CN109693009A - 工件往复运动辅助轴向冲液电解线切割加工方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种工件往复运动辅助轴向冲液电解线切割加工方法及装置，属于电化学加工技术领域。其主要特征在于：采用轴向冲液电解线切割加工大厚度工件，在工件向线电极做进给切割运动的同时工件沿进给方向做往复运动和沿线电极轴向做往复运动。采用工件往复运动方式，改变了工件与线电极之间、工件与喷嘴之间的距离，有利于电解液在狭长的进给端面加工间隙中快速流动，加快电解液的更新和电解产物的排除，缩小加工间隙内电解液流速的差异，提高电解切割加工效率和加工精度。

Description

工件往复运动辅助轴向冲液电解线切割加工方法及装置

技术领域

本发明涉及一种工件往复运动辅助轴向冲液电解线切割加工方法及装置，属于电化学加工技术领域。

背景技术

航空发动机叶盘榫槽、叶片榫头，精密传动齿轮等直纹面结构零部件，大都是采用切割技术加工出来的，而电解线切割是以金属细丝作为工具阴极，利用金属在电解液中发生电化学阳极溶解原理，对金属材料进行加工成形的一种切割技术，具有加工精度高、不产生加工残余应力、无重铸层、无工具损耗等优势，所以适用于直纹面结构零件的高精度切割加工。

但是，由于电解线切割加工的切缝过于狭窄，新鲜的电解液难以进入加工间隙内，降低了电解反应速度，同时电解产物难以从加工间隙中排除，蓄积在切缝中会导致电解液的成分和电导率发生变化，影响电解加工的稳定性，甚至会出现短路而中止加工。尤其是大厚度工件的切割加工，随着工件厚度的增加，切缝越深越狭长，电解产物越难以排除，电解液越难以更新。

对于大厚度工件的电解切割加工，常采用轴向冲液电解线切割加工方式：利用高速流动的电解液沿线电极轴向方向包裹着线电极快速冲进加工间隙内，冲走加工间隙的电解产物，达到快速更新电解液的目的，提高电解线切割加工效率和可加工大厚度工件的能力。但是当工件过厚时，线电极轴向方向的切缝更深，进给端面的加工间隙更小，能够进入加工间隙内的新鲜电解液很少，并且在狭窄的加工间隙内受到线电极和工件壁面的影响，流动速度大大减小，很难冲到底端，电解液的更新速率和电解产物的排除速度仍旧很慢，电解切割加工效率和可加工大厚度工件的能力提升不明显。此外，电解液流速在加工间隙内沿程损失很大，加工间隙内上部分流速快，工件去除量较大，加工间隙内下部分流速慢，工件去除量较小，导致加工出的切缝上宽下窄，加工精度降低。因此，如何快速高效排除切缝中的电解产物、更新切缝中的电解液，仍是电解切割大厚度工件时存在的重要难题。

发明内容

针对电解线切割加工时切缝中电解产物排除困难、电解液难以更新的问题，本发明提出了一种工件往复运动辅助轴向冲液电解线切割加工方法及装置。

一种工件往复运动辅助轴向冲液电解线切割加工方法，其特征在于：采用轴向冲液电解线切割加工工件，在工件向线电极做进给切割运动的同时工件做往复运动，工件的往复运动包括工件沿进给加工方向的往复运动和工件沿线电极轴向方向的往复运动；当工件沿进给方向做往复运动时，工件与线电极之间的距离发生周期性变化，两者间距的瞬间增大，有利于电解液更多更顺利地进入进给端面加工间隙内，彻底冲走电解产物、更新电解液，加快电解反应速度，提高电解切割加工效率；同时，由于进给端面加工间隙的增大，使得电解液能够快速的从中流过，减小电解液流速的沿程损失，缩小电解液在加工间隙上下部分的流速差异，提高电解切割加工精度；当工件沿线电极轴向往复运动时，工件与喷嘴之间的距离发生周期性变化，进给端面加工间隙内的电解液流速整体上不断变化，使得前端加工间隙内的电解液呈现脉动流态，进一步加快电解产物的排除和电解液的更新，提高电解切割加工效率；同时，已加工出的切缝内所吸附的电解液会在惯性力的作用下被甩出，缩小切缝内电解液的流场域，减小对已切割面的杂散腐蚀，提高电解切割加工精度。

