CN103395007A - 复合能场作用下磨料射流加工装置 - Google Patents
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Abstract
复合能场作用下磨料射流加工装置，属于难加工材料的加工技术领域，本发明为解决现有的金属基难加工材料加工技术存在加工效率低、刀具磨损严重以及加工成本高的问题。本发明技术方案：水平工作台基座和垂直工作台基座相互垂直设置；水平工作台传动机构固定在水平工作台基座上，水平移动工作台、加工室和水平旋转工作台由下至上安装在水平工作台传动机构的输出端上；加工室为向上开口的半封闭容器；垂直移动工作台固定在垂直工作台基座的工作面上，垂直旋转工作台安装在垂直移动工作台的输出端上，L形支架的竖直分支固装在垂直旋转工作台上，L形支架的水平分支通过夹具固定后混合喷射装置；后混合喷射装置的喷射口朝下。
Description
技术领域
本发明涉及复合能场作用下磨料射流加工装置，属于难加工材料的加工技术领域。
背景技术
随着现代科学技术的迅猛发展，特别是航空航天、国防军工等尖端科学技术的突飞猛进，为了提高产品的性能及可靠性，各种新型材料不断涌现，如钛合金以及各种金属基和非金属基复合材料在航空航天领域得到越来越广泛的应用。由于这些材料都属于难加工材料，因此伴随而来的加工技术难题也始终受到各国的高度关注与重视。为了解决难加工材料的加工技术难题，一方面，各国的研究人员致力于对传统切削加工技术进行改进，如采用高速切削加工的方法对钛合金零件等进行切削加工，但是难加工材料的切削性能很差，不仅对加工设备的性能要求十分严格，同时刀具磨损问题也一直是制约难加工材料切削加工领域的瓶颈问题；此外，切削加工的技术特点决定了其不可避免地会产生表面/亚表面损伤，这些表面/亚表面损伤层的存在会严重地影响到零件的使用性能，降低其使用寿命。另一方面，特种加工技术如电火花加工、电化学加工在难加工材料的加工技术领域有着十分重要的地位。这是由于放电加工是靠工件与电极放电瞬间产生的高温高压来实现材料的去除，能够实现所有金属材料以及通过特殊加工工艺实现部分非金属材料的加工。但是电火花加工的加工效率较低，表面质量不高，加工后的表面会形成一层坚固的重铸层，重铸层的存在会严重影响工件的使用性能，同时电火花加工技术还存在电极损耗以及复杂电极设计困难等问题，上述缺点的存在限制了电火花加工技术的应用范围。电化学加工具有加工效率高，表面质量好等优点，但是加工精度较难控制，同时也存在电化学加工专用电极设计困难等问题。
发明内容
本发明目的是为了解决现有的金属基难加工材料加工技术存在加工效率低、刀具磨损严重以及加工成本高的问题，提供了一种复合能场作用下磨料射流加工装置。
本发明所述复合能场作用下磨料射流加工装置，它包括水平工作台基座、水平工作台传动机构、水平移动工作台、水平旋转工作台、加工室、垂直工作台基座、垂直移动工作台、垂直旋转工作台、L形支架、后混合喷射装置、夹具、精密流量控制泵、磨料混合液搅拌装置、加工液回收箱、电源和电解工作液压力产生装置；
水平工作台基座和垂直工作台基座相互垂直设置；
水平工作台传动机构固定在水平工作台基座上，水平移动工作台、加工室和水平旋转工作台由下至上安装在水平工作台传动机构的输出端上；
加工室为向上开口的半封闭容器，加工室的废液出口通过管路与加工液回收箱的入口连接；
垂直移动工作台固定在垂直工作台基座的工作面上，垂直旋转工作台安装在垂直移动工作台的输出端上，L形支架的竖直分支固装在垂直旋转工作台上，L形支架的水平分支通过夹具固定后混合喷射装置；后混合喷射装置的喷射口朝下；
后混合喷射装置的混合腔通过流量控制泵与磨料混合液搅拌装置的出口相连；
后混合喷射装置的工作液入口与电解工作液压力产生装置的工作液出口相连；
后混合喷射装置连接电源的负极，电源的正极连接放置在水平旋转工作台上的被加工工件。
本发明的优点：
