CN111673209A - 高速电弧加工内冲液负压抽吸装置及加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速电弧加工内冲液负压抽吸装置及加工方法，装置包括旋转主轴、工具电极、刚性壁、密封圈、主轴外壳、伸缩壁、排液口、冲液泵、抽吸泵和储液箱。储液箱中的介质液经加压后依次经过旋转主轴和工具电极内部流道冲向加工表面，进入充满液体介质的负压可变封闭腔室中，实现高速电弧加工中放电等离子体的断弧和加工表面的冷却作用，并最终通过抽吸泵回流至机床储液箱。本装置在加工区域周围产生负压环境，使得高压介质液的流体动力断弧作用和冷却作用更显著，更及时冲走金属蚀除颗粒，改善放电状态，提高加工表面质量并减小加工过程对周围表面的影响。还能有效降低高速电弧放电加工产生的噪声。

Description

高速电弧加工内冲液负压抽吸装置及加工方法

技术领域

本发明涉及放电加工领域，尤其涉及一种高速电弧加工内冲液负压抽吸装置及加工方法。

背景技术

高速电弧放电加工中，工具和工件之间的脉冲放电形成电弧等离子体，产生的大量热量使工件金属材料熔融甚至气化。辅助工具电极的旋转运动和高压流体冲液作用，实现及时断弧，防止烧伤工件表面。另一方面，高压流体冲液可以及时冲走熔融金属，提高材料去除效率，防止金属在放电间隙内重新凝固发生二次放电或短路，在高速电弧加工工艺中十分关键。

在高速电弧放电加工的现有技术中，高压流体冲液通过工具电极内部流道的内冲液和外置喷嘴的外冲液实现。该冲液方式属于开放式冲液，即冲液的出口端与外部环境相通，出口端为一个大气压强。加工开始前设置机床冲液的压力，或在加工过程中手动或者自动调节。

如申请号CN201210530743.0的专利文献《高速电弧放电铣削加工用冲液***》(刘永红等，中国石油大学(华东))所公开了一种由8～16个喷嘴在电极圆周方向上均匀分布进行外冲液的多路喷嘴。虽然每个喷嘴可以向放电间隙不同位置提供不同液体特性的冲液，但每个喷嘴单一对应一个比例阀，使得由多个比例阀并联组成的工作液分配执行单元的***变得非常复杂。而且该***为开环***，无法根据工件和电极之间放电状态进行自适应调节。

如专利CN104759716B的授权文献《高速电弧放电加工自适应冲液***》(陈吉朋等，上海交通大学)公开了一种自适应冲液调控***。上述***利用传感器实时检测液体介质状态和放电状态，通过改变电液控制阀调整参数而实现闭环***。但冲液方式仍属于开放式冲液，冲液口与大气相通，液体介质压力存在一定程度的波动和损失。该***在工具电极损耗较大时，电极侧面区域的放电没有直接的高压流体冲液，流体断弧作用削弱。

再如一类电弧立体加工方法，方法在一个封闭的腔室内对指定区域进行电弧加工。压强大小为0.4-0.7Mpa的液体介质由腔室的侧面开口流入，由电极的内部流道流出，对加工放电区域进行外冲液冷却和断弧，其余部分均保持密封。此类方法采用的是直流电源，放电等离子体的持续时间与液体流速有直接联系，通过调解液体介质的流速大小来实现不同脉宽的脉冲放电的效果。在加工过程中，密封腔室保持静止，仅实现加工区域的沉入式加工，加工方式单一。该方法中电极只有在加工方向上的进给，不存在旋转运动，仅依赖流体动力断弧机制，无法保证电弧的有效切断，加工过程不稳定，容易烧伤加工表面，导致材料热影响区较深和表面硬度差异较大等影响后续精加工的问题。加工参数中，电流大小为100～500A，电压为25～35V，属于放电能量较小的电弧加工，材料去除率有限。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供内冲液负压抽吸装置及采用该装置的高速电弧加工方法，其能解决上述相关问题。

