CN113458515B - 叶片组合式旋转阴极电解铣削工具及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种叶片组合式旋转阴极电解铣削工具及方法，属于电解加工领域。本发明提出的叶片组合式旋转阴极包括工具电极、卡槽环、叶片、卡套和紧定螺钉。安装时，将叶片嵌入卡槽环的侧面凹槽，然后在卡槽环的内孔中***工具电极，最后套上卡套，用紧定螺钉固定。工具电极正转产生的向上气体流场可以在叶轮下方为加工间隙内电解液提供远小于大气压的低压区，加速电解液的流动更新，促进热量和产物的快速排出。这样可以保持加工间隙内电解液的高洁净度、高电导率，促进电解作用的持续高效进行。本发明可以有效地提高电解铣削加工的加工效率和加工后工件的表面质量。
Description
技术领域
本发明涉及一种叶片组合式旋转阴极电解铣削工具及方法，属于电解加工领域。
背景技术
钛合金、高温合金等金属材料比强度高、耐热性与耐腐蚀性好，因而在航空航天、汽车、船舶等领域应用广泛。然而，由于钛合金及高温合金的硬度高、导热性差，如果使用传统的切削加工方法，切削力会很大、加工区域的温度会很高，这将造成刀具的剧烈磨损，而且也会影响材料表面的物理性能；电火花加工使用火花放电产生的热量来去除材料，若使用电火花加工钛合金等材料，那么在材料表面很容易产生重铸层和残余应力；而电解加工靠电化学阳极溶解作用去除材料，具有加工不受材料机械性能的影响、成本低、无应力、无刀具损耗等优点，被广泛应用于钛合金等难加工材料的加工。
电解铣削工艺近年来越来越多地应用于钛合金和高温合金等材料的加工。与使用成型电极的传统电解加工工艺不同，电解铣削使用棒状或球状电极作为旋转阴极，用类似数控铣削的方法控制电极的移动路径和加工参数，最终在工件上加工出所需要的型面。因此，电解铣削是一种高柔性、低成本的电解加工工艺。
尽管电解铣削工艺在加工钛合金等难加工材料时表现出一定的优势，但其在加工原理上也有一些固有缺陷。在一般的正流式电解铣削加工过程中，电解液从竖直电极内部落下，冲击水平工件表面后，涌入极窄的加工间隙（一般在0.1mm到0.5mm），最后从极窄的加工间隙向外四溢流出，所以加工间隙内的电解液流场十分紊乱，特别是加工间隙过小会加剧电解液流场的状况不佳，流量的供应不足，甚至产生局部缺液、空穴、短路现象，严重影响电解加工的精度和稳定性。而且因为经过水平工件表面的阻挡以及间隙外大气压的阻碍，电解液的流速大大降低，部分能够挤出加工间隙的电解液流速会呈指数降低，还有部分未能挤出加工间隙的电解液就会在间隙内回旋甚至产生死水区。这些紊乱、缓慢的电解液都将导致电解作用产生的产物颗粒难以尽快排出，加工间隙内滞留的产物颗粒增多就会使电解液的电导率下降，阻碍电解作用充分进行；排出间隙的产物颗粒也会随电解液流速降低而部分滞留已加工或者未加工表面，损害加工后工件的表面质量。
针对正流式电解铣削加工间隙内的流场问题，常见的改善方法有增加电解液入口压力、脉动流场法和振动电极法等。单纯增加电解液入口压力的效果并不显著，而且遇到一些复杂的加工表面或者加工要求时甚至会适得其反。同样地，直接调整电解液的方法还有脉动流场法。专利“脉动流场管电极电解加工方法及装置”（授权公告号：CN102198549B，发明人：房晓龙;朱荻;曲宁松）发明了一种脉动流场管电极电解加工装置，它利用压力伺服控制***，控制伺服阀阀芯的动作来调节流量、压力，输出脉动电解液到电解加工区。脉冲电解液射流高速进入加工间隙，在管口产生强烈脉动涡环流，以波动压力的方式连续不断冲击孔底，改善间隙内流场。这种方法原理直接，效果明显，但是操作较复杂，专业性要求高，特别是对于流场脉动参数（波形、幅值、频率等）的计算、流场脉动相位关系的分析、信号反馈动态调节等要求十分高，实际操作起来不容易上手。