1、将磨料射流加工与电化学射流加工进行有机结合，在加工过程中将多种能量（机械、电、化学）同时作用于工件表面，各种能量作用相互促进，可以充分发挥电化学加工表面质量高和磨料射流加工方便灵活的优势，在获得高质量加工表面的同时，大幅度地提高加工效率。一方面，高速喷射的微细磨料作用于工件表面，可以有效地去除工件原始表面存在的氧化膜以及电化学加工时产生的钝化膜，提高电化学加工时的化学反应活性，从而提高电化学射流加工时的电流效率，进而提高加工效率。与此同时，金属表层晶粒在高速喷射微细磨料的不断冲蚀作用下，晶粒内部可能会形成大量位错，甚至破坏金属材料表层晶粒的内部结构，这些内部结构被破坏的表层晶粒的金属原子更容易被电解和化学蚀除，这也有助于提高工件材料的去除率；另一方面，电化学射流加工时对阳极的溶蚀作用可以有效地降低阳极金属表层原子的结合键能，表层原子结合键能的降低有利于微细磨料对工件表面材料的机械去除，进一步实现对工件材料的高效去除。
2、高速喷射的电解质磨料混合加工液使作用于加工区域的电解液时刻处于更新状态，加工液的高速流动更新不仅可以不断带走加工过程中产生的热量，还能削弱传统电化学加工中可能存在的浓差极化和钝化极化现象，改善电解液的充填能力，提高加工过程的稳定性，进而提高加工表面质量。
3、采用后混合式磨料射流加工，可以避免前混合式磨料混合液对装置的压力产生部件及其管路的磨损，利用流量控制装置可以实现高浓度磨料混合加工液混合流量的精确控制，使后混合磨料射流加工过程中磨料浓度能够保持均匀稳定，防止常规采用真空吸附式供料方式时由于微细磨料的团聚而产生的供料不均甚至供料失败而造成的加工质量不稳定现象，有助于进一步提高加工表面质量。
附图说明
图1是本发明所述复合能场作用下磨料射流加工装置的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述复合能场作用下磨料射流加工装置，它包括水平工作台基座1、水平工作台传动机构2、水平移动工作台3、水平旋转工作台4、加工室6、垂直工作台基座7、垂直移动工作台8、垂直旋转工作台9、L形支架10、后混合喷射装置11、夹具12、精密流量控制泵27、磨料混合液搅拌装置28、加工液回收箱29、电源30和电解工作液压力产生装置；
水平工作台基座1和垂直工作台基座7相互垂直设置；
水平工作台传动机构2固定在水平工作台基座1上，水平移动工作台3、加工室6和水平旋转工作台4由下至上安装在水平工作台传动机构2的输出端上；
加工室6为向上开口的半封闭容器，加工室6的废液出口通过管路与加工液回收箱29的入口连接；
垂直移动工作台8固定在垂直工作台基座7的工作面上，垂直旋转工作台9安装在垂直移动工作台8的输出端上，L形支架10的竖直分支固装在垂直旋转工作台9上，L形支架10的水平分支通过夹具12固定后混合喷射装置11；后混合喷射装置11的喷射口朝下；
后混合喷射装置11的混合腔通过流量控制泵27与磨料混合液搅拌装置28的出口相连；
后混合喷射装置11的工作液入口与电解工作液压力产生装置的工作液出口相连；
后混合喷射装置11连接电源30的负极，电源30的正极连接放置在水平旋转工作台4上的被加工工件5。
后混合喷射装置11通过垂直工作台传动机构8实现垂直方向的移动，并通过垂直旋转工作台9实现沿垂直工作面的转动。由水平工作台传动机构2、水平移动工作台3和旋转工作台4，垂直移动工作台8，垂直旋转工作台9组成五轴联动机构，可以实现具有空间复杂结构件的高效精密加工及抛光。
磨料混合液搅拌装置28中对磨料和电解液进行混合，搅拌成高浓度的混合液，所述混合液的浓度范围为50g/L-300g/L。
本实施方式利用高速喷射的微细磨料对被加工工件5的冲蚀和电化学加工对阳极（工件）的溶蚀共同作用来实现对被加工工件5材料的化学机械高效去除。本实施方式中，将磨料射流加工与电化学射流加工进行有机结合，在加工过程中将多种能量（机械、电、化学）同时作用于工件表面，各种能量作用相互促进，可以充分发挥电化学加工表面质量高和磨料射流加工方便灵活的优势，在获得高质量加工表面的同时，大幅度地提高加工效率。
