CN108406018A - 兼顾效率与精度的电解铣磨加工工具阴极及电解铣磨方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种兼顾效率与精度的电解铣磨加工工具阴极及电解铣磨方法，属于电解铣磨复合加工领域。本发明通过在工具阴极侧壁下端开设若干等间距的弧形凹槽，并将凹槽侧壁绝缘，金刚石磨粒通过树脂粘结剂镶嵌在侧壁非凹槽壁面上，从而使仅与凹槽相对的工件表面存在电化学阳极溶解，此时凹槽深度成为加工间隙的一部分，这不仅增加了侧壁非凹槽壁面上金刚石磨粒与工件加工表面的接触深度，增强了电解铣磨过程中金刚石磨粒对工件的磨削作用，有利于提高电解铣磨加工的精度和表面质量，而且相比于以往低电流密度下的电解铣磨精加工，本发明工具可采用更高的电流密度，有利于加工效率的提高。

Description

兼顾效率与精度的电解铣磨加工工具阴极及电解铣磨方法

技术领域

本发明涉及一种兼顾效率与精度的电解铣磨加工工具阴极及电解铣磨方法，属于电解铣磨复合加工领域。

背景技术

随着科学技术的发展，由钛合金、高温合金等难切削材料制备的零件在航空、航天、石油、化工等领域得到越来越多的应用。比如，人造地球卫星、载人飞船、航天飞机等都开始逐渐使用钛合金板材焊接件，石油和天然气的深井开采中，必须采用耐蚀耐磨高温合金。然而，由于这些材料本身所具有的硬度高、导热系数低等特点，采用传统的机械加工时，往往伴随着切削力大、切削区域温度高、刀具磨损严重等问题，尤其是加工薄壁类零件，很容易出现加工变形等缺点。这些问题增加了零件的加工成本和制造难度，已经越来越无法满足高效率、低成本的现代制造加工需求。

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，工件接电源正极，工具接电源负极，工件和工具的加工间隙内有高速流动的电解液，由此形成导电回路，随着工具阴极的进给，工件材料不断发生溶解，逐渐成型出一定尺寸和形状的工件。与传统的机械加工不同，电解加工是一种非接触式加工，材料的去除是以离子形式去除，因此，电解加工不受材料强度、硬度和韧性等性能的限制，加工中不存在机械切削力，工具无损耗。而且加工难切削材料时，电解加工的效率是一般机械切削加工的5~10倍，加工效率高，适用于加工难切削的金属材料。然而，由于非接触式的加工，使得电解加工后的工件与工具形状之间存在一定的复制误差，降低了电解加工的精度，而且电解作用会对已加工面产生杂散腐蚀，降低加工面的表面质量，这些问题都限制了电解加工技术的进一步发展。

为了改善这一难题，电解铣磨加工技术被提出，即采用形状简单的磨头作为工具阴极，以类似于立式数控铣削的方式进行加工运动控制，利用电化学阳极溶解和机械磨削的复合加工机理实现工件的材料去除。电解铣磨加工时大部分的金属材料是通过电解作用去除的，磨削作用用于整平电解作用后凹凸不平的加工面，提高加工精度，同时通过磨除工件加工表面的杂散腐蚀，改善加工面表明质量。不仅如此，电解铣磨还具有数控加工柔性高的优势，通过工具阴极的加工轨迹优化，实现展成式电解铣磨加工，降低了型面、薄壁等结构的加工难度，而其简单的形状构造也降低了工具的制造成本和准备周期。

常规的电解铣磨工具阴极精加工时，为了提高磨削后的加工精度和表面质量，往往采用尺寸较小的磨粒，此时为保证工具阴极磨粒与工件充分接触，需要较低的加工电流密度以减小工具阴极和工件的加工间隙。然而，为了提高电解铣磨加工的效率，往往采用较大的加工电压，此时加工间隙内电流密度增加，材料去除速度提高，虽然工具阴极的进给速度也有所增加，但是工具阴极和工件的加工间隙呈增大趋势，磨粒与工件的接触深度逐渐减小，不利于加工精度的提高。因此，如何兼顾电解铣磨加工的高效率与高精度，对其进一步的推广和发展具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种兼顾效率与精度的电解铣磨加工工具阴极及电解铣磨方法，通过对工具阴极结构的改进，实现了高电流密度下的精加工，从而保证了电解铣磨加工兼具高效率和高精度。

