CN112222547A

CN112222547A - 一种机匣内表面多型腔结构高效电解加工装置及加工方法

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Publication number: CN112222547A
Application number: CN202011050161.3A
Authority: CN
Inventors: 葛永成; 陈旺旺; 朱永伟; 高吉成
Original assignee: Yangzhou University
Current assignee: Yangzhou University
Priority date: 2020-09-29
Filing date: 2020-09-29
Publication date: 2021-01-15
Anticipated expiration: 2040-09-29
Also published as: CN112222547B

Abstract

一种机匣内表面多型腔结构高效电解加工装置及加工方法，阳极工件装夹在机床工作台上，阴极头通过阴极夹持块装夹在进给转向装置上，进给转向装置可同时安装多个阴极夹持块；加工过程中，机床主轴沿Z轴垂直进给，通过进给转向装置驱动阴极头作横向进给。每个阴极夹持块均设有电解液进液口和内部电解液流道；每个阴极头加工面均设有不同形式的电解液出液口。本发明通过专用的进给转向装置，驱动多个阴极头同时开展电解加工，有效提高加工效率；本发明以进给转向装置为载体，在不同位置加持多个阴极头，实现多个型腔结构的同时加工，缩减了工艺流程，减少了多个型腔一次加工过程中的重复对刀工序，保障了加工精度。

Description

一种机匣内表面多型腔结构高效电解加工装置及加工方法

技术领域

本发明属于电解加工技术领域，具体涉及一种机匣内表面多型腔结构高效电解加工装置及加工方法。

背景技术

航空发动机是飞机的动力核心部件，其制造技术是一个国家制造业的典型代表，是一个国家综合国力的重要体现。机匣是航空发动机中的关键部件之一，承载着连接、承载、支撑、包容等重要作用。机匣是典型的薄壁回转体零件，其直径通常在数百至上千毫米，而壁厚一般仅为2-3毫米左右。为了进一步减轻重量、降低能耗，同时保持较好的刚性，机匣零件表面通常设有较多的不连续的型腔的结构。材料传统切削加工方法，易受到装夹力、切削力、以及机械加工所产生的残余应力的影响，使机匣零件变形。加之机匣通常是由高温合金等难加工的材料制成，加工过程中刀具极易损坏，导致制造成本居高不下。

电解加工是利用阳极材料电化学溶解作用实现多余材料去除的特种加工技术，具有无残余应力、无刀具损耗等技术优势，在航空发动机机匣零件的加工制造中具有极大的应用价值。如北京航空制造工程研究提出旋转扫描式照相电解加工方法、南京航空航天大学提出旋印电解加工方法(中国发明专利申请号201410547093.X)、沈阳黎明航空发动机(集团)有限责任公司提出利用块状电极加工机匣型面的电解加工技术(中国发明专利申请号200910248600.9)。然而上述方法均是针对机匣外型面凸台结构提出的电解加工技术，针对机匣内型腔结构的高效电解加工技术有待于进一步研究。

发明内容

本发明目的在于解决薄壁机匣内型腔结构制造过程中加工效率低、生产成本高的技术难题，提出一种适用于回转体的机匣内表面多型腔结构高效电解加工装置及加工方法，通过机床主轴同时驱动多个阴极头，同时对回转体内表面开展电解加工，达到高效率、低成本制造回转体内表面复杂型腔结构的目的。

为了达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的第一个目的是提供一种机匣内表面多型腔结构高效电解加工装置，其特征在于，包括进给转向装置、机床主轴、进液口、阴极夹持块、阴极头、阳极工件、机床工作台、出液口；

阳极工件装夹在机床工作台上，并与电源正极相连；阴极头通过阴极夹持块装夹在进给转向装置上，并与电源负极相连；进给转向装置可同时安装多个阴极夹持块；加工过程中，机床主轴沿Z轴垂直进给，通过进给转向装置驱动阴极头作横向进给。

每个阴极夹持块均设有电解液进液口和内部电解液流道；阴极头固接在相应的阴极夹持块上，且每个阴极头加工面均设有不同形式的电解液出液口，进液口、阴极夹持块的内部电解液流道、阴极头的内部电解液流道、出液口连通。

进一步的，所述进给装置，其通过锥形传动结构将Z轴进给运动转换成X轴进给运动，其速度转化关系为f_x＝f_z*tanθ，其中，θ为进给转向装置锥形斜面与Z轴夹角、f_z为机床主轴垂直进给速度、f_x为阴极头横向进给速度。

进一步的，所述阴极夹持块，其上端进液口内孔截面面积应大于对应的阴极头表面出液口截面面积之和。

进一步的，所述阴极头，其表面出液口为缝型出口，缝宽为0.1-1mm。

本发明的第二个目的是提供一种机匣内表面多型腔结构高效电解加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤(1)：将进给转向装置固接到机床主轴上，根据加工需要，分别在进给转向装置锥面结构的不同位置连接阴极夹持块，并在阴极夹持块上，安装与机匣内型腔结构相匹配的阴极头；将待加工的阳极工件通过专用夹具固定在电解机床工作台上；

