CN102896383A

CN102896383A - 一种难切削材料、小模数内齿轮的电解加工方法及装置

Info

Publication number: CN102896383A
Application number: CN2012103815240A
Authority: CN
Inventors: 余旭东; 赵建社; 刘青海; 王超恒; 丰莉; 王峰; 肖雄
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2012-10-10
Filing date: 2012-10-10
Publication date: 2013-01-30
Anticipated expiration: 2032-10-10
Also published as: CN102896383B

Abstract

本发明公开了一种难切削材料、小模数内齿轮的电解加工方法及装置，其中方法是：采用一种上下异形结构的工具阴极，其中工具阴极的小端端面为圆形，与工件预孔之间的间隙即为初始加工间隙，可保证流场稳定；工具阴极的大端为阴极齿；工具阴极的小端到大端之间的部分由圆形平稳过渡至阴极齿形；采用正向流动加背压的电解液流动方式，电解液自阴极系统的中空通道流入，进而充满装有工件的有机玻璃腔体，再从工具阴极和工件之间的间隙流出。本发明所设计工具阴极为上下异形结构,可实现三维进给,且工件毛坯设有预孔,可以使电解加工中工具阴极的进给速度相对于端面进给速度提高5～10倍，且加工过程稳定,有利于提高加工效率和成形精度。

Description

一种难切削材料、小模数内齿轮的电解加工方法及装置

技术领域

本发明涉及一种难切削材料、小模数内齿轮的电解加工方法及装置，属于电解加工技术领域。

背景技术

内齿轮是现代机械设备中重要的联接构件，广泛应用于机械加工、运输、航空航天、化工、冶金等工程领域，例如汽车变速箱、行星齿轮系、机床传动装置、机械增压器等。内齿轮的加工精度、质量、效率也直接影响到机器的工作性能、使用寿命和制造成本。

传统工艺中，内齿轮的加工通常安排在热处理之后，作为最终加工，而热处理后的工件硬度较高，强度较大。若采用拉削工艺加工，刀具磨损很快，通常一把价值数万元的拉刀的使用寿命仅有几十次；若采用数控铣削工艺加工，不仅加工成本较高，而且加工得到的工件表面会有难以去除的飞边、毛刺。本发明针对的加工对象是难切削材料、小模数内齿轮，其毛坯材料多为高温合金、不锈钢、钛合金、硬质合金等，若采用传统的切削加工工艺，加工过程中切削力大、切削温度高、加工硬化严重，进而刀具磨损严重；产生的切屑不易控制，容易出现“粘刀”现象或形成积屑瘤，使工件表面光洁度下降；材料线膨胀系数较大，工件易变形，尺寸精度也难以保证。并且，小模数的内齿轮结构属于内型面难加工结构，传统加工工艺也难以胜任其加工。

电解加工是基于电化学阳极溶解原理，借助于工具阴极，将工件按一定形状和尺寸加工成形的一种工艺方法，适用于难切削金属材料、复杂形状零件的加工。相对于其他方法，电解加工工艺在加工内齿轮方面有以下优点：1.工具阴极无损耗；2.生产效率高，劳动强度小；3.加工表面质量高、无应力、无热影响区；4.不受材料力学、机械性能限制；5.工具阴极的制造工艺简单，寿命长、费用低，数百元的工具阴极代替一组数万元的拉刀，经济效果十分显著。但电解加工本身也存在着一些缺点，如稳定流场的设计较为复杂；成形过程中工具阴极和工件之间电场的变化规律较为复杂；阴极设计虽然较为困难，设计周期偏长，但一旦试制成功，在正常条件下，阴极可永久使用。

因此，将电解加工技术应用于难切削材料、小模数内齿轮的加工，具有重要的工程意义。

发明内容

1、发明目的：本发明的目的在于提供一种难切削材料、小模数内齿轮的电解加工方法及装置，实现难切削材料、小模数内齿轮的精密、高效、低成本电解加工。

2、技术方案：

一种难切削材料、小模数内齿轮的电解加工方法，其特征在于：

（a）采用一种上下异形结构的工具阴极，对已有预孔的工件进行轴向快速送进加工，工件齿形依靠工具阴极侧面基于电化学阳极溶解原理加工成形；其中工具阴极的小端端面为圆形，与工件预孔之间的间隙即为初始加工间隙，可保证流场稳定；工具阴极的大端为阴极齿，用以保证工件内齿轮的最终齿形；工具阴极的小端到大端之间的部分由圆形平稳过渡至阴极齿形；