技术方案：本发明的目的采用以下技术方案实现。

一种用于高速电弧放电加工的内冲液负压抽吸装置，装置包括旋转主轴、工具电极、主轴外壳、抽吸泵、储液箱和冲液泵，所述工具电极固定在旋转主轴上，旋转主轴绝缘连接到机床主轴上，并随着机床主轴高速旋转，实现加工过程中的机械运动断弧；介质液在抽吸泵、储液箱、冲液泵、旋转主轴和工具电极之间依次循环流通，所述工具电极采用单孔喷液式结构；在所述旋转主轴、工具电极与抽吸泵之间设置护套密封组件，所述工具电极被包围在由所述护套密封组件、主轴外壳和加工工件的上表面围成的可变密封腔室内，抽吸泵连接至所述护套密封组件，以此为可变密封腔室提供负压环境以提高流体动力断弧的稳定性。

优选的，所述护套密封组件包括弹性的伸缩壁、刚性壁和密封圈，所述伸缩壁的上端密封连接至所述主轴外壳的外壁面的下部，所述密封圈周向环绕的设置在所述伸缩壁的底端壁面上，所述刚性壁设置在所述伸缩壁轴向的中部，并在所述刚性壁的中部开设一个排液口，所述排液口通过液压管与所述抽吸泵连接。

优选的，所述伸缩壁在竖直方向具有伸缩弹性；所述密封圈周向设置在所述伸缩壁底端的外壁面上，所述密封圈的底面与工件上表面保持滑动密封。

优选的，所述伸缩壁采用内含弹簧或具有弹性的风琴管道或波纹管；所述冲液泵和抽吸泵的压强范围为0.1MPa～5MPa。

优选的，单孔喷液式结构的工具电极包括电极本体、接头和电极出液道；所述接头设置在所述电极本体的上部外壁上，用于与旋转主轴的连接；在所述电极本体的轴心开设通孔形成所述电极出液道，所述电极出液道的上端与所述旋转主轴的介质流道连通。

优选的，所述冲液泵包括泵体和控制阀；所述抽吸泵包括泵体、控制阀和过滤器。

一种工作液负压抽吸环境下的高速电弧加工方法，采用上述的装置实施该方法，方法如下。

电弧加工准备，先将工具材料绝缘固定在机床的工作台上，工具电极固定在旋转主轴上，旋转主轴与机床主轴固定连接，并保持绝缘；将工件材料和工具电极分别连接到放电电源的两极上；然后通过伸缩壁将伸缩壁、密封圈和排液口安装在主轴外壳外壁面下部，形成可变密封腔室；通过机床伺服***设定工件材料和工具电极之间的放电间隙(在高速电弧加工中，放电电源、机床工作台上的工件材料、放电间隙的自持式放电等离子体以及工具电极形成电流回路，利用复合断弧机制对放电间隙形成的电弧放电等离子体进行控制，避免工件材料被烧伤，高速电弧加工)。

高速竖向电弧加工，储液箱中的介质液经冲液泵达到高压状态并流过旋转主轴和工具电极的内部流道向加工区域提供内冲液；内冲液在可变密封腔室的负压环境中实现流体动力断弧并迅速将蚀除颗粒从加工间隙冲刷走，暂时储存在所述可变密封腔室内，随后经刚性壁上的排液口由抽吸泵抽回机床储液箱，形成一个供液循环***；工具电极向下进给，主轴外壳和工件表面的垂直距离缩短，伸缩壁继续被压缩，可变密封腔室的密封性不受改变，保证负压环境下的电弧铣削加工。

高速电弧铣削加工，储液箱中的介质液经冲液泵达到高压状态并流过旋转主轴和工具电极的内部流道向加工区域提供内冲液；内冲液在可变密封腔室的负压环境中实现流体动力断弧并迅速将蚀除颗粒从加工间隙冲刷走，暂时储存在所述可变密封腔室内，随后经刚性壁上的排液口由抽吸泵抽回机床储液箱，形成一个供液循环***；工具电极横向进给，可变密封腔室跟随主轴外壳移动，密封圈在压缩的伸缩壁作用下始终与工件表面接触并保持滑动密封，保证负压环境下的电弧铣削加工。

加工完毕，停止放电后，工具电极在机床伺服运动下上抬，由于伸缩壁的弹性被压缩，在一定行程内仍保持密封圈与工件表面的接触密封，抽吸泵充分抽走带有金属蚀除颗粒的液体介质，直至上抬的行程超过伸缩壁和刚性壁自由悬挂时的总长，停机。