实现所述的工件往复运动辅助轴向冲液电解线切割加工方法的装置，其特征在于：包括五轴机床***、阳极***、线电极***；上述五轴机床***包括X轴工作台、Y轴工作台、Z轴工作台、Xʹ轴工作台、Yʹ轴工作台、机床工作台；Xʹ轴工作台的Xʹ轴安装在Yʹ轴工作台上，Yʹ轴工作台的Yʹ轴安装在Z轴工作台上，Z轴工作台的Z轴安装Y轴工作台上，Y轴工作台的Y轴安装在X轴工作台上，X轴工作台的X轴安装在机床工作台上；五轴机床***还包括工控机和运动控制卡；上述阳极***包括阳极夹具、工件；工件安装在阳极夹具中，阳极夹具安装在Xʹ轴工作台上；上述线电极***包括阴极夹具、线电极、喷嘴、导流腔、导向器；其中阴极夹具固定安装在机床立柱上；线电极、喷嘴、导流腔、导向器四者同轴安装在阴极夹具中。

所述的工件往复运动辅助轴向冲液电解线切割加工装置的方法，其特征在于：X轴和Y轴的进给模块单独运行，控制X轴、Y轴的联合运动来带动工件与线电极之间的相对进给运动；Z轴的进给模块独运行，控制Z轴的上下运动来带动工件沿线电极轴向方向做往复运动；Xʹ轴、Yʹ轴的进给模块与X轴、Y轴的进给模块结合，当工件向线电极做相对进给运动的同时，控制Xʹ轴、Yʹ轴的联合运动来带动工件沿进给运动方向做往复运动。

本发明的有益效果在于：

1、本发明采用工件往复运动辅助轴向冲液电解线切割加工方法，当工件向线电极做进给切割运动的同时工件沿进给方向做往复运动，使得工件与线电极之间的距离发生周期性变化，两者间距的瞬间增大，有利于电解液更多更顺利地进入进给端面加工间隙内，彻底冲走电解液产物、更新电解液，加快电解反应速度，提高电解切割加工效率；同时，由于进给端面加工间隙的增大，使得电解液能够快速的从中流过，减小电解液流速的沿程损失，缩小电解液在加工间隙上下部分的流速差异，提高电解切割加工精度；

2、当工件向线电极做进给切割运动的同时工件沿线电极轴向做往复运动，使得工件与喷嘴之间的距离发生周期性变化，进给端面加工间隙内的电解液流速整体上不断变化，使得进给端面加工间隙内电解液呈现脉动流态，进一步加快电解产物的排除和电解液的更新，提高电解切割加工效率；同时，已加工出的切缝内所吸附的电解液会在惯性力的作用下被甩出，缩小切缝内电解液的流场域，减小对已切割面的杂散腐蚀，提高电解切割加工精度；

3、采用多轴多运动模块化统一协调控制方式，保证了工件与线电极之间的各种相对运动相对独立，即工件的往复运动不会影响到工件的正常进给运动，保证了电解切割加工效率。

附图说明

图1是工件往复运动辅助轴向冲液电解线切割整体装置结构示意图；

图2是工件往复运动辅助轴向冲液电解线切割加工方式示意图；

图3是工件往复运动辅助轴向冲液电解线切割加工时流场模型图；

图4是工件无往复运动时（间距为0.1mm）的流速分布云图；

图5是工件沿进给方向往复运动、间距增大到0.2mm时的流速分布云图；

图6是工件沿进给方向往复运动、间距增大到0.3mm时的流速分布云图；

图7是工件沿线电极轴向方向往复运动、向上运动1mm时的流速分布云图；

图8是工件沿线电极轴向方向往复运动、向下运动1mm时的流速分布云图；

其标号名称分别为：1、脉冲电源，2、工控机，3、运动控制卡，4、机床立柱，5、流通管道，6、压力泵，7、过滤器，8、储液箱，9、电解液槽，10、阴极夹具，11、电解液，12、阳极夹具，13、机床工作台，14、线电极，15、导向器，16、导流腔，17、喷嘴，18、工件，19、流场域。

