柔性螺旋电极及电化学抛光复杂内通道方法

本发明涉及一种柔性螺旋电极及电化学抛光复杂内通道方法，属于电解加工。

背景技术：

1、目前，航空航天构件正在向着高性能、结构复杂、一体化的方向发展，发动机喷油嘴、扁平发动机喷管、燃烧室导流衬套等许多金属构件都有薄壁和复杂内通道等结构，这些复杂结构很难通过传统的机械加工方法制造。3d打印技术是在惰性气体中通过激光对材料进行加热融化，根据目标零件的三维模型，采用离散化手段逐层进行堆积，直接加工出所需零件。3d打印设计自由度高，无需模具便可制造零件，十分适合航空航天领域复杂零件的一体化制造。采用3d打印技术制造的复杂内通道零件，由于制造过程中的球化效应、涟漪效应、阶梯效应和粉末黏附等问题，导致内壁表面产生大量凸起，原始粗糙度较大。对于复杂内通道件来说，粗糙的表面会导致产生许多微小的涡流和涡旋，增大摩擦阻力，降低水利或气动效率。因此3d打印零件必须要进行光整后处理。

2、目前用于抛光复杂内通道的方法主要有机械抛光、磨料流抛光、电化学抛光等。由于内通道可视性差，工具操作不便，尤其是对于尺寸较小、深径比较大的弯曲内孔，传统的机械抛光加工十分困难；磨料流抛光具有良好的灵活性和仿形性，可以适用于复杂内通道的加工，但是加工过程中由于磨料的往复运动，容易导致内壁的二次损伤。

3、电化学抛光是利用电化学反应过程中阳极溶解原理对工件进行材料去除的一种特种加工方法，加工过程中，待抛光工件接电源正极，阴极接电源负极，电解液从极间间隙流过，阳极发生溶解反应。由于工件表面微观凸起区域溶解速度高于微观下凹区域，因此随着电解反应的进行，工件凹凸不平的表面会慢慢趋于平整。电化学抛光属于非接触式加工，具有不受材料力学性能限制、无工具损耗、加工后的零件表面光滑、可达性好等优点，在光整复杂内通道领域有广阔的应用前景。

4、在专利“一种大蚀量深长孔电解抛光加工阴极”（申请号：2022110701603.1申请人西安昆仑工业有限责任公司，发明人李清良 张伟 黄泰庆 冯延军 穆清 郑应社 高知红樊江锋 李博容）中，提出了一种大蚀量深长孔电解抛光加工阴极，阴极体采用圆锥体式工作齿，加工过程中加工间隙始终保持在0.3-0.5mm，保证了工件在大蚀除量状态下对于阴极形状的精确拷贝。与之相比，本发明采用的柔性螺旋电极具有良好的柔性与仿形性，可以适应不同复杂内通道的形状，并可以有效避免导电金属螺旋丝与复杂内通道表面接触发生短路烧伤，保证加工过程的顺利进行。

5、在专利“深长管内孔电解抛光加工阴极”(申请号201711263717.7申请人西安昆仑工业有限责任公司，发明人兰庆农）提出了一种深长管内孔电解抛光加工阴极，通过阴极体上的多线螺旋槽与阴极体环槽段分别提供电解液，加大了电解液流量，使电解液分布更均匀，提高了深长管内孔的光洁度。与之相比，本发明采用柔性较好的螺旋电极，并辅助以往复运动和高速旋转运动，增强传质，加速电解产物排出，提高抛光质量。

6、在专利“微小金属流道内表面复合抛光用柔性线电极组件与方法”（申请号202010932152.0申请人南京航空航天大学，发明人曾永彬 李延梁 杨涛 徐正扬），提出了一种微小金属流道内表面复合抛光用柔性线电极，柔性线电极由两根柔性丝螺旋缠绕而成，其中一根为绝缘丝，一根为导电丝，具有较好的柔性。与之相比，本发明采用的柔性螺旋电极为中空结构，加工过程中可采取内外复合冲液模式，增强传质，加速电解产物排出，提高抛光效率和质量。

7、在专利“柔性扭制阴极及其电化学抛光复杂内通道方法”（申请号202210578163.2申请人南京航空航天大学，发明人朱荻 安林超 王登勇）提出了一种柔性扭制阴极，该阴极由两根金属丝与多股非导电微丝扭制而成，具有较好的柔性。与之相比，本发明采用的柔性螺旋电极表面局部排布有一定规律的绝缘涂层，导电金属螺旋丝未涂绝缘涂层的区域与涂有绝缘涂层的区域自然形成一定高度的台阶，既巧妙的避免了导电金属螺旋丝与复杂内通道表面接触发生短路烧伤，同时可以增强传质，加速产物排除。