另外一个区别于上述方法的就是振动电极法，通过控制阴极的周期性振动实现阴阳极之间加工间隙的周期性变化。该方法就是在加工间隙最小时通电进行电解加工，当阴极振动离开最小间隙后，电源关断，停止电解加工，间隙达到最大(振动至最上端)，形成负压，电解液开始冲刷，电解液可以快速更新。专利“一种电解加工振动进给运动实现装置”（公开号：CN103028795A）利用音圈电机驱动实现振动运动；专利“一种电解加工振动装置”（授权公告号：CN106825800B）中利用凸轮机构和凸轮随动器实现振动运动；专利“一种电解加工振动进给运动实现装置”（授权公告号：CN110539043B）中利用螺杆滑块实现振动运动。振动电极法的操作简单，效果显著，但装置复杂，成本较高。而且对于振动电极法，基本上都要搭配脉冲电源，实现电极振动周期和电源脉冲周期同步要求的难度较高。因此需要找到一种简单的流场改善装置能高效便捷地解决正流式电解加工加工间隙内的流场问题。
发明内容
鉴于上述现有技术中所存在的问题，本发明设计了一种叶片组合式旋转阴极电解铣削工具及方法，旨在用简单装置自发地产生气体流场，以调整加工间隙内外压强差，改善电解铣削加工间隙内的电解液流场。
一种叶片组合式旋转阴极电解铣削工具，其特征在于：
包括工具电极、卡槽环、叶片、卡套、紧定螺钉；
上述工具电极为圆筒状电极，底部有若干出液孔；
上述卡槽环由上、下两部分组成，上部分的圆柱结构外径小于下部分的圆柱结构外径，整体为凸台状圆环结构；上述卡槽环的内径等于工具阴极外径；卡槽环下部外圆柱结构表面沿圆周方向排布若干凹槽；
上述卡套为圆环结构，中心为阶梯孔，其中卡套上部的较小内孔径与卡槽环上部分的圆柱结构的外径相等，卡套下部的较大内孔径与卡槽环下部分的圆柱结构的外径相等；
上述叶片由上、下两部分组成，上部分为T字型的叶柄，下部分为叶片本体；
上述叶片的T字型的叶柄从上而下嵌***卡槽环侧面的凹槽内；T字型的叶柄的水平部分压在卡槽环的台阶面上，卡槽环与所有叶片组成叶轮；
上述卡槽环上部圆柱结构表面排布有若干通孔，卡套上部设置有与卡槽环通孔相对应排布的螺纹孔；这样，卡套就能与卡槽环完美连接，紧密配合；
卡槽环套在工具电极上，并保持工具电极底面与所有叶片的底面共面；卡套套在卡槽环上，并保持卡套顶面与卡槽环顶面共面，卡套阶梯孔的台阶面压在叶片的T字型叶柄的水平部分的顶面上；紧定螺钉穿过卡套的螺纹孔和卡槽环的通孔后最终抵在工具电极的外圆柱面，连接卡槽环与卡套并将它们与工具电极和叶片固定在一起。这种连接结构易于拆装，零件方便更换。
上述的叶片组合式旋转阴极电解铣削工具，其特征在于：不同叶片的叶片本体的尺寸、曲率、角度均可调整组合，叶片的数量也可根据需求调整；通过以上调整可以调节气体流场的相关参数以满足加工的要求；
上述的叶片组合式旋转阴极电解铣削工具，其特征在于：上述叶片中的一部分叶片的叶片本体为框架结构，表面固定展开过滤吸附膜。
上述的叶片组合式旋转阴极电解铣削工具，其特征在于：工具电极为金属材料，卡槽环、叶片、卡套和紧定螺钉使用绝缘材料。这样是为了防止除工具电极外的零件干扰工具电极和工件之间的电场分布。
利用上述的叶片组合式旋转阴极电解铣削工具的电解铣削方法，其特征在于以下过程：
工具电极接电源负极并竖直装夹于机床主轴上，工件接电源正极；电解液经主轴从工具电极顶端的进液孔流入，再从工具电极底部的出液孔流出到工件的加工区域；
