一种微小孔电火花电化学复合加工集成式电极的制作方法

本技术涉及特种加工，具体涉及一种微小孔电火花电化学复合加工集成式电极。

背景技术：

1、随着航空航天领域对高精度零部件的需求升级，微小孔加工技术的重要性日益凸显。以航空发动机为例，高推重比、高转速的发展方向对涡轮叶片的耐高温性和抗疲劳性提出严苛要求。作为核心热端部件，涡轮叶片需长期承受超高温燃气和复杂交变载荷，其可靠性直接决定整机安全性。

2、当前涡轮叶片采用高温合金与气膜冷却技术结合方案：在空心叶片内腔通入高压冷却气流，通过表面密布的微小气膜孔（单台发动机需加工数万个小孔）形成冷却气膜，既隔离高温燃气，又降低热辐射对壁面的冲击。新一代发动机要求更高冷却效率和使用寿命，气膜孔不仅需满足精密几何特征，更需保证孔壁无重熔层等缺陷。这些加工质量直接关系到发动机推重比的提升，使得微小孔加工技术成为航空发动机制造的关键技术瓶颈。

3、电火花加工技术利用火花放电熔化蚀除材料，具有效率高、可加工复杂孔型、成本低等优势，以此技术加工微小气膜孔时，瞬时高温会产生含气孔和微裂纹的重熔层，显著降低工件疲劳寿命。

4、为有效减少甚至彻底清除重熔层，国内外研究机构正尝试进行新工艺和新技术的探索研究，目前逐渐形成了电火花-电化学复合加工技术。该技术通过在管电极内通入低电导率工作液，同步实现火花放电快速成形和电化学阳极溶解：火花放电完成材料蚀除，电化学溶解作用则有效去除重熔层。这种复合工艺兼具二者优势，既能保证加工效率，又可获得无重熔层的优质孔壁，成为当前解决重熔层问题的有效方案。

5、但是在电火花-电化学复合加工过程中，只要阴阳极间存在具有一定导电特性的工作液，就会发生阳极电化学溶解现象，因此往往会造成不必要的材料去除，尤其是容易造成非加工区域出现杂散腐蚀现象，这会降低微小孔表面非加工区域的质量，最终影响工件的使用寿命和性能。此外，电化学溶解作用需要阴阳极间充满电解液，而在微小孔被管电极穿透时，由于微小孔的出口处的反液压力骤降至消失，之后即使管电极能够持续输出工作液，但这些工作液难以作用于微小孔的出口处的侧壁，导致此处的侧壁出现重熔层残留。

6、因此，如何解决上述现有技术存在的不足，便成为本实用新型所要研究解决的课题。

技术实现思路

1、本实用新型的目的是提供一种微小孔电火花电化学复合加工集成式电极。

2、为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

3、一种微小孔电火花电化学复合加工集成式电极，包括：

4、中空管电极，设有第一冲液通道；

5、供液电极，固定设于所述中空管电极外侧，设有第二冲液通道与第三冲液通道，所述第二冲液通道与所述第三冲液通道的输出端均倾斜朝向所述中空管电极；沿所述中空管电极的径向，所述第三冲液通道的输出端处于所述第二冲液通道的输出端远离所述中空管电极的一侧；

6、其中，所述第一冲液通道与所述第二冲液通道用于输送电解液，所述第三冲液通道用于输送去离子水。

7、集成式电极的工作过程可以包括以下步骤：

8、步骤一、采用中空管电极靠近工件表面，中空管电极的端面与工件的表面之间形成第一间隙区域；

9、步骤二、通过第一冲液通道向第一间隙区域输送电导率为a的第一工作液（即电解液），及通过第三冲液通道向第一间隙区域的周侧区域输送电导率为b的去离子水，a大于b；

10、步骤三、控制中空管电极伺服进给（下述以沿工件的厚度方向伺服进给进行说明），以对工件进行开孔加工，期间持续输送第一工作液与去离子水；

11、步骤四、当中空管电极穿透工件以在工件上加工出成型孔时，暂停中空管电极的伺服进给，并停止输送第一工作液，期间持续输送去离子水；

12、步骤五、中空管电极深入成型孔的部分与成型孔的孔壁之间形成第二间隙区域，通过第二冲液通道向第二间隙区域输送电导率为c的第二工作液，c大于b；

13、步骤六、当第二工作液沿伺服进给方向流出成型孔后，恢复中空管电极的伺服进给，以扩大成型孔的出口尺寸。

14、为方便说明与理解，本技术以上述步骤进行说明，并以中空管电极向下伺服进给进行说明，此时工件具有上表面与下表面。本技术以加工涡轮叶片的气膜孔进行说明，但不限制于此。

