CN101200011A - 用于在cnc机床上电腐蚀加工的适配式主轴组件 - Google Patents

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Abstract

一种用于调整CNC铣削机床(23)以用于电腐蚀加工的设备和方法。该设备包括位于适配器轴(80)的远端(22)上的管状电极。位于适配器轴(80)的近端上的工具保持件(84)可安装在铣削机床的刀具主轴(24)的卡盘内。适配器轴(80)可转动安装在通过支架(99)支承的轴承(98)和电刷接触子组件内。支架(99)附接在铣削机床上，但与工具电极(21)绝缘。轴承(98)与CNC主轴(24)对准地支承适配器轴(80)。电功率供应装置(44)激励电极和工件(28)以便在其之间的间隙(74)内电腐蚀。电解质在操作中循环通过旋转工具电极(21)。CNC计算机(36)构造成操作机床、功率供应装置(44)以及电解质流以便电腐蚀加工。

Description

用于在CNC机床上电腐蚀加工的适配式主轴组件
技术领域
本发明总体涉及电腐蚀铣削(EEM)，并且更特别是涉及一种适配式主轴，调整例如CNC铣削机床的计算机数字控制机床以用于EEM。
背景技术
电腐蚀加工通过将电流通过电极和工件之间的间隙以便去除工件上的材料来实现。它使用直流(DC)电压而从工件上电能去除材料。电解质在工具电极和工件之间循环，以有助于工件材料的电腐蚀，并且冷却和冲洗间隙区域。这种方法可以高效率去除材料，而对工件造成低的热损害。使用旋转工具电极的电腐蚀加工的先进模式在相关的美国专利申请10842344中描述。
与例如涡轮叶轮和带叶片盘的粗加工和机加工的多种应用中的机械加工或其它放电加工(EDM)方法相比，EEM提供较快的加工和较高的效率。但是应该相信在本发明之前没有一种实际可行的方法来将传统CNC铣削机床转换用于EEM操作。因此，现代EEM机床是专业化的系统。
发明内容
本发明的一个方面在于一种用于CNC铣削机床的传统多轴CNC机床的适配器主轴组件，该组件驱动并控制刀具和工件的运动，以便在软件控制下加工复杂的部件几何形状。本发明的适配器转换铣削机床，以便进行EEM操作。
本发明的另一方面在于一种EEM适配器主轴组件，该组件包括构造成加工离开工具电极的一定间隙定位的工件的工具电极。通过由间隙上的电位供能的电腐蚀来实现加工，并且通过循环到该间隙内的电解质冲洗液体来帮助。功率供应装置构造成激励工具电极和工件。
附图
在参考附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，附图的类似参考标号在附图中表示类似的部件，附图中：
图1是按照本发明的一个实施例可以用于传统CNC铣削机床上的EEM适配式主轴的示意图；
图2表示按照本发明第一实施例的EEM适配式主轴组件；
图3表示按照本发明第二实施例的EEM适配式主轴组件；
图4表示安装在CNC铣削机床的可动主轴承载件上的EEM适配式主轴组件。
部件列表
适配式主轴组件20、旋转工具电极21、远端22、铣削机床22、主轴24、工具卡盘25、流体通道26、工件承载件27、工件28、可动心轴承载件29、屏蔽件30、收集箱或管32、CNC计算机36、信号和控制回路40、用户插接电路板42、DC功率供应装置44、信号链46、第一电位被传导48、第二电位被传导50、电解质泵60、流体返回管线62、内部冲洗流体供应管线64、外部冲洗流体供应管线66、第一和第二流72、73、间隙74、可转动适配器轴80、远端81、夹头82、工件保持件84、绝缘体86、套筒子组件88、电刷触点89、轴向定向导管90、开口91、轴向定向导管92、流体输入歧管94、径向定向流路95、歧管96、流体出口97、低摩擦轴承98、支架99、绝缘部分99I、适配器轴180、工具保持件184、导管192。
具体实施方式
图1示意表示通过安装具有旋转工具电极21的EEM适配式主轴组件20而被调整用于电腐蚀加工的CNC铣削机床23。CNC铣削机床23具有通常如现有技术公知那样保持机械铣削工具的主轴24。经由伺服系统通过转动和平移工件承载件，工件承载件27相对于铣削工具保持并运动工件28。计算机36执行存储程序，以便将控制信号38发送到操作CNC机床的伺服系统和电子器件。信号和控制回路40将操作状态通讯给计算机36，并且在过热、流体量低和类似情况下还将通讯来自于计算机的例如自动系统关闭的相关控制信号。