加工时，工具电极和工件通电，工具电极正下方的工件材料在电解作用下溶解并产生大量难溶性的电解产物颗粒。此时工具电极按正转方向旋转，带动叶轮高速旋转产生一个向上的气体流场，使叶轮底部区域压强降低，增大加工间隙内外压强差，对加工间隙内的电解液构成吸引；从工具电极底部出液孔流出的电解液便加速沿叶轮半径方向朝四周甚至上方扩散，携带加工产生的热量与电解产物颗粒快速排出；这样加快加工间隙内电解液的更新速度可以一直维持加工间隙内电解液的洁净，保证较高的电导率，促进电解作用的高效持续进行，提高了加工的材料去除率。电解产物颗粒的迅速排出还能避免其对加工表面的污染，提高了加工后工件的表面质量。
本发明相较于以往常用的脉动流场法和振动电极法，不需要额外复杂的装置***和控制程序，便捷高效。它的原理在于降低间隙外的压强，使之小于大气压，减少电解液排出的阻力，不用周期性增大间隙也不用提供周期性脉冲流场。另外地，不同于正转方向旋转，当工具电极按反转方向旋转时，所提供的向下气体流场很微弱，无法影响电解液流场，但却还是能提供一些气团，使一部分气团混入排出间隙的电解液，降低加工间隙外电解液的电导率，一定程度上可以减少对非加工区域的杂散腐蚀。
本发明具有如下优点：
1 本发明的工具电极结构简单，且凭借阴极的旋转即可产生向上的气体流场，无需增加外部装置，成本低，操作简单。工具电极拆装方便，叶片的数量、大小、角度、有无过滤吸附膜等参数都可以通过更换叶片来快速调节，工具电极转速也可通过机床的控制***调节，加工柔性好。
2 本发明仅以工具电极旋转为驱动便可带动叶轮旋转产生向上气体流场，在叶轮下方为加工间隙内电解液提供远小于大气压的低压区，加速电解液的流动更新，促进热量和产物的快速排出。这样可以保持加工间隙内电解液的高洁净度、高电导率，促进电解作用的持续高效进行，提高加工的材料去除率。电解产物颗粒的迅速排出还能避免其对加工表面的污染，提高了加工后工件的表面质量。
3本发明使用部分带过滤吸附膜的叶片，这些叶片可以一定程度地截留电解加工的难溶性产物，有利于维持电解液的清澈洁净，维持电解液的电导率。当过滤吸附膜上的产物积满时，即可通过更换过滤吸附膜的方式保持叶片的过滤性能，操作方便。
附图说明
图1为叶片组合式旋转阴极的结构三维示意图；
图2为叶片组合式旋转阴极的结构***图；
图3为叶片的安装过程示意图；
图4为卡槽环的结构示意图；
图5为卡套的结构示意图；
图6为叶片的结构示意图；
图7为有无向上气体流场辅助电解铣削加工的对比图；
图8为叶片组合式旋转阴极反转提供气团来降低加工间隙外电解液电导率的示意图；
其中标号名称为：1.工具电极；2.卡槽环；3.叶片；4.卡套；5.紧定螺钉；6.工件；7.电解产物；8.气团；9.正转方向；10.反转方向；11.叶片安装方向。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明：
如图1和图2所示，本发明提出的一种叶片组合式旋转阴极电解铣削工具包括工具电极1、卡槽环2、叶片3、卡套4、紧定螺钉5。工具电极1为圆筒状电极，底部有若干出液孔。卡槽环2由上、下两部分组成，上部分的圆柱结构外径小于下部分的圆柱结构外径，整体为凸台状圆环结构，卡槽环2的内径等于工具阴极外径；卡槽环2上部圆柱结构表面排布有若干通孔，卡槽环2下部外圆柱结构表面沿圆周方向排布若干凹槽，如图4所示。卡套4为圆环结构，中心为阶梯孔，其中卡套4上部的较小内孔径与卡槽环2上部分的圆柱结构的外径相等，卡套4下部的较大内孔径与卡槽环2下部分的圆柱结构的外径相等；卡套4上部设置有与卡槽环2通孔相同排布的螺纹孔，如图5所示。虽然图中卡槽环2的通孔和卡套4的螺纹孔都只有八个，卡槽环2的凹槽也只有二十四个，但这些都可以根据不同加工条件、要求调整数量大小。叶片3由上、下两部分组成，上部分为T字型的叶柄，下部分为叶片本体；叶片3中的一部分叶片的叶片本体为框架结构，表面固定展开过滤吸附膜，如图6所示。
