CN102398093B - 加工系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种加工工件的加工系统。该加工系统包括机床、加工刀具、计算机数控控制器、电源、过程控制器及电解液源。所述加工刀具用来加工工件且包括可互换的电极和传统加工刀具。所述机床、电极、计算机数控控制器、电源、过程控制器及电解液源相互配合以作为电腐蚀加工设备。所述机床、计算机数控控制器及所述传统加工刀具相互配合以作为传统加工设备。所述加工系统在加工工件时，对工件的至少一个通道的至少一个区域交替使用所述电腐蚀加工设备和所述传统加工设备。

Description

加工系统和方法
技术领域
本发明涉及一种加工系统和方法，尤其涉及一种具有电加工，比如电腐蚀加工(Electroerosion Machining)的加工系统和方法。
背景技术
电加工，比如放电加工(Electro Discharge Machining，EDM)和电化学加工(Electrochemical Machining，ECM)均是传统的电加工工艺，其可用来加工诸如燃气涡轮部件等物体。在电化学加工过程中，电解液在工件和电极间循环既对工件进行冷却且在电化学过程中移除工件材料。在放电加工中，非传导性(非电解质)的加工液在工件和电极间循环从而在放电过程中移除工件材料。
前述的电腐蚀加工可应用在一些电解液在电极和工件间的间隙中流通的电加工过程中，该电加工过程具有较高的材料移除速率且可减少对工件的热损害。
加工系统，比如计算机数控(Computer Numerical Controlled，CNC)机床，也可称为加工中心(Machining Centers)已经被广泛的用来加工工件。然而，对于传统的加工过程，比如传统的铣加工过程，当该加工系统用来加工具有复杂几何形体和／或具有较高硬度的工件时是比较困难、耗时且加工刀具的成本是比较高的。相反的，电腐蚀加工具有非接触加工、高效率和较低的刀具成本的优势。
所以，需要提供一种新的具有电加工，比如电腐蚀加工(ElectroerosionMachining)的加工系统和方法。
发明内容
本发明的一个实施例提供了一种加工工件的加工系统。该加工系统包括机床、加工刀具、计算机数控控制器、电源、过程控制器及电解液源。所述加工刀具用来加工工件且包括可调换的电极和传统加工刀具。所述计算机数控控制器用来控制所述机床来使相应的刀具相对于工件进行运动。所述电源与所述电极和工件相连使其具有相反的极性。所述过程控制器用来监控所述电极和工件间间隙的状态且与所述计算机数控控制器通信来控制所述机床。所述电解液源用来在所述电极和工件间通过电解液。其中所述机床、电极、计算机数控控制器、电源、过程控制器及电解液源相互配合以作为电腐蚀加工设备；所述机床、计算机数控控制器及所述传统加工刀具相互配合以作为传统加工设备；所述加工系统交替的作为所述电腐蚀加工设备和所述传统加工设备使用。
本发明的另一个实施例提供了一种用来加工出开设有一个或多个通道的工件的加工方法。该加工方法包括确定在工件上所要开设的一个或多个通道中的每一个的位置和尺寸，所述要开设的一个或多个通道中的每一个均包括至少两个区域；对所述要开设的一个或多个通道中的每一个的第一区域进行第一电腐蚀加工步骤而形成第一空腔；对所述要开设的一个或多个通道中的每一个的第二区域进行第二电腐蚀加工步骤而形成第二空腔；对形成的所述第一空腔进行第一传统加工步骤；及对形成的所述第二空腔进行第二传统加工步骤。
本发明的实施例进一步提供了一种用来加工出开设有一个或多个通道的工件的加工方法。该加工方法包括确定在工件上所要开设的一个或多个通道中的每一个的位置和尺寸，所述一个或多个通道中的每一个均包括至少两个区域；对所述要开设的一个或多个通道中的每一个的第一区域进行第一电腐蚀加工步骤而形成第一空腔；及对所述要开设的一个或多个通道中的每一个的第二区域进行第二电腐蚀加工步骤而形成第二空腔；其中在开设在所述至少两个区域的相应的第一和第二空腔是沿着相对的方向加工形成的。
