CN108393547A - 提高电解铣磨加工底面平面度的工具阴极及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提高电解铣磨加工底面平面度的工具阴极及方法，属于电解铣磨复合加工领域。本发明的工具阴极侧壁有导电磨粒层和绝缘磨粒层，且底面绝缘。工作时，底面绝缘层降低了加工底面中部区域的电流密度，侧壁绝缘磨粒层可以降低底面边缘区域的电流密度，从而改善了电解铣磨加工时底面电流密度差异大的问题，进而提高电解铣磨加工的底面平面度。

Description

提高电解铣磨加工底面平面度的工具阴极及方法

技术领域

本发明涉及一种提高电解铣磨加工底面平面度的工具阴极及方法，属于电解铣磨复合加工领域。

背景技术

随着航空、航天领域发展的需求，采用钛合金、高温合金等比强度高、耐热性好的材料制备的零件得到越来越多的应用。例如，只有通过使用钛合金制造的压气机盘和叶片，减轻航空发动机的重量，才能使其推重比达到8以上；GH4169合金分别占了CF6发动机、CY2000发动机和PW4000发动机总重量的34%、56%和57%。然而，由于这些材料的硬度高、导热能力差、变形系数小等特点，机械加工时切削力大、加工区域温度高，刀具磨损严重，尤其是加工特征复杂、结构轻薄的零件时，如航空发动机的燃烧室薄壁机匣，其从毛坯加工成零件的材料去除比一般可高达60%～80%，更是给制造技术带来了诸多挑战。

电解磨削是一种由电解作用和机械磨削作用相复合而实现材料去除的加工方法。传统的电解磨削加工通常采用导电砂轮作为工具阴极，其与阳极工件加工间隙内的电解液由外置的喷嘴提供。通电加工时，工件表面层的金属发生电化学阳极溶解并生成一层硬度较小的氧化层，随即被导电砂轮上的磨粒刮除，露出新的金属表面并再次被电解，如此反复进行，直到达到需要的加工要求。在电解磨削加工过程中，金属材料主要是以离子形式去除，磨削力比机械磨削时小的多，因此工具的磨损非常小，材料加工后的热损伤也小，非常适用于加工难切削的金属材料。然而，受砂轮结构和供液方式的限制，电解磨削时的切深小，效率低，加工柔性差，不利于该技术的应用。

为了改善这一难题，电解铣磨加工技术被提出，即采用棒状磨头作为工具阴极，以类似数控铣削的方式由磨头电极的旋转运动和工件的进给运动共同形成轮廓的发生线，通过相切法进行成形加工的方法。相比于传统的电解磨削加工，数控铣削的方式能够大大提高加工的柔性，方便对型面、型腔、薄壁和凸台等结构的展成加工。不仅如此，棒状磨头由于形状简单，可以实现内喷液式的供液，解决了大切深时外喷液供液方式下的加工区域内电解液不足、产物难以及时冲走的问题，提高了单次走刀时所能去除的材料厚度，显著提高了材料的去除率，进一步提高了电解铣磨加工的效率。

目前，内喷液电解铣磨加工的工具阴极通常为圆形电极，制备时先在工具阴极中心加工出盲孔作为入液口，然后在基体侧壁加工出若干喷液口，最后再在基体有效加工区域电镀金刚石磨粒。采用这种结构的阴极进行电解铣磨平面加工时，由于阴极底部和工件之间的电解作用，使得工件表面已加工表面发生二次电解，造成工件材料的进一步蚀除和杂散腐蚀，最终加工出的平面往往呈现出下凹结构，降低了加工底面的平整度。在专利CN105921834A中提到了在底面开设绝缘槽的工具阴极，但是受其侧壁及底面外圈导电的影响，电解铣磨加工后，与工具底面外边缘相对的工件表面出现了明显的下凹，底面的平面度仍然较差。因此，如何提高加工底面的平面度，对于电解铣磨技术的推广和应用具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种提高电解铣磨加工底面平面度的工具阴极，用于减小电解铣磨加工中已加工底面的二次电解，提高底面平面度。

