CN104028863B - 一种海洋平台爬升齿条的切割方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种海洋平台爬升齿条的切割方法及装置，其方法是将磨料与电解液进行充分混合，形成带负电的磨料电解液射流，作用于带正电的工件，通过阳极电化学溶解作用和磨料的机械研磨作用的复合，切除工件材料形成齿条。其装置包括机架、混合仓、夹具、高压泵、电解液贮存槽、磨料箱、出液喷嘴及电源，混合仓可上下移动地设置在机架上并与电解液贮存槽和磨料箱连通，电解液和磨料在混合仓中混合，并使工件带正电荷，电解液带负电荷，在高压泵和出液喷嘴作用下，形成磨料电解液的射流而作用于工件。本发明发挥了电化学阳极溶解作用和机械研磨作用各自的特长，能满足超厚高强度材料的高质量切割要求，既提高切割质量，又提高切割效率。
Description
技术领域
本发明涉及金属加工，尤其涉及一种利用高速喷射电解和磨料射流复合切割超厚高强度海洋平台爬升齿条的方法及对应的加工装置。
背景技术
目前移动式海洋平台主要有自升式和半潜式两种类型，其中，自升式海洋平台对水深适应性强，工作稳定性良好，发展较快，具有广阔的市场前景。自升式海洋平台的主要工作原理是利用多根带有齿条的桩腿，通过齿轮齿条的传递，实现整个平台的升降。因此，带有齿条的桩腿是自升式海洋平台的关键部件。
自升式海洋平台的桩腿采用超厚高强度材料，大模数齿条是最大的加工难题。目前现有的加工方法包括：激光切割、等离子体切割、电火花线切割、火焰切割等。激光与等离子体切割厚度有限，成本又高；电火花线切割加工效率偏低；火焰切割会导致齿条齿面存在热影响区和微裂纹，降低桩腿的运行寿命。
高速喷射电解是利用金属阴极对高速电解液束辉光充负电，使之具有工具阴极的作用。带负电的高速电解液束打入工件使工件按电解液束的形状阳极电化学溶解作用而成形。该方法加工效率高，并且加工表面质量好。但是在阳极电化学溶解过程中，工件表面容易形成钝化膜，会阻止电化学反应，从而导致电解加工难以继续，工件无法成形。
发明内容
本发明的目的在于提供一种海洋平台爬升齿条的切割方法和对应的加工装置，以实现海洋平台爬升齿条的高效优质加工。
为了实现上述的发明目的，设计了包括下述步骤的齿条加工方法：
将磨料与电解液进行充分混合，形成磨料电解液；
使所述磨料电解液带负电，工件带正电；
使带负电的磨料电解液形成射流，并将该射流作用于工件，工件在磨料电解液的电化学溶解和机械研磨复合作用下，形成所述齿条。
上述电解液优选浓度范围为20-30％中性钠盐电解液，并且所采用磨料的粒径为20-40nm，其中氧化物颗粒为优选的磨料。用上述加工液形成的射流对工件进行切割加工，其射流的流速为80-100m/s。
实现上述加工方法的一种切割装置，包括机架(1)、混合仓(26)、工作台(17)、夹具(21)、高压泵(19)、电解液贮存槽(18)、磨料箱(10)、电解液输送管(27)、磨料输送管(28)、出液喷嘴(8)及电源(16)，所述混合仓(26)可上下移动地设置在机架(1)上，并分别通过所述电解液输送管(27)、磨料输送管(28)分别与电解液贮存槽(18)和磨料箱(10)连通，电解液和磨料在混合仓(26)中混合形成磨料电解液，高压泵(19)设置在电解液输送管(27)上，在混合仓(26)下侧设有用于高压喷出磨料电解液的出液喷嘴(8)，所述工作台(17)可直线移动地设置于与喷嘴(8)相对一侧，所述夹具(21)置于工作台(17)上，所述电源(16)的正负极通过导线(32)分别连接夹具(21)和混合仓(26)，使夹具(21)所夹的工件和喷嘴(8)喷出的加工液分别带正负电荷。
