CN104551277A - 一种用于电化学-机械复合加工的线锯绕制工具电极 - Google Patents

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张伟
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    • B23H5/00Combined machining
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B23H5/00Combined machining
    • B23H5/10Electrodes specially adapted therefor or their manufacture

Abstract

本发明公开了一种用于电化学-机械复合加工的线锯绕制工具电极,属于特种加工技术领域。该电极是利用线锯紧紧缠绕在圆柱形基体表面制作而成,基体具有轴向的中心孔,在基体下部设有均匀分布且贯通轴向中心孔的喷液槽,基体底部设有对称分布的喷液槽。在对金属工件加工过程中,利用工具电极的圆柱和底部表面凹凸结构、高速自旋特性能有效地改善间隙内流场状态,以及利用线锯刮除钝化膜和电解产物的作用,使新的电化学反应离子及时补充到加工区,能够大幅提高加工质量、加工精度。该电极制作巧妙,尺寸微小,可以反复使用。

Description

一种用于电化学-机械复合加工的线锯绕制工具电极
技术领域
[0001] 本发明属于特种加工领域,具体涉及一种用于电化学-机械复合加工的线锯绕制 工具电极。
背景技术
[0002] 随着科学技术和工业生产的发展,微小结构的应用日趋广泛,出现越来越多的带 有微小孔、微细缝、槽(穿透或不穿透)结构的零部件,如航空航天惯性陀螺中的仪表元件、 涡轮发动机叶片的气膜冷却孔、航空发动机的喷油嘴、计算机打印头、印刷电路板、汽车的 燃料喷油嘴以及家用电器等。对微小结构进行加工及其后处理是制造工艺中的重要工序, 特别是在航空航天、武器装备等制造领域中广泛应用的高强度、高韧性、高硬度等难加工材 料的微小结构加工及其后处理,一直是生产中的关键技术。
[0003] 目前微小结构加工方法可分为三大类,即精密机械加工、特种加工和复合加工,其 中,特种加工主要包括电火花加工、超声加工、电解加工、激光加工、离子束加工和电子束加 工等,复合加工则指上述两种或两种以上的工艺方法进行组合而形成新的加工方法。
[0004] 机械加工的效率不高,由于存在切削力,被加工零件易产生变形及毛刺,以及工具 的制作困难和磨损,不适于窄缝、槽和微小孔的加工。
[0005] 电火花加工是利用材料热熔化过程进行加工的,很适合加工微小结构,但加工效 率低,工具电极制造成本高并且损耗严重。利用电火花加工微小结构会在加工表面形成再 铸层和微裂纹现象,不适合某些特殊场合的应用。
[0006] 超声加工的宏观切削力很小,切削热也很小,且无表面残余应力,不会引起工件的 热变形和烧伤,加工出的表面质量好。超声加工的机床结构简单,成本较低。但进行微细超 声加工时,工具的制备和安装比较困难,且工具易于磨损。
[0007] 电解加工是利用金属在电解液中产生阳极溶解的电化学原理来进行加工的方法。 电解加工孔、缝和槽等微小结构是以棒状电极或管状电极作阴极,进行打孔、切割和开槽加 工,它与电火花加工相比具有较高的生产效率,较好的表面质量,加工表面无残余应力和变 形,加工工件没有毛刺和飞边的特点。但电解加工精度不高,限制了电解加工微小结构的广 泛应用。
[0008] 激光加工、电子束加工和离子束加工属于高能束流加工技术范畴。与电火花加工、 超声加工、电解加工相比,激光设备价格较贵,同电火花加工一样,激光加工后的工件表面 会形成再铸层,一般要进行后处理。电子束加工、离子束加工需要整套专用设备和真空系 统,价格较贵,目前在生产应用上具有一定的局限性。
[0009] 综上所述,电解加工成形精度不高,限制其应用范围,超声加工、电子束加工、离子 束加工有其局限性,上述其它加工法成形后留下来的表面变化层(再铸层、热影响层)中 的各种微观缺陷往往是工件失效的根源,严重影响了工件的工作寿命。需要做一些后处理 工作,如去变质层、除毛刺、光整等,而这些则成了另一技术难题。对于微小结构的后处理工 作,研宄人员也提出了多种工艺方法,形成了加工后处理技术群。
