CN105921834A - 电解磨铣加工工具阴极及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电解磨铣加工工具阴极及方法，属于电解磨削复合加工领域。该工具阴极具有底端为圆形平面的棒状基体（1）；上述棒状基体（1）具有中心盲孔（3）；上述棒状基体（1）的侧壁开有与中心盲孔（3）相通的通液槽/孔（2）；该通液槽/孔（2）位于中心盲孔（3）底端，且沿盲孔中轴线对称分布；上述棒状基体(1)的底部外侧开有中心圆槽和若干与其同心排布的环槽；分别形成导电环和绝缘环。本发明可以改善工具阴极底面和侧壁对已加工表面的二次蚀除和杂散腐蚀的影响，减小底面过切量并提高平面加工的底面平面度。

Description

电解磨铣加工工具阴极及方法

技术领域

本发明涉及一种电解磨铣加工工具阴极，属于电解磨削复合加工领域。

背景技术

随着科学技术的发展,钛合金、高温合金、硬质合金和不锈钢等大量的难切削金属材料被应用于航空、航天、航海、石油等工业中。然而，由于受到材料本身一些固有性质的的影响，例如硬度高、导热系数差、弹性模量低等，当采用机械加工方法时，往往存在着刀具磨损快、加工温度高、工件表面硬化现象严重，且存有残余应力、工件易变形等缺点。这些问题不仅极大地增加了加工成本，还严重地损害了工件的使用性能。

电解加工是利用电化学阳极溶解的原理去除金属材料，并获得具有一定尺寸精度和表面粗糙度零件的工艺方法。在加工过程中工件接电源正极，工具接电源负极，电解液从阴阳极间的加工间隙中高速流过，工具阴极、工件阳极以及加工间隙中电解液形成导电回路，随着阴极不断进给，工件材料不断溶解，直至被加工成所需的尺寸与形状。电解加工区别于机械加工的主要特征在于它是一种非接触加工，材料的去除是以离子的形式。因此，电解加工不受材料强度、硬度和韧性的限制，加工表面无残余应力和再铸层等缺陷，而且工具无损耗、加工效率高，比较适用于加工难切削金属材料。

电解磨铣是采用类似于数控铣的方式由工具阴极的旋转运动和工件的进给运动共同形成轮廓的发生线，通过电解作用和磨削作用共同去除金属材料的一种复合加工方法。电解磨铣加工时大部分金属材料是通过电解作用以离子的形式去除的，磨削的主要作用是去除工件表面因电化学腐蚀生成的氧化物薄膜，保持电解过程的正常进行并降低表面粗糙度。因此，电解磨铣综合了电解加工效率高、机械磨削加工质量好、数控铣加工柔性高的优点，是一种极具潜力的加工方法。

根据提供电解液的方式不同，电解磨铣又可分为外喷式和内喷式两种。外喷式供液通过外接喷嘴向加工区域喷射电解液，但由于磨工具阴极和工件之间的加工间隙极小，当加工深度较大时，电解液很难及时的充满整个加工间隙，加工区域容易因局部缺液而产生火花放电，造成磨头损耗甚至发生短路。而内喷式供液是将工具阴极与电解液系统连接起来，电解液通过阴极内孔或槽直接喷射到工件加工表面，因此能在加工间隙中形成稳定、均匀的流场，有利于增加材料的去除率，提高加工效率。

目前对于内喷液电解磨铣工具阴极的的研究一般是为了提高工具阴极的寿命或者改善加工间隙的流场。例如，中国专利号为201010555654.2的专利提出了一种开喷液槽的工具阴极，并在基体底面的每个径向嵌镶槽中嵌镶烧结金刚石条。这种工具阴极的制造工艺繁琐而且成本较高，而且底部加工端为球形，不适合平面等的加工。此外，中国专利号为201510663857.6的专利还提出了一种底部为平头的工具阴极，并根据需求设计侧壁各层通液孔的排布。这种工具阴极并没有考虑其底面对已加工表面的二次蚀除和杂散腐蚀的影响，加工出的沟槽底面一般为下凹型曲面。在电解磨铣加工中，部分电解液从工具阴极底面流出加工间隙，由于工具阴极与与已加工表面之间的间隙较小，阴极底面和侧壁对已加工表面的二次蚀除和杂散腐蚀导致过切量较大和平面度较差，这不利于电解磨铣的平面加工。