步骤(2)：检查电源及电回路，确保无断路、无短路，并将阳极工件和阴极头分别于电源正极和负极相连；检查电解液循环***，确保电解液回路无泄漏，且供液压力可调；

步骤(3)：按公式f_x＝f_z*tanθ校准机床进给速度，开启加工电源，启动电解液循环***和机床控制***；在机床主轴驱动下，阴极头逐渐逼近阳极工件内表面；在电化学作用下，阳极工件内表面与阴极头的相对区域发生电化学溶解；

步骤(4)：机床主轴驱动阴极头持续进给，逐步在阳极工件内表面的对应区域形成一定深度的型腔结构。按公式t＝h/f_x校准加工时长，其中，h为型腔深度、t为加工时长。当加工时长达t＝h/f_x时，机床停止进给，同时关闭加工电源和电解液循环***。

步骤(5)：机床主轴向上运动，带动阴极头远离工件表面型腔结构，取出机匣零件，并清洗加工产物，然后流转至下一工序。

进一步的，所述阴极头和所述阴极夹持块，其内部电解液流道相通，且连接处应添加橡胶圈，保持严密密封。

进一步的，机床主轴提供Z向运动，通过进给转向装置，带动阴极头水平运动。

本发明技术方案，有以下显著效果：

1、本发明技术方法是基于电化学原理加工成型，是一种无接触的高质量加工方法，有效克服了传统加工中工件易变形、刀具损耗大、加工成本高等技术难题。

2、本发明通过专用的进给转向装置，驱动多个阴极头同时开展电解加工，有效提高加工效率；本发明以进给转向装置为载体，在不同位置加持多个阴极头，实现多个型腔结构的同时加工，缩减了工艺流程，减少了多个型腔一次加工过程中的重复对刀工序，保障了加工精度。

3、本发明阴极头和阴极夹持块为分离结构，加工过程中，可根据实际需要更换不同结构形状的阴极头，满足不同结构形式的复杂浅型腔结构加工需求。同时，若加工过程发生短路等意外情况，只需更换阴极头即可再续加工，有效节约加工成本。

附图说明

图1是本发明一种机匣内表面多型腔结构高效电解加工装置示意图；

图2是本发明阴极头示意图；

图3是本发明进给转向装置示意图；

图中：进给转向装置1、机床主轴2、进液口3、阴极夹持块4、阴极头5、阳极工件6、工作台7、出液口8、对正线9、夹持端10、锥形导轨11、支撑快12；

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1是本发明一种机匣内表面多型腔结构高效电解加工装置示意图，图中包括进给转向装置1、机床主轴2、进液口3、阴极夹持块4、阴极头5、阳极工件6、工作台7、出液口8；其中进给转向装置1、机床主轴2、阴极夹持块4、阴极头5、工作台7均由不锈钢等耐腐蚀材料制成；进给转向装置1应保持无阻力自由滑动；阴极头5和阴极夹持块4之间应添加橡胶垫圈，保持二者接触处不产生泄露。

图2是本发明阴极头示意图，图中包括出液口8、对正线9、夹持端10；夹持端10与阴极夹持块旋紧时，应保持对正线9与阴极夹持块4上对正线对齐，以确保阴极头垂直，不产生外斜；出液口8为缝型出口，其宽度范围在0.1-1mm左右。

图3是本发明进给转向装置示意图，图中包括对正线9、锥形导轨11、支撑块12，以及阴极夹持块4和机床主轴2；锥形导轨11可同时套接多个阴极夹持块4，并保持相对自由滑动；多个阴极夹持块4从锥形导轨11上端***阴极夹持块的燕尾导槽，并在锥形导轨11下端形成相互支撑，不会脱落；支撑块12表面也设有导槽，以保证机床主轴下行时，阴极夹持块4能顺利沿横向进给；使用过程中，支撑块12固定到机床工作台7上，支撑块12上表面设有导向柱，***锥形导轨11底部中心内孔，予以导向。

下面结合图1-3，本发明一种机匣内表面多型腔结构高效电解加工方法，具体实施步骤如下：

步骤(1)：安装进给转向装置1、阴极夹持块4、阴极头5和阳极工件6。

将待加工阳极工件6通过专用夹具固定在机床工作台7上，并检查阳极工件6与机床工作台7的对中性。将进给转向装置1固接到机床主轴2上，在进给转向装置1的四个侧面安装四个阴极夹持块4，在每个阴极夹持块4上安装与待加工型腔相匹配的阴极头5。

步骤(2)：检查机床设备，校核机床进给速度

检查电源***及其供电回路，确保无短路、无断路；检查电解液循环***，确保电解液无泄漏，且供液压力可调；确保机床各设备无故障，并且将阴极工具5和阳极工件6分别与电源负极和电源正极相连。校核机床主轴Z向进给速度，是否满足公式f_x＝f_z*tanθ。

本实例中θ为23°，经初步理论计算阴极进给速度f_x为1mm/min，则依据上述公式，可获得机床主轴Z向进给速度约为2.358mm/min。

步骤(3)：靠拢内表面，准备加工。

手动启动机床，使机床主轴2做竖直向下运动，通过进给转向装置1带动阴极夹持块做水平运动，继而完成阴极头5向待加工表面的靠拢，使得各阴极头头5和阳极工件6之间保持0.5mm左右的初始间隙。