一种兼顾效率与精度的电解铣磨加工工具阴极，其特征在于：包括阴极基体、弧形凹槽和绝缘磨粒层；所述阴极基体侧壁下端开有若干等间距分布的弧形凹槽，侧壁下端相邻凹槽之间的基体壁面通过树脂粘结剂镶嵌金刚石磨粒，形成绝缘磨粒层；所述阴极基体中心开设盲孔，弧形凹槽上开设与盲孔连通的喷液孔。

所述的兼顾效率与精度的电解铣磨加工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，同时接电源负极，工件接电源正极；进行电解铣磨加工时，电解液由阴极基体的盲孔进入，由弧形凹槽上的喷液孔喷射到工件上，与弧形凹槽相对的工件表面受电解作用，与绝缘磨粒层接触的工件表面受磨削作用，在二者的交替作用下，工件材料被去除；由弧形于凹槽深度作为加工间隙一部分，减小了阴极基体外壁面与工件加工表面的距离，使金刚石磨粒的磨削作用增强，能够提高加工精度，降低加工面的表面粗糙度。

所述阴极基体侧壁下端开有若干等间距分布的弧形凹槽，侧壁非凹槽壁面通过树脂粘结剂镶嵌金刚石磨粒，形成绝缘磨粒层，在非凹槽壁面绝缘后，仅与凹槽相对的工件表面存在电解作用，此时凹槽深度作为加工间隙的一部分，减小了工件表面和工具阴极外壁面的距离，增加了磨粒对工件的切削深度，提高了磨削作用；所述阴极基体中心开设盲孔，弧形凹槽上开设与盲孔连通的喷液孔，将喷液孔开设在弧形凹槽上，可以使电解液充分冲洗电解加工区域，有利于及时带走电解产物。

所述的兼顾效率与精度的电解铣磨加工工具阴极，其特征在于上述弧形凹槽的侧壁为经过绝缘处理的绝缘面。凹槽侧壁绝缘，仅弧形底面导电，有利于提高与凹槽相对的工件表面电流密度分布的均匀性和稳定性。

所述的兼顾效率与精度的电解铣磨加工工具阴极，其特征在于每个弧形凹槽设置一列喷液孔，该列喷液孔均设置在弧形凹槽弧度方向中间位置。将喷液孔设在凹槽中间区域，有利于保证凹槽区域内电解液分布均匀，流场稳定。

所述的兼顾效率与精度的电解铣磨加工工具阴极，其特征在于：上述全部弧形凹槽尺寸结构完全一样。凹槽尺寸相同，使得电解铣磨加工时工件加工面电流密度呈周期性变化，其变化周期T₁=60/nω，每个周期内电解作用时间T₂=60α/2πω，（n为阴极侧壁上弧形凹槽（4）个数，ω为工具阴极转速，单位为转/分，α为一个弧形凹槽对应的圆心角弧度）。由于仅与工具阴极凹槽相对的工件表面存在电解作用，因此其旋转时，工件加工面的电流密度也将呈现周期性变化，并且每当阴极基体旋转一圈时，工件表面电流密度发生n次周期变化，由此可计算变化周期、电解作用时间。

所述的兼顾效率与精度的电解铣磨加工工具阴极，其特征在于电极铣磨加工时工具阴极切深等于弧形凹槽长度（凹槽长度是指凹槽沿工具阴极轴向长度）。加工时，电解液由喷液孔流出，流经凹槽再流入工件与工具阴极之间，如果此时切深小于弧形凹槽深度，电解液容易从凹槽上端流出，造成加工间隙内电解液减少，无法及时冲刷带走加工产物，不利于电解铣磨加工的稳定进行。而阴极基体开设凹槽的目的在于让凹槽成为加工间隙的一部分，从而拉近金刚石磨粒与工件表面距离，因此，切深也不能大于凹槽长度。

本发明具有以下优点：

1、采用常规工具阴极进行电解铣磨加工时（如图1），随着加工电压的增大，加工间隙增大，磨粒与工件加工表面接触深度减小，磨削作用减弱，降低了加工精度和表面质量。而采用本发明的工具阴极时（如图2），电解作用被限制在了与工具凹槽相对的工件表面，此时凹槽的深度是加工间隙的一部分，减小了工具阴极外壁面到工件加工面之间的距离，增加了磨粒对工件的切入深度，磨削作用也随之增大，因此，在磨粒不变情况下，增大加工电压，磨粒也能与工件充分接触，实现了高效与高精度的电解铣磨加工。

