柔性金屬薄板微群槽連續電解加工系統及方法與流程
2023-12-09 16:36:01 1
本發明的柔性金屬薄板微群槽連續電解加工系統及方法，屬於電解加工技術領域。
背景技術：
微尺度槽結構廣泛存在於航空航天、儀器儀表等領域的重要零件中，並且多以群槽結構出現。為了滿足使用需求，一般採用鈦合金、高溫合金、不鏽鋼等難加工材料。此類難加工材料微群槽結構的製造對現有加工技術提出了極大挑戰，已成為研究熱點和難點。
國內外研究人員提出了多種工藝方法來提高微群槽結構的加工質量、加工效率。塑性成形是微群槽結構的常用加工方法，已實現常規材料微細結構的生產應用，但由於難加工材料屈服應力較高，塑性成形工藝存在著成形力大、模具磨損大、工件殘餘應力大、金屬薄板材易變形等問題。微細銑削是微群槽結構的又一種加工方法，但對於難加工材料薄壁微群槽結構，微細銑削仍存在板材易變形、加工應力、刀具磨損、加工毛刺不可避免、加工效率低等問題。研究人員還採用微細電火花加工、雷射加工、化學刻蝕等工藝加工微群槽結構。電火花加工、雷射加工利用熱能蝕除工件，薄壁零件受熱易變形；電火花加工速度慢，工具電極損耗嚴重；雷射加工存在殘留熔融物遇冷凝固形成的「翻邊」，通常需要採用二次光整加工工藝去除。雷射加工、化學刻蝕加工對於微槽的精度控制能力差。
近年來，國內外研究人員特別關注微細電解加工技術，期望利用其獨特的加工原理和特性解決難加工材料薄壁微槽結構的製造難題。日本東京大學Kunieda等採用射流電化學加工技術在複雜曲面表面加工出微溝槽；德國Hackert等採用電液束技術掃描加工出帶有微群槽結構的微反應器。臺灣元智大學Lee等採用塊狀成形電極電解加工微流道，模擬了該加工方式下微流道的成型過程，加工出表面寬450微米、底面寬340微米、深65微米的微群槽流道。英國紐卡斯爾大學Roy等採用電解轉印工藝加工出微流道。南通大學錢雙慶等開展了蛇形微槽的電化學掩膜刻蝕電場的有限元分析，研究了加工參數對槽寬度與深度的影響等。
電解加工技術是基於電化學陽極溶解原理實現材料去除的加工技術，因此其不受材料力學性能的限制。在加工過程中工具陰極與工件陽極始終處於不接觸狀態，因此不存在機械力，工件表面質量較好、無毛刺，工具電極無損耗可以長期重複使用。
利用微米尺度的金屬絲作為工具電極的線電極電解切割技術，可以實現準半圓截面微槽結構的加工，工藝準備時間短。利用多根以並聯形式與脈衝電源連接的固定間距的陣列金屬絲作為工具電極可以實現微群槽加工，有效提高電解線切割加工的加工效率，特別適合準半圓截面微群槽結構的加工成型。
利用成形工具電極可以實現多種截面形狀微槽結構的電解加工。預先製備出與待加工微群槽截面形狀和尺寸相對應的成形梳齒狀薄片電極及陣列滾齒狀電極片，利用高頻脈衝電源進行電解加工可以實現微群槽結構的加工需求。在加工過程中輔助以梳齒狀薄片電極的微幅往復運動，或者滾齒狀電極的高速轉動，可以促進加工區電解液的更新及電解產物的有效排出，有助於提高微群槽結構的加工效率和加工精度。
綜上可見，電解加工十分適合難加工材料微群槽結構的加工，採用不同形式的工具電極可加工多種截面形狀、不同需求微群槽結構。
技術實現要素：
本發明旨在解決柔性金屬薄板微群槽結構的加工難題，提出一種工藝簡單，實用性強的柔性金屬薄板微群槽連續電解加工系統及方法。