发明内容

本发明的目的是提供一种电解磨铣加工工具阴极，可以改善工具阴极底面和侧壁对已加工表面的二次蚀除和杂散腐蚀的影响，减小底面过切量并提高平面加工的底面平面度。

一种电解磨铣加工工具阴极，其特征在于：该工具阴极具有底端为圆形平面的棒状基；上述棒状基体具有中心盲孔；上述棒状基体的侧壁开有与中心盲孔相通的通液槽/孔；该通液槽/孔位于中心盲孔底端，且沿盲孔中轴线对称分布;上述棒状基体的底部外侧开有中心圆槽和若干与其同心排布的环槽；开槽后留下的环状凸起称为导电环；最外圈导电环的外径与棒状基体底端圆形平面的外径相同；上述中心圆槽和环槽中填充绝缘材料，形成绝缘层；上述棒状基体下部的侧壁外表面电镀有一圈金刚石磨粒层，并且金刚石磨粒层上沿位于通液槽/孔上边缘上方, 金刚石磨粒层下沿覆盖至底端圆形平面最边缘。

棒状阴极基体的材质为耐腐蚀的金属导电材料，例如不锈钢316等；上述导电环可由车削加工获得；绝缘层中填充的绝缘材料为具有高结合性并且防水耐热的环氧树脂胶。为保证绝缘胶在加工过程中结合牢固不脱落，涂覆绝缘胶后可经抽真空及烘热固化处理；导电环的数量及尺寸根据阴极大小及加工材料，结合仿真以及经验公式得出。

所述电解磨铣加工工具阴极，其特征在于：上述棒状基体开中心盲孔后，其侧壁和底部的厚度大于1mm。

所述电解磨铣加工工具阴极，其特征在于：上述导电环和绝缘层的高度均大于0.2mm，且绝缘层的高度低于导电环。

4.根据权利要求1所述电解磨铣加工工具阴极，其特征在于：上述金刚石磨粒层厚度大于0.03mm，金刚石磨粒粒度号大于120#。

上述尺寸型号数据均为经过仿真和大量实验综合优化所得。

所述电解磨铣加工工具阴极的方法，其特征在于包括以下过程：工具阴极沿轴向垂直装夹在铣床头上，接工作电源阴极；待加工的金属工件装夹在夹具上接工作电源阳极；工作时，工具阴极内部通电解液并高速旋转，在XY平面内进给，Z方向不运动；依靠金刚石磨粒层和电解作用对金属工件进行电解磨铣去除材料加工；由于导电环和绝缘层的作用，加工表面平面度较好，表面质量有显著提高。

本发明具有以下优点：（1）、通过在工具阴极底面设置导电环，形成了环形导电区域，与原先的圆形导电区域相比，导电面积大大减小。从而工具阴极进给过程中，有效改善了工具阴极底面对已加工表面的过度电解作用的缺陷。有效防止了加工过程中过切现象的发生。（2）、通过将导电环以外的底面导电区域进行绝缘处理，有效杜绝了除导电环外的非工作面对工件的杂散腐蚀作用，与原先的圆形导电区域相比，工件过切量明显减少，电解磨铣加工后的工件的平面度显著提升。（3）、该种工具阴极结构简单，普通夹头即可装夹，而且在工具阴极加工区域金刚石磨粒的出露高度能提供稳定的最小加工间隙，有利于保证加工过程的稳定性及大规模的生产应用，并保证加工过程的稳定性。（4）、工具阴极底面导电环制造工艺简单，利用普通车床即可车削加工出，而且加工出的环形凹槽通过涂覆绝缘胶即可完成局部绝缘处理，所需成本低廉。（5）、导电环的圈数以及各个导电环的内外径尺寸可根据工具阴极的直径大小通过简单的仿真模拟进行估算选择，形成一套实用的经验公式，不必再根据不同的加工条件刻意设计出独特的阴极形状，极大地减少了工具阴极的设计周期，使得电解磨铣加工的生产效率得到显著提升。