2、常规工具阴极电解铣磨加工时，电解作用的增大会引起磨削作用减弱，而磨削作用的增强又需要小的加工间隙，此时电流密度低，电解作用弱，无法实现电解作用与磨削作用各自的自由调节。而本发明的工具阴极电解铣磨加工时，磨粒对工件的磨削作用不再仅仅依赖于加工电压的大小，也可以通过调整弧形凹槽形状参数来调节，实现电解作用与磨削作用的独立调节，从而具有更好的加工灵活性，能够适应更多的加工要求。

3、常规的工具阴极电解铣磨加工时，如果进给速度过大，导致工具阴极和工件阳极的加工间隙过小，很容易发生打火甚至短路，增加了试验的不稳定性。本发明的工具阴极电解铣磨加工时其加工间隙恒大于凹槽深度，且凹槽侧壁绝缘，避免了电火花产生的可能，保证了试验的稳定性。

4、常规电解铣磨加工时，工具阴极和工件的侧面加工间隙内，远离喷液孔的区域电解液流速较小（如图7），容易出现供液不足的现象，导致电解铣磨加工失败。而本发明提供的工具阴极虽然不能改变流场的分布，但是将喷液孔设置在凹槽上，使得存在电解作用的工件表面始终处于高流速电解液区域（如图8），加工产物及热量能够及时被带走，提高了电解加工效率。

5、采用本发明的工具阴极，其旋转加工时工件表面电流密度呈现周期性变化，当工件表面与弧形凹槽相对时，电解作用下产生大量难溶产物，当工件表面与绝缘磨粒层接触时，不再产生新的电解产物，相比于常规电解铣磨加工，电解作用的产物有更多的时间排出，从而增强了间隙内产物排出的能力，这和脉冲电流电解加工相似，有利于提高加工精度。

附图说明

图1为常规工具阴极加工轮廓示意图；

图2为本发明提供的工具阴极加工轮廓示意图；

图3为本发明提供的工具阴极电解铣磨加工示意图；

图4为常规工具阴极电解铣磨加工时电流密度分布图；

图5为本发明提供的工具阴极电解铣磨加工时电流密度分布图；

图6为工件加工表面中点处电流密度随时间变化曲线；

图7为常规工具阴极电解铣磨加工电解液流速分布图；

图8为本发明提供的工具阴极电解铣磨加工电解液流速分布图；

其中标号名称为：1、阴极基体；2、盲孔；3、喷液孔；4、弧形凹槽；5、金刚石磨粒；6、绝缘磨粒层；7、工件；8、电源；9、工件进给方向；10、工具阴极旋转方向；11、工件加工轮廓线。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行进一步说明：

如图2所示，一种兼顾效率与精度的电解铣磨加工工具阴极，其特征在于包括阴极基体1、弧形凹槽4和绝缘磨粒层6；所述阴极基体1侧壁下端开有若干等间距分布的弧形凹槽4，侧壁非凹槽壁面通过树脂粘结剂镶嵌金刚石磨粒5，形成绝缘磨粒层6；所述阴极基体1中心开设盲孔2，弧形凹槽4上开设与盲孔2连通的喷液孔3。

如图3所示，所述的兼顾效率与精度的电解铣磨加工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，同时接电源负极，工件7接电源正极；进行电解铣磨加工时，电解液由阴极基体1的盲孔2进入，由弧形凹槽4上的喷液孔3喷射到工件7上，与弧形凹槽4相对的工件7表面受电解作用，与绝缘磨粒层6接触的工件表面受磨削作用，在二者的交替作用下，工件7材料被去除；由弧形于凹槽4深度作为加工间隙一部分，减小了阴极基体1外壁面与工件7加工表面的距离，使金刚石磨粒5的磨削作用增强，能够提高加工精度，降低加工面的表面粗糙度。

