CN103706898A - 一种内斜微线段齿轮的电解加工装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内斜微线段齿轮的电解加工装置及方法,其装置包括有电源系统、PLC控制系统、电解液循环过滤系统、数控转台、阴极系统、工件夹具，其方法是采用一个由高精度线切割机床加工出来的1mm厚度的片状阴极，工具阴极上的齿廓形状是由要加工成形的工件内齿形状沿径向向内侧等距偏移一个加工间隙δ得到；在加工过程中工具阴极沿轴向向下进给的同时绕轴做旋转运动，根据电化学阳极溶解原理对工件进行加工；内齿轮的螺旋角由轴向进给和绕轴旋进给的速度比保证，当齿轮的螺旋角改变时可以通过改变轴向进给和绕轴旋转运动的速度比实现相应角度的加工。本发明有利于提高加工效率和齿轮成形精度。

Description

一种内斜微线段齿轮的电解加工装置及方法

技术领域

本发明属于特种加工技术领域，尤其涉及一种内斜微线段齿轮的电解加工装置及方法。

背景技术

微线段齿轮是近年来发明的一种新型齿轮,其齿廓曲线是由微线段组成的,类似于分阶式圆弧齿廓的一种曲线,与渐开线齿轮相比具有强度高、传动效率高、温升小等特点。研究表明,微线段齿轮具有较高的弯曲强度及接触强度,且最少齿数较少(3~4齿),能很好地适应现代工业对齿轮传动性能全方位的要求,尤其是高速、重载和小型化方面的要求。微线段齿轮的高精度、高效率的稳定制造成为制造加工领域要解决的关键问题。内斜微线段齿轮主要应用于行星齿轮传动中,基于结构尺寸等考虑,外齿圈厚度较薄,且为硬齿面。常规加工方法在热处理后工件硬度较高，强度较大，极易变形,无法保证加工质量；由于所加工材料的高硬度、高强度和高韧性，在加工过程中所用的刀具磨损严重，制造专门的加工机床制造成本较高，且内斜齿轮加工成型效率低，加工精度也无法保证。

齿轮电解加工具有不受工件材料硬度和强度的限制，工具阴极无损耗、加工工件表面无残余应力和再铸层、加工质量好、生产效率高等优点。电解加工方法特别适合难切削材料（高硬度、高强度和高韧性材料）和复杂结构零件的加工；这为解决内斜齿轮的成型问题提供了一种新的思路。利用电解加工不受材料机械、物理性能限制的优势,实现内斜微线段齿轮的高效高精稳定加工。

发明内容

本发明的目的是为了弥补已有技术的不足，提供了一种能高效高精稳定加工内斜微线段齿轮（对其它内斜齿轮加工同样适用）的电解加工装置及方法。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种内斜微线段齿轮的电解加工装置，包括有电源系统、PLC控制系统、电解液循环过滤系统、数控转台、阴极系统、工件夹具，其特征在于：所述阴极系统包括有阴极杆、六角薄螺母、阴极挡块、阴极片、直角三通管、堵头、平法兰盘、液压软管接头，所述阴极杆下端部的轴肩上安装有阴极片，所述阴极片的两端面设有阴极挡块，且下端面的阴极挡块通过六角薄螺母固定在阴极杆上，所述阴极杆的内部设有通道，侧面开有与内部通道连通的开孔，所述阴极杆的上端部通过螺纹连接于其上方的直角三通管的一头，所述直角三通管的另外两头分别螺纹连接有堵头和液压软管接头，所述直角三通管的上端面焊接有平法兰盘，所述平法兰盘用T形螺栓固定在其上方的数控转台上；所述工件夹具包括有相互关联的上盖和底座，所述上盖的中部设有通孔，且与阴极杆密封配合，所述底座上设有放置工件的定位环槽和内腔，所述底座的侧面开有与内腔连通的通道，且通道的端口安装有液压软管结构；

所述电源系统包括脉冲电源、阳极电缆、导电平台、阴极电缆、导电铜板，脉冲电源的正极通过阳极电缆接导电平台，工件夹具通过压板和螺栓连接固定在导电平台上实现阳极工件导电；脉冲电源的负极通过阴极电缆连接导电铜板固定在阴极系统平法兰盘的焊接直角三通管的一侧上，实现工具阴极片导电的连接；所述电解液循环过滤系统包括电解液池、过滤器、输液泵、三通阀、输液管、压力表，通过输液泵经过滤器将电解液输送到工件夹具的进液口，经底座缓冲腔进入工件和阴极片之间的间隙，通过阴极杆上的回液孔流出，经出水口回液到电解液池；通过调节三通阀的开度可以调节输入口的压力和流量。