附图说明

图1为一种底部端面无绝缘处理的工具阴极实物图；

图2为对图1所示工具阴极底部端面全绝缘处理的工具阴极实物图；

图3为对图1所示工具阴极底部端面开双导电环并局部绝缘处理的工具阴极实物图；

图4为图3所示工具阴极的结构示意图；

图5为图1、图2、图3所示三种工具阴极平面加工仿真所得截面对比图；

图6为内喷式电解磨铣加工原理示意图；

图7为图1所示工具阴极电解磨铣加工平面沟槽所得截面试验效果图；

图8为图2所示工具阴极电解磨铣加工平面沟槽所得截面试验效果图；

图9为图3所示工具阴极电解磨铣加工平面沟槽所得截面试验效果图；

图中标号名称：1、棒状工具阴极基体；2、侧壁通液孔；3、中心盲孔；4、金刚石磨粒层；5、底面绝缘区；6、底面导电环；7、电解液；8、氢气；9、电解产物；10、工件。

具体实施方式

为了使本发明的内容更容易被理解，下面根据具体的实施例并结合附图，对本发明做进一步详细的解释。

本发明的实施例选用三种工具阴极基体的外径为6mm，总长为60mm，其中心盲孔的直径和深度分别为4mm和59mm。基体下部侧壁加工区域均开6个直径为1mm的通液孔，并只在侧壁的加工区域电镀金刚石磨粒层。电镀的金刚石粒度号为180#，并保证电镀过程中通液孔不被堵塞。三种工具阴极底部端面绝缘处理的形式不同，图1所示工具阴极底面不做绝缘处理，图2所示工具阴极底部端面做全绝缘处理，图3所示的工具阴极底部端面开有两个导电环做局部绝缘处理。三种工具阴极均在不锈钢304板材上电解磨铣3mm深的平面沟槽，加工时工具阴极通过导电环接电源负极，工件接电源正极，加工电压15V，所通NaNO₃电解液的温度和质量分数分别为30℃和10%，电解液压力为0.2MP，工具阴极转速为1000r/min。

实施例1

本实施例用的是图1 所示的工具阴极，基体底部端面为平面，不做绝缘处理也不镀金刚石磨粒。从图5中该工具阴极对应的仿真加工截面图可以看出，工件底面呈下凹形，且底面中心为沟槽最深处，同时侧壁和底面的连接处呈圆弧状。而图7所示的该工具阴极电解磨铣加工平面沟槽的实际截面图也表现出，沟槽底面为下凹型曲面，而且在中间部位下凹最严重。这是因为在加工过程中，电解液从阴极底部沿进给的反方向高速流出，以此流场为媒介，阴极底面与沟槽的已加工底面之间形成电场，使已加工表面继续被电解腐蚀。由于阴极底面为圆形，杂散电流密度从沟槽底面中心到两侧逐渐减弱，从而形成下凹的截面特征。因此，工具阴极底面需要进行绝缘处理。