一种提高电解铣磨加工底面平面度的工具阴极，其特征在于：所述工具阴极底面进行绝缘处理，形成底面绝缘层；所述工具阴极侧壁下端分成上、下两个区域；侧壁下端上方区域通过电镀方式镶嵌金刚石磨粒，形成导电磨粒层；侧壁下端下方区域通过树脂粘结剂镶嵌金刚石磨粒，形成绝缘磨粒层；所述工具阴极中心有盲孔，侧壁分布若干与盲孔连通的喷液孔。

所述的提高电解铣磨加工底面平面度的工具阴极的使用方法，其特征在于包括以下过程：工具阴极安装在机床转轴上，并连接电源负极，工件连接电源正极；加工时，电解液由工具阴极喷液孔喷出，充满工具阴极和工件的侧面间隙与底面间隙；工具阴极侧面为工作面，工件材料在导电磨粒层的电解作用、磨削作用和绝缘磨粒层的磨削作用下被去除；在绝缘磨粒层和底面绝缘层共同作用下，降低加工底面上的电流密度，提高电解铣磨加工底面的平面度。

所述工具阴极侧壁下端通过树脂粘结剂镶嵌金刚石磨粒，形成绝缘磨粒层，采用树脂粘结剂，既能起到镶嵌金刚石磨粒，又能对工具阴极侧壁下端绝缘的目的，降低工具阴极侧壁对电解铣磨已加工底面的二次电解；所述工具阴极侧壁紧连绝缘磨粒层上方区域通过电镀方式镶嵌金刚石磨粒，形成导电磨粒层，采用电镀方式，既能起到镶嵌金刚石磨粒，又不影响工具阴极侧壁和工件之间的电解作用；所述工具阴极底面进行绝缘处理，形成底面绝缘层，对工具阴极底面全绝缘，可以在很大程度上降低工件已加工表面的电流密度，有利于提高电解铣磨加工底面的平面度。

所述的提高电解铣磨加工底面平面度的工具阴极，其特征在于：底面绝缘层厚度不大于0.1mm。工具阴极底面绝缘后，其底部导电面积减少，导致加工底面的电流密度降低（见图4）。低电流密度下工件蚀除速度小，加工间隙也减小，因此需要控制底面绝缘层厚度避免底面绝缘层与工件直接接触而受到磨损。

本发明具有以下优点：

1、采用底面开设绝缘凹槽的工具阴极（见图2），侧壁下端的磨粒层仍然属于导电区域，底面外圆区域存在导电环，这些都会对工件已加工表面产生二次电解，降低底面加工精度。而本发明提供的工具阴极（见图1），其侧壁最下端区域采用树脂结合剂将金刚石磨粒与工具阴极结合，形成绝缘磨粒层，减小了侧壁的导电面积，底面采用全绝缘的方式，可以显著降低加工底面的电流密度，减小加工面的二次电解，提高加工的底面平面度。

2、可以利用仿真软件模拟本发明工具阴极底面区域的电流密度分布和电量分布（如图4和6），确定不同阴极直径、加工电压、电解液参数等条件下的适合的绝缘磨粒层高度，不需要反复的试验确定，从而简化工具设计，缩短设计周期。

3、本发明提供的电解铣磨工具阴极，侧壁先后通过树脂粘结剂和电镀方式镶嵌金刚石磨粒，底面则采用简单的全绝缘方式，工具阴极结构简单，制备难度低，加工成本低。

附图说明

图1为本发明提供的工具阴极示意图；

图2为底面开设绝缘凹槽的工具阴极示意图；

图3为本发明工具阴极电解铣磨加工示意图；

图4为本发明工具阴极加工底面电场仿真的电流密度分布图；

图5为底面开设绝缘凹槽的工具阴极加工底面电场仿真的电流密度分布图；

图6为不同工具阴极加工时电场仿真的电量对比图；

图中标号名称：1、工具阴极；2、金刚石磨粒；3、导电磨粒层；4、绝缘磨粒层；5、底部绝缘层；6、工件；7、加工底面；8、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，本发明提供的一种电解铣磨加工工具阴极，其特征在于：所述工具阴极1底面进行绝缘处理，形成底面绝缘层5；所述工具阴极1侧壁下端分成上、下两个区域；侧壁下端上方区域通过电镀方式镶嵌金刚石磨粒2，形成导电磨粒层3；侧壁下端下方区域通过树脂粘结剂镶嵌金刚石磨粒2，形成绝缘磨粒层4；所述工具阴极1中心有盲孔，侧壁分布若干与盲孔连通的喷液孔。