为了将CNC铣削机床23适用于EEM应用，适配式EEM主轴组件20安装在CNC工具主轴24上，随后描述。另外，EEM数字控制程序安装在CNC计算机36内，并且DC功率供应装置44用来激励EEM工具电极21，以便在工具电极21和工件28之间的间隙内电腐蚀。用户插接电回路板42可以作为功率供应装置44和CNC计算机之间的信号链46的界面安装在CNC计算机36内。第一电位从功率供应装置44被引导48到EEM工具电极，并且第二电位被引导50到工件28，形成包括间隙的电回路48、50。
这在工件28和工具电极21之间的间隙74内产生放电。CNC计算机36控制CNC铣削机床23内的伺服系统，以便如CNC机床的领域公知那样在工具电极21和工件28之间进行相对运动，因此控制间隙74。CNC计算机36监测并控制EEM适配式主轴组件20、相关功率供应装置44和电解质泵60的EEM过程。
功率供应装置44内的电压经由功率回路48、50测量回路检测间隙上的电压，并且将此数据经由信号链46通讯到CNC计算机36内的用户电路板42，提供有关放电状态和间隙74的情况的信息。EEM控制程序控制加工进给速度以及基于这种反馈用于最佳操作的DC功率曲线。功率供应装置内的回路可包括(没有限制)计时装置、脉冲产生装置、电压比较装置和数据存储装置。所有这些装置是本领域公知的，并且可以使用任何适当的装置，而不偏离本发明的范围。
CNC机床通常装备成在刀具和工件28上喷射液体，以便使其冷却并冲洗腐蚀颗粒。屏蔽件30可将液体收集到收集箱或管32内，以便经由过滤系统重新循环。EEM使用具有这些冷却和冲洗功能并还能够电腐蚀的液体电解质循环系统。EEM电解质系统可使用CNC铣削机床23的某些现有的液体循环部件，例如屏蔽件30和收集箱32。其它EEM特殊部件可根据需要改造或添加。例如，分开的电解质泵和过滤单元60可设置用来从现有收集箱32通过流体返回管线62连接。内部冲洗流体供应管线64可从泵60提供用于内部冲洗的第一电解质流，随后描述。外部冲洗流体供应管线66可提供用于外部冲洗的第二电解质流，随后描述。过滤可例如如同转让给本受让人的美国专利申请公开文本20050218089A1描述那样进行。电解质泵60可电连接40到控制计算机36上，以便数据通讯到计算机，并且控制来自于计算机的通讯。这可以进行流动控制并且对于过热或流体量低的情况停止加工。
图2表示包括离开工件28一定间隙74定位的工具电极21的EEM主轴适配器组件20。功率供应装置44在间隙74内产生加工工件28的放电。放电造成颗粒与工件28分离，由此加工工件。
工具电极21通过夹头82可拆卸地安装在可转动适配器轴80的远端81上。工具保持件84固定在适配器轴80的近端上，并且与CNC主轴24上的工具卡盘25配合。适配器轴80通过适配器轴80和工具保持件84之间的绝缘体86与CNC主轴24电绝缘。功率供应装置44可通过将连通到工具电极的导线48和连通到工件的导线50之间施加电压差ΔV的脉冲来激励工具电极21。此功率通过例如电刷触点89的子组件88的固定-转动传导装置在导线48和旋转适配器轴80之间传导。转动变压器在转动导体内感应电流，而没有与固定导体实际接触。
第一和第二液体电解质流72和73可以分别用来内部和外部冲洗。如图2所示，第一液体电解质流72经由适配器轴80内的轴向定向的导管92供应到工具电极21内的轴向定向的导管90。电解质72可通过围绕适配器轴80一部分密封的流体输入歧管94进入适配器轴80内的导管92。此流体输入歧管94经由轴80内的大致径向定向的流动路径95将流体72递送到轴80内的导管92。电解质72因此可在轴80转动的同时流入导管92，并且进入工具电极导管90。它离开工具电极21的远端72内的开口91，其中它循环通过间隙72，从而进行电腐蚀、冲洗、有效去除腐蚀的颗粒并冷却。
图3表示去往工具电极的第一电解质流72的第二实施例。某些CNC铣削机床经由主轴24内的流体通道26提供“穿过主轴”的冲洗。这种通道26可以如上所示通过将适配器轴180内的导管192延伸通过工具保持件184来利用。在这种情况下，不需要图2所示的流体输入歧管94。