所述的上盖和底座之间通过O型密封圈实现端面密封，所述阴极杆与上盖内腔之间通过Y型密封圈实现轴向密封，所述密封盖和密封圈挡盖通过六角头螺钉固定在上盖上。

所述的连接底座和上盖的六角头螺钉放置在O形密封圈的内侧，螺钉与上盖之间加密封垫保证端面密封。

所述的电解液池中的电解液由与底座水平面成20度角的进液口进入底座缓冲腔，电解液流动均匀稳定能在整个腔室内循环且有一定的速度，充满腔室后流经工件和阴极片之间的加工间隙，由阴极杆上周向分布均匀的四个直径为5mm的小孔进入中空的阴极杆，经阴极杆上的回液管嘴回液。

所述的数控转台的轴心与阴极杆轴心的对心是通过平面法兰与数控转台之间的定位棒实现，所述底座内工件与阴极杆的对心通过工件中卡装的对刀块实现。

所述的内斜微线段齿轮的电解加工装置的加工方法，其特征在于：具体步骤如下：在加工前要先保证数控转台轴心、阴极杆轴心和工件轴心重合；首先通过定位棒定心将阴极系统平法兰盘用螺栓连接固定到数控转台的端面上，保证数控转台的轴心与阴极杆的轴心对心，然后将对刀块安装在阴极杆上，将阴极杆向下进给，使对刀块侧面与阴极夹具底座内工件的内环面配合；此时固定阴极夹具底座的位置即可保证工件、阴极片和数控转台对心；

取下对刀块换上阴极片后通过控制系统实现Z轴的直线进给和数控转台带动的绕Z轴的旋转运动的复合；所述的数控转台提供阴极片的旋转运动，保证加工齿轮的螺旋角，过程中采用1mm厚阴极片作为工具阴极，运用电化学阳极溶解的原理，工具阴极在沿轴向直线进给运动和绕轴旋转运动的复合作用下形成要加工内斜齿轮的齿形，要加工的内斜微线段齿轮的螺旋角由阴极杆轴向进给运动和绕轴的旋转运动复合形成，当要加工的齿轮螺旋角改变时可以通过改变轴向进给和绕轴旋转进给的速度比得到需要的螺旋角；采用PLC控制系统，通过调节发送给阴极轴向进给步进电机和绕轴旋转运动步进电机的脉冲个数之比，可以实现不同的进给速度比以加工出不同螺旋角的内斜齿轮；采用反流加背压的方式输送电解液，电解液分两路进入底座，进液管口与底座之间呈一定斜度，保证底座型腔内流场循环均匀充分；电解液流经加工间隙，由阴极杆周向分布均匀的四个小孔流入中空的阴极杆，经直角三通管上的出液口管接头回液；

已加工成形的阴极片的形状为要加工齿轮的形状沿齿轮径向等间距向内侧偏移一个加工间隙δ得到,最后对阴极片的侧面进行修形，在靠近阴极片上端面的侧面上进行钳工修形，修出60°的倒角，保证阴极片侧面上修出一切削刃b，切削刃b的厚度需由加工实验的实际加工效果确定，对一定厚度b₁的阴极片按上述方法进行修形，分别修出切削刃b的厚度为：0.1b₁、0.2 b₁、0.3 b₁、0.4 b₁、0.5b₁；根据切削刃厚度b以及加工间隙Δb，确定对应切削刃b的最佳匹配加工参数，进行电解加工实验；对加工工件的尺寸和综合偏差进行检测，选择综合检测指标最好的一组作为最终加工参数。由于切削刃b厚度太大会在旋转运动过程中影响工件螺旋线的线型，而切削刃b的厚度太小则刚度不足，综上取阴极片b₁厚度为（0.5_~1.5mm），切削刃b厚度为（0.1_~0.5b₁）。

本发明的优点是：

（1）、本发明所设计的阴极片可以实现内斜齿轮的高效高精稳定加工，而且当齿轮螺旋角改变时,阴极无需重新设计；通过调整轴向进给和绕轴旋转进给的速度比，可以用同一阴极片加工出不同螺旋角的内斜齿轮，且片状阴极的侧面修出一切削刃b能有效保证齿轮的成形精度。