8、在专利“蛇状柔性阴极及内通道电化学抛光方法”（申请号202210578582.6申请人南京航空航天大学，发明人朱荻 安林超 王登勇）中提出了由阴极单元节、球铰接头、阴极端盖、阴极支撑环及紧固螺栓组成的蛇形柔性阴极。与之相比，本发明采用的柔性螺旋电极由导电金属螺旋丝和按一定规律排布的绝缘层组成，结构简单，制作方便，可以实现小孔光整。

9、在专利“牵引式柔性工具阴极及内部通道电解机械光整方法”（申请号201810474066.2申请人南京航空航天大学，发明人曲宁松 岳小康 房晓龙 李寒松）中提出了一种牵引式工具阴极及内部通道电解机械光整方法。阴极工具阴极包括阴极螺栓和柔性摩擦层。与之相比，本发明采用的柔性螺旋电极采用中空的螺旋结构，具有较好的仿形性，加工效率高，此外还可以实现内外复合冲液和旋转运动，加速产物排出。

10、在专利“电化学抛光用柔性电极及内腔结构电化学抛光方法”（申请号202110339643.9申请人中国工程物理研究院机械制造工艺研究所，发明人叶作彦 叶敏恒王利利 潘金龙 李晓媛 王超 沈显峰）提出了一种自适应柔性电极，包括绝缘层、电极层和支撑层。当阴极进入内腔之后，对于阴极进行充气或者充液膨胀，使柔性电极在内壁的约束下自适应内腔结构，在静液下进行加工。与之相比，本发明采用的柔性螺旋电极在加工过程中同时进行往复运动和高速旋转运动，以及内外复合冲液模式，可增强传质，加速电解产物的排出，提高抛光质量。

11、在专利“复杂内通道往复运动电解磨削复合加工方法”（申请号202011047082.7申请人南京航空航天大学，发明人朱荻 王登勇 安林超）中提出了一种复杂内通道往复运动电解磨削复合加工方法。工具组件由中心轴以及其上安装的阴极和磨轮组成，并通过两根空心软管与机床主轴相连。加工时，机床主轴拉动软管带动工具组件在内通道往复运动，完成电解蚀除材料和磨具研磨作用，实现内通道表面的高质量光整。与之相比，本发明采用的柔性螺旋电极结构简单，可以实现内外复合冲液以及微小孔光整。

12、在专利“一种增材制造零件内流道电解清扫电极装置及其加工方法”（申请号202310072363.5申请人上海交通大学，发明人请求不公布姓名）中，提出了一种由前、中、后多个组件组成的阴极，多个阴极绝缘刚毛在柔性阴极轴向方向上均布，径向间隔分布。与之相比，本发明提出的柔性螺旋电极仅有导电金属螺旋丝和绝缘涂层两部分，且可以实现内冲液、外冲液或内外复合冲液，结构简单，柔性好，抛光质量好。

13、由上述可知，对于电化学光整增材制造复杂内通道，关键问题是柔性工具电极的设计。柔性电极不仅要具有良好的柔性来适应复杂内通道的形状，还要避免在加工过程中与内通道直接接触导致短路烧伤。因此，本发明提出一种柔性螺旋电极及电化学抛光复杂内通道方法。

技术实现思路

1、针对增材制造构件复杂内通道的电化学抛光，本发明提供了一种柔性螺旋电极及电化学抛光复杂内通道方法。柔性电极采用螺旋结构，可以适应不同形状的复杂内通道，同时电极上分布的绝缘涂层保证了在加工过程中不会由于电极与内通道直接接触发生短路烧伤，保证了加工过程的顺利进行，实现复杂内通道的电化学抛光。

2、一种柔性螺旋电极，其特征在于：所述柔性螺旋电极主要包括导电金属丝和绝缘涂层；将所述导电金属丝分成前段、中段、后段，其中中段沿轴向间隔设置绝缘涂层；上述导电金属丝按螺旋绕线方式形成中空的螺旋弹簧结构；其中导电金属丝中段绕线后形成螺旋电极中段，由于间隔设置的绝缘涂层使得螺旋电极中段相邻螺旋线圈之间存在微小缝隙，作为冲液口；同时未涂绝缘涂层的区域与涂有绝缘涂层的区域自然形成高度差台阶；其中导电金属丝前段和后段绕线后形成螺旋电极前段、螺旋电极后段，螺旋电极前段和螺旋电极后段的相邻螺旋线圈之间没有缝隙，分别作为加持端。

