金屬管表面裸露部分的金屬材料得到腐蝕呈環(huán)形凹槽狀，然后將之前涂覆的一層絕緣膠去除形成工具電極A的金屬導電部1，最后在被腐蝕的環(huán)形凹槽2內均勻涂覆含15％SiC的光敏樹脂并在紫外光照射下進行固化，環(huán)形凹槽2內的光敏樹脂層3形成工具電極A的絕緣部，從而制得工具電極A。

進一步，所述步驟2)工具電極B的制備中；

將一光滑圓柱形金屬絲或金屬管的表面沿軸向左右兩側繃直涂覆一層絕緣膠并在紫外光照射下進行固化，然后將其侵入到配好的質量濃度為10％NaNO₃的電解液中，將涂覆絕緣膠的圓柱形金屬絲或金屬管接電源正極，質量濃度為10％NaNO₃電解液中的鐵片接電源負極，電解腐蝕到設定時間后，取出圓柱形金屬絲或金屬管，從而使得圓柱形金屬絲或金屬管表面裸露部分的金屬材料得到腐蝕，其軸向前后兩側形成相互平行的平面4，并在平面4上涂覆15％SiC的光敏樹脂，并在紫外光照射下進行固化，得到軸向前后兩側絕緣的金屬絲或金屬管；

然后，在前后兩側絕緣的金屬絲或金屬管的軸向左右兩側分別按等間隔涂覆一層絕緣膠，并在紫外光照射下進行固化，固化后將其浸入到質量濃度為10％NaNO₃電解液中進行電解腐蝕，將前后兩側絕緣的圓柱形金屬絲或金屬管接電源正極，質量濃度為10％NaNO₃電解液中的鐵片接電源負極，電解腐蝕達到設定時間后，取出金屬絲或金屬管，從而使得金屬絲或金屬管表面裸露部分的金屬材料得到腐蝕呈弧形凹槽狀，然后將之前涂覆的一層絕緣膠去除形成工具電極B的金屬導電部，最后在被腐蝕的弧形凹槽5內均勻涂覆含15％SiC的光敏樹脂并在紫外光照射下進行固化，弧形凹槽5內的光敏樹脂層3形成工具電極B的絕緣部，從而制得工具電極B。

當然其中表面被腐蝕呈環(huán)形凹槽狀的金屬絲/金屬管可以采用其他加工方法獲得，如3D打印、車削加工，然后再進一步在環(huán)形凹槽處涂覆光敏樹脂等絕緣材料以獲得工具電極A；軸向前后兩側被腐蝕為平面、軸向左右兩側被腐蝕為弧形凹槽5的金屬絲/金屬管可以采用其他加工方法獲得，如3D打印、車削加工，然后再進一步在軸向前后兩側、弧形凹槽處涂覆光敏樹脂等絕緣材料以獲得工具電極B。

本發(fā)明的電解加工原理為：

電解液沿著工具電極A與待加工工件6光孔側壁間縫隙自下而上流動，待加工工件6接電源正極，工具電極A接負極，處于電解液包圍的待加工工件6與工具電極A的金屬導電部之間形成電解加工區(qū)，工件表面材料在電場作用下被去除，根據(jù)工具電極A周圍電場分布規(guī)律，正對工具電極A的金屬導電部電場強度呈現(xiàn)對稱弧形，因此處于工具電極A陰極裸露金屬材料附近的工件表面材料腐蝕速度呈現(xiàn)中間快、兩側慢的規(guī)律，最終光孔被加工成圓形竹節(jié)孔即竹節(jié)孔的橫截面為圓形截面8；之后將工具電極A取出，在相對應的位置插入工具電極B10，再次進行二次電解加工，由于工具電極B軸向前后兩側涂覆了絕緣材料含15％SiC的光敏樹脂，使得已加工的圓截面竹節(jié)孔內側僅部分區(qū)域再次得到電解腐蝕，在工具電極B10電解加工的過程中，通過控制機床主軸帶動工具電極B10進行一定角度，如設定角度為30°～60°往復擺動，同時設置一定的加工電壓與通電時間，控制該圓形竹節(jié)孔處于電解加工區(qū)的內壁面得到進一步的腐蝕，圓形竹節(jié)孔逐漸形成橢球形竹節(jié)孔，橢球形竹節(jié)孔的橫截面為橢圓形9。

實例一：

1、工具電極的制備。

工具電極7包括工具電極A和工具電極B；

工具電極A制備：取一直徑為1.5mm，長60mm的圓柱形金屬絲，按一定相同距離即等間隔如5mm，沿圓周方向均勻涂覆絕緣膠并紫外光照射下進行固化，再將其固定在機床上，進給浸入到質量濃度為10％的NaNO₃電解液中，將涂覆絕緣膠的圓柱形金屬絲接電源正極，質量濃度為10％的NaNO₃電解液中的鐵片接電源負極，施加電壓8V，工作時間5min后把金屬絲取出，去除金屬絲表面的絕緣膠，形成工具電極A的金屬導電部即得到工具電極A基體；然后在工具電極A基體的金屬表面腐蝕的環(huán)形凹槽內涂覆含15％SiC的光敏樹脂，放至在紫外光固化機下固化3min后，形成工具電極A的絕緣部，即制備獲得工具電極A。

工具電極B制備：取一直徑為1.5mm，長60mm的圓柱形金屬絲，沿其軸向左右兩側繃直涂覆絕緣膠并固化，再將金屬絲固定在機床上，進給到配好的10％NaNO₃電解液中，將涂覆絕緣膠的圓柱形金屬絲或金屬管接電源正極，質量濃度為10％NaNO₃電解液中的鐵片接電源負極，加入工作電壓8V，工作時間5分鐘后把金屬絲取出；在金屬絲腐蝕過的前后兩側面涂覆含15％SiC的光敏樹脂，并在紫外光固化機下固化3min，待其冷卻后取出按等間隔如5mm沿圓周方向均勻涂覆絕緣膠并固化，第二次浸入到質量濃度為10％NaNO₃電解液中進行電解腐蝕，由于金屬絲的前后兩側具有光敏樹脂絕緣的保護，電解過程中只腐蝕金屬絲的金屬裸露部分逐漸形成弧形凹槽，施加電壓8V，工作時間5分鐘后，取出金屬絲并在弧形凹槽內均勻涂覆含15％SiC的光敏樹脂，并在紫外光固化機下固化3min后即制備獲得工具電極B。

2、橢球形竹節(jié)孔的加工。

預先在待加工工件6上加工出孔徑2mm，孔深60mm的光孔即光滑通孔，將待加工工件6固定在工作臺夾具中，質量濃度為15％NaNO₃電解液從光滑通孔自下而上流入；首先將工具電極A進給到待加工工件6上的光滑通孔中，工具電極A接電源負極，待加工工件6接電源正極，施加電壓為10V，加工時間為10min，加工結束后將工具電極A取出；接下來工具電極B10再次進給到相同位置進行二次電解加工，施加電壓為10V，加工時間10min，其中工具電極B的軸向前后兩側絕緣平面是前后布置的，工具電極B10的導電部在其軸向的左右兩側上。加工過程中工具電極B10作60°角度前后周向往復擺動，加工結束后即得到橢球形竹節(jié)孔。