CN104028862B - 一种钛合金细长轴的电解加工方法及加工设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钛合金细长轴的电解加工方法，包括步骤：将待加工的钛合金工件的一端固定在机床三角卡盘上，阴极夹持工具固定铜管阴极；移动铜管阴极使待加工的钛合金工件穿入铜管阴极内部，保证钛合金工件与铜管阴极彼此绝缘，钛合金工件与铜管阴极的径向间隙保持一致；钛合金工件与铜管阴极间通入电解液，并转动钛合金工件进行电解加工。本发明中铜管阴极为一黄铜管体，管体的一端设置堵头，另一端为夹持部，夹持部头端和侧壁设置两个电解液通入接口。采用该方法及设备对钛合金细长轴进行加工，使得生产效率大幅度提高，而且加工后的细长轴表面粗糙度得到明显改善，同时，加工得到的细长轴几乎没有变形，提供了产品的成品率。

Description

一种钛合金细长轴的电解加工方法及加工设备

技术领域

本发明涉及一种电解加工方法及加工设备，特别涉及一种钛合金细长轴的电解加工方法及加工设备。

背景技术

细长轴的加工精度主要包括尺寸精度、形状精度、位置精度和表面粗糙度等。细长轴的加工难度较大，在加工过程中，加工工艺系统会在钻孔力、切削力、夹紧力、传动力、重力、惯性力等外力作用下会产生不同程度的变形，使刀具与工件之间的相对位置发生变化,从而造成加工误差。此外，车削加工中，车床──夹具──刀具所构成的加工工艺系统，容易发生加工系统振动，以上这些因素都将影响细长轴的加工精度。

钛合金具有比重小、强度高及耐腐蚀等优点，因此，钛合金细长轴在航空航天工业等领域中的应用越来越广泛。但钛合金是一种难切削材料，尤其是进行细长轴的加工，更为困难。目前，常用的现代加工方法也很难满足和达到钛合金细长轴的加工要求，如激光加工会产生重熔层，不能满足其对材料的冶金要求；电火花加工效率较激光加工低，且同样存在重熔层。因此，本发明针对钛合金细长轴的加工，提出电解加工新方法。该方法不受工件材料力学、机械性能限制，无重熔层，加工质量好等特点，非常适合此类细长轴结构的加工。

不同于传统的机械加工和常用的现代加工方法，电解加工是利用电化学阳极溶解的原理将工件加工成形的一种非接触式的特种加工方法。为了保证电极间隙内电化学反应的正常进行，需引入直流电流和电解液。电解加工具有加工效率高、加工表面质量好、工具无损耗、加工范围广的优点。

中国专利文献CN203227903U公开了细长轴电解加工机床，包括床身、Z向滑台、X向滑台、工具阴极、工控机、工作箱、工件、三爪卡盘、主轴头，其特征是X向滑台安装在Z向滑台上，Z向滑台安装在床身上；工作箱通过工作箱连接板安装在Z向滑台上，工具阴极安装在阴极支架上，阴极支架安装在X向滑台上；工件安装在三爪卡盘上，三爪卡盘安装在主轴头前端，主轴头安装在基座上，基座安装在床身上；主轴电机带动小带轮转动，小带轮通过同步带带动大带轮转动，大带轮带动主轴头转动，由主轴头通过三爪卡盘带动工件实现C向的转动；工控机控制工具阴极相对于工件做X向和Z向的运动，实现对细长轴电解加工的轨迹控制。该机床以工具阴极代替了传统加工方式中的车削刀具，以工具阴极相对于工件的X向和Z向运动以及工件自身的C向转动完成电解加工。

发明内容

本发明的目的是，提供一种钛合金细长轴的电解加工方法及加工设备，以电解加工方法替代传统的机械加工工艺完成钛合金细长轴的加工，减少甚至消除加工后钛合金细长轴的残余应力，从而避免细长轴的变形；同时，提高细长轴的尺寸精度和表面粗糙度。

本发明的技术方案是这样的，一种钛合金细长轴的电解加工方法，包括如下步骤：

1)将待加工的钛合金工件的一端固定在机床三角卡盘上，阴极夹持工具固定铜管阴极；

2)移动铜管阴极使待加工的钛合金工件穿入铜管阴极内部，保证钛合金工件与铜管阴极彼此绝缘，钛合金工件与铜管阴极的径向间隙保持一致；

3)钛合金工件与铜管阴极间通入电解液，并转动钛合金工件进行电解加工。

优选的，所述电解液由按质量百分比计，氟化氢铵粉末5％～9％，氯化铵粉末2％～5％和甲酰胺溶剂86％～93％混合制得。

优选的，所述电解加工时电解电压为18～20V，电解液压力0.2MPa，钛合金工件转速10～15转/分钟。

一种钛合金细长轴的电解加工设备，包括机床，为加工过程提供0～24V直流电的供电系统，用于控制供电系统电压、电解液压力及工件转速的控制系统，进行电解液供给的电解液系统和固定铜管阴极的阴极夹持工具，所述铜管阴极包括管体，在所述管体的一端为夹持部，所述夹持部的头端及侧壁设有电解液通入接口，所述管体的另一端设有堵头，所述堵头设有中央通孔，所述中央通孔孔径小于管体内径。