[0010] 磨料流加工也叫挤压珩磨,是一种用具有流动性的粘弹性材料(由聚合物载体和 磨料组成)对工件表面进行抛光和去毛刺的新工艺技术。磨料流加工对材料的适用性强, 不仅能加工几乎所有的金属材料,并可对玻璃、陶瓷等硬脆性材料进行加工。在一定溶液 中,不利用外接电源,靠化学溶液浸蚀作用完成材料表面的平整和光亮过程的工艺称为化 学研磨抛光。该工艺主要利用化学研磨抛光液和待处理工件之间形成的化学电池原理对 工件进行研磨抛光。相对于传统的研磨抛光技术,化学研磨抛光不受工件外型的限制。适 于处理各种外型复杂的工件,完全打破了传统抛光方式所受的限制。化学研磨处理后表面 质量高,可以修复由机械研磨破坏的工件表面微观化学结构,补全被机械抛光破坏的化学 配位键,使工件表面化学结构稳定,消除工件表面的非等电势面而增强工件表面的抗氧化 性能和易焊性;同时也可以很大程度上消除工件表面的静电吸附,提高工件内外壁的清洁 度。电化学抛光的原理与电解加工一样,是利用金属在电解液中发生阳极溶解的原理对工 件进行抛光的。不同的是一般电化学抛光时采用的电压和电流值要比电解加工时小,工具 阴极和工件阳极之间的距离要比电解加工时的大(100mm以上),且多采用静液加工。研宄 人员利用电解抛光的方法去除电火花加工造成的再铸层,发现电流大小、加工间隙、电解液 流速、电解液温度及类型都是影响电解抛光效果的因素。
[0011] 上述后处理技术的整个工艺流程需要二次装夹,延长了加工周期。为解决上述问 题,一些学者提出了采用复合加工技术,复合加工也是较常用的加工技术。
[0012] 复合加工的特点是融合多种加工方法的优点于一体,目前常用的复合加工方法有 微细电解-电火花复合加工、微细激光-电解复合加工和电化学-机械复合加工等。其中, 电化学-机械复合加工技术采取了电化学作用和机械磨削作用相结合,综合了两者的优 点。在电化学-机械复合加工过程中,当阳极电位超过了一定值时,形成阻碍电解作用的钝 化膜,此时利用机械磨削去除钝化膜,使电解加工更快速地进行下去,这样有效地提高了表 面质量和加工效率。目前国内外电化学-机械复合加工的工具形式多为砂轮式或拷贝式, 且多用于扩孔或表面抛光。通常,电化学-机械复合加工由于工具电极尺寸较大,很难应 用于窄缝,微小孔、深槽的加工。中国专利CN101342622A揭露了嵌片式复合工具及电化 学-机械复合加工装置及其加工方法,该发明提出了一种新颖的复合电极,包括有嵌片及 基体,嵌片固定在基体上。加工时利用电化学阳极溶解原理和机械刮膜作用的复合实现金 属去除,具有加工效率高、加工精度高的特点。但电极制作繁琐,制作周期过长,且工序复 杂,电极尺寸过大,不适于加工微小结构。中国专利CN102069243A揭露了电解机械复合 加工机床用阴极,该阴极包括柱形基体,基体具有轴向的中心孔,在基体的下部表面上均匀 分布有至少二条轴向嵌镶槽,嵌镶槽内粘结有烧结金刚石条。另外,在基体底部表面上设有 均匀分布且贯通轴向中心孔的轴向喷液槽。该阴极同样制作过程繁琐,工具阴极尺寸大,不 适于加工微小结构,且加工过程中烧结金刚石条易脱落等现象。
[0013] 南京航空航天大学的张欣耀、杨长盛等利用自制的工具电极对小孔或微小孔进行 研磨扩孔加工,取得了良好的加工表面,但加工小孔深径比不大,加工效率低,在同一工位 没有实现电解打孔和磨削同时作业。南京航空航天大学的刘云飞在不更换电极、同一加工 工位和同一加工工作液的条件下,进行了微小孔内壁再铸层的去除,取得预想的效果。但该 加工方式还存在加工时间过长,孔精度很难以控制等缺陷。南京航空航天大学的沈峥嵘利 用直径08.0mm电镀金刚石磨头作阴极在镍基高温合金K424上进行打孔,取得了预期的 加工效果,但孔的锥度较低,且所加工出的小孔尺度过大。
发明内容
[0014]本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足,提供一种能将电化学和机械磨 削有机结合在一起的线锯绕制工具电极。
[0015]为了解决以上技术问题,本发明是通过以下三种技术方案予以实现的。
[0016]本发明采取的技术方案一是:
[0017]本发明提供的线锯绕制工具电极包括线锯和基体,所述线锯为电镀金刚石线锯或 非金属基体的金刚石线锯,所述基体为圆柱形基体,在基体的表面上间隔均匀缠绕线锯,基 体侧壁上设置细导槽,其槽宽略大于线锯直径,基体具有轴向的中心孔。
[0018]所述基体下部至少设有两条均匀分布且贯穿轴向中心孔的侧壁喷液槽,基体底部 同样至少设有两条均匀分布且贯通轴向中心孔的底部喷液槽,所述喷液槽仅设置在基体底 面和柱面上非线锯遮盖的区域,所述基体的底面为平面或半球面。
[0019]本发明采取的技术方案二是:
[0020] 本发明提供的线锯绕制工具电极包括线锯和基体,所述线锯为电镀金刚石线锯或 非金属基体的金刚石线锯,所述基体为圆柱形基体,在基体的表面上间隔均匀缠绕线锯,基 体侧壁上设置细导槽,其槽宽略大于线锯直径,基体具有轴向的中心孔。