（b）采用正向流动加背压的电解液流动方式，电解液自阴极系统的中空通道流入，进而充满装有工件的有机玻璃腔体，再从工具阴极和工件之间的间隙流出。

所述工具阴极大端阴极齿齿高h与工具阴极的整体厚度H的尺寸关系为：H=5～8h；

所述的工具阴极小端和大端阴极齿齿顶连线与其轴线的夹角α为5°～30°；

所述的工具阴极大端阴极齿齿形与工件内齿轮齿形的间隙δ=μΔ，初始间隙Δ=0.1～0.3mm；

其中μ为间隙修正正系数，

当计算阴极大端的齿顶间隙时，间隙修正系数μ=0.9～1.0；

当计算阴极大端的齿根间隙时，间隙修正系数μ=1.1～1.2；当计算阴极大端的侧面间隙时，阴极齿形自上而下的间隙修正系数μ从0.8到1.5之间连续递增。

工件预孔到工件内齿轮齿顶圆的单边余量为ζ(2ha*+c*)m，其中，ζ为修正系数，取值0.15～0.22；ha*为工件内齿轮的齿顶高系数，c*为其顶隙系数，m为其模数。

所述的背压有两种调节方式：

（a）调节有机玻璃腔体上所接节流阀的阀口开度，属于精调；

（b）通过调节密封装置的密封程度以调节背压，属于粗调。

本发明的电解加工装置，包括：脉冲电源、电解液循环过滤系统、加工机床控制系统、阴极系统、工件、工件夹具、密封部分、工作箱、工作台，其特征在于：

所述阴极系统包括工具阴极、阴极连杆、阴极接头，工具阴极安装在阴极接头的一端，阴极接头的另一端与阴极连杆以螺纹相连，三者具有相连通的电解液通道；电解液循环过滤系统的进液管与阴极连杆相连；

所述工件夹具包括端盖、有机玻璃腔体、导电压块，其中，工件置于有机玻璃腔体内，由有机玻璃腔体内壁对工件进行径向定位，有机玻璃腔体安装在基座上，基座固定于机床工作台；端盖和导电压块从轴向两侧压紧工件，实现工件的轴向定位与夹紧；

所述密封部分包括锁紧块、橡胶密封圈、内六角螺钉、端盖，锁紧块和含橡胶密封圈由内六角螺钉连接到端盖外端面上，通过调节螺钉旋合的松紧程度调节加工背压；

脉冲电源正极与导电压块相连，使与其接触的工件带正电，负极与阴极连杆相连，使安装在其上的工具阴极带负电，在电流回路中连接有测量电解加工电压及电流的电压表和电流表。

在工具阴极底面、阴极连杆前部及其连接部分涂上绝缘层。

上述加工装置，采用一种上下异形结构的工具阴极，对已有预孔的工件进行轴向快速送进加工，送进速度一般为端面进给速度的5～10倍；工件齿形依靠工具阴极侧面基于电化学阳极溶解原理加工成形。加工过程中采用正向流动加背压的电解液流动方式，电解液自阴极系统的中空通道流入，进而充满装有工件的有机玻璃腔体，再从工具阴极和工件之间的间隙以高速（6～30m/s）流出以保证带走工件阳极的溶解产物和电解电流通过电解液时所产生的热量，并去极化。

加工装置中，上下异形结构的工具阴极，其设计满足以下要求：

其小端端面为圆形，与工件预孔之间的间隙即为初始加工间隙，可保证流场稳定；其大端为阴极齿，用以保证工件内齿轮的最终齿形；其小端到大端之间的部分平稳过渡；工具阴极大端阴极齿齿高h与工具阴极的整体厚度H的尺寸关系满足设计要求：H=5～8h；