实施例2

本实施例用的是图2所示的工具阴极，基体底部端面被完全加工出一个深0.3mm的凹槽，在凹槽内涂覆具有防水耐热的环氧树脂胶，再经过抽真空和烘热固化处理等，使凹槽内的结缘胶和工具阴极紧密牢固结合，此时工具阴极底面被完全绝缘。从图5中该工具阴极对应的仿真加工截面图可以看出，工件底面呈上凸形，且底面中心为沟槽最浅处，同时侧壁和底面的连接处呈下凹状，连接点处为凹槽最深处。而图8所示的该工具阴极电解磨铣加工平面沟槽的实际截面图也表现出，工件底面为上凹形曲线，在两侧处被电解腐蚀的最严重。这是因为工具阴极侧壁，特别是加工区域侧壁的边缘对沟槽底面已加工表面的二次腐蚀和杂散腐蚀所致。由于加工区域侧壁为圆柱形，杂散电流密度从沟槽底面中心到两侧逐渐增强，从而形成上凹的截面特征。但是，通过比较图5中实施例1和2的仿真加工截面图，可看出底部绝缘能减小约80%的底部过切量。因此，需要绝缘的基础上在底面开导电环，增加沟槽中间上凸部分的腐蚀量，调整平面度。

实施例3

本实施例用的是图3所示的工具阴极，其结构示意图如图4所示。该工具阴极底部端面用车床加工出两个导电环，其中小环宽0.2mm，大环宽0.4mm，导电环表面即为原阴极底面。底面除导电环以外的部分为一个圆形凹槽和一个环形凹槽，凹槽深度均为0.3mm。在凹槽内涂覆具有防水耐热的环氧树脂胶，再经过抽真空和烘热固化处理等，使凹槽内的结缘胶和工具阴极紧密牢固结合，此时工具阴极底面被局部绝缘。从图5所示的仿真加工截面图中可以看出，和实施例2相比，本实施例的沟槽底面中部呈上凸形曲线的范围明显减小，沟槽底部平面度也由实施例2的0.19mm减小至本实施例的0.1mm。而从图9所示的该工具阴极电解磨铣加工平面沟槽的实际截面图也能看出，加工后的沟槽底部表现出了较好的平面度。说明本发明提出的工具阴极进一步提高了电解磨铣加工的底面平面度。

Claims (5)

1.一种电解磨铣加工工具阴极，其特征在于：

该工具阴极具有底端为圆形平面的棒状基体（1）；上述棒状基体（1）具有中心盲孔（3）；上述棒状基体（1）的侧壁开有与中心盲孔（3）相通的通液槽/孔（2）；该通液槽/孔（2）位于中心盲孔（3）底端，且沿盲孔中轴线对称分布;

上述棒状基体(1)的底部外侧开有中心圆槽和若干与其同心排布的环槽；开槽后留下的环状凸起称为导电环（5）；最外圈导电环（5）的外径与棒状基体（1）底端圆形平面的外径相同；上述中心圆槽和环槽中填充绝缘材料，形成绝缘层（6）；

上述棒状基体（1）下部的侧壁外表面电镀有一圈金刚石磨粒层(4)，并且金刚石磨粒层（4）上沿位于通液槽/孔(2)上边缘上方, 金刚石磨粒层（4）下沿覆盖至底端圆形平面最边缘。

2.根据权利要求1所述电解磨铣加工工具阴极，其特征在于：上述棒状基体（1）开中心盲孔(3)后，其侧壁和底部的厚度大于1mm。

3.根据权利要求1所述电解磨铣加工工具阴极，其特征在于：上述导电环（5）和绝缘层（6）的高度均大于0.2mm，且绝缘层（6）的高度低于导电环（5）。

4.根据权利要求1所述电解磨铣加工工具阴极，其特征在于：上述金刚石磨粒层（4）厚度大于0.03mm，金刚石磨粒粒度号大于120#。

5.利用权利要求1所述电解磨铣加工工具阴极的方法，其特征在于包括以下过程：

工具阴极沿轴向垂直装夹在铣床头上，接工作电源阴极；

待加工的金属工件装夹在夹具上接工作电源阳极；

工作时，工具阴极内部通电解液并高速旋转，在XY平面内进给，Z方向不运动；依靠金刚石磨粒层（4）和电解作用对金属工件进行电解磨铣去除材料加工；由于导电环（5）和绝缘层（6）的作用，加工表面平面度较好，表面质量有显著提高。