15、复合加工过程中，可以通过第三冲液通道输送去离子水，去离子水与电解液混合以在工件上表面的非加工区域（环绕第一间隙区域）形成一层电导率较低的水膜，通过降低杂散电流密度以抑制工件上表面的非加工区域的杂散腐蚀现象。

16、需要说明的是，步骤四中，中空管电极虽然穿透工件，但此时成型孔的出口（在工件的下表面上）较小（远小于其进口），因此后续需扩大该出口。考虑到电化学溶解作用需要阴阳极间充满电解液，而在工件被穿透时，成型孔的出口处的反液压力骤降至消失，即使中空管电极后续能够持续输出第一工作液，但该第一工作液难以作用于成型孔的出口处的侧壁上（尤其是侧壁的全部区域），导致成型孔的出口处的侧壁容易出现重熔层残留的情况。

17、通过第二冲液通道向第二间隙区域输送第二工作液，由第二工作液取代第一工作液进行电化学溶解，由于第二工作液是通过第二间隙区域的开口输入，因此其可以填充成型孔的出口处与中空管电极之间的间隙，避免成型孔的出口处的侧壁容易出现重熔层残留的情况。

18、综上所述，本技术中的集成式电极基于多个冲液通道的协同配合，配合对工件实现电火花电化学复合加工的同时，解决了工件表面的非加工区域容易出现杂散腐蚀现象这一问题，还避免工件上的成型孔的出口处的侧壁容易出现重熔层残留，提高对工件的加工质量和加工精度。

19、进一步的技术方案，所述中空管电极的外径与所述供液电极的内径相同，以提高集成式电极的结构紧凑性与结构强度。

20、中空管电极与供液电极可以通过增材制造技术一次加工成型。

21、供液电极可以采用非金属绝缘材料，如光敏树脂、陶瓷材料、pla（聚乳酸）、abs（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯）、pc工程塑料。

22、进一步的技术方案，所述中空管电极与所述第一冲液通道均沿所述集成式电极的长度方向延伸；

23、所述第二冲液通道包括顺序连接的第一进液段、第一输液段与第一出液段；所述第一输液段沿所述集成式电极的长度方向延伸；所述第一出液段朝向所述中空管电极倾斜设置；

24、所述第三冲液通道包括顺序连接的第二进液段、第二输液段与第二出液段；所述第二输液段沿所述集成式电极的长度方向延伸；所述第二出液段朝向所述中空管电极倾斜设置。

25、以第二冲液通道举例说明，第三冲液通道参照此处说明：

26、第一输液段沿集成式电极的长度方向延伸，容易加工成型，且可以保障第二工作液在其内的流动速度，进而可以实现第二工作液的快速且稳定的供应，保障相关电化学溶解过程持续稳定进行；第一输液段可以呈圆环状；

27、第一进液段的设置方便了向第一输液段内输入第二工作液；第一进液段可以呈圆环状；

28、第一出液段朝向中空管电极倾斜设置（倾斜角度不做限制），可以方便第二工作液进入第二间隙区域；

29、第二冲液通道的截面形状可以参考附图1。

30、进一步的技术方案，所述第一出液段具有由内向外套设设置的第一壁与第二壁；所述第一壁具有靠近所述第一出液段的出液口的第一边，所述第二壁具有靠近所述第一出液段的出液口的第二边；在所述集成式电极的长度方向上，所述第二边处于所述第一边靠近所述第一冲液通道的出液口的一侧。

31、本部分可以这样理解：第一壁围合形成第一圆台结构，第二壁围合形成第二圆台结构，在所述第一冲液通道内的流体流动方向上，第二圆台结构的端面相对于第一圆台结构的端面突出设置。第一边与第二边可以理解为圆环状边。

32、本部分还可以这样理解：第二壁围合形成中空圆台结构，该中空圆台结构的小头端上具有开口，该开口即为第一出液段的实际出液口。

33、参考附图3，以第一边与第二边在集成式电极的长度方向上并排设置进行说明，当第一壁无法继续引导第二工作液后，第二壁仍可以引导第二工作液，以便于第二工作液进入第二间隙区域；当第二工作液越过第一边后，受到第二壁的限制，第二工作液在集成式电极的径向上的可活动空间逐渐减少，在保障第二工作液的供给量的同时，引导这些第二工作液尽量贴合于中空管电极的外壁流动，尤其是此时第一壁已无法阻碍第二工作液贴合于中空管电极；若第一边与第二边在集成式电极的径向上并排设置，则第二工作液可以同时越过第一边与第二边，容易使得较多第二工作液无法贴合于（或靠近）中空管电极以进入第二间隙区域。

34、进一步的技术方案，所述第二出液段靠近所述第一冲液通道的出液口的端面为平面，且该平面的法向平行于所述第一冲液通道的长度方向。该放置下，可以降低加工第二出液段的难度，且可以供较多去离子水流出以保障对工件上表面的杂散腐蚀现象的抑制效果。