附图说明
通过结合附图对于本发明的实施例进行描述，可以更好地理解本发明，在附图中：
图1为本发明设置有电腐蚀加工的加工系统的一个实施例的示意图；
图2为工件的一个实施例的立体示意图；
图3为图2中所示的工件的一个通道的固体模型的一个实施例的立体示意图；
图4为图2和图3中所示的工件的通道的一个实施例的加工平面示意图。
具体实施方式
图1所示为本发明的用来加工工件101的加工系统10的一个实施例的示意图。图1所示的架构仅是示意性的。在本发明实施例中，加工系统10可包括计算机数控机床(加工中心)，其可根据其内预设的控制程序利用其上的一个或多个刀具来自动的加工工件101。刀具可设置或不设置在加工系统10的刀库中。
在一些实施例中，加工系统10的一个或多个刀具可进行一个或多个相应的加工过程。该加工过程可包括传统的加工过程，比如铣加工及电加工过程，比如电腐蚀加工中的一个或多个。所述传统加工与所述电腐蚀加工不同，其可指利用传统加工刀具，比如铣刀来进行加工的传统的机械加工。在一个实施例中，加工系统10可作为电腐蚀加工设备和传统的加工设备来使用，从而既可进行电腐蚀加工也可进行传统加工，如铣加工。
如图1所示，在电腐蚀加工中，加工系统10包括设置有机床(加工设备)11的数控(Numerical Control，NC)或计算机数控设备(未图示)、计算机数控控制器12，过程控制器13、电源14、电解液源15及电极16。
在一些示例中，数控或计算机数控设备可用来进行传统的自动加工。在一定的应用中，机床11可包括伺服电机(未图示)和主轴电极(未图示)。电极16设置在机床11的主轴上来进行电腐蚀加工。伺服电机驱动电极16和工件101以一定速率和路径彼此相对移动，主轴电极驱动电极16以一定速率进行转动。
计算机数控控制器12设置有基于工件101在计算机辅助设计(Computer-Aided Design，CAD)及／或计算机辅助制造(Computer-AidedManufacturing，CAM)中的说明而预编程的指令，其与机床11相连来控制机床11以驱动电极16根据一定的操作参数，比如一定的进给速率，轴位置或主轴速率等移动。在一些应用中，计算机数控控制器12可为普通的计算机数控控制器，其可包括中央处理单元(Central Processing Units，CPU)、只读存储器(Read Only Memories，ROM)及／或随机存储器(Random AccessMemories，RAM)。在一个实施例中，计算机数控控制器12可包括位于美国维吉尼亚(Virginia)州的夏洛特斯韦尔(Charlottesville)的通用电气发那科(GE-Fanuc)出售的商标为GE-FANUC18i CNC的控制器。
在图1所示的实施例中，电源14包括直流脉冲发生器。电极16和工件101分别与电源14的负极和正极相连从而电极16可作为阴极而工件101作为阳极。在其他示例中，电极16和工件101的极性可互换。
过程控制器13与电源14相连来监控加工过程中电极16和工件101间的间隙17的状态，比如其间的电压及／或电流的状态，从而来监控加工系统10的加工过程的状态。此外，过程控制器13与计算机数控控制器12进行通信从而根据监控的加工过程中电极16和工件101间的间隙17内的电压及／或电流的状态来控制电极16和工件101的运动。在一个实施例中，过程控制器13可包括位于美国德克萨斯州(Austin)的奥斯丁(Austin)的国家仪器公司(National Instruments Inc.)出售的商标为NI CompactRIO(cRIO)的控制器。
在本发明的示例中，控制器，比如计算机数控控制器12和过程控制器13中的任一个均可包括计算机、数据库和处理器中的一个或多个。本发明实施例并不局限于任何特定的用来执行处理任务的计算机、数据库和处理器。所述计算机可为任何能够执行计算、运算来执行处理任务的装置。所述计算机还可为任何能够接收一定架构的输入并可根据预设的规则处理输入以产生输入的装置。