（2）、本发明的加工装置采用反流式流场设计；采用两个进液口保证进液充分，出液口比进液口小保证加工中可产生一定的背压。

（3）、本发明的加工装置在如何保证工件与进给工作台轴心对心问题上，采用定位棒、对刀块和在夹具底座上加工出定位环槽保证进给工作台轴心、阴极杆轴心和工件轴心的对心。

（4）、与传统机械加工相比，本发明使用电解加工加工内斜齿轮，工具阴极无损耗，可以永久使用；且在任一加工时刻同时加工出齿轮某一截面上的齿形，使加工齿形的误差减小，加工效率和加工精度提高。

（5）、传统加工内斜齿轮需要制造专门的加工机床成本高，且齿轮的表面质量和成形精度由于刀具的磨损而不能保证；本发明是针对内斜微线段齿轮的电解加工，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，这是传统的加工工艺很难、甚至无法实现的。

（6）、本加工方法与传统电解加工系统相比增加了一个数控转台，增加了系统的一个自由度来实现内斜齿轮加工；与采用圆柱状阴极加工内齿轮相比，本装置片状阴极设计更适合加工内斜齿轮，并且齿轮螺旋角改变时,阴极无需重新设计,同一阴极片可加工不同螺旋角的内斜齿轮。

附图说明

图1是针对内斜微线段齿轮电解加工装置整体结构示意图。

图2是电解加工装置结构示意图。

图3为图2中的局部结构放大图。

图4是工具阴极片形状的结构示意图。

图5为图4中沿B-B的剖视图。

图6为图4中沿C-C的剖视图。

图7是加工间隙示意图。

其中标号名称：1、电解液池，2、输液管，3、过滤器，4、输液泵，5、机床工作台，6、三通阀，7、压力表，8、导电平台，9、压板，10、液压软管接头，11、底座，12、工件，13、上盖，14、六角头螺钉，15、阴极片，16、阴极挡块，17、阴极杆，18、密封盖，19、Y型密封圈，20、密封圈挡盖，21、O型密封圈，22、阴极电缆，23、堵头，24、导电铜板，25、数控转台，26、定位棒，27、平法兰盘，28、直角三通管，29、六角薄螺母，30、工件压板,31、对刀块32、阳极电缆33、密封垫。

具体实施方式

参见附图，一种内斜微线段齿轮的电解加工装置,包括电源系统、PLC控制系统、加工机床进给系统，电解液循环过滤系统、数控转台、阴极系统、工件12、工件夹具、密封部分、工件对心部分、机床工作台5。其中阴极系统包括平法兰盘27、直角三通管28、堵头23、液压软管接头10、阴极杆17、阴极片15、阴极挡块16、六角薄螺母29，工具阴极片15安装在阴极杆17一端的轴肩上，并且在两侧分别加一个阴极挡块16以提高阴极片15的刚度，通过六角薄螺母29一起固定在阴极杆17的一端；阴极杆17的另一端通过螺纹连接到直角三通管28的一头，直角三通管28的另两头分别螺纹连接堵头23和液压软管接头10，平法兰盘27焊接在直角三通管28的一侧；阴极杆17的侧面及内部开孔，电解液通过阴极杆17侧面及内孔到达直角三通管28经过液压软管接头10形成电解液通道。工件夹具包括上盖13、底座11、工件压板30、液压软管接头10、螺钉，在底座11上加工出放置工件12的定位环槽和内腔，液压软管接头10通过螺纹连接到底座11上并与底座11内腔相连通，将工件12放在底座定位环槽上定位，用工件压板30和螺钉实现工件的夹紧。密封部分包括O型密封圈21、Y型密封圈19、密封盖18、密封圈挡盖20、六角头螺钉14，O型密封圈21与上盖13通过六角头螺钉14连接到底座11上，实现上盖13和底座11端面之间的密封；Y型密封圈19通过密封盖18和密封圈挡盖20固定实现阴极杆17与上盖13内腔之间的轴向密封,并且密封盖18和密封圈挡盖20均采用玻璃钢材料制造保证阴极杆17与阳极工件夹具的绝缘。

电源系统包括脉冲电源、阳极电缆32、导电平台8、阴极电缆22、导电铜板24，脉冲电源的正极通过阳极电缆32接导电平台8，工件夹具通过压板9用螺栓连接固定在导电平台8上实现阳极工件12导电；脉冲电源的负极经过阴极电缆22连接导电铜板24固定在阴极系统平法兰盘27焊接直角三通管28的一侧上，实现工具阴极片15导电。工件对心部分包括对刀块31、定位棒26，通过定位棒26实现数控转台25轴心与阴极杆17轴心的对心；通过对刀块实现底座工件12轴心与阴极杆轴心17的对心，两者共同保证数控转台25轴心与工件12轴心之间的对心。

