CN104400156B - 非圆截面电解切割电极及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种非圆截面电解切割电极及其装置，属于电解加工技术领域。该工具电极特点在于电极整体为线状或棒状，电极横截面为有利于扰动电解液流动的非圆形。该装置包括电源、电解液循环系统、电解切割机床、电解切割机床数控系统、工具阴极系统、工件系统。本发明的非圆截面电解切割电极及装置能够提高电解切割的加工稳定性、加工精度和加工效率。本发明利用非圆截面电极绕其轴线旋转及沿轴线方向往复直线运动，促进加工产物的排出。本发明的电解切割方法能够提高直纹面结构的加工稳定性、加工精度和加工效率。

Description

非圆截面电解切割电极及其装置

所属技术领域

本发明的非圆截面电解切割电极及其装置，属于电解加工技术领域。

背景技术

航空发动机正朝着高性能、长寿命、高可靠性方向不断发展，对零件疲劳寿命、表面完整性提出了严格要求。特别要求航空发动机工作叶片榫头、涡轮盘榫槽，高精度传动齿轮等高周疲劳零件加工表面无重铸层、无微裂纹。此类零件多是截面形状复杂、深宽比大的直纹面构件，材料多是钛合金、高温合金、金属间化合物等难切削加工材料。因此，高表面质量难加工材料制造技术已经成为制约先进航空发动机研制的瓶颈之一。

传统机械加工是热载荷-力载荷耦合作用过程，通常在零件表面产生残余应力，形成加工硬化层，降低零件的疲劳强度。电火花加工、激光加工是典型的热载荷作用过程，通常在零件表面形成重铸层和热影响层；重铸层是熔融材料在零件表面快速冷却形成的淬火铸造组织，内部常含有微裂纹。在交变载荷的作用下，微裂纹易扩展，致零件发生断裂破坏。电解切割基于金属电化学阳极溶解原理去除材料，其加工表面无应力、无重铸层、无微裂纹，特别符合航空发动机难加工材料高表面质量直纹面构件加工需求。

电解切割，采用横截面为圆形的金属丝作为工具电极。采用线电极作为工具电极，可避免常规电解成形加工复杂的阴极设计、流场设计过程，大大缩短加工准备时间；采用线电极作为工具电极，电解液沿程特性对加工精度的影响相对简单，更容易实现高精度加工。研究表明，高精度电解加工的实质在于恒定的微间隙加工，其关键在于快速更新电解液，保持加工间隙内电解液电导率稳定、分布均匀。高精度电解切割加工间隙在数微米至数十微米尺度范围内。在如此狭小的加工间隙内，电解液交换、更新困难。

研究人员提出采用同轴高速冲液来加快电解液流动。随着切割深度增大，电解液微间隙内高速流动沿程压力损失急剧增大，使得冲液对加工间隙内部较深处电解液的扰动和更新能力减弱。同时，一味地通过提高电解液压力来弥补压力损失效果亦不明显，还容易带来电解液射流雾化、电极丝振动等其他负面影响。

研究人员还提出了线电极单向走丝、往复走丝等辅助工艺，通过电极丝对电解液的拖曳作用来促进加工产物排出。由于线电极表面光滑，其对电解液的拖曳、扰动作用有限，加工高深宽比结构时电解液更新仍然较慢，加工产物和气泡易附着在电极丝和工件表面，诱发短路。

此外，研究人员还提出工件、工具电极低频振动等辅助工艺，在一定程度上改善了加工间隙流场，解决了加工产物和气泡附着在电极丝和工件表面的问题。当切割深度达数十甚至上百毫米时，低频振动效果十分有限。

因此，提高电解切割加工间隙中电解产物的排出及电解液的更新速度，仍然是高深宽比结构电解切割需要亟需解决的关键问题。

发明内容

本发明针对现有高深宽比结构电解切割加工产物排出困难的问题，提出一种非圆截面电解切割电极及装置，提高加工产物排出速度，从而提高高深宽比结构电解切割的加工稳定性、加工精度和加工效率。