本发明的有益效果是，采用这种方法加工出的钛合金细长轴，整个零件没有内应力，这就保证了加工后的细长轴不会变形，保证了其加工所需要的精度；同时，本发明中所使用的电解液为非水基组分，这也保证了电解加工后的钛合金细长轴表面不会出现杂散点蚀的缺陷，其工件表面光亮表面粗糙度能达到所需的要求。另外，采用本发明中的所设计的阴极，为整体一次性加工，大大了提供了零件的生产效率，进一步降低了生产成本，同其他加工方式相比，具有很大的优越性。

附图说明

图1为铜管阴极结构示意图；

图2为电解加工设备加工钛合金细长轴结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明技术方案及其有益效果作进一步说明。

本发明的铜管阴极1如图1所示，包括一根黄铜管，管体10的一端是供阴极夹持工具2夹持的夹持部11，管体10的另一端是钛合金细长轴工件的入口，该入口处设置有堵头13，堵头13设有中央通孔，中央通孔孔径小于管体10内径。在夹持部11的头端 及侧壁分别设置电解液通入接口12，加工过程中电解液由此两个接口12通入管体10内。堵头13能够保证电解液在流动过程中，在铜管阴极1内部形成一定的背压，从而提高电解加工的效率。

整个电解加工设备还包括机床、供电系统、控制系统、电解液系统和阴极夹持工具2。机床为电解切削专用车床，由普通机床改装而成。电解车削专用车床其最长加工的工件长度为800mm。供电系统采用直流电源，为加工过程提供电能，该供电系统所能提供的电源电压范围为0～24V。控制系统主要用来控制机床的旋转速度、供电系统的供电电压及电解液系统的电解液压力，从而达到所需的加工精度。电解液系统用于在电解过程中向加工间隙提供电解液，完成整个电解加工过程。阴极夹持装置2用来固定铜管阴极1，同时，方便调节铜管阴极1与工件4之间的间隙。

结合附图2，在加工过程开始前，首先要进行电解液配置，传统的钛合金电解加工均是采用中性水质电解液进行加工，由于化学钝化及电化学钝化，在钛合金的表面形成了明显的钝化膜，从而使得加工后的钛合金工件表面膜相对于加工前的表面膜厚很多。由于这种钝化膜与钛合金基体结合牢固而且极为致密，从而使得钛合金工件在电解过程中导电性较低，对电解过程带来极为不利的影响。因此，一般通用的水基电解液就不适合于钛合金的电解加工，如常用的NaNO3或NaCl等电解液对钛合金就不合适。鉴于上述客观存在的问题，本发明中采用非水基电解液来进行钛合金的细长轴电解加工。电解液的原料组分及其质量百分比含量为：氟化氢铵粉末5％～9％，氯化铵粉末2％～5％，甲酰胺溶剂86％～93％。铜管阴极1固定在阴极夹持工具2上，与供电系统的电源负极相连；钛合金工件4夹持在机床的三角卡盘3上，三角卡盘3连接供电系统电源的正极。移动阴极夹持工具2使钛合金工件4直接穿入铜管阴极1，并使其与铜管阴极1彼此绝缘，同时，必须保证钛合金工件4与铜管阴极1具有均匀的径向间隙(即同轴。)随后由电解液通入接口12通入电解液进行电解加工，在工作过程中，控制系统驱动三角卡盘3做低速旋转，从而带动钛合金工件4同步低速旋转，进而保证工件加工的圆度。

实施例1

1)配置钛合金电解加工所需要的非水基电解液：称取氟化氢铵0.9kg和氯化铵0.5kg粉末，混合均匀。称取甲酰胺溶剂8.6kg，将上述混合粉末倒入盛有甲酰胺溶剂的电解槽中，对电解槽中的粉末进行充分搅拌，直至粉末完全溶解，制得电解液。

