CN105215488B - 电解磨铣复合加工阴极磨头装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电解磨铣复合加工阴极磨头装置，属于电解加工与磨削加工领域。它包括阴极体（1），阴极体（1）具有中心盲孔（3），阴极体（1）下部外表面及底面具有磨粒层（4），阴极体（1）还具有与中心盲孔（3）相通的通液孔（2），通液孔（2）半径r₀在0.25mm～0.75mm之间，上述尺寸的通液孔（2）的有效电解作用半径r=（1～1.5）×r₀，同层或同一同心圆上任意相邻通液孔（2）中心距l=3r～5r。本发明可改善电解磨铣加工间隙流场分布，提高加工效率和加工质量。

Description

电解磨铣复合加工阴极磨头装置

技术领域

本次发明属于电解加工与磨削加工领域，具体涉及一种电解磨铣复合加工阴极磨头装置。

背景技术

随着科技的不断发展高温合金、硬质合金等难加工导电材料的应用越来越多，但也由于其优越的物理化学特性，使得这些材料的加工变得极为困难。传统的机械加工方法有着刀具磨损快、加工周期长、表面有微裂纹以及因切削力大而难以加工薄壁及其它特殊结构等缺点，因此在高性能导电材料加工领域特种加工变得越来越重要。

目前对高温合金、硬质合金等难加工导电材料采用的加工方法主要有：（1）高速切削。该种方法通过极高的切削速度去除材料，其加工速度快，切削应力小，加工精度高，但控制系统复杂且设备成本昂贵；（2）高速磨削。这种加工方法通过较高的砂轮线速度磨削去除材料，其加工精度高，可镜面加工，但加工温度高以及不适合加工形状复杂的结构；（3）电解加工。该种加工方法通过电化学方法用阴极靠近腐蚀阳极工件，在阳极上拷贝出阴极形貌，这种加工方法加工无接触应力，表面无毛刺和重铸层，但加工形状精度低，且不适合柔性制造；（4）电火花加工。通过在工具电极和工件之间施加的电压产生火花放电，通过电火花蚀除工件材料拷贝出工具电极形状达到加工的目的，但电火花加工存在加工慢、电极损耗以及存在重铸层等问题。

电解磨铣是一种电解加工与磨削加工复合而成的加工方法，将导电磨头接阴极，工件接阳极，并在工作区域通电解液，阴极磨头一边旋转一边做进给运动，阳极工件材料在电解和磨削的共同作用下被去除，达到加工的目的。这种加工有着切削力小、材料去除率快、表面无残余应力、无毛刺相比传统特种加工能满足柔性制造等优点，该方法兼具特种加工以及机械加工的优点，因此电解磨铣是一种极具潜力的加工方法。

目前对电解磨铣阴极的研究主要集中在导电砂轮上。这种导电砂轮加工工件主要是采用外喷式电解液供给，砂轮一边旋转一边相对工件进给，由于砂轮结构的限制不适用于柔性加工，并且这种加工主要为外喷式电解液供给，因此为保证加工区域电解液供给充足，其切深很小，限制了材料去除率的增加，从而限制了加工速度，因而这种加工方式仅适用于平面加工、扩孔加工以及沟槽和抛光加工。而目前对适合柔性制造的棒状带磨粒阴极的研究则相对较少。目前在小尺寸加工方面，南京航空航天大学的朱荻等用电镀磨头浸液加工出了直径0.6mm的小孔；在阴极磨头结构方面中国专利号为200820032604.4和201010555654.2的专利提出了一种镶嵌金刚砂层带并开有通液孔或槽的内喷式电解机床用复合阴极，这两种阴极采用镶嵌砂带结构，其制造工艺繁琐且成本高，且由于金刚砂层带磨削和电解的周期性交替作用，会造成机床振动过大严重影响加工精度，其开槽结构由于尺度小不易加工，而开孔结构则设计不合理，侧面没有给出设计方法，底部仅均布2或4个通液孔只适合小尺度加工，不适合大尺寸的加工。

发明内容

在于改善现有电解磨铣加工间隙流场分布不均致使加工质量差和加工效率低的状况，提出一种可改善电解磨铣加工间隙流场分布，提高加工效率和加工质量的电解磨铣复合加工阴极磨头装置。

一种电解磨铣复合加工阴极磨头装置，其特征在于：包括阴极体，阴极体具有中心盲孔，阴极体下部外表面及底面具有磨粒层，阴极体还具有与中心盲孔相通的通液孔，通液孔半径r₀在0.25mm～0.75mm之间，上述尺寸的通液孔的有效电解作用半径r=（1～1.5）×r₀ ，任意同层或同一同心圆上相邻通液孔的中心距l=3r～5r。