其中，所述的复合断弧机制包括四个方面：采用高压工作液对放电间隙进行高速流体冲刷，实现流体动力扰弧或断弧；工具电极通过旋转主轴随机床主轴高速旋转，与固定在机床工作台上的工件材料之间形成相对运动，实现机械运动断弧；由于负压抽吸装置的作用，放电间隙的电弧放电等离子体处于负压状态，难以维持等离子体的平衡放电，实现负压断弧；脉冲电源作为放电电源进行周期性的电气断弧。通过四者复合的断弧机制实现对电弧放电等离子体的控制。

优选的，放电电源采用周期性脉冲电源，电压值为30-120V，峰值电流为50-10000A，提供的脉冲宽度和脉冲间隔范围为2μs-20000μs。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：1、在抽吸泵的作用下，整合密封腔室内部处在负压环境且充满液体介质的状态下。合理的负压环境使加工区域的流体动力断弧作用更稳定，不存在压力损失，断弧效果更好，有效减小蚀坑***非加工表面被腐蚀的面积。2、密封腔室内充满液体介质，对加工区域的冷却效果更好，减少加工表面的热影响层厚度。3、加工过程产生的熔融金属不会飞溅到周围非加工表面上并凝固。4、金属蚀除颗粒更快被液体介质带走，避免短路和二次放电等异常放电状态。5、可以实现高速电弧放电铣削加工和沉入式加工两种加工工艺。6、有效降低高速电弧加工过程中的噪声，保护机床操作人员健康。

附图说明

图1为本发明一种用于高速电弧放电加工的内冲液负压抽吸装置的第一实施例的示意图；

图2为图1中A处的放大示意图；

图3为图1所示实施例采用的工具电极的示意图；

图中：1、旋转主轴；2、工具电极；21、电极本体；22、接头；23、电极出液道；3、刚性壁面；4、密封圈；5、主轴外壳；6、伸缩壁；7、排液口；8、冲液泵；9、抽吸泵；10、储液箱。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

参见图1～图3，一种用于高速电弧放电加工的内冲液负压抽吸装置，装置包括旋转主轴1、工具电极2、主轴外壳5、抽吸泵9、储液箱10和冲液泵8，所述工具电极2固定在旋转主轴1上，旋转主轴1绝缘连接到机床主轴上，并随着机床主轴高速旋转，所述旋转主轴1存在内部流道，与机床的供液***相连；旋转主轴1的下端与所述工具电极2相连，为加工区域提供高压内冲液，以实现加工过程中的机械运动断弧。介质液在抽吸泵9、储液箱10、冲液泵8、旋转主轴1和工具电极2之间依次循环流通。其中，所述冲液泵8包括泵体和控制阀；所述抽吸泵9包括泵体、控制阀和过滤器。

其中，工具电极2采用单孔喷液式结构。在所述旋转主轴1、工具电极2与抽吸泵9之间设置护套密封组件，所述工具电极2被包围在由所述护套密封组件、主轴外壳5和加工工件的上表面围成的可变密封腔室内，抽吸泵9连接至所述护套密封组件，以此为可变密封腔室提供负压环境以提高流体动力断弧的稳定性。

可变密封腔室作用原理：在抽吸泵9作用下，可变密封腔室中产生负压环境，加工区域放电等离子体的扩张速度增加，并很难在该环境中维持稳定状态，避免工件表面烧伤。负压环境下，金属蚀除颗粒也将更快随液体介质流出放电间隙，避免二次放电或者短路等异常放电状态。

其中，护套密封组件包括弹性的伸缩壁6、刚性壁3和密封圈4，所述伸缩壁6的上端密封连接至所述主轴外壳5的外壁面的下部，所述密封圈4周向环绕的设置在所述伸缩壁6的底端壁面上，所述刚性壁3设置在所述伸缩壁6轴向的中部，并在所述刚性壁3的中部开设一个排液口7，所述排液口7通过液压管或抽吸管道与所述抽吸泵9连接。

