CN101249578A - 数控电解机械复合加工机床 - Google Patents

Abstract

一种数控电解机械复合加工机床，包括床身、机架、水平工作台、数控双回转工作台、防护箱、主轴头、电主轴、数控***、脉冲电源、电解液循环装置，以及X向传动机构、Z向传动机构、Y向传动机构，上述电主轴、脉冲电源、电解液循环装置中的电解液泵、X向伺服电机、Z向伺服电机、Y向伺服电机、数控双回转工作台的B回转电机和C回转电机均由数控***控制。本发明通过控制复合阴极和工件阳极的相对运动，可以加工工件复杂的型腔和型面，从而加工出各种形状的工件。通过更换不同的复合阴极和调节不同的加工参数，可以在同一台机床上通过钻孔、铣削、切割、磨削和抛光等加工方式对同一个零件完成粗加工、精加工和表面光整加工，消除了工件重复安装所带来的安装误差。

Description

数控电解机械复合加工机床

技术领域

本发明涉及一种用于特种加工的数控电解机械复合加工机床。

背景技术

目前机械制造所使用的加工可分为传统机械加工和非传统机械加工。非传统加工即特种加工，实现用软的工具加工硬的工件，主要是采用电、化学、光、声和热等能量来进行加工，而且加工过程中工具和工件之间不存在显著的机械切削力。在特种加工方法中，电火花加工精度高，但加工效率低；电解加工的效率高，但加工精度差；电解磨削加工综合了电解加工效率高和机械磨削加工精度高的优点，但目前只能加工平面和圆柱表面；数控展成电解磨削加工是利用导电磨轮的母线切削刃相对于被加工零件运动，由磨轮母线运动所形成的包络面来形成给定的曲面，但目前只能加工直纹展成面，不能加工复杂的型腔和型面。电解机械复合光整加工技术是一种改善工件表面质量的加工方法，不能改变工件的宏观尺寸和形状。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种能加工复杂的型腔和型面的数控电解机械复合加工机床。

为达到上述目的，本发明采取如下技术方案：

本发明包括床身、机架、水平工作台、数控双回转工作台、防护箱、主轴头、电主轴、数控***、脉冲电源、电解液循环装置；机架的横梁上设有X向传动机构和X向伺服电机，主轴头连接在X向传动机构上，主轴头上设有Z向传动机构和Z向伺服电机，上述电主轴连接在Z向传动机构上，床身上设有Y向传动机构和Y向伺服电机，上述数控双回转工作台设置在水平工作台上且与Y向传动机构连接，上述防护箱设置在水平工作台上且处于数控双回转工作台的外部，上述电主轴、脉冲电源、电解液循环装置中的电解液泵、X向伺服电机、Z向伺服电机、Y向伺服电机、数控双回转工作台的B回转电机和C回转电机均由数控***控制，所述电主轴上设有专用阴极夹具，专用阴极夹具的接线柱与上述脉冲电源的负极导线连接。

所述专用阴极夹具具有夹具体，夹具体的下端面上具有轴向盲孔，轴向盲孔的下半部分是锥形孔，夹具体的中部圆周表面设有环形进液槽，进液槽底面上设有均匀分布的且通向轴向盲孔的径向进液孔，夹具体中部外周设有动配合的导电体，导电体内壁上设有环形水银槽，水银槽内填充有水银形成接触夹具体的水银圈，导电体上设有与夹具体进液槽相通的进液孔，夹具体的锥形孔内设有顶部是锥形的弹簧夹套，夹具体的下部螺纹部分设有夹紧螺母，夹紧螺母的底部设有阴极穿出孔。

所述X向传动机构具有X向滚珠丝杆传动副，X向滚珠丝杆传动副中的滚珠丝杆由一对固定在横梁上的轴承支撑，滚珠丝杆一端由联轴节与所述X向伺服电机连接，所述主轴头与X向滚珠丝杆传动副中的螺母连接并沿横梁上的导轨移动。

所述Z向传动机构具有Z向滚珠丝杆传动副，Z向滚珠丝杆传动副中的滚珠丝杆由一对固定在主轴头上的轴承支撑，上述滚珠丝杆一端由联轴节与所述Z向伺服电机连接，所述电主轴与Z向滚珠丝杆传动副的螺母连接并沿主轴头上的导轨移动。