[0021] 所述基体下部至少设有两条均匀分布且贯穿轴向中心孔的侧壁喷液槽,所述喷液 槽仅设置在基体柱面上非线锯遮盖的区域,所述基体底部封闭,且喷涂一层绝缘层。
[0022] 本发明采取的技术方案三是:
[0023]本发明提供的线锯绕制工具电极包括线锯和基体,所述线锯为电镀金刚石线锯或 非金属基体的金刚石线锯,所述基体为圆柱形基体,在基体的表面上间隔均匀缠绕线锯,基 体侧壁上设置细导槽,其槽宽略大于线锯直径,基体具有轴向的中心孔。
[0024]所述线锯缠绕穿过中心孔,在基体侧面喷涂一层绝缘层。
[0025]与公知技术相比,本发明具有如下技术效果:
[0026]①本发明中的线锯绕制工具电极制作简便,可以通过设计和控制电镀金刚石线锯 的基体直径或结合剂的厚度以及金刚石突出镀层的大小来调整加工过程中的极间间隙,有 效避免短路,提尚加工质量。
[0027]②本发明在对金属工件加工过程中,利用工具电极的圆柱和底部表面凹凸结构、 高速自旋特性能有效地改善间隙内流场状态,以及利用线锯刮除钝化膜和电解产物的作 用,使新的电化学反应离子及时补充到加工区,能够大幅提高加工质量、加工精度。
[0028]③本发明提出的用于电化学_机械复合加工的线锯绕制工具电极采用缝隙喷出 电解液,电解液供给充足且均匀。
[0029]④本发明中用作切割时的线锯绕制工具电极,采用电解液内喷的方式,简化了结 构。
[0030]⑤本发明既适宜进给运动,又适宜旋转运动,可以实现电化学钻削加工、电化学切 害J、电化学铣削、电化学-磨削和电化学抛光等加工。
[0031]⑥本发明可在同一加工工位、同一加工用电极、同一工作液条件下,一次完成微小 结构的加工,且无需用后处理技术去除再铸层等繁琐工序。
[0032] 综上,本发明具有结构设计巧妙、加工表面质量高、成本低、效率高,工具电极可以 多次重复使用,且一次加工成形无需后处理的特点。
附图说明
[0033] 图1是本发明采用的线锯示意图。
[0034] 图2是实施例1的线锯绕制工具电极示意图。
[0035] 图3是图2的全剖图。
[0036] 图4是图2的俯视图。
[0037] 图5是实施例2的线锯绕制工具电极示意图。
[0038] 图6是图5的全剖图。
[0039] 图7是图5的俯视图。
[0040] 图8是实施例3的线锯绕制工具电极示意图。
[0041] 图9是图8的全剖图。
[0042] 图10是图8的俯视图。
[0043] 图中标号名称:1、金刚石磨粒;2、结合剂;3、线锯基体;4、线锯;5、基体;6侧壁喷 液槽;7、底部喷液槽;8、中心孔;9、绝缘层。10、细导槽。
具体实施方式
[0044] 为了进一步了解本发明的内容,以下结合附图和实施例详述本发明,但本发明不 局限于下述实施例。
[0045] 实施例1
[0046] 参考图2〜图4所示的适于磨削或抛光的阴极工具,线锯4可以采用各种规格 的电镀金刚石线锯或线锯基体为非金属的金刚石线锯,一般选择截面形状为圆形,直径为 00.12〜0.5mm。线锯4紧紧缠绕在基体5上,基体5采用碳钢、合金钢和紫铜等导电材料 制造,基体5的底面是平面或半球面。在基体5内设有中心孔8,在基体5的下部表面上均 匀分布且贯通轴向中心孔8的四条喷液槽6,在基体5的底面设有均匀分布且贯通轴向中 心孔8的四条喷液槽7,喷液槽6、7均设置在非线锯4覆盖的区域上,喷液槽6、7的宽度为 0. 25〜0. 35mm,喷液槽在底面的长度和柱面上的高度由被加工工件的尺寸和进液口的直 径来决定。加工过程中,为防止线锯4抖动、以及定位线锯4,基体两端有按一定规律加工出 来的细导槽10,槽宽略大于线锯4直径,线锯沿着细导槽进行缠绕,线锯的两端缠绕在阴极 工具的夹持器上,夹持器安装在主轴上,并随着阴极工具旋转。
[0047] 在加工过程中,线锯绕制工具电极固定在机床主轴上,机床主轴的旋转带动电极 转动,电极下部作为加工工作部位。电解液被输送到基体5的轴向中心孔8中,通过基体5 底面上的喷液槽7和基体柱面上的喷液槽6喷到被加工工件表面。接通电源正、负极,进行 电化学-机械磨削或电化学-机械抛光加工。
[0048] 实施例2
[0049] 参考图5〜图7所示的适于切割加工所用的工具阴极,实施例2与实施例1不同 处在于,由于电化学切割加工面是圆柱面,所以在基体5底面不设置电解液喷液槽7,柱面 上保留四条喷液槽6,所述在基体底面喷涂了一层绝缘层9。
[0050] 实施例3
[0051] 图8〜图10所示的适于钻削加工所用的工具阴极,实施例3与实施例1不同处在 于,所用的基体5为一中空金属管,线锯4缠绕并穿过中心贯通孔,加工时为防止线锯4颤 动,在两端面上分别加工细导槽10。电解液从中心孔中流出进入加工区域,为减小侧面腐 蚀,金属管侧面喷涂一层绝缘层9。

