CN100471604C - 叶片盘的多轴数控电加工装置和方法 - Google Patents
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Abstract
一种其每个轴线上具有数控装置的多轴机器用来驱动工具和工件的所需运动以便加工复杂的叶片几何形状。工件通常由例如黄铜或其他低成本材料的金属制成并在加工期间转动。根据应用，工件可以是任何形状(圆柱形、锥形)和尺寸。直流电源(连续或脉冲)用来在工具和工件上提供电压。在工具和工件之间提供例如水、脱离子水或电解质(例如亚硝酸钠)的介质。通过高强度热腐蚀以受控方式去除工件金属。
Description
技术领域
本发明涉及电加工，本发明尤其涉及NC(数控)配置，该配置可用于在高金属去除速度下以及在比车削、铣削、EDM(放电加工)或ECM(电化学加工)低的加工成本下将例如盘形件上的叶片的形状复杂的工件加工成几乎成品的形状。
背景技术
电加工是一种利用具有成形尖端的圆柱形或类似构形的电极(锥形)围绕纵向轴线从工件上去除材料的技术。加工运动与数控铣削类似.电加工通过转动电极进行。工具电极连接在负极上，而工件连接在脉冲发生器的正极上。脉冲接通时间可以是从几百微妙到几秒的足够长的时间长度，在某些情况下接通时间足够长以便有效地模拟连续的直流电流.
电极之间的间隙使得电解质流动。在电加工过程中，可以相信金属的去除是高强度受控的电腐蚀的结果。
电腐蚀可通过电解质的电击穿以及去除材料的工具和工件之间界面处产生的蒸气气体层产生，并且还通过电极和工件之间瞬时短路或瞬间电弧产生。由加工表面上的电腐蚀，形成大量的凹点或凹坑.
传统铣削广泛地用于叶片盘的粗加工.例如ECM的随后的加工工艺可用来精加工。对于由例如IN718的难以加工的合金制成的叶片盘来说，铣削过程通常具有长的周期时间、高的切削工具成本和高设备成本。另外，到达所加工的袋形部的所需长工具柄部与大切削力相结合对于去除材料的速度和精度造成限制.
对于结合利用心轴转速高、改进的切削工具以及极度刚性的机器的高速铣削技术已经进行了大量的尝试.高速铣削显著地增加了设备和工具成本，但在加工由坚硬的镍合金制成的叶片盘的情况下没有显示出很大的成功。该困难的一个原因在于机械切削工艺所造成的机械限制.也就是说，具有中到高细长比例的切削工具在工具的挠曲影响铣削产品精度之前只能承受小负载。另外的负载将使得工具损坏。工具挠曲还改变工具相对于工件的切削几何形状，对于工具寿命和铣削产品精度的来说，使其不能达到最佳性能.机械负载同样通过部分挠曲和所需精度来限制.
因此需要非机械铣削的方法.传统NC EDM铣削过程非常缓慢，并不能满足高速加工的工业需要。本发明的目的在于通过增加电腐蚀来实现高速加工.
发明内容
本发明的第一方面在于一种多轴数控电加工装置，其包括：通过高强度受控的电腐蚀受控地去除工件金属的可转动工具；以及可操作地与该工具连接以便控制工具围绕多个轴线的运动从而加工复杂几何形状的数控装置。
本发明的第二方面在于一种多轴数控电加工方法，其包括如下步骤：转动工具以便通过高强度受控的电腐蚀受控地去除工件金属；以及使用可操作地与该工具连接以便加工复杂几何形状的数控装置围绕多个轴线运动工具.该工具运动根据如下原理进行严格控制，即最高程度的金属腐蚀可通过持续电弧或短路造成的最小工件热冲击和最小表面重铸层或热作用区域来实现.
附图说明
图1是按照本发明实施例的多轴数控电加工机器的示意侧视图.
部件列表
工具100、机动臂102、马达单元104、流体源105、喷嘴106、底座108、CNC(计算机数控装置)110、脉冲直流电源112、工件113、夹紧构件114.
具体实施方式
本发明在电解质介质中使用高速电腐蚀以便去除材料并产生所需形状和几何尺寸.
用于使用非机械装置去除和成形材料，可以使用由软金属或导电材料制成的低成本工具来显著地降低工具成本.可通过高强度电热作用来增加工件金属去除速度，并且不产生显著的“切削力”，使得可以使用刚性低的机器以便显著地降低成本。另外，对于进行铣削中常见的工具挠曲不需要进行补偿.
作为非机械工艺，电加工速度与工具材料硬度和韧性无关.对于刚硬的工件金属来说，可以通过高强度电热反应实现比铣削更高的金属去除速度.