进一步的，所述混合仓(26)包括料仓本体(4)、高压接头(5)、进料接头(12)、滤芯(3)和出液喷嘴座(15)，所述料仓本体(4)的内腔设有相互连通的第一进料腔(41)和第二进料腔(42)，第一进料腔(41)两端口分别形成电解液输入口和磨料电解液输出口，第二进料腔(42)一端口形成所述磨料输入口，所述高压接头(5)和进料接头(12)分别连接电解液输入口和磨料输入口，液喷嘴(8)通过所述出液喷嘴座(15)设置在所述输出口上，滤芯(13)置于第一进料腔(41)内，且一端与高压接头(5)连接一端与出液喷嘴(8)连接，滤芯(13)的内腔形成电解液和磨料的混合腔。
更进一步的，所述混合仓还包括双锥垫(6)、密封座(9)和密封垫，所述高压接头(5)与滤芯(13)对应端之间通过依次设置的所述双锥垫(6)和密封座(9)进行连接。
所述混合仓还包括锥套(24)、挡圈(14)和锁紧螺母(23)，所述锥套(24)设置在磨料电解液输出口上，设有出液喷嘴(8)的出液喷嘴座(15)设置在锥套(24)上，并且在液喷嘴(8)与滤芯(13)对应端之间设置挡圈(14)。
在上述混合仓的基础上，更进一步的，所述混合仓的磨料电解液输出口一端旋接锁紧螺母(23)，所述锁紧螺母(23)上设有使出液喷嘴(8)伸出的限位孔，锥套(24)通过该限位孔进行轴向定位，所述进料接头(12)上旋接进料接头盖(11)，该接头盖(11)通过磨料输送管(28)与磨料箱(10)连接。
其中，料仓本体(26)中的第一进料腔(41)为垂直并贯通的圆柱形腔，第二进料腔(42)为以锐角与第一进料腔(41)斜交的圆柱形腔。
对于上述的切割装置，使混合仓(26)可上下移动地设置在机架(1)上的方式之一是，在混合仓(26)一侧设置螺母支架(3)，并机架(1)对应位置设有丝杆(2)，螺母支架(3)旋接在丝杆(2)上，丝杆(2)转动，螺母支架(3)带动混合仓(26)上下移动。
上述本发明的有益效果在于：本发明的方法以喷射电解的电化学阳极溶解作用去除材料为主，并用磨料对加工表面的机械研磨作用去除电化学阳极溶解形成的钝化膜，将电化学阳极溶解作用与喷射磨料机械研磨作用进行复合，发挥了电化学阳极溶解作用和机械研磨作用各自的特长，能满足超厚高强度材料的高质量切割要求，既提高切割质量，又提高切割效率，同时实施本发明方法的装置其结构简单，易于安装、检修。
附图说明
图1是本发明的海洋平台爬升齿条的切割装置的结构示意图。
图中，1、机架，2、丝杆，3、螺母支架，4、料仓本体，41，42，43，44，45，5、高压接头，6、双锥垫，8，出液喷嘴，9、密封座，10、磨料箱，11、进料接头盖，12、进料接头，13、滤芯，14、挡圈，15、出液喷嘴座，16、电源，17、工作台，18、电解液贮存槽，19、高压泵，20、工作箱，21、夹具，22、工件，23、锁紧螺母，24、锥套，26、混合仓，27、电解液输送管，28、磨料输送管，32、导线。
具体实施方式
本发明方法将结合下述的切割装置做详细说明，因此首先结合附图对本发明装置做进一步说明。
如图1，本发明的切割装置具有一个混合仓26，该混合仓26可上下移动地设置在机架1上，本实施例采用丝杠螺母传动方式使在混合仓26实现上下移动，即在混合仓26一侧设置螺母支架3，并在机架1对应位置设置丝杆2，螺母支架3旋接在丝杆2上，丝杆2转动，螺母支架3带动混合仓26上下移动。