在一些示例中，电解液源15与计算机数控控制器12通信以接收预设的来自计算机数控控制器12的指令，从而在电极16和工件101间通过电解液。在另一些实施例中，电解液源15也可独立设置。这样，在电腐蚀加工过程中，电源14在电极16和工件101间通过电流来移除工件101上的材料从而在工件101上形成期望的结构。其间，电解液从间隙17处带走被移除的材料。在一些应用中，电极16可具有圆柱形形状且可包括石墨、钼、铜石墨复合材料和铜钨材料中的一个或多个。
在一定的应用中，当加工系统10作为传统的加工设备，比如铣床使用时，电极16和传统的加工刀具可进行调换，从而电极16从机床11的主轴上卸载，传统的加工刀具(未图示)安装在机床11上来进行传统加工。传统的加工刀具可包括钻孔刀具、包括有圆端和平端铣刀的铣刀刀具或其他合适的加工刀具。
这样，在传统的加工过程中，计算机数控控制器12控制机床11来驱动刀具对工件101进行加工，电解液通过间隙17来带走移除的材料。其间，过程控制器13和电源14不工作。在一定的应用中，电极16和传统的加工刀具中的一个或多个可通过手工或自动的在机床13的主轴上安装或从其上卸载。
图2和图3分别所示为工件101及在工件101上形成的通道20的固体模型的立体示意图。如图2和图3所示，工件101为离心压缩机的叶轮(Impeller)。叶轮101设置压缩流体通过的十七个通道20。每一个通道20具有扭曲的复杂几何形状，其包括后缘(Trailing Edge)21和前缘(Leading Edge)22。加工系统10用来在叶轮101上加工出具有扭曲的复杂的几何形状的通道20。在一个实施例中，每一个通道20是曲折的(Sinuous)的通道。在图2和图3所示的实施例中，每一个通道20是具有封闭外围的通孔。在一些应用中，通道20可是其外围至少一部分开放的通孔。
图4所示为图2和图3中的工件的通道20的的加工平面示意图。如图4所示，在加工前，根据基于工件101在计算机辅助设计及／或计算机辅助制造中的说明而在计算机数控控制器12内预编程的指令，通道20的位置和尺寸已被确定，且该通道20被分成七个区域(段)Z1、Z2、Z3、Z4、Z5、Z6和Z7。在一些应用中，通道20可根据实验或经验进行分段从而来避免加工过程中，加工刀具，比如电极16和铣刀刀具与通道20的干涉。
这样，在加工过程中，如图1到图4所示，加工系统10利用第一电腐蚀加工从后缘21开始加工叶轮101。其间，计算机数控控制器12控制机床11驱动电极16和工件101彼此相对移动。沿着第一方向U，电源14在电极16和叶轮101间通过电流来移除第一区域Z1的材料从而在第一区域Z1形成第一空腔23。来自电解液源15的电解液通过间隙17带走移除的材料。过程控制器13监控间隙17上的电压和／或电流的状态并和控制器12通信来控制电极16和叶轮101的运动。
与加工第一区域Z1的的第一电腐蚀加工相似，在第一空腔23形成后，加工系统10沿着第二方向P，利用第二电腐蚀加工从前缘22来加工第二区域Z2从而在第二区域Z2加工出第二空腔24。在一定的实施例中，第一方向U和第二方向P是相对的方向。第一和第二区域Z1和Z2的电腐蚀加工顺序是可以变换的。
在一些示例中，在第一和第二区域Z1和Z2的相应的第一和第二电腐蚀加工后，形成的第一和第二空腔23和24的尺寸比通道20的相应区域的预设尺寸小。在一个实施例中，在电腐蚀加工后，与通道20的相应区域的预设尺寸相比，加工余量大致为2毫米。
因此，在一定的应用中，电极16从加工系统10上卸载从而调换传统的加工刀具，比如铣刀安装在加工系统10上分别沿着相对的方向对第一和第二区域23和24进行第一和第二传统加工以移除各自的至少一部分的余量。在一定的应用中，铣刀也可在前一个电腐蚀加工加工出前一个空腔之后且在后一个电腐蚀加工加工下一空腔之前来对前一空腔进行传统加工。比如铣刀可在第一空腔23形成后且第二空腔24未加工前对第一空腔23进行铣加工。