一種柔性金屬薄板微群槽連續電解加工系統及方法,其特徵在於：包括柔性金屬薄板工件輸運系統、電解加工工具電極系統、加工電源、電解液循環系統、電解加工工具機；所述柔性金屬薄板輸運系統包括輸送輪、若干支撐輥輪、弧形掩膜板、主動輪；上述弧形掩膜板具有鏤空溝槽結構，並安裝、固定在支撐輥輪的輥輪軸上，加工過程中保持固定、不隨支撐輥輪轉動；柔性金屬薄板一端繞制在輸送輪上，柔性金屬薄板另一端依次從若干支撐輥輪及弧形掩膜板之間穿過，並固定於主動輪上，柔性金屬薄板內表面、外表面貼緊相應的支撐輥輪與弧形掩膜板；所述電解加工工具電極系統包括若干工具陰極單元；每個工具陰極單元包括安裝座與工具電極；工具電極固定在安裝座上，並通過安裝座與加工電源負極相連，工具電極的工作面穿過上述弧形掩膜板的鏤空溝槽並與支撐輥輪表面相切，與待加工微群槽位置相對應；上述若干工具電極單元分別與待加工微群槽位置相對應，具體包括下述兩種情況之一或兩種均包括：第一種情況：工具電極單元分組安裝在不同支撐輥輪處，並錯位對應金屬薄板上不同微群槽位置，以避免微群槽間距過小時在同一支撐輥輪處安裝過多工具電極；第二種情況：將同一微槽沿深度方向遞進式分為多個工位加工，工具電極分組安裝在不同支撐輥輪處，並對應金屬薄板上相同微群槽位置。
其實施過程如下：工具電極沿輥輪徑向進給，在柔性薄板表面加工出溝槽結構；加工至指定深度後，主動輪連續轉動，帶動柔性金屬薄板沿輥輪切線方向緩慢滑動實現漸進性進給，完成柔性薄板表面微群槽結構的連續電解加工；加工過程中，工具電極同步進行輔助運動，以促進加工區電解液的更新及電解產物的排出。
本發明具有以下優點：
1．採用本系統及方法加工柔性金屬薄板微群槽結構，可以有效提高微群槽的加工效率。在整個加工過程工具電極系統只進行一次進給過程，待加工至指定深度後，輥輪連續轉動，柔性工件沿輥輪切線方向緩慢滑動實現漸進性進給，柔性表面被連續加工出微群槽結構，實現微群槽結構的一次加工成型，因而可以有效提高微群槽的加工效率。
2．上述柔性金屬薄板微群槽連續電解加工系統可以實現柔性金屬薄板的單面群槽結構加工，也可以實現柔性金屬薄板的雙面群槽結構加工。對於柔性金屬薄板的單面群槽結構加工，只需在微群槽結構所在表面安裝工具電極系統進行電解加工即可。對於柔性金屬薄板雙面微群槽結構加工，則應在柔性金屬薄板上下表面分別安裝工具電極系統進行電解加工。
3．上述柔性金屬薄板微群槽連續電解加工系統採用具有溝槽狀鏤空結構的弧形掩膜板。在加工過程中，工件表面待加工區裸露，非加工區被屏蔽。單個工具電極工作面在掩膜板溝槽內與裸露的工件組成獨立離散的加工單元，電解液沿掩膜板溝槽流動進入加工區，可以有效實現非加工區的隔離保護。
4.上述柔性金屬薄板微群槽連續電解加工系統中，在電解加工工具電極系統中，其工具電極可為陣列線電極。陣列線電極採用常見金屬絲作為工具電極，不需要預先製備成形工具電極，結構簡單，使用方便。在陣列線電極工具電極系統中，其裝夾方式為：
所述安裝座上分布有緊固螺釘；所述安裝座上預先加工出具有一定間距的微群槽；所述安裝座具有陣列線電極張緊裝置；工具線電極一端固定於安裝座一側緊固螺釘，工具線電極對應於所要加工的薄板微群槽間距，均勻分布於安裝座上微槽內；所述工具線電極另一端固定於安裝座另一側緊固螺釘；所述陣列線電極張緊裝置實現陣列線電極的張緊；加工時通過工具機X軸或Y軸的微幅往復運動帶動陣列線電極微幅往復振動，通過工具機Z軸的微幅高頻往復運動帶動陣列線電極沿進給方向往復運動，實現「脈動態」加工，可以帶動加工區電解液流動，促進加工區電解液的更新循環以及電解產物的排出。
5.上述柔性金屬薄板微群槽連續電解加工系統中，在電解加工工具電極系統中，其工具電極可為梳齒狀薄片電極，其單個電極可製備為不同形狀的成形電極，因此可以實現不同截面形狀的群槽結構加工。由於薄片電極具有一定強度和剛度，因此加工時可實現方便快速對刀，並且在加工過程中沒有「讓刀」現象。其裝夾方式為：梳齒狀薄片電極固定於安裝座上。加工時通過工具機X軸或Y軸的微幅往復運動帶動梳齒狀薄片電極微幅往復運動，可以帶動加工區電解液流動，促進加工區電解液的更新循環以及電解產物的排出。