工具阴极小端和大端阴极齿齿顶连线与其轴线的夹角α为5°～30°；

初次设计的工具阴极大端阴极齿齿形是依据等间隙原则近似得到，即由目标工件内齿轮齿形（即加工想要获得的理想齿形）等间隙缩放得到，该缩放间隙Δ=0.1～0.3mm。由初次设计的工具阴极对工件进行试加工，将加工得到的工件内齿轮的齿形与目标内齿轮齿形进行比较，检测得到它们在齿顶、齿侧、齿根处的差值，将该差值代入修正模型计算间隙补偿值，根据间隙补偿值对原工具阴极大端齿形进行修正，重新生成工具阴极大端齿形。用修正后得到工具阴极再进行试加工，检测差值，进一步修正，也就是通过多次迭代的方法获得最佳的工具阴极大端阴极齿形。检测该阴极齿形与目标工件内齿轮齿形在每点法线处的间隙值δ，并与初始缩放间隙Δ进行比较，可以得到间隙修正系数μ，δ=μΔ。具体修正结果如下：（如图4）

计算阴极齿形齿顶的间隙

=

Δ,

取值0.9～1.0;

计算阴极齿形齿根的间隙

=

Δ,

取值1.1～1.2;

计算阴极齿形齿侧的间隙

=

Δ,

自上而下取值从0.8到1.5之间连续递增变化。

在实际设计阴极时，依据修正间隙值由目标内齿轮齿形映射到相应阴极齿形的过程中，会遇到映射的交叉区域，如由齿顶到齿侧的过渡部分和齿侧到齿根的过渡部分。对于该区域，其间隙值平滑过渡。

所加工的工件设有预孔，预孔的设置使工具阴极端面不必承担材料蚀除任务，有利于提高工具阴极的进给速度，预孔尺寸由以下方法确定：工件预孔到工件内齿轮齿顶圆的单边余量为ζ(2ha*+c*)m，其中，ζ为修正系数，取值0.15～0.22；ha*为工件内齿轮的齿顶高系数，c*为其顶隙系数，m为其模数。

进行加工时，在电解加工的初始阶段，先由工具阴极的小端初步蚀除工件材料，随着机床的进给运动，跟进的工具阴极截面上的阴极齿在前一个截面上阴极齿加工过的基础上进一步蚀除工件材料，这个过程中工具阴极和工件之间始终保持着均匀稳定的小加工间隙，使工件被加工表面的金属不断高速溶解，直到由工具阴极大端阴极齿加工得到符合要求的齿形为止。这种利用工具阴极侧面进行的三维进给的加工方式，有利于提高进给速度，提高成形精度，且加工过程稳定。当工具阴极大端完全进入工件内腔后，工件端面的内齿轮齿形加工成形，继而进入加工深度的推进阶段。这时，工具阴极与工件之间的加工间隙达到最小，但加工背压也随着加工深度的增加而增大，这种加工方式有利于反水，使小加工间隙充溢电解液，不至于因反水不足而引起短路。

上述加工背压是电解加工的重要工艺参数，其既要足够大以保证电解液能够充满电解加工环境，使电解加工间隙充溢电解液，但又不能过大，过大的背压会降低流场的稳定性，产生波纹，从而降低工件的表面质量。本发明中设计的背压调节装置结构简单，易于制造，可以提供两种背压调节方式：调节腔体上所接节流阀的阀口开度，属于精调；

通过调节内六角螺钉旋合的松紧程度来控制由锁紧块、橡胶密封圈、端盖组成的密封装置的密封程度以调节背压，属于粗调。两种方式结合，调节范围大，且方便灵活。

3.有益效果：

本发明中所设计的工具阴极为上下异形结构，利用工具阴极侧面进行三维进给，可以使电解加工中工具阴极的进给速度相对于端面进给速度提高5～10倍，且加工过程稳定,有利于提高加工效率和成形精度。

工件上设有预孔，相对于实心毛坯件，电解加工流场更为稳定；且由于毛坯预孔的存在，工具阴极端面不必承担材料蚀除任务，也有利于进一步提高进给速度，减小杂散腐蚀，进而提高加工精度。