一种非圆截面电解切割电极，其特征在于：电极整体为线状或棒状，电极横截面为有利于扰动电解液流动的非圆形状。

所述的非圆截面电解切割电极，其特征在于：所述电极为表面带有螺旋状沟槽的线状或棒状电极，或竹节型电极，或削边线状或棒状电极，或表面带有螺旋状沟槽的削边线状或棒状电极，或竹节型削边线状或棒状电极。

利用所述非圆截面电解切割电极的电解切割装置，包括电源、电解液循环系统、电解切割机床、电解切割机床数控系统、工具阴极系统、工件系统。

所述的圆截面电解切割电极的电解切割装置的第一种具体结构，其特征在于：所述工具阴极系统包括安装于Z轴的上支架，上支架安装有电主轴，电主轴下端安装有上弹簧夹头；所述工具阴极系统还包括安装于Z轴的下支架，下支架和Z轴之间安装有XY平面微调机构，下支架通过Z向微调机构安装有下调节架，下调节架安装有轴承，轴承内安装有下弹簧夹头；非圆截面电极安装于上弹簧夹头和下弹簧夹头之间。

所述的圆截面电解切割电极的电解切割装置的第二种具体结构，其特征在于：工具阴极系统包括安装于Z轴的上支架，上支架安装有电主轴，电主轴下端安装有上弹簧夹头；所述工具阴极系统还包括安装于Z轴的下支架，下支架和Z轴之间安装有XY平面微调机构，下支架通过Z向微调机构安装有下调节架，下调节架安装有导向器；非圆截面电极安装于上弹簧夹头下端并伸入导向器中。

利用所述非圆截面电解切割装置的电解切割方法，其特征在于包括以下过程：步骤1、把工件安装工件系统的数控转台上；步骤2、将非圆截面电极安装于工具阴极系统；并且非圆截面电极夹持长度和位置可调；步骤3、电解液完全浸没工件，工件接脉冲电源正极，非圆截面电极接脉冲电源负极，启动脉冲电源；步骤4、加工时非圆截面电极同时进行Z向往复直线运动和旋转运动；步骤5、通过数控系统的插补运算实现工件相对于非圆截面电极的切割运动；步骤6、分离、清洗工件。

现有电解切割用线电极横截面均为圆形、表面光滑。常规电解切割线电极两端常被施加一定拉力固定，通过电解液的扩散、对流传质实现电解液更新。近年来出现的线电极单向运丝电解切割、往复运丝电解切割、低频振动电极切割等技术，通过工具电极沿轴线方向的低速直线运动拖曳电解液，带动电解产物从加工间隙内排出。由于线电极截面为圆形，线电极轴向运动对加工间隙内电解液的扰动作用均过于“平静”，传质效果有限。

本专利提出采用非圆截面电极作为电解切割工具阴极。加工时，非圆截面电极以一定速度旋转，同时沿电极轴线方向往复运动。电极横截面为非圆形状可以增强电极高速转动对加工间隙内电解液的搅动作用，避免电解产物团聚，使得分散的电解产物更容易随电解液流动从加工间隙内排出。该搅动作用和脉冲电流的间隙效应、压力波效应耦合还将有利于电解液中气泡与工件表面碰撞，使黏附于电极、工件表面的加工产物脱落、进入电解液，跟随电解液流动从加工间隙内排出。

非圆截面电极同时进行旋转运动和轴向往复直线运动，使得加工间隙内临近工件表面的电解液流动不仅包含横截面内的圆周切向运动,还具有轴向速度。此时，加工间隙内电解液形成强对流运动，使得沿着切割厚度方向电解液更新速度加快。特别是，当非圆截面电极进行大行程往复直线运动时，该叠加运动将直接把含有气泡、电解产物、焦耳热的“脏”电解液从加工间隙内带出，把新鲜的电解液带入加工间隙内。