而混合仓26分别通过电解液输送管27、磨料输送管28与电解液贮存槽18和磨料箱10连通，并在电解液输送管27上设置高压泵19，将电解液贮存槽18中的电解液高压泵入混合仓中，磨料箱10中的磨料由磨料输送管28送入混合仓26，电解液和磨料在混合仓26内混合，形成磨料电解液，喷嘴8设置在混合仓26一侧的，用于高压喷出磨料电解液。工作台17设置在与喷嘴8相对一侧并可做直线移动，夹具21置于该工作台17上，电源16的正负极分别通过导线32连接夹具21和混合仓26，使夹具21所夹的工件和喷嘴8喷出的加工液分别带正负电荷。
对于上述的混合仓26进一步的结构设计是这样的：它主要由料仓本体4、高压接头5、进料接头12、滤芯13、出液喷嘴座15和锁紧螺母23组成；料仓本体4的内腔设有相互连通的第一进料腔41和第二进料腔42；一个优选的方案是：第一进料腔41为垂直并贯通的圆柱形腔，第二进料腔42是以锐角与第一进料腔41斜交的圆柱形腔，第一进料腔41两端口分别形成电解液输入口和磨料电解液输出口45，第二进料腔42一端口交于第一进料腔41，一端口形成磨料输入口44；高压接头5和进料接头12分别螺旋连接于电解液输入口43和磨料输入口44，进料接头12还通过一个与之螺旋连接的进料接头盖11与磨料输送管28连接；在上述磨料电解液输出口45上设置出液喷嘴座15，出液喷嘴8设置在该出液喷嘴座15上；滤芯13制成闭环形状并置于第一进料腔41中，同时一端与高压接头5连接一端与出液喷嘴8连接。当电解液贮存槽18中的电解液被高压泵19泵入第一进料腔41时形成高速的流体通过滤芯13，使滤芯13的内侧形成负压，该负压会不断地将由第二进料腔42中的磨料吸入，使磨料不断进入滤芯13中与高速流动的电解液混合，从而使滤芯13的内腔成为电解液和磨料的混合腔。
为了使滤芯13内腔具有更好的负压效果，与滤芯13连接的结合面应具有更好的密封效果。为此，在高压接头5与滤芯13的对应端之间依次设置双锥垫6和密封座9，双锥垫6的轴向两端密封座9的密封端面与滤芯13的对应端结合，在旋紧高压接头5时，通过锥垫6两端的锥面分别与高压接头5和密封座9中对应进料孔51、91的孔壁的紧密结合，使各相邻零部件结合面均衡下压密封座9使之与滤芯13上端面密封结合。
出于同样的目的，在滤芯13对应于喷嘴一端与喷嘴座之间设有挡圈14，挡圈14上设有与滤芯13对应端面能密封连接的结合面；在磨料电解液输出口内侧设置具有内锥面的锥套24，具有与之相适配外锥面的出液喷嘴座15置于锥套24中，使出液喷嘴座15及出液喷嘴8通过锥面配合进行准确定位。
为了使滤芯13与挡圈14的结合面结合更紧密，在磨料电解液输出口一端设置锁紧螺母23，在锁紧螺母23上设置轴向的限位孔231，并使锥套24在该限位孔231上进行轴向定位，旋紧锁紧螺母23，锁紧螺母23通过其上限位孔231、锥套24、出液喷嘴座15对挡圈14施以轴向力，使挡圈14与滤芯13结合更紧密，
下面根据上述本发明装置来说明本发明方法，
(1)首先在电解液贮存槽18中加入浓度为20-30％中性钠盐电解液，并在磨料箱10内加入粒径为20-40nm氧化物颗粒磨料；将工件装夹在工作台17上的夹具21中；将正电极接入电解液，负电极接夹具21；
(2)通过旋转丝杆2调整螺母支架的高度来调整加工间隙，例如将出液喷嘴口与工件表面的距离缩短至1mm以内；
(3)启动高压泵，初设压力小于1.5MPa，高压泵19将电解液贮存槽18中的所述电解液通过电解液输送管27泵入混合料仓中，经高压接头5、双锥垫6和密封座9以一定速流入滤芯13中，滤芯13的管壁处会产生一定负压，滤料在负压和重力共同作用下，不断由磨料箱10经磨料输送管28和进料接头12被吸入滤芯13中，与电解液进行充分混合，形成磨料电解液，该磨料电解液经出液喷嘴25喷出，形成磨料电解液射流，
(4)调整高压泵的压力，形成高速(>80m/s)磨料电解射流，同时打开电源，逐步提高电压至200V以上；