具体实施方式二：本实施方式对实施方式一作进一步说明，电解工作液压力产生装置包括射流加工压力表13、工作液压力调节阀14、泵压出口压力表15、不锈钢蓄能器16、气压表17、泄压阀18、压力出口单向阀19、工作液箱20、进液单向阀21、压力产生装置22、气压调节阀23、气体压力开关24、压缩空气产生系统25和空气干燥与过滤装置26，
空气干燥与过滤装置26的一端与压缩空气产生系统25相连，空气干燥与过滤装置26的另一端与气体压力开关24的一端相连，气体压力开关24的另一端与气压调节阀23的一端相连，气压调节阀23的另一端通过气压表17后与压力产生装置22的气压输入口相连，压力产生装置22的工作液输入端通过进液单向阀21与工作液箱20的工作液出口相连，压力产生装置22的压力出口端通过压力出口单向阀19与不锈钢蓄能器16的入口相连，同时压力产生装置22的压力出口端通过三通与泄压阀18的一端相连，泄压阀18的另一端与工作液箱20的泄压口相连，不锈钢蓄能器16的出口经过泵压出口压力表15与工作液压力调节阀14的一端相连，工作液压力调节阀14的另一端经过射流加工压力表13与后混合喷射装置11的工作液入口相连。
具体实施方式三：本实施方式对实施方式一作进一步说明，精密流量控制泵27采用蠕动泵，所述蠕动泵的转速调节范围为0-600转/分，所述蠕动泵的流量调节范围为0-2500ml/分钟。
如此设置，可以通过控制蠕动泵的转速方便地实现对其输入流量的精确控制，并且蠕动泵在供料过程中通过管路将磨料混合液与泵体相隔离，避免了外界环境对磨料混合液的污染。
由于采用蠕动泵对复合加工中的磨料浓度进行控制，可以方便地实现不同磨料浓度的复合加工，同时通过关闭或开启蠕动泵，可以方便地实现单一电化学射流加工和单一磨料射流加工以及复合能场作用下磨料射流加工方式之间的转换。
具体实施方式四：本实施方式对实施方式一作进一步说明，后混合喷射装置11的砂管11-1的材料为钨钢复合材料，砂管11-1的外周和前端部采用CVD方法镀上绝缘涂层。
如此设置：可以防止加工过程中由于砂管与工件之间的高压作用而产生火花放电现象而破坏加工的稳定性。
具体实施方式五：本实施方式对实施方式一作进一步说明，夹具12采用绝缘材料制作，所述绝缘材料为可加工陶瓷、电木或聚四氟乙烯。本实施方式的设置用以实现喷射装置与机床本体的绝缘。
具体实施方式六：本实施方式对实施方式一作进一步说明，压力产生装置22采用气液增压泵，所述气液增压泵的输入气体压力为0.1MPa-0.8Mpa，所述气液增压泵的输出液体压力为0.5Mpa-15Mpa。
气液增压泵是靠气动活塞与液压活塞不同的面积比来实现增压的，不需要常规液压系统中的溢流阀来对输出压力进行控制，减少能量的消耗。
具体实施方式七：本实施方式对实施方式一或二作进一步说明，工作液压力调节阀14的压力调节范围为0-10Mpa。电解工作液压力产生装置输出的电解工作液是高压的，进入后混合喷射装置11的混合腔，并与流量控制泵27泵入的高浓度磨料混合液在混合腔中混合，对被加工工件5进行复合能场作用喷射加工。
具体实施方式八：本实施方式对实施方式一作进一步说明，电源30为直流电源，电源30输出0V-500V连续可调电压。
具体实施方式九：本实施方式对实施方式一作进一步说明，电源30为直流脉冲电源，电源30输出0V-500V连续可调电压，且电压频率在1KHz-1MHz可调。
具体实施方式十：本实施方式对实施方式一作进一步说明，管路及其连接件材料全部采用不锈钢材料，以防止电解液对管路及其连接件造成腐蚀作用而对装置的使用寿命造成影响。
Claims (9)
1.复合能场作用下磨料射流加工装置，其特征在于，它包括水平工作台基座（1）、水平工作台传动机构（2）、水平移动工作台（3）、水平旋转工作台（4）、加工室（6）、垂直工作台基座（7）、垂直移动工作台（8）、垂直旋转工作台（9）、L形支架（10）、后混合喷射装置（11）、夹具（12）、精密流量控制泵（27）、磨料混合液搅拌装置（28）、加工液回收箱（29）、电源（30）和电解工作液压力产生装置；
