本发明涉及一种金属粗糙表面的飞行式电解铣削整平方法，属于电解铣削加工领域。
背景技术：
增材制造是一种“自下而上”通过材料累加的制造方法，与传统制造技术相比，其不需要传统的刀具、夹具等，在一台设备上就可以快速精密的制造出复杂形状的零件，大大减少了加工工序，缩短了加工周期，不受零件结构和材料的限制，逐渐在航空、航天、医疗、武器等领域获得了广泛的应用。例如，ge公司利用增材制造技术实现了leap-x发动机离心式燃油喷嘴的制造，美国陆军利用增材制造技术制作的腊模，实现了xm30火炮导向托架等零部件的整体熔模铸造。然而，由于增材制造技术本身的限制，其制造出的零件表面粗糙不平，难以满足实际加工精度的需求，往往还需要后续的减材处理。
采用传统的机械加工作为后处理手段时，其加工精度高，表面质量好，但是在面对高温合金、钛合金等难加工材料制造的零件时，由于这些材料具有强度高、硬度高、导热系数低等特点，在后续减材过程中刀具切削力大、切削区域温度高、刀具磨损严重、工件存在加工硬化，尤其是在加工薄壁零件时，更是存在零件易变形的问题，这些都增加了传统机械加工后处理的加工成本与周期。因此，寻求新的高效、低成本的后续精加工手段，对于促进增材制造技术的进一步应用具有重要意义。
电解加工是利用电化学阳极溶解的原理去除金属材料，并获得具有一定尺寸精度和表面粗糙度零件的工艺方法。电解加工时，工具阴极接电源负极，工件接电源正极，电解液从工具阴极与工件间的加工间隙中高速流过，从而形成导电回路。对于钝性金属或钝性电解液，电解加工时首先在工件表面生成一层钝化层，此时工件材料不会发生溶解，但是在电场的持续作用下，当工件表面获得的电量达到特定值时，钝化层便会破碎从而发生电化学阳极溶解，工件表面材料不断的以离子态形式被去除。与传统机械加工不同的是，电解加工是一种非接触式加工，不受材料硬度、强度等物理性能的限制，加工过程中无机械切削力，工具阴极无损耗，没有额外的加工残余应力和热影响区，比较适用于难加工金属材料的加工。
飞行式电解铣削技术是电解加工技术的一种，往往采用形状简单的管电极作为工具阴极，加工时，工具阴极始终位于工件待加工面上方，通过数控系统控制工具阴极和工件的进给运动共同形成轮廓的发生线，具有加工柔性高、加工效率高、刀具成本低、加工稳定性高等特点。但是，随着增材制造加工零件加工精度的提高，零件待加工余量逐渐减少，如果采用较小的加工间隙或较慢的加工速度，加工深度低，很容易超出加工余量，如果采用较大的加工间隙或较快的加工速度，加工深度浅甚至不加工，因此，如何控制加工间隙与加工速度，使飞行式电解铣削成为面向增材制造后续加工的有效手段，对增材制造工艺、飞行式电解铣削工艺都有着重要作用。
技术实现要素：
本发明的目的在于提出一种飞行式电解铣削加工间隙与加工速度选择方法，使其在加工增材制造的金属工件时，在去除很小的加工余量情况下就可获得平整程度较高的平面。
金属粗糙表面的飞行式电解铣削整平方法，其中工件表面是粗糙不平的。本发明提出的方法关键在于利用工具阴极到工件表面不同高度的点的间距不同，从而通过调控加工间隙和进给速度实现工件表面的电流密度分布存在差异，造成不同高度点的钝化层破碎时间也不相同，最终发生溶解的时间也不相同，因此，工件表面必是粗糙不平的。
其特征在于包括以下步骤：
步骤一、确定加工间隙范围
步骤1.1针对工件表面最高点，以工具阴极与工件表面最高点的加工间隙为变化参数，建立三维电场仿真模型；
步骤1.2获得工件表面电流密度，计算出加工过程中获得的电量，使位于工具阴极中心下方的工件表面获得电量最大时的加工间隙最小值记为最小加工间隙，将工件表面最高点与最低点间距数值的10倍记为最大加工间隙，从而确定加工间隙范围。采用中空的棒状管电极飞行式电解铣削加工时，工具阴极实际参与整个导电回路的部分为工具阴极内壁，于是位于工具阴极内壁下方的工件表面才会处于高电流密度区域，实现材料的去除，通过仿真发现，当工具阴极与工件的加工间隙大于某一临界值时，工件表面获得电量最大的区域才会是工具阴极中心的下方，此时电解加工后的工件表面只有一道关于工具阴极中心左右对称的沟槽，在加工大平面时易于设置加工参数与走刀路径，因此，加工间隙不能小于该临界值。当工具阴极与工件之间的加工间隙过大时，此时工件表面最高点与最低点到工具阴极的间距差值不明显，难以控制进给速度实现本发明的目的，根据电解铣削加工的试验经验，工具阴极与工件表面最高点的间距一般不会超过工件表面最高点与最低点间距数值的10倍。