第二液体电解质流73可以用来外部冲洗，其中液体73朝着工具电极21的远端22从工具电极外部喷射。图2和3表示通过围绕适配器80、180的远端81安装并附接在套筒子组件88上的喷射歧管96提供外部冲洗的方式。喷射歧管96具有围绕工具电极21以便沿着工具电极喷射液体73的流体出口97。作为选择或另外，可以使用没有附接在适配式主轴组件20上的未示出的其它外部喷嘴。
适配器轴80安装在低摩擦轴承98上。轴承98和套筒子组件88通过附接在CNC磨削机床23上的支架99支承。轴承98与CNC主轴24对准地支承适配器轴。适配器组件20与CNC铣削机床23电绝缘。支架99可以如图2和3所示由电绝缘材料制成，或者可以如图4所示具有绝缘部分99i。支架99可以如图1-3所示附接在CNC铣削机床23的固定部分上。在这种情况下，工件28相对于工具电极21的CNC运动通过工件承载件27来进行，如CNC铣削机床领域公知那样。作为选择，支架99可如图4所示附接在可动主轴承载件29上。在这种情况下，工件28相对于工具电极21的CNC运动可以通过主轴承载件29和/或工件承载件27来实现。可动主轴承载件29可以是所示的活塞，或者可以是安装在多个正交通路或轨道上的主轴驱动机构，如CNC铣削机床领域公知那样。
按照本发明的多个方面的EEM系统可使用脉冲和连续直流功率，其具有从大约31V-70V的开路电压范围以及从大约100A-3000A的平均电流范围、连接到工件28上的正电位以及连接到工具电极21上的负电位；内部和外部水基冲洗电解质72、73，其压力范围从大约100psi-1000psi；转动管式电极21，具有例如石墨或黄铜的传导壁材料；以及大约500rpm-10000rpm的旋转速度范围。这些细节只作为实例提供，并不限制本发明。
用于EEM的本发明适配式主轴使得传统CNC铣削机床23使用电腐蚀放电铣削或者传统铣削。EEM的实际优点可以包括：1)高材料去除率。使用32mm直径管式电极具有20000立方毫米/分钟的材料去除率。2)低切削力。4)低工具成本，由于与需要高强度、高硬度和复杂刀具形状的传统铣削工具相比，EEM电极可以是由低成本材料制成的简单的管。5)低工具维护，这是由于EEM工具电极不变尖，而是简单更换。
在操作中，与例如涡轮叶轮和带叶片盘的粗加工和机加工的多种应用中的机械切削或其它放电加工(EDM)方法相比，EEM提供较快加工和较高效率。在EEM组件中，电位在电极和将被加工的工件之间的间隙上产生，在间隙内造成放电。在加工电极接近通过间隙分开的工件表面时，由于电压在间隙上出现放电。构成加工区域的间隙填充液体电解质。EEM系统提供电解质流，从间隙去除腐蚀颗粒并且提供放电的适当介质。
试验证明由例如铬镍铁合金718金属合金的金属合金制成的翼面可以使用所述过程制造。在使用例如4轴数字控制器和脉冲DC功率供应装置的测试条件下，这种试验指出加工速度显著增加，并且机械加工的工具成本显著减小。
铬镍铁合金718是相对高强度、高温和耐腐蚀镍铬超合金的一个实例。它适用于高达1300F的空气中。它容易加工并且可以时效硬化。这种合金可包括大致如下的元素重量百分比：
铝    0.2-0.8
硼    最大0.0006
碳    最大0.08
铬    17-21
钴    最大1
铜    最大0.3
铁    余量
镁    最大0.35
钼    2.8-3.3
镍    50-55
铌    4.75-5.5
磷    最大0.015
硅    最大0.35
硫    最大0.015
钛    0.65-1.15
虽然这里只描述和说明了本发明的某些特征，本领域的普通技术人员将理解到多种变型和改型。因此，理解到所附权利要求用来覆盖这些落入本发明的真实精神内的变型和改型。

Claims (10)

1.一种用于通过计算机数字控制(CNC)机床(36)电腐蚀加工工件(28)的适配式主轴组件(20)，适配式主轴组件(20)包括：
包括近端和远端(22)的可转动适配器轴(80)；
包括近端和远端(22)的工具电极(21)，工具电极(21)的近端安装在适配器轴(80)的远端(22)上；
位于适配器轴(80)的近端上以便插入CNC机床的主轴(24)上的工具卡盘(25)内的工具保持件(84)，工具保持件(84)与适配器轴(80)电绝缘；