所述阴极体为导电材料，回转体结构，端部倒圆角，中心开中心盲孔，加工区域表面有磨粒层以及通液孔，其中通液孔的孔径越小则被加工工件表面形貌越好，但由于受小孔加工工艺困难限制以及为避免磨粒层涂镀堵塞通液孔，取孔半径在0.25mm～0.75mm。每个通液孔有与之相对应的较强电解作用范围半径r，可通过通液孔半径r₀乘上系数获得，该系数可实验和仿真结果获得在（1～1.5）的范围内，当加工进给速度快且磨粒出露高度小时取小，当加工进给速度慢或磨粒出露高度大时取大。其通液孔中心距过大则会造成孔之间的电解过弱，材料去除不及时，降低加工速度加工效率，而中心距过小，则会造成通液孔分布过密，互相干涉，造成不必要的开孔浪费，而且通液孔过多会减少阴极加工区表面积减少磨粒层面积并降低强度，因此通液孔中心距不宜过大或过小，根据实验和仿真结果，中心距l范围在3r～5r内。

所述中心盲孔在装夹端为开口，在加工端横向加工时为盲孔，纵向加工加工尺寸大时为盲孔，尺寸较小不能满足开通液孔条件时为通孔。

所述磨粒层结合剂导电以保证电解的进行，磨粒不导电以防止短路和放电，磨粒层均匀覆盖所有加工区域进给方向表面。

有益效果在于：

（1）该阴极磨头具有普适性，适合装夹与普通夹头，普通机床稍加改进即可使用该种阴极刀具改装成电解磨铣机床。

（2）该阴极磨头适用于数控加工，打破了传统电解、电解磨削的仿形加工的限制，可用于加工复杂型面或结构的工件。

（3）该种阴极磨头表面有按一定规律分布的通液孔，改善了内喷式电解磨铣加工的流场分布，使得在较大切深加工时也能保持较高的加工速度和加工质量。

（4）该种阴极磨头制造工艺简单且成本低廉，能有效降低加工成本，适合大规模应用。

（5）该种阴极磨头加工工件时接触应力小、表面无毛刺，并可加工硬质合金、高温合金等导电难加工材料。

（6）阴极磨头镶嵌磨粒，磨粒的出露高度能为电解提供稳定的最小加工间隙，保证加工过程的稳定性；由于磨粒随主轴转动增强了加工间隙电解液的更换，及时排出加工产物，削弱极化现象，有利于电解作用的增强。

所述的通液孔分布于阴极体侧壁，且位于阴极体下部具有磨粒层处；通液孔圆心按层状排布，各层均分布于阴极体侧壁表面为阴极体的外圆周，不同层沿阴极体轴向分布，各层之间轴向距离为层距d，底层距端部为r，相邻层之间层距d=r～2r。

横向加工用阴极磨头端部不开通液孔并根据需求端部做适当绝缘处理以减小底面过切，侧壁开通液孔，通液孔圆心按层排布，各层均分布于阴极体表面为阴极体的外圆周，不同层沿阴极体轴向分布，各层之间轴向距离为层距d，底层距端部为r，相邻层之间层距d=r～2r以保证通液孔有效作用范围覆盖所用加工面，同层通液孔均匀分布且中心距不小于l，不同层通液孔之间同样需满足中心距不小于l，并且在阴极回转体同一母线上仅存在一个通液孔有效作用范围以保证出液流场，避免上方通液孔阻碍下方通液孔出液。

该种侧壁通液孔分布结构能有效改善横向加工间隙流场，提高加工速度，并能得到较好的表面质量，适用于横向导电材料的加工去除以及扩孔加工。

所述的通液孔分布于阴极体底部；通液孔以阴极磨头轴心为圆心分布在半径不同的同心圆上，各同心圆均分布于阴极底部且半径不同，相邻同心圆半径差值为层距d，相邻同心圆层距d=r～2r。

纵向加工用阴极磨头侧壁不开通液孔并根据需求侧壁做适当绝缘处理以减小侧壁过切，端部开通液孔，（1）加工较大尺寸时，通液孔以阴极磨头轴心为圆心分布在半径不同的同心圆上，各同心圆均分布于阴极底部且半径不同，相邻同心圆半径差值为层距d，相邻同心圆层距d=r～2r以保证通液孔有效作用范围覆盖所有加工面，最内层同心圆半径为r，最外层应满足作用范围覆盖端部最边缘，同层同心圆上通液孔应保证中心距不小于l，不同层同心圆上的通液孔应满足同一法线上只存在一个通液孔有效作用范围以保证出液流场，避免外层通液孔阻碍内层通液孔出液；（2）加工小尺寸时，端部不满足开通液孔条件因此中心孔加工为通孔，需保证壁厚不小于0.5mm以满足磨粒层涂镀需要和保证最小刚度需求。