通过图2的结构***图，可以理解该叶片组合式旋转阴极的安装过程。先将叶片3的T字型的叶柄从上而下嵌***卡槽环2侧面的凹槽内，T字型的叶柄的水平部分压在卡槽环2的台阶面上，如图3所示。这样，卡槽环2与所有叶片3就能组成叶轮。然后卡槽环2套在工具电极1上，并保持工具电极1底面与所有叶片3的底面共面。接着卡套4套在卡槽环2上，并保持卡套4顶面与卡槽环2顶面共面，卡套4阶梯孔的台阶面压在叶片3的T字型叶柄的水平部分的顶面上。最后将紧定螺钉5穿过卡套4的螺纹孔和卡槽环2的通孔后最终抵在工具电极1的外圆柱面，连接卡槽环2与卡套4并将它们与工具电极1和叶片3固定在一起。这种安装方法易于拆换，方便快捷，各零件通用性可更换性大大增强。
鉴于上述的组合式安装方法，不同叶片3的叶片本体的形状、曲率、角度均可调节，叶片3的数量也可根据需求调整。甚至部分叶片3的叶片本体可以为框架结构，其侧面覆有过滤吸附膜，如图6所示，一定程度实现过滤吸附颗粒状或凝絮状电解产物7的作用。
如图7所示，利用上述叶片组合式旋转阴极电解铣削工具的电解铣削加工方法如下：
图7为有无向上气体流场辅助电解铣削加工的对比图，是在垂直于进给方向上截的图，图7（a）中工具电极1不转故不提供气体流场，即一般的电解铣削加工。图7（b）为叶片组合式旋转阴极作用的电解铣削加工。电解铣削加工时，工具电极1正下方的工件6材料在电解作用下溶解并产生大量难溶性的电解产物7颗粒，即为图中的黑色小圆点。相较于工具电极1不转的情况（图7（a）），图7（b）中工具电极1按正转方向9旋转，带动叶轮高速旋转产生一个向上的气体流场，可以看到叶轮中源源不断的上升气团8，这就造成了叶轮底部区域压强降低，增大了加工间隙内外压强差，对加工间隙内的电解液构成吸引。压强的降低配合叶轮的离心力，会带动加工区域间隙内的电解液流出加工间隙，并向叶轮的四周甚至上方加速扩散，携带热量与电解产物7颗粒快速排出，维持间隙内电解液的纯净，保证较高的电导率，促进电解作用的高效快速进行。正如对比图所示，图7（a）中电解液从加工间隙流出后，在叶轮底面和工件6表面之间区域，流速迅速降低，流线由三根变两根再变一根，电解产物7颗粒也排出不充分，特别是加工间隙内残留了许多电解产物7颗粒，这就是一般电解铣削加工中的情况。而图7（b）的叶轮底面和工件6表面之间区域中，液体流线比图7（a）上的密集多了，能一直保持三根流线，其中甚至有一部分微微上翘不再是单纯的水平线；而且图7（b）的电解产物7颗粒的分布也是由内而外增多，特别在工具电极1正下方加工间隙内的电解产物7颗粒明显变少。
图8为叶片组合式旋转阴极反转提供气团来降低加工间隙外电解液电导率的示意图。相较于工具电极1不转的情况（图7（a）），图8中工具电极1按反转方向10旋转，带动叶轮旋转产生了一个向下的气体流场，与图7（b）相比明显看出这个向下的气体流场很微弱，根本无法影响电解液流场。但它还是可以向下提供一些气团8，使一部分气团8混入排出加工间隙的电解液中，使电导率降低，一定程度上减少对非加工区域的杂散腐蚀。
本发明能有效改善电解液流场，加速电解液的流动更新以及加工产生的热量和产物的快速排出，保持加工间隙内电解液的高洁净度、高电导率，促进电解作用的持续高效进行。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，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 (5)
1.一种叶片组合式旋转阴极电解铣削工具，其特征在于：
包括工具电极（1）、卡槽环（2）、叶片（3）、卡套（4）、紧定螺钉（5）；
上述工具电极（1）为圆筒状电极，底部有若干出液孔；