工具阴极无损耗，可以永久使用，有利于大批量生产，降低生产成本。

本发明是针对难切削材料（如高温合金、不锈钢、钛合金、硬质合金等）、小模数内齿轮的电解加工，材料以离子状态去除，且为冷态加工，没有表面变质层，无残余内应力和微裂纹，因而加工得到的内齿轮表面质量好，使用寿命长，这是传统加工工艺很难、甚至无法实现的。

附图说明

图1是针对难切削材料、小模数内齿轮电解加工装置整体结构示意图；

图2是专用工装夹具结构示意图；

图3是工具阴极结构示意图。

图4是工具阴极齿形间隙分布图。

其中标号名称：1、有机玻璃腔体，2、端盖，3、阴极连杆，4、工具阴极，5、工件，6、压力表，7、导电压块，8、基座，9、工作箱，10、工作台，11、回液管，12、电解液槽，13、过滤器，14、输液泵，15、溢流节流阀，16、球阀，17、压力表，18、进液管，19橡胶密封圈，20、锁紧块，21、绝缘层，22、阴极接头，23、内六角螺钉，24、工具阴极大端齿顶圆，

25、工具阴极大端齿根圆，26、工件内齿轮齿形轮廓，27、工具阴极大端齿形轮廓。

具体实施方式

实施本电解加工工艺的装置如图1所示，包括脉冲电源、电解液循环过滤系统、加工机床控制系统、阴极系统、工件5、工件夹具、密封部分、工作箱9、工作台10。其中阴极系统包括工具阴极4、阴极连杆3、阴极接头22，工具阴极4安装在阴极接头22的一端，阴极接头22的另一端与阴极连杆以螺纹相连，三者具有相连通的电解液通道。电解液循环过滤系统的进液管18与阴极连杆3相连。工件夹具包括端盖2、有机玻璃腔体1、导电压块7。其中，工件5置于有机玻璃腔体1内，由其内壁对工件进行径向定位，有机玻璃腔体1安装在基座8上，基座8固定于机床工作台；端盖2和导电压块7从轴向两侧压紧工件5，实现工件的轴向定位与夹紧。密封部分包括锁紧块20、橡胶密封圈19、内六角螺钉23、端盖2。锁紧块20含橡胶密封圈19由内六角螺钉23连接到端盖2外端面上，通过调节螺钉旋合的松紧程度可调节加工背压。

电解加工前要先保证工具阴极4和工件5同轴，通过加工机床控制系统调节工具阴极4的位置，将其轴线与工件5预孔轴线进行对中，并用塞尺插入两者之间的间隙进行检验。

脉冲电源正极与导电压块7相连，使与其接触的工件带正电，负极与阴极连杆3相连，使安装在其上的工具阴极4带负电，在电流回路中连接有测量电解加工电压及电流的电压表和电流表。

本装置的电解液循环过滤系统包括工作箱9、回液管11、电解液槽12、输液泵14、过滤器13、输液泵14、溢流节流阀15、球阀16、进液管18。输液泵14供液，经过球阀16、进液管18进入阴极系统的中空通道；供液旁路安装有溢流节流阀，用于节流调速。电解加工采用正向流动加背压的电解液流动方式，电解液自阴极系统的中空通道流入，进而充满装有工件5的有机玻璃腔体1，再从工具阴极4和工件5之间的间隙流出，流出的电解液两个流向：1. 通过腔体上所接节流阀流出；2. 从锁紧块20、橡胶密封圈19、端盖2、内六角螺钉23组成的密封装置的缝隙中喷出。通过调节节流阀阀口的开度可以较为精确地调节有机玻璃腔体1内的加工背压；通过调节内六角螺钉旋合的松紧程度可以改变锁紧块20、橡胶密封圈19和端盖2之间的间隙，从而改变装置的密封程度，可以粗略地调节加工背压。两种调节方式结合起来可以增大加工背压的调节范围，且调节方便灵活。流出的电解液会从工作箱9底部，经由回液管11流回至电解液槽14。由于腔体、端盖均由透明有机玻璃材料制造，加工过程中可以透过腔体观察电解加工过程，如电解液的流动情况，加工过程中是否产生电火花等。