6.上述柔性金屬薄板微群槽連續電解加工系統中，在電解加工工具電極系統中，其工具電極可為陣列滾齒狀電極。由於滾齒狀電極具有一定強度和剛度，因此加工時可實現方便快速對刀，並且在加工過程中沒有「讓刀」現象。此外，在加工過程中滾齒狀電極處於高速轉動狀態，因此其單個電極片中局部鋸齒結構的損壞對加工結果的影響較小。其裝夾方式為：所述安裝座一端固定於電解加工工具機的電主軸上；所述安裝座具有若干個隔離墊片，隔離墊片厚度略大於待加工微群槽的間距大小；所述陣列滾齒狀電極與隔離墊片，按照滾齒狀電極—隔離墊片的順序多層依次相隔安裝固定在安裝座上；加工時通過電主軸轉動帶動滾齒狀電極高速轉動，可以帶動加工區電解液流動，促進加工區電解液的更新循環以及電解產物的排出。
附圖說明
圖1柔性金屬薄板微群槽連續電解加工示意圖；
圖2陣列線電極微群槽電解加工示意圖；
圖3梳齒狀薄片電極微群槽電解加工示意圖；
圖4陣列滾齒狀電極微群槽電解加工示意圖；
圖5柔性金屬薄板微群槽連續電解加工系統示意圖。
圖中標號名稱：1、加工電源，2、微群槽，3、支撐輥輪、4、弧形掩膜板，5、柔性金屬薄板，6、陣列線電極，7、電解液，8、輸送輪，9、主動輪，10、梳齒狀薄片電極，11、陣列滾齒電極，12、電解液儲液箱，13、過濾器，14、壓力泵，15、單向閥，16、壓力表，17、程控電源，18、霍爾傳感器，19、數據採集卡，20、工控機，21、運動控制卡，22、工具機Z向進給軸，23、工作箱，24、電解加工工具電極系統，25、工具機Y向進給軸，26、工具機X向進給軸，27、工具機本體。
具體實施方式
圖1所示的柔性金屬薄板微群槽連續電解加工示意圖中，加工時，首先將弧形掩膜板4安裝、固定在支撐輥輪3的輥輪軸上，將柔性金屬薄板5一端繞制在輸送輪8上，柔性金屬薄板5另一端依次從弧形掩膜板4和支撐輥輪3之間穿過，並固定於主動輪9上，柔性金屬薄板5內表面、外表面貼緊相應的支撐輥輪3與弧形掩膜板4；然後根據所要加工的微群槽2的槽寬、槽深、截面形狀、槽間距選擇電解加工工具電極，完成工具電極的安裝、固定；然後，將電解液7對準加工區進行衝液，工具電極沿支撐輥輪3徑向進給，在柔性金屬薄板5表面加工出溝槽結構；加工至指定深度後，主動輪9連續轉動，帶動柔性金屬薄板5沿支撐輥輪3切線方向緩慢滑動實現漸進性進給，完成柔性金屬薄板5表面微群槽2結構的加工。加工過程中，工具電極同步進行輔助運動，以促進加工區電解液的更新及電解產物的排出。
圖5所示的柔性金屬薄板微群槽連續電解加工系統示意圖中，程控電源17、工具機Z向進給軸22、電解切割工裝夾具系統24、工具機Y向進給軸25、工具機X向進給軸26、工具機本體27組成電解加工工具機硬體系統；運動控制卡21、數據採集卡19、霍爾傳感器18、工控機20及相關線路組成了電解加工工具機控制系統；電解液儲液箱12、過濾器13、壓力泵14、單向閥15、壓力表16、工作箱23及相關管路組成電解液循環系統。
下面結合圖1、圖2、圖3、圖4、圖5說明本發明的具體實施過程：
1．參考圖1、圖2、圖5，利用陣列線電極加工柔性金屬薄板微群槽結構時，首先將弧形掩膜板4安裝、固定在支撐輥輪3的輥輪軸上，將柔性金屬薄板5一端繞制在輸送輪8上，柔性金屬薄板5另一端依次從弧形掩膜板4和支撐輥輪3之間穿過，並固定於主動輪9上，柔性金屬薄板5內表面、外表面貼緊相應的支撐輥輪3與弧形掩膜板4。根據所要加工的微群槽2的槽寬、槽深選擇微尺度金屬線電極6，將陣列線電極6安裝在安裝座上，並張緊。安裝電解加工工具電極系統24於工具機Z向進給軸22上，調整陣列線電極6與柔性金屬薄板5的相對位置，使陣列線電極6所在平面平行於弧形掩膜板4外圓柱表面中心位置的相切面。