Claims (3)

1. 一种用于电化学-机械复合加工的线锯绕制工具电极,包括线锯(4)和基体(5),其 特征在于,所述线锯(4)为电镀金刚石线锯或非金属基体的金刚石线锯,所述基体(5)为圆 柱形基体,在基体(5)的表面上间隔均匀缠绕线锯(4),基体(5)侧壁上设置细导槽(10), 其槽宽略大于线锯(4)直径,基体(5)具有轴向的中心孔(8); 所述基体(5)下部至少设有两条均匀分布且贯穿轴向中心孔(8)的侧壁喷液槽(6),基 体(5)底部同样至少设有两条均匀分布且贯通轴向中心孔(8)的底部喷液槽(7),所述喷液 槽仅设置在基体(5)底面和柱面上非线锯遮盖的区域,所述基体(5)的底面为平面或半球 面。
2. -种用于电化学-机械复合加工的线锯绕制工具电极,包括线锯(4)和基体(5),其 特征在于,所述线锯(4)为电镀金刚石线锯或非金属基体的金刚石线锯,所述基体(5)为圆 柱形基体,在基体(5)的表面上间隔均匀缠绕线锯(4),基体(5)侧壁上设置细导槽(10), 其槽宽略大于线锯(4)直径,基体(5)具有轴向的中心孔(8); 所述基体(5)下部至少设有两条均匀分布且贯穿轴向中心孔(8)的侧壁喷液槽(6),所 述喷液槽仅设置在基体(5)柱面上非线锯遮盖的区域,所述基体(5)底部封闭,且喷涂一层 绝缘层(9)。
3. -种用于电化学-机械复合加工的线锯绕制工具电极,包括线锯(4)和基体(5),其 特征在于,所述线锯(4)为电镀金刚石线锯或非金属基体的金刚石线锯,所述基体(5)为圆 柱形基体,在基体(5)的表面上间隔均匀缠绕线锯(4),基体(5)侧壁上设置细导槽(10), 其槽宽略大于线锯(4)直径,基体(5)具有轴向的中心孔(8); 所述线锯(4)缠绕穿过中心孔(8),在基体(5)侧面喷涂一层绝缘层(9)。
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