(5)控制工作台按照齿形轮廓数控运动，磨料电解液射流对工件进行切割，从而获得齿条。
Claims (10)
1.一种海洋平台爬升齿条的切割装置，包括机架(1)、混合仓(26)、工作台(17)、夹具(21)、高压泵(19)、电解液贮存槽(18)、磨料箱(10)、电解液输送管(27)、磨料输送管(28)、出液喷嘴(8)及电源(16)，所述混合仓(26)可上下移动地设置在机架(1)上，并分别通过所述电解液输送管(27)、磨料输送管(28)分别与电解液贮存槽(18)和磨料箱(10)连通，电解液和磨料在混合仓(26)中混合形成磨料电解液，高压泵(19)设置在电解液输送管(27)上，在混合仓(26)下侧设有用于高压喷出磨料电解液的出液喷嘴(8)，所述工作台(17)可直线移动地设置于与喷嘴(8)相对一侧，所述夹具(21)置于工作台(17)上，所述电源(16)的正负极通过导线(32)分别连接夹具(21)和混合仓(26)，使夹具(21)所夹的工件和喷嘴(8)喷出的加工液分别带正负电荷。
2.根据权利要求1所述的一种海洋平台爬升齿条的切割装置，其特征在于：所述混合仓(26)包括料仓本体(4)、高压接头(5)、进料接头(12)、滤芯(13)和出液喷嘴座(15)；所述料仓本体(4)的内腔设有相互连通的第一进料腔(41)和第二进料腔(42)，第一进料腔(41)两端口分别形成电解液输入口和磨料电解液输出口，第二进料腔(42)一端口形成所述磨料输入口，所述高压接头(5)和进料接头(12)分别连接电解液输入口和磨料输入口，出液喷嘴(8)通过所述出液喷嘴座(15)设置在所述输出口上，滤芯(13)置于第一进料腔(41)内，且一端与高压接头(5)连接一端与出液喷嘴(8)连接，滤芯(13)的内腔形成电解液和磨料的混合腔。
3.根据权利要求2所述的一种海洋平台爬升齿条的切割装置，其特征在于：所述混合仓还包括双锥垫(6)、密封座(9)和密封垫，所述高压接头(5)与滤芯(13)对应端之间通过依次设置的所述双锥垫(6)和密封座(9)进行连接。
4.根据权利要求3所述的一种海洋平台爬升齿条的切割装置，其特征在于：所述混合仓还包括锥套(24)、挡圈(14)和锁紧螺母(23)，所述锥套(24)设置在磨料电解液输出口上，设有出液喷嘴(8)的出液喷嘴座(15)设置在锥套(24)上，并且在液喷嘴(8)与滤芯(13)对应端之间设置挡圈(14)。
5.根据权利要求4所述的一种海洋平台爬升齿条的切割装置，其特征在于：所述混合仓的磨料电解液输出口一端旋接锁紧螺母(23)，所述锁紧螺母(23)上设有使出液喷嘴(8)伸出的限位孔，锥套(24)通过该限位孔进行轴向定位。
6.采用如权利要求1-5任一项所述切割装置加工一种海洋平台爬升齿条的切割方法，其特征在于：包括下述步骤：
将磨料与电解液进行充分混合，形成磨料电解液；
使所述磨料电解液带负电，工件带正电；
使带负电的磨料电解液形成射流，并将该射流作用于工件，工件随工作台按照齿形轮廓数控运动，磨料电解液射流对工件进行切割，在磨料电解液的电化学阳极溶解和机械研磨复合作用下，形成所述齿条。
7.根据权利要求6所述的切割方法，其特征在于：所述电解液为浓度为20-30％中性钠盐电解液。
8.根据权利要求6所述的切割方法，其特征在于：所述磨料的粒径为20-40nm。
9.根据权利要求8所述的切割方法，其特征在于：所述磨料为氧化物颗粒。
10.根据权利要求6所述的切割方法，其特征在于：磨料电解液形成射流时的流速为80-100m/s。
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