CN106312208B - 辅助阳极电解磨铣加工系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种辅助阳极电解磨铣加工系统及方法,属于电解磨铣复合加工领域。包括主电源(4)、工具阴极(1)、工件(2)、辅助电源(6)、辅助阳极(5);上述主电源(4)正、负极分别与所述工件(2)、工具阴极(1)相连;上述辅助电源(6)正、负极分别与所述辅助阳极(5)、工具阴极(1)相连;辅助阳极(5)与工件(2)的正电位差△U=0‑20V。本发明对于提高电解磨铣加工稳定性和加工精度具有重要的意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种辅助阳极电解磨铣加工系统及方法,属于电解磨铣复合加工领域。
背景技术
随着科学技术的发展,现代航空、航天、船舶等工业领域中使用了大量高温合金、钛合金等金属材料。比如,GH4169合金分别占了CF6发动机、CY2000发动机和PW4000发动机总重量34%、56%和57%;钛合金占了第四代战斗机F-22所使用材料总量的41%等。然而,受这些材料本身一些固有特性的影响,如导热能力差、强度高、硬度大等,在机械加工过程中加工区的温度较高、切削力较大,容易引起刀具的磨损。以航空发动机中的燃烧室薄壁机匣为例,其环形面上不仅有众多形状各异的安装凸台、加强筋等,而且从毛坯加工成零件的材料去除比一般可高达60%~80%,这给制造技术带来了诸多挑战。
电解磨铣加工是采用形状简单的磨头电极作为工具阴极,利用数控铣削的方式由磨头电极的旋转运动和工件的进给运动共同形成轮廓的发生线,通过相切法进行成形加工的一种复合加工方法。电解磨铣加工时大部分金属材料是在电解作用下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。对于在高温合金、钛合金等难切削金属材料上加工各种型面、型腔、凸台、薄壁等结构,电解磨铣技术具有切削力小、刀具损耗低、生产率高、加工表面质量好及柔性高等突出优点,是一种非常有潜力的加工方法。
目前,该技术的研究主要集中于提高电解磨铣的加工效率。南京航空航天大学的朱荻教授等将工具阴极与供液系统连接起来,电解液可通过阴极内孔直接喷射到加工间隙内,并及时带走加工产物和焦耳热。与通过外接喷嘴向加工区域喷射电解液的方法相比,这种内喷射供液方式有效提高了电解磨铣技术的加工深度。此外,南京航空航天大学的李寒松副教授等提出一种电解磨铣加工的阴极磨头装置(专利申请号:201510663857.6),将用于横向加工和纵向加工时的阴极通液孔分别按照一定规律排布,可进一步改善加工间隙内流场的均匀性,有利于提高电解磨铣技术的加工速度。 这些研究表明,利用从阴极内部直接向加工间隙喷射电解液的方式,并通过合理分布阴极外表面的通液孔位置,可显著提高电解磨铣技术的加工效率,促进该技术得到更多的推广和应用。
在上述常规的电解磨铣加工过程中,工具阴极高速旋转,工件以一定速度进给,从工具阴极通液孔喷出的电解液,一部分进入加工间隙,然后沿着加工间隙流出工件,另一部分直接喷向工件的已加工表面,并沿着已加工表面反向高速流出工件,其流道横截面积沿着电解液流动方向呈扩散状态。这种扩散型流场易造成出液口附近压力突降而产生空穴现象,引起加工间隙内局部缺液,使得加工表面不同部位电解去除速度不一致,导致加工过程不稳定。此外,已加工表面通过连续流经的电解液与工具阴极构成导电回路,造成已加工表面被杂散电流腐蚀。以电解磨铣加工沟槽为例,由于电场对已加工表面的杂散腐蚀,导致加工沟槽的侧壁和底面均存在严重的“过切”现象,造成加工结果不理想。这些问题影响了电解磨铣技术的加工稳定性和加工精度。