附接在CNC机床上并支承适配式主轴组件(20)的支架(99)；
通过支架(99)支承并且与主轴(24)对准地支承适配器轴(80)的低摩擦轴承(90)；
通过支架(99)支承并与其电绝缘以便电激励工具电极(21)的固定-转动导电装置；以及
将流体电解质从泵(60)输送到工具电极(21)的远端(22)的流体通道(26)；
其中工具电极(21)可经由适配式主轴组件(20)安装在CNC机床的主轴(21)上，以便转动并经由电腐蚀加工。
2.如权利要求1所述的适配式主轴组件(20)，其特征在于，还包括经由可转动适配器轴(80)和固定-转动导电装置将第一电位供应到工具电极(21)并将第二电位供应到工件(28)的功率供应装置(44)。
3.如权利要求1所述的适配式主轴组件(20)，其特征在于，流体通道(26)包括：
在工具电极(21)中的轴向定向的流体导管(90)；以及
在适配器轴(80)中的与工具电极(21)中的轴向定向流体导管(90)流体连通的轴向定向导管(92)。
4.如权利要求3所述的适配式主轴组件，其特征在于，还包括围绕可转动适配器轴(80)的一部分密封的流体输入歧管(94)，其中可转动适配器轴(80)包括在流体输入歧管(94)和可转动适配器轴(80)内的轴向定向流体导管(92)之间连通的流体通路；由此流体可从流体输入歧管(94)流入可转动适配器轴(80)内的轴向定向流体导管(92)。
5.如权利要求3所述的适配器主轴组件，其特征在于，可转动适配器轴(80)内的轴向定向流体导管(92)延伸通过工具保持件(84)，以便与CNC机床的主轴内的穿过主轴冲洗导管流体连通。
6.如权利要求1所述的适配器主轴组件，其特征在于，流体通道(26)包括外部冲洗装置，以便朝着工具电极(21)的远端(22)外部喷射流体电解质。
7.如权利要求6所述的适配器主轴组件，其特征在于，外部冲洗装置包括围绕可转动适配器轴(80)的远端(22)的流体喷射歧管(96)，流体喷射歧管包括围绕工具电极(21)以便沿着工具电极(21)引导流体电解质的流体出口(97)。
8.如权利要求1所述的适配器主轴组件，其特征在于，还包括将流体电解质供应到流体通道(26)的电解质泵(60)和过滤系统。
9.如权利要求8所述的适配器主轴组件，其特征在于，还包括经由可转动适配器轴(80)和固定-转动导电装置将第一电位供应到工具电极(21)以及将第二电位供应到工件(28)的功率供应装置(44)，其中流体电解质泵(60)和过滤系统以及功率供应装置(44)电连接到CNC机床上的控制计算机(36)上以便与所述控制计算机数据通讯以及控制来自于所述控制计算机的通讯。
10.一种用于在CNC机床上电腐蚀加工工件(28)的适配式主轴组件(20)，适配式主轴组件包括：
包括近端和远端(22)的可转动适配器轴(80)；
包括近端和远端(22)的工具电极(21)，工具电极(21)的近端可松开地安装在适配器轴(80)的远端(22)上；
位于适配器轴(80)的近端上以便插入CNC机床的主轴(24)上的工具卡盘(25)内的工具保持件(84)，工具保持件(84)与适配器轴(80)电绝缘；
围绕可转动适配器轴(80)的低摩擦轴承(98)，低摩擦轴承(98)安装在附接在CNC机床上的支架(99)上；
附接在支架(99)上并与其电绝缘以便电激励可转动适配器轴(80)的电刷接触组件；
工具电极(21)内的在工具电极(21)的远端(22)处开口的轴向定向流体通道(90)；
可转动适配器轴(80)内的与工具电极(21)内的轴向定向流体通道流体连通的轴向定向流体通道(92)；
围绕可转动适配器轴(80)的远端(22)的流体喷射歧管(96)，流体喷射歧管包括围绕工具电极(21)以便沿着工具电极(21)引导流体电解质的流体出口(97)；
经由可转动适配器轴(80)内的轴向定向流体通道将流体电解质供应到工具电极(21)内的轴向定向流体通道并且将流体电解质的一部分供应到流体喷射歧管(96)的流体电解质泵(60)和过滤系统；以及
经由可转动适配器轴(80)和电刷接触组件将第一电位供应到工具电极(21)并且将第二电位供应到工件(28)的功率供应装置(44)。
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