在图4所示的实施例中，在第一和第二区域Z1和Z2加工后，铣刀刀具从机床11上卸载从而电极16装载在机床11上。这样，加工系统10利用第三和第四电腐蚀加工分别穿过第一空腔23和第二空腔24以在第三区域Z3和第四区域Z4加工出第三空腔25和第四空腔26。在一些示例中，第三和第四电腐蚀加工的顺序可以变换。加工系统10可进一步利用铣刀对第三和第四空腔25和26分别进行第三和第四传统加工以移除至少一部分各自相应的余量。
随后，加工系统10利用第五和第六电腐蚀加工分别在第五和第六区域Z5和Z6加工出第五和第六空腔27和28。在第五和第六空腔27和28的电腐蚀加工后，进一步的，加工系统10进行第五和第六传统加工以对形成第五和第六空腔27和28进行传统加工来移除至少一部分各自相应的余量。
最后，加工系统10依次利用第七电腐蚀加工和第七传统加工沿着方向U在第七区域Z7上加工第七空腔29。从而，加工系统10交替的利用电腐蚀加工和传统加工加工出七个空腔23到29来形成通道20。在一些实施例中，根据通道20的分段，七个分段分别独立的加工，而且在通道20中相邻的区域是在不同的加工次序中进行加工的。比如相邻的区域Z2和Z4分别在第二和第四加工次序中进行加工的。
在一定的应用中，在电腐蚀加工后，铣刀刀具移除了空腔23到29中的一个或多个的相应余量的一部分，比如1.5毫米，其可被称为对空腔23到29种的一个或多个进行半精加工。从而，在一定的实施例中，加工系统10可进一步利用铣刀刀具对相应的空腔23到29进行精加工以移除各自剩余的余量从而达到通道20的预设尺寸。
在图2到图4所示的实施例中，仅利用加工一个通道20来进行说明。当加工叶轮101中的多个通道20，比如所有十七个通道20时，加工系统10利用第一电腐蚀加工从相应的后缘21开始加工所有的十七个第一区域Z1从而形成十七个第一空腔23。然后，利用第二电腐蚀加工从相应的前缘22开始加工所有的十七个第二区域Z2从而形成十七个第二空腔24。
紧接着，加工系统10利用铣刀刀具分别依次加工第一区域23和第二区域24来移除各自的余量。随后，与加工系统10加工所有的第一和第二区域23和24相似，加工系统10交替的利用电腐蚀加工和铣加工加工出所有的第三、第四、第五、第六和第七空腔。
在一些应用中，在十七个通道20中的每一个的空腔23到29加工后，加工系统10进一步利用铣刀刀具对空腔进行精加工从而形成十七个具有期望尺寸的通道20。
本发明图2和图4所示的实施例仅是示意性的。在一定的应用中，对空腔23到29中的一个或多个进行的半精加工和／或精加工也可不设置。空腔的加工顺序，比如空腔23和24，空腔25和26及／或空腔27和28的加工顺序可互换。空腔29也可沿着方向P进行加工。此外，在一些实施例中，空腔20可分段成至少两个区域，这样，加工系统10从相对的方向利用电腐蚀加工加工该至少两个区域来形成至少两个空腔。随后，传统加工可用来进一步对形成的至少两个区域进行半精加工和／或精加工。该至少两个区域相邻或不相邻。
在本发明实施例中，加工系统10首先从不同的方向利用电腐蚀加工在至少两个区域上加工至少两个相应的空腔。在一些示例中，随后，传统加工被用来对形成的至少两个空腔进行半精加工和／或精加工从而在工件上加工出通道。与传统的铣加工相比，电腐蚀加工具有较高的效率，而且一些在传统加工中使用的步骤，比如铣平面和钻通孔都不需进行，这样就缩短了加工时间。此外，本发明实施例也可用来对现有的传统的计算机数控机床，比如铣床进行改进。
虽然结合特定的实施例对本发明进行了说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。

Claims (16)

1.一种用来加工工件的加工系统，包括：
机床；