上述工具阴极为具有中心通孔的管电极，而且其底面是水平的；上述工件表面最高点与工件表面最低点的工件表面都是指位于工具阴极中心通孔下方的工件表面。采用内喷液供液，可以实现更小加工间隙的电解液供给，因此采用中心通孔，电解液由通喷入到加工间隙内；采用圆孔，是因为飞行式电解铣削加工时，主要由工具阴极内壁参与导电回路，采用圆孔可以保证加工后的沟槽具有对称性，易于控制加工后成形精度；本发明的方法在于利用工件表面不同点到工具阴极的间距不同，采用平底面的工具阴极，易于计算和控制工具阴极到工件表面的加工间隙。飞行式电解铣削加工时，位于工具阴极内壁下方的工件表面处于高电流密度区域发生电解，因此本发明提出的方法中工件表面最高点和最低点都是指高电流密度区域，即位于工具阴极中心通孔下方的工件表面。
步骤二、确定最佳加工速度：
步骤2.1在步骤一中确定的加工间隙范围内选取若干个等差分布的加工间隙数值。在研究某一参数的影响时，选取一些等差分布的数值作为自变量，是该领域试验研究的常用手段。
步骤2.2针对选取的某一加工间隙，重新建立针对工件表面最高点的三维电场模型，根据法拉第定律，计算使工件表面最高点腐蚀深度等于其与工件表面最低点的间距时的加工速度，记为第一加工速度。本发明提出的方法中，工件表面最低点不发生腐蚀，仅最高点腐蚀，从而提高工件表面平整程度，因此最高点的腐蚀深度不大于工件表面最高点与最低点的间距差值，而加工速度越慢腐蚀深度越大，从而确定了针对最高点的加工速度最小值。
步骤2.3采用步骤2.2中加工间隙，建立针对工件表面最低点(4)的三维电场模型，计算使工件表面最低点(4)钝化层始终不会发生破碎的加工速度最大值，记为第二加工速度。若要使工件表面最低点不腐蚀，则整个加工过程中工件表面最低点上的钝化层不会破碎，速度越慢，获得电量越多，钝化层越容易破碎，从而可以确定针对最低点的加工速度最小值。
步骤2.4比较第一加工速度和第二加工速度，数值较大的为最佳加工速度。只有当加工速度不小于这个较大值时，才能既保证最高点腐蚀深度不大于最高点与最低点的间距，又能保证最低点表面的钝化层不会破碎。但是随着加工速度的增大，加工深度又降低，降低了加工后的工件表面平整程度，因此，就采用这个临界值作为加工速度，实现最大程度的整平。
步骤2.5针对其他选取的加工间隙，同样按照步骤2.2-2.4，确定每一加工间隙对应的最佳加工速度。步骤2.2-2.4只是确定了某一个加工间隙下的最佳速度，还需要计算其他不同间隙下的最佳速度。
步骤三、在计算出的那些最佳加工速度中，选出试验用电解加工机床可以达到的速度最大值，将该速度最大值及其对应的加工间隙记为试验加工速度与试验加工间隙。根据机床可达到的加工速度，选出可实现的最佳速度值，这些最佳速度值都可以起到整平的目的，但是随着速度的降低，已加工工件表面受到二次电解的时间变长，工件表面光洁度下降，因此，选用机床能达到的最大最佳速度作为最终的试验加工速度。
步骤四、准备飞行式电解铣削试验加工，电解液与工件材料的选择保证电解加工过程中存在钝化行为；工具阴极接电源负极，工件接电源正极，工具阴极与工件表面最高点的间距等于步骤三中所选择的加工间隙。工件表面最低点的钝化层在整个加工过程中不破碎的前提之一是有钝化层的生成，因此，电解液与工件的选用必须要在电解加工过程中有钝化层的生成，这是本发明可实现的前提。
步骤五、设置工具阴极进给速度，使其等于步骤三中所选择的加工速度，控制电解液由工具阴极的中心通孔喷入加工间隙中，接通电源开关；
步骤六、控制工具阴极沿进给方向运动，其中进给方向平行于工件表面，在选定的试验加工间隙与试验加工速度下，工件表面最高点发生电化学阳极溶解，工件表面最低点不发生电化学阳极溶解，从而提高工件的表面平整程度；