发明内容
本发明旨在提高电解磨铣的加工稳定性和加工精度,提出一种工艺简单、实用性强的辅助阳极电解磨铣加工系统及方法。
一种辅助阳极电解磨铣加工系统,其特征在于:
包括主电源、工具阴极、工件、辅助电源、辅助阳极;上述主电源正、负极分别与所述工件、工具阴极相连;辅助电源正、负极分别与所述辅助阳极、工具阴极相连;上述工具阴极具有圆筒型结构,壁面布有通液孔,所述辅助阳极在进给方向上定位于工具阴极的正后方,且两者的垂直中心线平行并位于同一截面内;辅助阳极的结构为与圆筒型的工具阴极同心设置的弧形弯板结构,其宽度与所用工具阴极基体直径相同;辅助阳极内壁面与工具阴极外壁面的法向间隙距离L=0.2-1mm;辅助阳极基体为合金材料,表层镀有不溶于中性盐溶液的惰性金属。
利用所述辅助阳极电解磨铣加工系统的方法,其特征在于:加工时,打开主电源和辅助电源,使工件和辅助阳极均带正电位,且辅助阳极与工件的正电位差△U=0-20V,然后开始电解磨铣加工。
本发明具有以下优点:
1、与常规电解磨铣加工相比,通过在进给方向上工具阴极的正后方一定距离处放置不溶性辅助阳极,原来直接喷向已加工表面的电解液,现在需要沿着辅助阳极和工件已加工表面的缝隙、工具阴极和辅助阳极的缝隙中流出工件,靠行程阻力自然形成背压,这种方式有利于减缓电解液的快速流失,使加工间隙充溢电解液,有效防止加工间隙内产生空穴现象,避免缺液现象发生。根据仿真试验结果,当辅助阳极与工具阴极的法向间隙距离L为0.2mm~1 mm范围时,与常规电解磨铣加工方法相比,使用辅助阳极后的加工间隙内出液口附近的压力突降现象以及加工间隙内流速的均匀性均得到改善,而且该法向间隙距离L越小,改善的效果越明显。因此,采用辅助阳极可改善电解磨铣的加工稳定性,且辅助阳极与工具阴极的法向间隙距离L的范围是0.2mm~1mm。
2、采用本方法在进给方向上工具阴极的正后方一定距离处放置不溶性辅助阳极,并通过连接辅助电源施加一定正电位,可以有效抑制工件已加工表面的杂散腐蚀。根据经典电场理论可知,电流流动方向总是由高电位等势面流向低电位等势面,金属材料的电化学溶解发生于高电极电位。利用有限元计算分析技术,可得到常规电解磨铣加工的电流线(见图11、图16)和辅助阳极电解磨铣加工的电流线分布(见图12、图13、图17、图18)。当使用正电位差△U=0V的辅助阳极时,加工区域内电场分布被改变,工件已加工表面的杂散腐蚀被有效抑制。当辅助阳极电位高于工件电位时,则产生从辅助阳极流向工件底面的电流,同时,工具阴极端面更多的电流来源于辅助阳极,工件已加工表面的“过切”现象被进一步改善。然而,当正电位差△U>20V后,随着△U的增大,工件的“过切”量下降变化极小,反而由于辅助阳极所带电位过高,容易在间隙内产生打火而损害工具电极。因此,使用辅助阳极可改善电解磨铣的加工精度,且辅助阳极与工件所带正电位差△U的范围是0V~20V。
3、本方法将工件和辅助阳极分别接主电源和辅助电源的正极,在电解磨铣加工时可根据加工尺寸和加工精度的要求,调节两者的正电位差,提高了辅助阳极电解磨铣加工方法的柔性。
4、本方法采用的辅助阳极表层电镀有铂或钯惰性金属材料,即使其电势电位最高,也不会发生电化学溶解,可重复使用。辅助阳极的基体为硬度较高的合金材料,不仅能抵抗较大的电解液压力冲击,还降低了材料成本,便于进一步推广及应用。
附图说明
图1常规电解磨铣加工的方法示意图;
图2挡板式辅助阳极电解磨铣加工的方法示意图;
图3无辅助阳极时常规电解磨铣加工区域XY切面内压力分布图;
