本發(fā)明涉及一種組合式縫電極電解銑削工具及方法，屬于電解加工領域。
背景技術：
1、電解銑削加工是一種通過電化學陽極溶解原理去除材料的非接觸式加工方法。它利用數(shù)控系統(tǒng)控制工具電極在工件表面按預定路徑運動，同時電解液在電極與工件之間的間隙中流動，接通電流引發(fā)工件金屬發(fā)生氧化溶解，從而實現(xiàn)難切削材料的高效加工。相較于傳統(tǒng)機械銑削，電解銑削過程中材料以離子形式逐層去除，避免熱變形和機械應力，適用于薄壁件或精密部件。而且電極與工件無物理接觸，避免了傳統(tǒng)銑削中的刀具損耗，所以電解銑削加工不受陽極材料硬度、強度及韌性的限制，非常適合難切削材料、復雜結構件的批量加工。電解銑削加工不僅加工柔性好、適應性廣，而且工具成本低、設計制造周期短，還能保證加工過程的穩(wěn)定性和一致性。因此，電解銑削加工在醫(yī)療、汽車、航空航天等領域得到廣泛的應用。
2、在電解銑削過程中，常用的矩形電極存在電場分布不均勻的情況，因為電極底面電場強度分布受到電極形狀、加工間隙、電解液流場等因素影響。在矩形電極出液孔尖角處，電流密度最集中，局部材料去除最強；而矩形電極底面到側壁產(chǎn)生的電流密度則逐漸遞減，使加工表面粗糙度加大、形狀誤差增大，加工表面質量變差。例如在模具的深窄槽加工中，傳統(tǒng)電解難以控制側壁錐度，導致精度不足，影響模具壽命或零件配合。此外，矩形電極的直角結構容易在加工間隙內(nèi)形成渦流或死區(qū)，阻礙電解液及時帶走反應產(chǎn)物（如金屬氫氧化物、氣泡等），殘留的產(chǎn)物會降低局部電解液電導率，導致電流異常分布，影響加工精度和加工效率。而且矩形電極裸露的側壁會產(chǎn)生邊緣電場擴散效應，使陽極表面產(chǎn)生低電流密度區(qū)，造成已加工區(qū)域二次腐蝕，以及已加工輪廓雜散腐蝕的情況，破壞加工定域性、加工精度和加工表面質量。
3、流場方面，傳統(tǒng)矩形電極流道的直角或突變截面易引發(fā)湍流，增加流動阻力，使得電解產(chǎn)物不易被電解液及時帶走，在低流速區(qū)域沉積，堵塞流道，進一步惡化流場均勻性。同時過低的電解液流速也會導致加工間隙內(nèi)濃度極化現(xiàn)象發(fā)生，不利于保持加工間隙內(nèi)電解液的高電導率以及加工電場的穩(wěn)定。因此流場和電場設計對實現(xiàn)電解銑削精密和高效加工很有吸引力。
4、現(xiàn)在越來越多的學者開始從事電解銑削加工中電場流場方面的優(yōu)化設計。流場方面，除了簡單地增強水泵功率提高流速外，有學者提出通過邊緣倒角調整流道，減少流動阻力，專利“反拷電極實現(xiàn)極小加工間隙電解銑削的工藝方法”（cn116197471a）就是通過顛倒極性反拷加工來修整矩形電極底部尖銳直角。有學者提出調整背壓來增大進出液的壓力差，專利“一種用于電解銑削的陰極和電解加工裝置”（cn118752016a）就是通過設置負壓回流口將從加工間隙中流出的電解液回收，提高電解液排出速度，來及時帶走加工產(chǎn)物。但是這種方式需要額外增設負壓裝置，不但提高了成本，而且該方式只適用于切入式加工，對加工間隙有一定要求，適用性不夠廣泛。還有學者提出壓縮流道，但是矩形電極出液孔是一個細長的扁平孔，它的收窄嚴重受限于制造水平。