所述Y向传动机构具有Y向滚珠丝杆传动副，Y向滚珠丝杆传动副中的滚珠丝杆由一对固定在床身上的轴承支撑，Y向滚珠丝杆传动副中的滚珠丝杆一端由联轴节与所述Y向伺服电机连接，所述水平工作台与Y向滚珠丝杆传动副的螺母连接并沿床身上的导轨移动。

所述电解液循环装置包括电解液箱，所述电解液泵连接在电解液箱与专用阴极夹具的电解液接口之间的管道上，电解液箱设有温度控制器。

所述电解液泵、脉冲电源、X向伺服电机、Z向伺服电机、Y向伺服电机以及双数控回转工作台的B回转电机、C回转电机均由数控***控制，此外数控***通过伺服控制器控制电主轴转速。

连接专用阴极夹具的接线柱与脉冲电源的负极之间的导线上连接有高精度小电阻。

所述X向伺服电机、Z向伺服电机、Y向伺服电机以及双数控回转工作台的回转电机、C回转电机均采用交流伺服电机。

所述专用阴极夹具的导电体的进液孔连接有水嘴。

本发明具有如下积极效果：

1、本发明是利用电化学阳极溶解和机械磨削复合加工的原理加工各种导电材料工件，由电主轴带动专用阴极夹具旋转阴极作主运动，通过电主轴的X向(左右)运动和Z向(上下)运动，工件阳极的Y向(前后)运动和工件阳极的两回转运动，控制复合阴极和工件阳极的相对运动，在加工过程中，不断改变复合阴极与工件阳极的运动相对位置，就可以加工工件复杂的型腔和型面，从而加工出各种形状的工件。

2、本发明通过更换不同的复合阴极和调节不同的加工参数，可以在同一台机床上通过钻孔、铣削、切割、磨削和抛光等加工方式对同一个零件完成粗加工、精加工和表面光整加工，消除了工件重复安装所带来的安装误差。

3、本发明由于采用既能保证电解加工间隙又能确保复合阴极与工件阳极接触的加工方式，加工精度比数控电解加工高。

4、本发明的加工主要不是依靠机械切削力来去除金属，所以用这种方法加工出来的工件的表面，不仅粗糙度很低，而且表面无机械划痕，没有加工硬化层、变质层、残余应力以及常规磨削易出现的烧伤等缺陷。从加工原理上讲，机械磨削表面微观呈尖峰状，而数控电解机械复合光整加工的表面表现为平顶状，这种表面具有较高的支承能力，作为摩擦表面时，具有比机械加工好的摩擦、磨损特性，这种表面还具有耐腐蚀、抗介质粘附的优点，所以加工质量好。

5、本发明通过控制脉冲电化学作用的电参数，就可实现对加工过程的控制，所以容易实现自动控制。

6、本发明的专用阴极夹具在夹具体外部设有能作相对转动的导电体，导电体起导电和电解液喷嘴作用，实现电解液内喷，简化了结构。专用阴极夹具设置弹簧夹套夹紧阴极，由夹紧螺母固定弹簧夹套，所以专用阴极夹具能牢靠连接阴极。专用阴极夹具的导电体与夹具体之间设有水银带，既不影响导电体与夹具体之间的相对转动，又能保证导电体与夹具体之间良好的电传导性能。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1是本发明机床的结构示意图；

图2是专用阴极夹具的结构示意图；

图3是控制示意图。

具体实施方式

附图所示的实施例包括床身2、机架3、水平工作台16、数控双回转工作台11、防护箱8、主轴头6、电主轴9、数控***21、脉冲电源17、电解液循环装置18。

机架3为龙门架结构，机架3包括立柱3-1和横梁3-2。

所述机架3的横梁3-2上设有X向传动机构4和X向伺服电机5，所述主轴头6连接在X向传动机构4上。X向传动机构4具有X向滚珠丝杆传动副，X向滚珠丝杆传动副中的滚珠丝杆4-1由一对固定在横梁3-2上的轴承4-2支撑，滚珠丝杆4-1一端由联轴节4-3与所述X向伺服电机5连接，所述主轴头6与X向滚珠丝杆传动副中的螺母4-4连接并沿横梁3-2上的导轨左右移动。