具体实施方式

根据图1-2所示，本发明提出的一种工件往复运动辅助轴向冲液电解线切割加工装置的整体结构主要包括五轴机床***、电解液循环***、脉冲电源1、阳极***、线电极***；五轴机床***包括X轴工作台、Y轴工作台、Z轴工作台、Xʹ轴工作台、Yʹ轴工作台、机床工作台；Xʹ轴工作台的Xʹ轴安装在Yʹ轴工作台上，Yʹ轴工作台的Yʹ轴安装在Z轴工作台上，Z轴工作台的Z轴安装Y轴工作台上，Y轴工作台的Y轴安装在X轴工作台上，X轴工作台的X轴安装在机床工作台13上；五轴机床***还包括工控机2和运动控制卡3；阳极***包括阳极夹具12、工件18；工件18安装在阳极夹具12中，阳极夹具12安装在Xʹ轴工作台上；线电极***包括阴极夹具10、线电极14、喷嘴17、导流腔16、导向器15；其中阴极夹具10固定安装在机床立柱4上；线电极14、喷嘴17、导流腔16、导向器15四者同轴安装在阴极夹具10中。

五轴的运动由工控机2采用模块化调控方式通过运动控制卡3统一调控；X轴和Y轴的进给模块单独运行，控制X轴、Y轴的联合运动来带动工件18与线电极14之间的相对进给运动；Z轴的进给模块独运行，控制Z轴的上下运动来带动工件18沿线电极14轴向方向做往复运动；Xʹ轴、Yʹ轴的进给模块与X轴、Y轴的进给模块结合，当工件18向线电极14做相对进给运动的同时，控制Xʹ轴、Yʹ轴的联合运动来带动工件18沿进给运动方向做往复运动。

本发明“一种工件往复运动辅助轴向冲液电解线切割加工方法及装置”的操作过程为：

步骤1、线电极14安装在阴极夹具10中，工件18安装在阳极夹具12中；

步骤2、启动压力泵6，并根据实际加工情况调节压力泵6的压力，电解液11经过滤器7、流通管道5进入导流腔16，然后从喷嘴17中沿线电极14轴向喷出，冲入到工件18的加工间隙后落入电解液槽9中，最终流回储液箱8中；

步骤3、工件18接脉冲电源1正极，线电极14接脉冲电源1负极，启动脉冲电源1，并设定合适的电参数；

步骤4、工控机2通过运动控制卡3控制X轴、Y轴的联合运动来带动工件18与线电极14之间的相对进给运动；控制Z轴的上下运动来带动工件18沿线电极14轴向方向做往复运动；当工件18向线电极14做相对进给运动的同时，控制Xʹ轴、Yʹ轴的联合运动来带动工件18沿进给运动方向做往复运动；

步骤5、加工完毕后，关闭脉冲电源1、压力泵6，分离、清洗工件18。

为验证本发明提出的工件往复运动辅助轴向冲液电解线切割加工方法的有益效果，使用Fluent 15.0软件对加工间隙内的流场进行了仿真模拟，仿真条件为：线电极14直径为0.3mm，工件18厚度为5mm，加工出的切缝宽度为0.5mm，喷嘴17孔径为0.5mm，距离工件18上表面2mm，冲液入口压力为1MPa。建立加工间隙内的流场仿真模型如图3所示。

图4为工件无往复运动时的流速分布云图，从图中可以看出，电解液11沿线电极14轴向高速流动时，由于线电极14和工件18之间的间隙为0.1mm，切缝深10mm，只有少部分电解液11能够进入狭小且深的加工间隙内，并且流动速度大大减小，冲到切缝下部时流速几乎为0，加工间隙内上下流动速度差异较大。

图5是工件沿进给方向往复运动、间隙增大到0.2mm（间距增大了0.1mm）时的流速分布云图，图6是工件沿进给方向往复运动、间距增大到0.3mm（间距增大了0.2mm）时的流速分布云图，对比图4可以看出，随着线电极14和工件18之间的距离增大，大量电解液11进入加工间隙内，并能够从切缝底端冲出，同时在间隙中的流动速度较高，加工间隙内上下流动速度差异不大。

