CN104439574B - 一种管状工件内壁封闭曲线槽的数控电解加工方法及其装夹夹具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种管状工件内壁封闭曲线槽的数控电解加工方法及其装夹夹具，根据数控轨迹程序控制轴向运动系统、绕轴运动系统的运动，使管状工件按照数控轨迹程序程序轴向移动及自转，组合阴极相对管状工件的运动形成曲线槽的轨迹；所述装夹夹具包括组合阴极、阴极杆、导向体及出液座，所述阴极杆中段设置在设有腰型孔的导向体内；所述导向体固定连接在管状工件一端，所述管状工件的另一端固定连接在出液座上，本发明用电解加工代替铣削加工，可实现整体式管状工件内壁封闭曲线槽的加工，不受被加工材料硬度限制，不会产生机械加工残余应力，加工效率高，表面质量好。

Description

一种管状工件内壁封闭曲线槽的数控电解加工方法及其装夹 夹具

技术领域

本发明涉及一种管状工件电解加工方法及其装夹夹具，具体涉及一种管状工件内壁封闭曲线槽的电解加工方法及其装夹夹具，属于电解加工领域。

背景技术

在一些特殊工件内壁上，具有环形封闭的曲线凹槽，这种曲线槽为内壁空间曲面。该类工件为了便于机械加工，传统的方式是采用两半式分体结构，即分别铣削加工后再通过螺栓连接成整体。但分体式工件结构复杂、重量大，且会带来连接件之间的连接强度及刚度被削弱的问题。因此为了简化结构，减轻重量，保证强度，优选采用整体结构代替传统的分体结构方法，但曲线槽位于管状工件内壁，铣刀等传统加工工具难以进入管内，使机械加工实际实施起来很困难。又由于管内壁封闭曲线槽的特殊空间属性，无法采用传统的仿形阴极“拷贝式”电解加工方式进行加工，因此只能采用数控电解加工技术进行加工。

数控电解加工技术是数控技术与电解加工技术结合所形成的柔性电解加工技术，通过采用计算机技术控制阴极的运动轨迹，利用金属在电解液中产生电化学阳极溶解的原理，使金属工件能够发生所需的阳极电化学溶解，从而达到工件要求的形状、尺寸精度和表面质量，具有加工速度快、表面质量好、不受材料硬度限制、无宏观机械切削力、工具阴极无损耗等优点，是制造领域极其重要的一种加工技术。电解加工设备是一个完整的配套系统，由机床、电源系统、输液系统以及控制系统四大部分组成，机床是设备的主体，进行电解加工的场域，能安装、定位工件和工具电极并按需要送进工具电极，还能将加工电流和电解液输送到加工区。

在管状工件内壁曲线槽电解加工方面，国内主要应用在炮管膛线的电解加工，膛线为螺旋非封闭曲线，采用的加工阴极为仿形阴极，无法进行本申请所涉及的封闭曲线槽的加工。

在数控电解加工方面，南京航空航天大学、北京航空制造工程研究所等单位也开展了数控电解加工技术研究，完成了飞机发动机整体叶盘的加工，但将该技术用于管状工件内壁封闭曲线槽加工的研究还较少见。

中国专利CN101524805A，公布日为2009年9月9日，发明创造名称为：一种加工三元流闭式叶轮叶间通道的方法及其专用夹具，该专利涉及一种加工三元流闭式叶轮叶间通道的方法及其专用夹具，其通过采用专门设计制造的成型或近成型工具阴极进行数控电解加工而去除大部分余量；然后再采用专门设计制造的成型或近成型工具电极进行数控电火花精密加工而达到设计要求。其介绍的是采用数控电解方法对发动机整体叶盘进行加工，未涉及管状工件的加工。

中国专利CN103752965A，公布日为2014年4月30日，发明创造名称为：可直线与旋转复合进给的整体叶盘电解加工工具及方法，该专利涉及一种可直线与旋转复合进给的整体叶盘电解加工工具及方法，其依靠电解加工阴极沿阴极连接杆轴线方向进给并绕该轴线旋转，加工工件绕自身轴线旋转的方式进行数控电解加工。其针对的是发动机整体叶盘，未涉及管状工件的加工。