2)安装钛合金工件4及铜管阴极1：将钛合金工件4装夹在电解车削专业机床的三角卡盘3上，铜管阴极1通过阴极夹持工具2进行固定；移动铜管阴极1使待加工的钛合金工件4穿入铜管阴极1内部，并通过调节相互位置，保证钛合金工件4与铜管阴极1彼此绝缘，钛合金工件4与铜管阴极1的径向间隙保持一致；

3)设置电解加工工艺参数：电解电压20V，电解液压力0.2MPa，工件旋转速度10转/分钟，电解时间为5min。

4)电解加工：检查核实工艺参数后，按下电解车削车床上的“启动”按钮，电解加工过程开始。此时，通过控制系统上的数据，可以直接观察到其电解电压为20V，刚开始，其电解电流为250A。在电解过程中，随着铜管阴极1内的钛合金工件4不断变细，工件4与铜管阴极1内壁的间隙逐渐增加，导致电解电流也逐渐减小。

5)当电解时间5分钟结束后，通过电解车削车床上的行走平台，移开铜管阴极1，用卡尺测量所加工的钛合金工件的外径，此时加工得到的钛合金细长轴的外径尺寸为4.2mm。

6)再次移动铜管阴极1，使加工后的钛合金细长轴4穿入其内部，重复步骤3、)4)，将电解时间设置为30s。待电解结束后，按照步骤5)，测试其钛合金细长轴的外径。

7)加工后的工件取下后，及时用清水清洗干净，晾干后做下一步的质量检验。

加工得到的钛合金细长轴，其表面光亮，粗糙度达到0.45um，无杂散点蚀现象，而且工件无变形。

实施例2

1)配置钛合金电解加工所需要的非水基电解液：称取氟化氢铵0.5kg和氯化铵0.2kg粉末，混合均匀。称取甲酰胺溶剂9.3kg，将上述混合粉末倒入盛有甲酰胺溶剂的电解槽中，对电解槽中的粉末进行充分搅拌，直至粉末完全溶解，制得电解液。

2)安装钛合金工件4及铜管阴极1：将钛合金工件4装夹在电解车削专业机床的三角卡盘3上，铜管阴极1通过阴极夹持工具2进行固定；移动铜管阴极1使待加工的钛合金工件4穿入铜管阴极1内部，并通过调节相互位置，保证钛合金工件4与铜管阴极1彼此绝缘，钛合金工件4与铜管阴极1的径向间隙保持一致；

3)设置电解加工工艺参数：电解电压18V，电解液压力0.2MPa，工件旋转速度15转/分钟，电解时间为5min。

4)电解加工：检查核实工艺参数后，按下电解车削车床上的“启动”按钮，电解加工过程开始。此时，通过控制系统上的数据，可以直接观察到其电解电压为18V，刚开始，其电解电流为240A。在电解过程中，随着铜管阴极1内的钛合金工件4不断变细，工件4与铜管阴极1内壁的间隙逐渐增加，导致电解电流也逐渐减小。

5)当电解时间5分钟结束后，通过电解车削车床上的行走平台，移开铜管阴极1，用卡尺测量所加工的钛合金工件的外径，此时加工得到的钛合金细长轴的外径尺寸为4.5mm。

6)再次移动铜管阴极1，使加工后的钛合金细长轴穿入其内部，重复步骤3、)4)，将电解时间设置为60s。待电解结束后，按照步骤5)，测试其钛合金细长轴的外径。

7)加工后的工件取下后，及时用清水清洗干净，晾干后做下一步的质量检验。

加工得到的钛合金细长轴，其表面光亮，粗糙度达到0.5um，无杂散点蚀现象，而且工件无变形。

与现有技术相比，采用电解加工方法对钛合金细长轴进行加工，使得生产效率大幅度提高，而且加工后的细长轴表面粗糙度得到明显改善，同时，加工得到的细长轴几乎没有变形，提供了产品的成品率。

Claims (2)

1.一种钛合金细长轴的电解加工方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)将待加工的钛合金工件的一端固定在机床三角卡盘上，阴极夹持工具固定铜管阴极；

2)移动铜管阴极使待加工的钛合金工件穿入铜管阴极内部，保证钛合金工件与铜管阴极彼此绝缘，钛合金工件与铜管阴极的径向间隙保持一致；

3)钛合金工件与铜管阴极间通入电解液，并转动钛合金工件进行电解加工；

所述电解液由按质量百分比计，氟化氢铵粉末5％～9％，氯化铵粉末2％～5％和甲酰胺溶剂86％～93％混合制得。

2.根据权利要求1所述的钛合金细长轴的电解加工方法，其特征在于：所述电解加工时电解电压为18～20V，电解液压力0.2MPa，钛合金工件转速10～15转/分钟。