水平工作台基座（1）和垂直工作台基座（7）相互垂直设置；
水平工作台传动机构（2）固定在水平工作台基座（1）上，水平移动工作台（3）、加工室（6）和水平旋转工作台（4）由下至上安装在水平工作台传动机构（2）的输出端上；
加工室（6）为向上开口的半封闭容器，加工室（6）的废液出口通过管路与加工液回收箱（29）的入口连接；
垂直移动工作台（8）固定在垂直工作台基座（7）的工作面上，垂直旋转工作台（9）安装在垂直移动工作台（8）的输出端上，L形支架（10）的竖直分支固装在垂直旋转工作台（9）上，L形支架（10）的水平分支通过夹具（12）固定后混合喷射装置（11）；后混合喷射装置（11）的喷射口朝下；
后混合喷射装置（11）的混合腔通过流量控制泵27与磨料混合液搅拌装置（28）的出口相连；
后混合喷射装置（11）的工作液入口与电解工作液压力产生装置的工作液出口相连；
后混合喷射装置（11）连接电源（30）的负极，电源（30）的正极连接放置在水平旋转工作台（4）上的被加工工件（5）。
2.根据权利要求1所述复合能场作用下磨料射流加工装置，其特征在于，电解工作液压力产生装置包括射流加工压力表（13）、工作液压力调节阀（14）、泵压出口压力表（15）、不锈钢蓄能器（16）、气压表（17）、泄压阀（18）、压力出口单向阀（19）、工作液箱（20）、进液单向阀（21）、压力产生装置（22）、气压调节阀（23）、气体压力开关（24）、压缩空气产生系统（25）和空气干燥与过滤装置（26），
空气干燥与过滤装置（26）的一端与压缩空气产生系统（25）相连，空气干燥与过滤装置（26）的另一端与气体压力开关（24）的一端相连，气体压力开关（24）的另一端与气压调节阀（23）的一端相连，气压调节阀（23）的另一端通过气压表（17）后与压力产生装置（22）的气压输入口相连，压力产生装置（22）的工作液输入端通过进液单向阀（21）与工作液箱（20）的工作液出口相连，压力产生装置（22）的压力出口端通过压力出口单向阀（19）与不锈钢蓄能器（16）的入口相连，同时压力产生装置（22）的压力出口端通过三通与泄压阀（18）的一端相连，泄压阀（18）的另一端与工作液箱（20）的泄压口相连，不锈钢蓄能器（16）的出口经过泵压出口压力表（15）与工作液压力调节阀（14）的一端相连，工作液压力调节阀（14）的另一端经过射流加工压力表（13）与后混合喷射装置（11）工作液入口相连。
3.根据权利要求1所述复合能场作用下磨料射流加工装置，其特征在于，精密流量控制泵（27）采用蠕动泵，所述蠕动泵的转速调节范围为0-600转/分，所述蠕动泵的流量调节范围为0-2500ml/分钟。
4.根据权利要求1所述复合能场作用下磨料射流加工装置，其特征在于，后混合喷射装置（11）的砂管（11-1）的材料为钨钢复合材料，砂管（11-1）的外周和前端部采用CVD方法镀上绝缘涂层。
5.根据权利要求1所述复合能场作用下磨料射流加工装置，其特征在于，夹具（12）采用绝缘材料制作，所述绝缘材料为可加工陶瓷、电木或聚四氟乙烯。
6.根据权利要求1所述复合能场作用下磨料射流加工装置，其特征在于，压力产生装置（22）采用气液增压泵，所述气液增压泵的输入气体压力为0.1MPa-0.8Mpa，所述气液增压泵的输出液体压力为0.5Mpa-15Mpa。
7.根据权利要求2所述复合能场作用下磨料射流加工装置，其特征在于，工作液压力调节阀（14）的压力调节范围为0-10Mpa。
8.根据权利要求1所述复合能场作用下磨料射流加工装置，其特征在于，电源（30）为直流电源，电源（30）输出0V-500V连续可调电压。
9.根据权利要求1所述复合能场作用下磨料射流加工装置，其特征在于，电源（30）为直流脉冲电源，电源（30）输出0V-500V连续可调电压，且电压频率在1KHz-1MHz可调。
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