目前，国内尚未发现对管状零件内壁封闭曲线槽进行加工的应用的报道。

发明内容

本发明的目的在于针对管状工件内壁封闭曲线槽难以机械加工的问题，提出的一种成本低、尺寸精度和表面质量高、操作简便的电解加工方法。

本发明的另一个目的在于提供一种用于管状工件内壁封闭曲线槽的数控电解加工方法的装夹夹具。

本发明的目的是通过这样的技术方案实现的，一种管状工件内壁封闭曲线槽的数控电解加工方法，其特征在于：

a. 配制电解液：按50～150g/L NaCl：50～150g/L NaNO3=1：1配制，所用溶剂采用自来水；组分浓度可根据管状工件加工精度要求进行调整。

b. 加工下刀孔：在曲线槽起始位置加工出所需直径的下刀孔，作为数控电解加工起始点，所述下刀孔直径与曲线槽宽度相同，深度与曲线槽深度相同，下刀孔采用电火花加工方法。

c.装夹工件并定位：

装夹管状工件：将组合阴极安装到阴极杆上构成阴极系统，所述阴极杆中段设置在导向体的轴心孔中，起初装在轴心孔偏心位置处，至所述导向体能够装入管状工件中再调正，以保证导向体能够顺利装到管状工件中；然后用固定螺栓将所述管状工件与所述导向体固定；将所述组合阴极的工作部位滑入下刀孔中，校对阴极杆与管状工件端面间的相对位置，实现初始化对刀，在所述阴极杆和导向体之间安装垫块并用垫块螺钉固定；其中所述组合阴极是将绝缘护套套在加工阴极外、然后将绝缘护圈装入加工阴极内底部而成；所述轴心孔为腰型孔时所述导向体安装到管状工件中更容易；

装入数控电解机床并定位：将装好所述阴极系统的所述管状工件固定在数控电解机床夹具上，通过导向螺钉将所述导向体与数控电解机床的运动系统相连，以控制所述管状工件的绕轴旋转和径向移动；在所述管状工件的一端固定装入出液座，设置在所述出液座的出液通孔上安装出液管；将所述阴极系统与数控电解机床的进液管及电源系统的负极相连，将待加工的管状工件通过所述夹具与电源系统的正极相连；

更具体地，通过所述阴极杆一端的螺纹与机床数控系统的负极相连，机床电解液出口与阴极杆流道入口相连；管状工件与机床数控系统的正极相连。

d.通入电解液：以恒定的压力通入电解液，电解液通过所述数控电解机床的进液管流入所述阴极系统，由所述加工阴极的液体输入孔流出，充满加工阴极与管状工件内壁之间的空隙，最后经出液管流出。

e. 接通电源，启动运动轨迹数控程序：根据曲线槽空间轨迹将运动轨迹数控程序编制入机床数控系统内，接通正、负极电源，同时运行运动轨迹数控程序。以阴极与阳极（接管状工件端）间的电化学反应使管状工件发生所需阳极溶解的原理，利用阴极侧壁加工面完成曲线槽的加工。

f. 数控电解加工曲线槽：数控电解加工开始时，根据输入运动轨迹数控程序，将电源系统的输出电流5A～50A、伺服控制参数:电流5A～50A、方差0.1～1输入机床数控系统；机床数控系统发出指令，使管状工件按照运动轨迹数控程序轴向移动及自转，组合阴极相对管状工件的运动形成曲线槽的轨迹；

数控程序运行的同时，根据设定的电参数，电源输出规定电流；在数控电解加工过程中，伺服控制机构依据设定的电流波动值给出控制指令，实时调整电流输出值和阴极相对移动速度，使数控电解加工过程稳定可控，即可利用阴极侧壁加工面完成曲线槽的加工。

加工结束后，关闭电源、水泵，移出阴极，取下工件，完成管状零件内壁封闭曲线槽的加工。

本发明的另一个目的是通过这样的技术方案实现的，一种管状工件内壁封闭曲线槽的数控电解加工方法的装夹夹具，其特征在于：包括管状加工阴极，所述加工阴极一端设有内台阶孔，另一端设有外台阶，所述内台阶孔下端壁设有均布液体输出孔的工作部位，非工作部位由绝缘护套保护，所述内台阶孔内连接设有液体输入孔的绝缘护圈，且所述液体输入孔两个以上；所述外台阶端连接所述阴极杆；所述加工阴极、所述绝缘护套和所述绝缘护圈构成组合阴极；