综上所述，本发明的有益之处在于：（1）由于产物的排出和电解液的更新加快，使得加工间隙内电解液产物、气泡等杂质含量减少，避免了由于电解产物堆积引起的短路现象，提高了加工稳定性；（2）加工间隙内电解液产物、气泡等杂质含量减少，避免了沿切割厚度方向电解液电导率的急剧降低，使得电解液电导率分布更为均匀；（3）电解液电导率的均匀分布，提高了稳定加工的极限电流，使得阳极溶解速度加快，加工效率提高；（4）随着加工速度的增大，加工间隙减小，材料集中蚀除能力加强，提高了加工精度；（5）有效改善了高深宽比结构电解切割加工间隙内流场，在缝宽相同的条件下，能稳定切割更大厚度的工件，提高最大切割厚度。

附图说明

图1是非圆截面电极示意图；

图2 是非圆截面电极电解切割装置示意图；

图3是工具阴极系统中非圆截面电极下端夹持示意图；

图4 是采用非圆截面电极进行电解切割加工示意图。

图5是非圆截面电极运动过程示意图；

其中标号名称：1、机座，2、电解液槽，3、电解液槽座，4、电解液，5、X轴直线电机，6、Y轴直线电机，7、流量计，8、流量阀，9、过滤器，10、微量泵，11、储液箱，12、加热器，13、温度计，14、伺服驱动器，15、数控系统，16、脉冲电源，17、工件，18、数控转台，19、销，20、螺栓，21、电主轴，22、上弹簧夹头，23、非圆截面电极，24、立柱，25、上支架，26、XY平面微调机构，27-1、下支架，27-2、下调节架，28、Z轴直线电机，29、Z向微调机构，30、平衡气缸，31、导向器，32、轴承，33、下弹簧夹头。

具体实施方式

图1（a）-图1（e）所示的非圆截面电极示意图中，图1（a）是表面带有螺旋状沟槽的电极，图1（b）是削边电极，图1（c）是竹节型电极，图1（d）是竹节型削边电极，图1（e）是表面带有螺旋状沟槽的削边电极。表面带有螺旋状沟槽的电极是在一根圆柱形电极上加工出一段螺旋状沟槽；削边电极是在一根圆柱形电极上加工出一段横截面呈半圆形或弓形的电极；竹节型电极是一根圆柱形电极上加工出一系列槽，槽可以均布也可以不均匀分布；竹节型削边电极是在竹节型电极上再削边；表面带有螺旋状沟槽的削边电极是在表面带有螺旋状沟槽的电极上削边。

图2所示的非圆截面电极电解切割装置示意图中，机座1、立柱22、Z轴直线电机28、X轴直线电机5、Y轴直线电机6、平衡气缸30构成电解切割机床；电解液槽2，电解液槽座3，电解液4，流量计7，流量阀8，过滤器9，微量泵10，储液箱11，加热器12，温度计13构成电解液循环系统；数控转台18，定位销19，工件17，螺栓20构成工件系统；伺服驱动器14，数控系统15组成运动控制系统。脉冲电源16提供电解加工的脉冲电压。

图3（a）是工具阴极系统中非圆截面电极下端夹持示意图且非圆截面电极23下端定位于导向器31中的情况。 工具阴极系统包括安装于Z轴的上支架25，上支架25安装有电主轴21，电主轴2）下端安装有上弹簧夹头22；工具阴极系统还包括安装于Z轴的下支架27-1，下支架27-1和Z轴之间安装有XY平面微调机构26，下支架27-1通过Z向微调机构29安装有下调节架27-2，下调节架27-2安装有轴承32，轴承32内安装有下弹簧夹头33；非圆截面电极23安装于上弹簧夹头22和下弹簧夹头33之间。