5、電場方面，有學者采用弧形邊緣、端面傾斜等形式優(yōu)化電極形狀，降低邊緣效應帶來的影響，改善電場分布。專利“反拷電極實現(xiàn)極小加工間隙電解銑削的工藝方法”（cn116197471a）就是通過顛倒極性反拷加工將矩形電極尖銳直角修整成平滑圓角，以消除電流密度分布集中區(qū)域。這種方法簡單高效，但還是無法根除雜散腐蝕。還有學者通過引入輔助電場來調整電流密度分布，從而改善加工區(qū)域的電場均勻性。專利“主動抑制雜散腐蝕的異型孔電解加工裝置及方法”（cn107999907a）通過低壓可控電場梳理雜散電場以抑制雜散腐蝕。雖然效果明顯但這種方法增加了系統(tǒng)復雜性和成本，且輔助電極的安裝和調整較為繁瑣。綜上，目前亟待找到一種結構簡單、安裝便捷、成本低廉的方式來約束電場并改善流場分布以實現(xiàn)電解銑削精密和高效加工。
技術實現(xiàn)思路
1、鑒于上述現(xiàn)有技術中所存在的問題，本發(fā)明設計了一種組合式縫電極電解銑削工具及方法，旨在用簡單裝置實現(xiàn)對電場的約束，由工具電極內(nèi)輪廓面集中電量供應，提升加工電流密度，改善加工精度；同時通過組合式設計解決了矩形電極極窄電解液流道加工難度大的問題，不僅大大降低了成本，也使加工間隙內(nèi)的電解液流速加快，保證加工間隙內(nèi)電解液的高清潔度、高電導率，提高電解銑削加工的加工效率和加工表面質量。
2、一種組合式縫電極電解銑削工具，其特征在于：包括電極支撐板、陰極塊、絕緣蓋板、絕緣套殼；
3、上述電極支撐板為金屬板，其中心開有一個矩形孔；
4、上述陰極塊由左陰極塊單元和右陰極塊單元組成；左陰極塊單元和右陰極塊單元左右對稱布置，它們相對的內(nèi)輪廓面之間形成電解液流道；左陰極塊單元和右陰極塊單元由上至下均依次分成尾部、中部、頭部；左、右陰極塊單元的尾部共同插入到電極支撐板的矩形孔內(nèi)定位?，且兩個尾部之間間距由上至下逐漸收窄；左、右陰極塊單元的中部之間間距和頭部之間間距都和兩個尾部之間最下方的最窄間距保持一致；左陰極塊單元和右陰極塊單元頭部均呈三角形，即頭部由上至下橫截面逐漸減小，最終形成一條棱線；左、右陰極塊單元頭部形成的棱線之間即形成陰極塊出液縫；
5、上述絕緣套殼和絕緣蓋板由上至下均依次分成身部和頭部；絕緣套殼和絕緣蓋板均通過身部固定于電極支撐板；絕緣套殼位于左陰極塊單元和右陰極塊單元的后側，其身部和頭部的內(nèi)輪廓與陰極塊中部和頭部的外輪廓相匹配，使得陰極塊的后側、左側、右側、下側均被罩于其中貼合保護；絕緣蓋板位于陰極塊的前側，使陰極塊的前側被其貼合保護；
6、上述絕緣套殼頭部與陰極塊出液縫相重合處設置有絕緣套殼出液縫；絕緣套殼和絕緣蓋板頭部外輪廓均為由上至下橫截面逐漸減小的棱臺結構，逐漸縮于絕緣套殼出液縫處避免端面對加工的影響。