图7是工件沿线电极轴向方向往复运动、向上运动1mm时的流速分布云图，图8是工件18沿线电极14轴向方向往复运动、向下运动1mm时的流速分布云图，结合图4可以看出，随着工件18沿线电极14轴向往复运动时，加工间隙内的电解液11流动速度整体上逐渐变化，电解液11呈现脉动流态。

通过对加工间隙内的电解液11流场进行仿真对比可以看出，本发明提出的“工件往复运动辅助轴向冲液电解线切割加工方法及装置”可以加快加工间隙内电解产物的排除和电解液11的更新，提高电解切割加工效率和加工精度。

Claims (3)

1.一种工件往复运动辅助轴向冲液电解线切割加工方法，其特征在于：

采用轴向冲液电解线切割加工工件，在工件（18）向线电极（14）做进给切割运动的同时工件（18）做往复运动，工件（18）的往复运动包括工件（18）沿进给加工方向的往复运动和工件（18）沿线电极（14）轴向方向的往复运动；

当工件（18）沿进给方向做往复运动时，工件（18）与线电极（14）之间的距离发生周期性变化，两者间距的瞬间增大，有利于电解液（11）更多更顺利地进入进给端面加工间隙内，彻底冲走电解产物、更新电解液（11），加快电解反应速度，提高电解切割加工效率；同时，由于进给端面加工间隙的增大，使得电解液（11）能够快速的从中流过，减小电解液（11）流速的沿程损失，缩小电解液（11）在加工间隙上下部分的流速差异，提高电解切割加工精度；

当工件（18）沿线电极（14）轴向往复运动时，工件（18）与喷嘴（17）之间的距离发生周期性变化，进给端面加工间隙内的电解液（11）流速整体上不断变化，使得前端加工间隙内的电解液（11）呈现脉动流态，进一步加快电解产物的排除和电解液（11）的更新，提高电解切割加工效率；同时，已加工出的切缝内所吸附的电解液（11）会在惯性力的作用下被甩出，缩小切缝内电解液（11）的流场域（19），减小对已切割面的杂散腐蚀，提高电解切割加工精度。

2.实现权利要求1所述的工件往复运动辅助轴向冲液电解线切割加工方法的装置，其特征在于：

包括五轴机床***、阳极***、线电极***；

上述五轴机床***包括X轴工作台、Y轴工作台、Z轴工作台、Xʹ轴工作台、Yʹ轴工作台、机床工作台（13）；Xʹ轴工作台的Xʹ轴安装在Yʹ轴工作台上，Yʹ轴工作台的Yʹ轴安装在Z轴工作台上，Z轴工作台的Z轴安装Y轴工作台上，Y轴工作台的Y轴安装在X轴工作台上，X轴工作台的X轴安装在机床工作台（13）上；五轴机床***还包括工控机（2）和运动控制卡（3）；

上述阳极***包括阳极夹具（12）、工件（18）；工件（18）安装在阳极夹具（12）中，阳极夹具（12）安装在Xʹ轴工作台上；

上述线电极***包括阴极夹具（10）、线电极（14）、喷嘴（17）、导流腔（16）、导向器（15）；其中阴极夹具（10）固定安装在机床立柱（4）上；线电极（14）、喷嘴（17）、导流腔（16）、导向器（15）四者同轴安装在阴极夹具（10）中。

3.根据权利要求2所述的工件往复运动辅助轴向冲液电解线切割加工装置的方法，其特征在于：

X轴和Y轴的进给模块单独运行，控制X轴、Y轴的联合运动来带动工件（18）与线电极（14）之间的相对进给运动；

Z轴的进给模块独运行，控制Z轴的上下运动来带动工件（18）沿线电极（14）轴向方向做往复运动；

Xʹ轴、Yʹ轴的进给模块与X轴、Y轴的进给模块结合，当工件（18）向线电极（14）做相对进给运动的同时，控制Xʹ轴、Yʹ轴的联合运动来带动工件（18）沿进给运动方向做往复运动。