35、进一步的技术方案，沿所述第一冲液通道内的流体流动方向，所述第二出液段的出料端面、所述第一出液段的出料端面与所述第一冲液通道的出料端面顺序设置及间隔设置。

36、沿第一冲液通道内的流体流动方向，第一出液段的出料端面与第一冲液通道的出料端面顺序设置及间隔设置，避免第一出液段容易碰触工件而影响伺服进给过程。

37、沿第一冲液通道内的流体流动方向，第二出液段的出料端面与第一出液段的出料端面顺序设置及间隔设置，避免不必要的结构设置，如避免将第二出液段的长度尺寸设置在不必要的范围内，降低结构成本，也避免第二出液段容易碰触工件。

38、可以理解的是，沿第一冲液通道内的流体流动方向，第二出液段的出料端面、第一出液段的出料端面与第一冲液通道的出料端面并非是并排设置。

39、关于本文中所使用的“第一”、“第二”等，并非特别指称次序或顺位的意思，亦非用以限定本案，其仅为了区别以相同技术用语描述的组件或操作。

40、关于本文中所使用的“连接”或“定位”，均可指二或多个组件或装置相互直接作实体接触，或是相互间接作实体接触，亦可指二或多个组件或装置相互操作或动作。

41、关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。

42、关于本文中所使用的用词，除有特别注明外，通常具有每个用词使用在此领域中、在本案内容中与特殊内容中的平常意义。某些用以描述本案的用词将于下或在此说明书的别处讨论，以提供本领域技术人员在有关本案描述上额外的引导。

43、关于本文中所使用的“前”、“后”、“上”、“下”、“左”、“右”等，均为方向性用词，在本案中仅为说明各结构之间位置关系，并非用以限定本案保护方案及实际实施时的具体方向。

44、本实用新型的工作原理及优点如下：

45、集成式电极的工作过程可以包括以下步骤：

46、步骤一、采用中空管电极靠近工件表面，中空管电极的端面与工件的表面之间形成第一间隙区域；

47、步骤二、通过第一冲液通道向第一间隙区域输送电导率为a的第一工作液（即电解液），及通过第三冲液通道向第一间隙区域的周侧区域输送电导率为b的去离子水，a大于b；

48、步骤三、控制中空管电极伺服进给（下述以沿工件的厚度方向伺服进给进行说明），以对工件进行开孔加工，期间持续输送第一工作液与去离子水；

49、步骤四、当中空管电极穿透工件以在工件上加工出成型孔时，暂停中空管电极的伺服进给，并停止输送第一工作液，期间持续输送去离子水；

50、步骤五、中空管电极深入成型孔的部分与成型孔的孔壁之间形成第二间隙区域，通过第二冲液通道向第二间隙区域输送电导率为c的第二工作液，c大于b；

51、步骤六、当第二工作液沿伺服进给方向流出成型孔后，恢复中空管电极的伺服进给，以扩大成型孔的出口尺寸。

52、为方便说明与理解，本技术以上述步骤进行说明，并以中空管电极向下伺服进给进行说明，此时工件具有上表面与下表面。

53、复合加工过程中，可以通过第三冲液通道输送去离子水，去离子水与电解液混合以在工件上表面的非加工区域（环绕第一间隙区域）形成一层电导率较低的水膜，通过降低杂散电流密度以抑制工件上表面的非加工区域的杂散腐蚀现象。

54、需要说明的是，步骤四中，中空管电极虽然穿透工件，但此时成型孔的出口（在工件的下表面上）较小（远小于其进口），因此后续需扩大该出口。考虑到电化学溶解作用需要阴阳极间充满电解液，而在工件被穿透时，成型孔的出口处的反液压力骤降至消失，即使中空管电极后续能够持续输出第一工作液，但该第一工作液难以作用于成型孔的出口处的侧壁上（尤其是侧壁的全部区域），导致成型孔的出口处的侧壁容易出现重熔层残留的情况。

55、通过第二冲液通道向第二间隙区域输送第二工作液，由第二工作液取代第一工作液进行电化学溶解，由于第二工作液是通过第二间隙区域的开口输入，因此其可以填充成型孔的出口处与中空管电极之间的间隙，避免成型孔的出口处的侧壁容易出现重熔层残留的情况。

56、现有常规电极仅包含第一冲液通道，本技术中的集成式电极增设了第二冲液通道与第三冲液通道，可以在输送电解液的同时输送去离子水进行中和，还可以向电极与小孔壁部的间隙处输送电解液。

57、综上所述，本技术中的集成式电极基于多个冲液通道的协同配合，配合对工件实现电火花电化学复合加工的同时，解决了工件表面的非加工区域容易出现杂散腐蚀现象这一问题，还避免工件上的成型孔的出口处的侧壁容易出现重熔层残留，提高对工件的加工质量和加工精度。