7、因此，該組合式縫電極電解銑削工具中的電解液流道左右方向由左、右陰極塊單元約束，前后方向由絕緣蓋板和絕緣套殼約束。左、右陰極塊單元的尾部共同插入到電極支撐板的矩形孔內(nèi)定位，可以借助矩形孔兩個垂直方向的內(nèi)壁實現(xiàn)陰極塊在兩個方向上的定位，矩形孔也就成為了電解液流道的入口。左、右陰極塊單元的兩個尾部之間間距由上至下逐漸收窄，這樣電解液從最上方的大矩形孔到下方兩個陰極塊單元相對內(nèi)輪廓面之間極窄流道的過程中就有了一段過渡，能被流暢漸進的壓縮，避免因為流道尺寸突變產(chǎn)生混亂湍流。所以電解液流道分為上下部分，上部分可稱為電解液流道過渡段。而在電解液流道下部分，左、右陰極塊單元的中部之間間距和頭部之間間距都和兩個尾部之間最下方的最窄間距保持一致，可稱為電解液流道極窄段。這段流道的作用是將經(jīng)過過渡段壓縮加速的電解液約束成流向豎直向下的層流。左、右陰極塊單元頭部由上至下橫截面逐漸減小直至形成一條棱線，兩條棱線之間即是陰極塊出液縫，陰極塊出液縫就是極窄流道的最下端。絕緣套殼出液縫與陰極塊出液縫相重合，它們是整個組合式縫電極電解銑削工具的最下端，電解液從絕緣套殼出液縫噴出到工件表面參與電解作用，然后攜帶著電解產(chǎn)物四散排出。為了減少絕緣套殼、絕緣蓋板的最下方端面與工件表面過小的加工間隙對產(chǎn)物排出的阻礙，它們棱臺結構的頭部將最下方端面收縮得盡量小。
8、左、右陰極塊單元頭部由上至下橫截面逐漸減小直至形成一條棱線，兩條棱線之間形成陰極塊出液縫，也意味著陰極塊最下方的端面和側面融為一體，或者說陰極塊最下方的端面不存在了，這是以往傳統(tǒng)電解銑削加工工具陰極設計中從未出現(xiàn)的。此外，絕緣套殼和絕緣蓋板將陰極塊的后側、左側、右側、下側、前側均貼合保護，絕緣套殼頭部的絕緣套殼出液縫與陰極塊出液縫相重合，這樣整個陰極塊只有左、右陰極塊單元最下方的頭部內(nèi)輪廓面能夠通過絕緣套殼出液縫提供電場，供應電量。
9、利用上述的組合式縫電極電解銑削工具的電解銑削方法，其特征在于包括以下過程：
10、電極支撐板接電源負極并裝夾于機床主軸上，工件接電源正極；
11、電解液經(jīng)主軸從電極支撐板中心的矩形孔流入，經(jīng)過兩個陰極塊單元相對內(nèi)輪廓面之間的流道再從絕緣套殼出液縫噴出到工件的加工區(qū)域；
12、加工時，電極支撐板、陰極塊和工件通電，絕緣套殼出液縫的正下方工件材料在電解作用下溶解并產(chǎn)生大量難溶性的電解產(chǎn)物顆粒；
13、電解液從電極支撐板中心的矩形孔進入兩個陰極塊單元相對內(nèi)輪廓面之間間隙的過程中被收窄的流道壓縮，加速從絕緣套殼出液縫噴出，快速沖刷走加工產(chǎn)生的熱量與產(chǎn)物，保證加工間隙內(nèi)電解液的高清潔度、高電導率，促進電解作用持續(xù)高效的進行，有效提高了電解銑削加工表面質量和加工效率；
14、此外，兩個陰極塊單元被絕緣蓋板和絕緣套殼包裹著，無法從端面和外輪廓面向外擴散電場，僅通過內(nèi)輪廓面集中供應電量，大幅提升陽極電流密度，減少雜散腐蝕的同時顯著提高了加工精度和加工定域性。