所述主轴头6上设有Z向传动机构和Z向伺服电机7，电主轴9连接在Z向传动机构上。Z向传动机构具有Z向滚珠丝杆传动副(图中未显示，可参考X向传动机构)，Z向滚珠丝杆传动副中的滚珠丝杆由一对固定在主轴头6上的轴承支撑，上述滚珠丝杆一端由联轴节与所述Z向伺服电机7连接，所述电主轴9与Z向滚珠丝杆传动副的螺母连接并沿主轴头6上的导轨上下移动。上述电主轴9与主轴头6绝缘。

所述床身2上设有Y向传动机构和Y向伺服电机15，上述数控双回转工作台11设置在水平工作台16上且与Y向传动机构连接。所述Y向传动机构具有Y向滚珠丝杆传动副(图中未显示，可参考X向传动机构)，Y向滚珠丝杆传动副中的滚珠丝杆由一对固定在床身2上的轴承支撑，Y向滚珠丝杆传动副中的滚珠丝杆一端由联轴节与所述Y向伺服电机15连接，所述水平工作台16与Y向滚珠丝杆传动副的螺母连接并沿床身2上的导轨前后移动。数控双回转工作台11采取由印度UCAM公司生产的URH-201-TNRP型数控双回转工作台。水平工作台16与数控回转工作台11绝缘，工件阳极12安装在数控回转工作台16上。

所述电解液循环装置18包括电解液箱18-1，所述电解液泵18-2连接在电解液箱18-1与专用阴极夹具1的电解液接口之间的管道上，由于电解液的温度对加工精度的影响很大，所以电解液箱18-1设有温度控制器18-3，温度控制器18-3可以对电解液箱18-1内的电解液进行恒温控制。

所述防护箱8设置在水平工作台16上且处于数控双回转工作台11的外部。防护箱8收集电解液，电解液回流到电解液箱18-1循环使用。

所述电主轴9与专用阴极夹具1安装成一体，电主轴9带动专用阴极夹具1旋转。复合阴极10固定在专用阴极夹具1内。电主轴9从市场上购得。

图2所示的专用阴极夹具1具有夹具体1-1，夹具体1-1的下端面上具有轴向盲孔1-1-1，轴向盲孔1-1-1的下半部分是锥形孔1-1-4，锥形孔1-1-4的锥度是7∶22～26，实施例采取7∶24。夹具体1-1的中部圆周表面设有环形进液槽1-1-2，进液槽1-1-2底面上设有4个均匀分布的且通向轴向盲孔1-1-1的径向进液孔1-1-3。夹具体1-1中部外周设有动配合的导电体1-2，夹具体1-1与导电体1-2之间是一种比较小的间隙配合。导电体1-2内壁上自上而下设有两环形密封槽和一环形水银槽，环形密封槽内各设有O型密封圈1-5，水银槽内填充有水银形成接触夹具体1-1的水银圈1-8。导电体1-2上设有接线柱孔以及与夹具体进液槽1-1-2相通的进液孔1-2-1和与水银槽相通的水银注入螺纹孔1-2-2，接线柱孔内固定有接线柱1-7，进液孔1-2-1中连接有水嘴1-6。水银通过水银注入螺纹孔1-2-2注入至水银槽中，在完成水银注入后，在水银注入孔1-2-2内拧入封堵螺栓1-9，防止水银泄漏。夹具体1-1的锥形孔1-1-4内设有顶部是锥形的弹簧夹套1-10，夹具体1-1的下部设有螺纹，螺纹部分设有夹紧螺母1-11，夹紧螺母1-11的底面上设有阴极穿出孔1-11-1。旋转夹紧螺母1-11，可以推动弹簧夹1-10向夹具体1-1内部运动，使弹簧夹套1-10的横向尺寸收缩而夹紧阴极1-12。夹具体1-1上且处于导电体1-2上方设有双螺母1-3，在夹具体1-1上且在导电体1-2与双螺母1-3之间设有塑料垫圈1-4。塑料垫圈1-4略有弹性，压住导电体1-2后，使导电体1-2与夹具体1-1相对转动时在轴向可靠接触，对水银起到密封作用。双螺母1-3可对塑料垫圈1-4的轴向位置进行调节和锁定。