步骤(4)；启动电解液***和电解加工供电***，开始加工。

开启电解液循环***，开启电解加工供电***，启动机床数控***，驱使机床主轴2持续沿Z轴方向进给，通过进给转向装置1带动阴极头5沿水平方向进给，在与阳极工件6相对的区域形成一定深度的、与阴极头5形状相对应的型腔。按公式t＝h/f_x校准加工时长，其中，h为型腔深度、t为加工时长。当加工时长达t＝h/f_x时，机床停止进给，同时关闭加工电源和电解液循环***。

本实例中型腔深度为2mm，由步骤(2)可知机床主轴沿Z向进给速度f_z约为2.358mm/min，阴极头水平进给的速度f_x为1mm/min，则可按上述公式换算加工时长t为2min，即可完成机匣内壁多个型腔加工，由此可知，本发明提出方法能有效简化加工工艺、大幅提高加工效率。

步骤(5)：加工完成，清洗工件。

到达预设加工时长后，即关闭电解加工供电***和电解液循环***，手动控制机床驱动机床主轴沿Z轴上行，促使阴极头5退出阳极工件6内壁型腔结构，取下阳极工件6，并清洗加工产物。然后流转至下一工序。

Claims

1.一种机匣内表面多型腔结构高效电解加工装置，其特征在于，包括：进给转向装置(1)、机床主轴(2)、阴极夹持块(4)、阴极头(5)、阳极工件(6)、机床工作台(7)；

所述阳极工件装夹在机床工作台上，并与电源正极相连；所述阴极头通过阴极夹持块装夹在进给转向装置上，并与电源负极相连；所述进给转向装置安装有若干个阴极夹持块；加工过程中，机床主轴沿Z轴垂直进给，通过进给转向装置驱动阴极头作横向进给；

每个阴极夹持块均设有电解液进液口(3)和内部电解液流道，阴极头固结在相应的阴极夹持块上，且每个阴极头均设有电解液出液口(8)和内部电解液流道，进液口、阴极夹持块的内部电解液流道、阴极头的内部电解液流道、出液口连通。

2.根据权利要求1所述的一种机匣内表面多型腔结构高效电解加工装置，其特征在于，所述进给转向装置通过锥形传动结构将Z轴进给运动转换成X轴进给运动，其速度转化关系为f_x＝f_z*tanθ,其中，θ为进给转向装置的锥形斜面与Z轴夹角，f_z为机床主轴垂直进给速度，f_x为阴极头横向进给速度。

3.根据权利要求1所述的一种机匣内表面多型腔结构高效电解加工装置，其特征在于，所述阴极夹持块与所述阴极头(5)的连接处采用密封连接。

4.根据权利要求1所述的一种机匣内表面多型腔结构高效电解加工装置，其特征在于，所述阴极夹持块上端的进液口内孔截面面积大于对应的阴极头表面出液口截面面积之和。

5.根据权利要求1所述的一种机匣内表面多型腔结构高效电解加工装置，其特征在于，所述阴极头出液口为缝型出口，缝宽范围为0.1-1mm。

6.根据权利要求2所述的一种机匣内表面多型腔结构高效电解加工装置，其特征在于，所述阴极头的加工时长t＝h/f_x，h为型腔深度。

7.根据权利要求1所述的一种机匣内表面多型腔结构高效电解加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤(1)：将进给转向装置(1)固接到机床主轴上(2)，根据加工需要，分别在进给转向装置(1)锥面结构的不同位置连接阴极夹持块(4)，并根据机匣型腔结构，安装具有相应形状结构的阴极头(5)；将待加工的阳极工件(6)通过专用夹具固定在电解机床工作台上(7)；

步骤(2)：检查电源及电回路，确保无断路、无短路，并将阳极工件(6)和阴极头(5)分别于电源正极和负极相连；检查电解液循环***，确保电解液回路无泄漏，且供液压力可调；

步骤(3)：按公式f_x＝f_z*tanθ校准机床进给速度，θ为进给转向装置的锥形斜面与Z轴夹角，f_z为机床主轴垂直进给速度，f_x为阴极头横向进给速度；开启加工电源，并启动电解液循环***和机床控制***；在机床主轴(2)驱动下，阴极头(5)逐渐逼近阳极工件(6)内表面；在电化学作用下，阳极工件(6)内表面与阴极头(5)的相对区域发生电化学溶解；

步骤(4)：在机床主轴(2)的持续驱动下，阳极工件(6)内表面与阴极头(5)的相对区域逐渐形成一定深度的型腔结构；按公式t＝h/f_x校准加工时长，其中，h为型腔深度、t为加工时长；当加工时长达t＝h/f_x时，机床停止进给，同时关闭加工电源和电解液循环***；

步骤(5)：机床主轴(2)向上运动，促使阴极头(5)退出阳极工件(6)表面型腔结构；取出机匣零件，并清洗加工产物，然后流转至下一工序。