如图3所示，所述的提高电解铣磨加工底面平面度的工具阴极的使用方法，其特征在于包括以下过程：加工时，电解液由工具阴极1喷液孔喷出，充满工具阴极1和工件6的侧面间隙与底面间隙；工具阴极1侧面为工作面，工件6材料在导电磨粒层3的电解作用、磨削作用和绝缘磨粒层4的磨削作用下被去除；在绝缘磨粒层4和底面绝缘层5共同作用下，降低加工底面7上的电流密度，提高电解铣磨加工底面的平面度。

如图4~6所示，由于工具阴极基体为圆柱体，为缩短仿真时间，此处以静止电场仿真代替了旋转电场仿真，其静止电场仿真参数为：阳极电压30V，工具阴极直径10mm，加工间隙0.4mm，加工区域长度为13.4mm，电解液电导率为15S/m，底面绝缘凹槽的直径为9mm，本发明工具阴极侧壁绝缘磨粒层高0.5mm。采用底面开设绝缘凹槽的工具阴极电解铣磨加工时，受底面最外圈导电区域影响，工件表面出现了电流密度很大的环形区域（图5），采用了本发明的工具阴极后，由于侧壁最下端绝缘，底面全绝缘，大大降低了加工底面的电流密度（图4），而且电流密度的分布更加均匀。根据法拉利定律，电解加工时，工件阳极去除材料的质量与通过的电流成线性关系，为了更好的观测本发明工具阴极的优势，取图4和图5中所示的直线，计算加工时线上若干点的电量（图6），可以看出采用开设凹槽的工具阴极加工时，加工底面两端存在两个电量很高的突出区域，并且大约是中间区域电量的两倍，由此会造成加工底面两端严重下凹，降低底面平面度。采用本发明的工具阴极时，加工底面两端的电量突出区域消失，线上绝大部分区域的电量分布非常均匀，而且与开设凹槽的工具阴极相比，前者的电量峰值甚至不到后者中间区域电量的1/4，因此，本发明工具不仅可以提高加工底面的平面度，还能显著降低加工底面的过切量。

本发明能提高电解铣磨加工的的底面平整度，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，对于本领域的其他技术人员来说，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。

Claims (3)

1.一种提高电解铣磨加工底面平面度的工具阴极，其特征在于：

所述工具阴极（1）底面进行绝缘处理，形成底面绝缘层（5）；

所述工具阴极（1）侧壁下端分成上、下两个区域；侧壁下端上方区域通过电镀方式镶嵌金刚石磨粒（2），形成导电磨粒层（3）；侧壁下端下方区域通过树脂粘结剂镶嵌金刚石磨粒（2），形成绝缘磨粒层（4）；

所述工具阴极（1）中心有盲孔，侧壁分布若干与盲孔连通的喷液孔。

2.根据权利要求1所述的提高电解铣磨加工底面平面度的工具阴极，其特征在于：底面绝缘层（5）厚度不大于0.1mm。

3.根据权利要求1所述的提高电解铣磨加工底面平面度的工具阴极的使用方法，其特征在于包括以下过程：

工具阴极（1）安装在机床转轴上，并连接电源（8）负极，工件（6）连接电源（8）正极；

加工时，电解液由工具阴极（1）喷液孔喷出，充满工具阴极（1）和工件（6）的侧面间隙与底面间隙；工具阴极（1）侧面为工作面，工件（6）材料在导电磨粒层（3）的电解作用、磨削作用和绝缘磨粒层（4）的磨削作用下被去除；在绝缘磨粒层（4）和底面绝缘层（5）共同作用下，降低加工底面（7）上的电流密度，提高电解铣磨加工底面的平面度。