3、所述柔性螺旋电极电化学抛光复杂内通道方法，其特征在于以下过程：步骤一：将工件固定于机床工作台上，内通道的一端与集液腔连通，将柔性螺旋电极预先放置于工件内通道中；步骤二：将柔性螺旋电极一端穿过集液腔与机床第一主轴相连；另一端与机床第二主轴相连，并调节机床主轴的相对位置，使柔性螺旋电极具有预拉力；步骤三：将柔性螺旋电极接电源负极，工件接电源正极；步骤四：打开供液系统，一部分电解液流入柔性螺旋电极内部，并从柔性螺旋电极相邻螺旋线圈之间的缝隙喷射进入加工间隙；另一部分电解液流入集液腔，并沿着柔性螺旋电极外壁进入加工间隙，形成内外复合冲液；未涂绝缘涂层的区域与涂有绝缘涂层的区域自然形成高度差台阶，即避免了导电金属螺旋丝与复杂内通道表面接触发生短路烧伤，同时增强传质，加速产物排出；步骤五：驱动第一机床主轴和第二机床主轴做同向直线运动和旋转运动，使柔性螺旋电极进行往复运动和旋转运动，复杂内通道工件在电化学作用下进行光整；步骤六：当工件内通道表面粗糙度达到要求时，停止加工。

4、本发明的有益效果在于：

5、1.本专利工具阴极采用螺旋结构，具有十分良好的柔性，对于复杂形状的内通道具有良好的自适应作用，且结构简单，易于制作。

6、2.导电金属螺旋丝局部表面按照一定规律分布着绝缘涂层，未涂绝缘涂层的区域与涂有绝缘涂层的区域自然形成高度差台阶，既巧妙的避免了导电金属螺旋丝与复杂内通道表面接触发生短路烧伤，同时可以增强传质，加速产物排除，提高内通道表面抛光质量。

7、3.导电金属螺旋丝为中空的螺旋结构，且相邻螺旋线圈之间存在微小缝隙，加工过程中可以实现内冲液、外冲液或内外复合冲液，进一步增强传质，加速电解产物的排出，提高抛光效率和质量。

8、4.本专利应用范围广，可以通过简单改变阴极截面形状，实现不同截面形状内通道的电化学抛光，如矩形、菱形、椭圆形等。

9、所述的性螺旋电极，其特征在于：上述螺旋电极中段相邻螺旋线圈上的绝缘涂层为交错型分布。绝缘涂层相对于导电金属丝交错分布，在光整较为弯曲的内通道时，可以较好的避免导电金属丝与工件内壁发生接触，同时内冲液时电解液冲刷覆盖面大，有利于快速去除抛光产物，提高抛光效率和抛光质量。

10、所述柔性螺旋电极，其特征在于：上述螺旋电极中段相邻螺旋线圈上的绝缘涂层为直线型分布。绝缘涂层相对于导电金属丝排布规则，易于制作，内冲液时电解液冲液方向一致，流场一致性好，有利于保证加工的稳定性。

11、所述柔性螺旋电极，其特征在于：上述螺旋电极中段相邻螺旋线圈上的绝缘涂层为s型分布。绝缘涂层相对于导电金属丝呈s型分布，分布规则，易于制作，可以较好的避免导电金属丝与工件内壁发生接触，电解液冲液一致性好，有利于保证加工稳定性。

技术特征：

1.一种柔性螺旋电极，其特征在于：

2.根据权利要求1所述的柔性螺旋电极，其特征在于：

3.根据权利要求1所述的柔性螺旋电极，其特征在于：

4.根据权利要求1所述的柔性螺旋电极，其特征在于：

5.利用权利要求1所述柔性螺旋电极电化学抛光复杂内通道方法，其特征在于以下过程：

技术总结
本发明提出一种柔性螺旋电极及电化学抛光复杂内通道方法，属于电解加工技术领域。所述柔性螺旋电极由导电金属螺旋丝及其表面上按一定规律排布的绝缘涂层组成；其中，导电金属螺旋丝为中空的螺旋结构，且相邻螺旋线圈之间存在微小缝隙，可以实现内外复合冲液；导电金属螺旋丝未涂绝缘涂层的区域与涂有绝缘涂层的区域自然形成一定高度的台阶，既巧妙的避免了导电金属螺旋丝与复杂内通道表面接触发生短路烧伤，同时可以增强传质，加速产物排除，导电金属螺旋丝未涂绝缘涂层的区域充当阴极进行电化学光整；在抛光时，柔性螺旋电极做旋转与往复运动，高速高压流动的电解液同时从柔性螺旋电极内部和外部流入内通道，在电化学作用下完成复杂内通道抛光。

技术研发人员：王玉弟,徐正扬,贺方心
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23