该种端部通液孔分布结构能有效改善纵向加工间隙流场，提高加工速度，并能得到较好的表面质量，适用于导电材料的深孔加工。

附图说明

图1是电解磨铣阴极磨头结构示意图；

图2是横向进给阴极磨头通液孔结构排布示意图；

图3是纵向大尺寸进给阴极磨头通液孔结构排布示意图；

图4是纵向小尺寸进给阴极磨头结构示意图；

图5是内喷式电解磨铣加工原理图；

图中标号名称：1、阴极体，2、通液孔，3、中心孔，4、磨粒层，5、氢气，6、电解产物，7、导电工件，8、电解液，9、阴极磨头。

具体实施方式

1、参考图1，电解磨铣阴极磨头由阴极体1、通液孔2、中心孔3 、磨粒层4组成。阴极体1为导电回转体结构，其一端装夹于机床夹具，另一端为加工端，加工端端部倒圆角，阴极中心有中心孔3 将电解液导入加工端，阴极体1表面有磨粒层4，横向加工用阴极侧壁开通液孔2，纵向加工用阴极端部开通液孔2或中心通孔3；通液孔2外侧连通表面内侧连通中心孔3 ，孔径2r₀为0.5mm～1.5mm；中心孔3 孔径需保证相应工况下电解液通液流畅以及阴极体1壁厚不得小于0.5mm；磨粒层4需覆盖加工切深阴极体表面但不得盖住装夹部位，磨粒不导电，磨粒结合剂需为导电材料，磨粒出露高度不得超过电解加工间隙。

2、参考图2、3、4，通液孔2按一定方法排布于阴极磨头9加工区表面，连通中心孔3。通液孔2直径2r₀在0.5mm～1.5mm，根据不同工况通液孔2存在有效作用半径r=（1～1.5）×r₀具体大小由实验和仿真获得，并存在最小互不干涉距离l=3r～5r。横向加工用阴极磨头9侧壁开通液孔2，通液孔2圆心按层排布，底层距端部为r，相邻层之间层距d=r～2r，同层通液孔2均匀分布且间距不小于l，不同层通液孔2之间需满足在阴极回转体同一母线上仅存在一个通液孔2有效作用范围，通液孔2有效作用范围应当覆盖切深全部范围；纵向加工用阴极磨头9端部开通液孔2，（1）加工较大尺寸时，通液孔2以阴极磨头9轴心为圆心分布在半径不同的同心圆上，相邻同心圆层距d=r～2r，最内层同心圆半径为r，最外层应满足作用范围覆盖端部最边缘，同层同心圆上通液孔2应保证孔距不小于l，不同层同心圆上的通液孔2应满足同一法线上只存在一个通液孔2有效作用范围；（2）加工小尺寸时，端部不开通液孔2，中心孔3 为通孔，需保证壁厚不小于0.5mm。

3、参考图5，阴极磨头9装夹于机床主轴，导电工件7装夹于机床工作台。加工时阴极磨头9通过导电环或电刷装置接电源阴极，导电工件7接电源阳极。电解液8通过旋转接头等装置从电解液循环系统接入阴极磨头9的中心孔3 ，并经通液孔2进入加工间隙。在机床的带动下阴极磨头9与导电工件7做相对运动。导电工件7在电解和磨削的复合作用下被溶解和磨削去除，加工中产生的氢气5和电解产物6在高速流动的电解液8和高速旋转的阴极磨头9的共同作用下被快速去除带走。

实施例

本发明实施例针对GH4169切深3mm横向材料的去除。

步骤1，选取阴极体为直径6mm长70mm棒料。

步骤2，在阴极体中心加工出直径4mm，深69mm的中心盲孔，并在端部倒圆角0.5mm。

步骤3，由于切深大，流量需求大，取通液孔半径r₀为0.75mm，其作用半径r取1mm，取层距d为1mm，孔间距l取3mm。有周长除以孔距得，每层上均匀分布6个通液孔每层错开20°，共3层，每层相距1mm，最底层距底面1mm。

步骤4，电镀金刚石磨粒层，金刚石粒度为150#。

步骤5，在确认通液孔尚且通畅后将其装夹与电解磨铣机床，通质量分数为10%温度为35℃的NaNO₃溶液，通液压力控制在0.4MPa。之后将GH4169板件装夹于机床工作台，阴极磨头通过导电环接电源阴极，工件接阳极，通25V直流电，进给速度控制在2.5mm/min,从侧边以切深为3mm切入，进入时缓慢提速，当阴极磨头完全切入工件则按2.5mm/min速度稳定加工，直至加工完成，断电抬刀，可获得表面质量为Ra1.6的沟槽。

Claims (1)

1.电解磨铣复合加工阴极磨头装置，其特征在于：包括阴极体（1），阴极体（1）具有中心盲孔（3），阴极体（1）下部外表面及底面具有磨粒层（4），阴极体（1）还具有与中心盲孔（3）相通的通液孔（2），通液孔（2）半径r₀在0.25mm~0.75mm之间，上述尺寸的通液孔（2）的有效电解作用半径r=（1~1.5）×r₀，同层或同一同心圆上任意相邻通液孔（2）中心距l=3r~5r；所述的通液孔（2）分布于阴极体（1）侧壁，且位于阴极体（1）下部具有磨粒层（4）处；通液孔（2）圆心按层排布，各层均分布于阴极体（1）侧壁表面为阴极体（1）的外圆周，不同层沿阴极体（1）轴向分布，各层之间轴向距离为层距d，底层距端部为r，相邻层之间层距d=r~2r；所述的通液孔（2）分布于阴极体（1）底部；通液孔（2）以阴极磨头轴心为圆心分布在半径不同的同心圆上，各同心圆均分布于阴极体（1）底部且半径不同，相邻同心圆半径差值为层距d，相邻同心圆层距d=r~2r。