上述卡槽环（2）由上、下两部分组成，上部分的圆柱结构外径小于下部分的圆柱结构外径，整体为凸台状圆环结构；上述卡槽环（2）的内径等于工具阴极外径，卡槽环（2）下部外圆柱结构表面沿圆周方向排布若干凹槽；
上述卡套（4）为圆环结构，中心为阶梯孔，其中卡套（4）上部的较小内孔径与卡槽环（2）上部分的圆柱结构的外径相等，卡套（4）下部的较大内孔径与卡槽环（2）下部分的圆柱结构的外径相等；
上述叶片（3）由上、下两部分组成，上部分为T字型的叶柄，下部分为叶片本体；
上述叶片（3）的T字型的叶柄从上而下嵌***卡槽环（2）侧面的凹槽内；T字型的叶柄的水平部分压在卡槽环（2）的台阶面上，卡槽环（2）与所有叶片（3）组成叶轮；
上述卡槽环（2）上部圆柱结构表面排布有若干通孔，卡套（4）上部设置有与卡槽环（2）通孔相对应排布的螺纹孔；
卡槽环（2）套在工具电极（1）上，并保持工具电极（1）底面与所有叶片（3）的底面共面；卡套（4）套在卡槽环（2）上，并保持卡套（4）顶面与卡槽环（2）顶面共面，卡套（4）阶梯孔的台阶面压在叶片（3）的T字型叶柄的水平部分的顶面上；紧定螺钉（5）穿过卡套（4）的螺纹孔和卡槽环（2）的通孔后最终抵在工具电极（1）的外圆柱面，连接卡槽环（2）与卡套（4）并将它们与工具电极（1）和叶片（3）固定在一起。
2.根据权利要求1所述的叶片组合式旋转阴极电解铣削工具，其特征在于：不同叶片（3）的叶片本体的尺寸、曲率、角度均可调整组合，叶片（3）的数量也可根据需求调整。
3.根据权利要求1所述的叶片组合式旋转阴极电解铣削工具，其特征在于：上述叶片（3）中的一部分叶片的叶片本体为框架结构，表面固定展开过滤吸附膜。
4.根据权利要求1所述的叶片组合式旋转阴极电解铣削工具，其特征在于：工具电极（1）为金属材料，卡槽环（2）、叶片（3）、卡套（4）和紧定螺钉（5）使用绝缘材料。
5.利用权利要求1所述的叶片组合式旋转阴极电解铣削工具的电解铣削方法，其特征在于包括以下过程：
工具电极（1）接电源负极并竖直装夹于机床主轴上，工件（6）接电源正极；电解液经主轴从工具电极（1）顶端的进液孔流入，再从工具电极（1）底部的出液孔流出到工件（6）的加工区域；
加工时，工具电极（1）和工件（6）通电，工具电极（1）正下方的工件（6）材料在电解作用下溶解并产生大量难溶性的电解产物（7）颗粒；此时工具电极（1）按正转方向（9）旋转，带动叶轮高速旋转产生一个向上的气体流场，使叶轮底部区域压强降低，增大加工间隙内外压强差，对加工间隙内的电解液构成吸引；从工具电极（1）底部出液孔流出的电解液便加速沿叶轮半径方向朝四周甚至上方扩散，携带加工产生的热量与电解产物（7）颗粒快速排出；这样加快加工间隙内电解液的更新速度可以一直维持加工间隙内电解液的洁净，保证较高的电导率，促进电解作用的高效持续进行，提高了加工的材料去除率；
电解产物（7）颗粒的迅速排出还能避免其对加工表面的污染，提高了加工后工件（6）的表面质量。
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2021
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Patent Citations (5)
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| GB1381880A (en) * | 1970-12-28 | 1975-01-29 | Hitachi Ltd | Method of electroytic machining of turbine wheels |
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