所述的金属粗糙表面的飞行式电解铣削整平方法，其特征在于：工件表面最高点与最低点的间距不小于0.1mm。当工件表面最高点与最低点的间距过小时，若工件表面最高点与工具阴极的加工间隙太大，则最高点到工具阴极的间隙和最低点到工具阴极的间隙差值小，难以控制加工速度使得最高点钝化层破碎而最低点钝化层不破碎，若工件表面最高点与工具阴极的加工间隙太小，又容易使得工件表面电流密度最高点不是位于工具阴极中心下方的位置，加工底面高低起伏的沟槽，降低平整效果，根据电解铣削加工经验，将最高点与最低点的间距设置为不小于0.1mm。
本发明具有以下优点：
(1)、本发明提出的方法可以在保证工件表面最低点不发生材料去除，而最高点腐蚀后的高度不低于最低点高度，获得平整程度较高的平面。因此，在毛坯件的增材制造过程中，完全可以预留较小的精加工余量，最终也能获得平整程度较高的平面，从而可以减少增材制造时的材料损耗，缩短制造周期。
(2)、采用本发明提出的方法，整平过程中去除的材料少，厚度仅为初始时最高点与最低点的高度差，大大降低了整平时的材料去除量，缩短了整平加工过程的周期与成本。
(3)、本发明提出的方法中的初始加工间隙和工具阴极进给速度都可以通过仿真计算出范围值，不必对每个参数一一进行试验，可以极大地减少试验量，降低试验成本。
(4)、本发明提出的方法采用的是形状简单的中空管电极，刀具设计及制造简单，成本低，而且采用了飞行式电解铣削方法，加工过程稳定性高，刀具使用寿命长。
附图说明
图1为本发明提出的金属粗糙表面的飞行式电解铣削整平方法示意图；
图2为针对工件表面最高点的三维电场仿真模型示意图；
图3为不同加工间隙下工件表面获得的电量随坐标变化图；
图4为不同加工间隙下计算出的第一和第二加工速度图；
图中标号名称为：1、工具阴极；2、工件；3、工件最高点；4、工件最低点；5、电解液；6、进给方向；7、电源。
具体实施方式
下面结合具体附图对本发明做进一步的详细说明。
如图1所示，金属粗糙表面的飞行式电解铣削整平方法，其中工件2表面是粗糙不平的；
其特征在于包括以下步骤：
步骤一、确定加工间隙范围
步骤1.1针对工件表面最高点3，以工具阴极1与工件表面最高点3的加工间隙为变化参数，建立三维电场仿真模型；
步骤1.2获得工件表面电流密度，计算出加工过程中获得的电量，使位于工具阴极1中心下方的工件表面获得电量最大时的加工间隙最小值记为最小加工间隙，将工件表面最高点3与最低点4间距数值的10倍记为最大加工间隙，从而确定加工间隙范围；
上述工具阴极1为具有中心通孔的管电极，而且其底面是水平的；上述工件表面最高点3与工件表面最低点4的工件表面都是指位于工具阴极1中心通孔下方的工件2表面；
步骤二、确定最佳加工速度
步骤2.1在步骤一中确定的加工间隙范围内选取若干个等差分布的加工间隙数值；
步骤2.2针对选取的某一加工间隙，重新建立针对工件表面最高点3的三维电场模型，根据法拉第定律，计算使工件表面最高点3腐蚀深度等于其与工件表面最低点4的间距时的加工速度，记为第一加工速度；
步骤2.3采用步骤2.2中加工间隙，建立针对工件表面最低点4的三维电场模型，计算使工件表面最低点4钝化层始终不会发生破碎的加工速度最大值，记为第二加工速度；
步骤2.4比较第一加工速度和第二加工速度，数值较大的为最佳加工速度；
步骤2.5针对其他选取的加工间隙，同样按照步骤2.2-2.4，确定每一加工间隙对应的最佳加工速度；
步骤三、在计算出的那些最佳加工速度中，选出试验用电解加工机床可以达到的速度最大值，将该速度最大值及其对应的加工间隙记为试验加工速度与试验加工间隙；
步骤四、准备飞行式电解铣削试验加工，电解液5与工件2材料的选择保证电解加工过程中存在钝化行为；工具阴极1接电源7负极，工件2接电源7正极，工具阴极1与工件表面最高点3的间距等于步骤三中所选择的加工间隙；
步骤五、设置工具阴极1进给速度，使其等于步骤三中所选择的加工速度，控制电解液5由工具阴极1的中心通孔喷入加工间隙中，接通电源7开关；
步骤六、控制工具阴极1沿进给方向6运动，其中进给方向平行于工件表面，在选定的试验加工间隙与试验加工速度下，工件表面最高点3发生电化学阳极溶解，工件表面最低点4不发生电化学阳极溶解，从而提高工件2的表面平整程度；
如图2-4所示，通过仿真软件comsol分析，对步骤一到三的可行性进行分析。棒状工具阴极外径1.2mm，内径0.8mm。工件是增材制造tc4，最高点与最低点间距是0.15mm，电解液为20％氯化钠，电解液温度30℃，加工电压40v，分析其加工速度与加工间隙。