加工开始前，先进行试水，即不接通脉冲电源，仅启动输液泵进行供液，使电解液充满整个加工环境，调节球阀16、溢流节流阀15以控制电解液的进口压力和流速，通过压力表17观察进口液压变化情况。同时，也要预先调节腔体上所接节流阀的开度和螺钉旋合的松紧程度，通过压力表3观察出口液压变化情况。

加工过程中，影响电解加工的因素众多，其中，起主要作用的加工参数有平均加工电压、阴极进给速度、电流密度、电解液参数等。根据实际加工情况，各加工参数范围的选取如下：

平均加工电压：8～12V；

阴极进给速度：5～10mm/min；

电流密度：50～100A/cm²

进口压力：0.8MPa，出口背压：0.3～0.5MPa；

电解液浓度：1.1～1.3g/mL，温度：24～28℃；

若加工过程中电流值急剧增大或加工间隙出现明显火花，表明电解加工条件不稳定，应立即断开电源并终止工具阴极的进给运动。

加工完成后，应先断开脉冲电源，再关闭输液泵。

Claims

1.一种难切削材料、小模数内齿轮的电解加工方法，其特征在于：

（a）采用一种上下异形结构的工具阴极（4），对已有预孔的工件（5）进行轴向快速送进加工，工件齿形依靠工具阴极侧面基于电化学阳极溶解原理加工成形；其中工具阴极的小端端面为圆形，与工件预孔之间的间隙即为初始加工间隙，可保证流场稳定；工具阴极的大端为阴极齿，用以保证工件内齿轮的最终齿形；工具阴极的小端到大端之间的部分由圆形平稳过渡至阴极齿形；

（b）采用正向流动加背压的电解液流动方式，电解液自阴极系统的中空通道流入，进而充满装有工件（5）的有机玻璃腔体（1），再从工具阴极（4）和工件（5）之间的间隙流出。

2.根据权利要求1所述的难切削材料、小模数内齿轮的电解加工方法，其特征在于：

其中μ为间隙修正正系数，

当计算阴极大端的齿顶间隙时，间隙修正系数μ=0.9～1.0；

3.根据权利要求1所述的难切削材料、小模数内齿轮的电解加工方法，其特征在于：

4.根据权利要求1所述的难切削材料、小模数内齿轮的电解加工方法，其特征在于：所述的背压有两种调节方式：

（a）调节有机玻璃腔体（1）上所接节流阀的阀口开度，属于精调；

（b）通过调节密封装置的密封程度以调节背压，属于粗调。

5.使用权利要求1所述的难切削材料、小模数内齿轮电解加工方法的电解加工装置，包括：脉冲电源、电解液循环过滤系统、加工机床控制系统、阴极系统、工件（5）、工件夹具、密封部分、工作箱（9）、工作台（10），其特征在于：

所述阴极系统包括工具阴极（4）、阴极连杆（3）、阴极接头（22），工具阴极（4）安装在阴极接头（22）的一端，阴极接头（22）的另一端与阴极连杆（3）以螺纹相连，三者具有相连通的电解液通道；电解液循环过滤系统的进液管（18）与阴极连杆（3）相连；

所述工件夹具包括端盖（2）、有机玻璃腔体（1）、导电压块（7），其中，工件（5）置于有机玻璃腔体（1）内，由有机玻璃腔体内壁对工件进行径向定位，有机玻璃腔体（1）安装在基座（8）上，基座（8）固定于机床工作台；端盖(2)和导电压块(7)从轴向两侧压紧工件（5），实现工件的轴向定位与夹紧；

所述密封部分包括锁紧块（20）、橡胶密封圈（19）、内六角螺钉（23）、端盖（2），锁紧块（20）和含橡胶密封圈（19）由内六角螺钉（23）连接到端盖（2）外端面上，通过调节螺钉旋合的松紧程度调节加工背压；

脉冲电源正极与导电压块（7）相连，使与其接触的工件带正电，负极与阴极连杆（3）相连，使安装在其上的工具阴极（4）带负电，在电流回路中连接有测量电解加工电压及电流的电压表和电流表。

6.根据权利要求5所述的电解加工装置，其特征在于：在工具阴极（4）底面、阴极连杆（3）前部及其连接部分涂上绝缘层（21）。