所述组合阴极的一端设置在阴极杆上构成阴极系统，另一端设置在管状工件内曲线槽的下刀孔处，所述阴极杆中段设置在导向体的轴心孔内，通过所述阴极杆和所述导向体间设置垫块固定；所述导向体与所述管状工件一端固定连接，所述管状工件的另一端由出液座连接固定，所述出液座上设置有出液通孔，所述出液通孔连接出液管；通过导向螺钉将所述导向体与数控电解机床的运动系统相连；所述阴极系统与电源系统的负极和进液管相连，加工的管状工件与电源系统的正极、运动系统连接，所述机床电解液出口与阴极杆流道入口相连。

所述阴极杆与机床数控系统的负极相连，机床电解液出口与阴极杆流道入口相连，所述管状工件与机床数控系统的正极相连。

为避免工作面以外的部分对加工产生影响，所述加工阴极侧壁套有绝缘护套，所述加工阴极底部工作部位为圆柱下部侧壁，其非工作部分用绝缘护套保护，底面用绝缘护圈保护。所述绝缘护套和绝缘护圈绝缘材料采用有机玻璃；所述加工阴极和阴极杆导电材料采用黄铜。

为了使管状工件固定牢固，所述管状工件与所述导向体之间通过固定螺栓固定，所述垫块与所述导向体之间通过垫块螺钉固定。

为了能稳固安装所述阴极杆，并能顺利装夹所述阴极杆，所述轴心孔为腰型孔；

为了与机床数控系统连接，同时控制管状工件的绕轴旋转和径向移动，所述导向体通过导向螺钉与机床数控系统相连。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：

a. 本发明用电解加工代替铣削加工，可实现整体式管状工件内壁封闭曲线槽的加工，与传统机械加工方式相比，不受被加工材料硬度限制，不会产生机械加工残余应力，加工效率高，表面质量好。

b. 本发明采用的装夹夹具，装夹管状工件牢固，装夹、拆卸方便，定位准确；所涉及的组合阴极采用仿铣刀式的柱状阴极，依靠控制组合阴极运动轨迹实现管状工件所需的溶解，组合阴极结构简单，工艺适应性好，可多次重复使用；和传统仿形阴极相比，设计和制造难度都大幅降低。

c. 本发明方法可按照不同曲线槽的轨迹要求调整数控程序，提高了该电解加工工艺的适用性。

附图说明：

图1为管状工件电解加工流程图；

图2为组合阴极示意图；

图3为电解加工装夹示意图；

图4为数控电解加工系统示意图；

图5 为封闭曲线槽筒状零件对剖三维图；

图6为封闭曲线槽轨迹模拟图；

图7为组合阴极组装工作示意图。

图中标号名称：1.加工阴极 2.绝缘护套 3.绝缘护圈 4.阴极杆 5.垫块 6.垫块螺钉 7.导向螺钉 8.固定螺栓 9.导向体 10.管状工件 11.夹具 12.曲线槽 13.出液座14.出液管 15.组合阴极 16.电源系统 17.机床数控系统 18.进液管 19.阴极系统 20.运动系统 21.机床座 。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，但本发明并不局限于这些实施方式，任何在本实施例基本精神上的改进或替代，仍属于本发明权利要求所要求保护的范围。

实施例1，一种管状工件内壁封闭曲线槽的数控电解加工方法，其电解加工流程参见图1，具体步骤如下：

a.配制电解液：电解液组成为1份100g/L NaCl+1份100g/L NaNO3，溶剂为自来水。

b. 加工起始下刀孔：用电火花加工的方式在曲线槽起始位置加工出下刀孔，下刀孔直径与曲线槽宽度相同，深度与曲线槽深度相同，所述下刀孔作为数控电解加工起始点。

c. 装夹管状工件并定位：

进一步参考图3：将组合阴极15非工作面安装到阴极杆4上构成阴极系统19，将阴极系统19装到导向体9上的腰型孔中，初时阴极杆4应在腰型孔偏心位置，将导向体9装到管状工件10中，并用固定螺栓8固定牢固。将组合阴极15的工作部位滑入下刀孔中，并进行初始对刀。确认组合阴极15与管状工件10相对位置无误后，安装垫块5和垫块螺钉6；随后将管状工件10固定在夹具11上，安装出液座13和出液管14；通过导向螺钉7将导向体9与机床数控系统相连。