其中，主轴外壳5不参与所述的旋转主轴1的旋转运动，只存在纵向或者横向的进给运动，与所述的伸缩壁6的上部分密封相连，保证可变封闭腔室的负压不变。

进一步的，伸缩壁6在竖直方向(即轴线方向)具有伸缩弹性。当工具电极2向下进进给时，所述伸缩壁6压缩；所述密封圈4周向设置在所述伸缩壁6底端的外壁面上，所述密封圈4的底面与工件上表面保持滑动密封。密封圈4上端与所述伸缩壁6下部密封相连，具有一定的弹性，保证密封圈4上端与工件表面接触且不产生间隙。

密封原理：当工具电极2向上做抬刀运动时，所述伸缩壁6在弹性作用下伸长，时刻保证所述密封圈4与工件表面接触并不产生间隙。

具体实施例中，所述伸缩壁6采用内含弹簧或具有弹性的风琴管道或波纹管；所述冲液泵8和抽吸泵9的压强范围为0.1MPa～5MPa。

参见图3，单孔喷液式结构的工具电极2包括电极本体21、接头22和电极出液道23；所述接头22设置在所述电极本体21的上部外壁上，用于与旋转主轴1的连接；在所述电极本体21的轴心开设通孔形成所述电极出液道23，所述电极出液道23的上端与所述旋转主轴1的介质流道连通。

其中，接头22优先采用螺纹接头。

可替换的，工具电极2采用多孔喷液式结构，即平行的轴线方向设置多个电极出液道23。

流体回路；放电加工过程中，首先冲液泵8抽取机床储液箱10中的介质液，加压后流经具有内部流道的旋转主轴1和工具电极2冲向加工区域，即机床供液***通过旋转主轴1和工具电极2相连形成的内部流道向加工区域提供高压液体介质。高压液体介质实现加工冷却和流体动力断弧作用后，缓存在加工区域周围的具有负压环境的可变密封腔室中，介质液充满整个可变密封腔室，在抽吸泵9产生负压作用下，经排液口7、抽吸管道与抽吸泵9流向机床供液***的储液箱10；在冲液泵8的作用下，将储液箱10内的介质液循环供给。

加工步骤：高速电弧加工时，储液箱10中的介质液经过冲液泵8达到高压状态并流过旋转主轴1和工具电极2内部流道向加工区域提供内冲液。内冲液在可变密封腔室的负压环境中实现流体动力断弧并迅速将蚀除颗粒从加工间隙冲刷走，暂时储存在所述可变密封腔室内，随后经刚性壁3上的排液口7由抽吸泵9抽回机床储液箱10，形成一个供液循环***。工具电极2向下进给时，主轴外壳5和工件表面的垂直距离缩短，伸缩壁6继续被压缩，可变密封腔室的密封性不受改变。高速电弧铣削加工时，工具电极2横向进给，可变密封腔室跟随主轴外壳5移动，密封圈4在压缩的伸缩壁6作用下始终与工件表面接触并保持滑动密封。当加工完毕停止放电后，工具电极2在机床伺服运动下上抬，由于伸缩壁6被压缩，在一定行程内仍保持密封圈4与工件表面的接触密封，有利于抽吸泵9充分抽走带有金属蚀除颗粒的液体介质，直至上抬的行程超过伸缩壁6和刚性壁3自由悬挂时的总长。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种用于高速电弧放电加工内冲液负压抽吸装置，其特征在于：装置包括旋转主轴(1)、工具电极(2)、主轴外壳(5)、抽吸泵(9)、储液箱(10)和冲液泵(8)，所述工具电极(2)固定在旋转主轴(1)上，旋转主轴(1)绝缘连接到机床主轴上，并随着机床主轴高速旋转，实现加工过程中的机械运动断弧；介质液在抽吸泵(9)、储液箱(10)、冲液泵(8)、旋转主轴(1)和工具电极(2)之间依次循环流通；所述工具电极(2)采用单孔喷液式结构；在所述旋转主轴(1)、工具电极(2)与抽吸泵(9)之间设置护套密封组件，所述工具电极(2)被包围在由所述护套密封组件、主轴外壳(5)和加工工件的上表面围成的可变密封腔室内，抽吸泵(9)连接至所述护套密封组件，以此为可变密封腔室提供负压环境以提高流体动力断弧的稳定性。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述护套密封组件包括弹性的伸缩壁(6)、刚性壁(3)和密封圈(4)，所述伸缩壁(6)的上端密封连接至所述主轴外壳(5)的外壁面的下部，所述密封圈(4)周向环绕的设置在所述伸缩壁(6)的底端壁面上，所述刚性壁(3)设置在所述伸缩壁(6)轴向的中部，并在所述刚性壁(3)的中部开设一个排液口(7)，所述排液口(7)通过液压管与所述抽吸泵(9)连接。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述伸缩壁(6)在竖直方向具有伸缩弹性；所述密封圈(4)周向设置在所述伸缩壁(6)底端的外壁面上，所述密封圈(4)的底面与工件上表面保持滑动密封。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征则在于：所述伸缩壁(6)采用内含弹簧或具有弹性的风琴管道或波纹管；所述冲液泵(8)和抽吸泵(9)的压强范围为0.1MPa～5MPa。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征则在于：单孔喷液式结构的工具电极(2)包括电极本体(21)、接头(22)和电极出液道(23)；所述接头(22)设置在所述电极本体(21)的上部外壁上，用于与旋转主轴(1)的连接；在所述电极本体(21)的轴心开设通孔形成所述电极出液道(23)，所述电极出液道(23)的上端与所述旋转主轴(1)的介质流道连通。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征则在于：所述冲液泵(8)包括泵体和控制阀；所述抽吸泵(9)包括泵体、控制阀和过滤器。