图4 L=0.2mm时辅助阳极电解磨铣加工区域XY切面内压力分布图;
图5 L=0.5mm时辅助阳极电解磨铣加工区域XY切面内压力分布图;
图6 L=1mm时辅助阳极电解磨铣加工区域XY切面内压力分布图;
图7无辅助阳极时常规电解磨铣加工区域XY切面内流速分布图;
图8 L=0.2mm时辅助阳极电解磨铣加工区域XY切面内流速分布图;
图9 L=0.5mm时辅助阳极电解磨铣加工区域XY切面内流速分布图;
图10 L=1mm时辅助阳极电解磨铣加工区域XY切面内流速分布图;
图11无辅助阳极时常规电解磨铣加工区域XY切面内电流线分布;
图12△U=0V时辅助阳极电解磨铣加工区域XY切面内电流线分布;
图13△U=20V时辅助阳极电解磨铣加工区域XY切面内电流线分布;
图14无辅助阳极与△U=0V时工件XY面仿真电解加工轮廓形状对比图;
图15已加工槽宽度随正电位差△U的变化规律图;
图16无辅助阳极时常规电解磨铣加工区域XZ切面内电流线分布;
图17△U=0V时辅助阳极电解磨铣加工区域XZ切面内电流线分布;
图18△U=20V时辅助阳极电解磨铣加工区域XZ切面内电流线分布;
图19无辅助阳极与△U=0V时工件XZ面仿真电解加工轮廓形状对比图;
图20已加工槽深度随正电位差△U的变化规律图;
图中标号名称为:1、工具阴极,2、工件,3、加工区域的电解液,4、主电源,5、辅助阳极,6、辅助电源,7、电解液流动方向。
具体实施方式
结合图2,说明本发明提出的加工方法具体实施过程:
步骤1、将工具阴极1、工件2、辅助阳极5分别装夹、定位;
步骤2、将主电源4正极与工件2相连,负极与工具阴极1相连接,并调节主电源4工作参数;
步骤3、将辅助电源6正极与辅助阳极5相连,负极与工具阴极1相连,并调节辅助电源6工作参数;
步骤4、沿方向7通入电解液,并经过工具阴极(1)的通液孔到达加工区域(3);
步骤5、打开主电源4和辅助电源6,然后开始电解磨铣加工;
步骤6、停止加工、退刀。
通过具体实施例的有限元仿真分析,可进一步说明本发明对于提高电解磨铣加工稳定性和加工精度的效果。
流场仿真具体参数设置条件如下:压力入口为0.2MPa,压力出口为0.1 MPa,工具阴极基体直径和辅助阳极宽度均为6mm,工具阴极通液孔直径为1mm,工具阴极通液孔数目为6个,辅助阳极厚度为3mm,工具阴极转速为1000rmp, 流场介质为液体水,加工区域深度和长度分别为3mm和13mm,加工间隙为0.2mm,辅助阳极与工具阴极的法向间隙距离L分别为0.2mm、0.5mm、1mm。
从图3到图6中可以看出,在无辅助阳极的流场中,加工间隙内出液口附近出现了明显的压力突降现象。而辅助阳极起到了增大背压的作用,当法向间隙距离L为0.2mm和0.5mm时,加工间隙内出液口附近压力突降现象得到改善,但当法向间隙距离L增大到1mm时,加工间隙内出液口附近又出现了较明显的负压区。从图7到图10中可以看出,在无辅助阳极的流场中,加工间隙内的流速分布不均,且有明显的低流速区域。当辅助阳极的法向间隙距离L为0.2mm和0.5mm时,加工间隙内的流速均匀性得到明显改善。当辅助阳极的法向间隙距离L增大到1mm时,加工间隙内又出现了较明显的低流速区域,说明此时辅助阳极增大背压的作用明显减弱。因此,采用辅助阳极可改善电解磨铣的加工稳定性,且辅助阳极与工具阴极的法向间隙距离L的范围是0.2mm~1mm。