装入机床数控系统并定位：随后将管状工件10固定在夹具11上，在管状工件10的另一端固定装入出液座13，在出液座13上的出液通孔上安装出液管14；通过导向螺钉7将导向体9与机床运动系统20相连，以控制管状工件10的绕轴旋转和径向移动。将阴极系统19通过阴极杆4一端的螺纹与数控电解机床的进液管18及电源系统16的负极相连，将待加工的管状工件10通过夹具11与电源系统16的正极相连，将出液管18与出液通孔相连。

具体地，就是通过阴极杆4与机床数控系统的负极相连，机床电解液出口通过进液管18与阴极杆4流道入口相连；管状工件10与机床数控系统的正极相连。

进一步参考图2、图7：所述组合阴极15是将绝缘护套2套在加工阴极1外，然后将绝缘护圈3装入加工阴极1底部形成。

上述加工阴极1、阴极杆4、绝缘护套2、绝缘护圈3、夹具11等工具采用钻削等加工技术制得，其中加工阴极1及阴极杆4均采用黄铜材料，绝缘护套2、绝缘护圈3均采用有机玻璃，夹具11采用不锈钢材料。

进一步参考图4：将阴极系统19与卧式数控电解机床的电源系统16的负极和进液管18相连，待加工的管状工件10与电源系统16的正极、运动系统20相连，出液管14连接在出液孔上。

d.通入电解液：启动电解液水泵，以恒定的压力通入电解液，电解液通过进液管18流入阴极系统19，由所述加工阴极1的3个液体输入孔流出，充满加工阴极1与管状工件10内壁之间的空隙，最后经出液管14流出。

e. 接通电源，启动运动轨迹数控程序：根据曲线槽空间轨迹将运动轨迹数控程序编入机床数控系统内，接通正、负极电源，同时运行运动轨迹数控程序。以阴极与阳极（接管状工件端）间的电化学反应使管状工件发生所需阳极溶解的原理，利用阴极侧壁加工面完成曲线槽的加工。

f. 数控电解加工曲线槽：根据封闭曲线槽的空间轨迹在机床数控系统17中输入运动轨迹数控程序，同时将预先制定的电源系统输出电流20A、伺服控制参数：电流20A、方差0.5输入机床数控系统17；机床数控系统17发出指令，根据运动轨迹数控程序控制运动系统20的运动，使管状工件10按照程序轴向移动及自转，组合阴极15相对管状工件10的运动形成曲线槽的轨迹；运动轨迹数控程序运行的同时，根据设定的电参数，电源系统16输出规定电流；在数控电解加工过程中，伺服控制机构依据设定的电流波动值给出控制指令，实时调整电流输出值和阴极相对移动速度，使电解加工过程稳定可控，即可利用阴极侧壁加工面完成曲线槽的加工, 封闭曲线槽筒状零件对剖三维图参见图5、封闭曲线槽轨迹模拟图参见图6。

加工结束后，关闭电源、水泵，移出阴极，取下工件，完成管状零件内壁封闭曲线槽的加工。

用于实施例1的一种管状工件内壁封闭曲线槽的数控电解加工方法的装夹夹具，包括管状加工阴极，所述加工阴极一端设有内台阶孔，另一端设有外台阶，所述内台阶孔下端壁设有均布0.5mm液体输出孔的工作部位，非工作部位由绝缘护套2保护，所述内台阶孔内连接设有3个液体输入孔的绝缘护圈3；所述外台阶端连接所述阴极杆4；所述加工阴极1、所述绝缘护套2和所述绝缘护圈3构成组合阴极15；所述绝缘护套2和绝缘护圈3绝缘材料采用有机玻璃；所述加工阴极1和阴极杆4导电材料采用黄铜。

所述组合阴极15的一端设置在阴极杆4上，另一端设置在管状工件10内曲线槽12的下刀孔处，所述阴极杆4中段设置在导向体9的腰型孔内，通过所述阴极杆4和所述导向体9间设置垫块5并通过垫块螺钉6固定；所述导向体9与所述管状工件10一端通过固定螺栓8连接，所述管状工件10的另一端由出液座13连接固定，所述出液座13上设置有出液通孔，所述出液通孔连接出液管14，通过导向螺钉7将所述导向体9与数控电解机床的运动系统20相连；所述阴极系统19与数控电解机床电源系统16的负极和进液管18相连，待加工的管状工件10与电源系统16的正极、运动系统20相连。

Claims (2)