通过本发明，可以使用软金属作为工具电极，并且该电极具有简单的几何形状。在工具电极上不需要复杂的齿或沟槽.可以使用简单的杆或管作为示例性工具电极.没有显著的切削力，因此可以使用刚性低的机器.当然对于循环时间减少、加工工具和机械设备来说，使得成本降低。
按照本发明的实施例，每个轴线上具有数控装置的多轴机器用来驱动所需的工具和工件运动以便加工复杂叶片几何形状.工具通常由例如黄铜或其他低成本金属制成并在加工期间转动.根据应用，工具可具有任何形状(例如圆柱形、锥形)和尺寸.直流电源(连续或脉冲)用来在工具和工件上提供电压.在工具和工件之间提供例如导电率低的自来水的介质和电解质(例如用来提供导电性低的介质的NaNO3、NaNO2、NaCl或苏打的水溶液).工件金属通过高强度电热腐蚀以受控方式去除.控制系统通过监测加工脉冲状态来检测加工状态以便确定是否存在短路或持续电弧.控制装置调整工具进给速度和/或脉冲间隔以便确保高效率的腐蚀并减少电弧或短路.
也就是说，伺服控制系统根据电腐蚀状态调整工具相对于工件的运动.这包括监测腐蚀状态并确定是否存在持续电弧或短路.根据检测到的状态，如果腐蚀强度(由腐蚀电流测量)没有高达设定水平，可增加工具进给速度，或者当腐蚀强度到达设定水平时，将其保持在恒定速度下.作为选择，如果检测到持续电弧或短路，使得可降低工具进给速度。
图1是本发明所述实施例的示意说明.在此配置中，切削或更明确的腐蚀工具100只通过实例表示成支承在机器人类型的多接合部的机动臂102上.此机动臂102适于运动工具100，该工具通过马达单元104至少在三个相反方向上驱动转动。工具100通过喷嘴106从流体源105供应电解质或其他形式的流体.
机动臂102支承在底座108上，该底座除了流体源105之外还包括可操作地与机动臂102的马达连接的CNC(计算机数控装置)驱动装置110和可操作地与工具100连接的脉冲直流源112.
CNC装置110可进行编程以便以如下方式操作切削工具100，即使得工件113通过腐蚀成形并使得例如叶片盘的叶片的复杂形状可快速并经济地形成，并且根据检测腐蚀过程调整工具进给速度以便避免持续的电弧或短路。
在此附图中，工件112示意地表示成为叶片盘并通过夹紧构件114夹紧定位在底座108附近。
试验证明由例如IN718制成的叶片可使用所述工艺制造.这些试验已经表示在使用四轴数控装置和脉冲直流电源的试验条件下可以实现加工速度增加两倍以及工具成本减少六倍以上.
在本发明参考有限数量的实施例进行披露的同时，本领域普通技术人员设想到并制成的与本发明相关或密切相关的多种变型和改型将从以上披露中不言自明。本发明的范围只通过所附权利要求限定.
Claims (10)
1.一种多轴数控电加工装置，其包括：
通过高强度热腐蚀受控地去除工件金属的由金属制成的可转动工具电极；以及
可操作地与工具连接以便控制工具围绕多个轴线的运动从而加工复杂几何形状的数控装置；
该数控装置构造成：
控制电源到工具上的供应；
通过检测腐蚀电流监测腐蚀强度；
确定在工件和工具之间是否出现持续电弧或短路；以及
通过如下方式相对于工件调整工具进给速度：
如果腐蚀强度低于设定水平，增加工具进给速度；以及
如果出现持续电弧或短路，降低工具进给速度。
2.如权利要求1所述的多轴数控电加工装置，其特征在于，工具(100)是导电材料。
3.如权利要求2所述的多轴数控电加工装置，其特征在于，导电材料是黄铜。
4.如权利要求1所述的多轴数控电加工装置，其特征在于，其还包括：
设置成在工具和工件上提供电压的直流电源(112)。
5.如权利要求4所述的多轴数控电加工装置，其特征在于，直流电源(112)是脉冲直流电源。
6.如权利要求1所述的多轴数控电加工装置，其特征在于，工具(100)具有圆柱形或锥形形状并具有简单或成形的切削尖端。
7.如权利要求1所述的多轴数控电加工装置，其特征在于，其还包括供应流体的流体供应装置(105、106)，该流体选自水和不同类型、导电性能的电解质溶液之一，并且流体从流体供应装置(105、106)输送到工具(100)上以及工具(100)和工件(113)之间。
8.如权利要求7所述的多轴数控电加工装置，其特征在于，电解质溶液是盐的水溶液，盐从包括NaNO2、NaNO3、苏打或NaCl的组中进行选择。
9.如权利要求1所述的多轴数控电加工装置，其特征在于，该数控装置包括底座(108)和底座和工具(100)之间的机器人连接件(102)，并且其中机器人连接件包括至少一个构造成实现所需工具运动的轴线。
10.一种多轴数控电加工方法，其包括如下步骤：
转动可转动的工具(100)以便通过高强度电热腐蚀受控地去除工件金属；
使用可操作地与工具(100)连接以便加工复杂几何形状的数控装置(102、104)围绕多个轴线运动工具(100)；
监测腐蚀强度；
确定是否出现持续电弧或短路；以及
通过如下方式相对于工件调整工具进给速度：
如果腐蚀强度低于设定水平，增加工具进给速度；以及
如果出现持续电弧或短路，降低工具进给速度.
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