上述加工装置，采用阴极片15的端面进给和绕轴旋转进给的复合加工出一定螺旋角的内斜微线段齿轮，通过调整端面进给和绕轴旋转进给的速度比可以改变加工内斜齿轮的螺旋角；根据电化学阳极溶解原理这种加工方式为端面进给加工，已加工成形的阴极片的形状为要加工齿轮的形状沿齿轮径向等间距向内侧偏移一个加工间隙δ得到,为保证最终加工齿轮的成形精度对阴极片15的侧面进行修形，修出一工作刃带b，工作刃带b的厚度影响工件12的最后成形尺寸，须由加工试验来确定，本装置b取0.1 mm；阴极片的厚度为b₁取1mm，阴极片的侧面加工间隙δ取0.17mm。             

本装置采用两个进液口进液充分，而且沿电解液流动方向流道的横截面积呈收敛状，能提高电解加工的精度和稳定性。

在加工前要先保证数控转台25轴心、阴极杆17轴心和工件12轴心重合；首先通过定位棒26定心将阴极系统平法兰盘27用螺栓连接固定到到数控转台25的端面上，保证数控转台25的轴心与阴极杆17的轴心对心，然后将对刀块31安装在阴极杆上，将阴极杆向下进给，使对刀块31侧面与阴极夹具底座11内工件12的内环面配合；此时固定阴极夹具底座11的位置即可保证工件12、阴极片15和数控转台25对心；取下对刀块31换上阴极片15即可进行加工。电解液循环过滤系统包括电解液池1、过滤器3、输液泵4、三通阀6、输液管2、压力表7，通过输液泵4经输液管2、过滤器3、三通阀6、将电解液输送到工件夹具底座11上的液压软管接头10，经底座缓冲腔进入工件12和阴极片15之间的间隙，通过阴极杆17回液孔流出，经阴极杆17内孔及直角三通管28流出，通过液压软管接头10经输液管回流到电解液池1；通过调节三通阀6的开度可以调节电解液输入口的压力和流量。

电解加工过程中，影响电解加工的因素众多，其中，起主要作用的加工参数有加工电压、阴极进给速度、脉冲电源加工频率、占空比、电解液压力、温度参数等，为得到最优的加工质量需要对以上的主要影响参数进行优选，本次加工的加工参数选取如下：

加工电压：7V  ，加工频率：40kHz，占空比：0.5，

阴极进给速度：0.5mm/min ，电解液进口压力：0.8 MPa，

电解液成分及浓度：10%NaNO₃     ,   温度：20°。

Claims (6)

1.一种内斜微线段齿轮的电解加工装置，包括有电源系统、PLC控制系统、电解液循环过滤系统、数控转台、阴极系统、工件夹具，其特征在于：所述阴极系统包括有阴极杆、六角薄螺母、阴极挡块、阴极片、直角三通管、堵头、平法兰盘、液压软管接头，所述阴极杆下端部的轴肩上安装有阴极片，所述阴极片的两端面设有阴极挡块，且下端面的阴极挡块通过六角薄螺母固定在阴极杆上，所述阴极杆的内部设有通道，侧面与内部通道开孔连通，所述阴极杆的上端部通过螺纹连接于其上方的直角三通管的一头，所述直角三通管的另外两头分别螺纹连接有堵头和液压软管接头，所述直角三通管的上端面焊接有平法兰盘，所述平法兰盘用T形螺栓固定在其上方的数控转台上；所述工件夹具包括有相互关联的上盖和底座，所述上盖的中部设有通孔，且与阴极杆密封配合，所述底座上设有放置工件的定位环槽和内腔，所述底座的侧面开有与内腔连通的通道，且通道的端口安装有液压软管结构；

所述电源系统包括脉冲电源、阳极电缆、导电平台、导电铜板、阴极电缆，脉冲电源的正极通过阳极电缆接导电平台，工件夹具通过压板和螺栓连接固定在导电平台上实现阳极工件导电；脉冲电源的负极通过阴极电缆连接导电铜板固定在阴极系统平法兰盘的焊接直角三通管的一侧上，实现工具阴极片的导电连接；所述电解液循环过滤系统包括电解液池、过滤器、输液泵、三通阀、输液管、压力表，通过输液泵经过滤器将电解液输送到工件夹具的进液口，经底座缓冲腔进入工件和阴极片之间的间隙，通过阴极杆上的回液孔流出，经出水口回液到电解液池；通过调节三通阀的开度可以调节输入口的压力和流量。