7.一种使用高速电弧放电加工内冲液负压抽吸装置的方法，其特征在于：

电弧加工准备，先将工具材料绝缘固定在机床的工作台上，工具电极(2)固定在旋转主轴(1)上，旋转主轴(1)与机床主轴固定连接，并保持绝缘；将工件材料和工具电极(2)分别连接到放电电源的两极上；然后通过伸缩壁(6)将伸缩壁(6)、密封圈(4)和排液口(7)安装在主轴外壳(5)外壁面下部，形成可变密封腔室；通过机床伺服***设定工件材料和工具电极(2)之间的放电间隙；

高速竖向电弧加工，储液箱(10)中的介质液经冲液泵(8)达到高压状态并流过旋转主轴(1)和工具电极(2)的内部流道向加工区域提供内冲液；内冲液在可变密封腔室的负压环境中实现流体动力断弧并迅速将蚀除颗粒从加工间隙冲刷走，暂时储存在所述可变密封腔室内，随后经刚性壁(3)上的排液口(7)由抽吸泵(9)抽回机床储液箱(10)，形成一个供液循环***；工具电极(2)向下进给，主轴外壳(5)和工件表面的垂直距离缩短，伸缩壁(6)继续被压缩，可变密封腔室的密封性不受改变，保证负压环境下的电弧铣削加工；

高速电弧铣削加工，储液箱(10)中的介质液经冲液泵(8)达到高压状态并流过旋转主轴(1)和工具电极(2)的内部流道向加工区域提供内冲液；内冲液在可变密封腔室的负压环境中实现流体动力断弧并迅速将蚀除颗粒从加工间隙冲刷走，暂时储存在所述可变密封腔室内，随后经刚性壁(3)上的排液口(7)由抽吸泵(9)抽回机床储液箱(10)，形成一个供液循环***；工具电极(2)横向进给，可变密封腔室跟随主轴外壳(5)移动，密封圈(4)在压缩的伸缩壁(6)作用下始终与工件表面接触并保持滑动密封，保证负压环境下的电弧铣削加工；

加工完毕，停止放电后，工具电极(2)在机床伺服运动下向上抬，由于伸缩壁(6)的弹性被压缩，在一定行程内仍保持密封圈(4)与工件表面的接触密封，抽吸泵(9)充分抽走带有金属蚀除颗粒的液体介质，直至上抬的行程超过伸缩壁(6)和刚性壁(3)自由悬挂时的总长，停机。

8.根据权利要求7所述的高速电弧加工方法，其特征在于：放电电源采用周期性脉冲电源，电压值为30-120V，峰值电流为50-10000A，提供的脉冲宽度和脉冲间隔范围为2μs-20000μs。

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