所述专用阴极夹具1上的导电接线柱由导线接脉冲电源17的负极，工件阳极12由导线接脉冲电源17的正极。所述专用阴极夹具1上的电解液接口接电解液泵18-2的输出口，由电解液泵18-2提供的循环电解液通过具有电解液内喷结构的复合阴极10的电解液喷口喷到工件阳极12的加工表面，工作电流通过工件阳极12、加工间隙的电解液和复合阴极10而导通，通过电化学阳极溶解和机械磨削对工件阳极12进行复合加工。

所述连接专用阴极夹具1的接线柱与高频窄脉脉冲电源17的负极之间的导线上连接有高精度小电阻22。加工过程中，加工电流通过高精度小电阻22进行检测，当复合阴极10的磨料磨损或嵌满加工产物而与工件阳极12发生短路则复合阴极10回退一定距离，并变换脉冲加工电源的极性，对复合阴极10进行短暂的电解加工，使其保持一定的磨粒凸出，然后再进给加工。由于使用了高频窄脉冲电解电源，改善了加工间隙内产物的排除状况，提高了工件的表面质量。由于使用了非线性钝化电解液，减小了杂散腐蚀，所以提高了加工精度。

所述电主轴9、脉冲电源17、电解液循环装置18中的电解液泵18-2、X向伺服电机5、Z向伺服电机7、Y向伺服电机15、数控双回转工作台的B回转电机13和C回转电机14均由数控***21控制。

见图3，所述数控***21通过伺服控制器23控制电主轴9旋转。脉冲电源17、电解液循环装置18中的电解液泵18-2由数控***21直接控制。所述X向伺服电机5、Z向伺服电机7、Y向伺服电机15以及双数控回转工作台11的B回转电机13、C回转电机14均采用交流伺服电机，由数控***21进行半闭环控制，这种由交流伺服电机驱动的半闭环***具有调速范围宽、稳速精度高、动态响应快以及能在较宽的调速范围内产生理想的转矩等良好的技术性能。由于在交流伺服电机内同轴装有高精度的脉冲编码器作为角度位置环和速度环共用的检测反馈装置，转子采用具有精密磁极形状的永久磁铁，可实现高转矩/惯量比，动态相应好，运行平稳，没有电刷和换向器，可靠性好，因此，交流伺服电机作为机床进给伺服***的执行元件可实现精密位置控制。数控***21可以采取南京四开公司生产的SKY2006数控***21，伺服控制器23可以采取时光高速电主轴伺服控制器。

本发明在加工前设置好脉冲电源的频率、脉冲宽度、脉冲间隔和加工电压的数值。电解加工的间隙由复合阴极10表面凸出的磨料的尺寸来保证。选择合适的电解液可以改善工件的表面质量，提高工件的加工精度和加工效率。

Claims (10)

1. 数控电解机械复合加工机床，其特征在于：它包括床身(2)、机架(3)、水平工作台(16)、数控双回转工作台(11)、防护箱(8)、主轴头(6)、电主轴(9)、数控***(21)、脉冲电源(17)、电解液循环装置(18)；机架(3)的横梁(3-2)上设有X向传动机构(4)和X向伺服电机(5)，上述主轴头(6)连接在X向传动机构(4)上，主轴头(6)上设有Z向传动机构和Z向伺服电机(7)，上述电主轴(9)连接在Z向传动机构上，床身(2)上设有Y向传动机构和Y向伺服电机(15)，上述数控双回转工作台(11)设置在水平工作台(16)上且与Y向传动机构连接，上述防护箱(8)设置在水平工作台(16)上且处于数控双回转工作台(11)的外部，上述电主轴(9)、脉冲电源(17)、电解液循环装置(18)中的电解液泵(18-2)、X向伺服电机(5)、Z向伺服电机(7)、Y向伺服电机(15)、数控双回转工作台的B回转电机(13)和C回转电机(14)均由数控***(21)控制，所述电主轴(9)上设有专用阴极夹具(1)，专用阴极夹具(1)的接线柱与上述脉冲电源(17)的负极导线连接。