1.一种管状工件内壁封闭曲线槽的数控电解加工方法，其特征在于：

a. 配制电解液：按50～150g/L NaCl：50～150g/L NaNO₃=1：1配制，所用溶剂采用自来水；

b. 加工起始下刀孔：在曲线槽起始位置加工出所需直径的下刀孔，作为数控电解加工起始点，所述下刀孔直径与所述曲线槽宽度相同，深度与所述曲线槽深度相同；

c.装夹工件并定位：

装夹管状工件：将组合阴极（15）安装到阴极杆（4）上构成阴极系统（19），所述阴极杆（4）中段设置在导向体（9）的轴心孔中，起初装在轴心孔偏心位置处，至所述导向体（9）能够装入管状工件（10）中再调正，然后用固定螺栓（8）将所述管状工件（10）与所述导向体（9）固定；将所述组合阴极（15）的工作部位滑入下刀孔中，校对阴极杆（4）与管状工件（10）端面间的相对位置，实现初始化对刀，在所述阴极杆（4）和导向体（9）之间安装垫块（5）并用垫块螺钉（6）固定；其中所述组合阴极（15）是将绝缘护套（2）套在加工阴极（1）外、然后将绝缘护圈（3）装入加工阴极（1）内底部而成；

装入数控电解机床并定位：将装好组合阴极（15）的所述管状工件（10）固定在数控电解机床夹具（11）上，通过导向螺钉（7）将所述导向体（9）与数控电解机床的运动系统（20）相连，以控制所述管状工件（10）的绕轴旋转和径向移动；在所述管状工件（10）的一端固定装入出液座（13），在所述出液座（13）的出液通孔上安装出液管（14）；将所述阴极系统（19）通过阴极杆（4）一端的螺纹与数控电解机床的进液管（18）及电源系统（16）的负极相连，将待加工的管状工件（10）通过所述夹具（11）与电源系统（16）的正极相连；机床电解液出口与阴极杆（4）流道入口相连；

d.通入电解液：以恒定的压力通入电解液，电解液通过所述数控电解机床的进液管(18)流入所述阴极系统(19)，由所述加工阴极(1)的液体输入孔流出，充满所述加工阴极(1)与管件工件(10)内壁之间的空隙，最后经出液管(14)流出；

e. 接通电源、启动运动轨迹数控程序：根据曲线槽空间轨迹将运动轨迹数控程序编入机床数控系统内，接通正、负极电源，同时运行运动轨迹数控程序；

f. 数控电解加工曲线槽：数控电解加工开始时，根据输入运动轨迹数控程序，将电源系统(16)输出电流5A～50A、伺服控制参数:电流5A～50A、方差0.1～1输入机床数控系统(17)；机床数控系统(17)发出指令，使管状工件(10)按照运动轨迹数控程序轴向移动及自转，组合阴极(15)相对管状工件(10)的运动形成曲线槽(12)的轨迹；

在数控电解加工过程中，伺服控制机构依据设定的电流波动值给出控制指令，实时调整电流输出值和阴极相对移动速度，使数控电解加工过程稳定可控。

2.如权利要求1所述的管状工件内壁封闭曲线槽的数控电解加工方法的装夹夹具，其特征在于：包括管状加工阴极（1），所述加工阴极（1）一端设有内台阶孔，另一端设有外台阶，所述内台阶孔下端壁设有均布液体输出孔的工作部位，非工作部位由绝缘护套（2）保护，所述内台阶孔连接设有液体输入孔的绝缘护圈（3），且所述液体输入孔两个以上；所述外台阶端连接所述阴极杆（4）；所述加工阴极（1）、所述绝缘护套（2）和所述绝缘护圈（3）构成组合阴极（15）；

所述组合阴极（15）的一端设置在阴极杆（4）上构成阴极系统（19），另一端设置在管状工件（10）内曲线槽的下刀孔处，所述阴极杆（4）中段设置在导向体（9）的轴心孔内，通过所述阴极杆（4）和所述导向体（9）间设置垫块（5）固定；所述导向体（9）与所述管状工件（10）一端固定连接，所述管状工件（10）的另一端由出液座（13）连接固定，所述出液座（13）上设置有出液通孔，所述出液通孔连接出液管（14）；通过导向螺钉（7）将所述导向体（9）与数控电解机床的机床数控系统相连；所述阴极系统（19）与电源系统（16）的负极相连，加工的管状工件（10）与电源系统（16）的正极连接，所述机床电解液出口与阴极杆（4）流道入口相连。