图3（b）是工具阴极系统中非圆截面电极下端夹持示意图且非圆截面电极23下端夹持在下弹簧夹头33中的情况。工具阴极系统包括安装于Z轴的上支架25，上支架25安装有电主轴21，电主轴21下端安装有上弹簧夹头22；工具阴极系统还包括安装于Z轴的下支架27-1，下支架27-1和Z轴之间安装有XY平面微调机构26，下支架27-1通过Z向微调机构29安装有下调节架27-2，下调节架27-2安装有导向器31；非圆截面电极23安装于上弹簧夹头22下端并伸入导向器31中。

图4所示为采用非圆截面电极进行电解切割加工示意图。

图5是非圆截面电极运动过程示意图；其中图5（a）是非圆截面电极运动至平衡位置示意图，图5（b）是非圆截面电极运动至下极限位置示意图，图5（c）是非圆截面电极运动至平衡位置示意图，图5（d）是非圆截面电极运动至上极限位置示意图，图5（e）是非圆截面电极运动至平衡位置示意图。

结合图1、图2、图3、图4、图5说明本发明的实施过程：

1、参考图2，把工件17通过定位销19安装在数控转台18上，并用螺栓20固定；

2、参考图1、图2和图3，将非圆截面电极23上端夹持在电主轴21的上弹簧夹头22上，下端夹持在下调节架27-2上，非圆截面电极23下端穿入导向器32或下弹簧夹头33。非圆截面电极23夹持长度可调，并通过Z向微调机构19和XY平面微调机构21调节非圆截面电极23的位置；

3、参考图4，工件17接脉冲电源16正极，非圆截面电极23接脉冲电源16负极；启动微量泵10并调节流量阀8，电解液4从储液箱11注入电解液槽2中直至工件17完全浸没；

4、参考图5，启动数控系统15，控制Z轴直线电机28作往复直线运动，实现非圆截面电极23的往复直线运动；控制电主轴21，实现非圆截面电极23的旋转运动。即非圆截面电极23在竖直方向相对于工件17由上而下，又由下而上运动到原位置，往复直线运动的周期为T、行程为A。电解切割过程中往复直线运动始终与绕其轴线的旋转运动耦合。

5、参考图2，给数控系统输入加工参数，开启脉冲电源16，通过数控系统的插补运算实现工件17相对于非圆截面电极23的切割运动，完成一个金属复杂直纹面结构的加工；

6、分离、清洗工件17。

Claims (1)

1.一种非圆截面电解切割装置，其特征在于：包括电源、电解液循环系统、电解切割机床、电解切割机床数控系统、工具阴极系统、工件系统；所述电解液循环系统包括电解液槽（2），电解液槽座（3），电解液（4），流量计（7），流量阀（8），过滤器（9），微量泵（10），储液箱（11），加热器（12），温度计（13）；所述工具阴极系统包括电极，以及安装于Z轴的上支架（25），上支架（25）安装有电主轴（21），电主轴（21）下端安装有上弹簧夹头（22）；所述工具阴极系统还包括安装于Z轴的下支架（27-1），下支架（27-1）和Z轴之间安装有XY平面微调机构（26），下支架（27-1）通过Z向微调机构（29）安装有下调节架（27-2），下调节架（27-2）安装有轴承（32），轴承（32）内安装有下弹簧夹头（33）；所述电极整体为线状或棒状，电极横截面为有利于扰动电解液流动的非圆截面电极（23），具体为表面带有螺旋状沟槽的线状电极，或表面带有螺旋状沟槽的棒状电极，或竹节型电极，或削边线状电极，或削边棒状电极，或表面带有螺旋状沟槽的削边线状电极，或表面带有螺旋状沟槽的削边棒状电极；所述非圆截面电极（23）安装于上弹簧夹头（22）和下弹簧夹头（33）之间；或下调节架（27-2）安装有导向器（31）；非圆截面电极（23）安装于上弹簧夹头（22）下端并伸入导向器（31）中。