2. 根据权利要求1所述的数控电解机械复合加工机床，其特征在于：所述专用阴极夹具(1)具有夹具体(1-1)，夹具体(1-1)的下端面上具有轴向盲孔(1-1-1)，轴向盲孔(1-1-1)的下半部分是锥形孔(1-1-4)，夹具体(1-1)的中部圆周表面设有环形进液槽(1-1-2)，进液槽(1-1-2)底面上设有均匀分布的且通向轴向盲孔(1-1-1)的径向进液孔(1-1-3)，夹具体(1-1)中部外周设有动配合的导电体(1-2)，导电体(1-2)内壁上设有环形水银槽，水银槽内填充有水银形成接触夹具体(1-1)的水银圈(1-8)，导电体(1-2)上设有与夹具体进液槽(1-1-2)相通的进液孔(1-2-1)，夹具体(1-1)的锥形孔(1-1-4)内设有顶部是锥形的弹簧夹套(1-10)，夹具体(1-1)的下部螺纹部分设有夹紧螺母(1-11)，夹紧螺母(1-11)的底部设有阴极穿出孔(1-11-1)。

3. 根据权利要求1所述的数控电解机械复合加工机床，其特征在于：所述X向传动机构(4)具有X向滚珠丝杆传动副，X向滚珠丝杆传动副中的滚珠丝杆(4-1)由一对固定在横梁(3-2)上的轴承(4-2)支撑，滚珠丝杆(4-1)一端由联轴节(4-3)与所述X向伺服电机(5)连接，所述主轴头(6)与X向滚珠丝杆传动副中的螺母(4-4)连接并沿横梁(3-2)上的导轨移动。

4. 根据权利要求1所述的数控电解机械复合加工机床，其特征在于：所述Z向传动机构具有Z向滚珠丝杆传动副，Z向滚珠丝杆传动副中的滚珠丝杆由一对固定在主轴头(6)上的轴承支撑，上述滚珠丝杆一端由联轴节与所述Z向伺服电机(7)连接，所述电主轴(9)与Z向滚珠丝杆传动副的螺母连接并沿主轴头(6)上的导轨移动。

5. 根据权利要求1所述的数控电解机械复合加工机床，其特征在于：所述Y向传动机构具有Y向滚珠丝杆传动副，Y向滚珠丝杆传动副中的滚珠丝杆由一对固定在床身(2)上的轴承支撑，Y向滚珠丝杆传动副中的滚珠丝杆一端由联轴节与所述Y向伺服电机(15)连接，所述水平工作台(16)与Y向滚珠丝杆传动副的螺母连接并沿床身(2)上的导轨移动。

6. 根据权利要求1所述的数控电解机械复合加工机床，其特征在于：所述电解液循环装置(18)包括电解液箱(18-1)，所述电解液泵(18-2)连接在电解液箱(18-1)与专用阴极夹具(1)的电解液接口之间的管道上，电解液箱(18-1)设有温度控制器(18-3)。

7. 根据权利要求1所述的数控电解机械复合加工机床，其特征在于：所述电解液泵(18-2)、脉冲电源(17)、X向伺服电机(5)、Z向伺服电机(7)、Y向伺服电机(15)以及双数控回转工作台(11)的B回转电机(13)、C回转电机(14)均由数控***(21)控制，此外数控***(21)通过伺服控制器(23)控制电主轴(9)转速。

8. 根据权利要求1所述的数控电解机械复合加工机床，其特征在于：连接专用阴极夹具(1)的接线柱与脉冲电源(17)的负极之间的导线上连接有高精度小电阻(22)。

9. 根据权利要求7所述的数控电解机械复合加工机床，其特征在于：所述X向伺服电机(5)、Z向伺服电机(7)、Y向伺服电机(15)以及双数控回转工作台(11)的B回转电机(13)、C回转电机(14)均采用交流伺服电机。

10. 根据权利要求2所述的数控电解机械复合加工机床，其特征在于：所述专用阴极夹具(1-1)的导电体的进液孔(1-2-1)连接有水嘴(1-6)。

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