對刀時，由程控電源17在兩極間施加測試電壓，工具機進給軸緩慢進給，電流信號的變化通過霍爾傳感器18測定，工控機20對信號進行監控完成對刀，並設定初始加工間隙。加工開始時，啟動壓力泵14，將電解液7以恆定壓力輸送到工作箱23實現衝液，程控電源17輸出電壓；陣列線電極6沿支撐輥輪3徑向進給，在柔性金屬薄板5表面加工出溝槽；加工至指定深度後，主動輪9連續轉動，帶動柔性金屬薄板5沿支撐輥輪3切線方向緩慢滑動實現漸進性進給，完成柔性金屬薄板5表面微群槽2結構的加工。加工過程中，陣列線電極6在工具機X向進給軸26或Y向進給軸25的帶動下往復運動；通過工具機Z向進給軸22的微幅高頻往復運動帶動陣列線電極沿進給方向往復運動，實現「脈動態」加工，促進電解液的更新及電解產物的排出。
2．參考圖1、圖3、圖5，利用梳齒狀薄片電極加工柔性金屬薄板微群槽結構時，首先將弧形掩膜板4安裝、固定在支撐輥輪3的輥輪軸上，將柔性金屬薄板5一端繞制在輸送輪8上，柔性金屬薄板5另一端依次從弧形掩膜板4和支撐輥輪3之間穿過，並固定於主動輪9上，柔性金屬薄板5內表面、外表面貼緊相應的支撐輥輪3與弧形掩膜板4。根據所要加工的微群槽2的槽寬、槽深、截面形狀及槽間距製備梳齒狀薄片電極10，將梳齒狀薄片電極10安裝、固定在安裝座上。安裝電解加工工具電極系統24於工具機Z向進給軸22上，調整梳齒狀薄片電極10與柔性金屬薄板5的相對位置，使梳齒狀薄片電極10加工前端所在平面平行於弧形掩膜板4外圓柱表面中心位置的相切面。對刀時，由程控電源17在兩極間施加測試電壓，工具機進給軸緩慢進給，電流信號的變化通過霍爾傳感器18測定，工控機20對信號進行監控完成對刀，並設定初始加工間隙。加工開始時，啟動壓力泵14，將電解液7以恆定壓力輸送到工作箱23實現衝液，程控電源17輸出電壓；梳齒狀薄片電極10沿支撐輥輪3徑向進給，在柔性金屬薄板5表面加工出溝槽；加工至指定深度後，主動輪9連續轉動，帶動柔性金屬薄板5沿支撐輥輪3切線方向緩慢滑動實現漸進性進給，完成柔性金屬薄板5表面微群槽2結構的加工。加工過程中，梳齒狀薄片電極10在工具機X向進給軸26或工具機Y向進給軸25的帶動下往復運動，促進電解液的更新及電解產物的排出。
3．參考圖1、圖4、圖5，利用陣列滾齒狀電極加工柔性金屬薄板微群槽結構時，首先將弧形掩膜板4安裝、固定在支撐輥輪3的輥輪軸上，將柔性金屬薄板5一端繞制在輸送輪8上，柔性金屬薄板5另一端依次從弧形掩膜板4和支撐輥輪3之間穿過，並固定於主動輪9上，柔性金屬薄板5內表面、外表面貼緊相應的支撐輥輪3與弧形掩膜板4。根據所要加工的微群槽2的槽寬、槽深、截面形狀及槽間距製備陣列滾齒狀電極11，將陣列滾齒狀電極11安裝、固定在安裝座上。安裝電解加工工具電極系統24於工具機Z向進給軸22上，調整陣列滾齒狀電極11與柔性金屬薄板5的相對位置，使陣列滾齒狀電極11與弧形掩膜板4外圓柱表面中心位置在加工區相切。對刀時，由程控電源17在兩極間施加測試電壓，工具機進給軸緩慢進給，電流信號的變化通過霍爾傳感器18測定，工控機20對信號進行監控完成對刀，並設定初始加工間隙。加工開始時，啟動壓力泵14，將電解液7以恆定壓力輸送到工作箱23實現衝液，程控電源17輸出電壓；陣列滾齒狀電極11沿支撐輥輪3徑向進給，在柔性金屬薄板5表面加工出溝槽；加工至指定深度後，主動輪9連續轉動，帶動柔性金屬薄板5沿支撐輥輪3切線方向緩慢滑動實現漸進性進給，完成柔性金屬薄板5表面微群槽2結構的加工。加工過程中，陣列滾齒狀電極11在電主軸的帶動下高速轉動，促進電解液的更新及電解產物的排出。