2.根据权利要求1所述的内斜微线段齿轮的电解加工装置，其特征在于：所述的上盖和底座之间通过O型密封圈实现端面密封，所述阴极杆与上盖内腔之间通过Y型密封圈实现轴向密封，所述密封盖和密封圈挡盖通过六角头螺钉固定在上盖上。

3.根据权利要求2所述的内斜微线段齿轮的电解加工装置，其特征在于：所述的连接底座和上盖的六角头螺钉放置在O形密封圈的内侧，螺钉与上盖之间加密封垫保证端面密封。

4.根据权利要求1所述的内斜微线段齿轮的电解加工装置，其特征在于：所述的电解液池中的电解液由与底座水平面成20度角的进液口进入底座缓冲腔，电解液流动均匀稳定能在整个腔室内循环且有一定的速度，充满腔室后流经工件和阴极片之间的加工间隙，由阴极杆上周向分布均匀的四个直径为5mm的小孔进入中空的阴极杆，经阴极杆上的回液管嘴回液。

5.根据权利要求1所述的内斜微线段齿轮的电解加工装置，其特征在于：所述数控转台的轴心与阴极杆轴心的对心是通过平面法兰与数控转台之间的定位棒实现，所述底座内工件与阴极杆的对心通过工件中卡装的对刀块实现。

6.基于上述权利要求1所述的内斜微线段齿轮的电解加工装置的加工方法，其特征在于：具体步骤如下：在加工前要先保证数控转台轴心、阴极杆轴心和工件轴心重合；首先通过定位棒定心将阴极系统平法兰盘用螺栓连接固定到数控转台的端面上，保证数控转台的轴心与阴极杆的轴心对心，然后将对刀块安装在阴极杆上，将阴极杆向下进给，使对刀块侧面与阴极夹具底座内工件的内环面配合；此时固定阴极夹具底座的位置即可保证工件、阴极片和数控转台对心；

取下对刀块换上阴极片后通过控制系统实现Z轴的直线进给和数控转台带动的绕Z轴的旋转运动的复合；所述的数控转台提供阴极片的旋转运动，保证加工齿轮的螺旋角；所述的工件上设有预孔，过程中采用1mm厚阴极片作为工具阴极，运用电化学阳极溶解的原理，工具阴极在沿轴向直线进给运动和绕轴旋转运动的复合作用下形成要加工内斜齿轮的齿形，要加工的内斜微线段齿轮的螺旋角由阴极片轴向进给运动和绕轴的旋转运动复合形成，当要加工的齿轮螺旋角改变时可以通过改变轴向进给和绕轴旋转进给的速度比得到需要的螺旋角；采用PLC控制系统，通过调节发送给阴极轴向进给步进电机和绕轴旋转运动步进电机的脉冲个数之比，可以实现不同的进给速度比以加工出不同螺旋角的内斜齿轮；采用反流加背压的方式输送电解液，电解液分两路进入底座，进液管口与底座呈一定斜度，保证底座缓冲腔内流场循环均匀充分；电解液流经加工间隙，由阴极杆周向分布均匀的四个小孔流入中空的阴极杆，经阴极杆上的出液口管接头回液；

已加工成形的阴极片的形状为要加工齿轮的形状沿齿轮径向等间距向内侧偏移一个加工间隙δ得到,最后对阴极片的侧面进行修形；在靠近阴极片上端面的侧面上进行钳工修形，修出60°的倒角，保证阴极片侧面上修出一切削刃b，切削刃b的厚度需由加工实验的实际加工效果确定，对一定厚度b₁的阴极片按上述方法进行修形，分别修出切削刃b的厚度为：0.1b₁、0.2 b₁、0.3 b₁、0.4 b₁、0.5 b₁ ；根据切削刃厚度b以及加工间隙Δb，确定对应切削刃b的最佳匹配加工参数，进行电解加工实验；对加工工件的尺寸和综合偏差进行检测，选择综合检测指标最好的一组作为最终加工参数；由于切削刃b厚度太大会在旋转运动过程中影响工件螺旋线的线型，而切削刃b的厚度太小则刚度不足，综上取阴极片b₁厚度为0.5_~1.5mm，切削刃b厚度为0.1_~0.5b₁。

Images