加工刀具，其用来加工工件且包括可调换的电极和传统加工刀具；
计算机数控控制器，其用来控制所述机床来使相应的刀具相对于工件进行运动；
电源，其与所述电极和工件相连使其具有相反的极性；
过程控制器，其用来监控所述电极和工件间间隙的状态且与所述计算机数控控制器通信来控制所述机床；及
电解液源，其用来在所述电极和工件间通过电解液；其中
所述机床、电极、计算机数控控制器、电源、过程控制器及电解液源相互配合以作为电腐蚀加工设备；所述机床、计算机数控控制器及所述传统加工刀具相互配合以作为传统加工设备；所述加工系统在加工工件时，对工件的至少一个通道的至少一个区域交替使用所述电腐蚀加工设备和所述传统加工设备。
2.如权利要求1所述的加工系统，其中所述传统加工刀具包括铣刀刀具。
3.如权利要求1所述的加工系统，其中所述电腐蚀加工设备用来加工工件的复数个区域以形成复数个空腔，所述传统加工设备用来加工所述复数个空腔。
4.如权利要求1所述的加工系统，其中，在电腐蚀加工过程中，所述计算机数控控制器控制所述机床来驱动电极对工件进行加工，所述计算机数控控制器控制所述电解液源以通过电解液从电极和工件间间隙处带走被移除的材料；在传统加工过程中，所述计算机数控控制器控制机床来驱动传统加工刀具对工件进行加工。
5.一种用来加工出开设有一个或多个通道的工件的加工方法，包括：
确定在工件上所要开设的一个或多个通道中的每一个的位置和尺寸，所述要开设一个或多个通道中的每一个均包括至少两个区域；
对所述要开设的一个或多个通道中的每一个的第一区域进行第一电腐蚀加工步骤而形成第一空腔；
对所述要开设的一个或多个通道中的每一个的第二区域进行第二电腐蚀加工步骤而形成第二空腔；
对形成的所述第一空腔进行第一传统加工步骤；及
对形成的所述第二空腔进行第二传统加工步骤。
6.如权利要求5所述的加工方法，其中所述第一和第二电腐蚀加工步骤及所述第一和第二传统加工步骤均分别相对的方向进行。
7.如权利要求5所述的加工方法，其中对形成的所述第一空腔进行第一传统加工的步骤可在第一和第二电腐蚀加工步骤间进行。
8.如权利要求5所述的加工方法，其中第一区域和第二区域不相邻。
9.如权利要求5所述的加工方法，进一步包括在第一和第二传统加工步骤后对形成的至少两个空腔均再进行传统加工步骤。
10.如权利要求5所述的加工方法，其中所述加工出的工件包括有一个以上的通道，且每一个通道被分成七个区域。
11.如权利要求10所述的加工方法，进一步包括重复所述第一和第二电腐蚀加工步骤及第一和第二传统加工步骤以分别在所述每一个通道相应的区域上加工出第三、第四、第五、第六和第七空腔。
12.如权利要求5所述的加工方法，其中所述至少两个区域中的相邻的区域在不同的加工次序中进行加工。
13.一种用来加工出开设有一个或多个通道的工件的加工方法，包括：
确定在工件上所要开设的一个或多个通道中的每一个的位置和尺寸，所述一个或多个通道中的每一个均包括至少两个区域；
对所述要开设的一个或多个通道中的每一个的第一区域进行第一电腐蚀加工步骤而形成第一空腔；及
对所述要开设的一个或多个通道中的每一个的第二区域进行第二电腐蚀加工步骤而形成第二空腔；其中
在所述至少两个区域开设相应的第一和第二空腔是沿着相对的方向加工的。
14.如权利要求13所述的加工方法，进一步包括对形成的所述第一空腔进行第一传统加工步骤及对形成的所述第二空腔进行第二传统加工步骤。
15.如权利要求14所述的加工方法，进一步包括在第一和第二传统加工步骤后对形成的至少两个空腔均再进行传统加工步骤。
16.如权利要求14所述的加工方法，其中所述要开设的一个或多个通道中的每一个通道均被分成七个区域，所述的加工方法进一步包括重复所述第一和第二电腐蚀加工步骤及第一和第二传统加工步骤以分别在所述每一个通道相应的区域上加工出第三、第四、第五、第六和第七空腔。
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