如图4~6所示，对常规工具阴极和本发明工具阴极电解铣磨加工进行了电场仿真，相同的仿真参数为：阳极工件电压30V，电解液电导率15S/m，工具阴极基体直径10mm，侧面加工间隙0.4mm，转速1000转/分，本发明的工具阴极弧形凹槽深0.2mm，圆心角为π/6，凹槽个数均为6，均取0.01s时的仿真结果分析。电解铣磨加工为侧面加工，即工具阴极与工件之间的半圆区域为加工区，采用常规的棒状基体工具阴极时，加工间隙内工件表面上的电流密度处处相等，即加工区域全受到电解作用。采用本发明提供的工具阴极时，由于侧壁凹槽和绝缘磨粒层的存在，使与凹槽相对的工件表面电流密度很大，而与绝缘磨粒层相对的工件表面电流密度为0，不存在电化学阳极溶解，此时加工间隙为工件表面到凹槽弧形底面的距离，相比于常规工具阴极，工具外壁面到工件的距离减小，磨粒对工件的切入深度增加，磨削作用增强。此外，随着工具阴极的旋转，工件表面的电流密度也呈现出周期性变化，如图6为本发明工具阴极电解铣磨加工时工件加工表面中点处（图5黑色圆点位置）电流密度随时间变化曲线，其模拟的电流密度变化周期为0.01s，单个周期内电解作用时间为0.0046s（取峰值的80%开始计算），根据提供的公式计算的理论电流密度变化周期为0.01s，单个周期内电解作用时间为0.005s，验证了所给公式的正确性。

如图7~8所示，为不同工具阴极下流场仿真图，其具体参数为：入液口压力0.6MPa，出液口压力为0MPa，工具阴极基体直径10mm，侧面加工间隙0.4mm，转轴转速为1000转/min，取0.01s时的仿真结果分析。在常规工具阴极下，侧面加工间隙内靠近喷液孔的区域电解液流速大，而远离喷液孔的区域流速骤减（如图7），这很容易引起该加工区域供液不足，导致加工失败，而且在高加工电压下，材料去除速度大，难溶产物增加，流速小的地方难溶产物很难及时冲刷带走，这也会影响电解铣磨加工的正常进行。在本发明提供的工具阴极下，其总体的流速分布虽然与常规工具下相似（如图8），但是由于本工具阴极电解铣磨加工时仅与弧形凹槽相对的工件表面存在电解作用，喷液孔又均分布在凹槽上，从而使得电解作用区域电解液流速均处于较高数值，能够充分冲刷、带走加工产物，提高电解加工的效率。

Claims (6)

1.一种兼顾效率与精度的电解铣磨加工工具阴极，其特征在于：包括阴极基体（1），阴极基体（1）侧壁下端开有若干等间距分布的弧形凹槽（4），侧壁下端相邻凹槽（4）之间的基体壁面通过树脂粘结剂镶嵌金刚石磨粒（5），形成绝缘磨粒层（6）；阴极基体（1）中心开设盲孔（2），所述弧形凹槽（4）上开设与盲孔（2）连通的喷液孔（3）。

2.根据权利要求1所述的兼顾效率与精度的电解铣磨加工工具阴极，其特征在于在于：上述弧形凹槽（4）的侧壁为经过绝缘处理的绝缘面。

3.根据权利要求1所述的兼顾效率与精度的电解铣磨加工工具阴极，其特征在于：每个弧形凹槽（4）设置一列喷液孔（3），该列喷液孔（3）均设置在弧形凹槽（4）弧度方向中间位置。

4.根据权利要求1所述的兼顾效率与精度的电解铣磨加工工具阴极，其特征在于：上述全部弧形凹槽（4）尺寸结构完全一样。

5.根据权利要求1所述的利用兼顾效率与精度的电解铣磨加工工具阴极的电解铣磨方法，其特征在于：电极铣磨加工时工具阴极切深等于弧形凹槽（4）长度。

6.利用权利要求1所述的兼顾效率与精度的电解铣磨加工工具阴极的电解铣磨方法，其特征在于包括以下过程：

工具阴极（1）安装在机床转轴上，同时接电源负极，工件（7）接电源正极；

进行电解铣磨加工时，电解液由阴极基体（1）的盲孔（2）进入，由弧形凹槽（4）上的喷液孔（3）喷射到工件（7）上，与弧形凹槽（4）相对的工件（7）表面受电解作用，与绝缘磨粒层（6）接触的工件表面受磨削作用，在二者的交替作用下，工件（7）材料被去除；

弧形凹槽（4）深度作为加工间隙一部分，减小了阴极基体（1）外壁面与工件（7）加工表面的距离，使金刚石磨粒（5）的磨削作用增强，能够提高加工精度，降低加工面的表面粗糙度。