15、電解作用是在絕緣套殼出液縫的正下方加工間隙中發(fā)生的，電解液加速從絕緣套殼出液縫噴出，排出時也沒有絕緣套殼和絕緣蓋板最下方端面的阻礙，就能夠保持加工間隙內(nèi)電解液快速循環(huán)更新，保證加工間隙內(nèi)電解液的高清潔度、高電導率。左、右陰極塊單元最下方的頭部內(nèi)輪廓面通過絕緣套殼出液縫向下提供電場，集中了電量供應。絕緣套殼出液縫正下方的工件表面是主要的電解作用區(qū)域，區(qū)域面積集中，定域性增強，電流密度自然顯著提升。
16、上述的組合式縫電極電解銑削工具，其特征在于：
17、上述左陰極塊單元中部呈直角向右的l形結構，右陰極塊單元中部呈直角向左的l形結構，絕緣套殼的身部呈直角向前的l形結構，絕緣蓋板的身部呈直角向后的l形結構；上述左陰極塊單元、右陰極塊單元、絕緣套殼、絕緣蓋板均分別通過其l形結構的水平端面與電極支撐板固定連接，使它們與電極支撐板上下方向定位；
18、上述絕緣套殼身部與左陰極塊單元中部的后表面及左側面固定，與右陰極塊單元中部的后表面及右側面固定，使絕緣套殼與左、右陰極塊單元前后方向、左右方向定位；
19、上述絕緣蓋板身部與左、右陰極單元中部的前表面固定，使絕緣蓋板分別與左、右陰極塊單元前后方向定位。
20、因此，陰極塊借助矩形孔兩個垂直方向的內(nèi)壁實現(xiàn)前后方向、左右方向定位，再與電極支撐板之間上下方向定位。這兩個金屬部分定位固定成一個整體。然后絕緣套殼與左、右陰極塊單元前后方向、左右方向定位，絕緣蓋板與左、右陰極塊單元前后方向定位，最后配套的絕緣蓋板與絕緣套殼左右方向定位，以此實現(xiàn)對左、右陰極塊單元的定位貼合保護。
21、上述的組合式縫電極電解銑削工具，其特征在于：電極支撐板、陰極塊為金屬材料，絕緣蓋板和絕緣套殼為剛性絕緣材料。
22、上述的組合式縫電極電解銑削工具，其特征在于：所述剛性絕緣材料為聚醚醚酮（peek）、聚甲醛（pom）。
23、雖然絕緣蓋板和絕緣套殼在組合式縫電極電解銑削工具使用過程中不會收到切削力等外力，但是為了保證整體的定位精度、安裝精度、密封效果，這兩者的絕緣材料必須有足夠的剛性。又因為電解液可能有一定的腐蝕性，所以為了避免絕緣蓋板和絕緣套殼過快被腐蝕老化，選用聚醚醚酮（peek）、聚甲醛（pom）來維持合格的使用壽命。
24、本發(fā)明具有如下優(yōu)點：
25、1?本發(fā)明的組合工具結構簡單，成本低，無需額外的復雜裝置和控制程序，僅憑陰極塊、絕緣蓋板和絕緣套殼三者的結構組合就能完美約束電場，同時克服極窄電解液流道難制造的問題。本發(fā)明沒有尺寸限制，通過改變陰極塊、絕緣蓋板和絕緣套殼的大小就能獲得任意尺寸的極窄流道，適應性很強。此外，當這三個關鍵部件受到磨損或者長時間工作被腐蝕老化時，組合式結構通過更換相應部件就能恢復性能，方便快捷，節(jié)約成本。
26、2?本發(fā)明的工藝方法方便高效，控制電場的同時還能一定程度加速電解液射流。一方面限制了電場從陰極塊端面和外輪廓面向外擴散，僅由陰極塊內(nèi)輪廓面更集中地供應電量，大幅提升陽極電流密度并減少雜散腐蝕；另一方面通過收窄兩個陰極塊單元相對內(nèi)輪廓面間的流道來壓縮電解液，使之加速從出液縫噴出，快速沖刷走加工產(chǎn)生的熱量與產(chǎn)物，保證加工間隙內(nèi)電解液的高電導率，同時實現(xiàn)加工精度、加工定域性、加工效率和加工表面質量的顯著改善。