电场仿真具体参数设置条件如下:主电源电压为30V,辅助电源电压分别为30V、40V、50V、60V、70V、80V、90V,进给速度为2.5mm/min,电解液电导率为10S/m,工具阴极基体直径和辅助阳极宽度均为6mm,辅助阳极厚度为3mm,加工间隙为0.2mm,辅助阳极与工具阴极的法向间隙距离L为0.5mm,辅助阳极板表层材料为金属铂,加工区域的初始深度和长度分别为3mm和13mm,加工时间为300s。
从图11到图13以及图16到图18中可以看出,在无辅助阳极的电场中,大量电流从工件侧壁及底面的已加工表面流向工具阴极表面。在施加辅助阳极后改变了加工区域的电场分布,当辅助阳极与工件的正电位差△U=0V时,从工件侧壁及底面已加工表面流向工具阴极的电流明显减少,回路中的电流主要集中于工具阴极和辅助阳极之间。此时,工件和辅助阳极所带正电位相同,两者之间不存在电位差不能形成电流。当辅助阳极与工件的正电位差△U=20V时,辅助阳极电位高于工件电位,产生从辅助阳极流向工件底面的电流,同时,工具阴极端面更多的电流来源于辅助阳极。从图14和图19中可以看出,在使用△U=0V辅助阳极后,原来呈“喇叭”形状的工件侧壁和“斜坡”形状的工件底面得到明显改善,说明工件侧壁和底面已加工表面受工具阴极杂散腐蚀的现象被有效抑制。从图15和图20中可以看出,当辅助阳极电位高于工件电位后,随着正电位差△U的增大,工件侧壁的宽度和工件底面的深度均进一步减小,说明工件已加工表面的杂散腐蚀得到了进一步改善。然而,当正电位差△U增加到20V以后,随着△U的增大,工件侧壁宽度和工件底面深度的下降变化极小,反而由于辅助阳极所带电位过高,容易在间隙内产生打火而损害工具电极。因此,使用辅助阳极可改善电解磨铣的加工精度,且辅助阳极与工件所带正电位差△U的范围是0V~20V。
本发明能有效提高电解磨铣的加工精度和加工稳定性,但是以上描述并不能理解为对本发明专利的限制。应该说明的是,对于本领域的其他技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干改善,这些均应落入本发明专利的保护。
Claims (2)
1.一种辅助阳极电解磨铣加工系统,其特征在于:
包括主电源(4)、工具阴极(1)、工件(2)、辅助电源(6)、辅助阳极(5);上述主电源(4)正、负极分别与所述工件(2)、工具阴极(1)相连;上述辅助电源(6)正、负极分别与所述辅助阳极(5)、工具阴极(1)相连;
上述工具阴极(1)具有圆筒型结构,壁面布有通液孔,所述辅助阳极(5)在进给方向上定位于工具阴极(1)的正后方,且两者的垂直中心线平行并位于同一截面内;辅助阳极(5)的结构为与圆筒型的工具阴极(1)同心设置的弧形弯板结构,其宽度与所用工具阴极(1)基体直径相同;辅助阳极(5)内壁面与工具阴极(1)外壁面的法向间隙距离范围是L=0.2-1mm;辅助阳极(5)的基体为合金材料,表层镀有不溶于中性盐溶液的惰性金属。
2.利用权利要求1所述辅助阳极电解磨铣加工系统的方法,其特征在于:
加工时,打开主电源(4)和辅助电源(6),使工件(2)和辅助阳极(5)均带正电位,且辅助阳极(5)的电位比工件(2)的电位高或相等,且辅助阳极(5)与工件(2)的正电位差△U=0-20V,然后开始电解磨铣加工;
通过工具阴极(1)通液孔喷到已加工表面的电解液,沿着辅助阳极和工件已加工表面的缝隙、工具阴极和辅助阳极的缝隙中流出工件,靠行程阻力自然形成背压,利于减缓电解液的快速流失,使加工间隙充溢电解液,有效防止加工间隙内产生空穴现象,避免局部缺液现象发生;
通过连接辅助电源施加一定正电位,抑制工件已加工表面的杂散腐蚀,减少已加工表面的“过切”现象,提高电解磨铣的加工精度。
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