步骤一、确定加工间隙范围
步骤1.1如图2所示，建立针对工件表面最高点的三维电场模型，工件3表面所有点高度与最高点相同，工件3与工具阴极1底面间距为加工间隙，工具阴极1沿进给方向6运动，建模时坐标系方向如图所示，坐标原点位于工具阴极中心下方的工件表面，工件长宽均取3mm。
步骤1.2沿y方向的工件表面电量分布，可以根据仿真的电流密度，由公式
步骤二、确定最佳加工速度
步骤2.1考虑不同加工间隙下的最佳加工速度，以0.2mm为差值，考虑加工间隙为0.2mm,0.4mm,0.6mm,0.8mm,1mm.1.2mm,1.4mm时的最佳速度。
步骤2.2根据法拉第定律，可以推算出
步骤2.3建立针对最低点的三维电场模型，其与最高点模型类似，只是加工间隙等于最高点与工具阴极间距加上最高点与最低点间距，根据公式
步骤2.4由图4可见，第二加工速度明显大于第一加工速度，因此，选取第二加工速度作为最佳加工速度。
步骤2.5其他加工间隙下的第一、第二加工速度也列在图4中，最佳加工速度均为第二加工速度。
步骤三、根据所使用的电解加工机床，进行试验加工速度选择，例如本实验室机床最大加工速度为72mm/min，则选取的试验加工速度为44mm/min，加工间隙为1mm。
本发明提出的金属粗糙表面的管电极飞行式电解铣削整平方法，拓展了电解铣削加工技术的应用范围，但是以上描述并不能理解为对本发明专利的限制。应该说明的是，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改善，这些均应落入本发明专利的保护。
1.一种金属粗糙表面的飞行式电解铣削整平方法，其中工件（2）表面是粗糙不平的；
其特征在于包括以下步骤：
步骤一、确定加工间隙范围
步骤1.1针对工件表面最高点（3），以工具阴极（1）与工件表面最高点（3）的加工间隙为变化参数，建立三维电场仿真模型；
步骤1.2获得工件表面电流密度，计算出加工过程中获得的电量，使位于工具阴极（1）中心下方的工件表面获得电量最大时的加工间隙最小值记为最小加工间隙，将工件表面最高点（3）与最低点（4）间距数值的10倍记为最大加工间隙，从而确定加工间隙范围；
上述工具阴极（1）为具有中心通孔的管电极，而且其底面是水平的；上述工件表面最高点（3）与工件表面最低点（4）的工件表面都是指位于工具阴极（1）中心通孔下方的工件（2）表面；
步骤二、确定最佳加工速度
步骤2.1在步骤一中确定的加工间隙范围内选取若干个等差分布的加工间隙数值；
步骤2.2针对选取的某一加工间隙，重新建立针对工件表面最高点（3）的三维电场模型，根据法拉第定律，计算使工件表面最高点（3）腐蚀深度等于其与工件表面最低点（4）的间距时的加工速度，记为第一加工速度；
步骤2.3采用步骤2.2中加工间隙，建立针对工件表面最低点（4）的三维电场模型，计算使工件表面最低点（4）钝化层始终不会发生破碎的加工速度最大值，记为第二加工速度；
步骤2.4比较第一加工速度和第二加工速度，数值较大的为最佳加工速度；
步骤2.5针对其他选取的加工间隙，同样按照步骤2.2-2.4，确定每一加工间隙对应的最佳加工速度；
步骤三、在计算出的那些最佳加工速度中，选出试验用电解加工机床可以达到的速度最大值，将该速度最大值及其对应的加工间隙记为试验加工速度与试验加工间隙；
步骤四、准备飞行式电解铣削试验加工，电解液（5）与工件（2）材料的选择保证电解加工过程中存在钝化行为；工具阴极（1）接电源（7）负极，工件（2）接电源（7）正极，工具阴极（1）与工件表面最高点（3）的间距等于步骤三中所选择的加工间隙；
步骤五、设置工具阴极（1）进给速度，使其等于步骤三中所选择的加工速度，控制电解液（5）由工具阴极（1）的中心通孔喷入加工间隙中，接通电源（7）开关；
步骤六、控制工具阴极（1）沿进给方向（6）运动，其中进给方向平行于工件表面，在选定的试验加工间隙与试验加工速度下，工件表面最高点（3）发生电化学阳极溶解，工件表面最低点（4）不发生电化学阳极溶解，从而提高工件（2）的表面平整程度。
2.根据权利要求1所述的金属粗糙表面的飞行式电解铣削整平方法，其特征在于：工件表面最高点（3）与最低点（4）的间距不小于0.1mm。
技术总结