CN106334844A - 柔性结构件的加工方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性结构件的加工方法以及装置。该方法包括：加工电极，使得所述电极的放电面与所述柔性结构件的面形和精度匹配；将所述电极安装到具有旋转和垂直位移功能的机床上，使所述电极与机床的Z轴同轴；将工件装夹在工作台上，并与机床Z轴同轴；将所述电极的放电面与所述工件淹没在电解液中；将所述的电极与直流电源的负极连接，工件与直流电源的正极连接，控制机床使电极按照一定的速度匀速旋转；控制机床的Z轴，使得电极的放电面逐渐接近工件并产生电化学腐蚀效应；持续电解所述工件的表面直至所述表面与电极的放电面形状一致得到所述柔性结构件。本发明提供的方法能够实现柔性结构件的高精度加工。

Description

柔性结构件的加工方法及装置

技术领域

本发明涉及机械加工领域，具体涉及一种柔性结构件的加工方法及装置。

背景技术

相对于传统的刚性结构而言，柔性结构具有可减少构件数目，无摩擦、磨损及传动间隙，无效行程小，可实现高精度运动，可存储弹性能，自身具有回程反力，装配应力小等优点。使得它在微机电系统(MEMS)、精密运动调节、无应力装配和仿生机械等领域中得到广泛的应用。尤其是在光学投影物镜系统中，为了达到支撑应力小，运动机构精度高等要求，大量采用了柔性结构。但同时，由于柔性结构自身刚度低，目前存在制造困难，加工精度等缺点，严重限制了柔性结构的自身性能及其应用领域。

前期采用传统铣削、车削加工工艺时，且因铣削、车削产生较大切削力，会在结构中引入较大的加工应力，之后采用电火花线切割加工后，由于材料自身和加工引入的残余应力，存在较大的变形，影响柔性元件的精度。因此，需要对柔性结构进行二次加工。

发明内容

本发明旨在克服现有技术存在的缺陷，本发明采用以下技术方案：

一方面，本发明提供了一种柔性结构件的加工方法，所述方法包括以下步骤：加工电极，使得所述电极的放电面与所述柔性结构件的面形和精度匹配；将所述电极安装到具有旋转和垂直位移功能的机床上，使所述电极与机床的Z轴同轴；将工件装夹在工作台上，并与机床Z轴同轴；将所述电极的放电面与所述工件淹没在电解液中；将所述的电极与直流电源的负极连接，工件与直流电源的正极连接，控制机床使电极按照一定的速度匀速旋转；控制机床的Z轴，使得电极的放电面逐渐接近工件并产生电化学腐蚀效应；持续电解所述工件的表面直至所述表面与电极的放电面形状一致得到所述柔性结构件。

在一些实施例中，还包括以下步骤：调节电极的旋转转速，使得电极的放电面表面的电解液处于接近层流运动的状态。

在一些实施例中，所述工件的面形为连续回转对称的结构面形。

在一些实施例中，所述工件的面形为非连续回转对称的结构面形。

在一些实施例中，所述工件的面形为平面、锥面或者任意曲面。

在一些实施例中，所述电极的放电面设置有沟槽。

在一些实施例中，所述沟槽为螺旋形沟槽。

另一方面，本发明还提供了一种柔性结构件的加工装置，所述柔性结构件的加工装置包括：机床，所述机床具有旋转和垂直位移功能；电极，所述电极的放电面与所述柔性结构件的面形和精度匹配，所述电极安装在所述机床上；电解液装置，所述电解液装置包括电解液和抽取所述电解液使所述电解液淹没电极的放电面与工件的电解液泵；直流电源，所述直流电源的负极与电极连接，所述直流电源的正极与工件连接。

在一些实施例中，所述电极的放电面设置有沟槽。

在一些实施例中，所述沟槽为螺旋形沟槽。

本发明的技术效果：本发明提供的柔性结构件的加工方法属于非接触式电化学腐蚀加工，加工应力极小，易于实现低刚度柔性结构件的高精度加工，且不易产生加工后的二次变形。本发明所述的柔性结构件的加工方法中的电极不同于传统电极加工的电极运动形式，传统电解加工的电极没有旋转功能，电解产物完全依靠电解液的喷射流动带走，电解液的流场不稳地，导致加工过程电场不稳定，从而限制了最终加工精度。本发明所述的电解加工的电极有旋转功能，通过调节转速，容易实现电极表面的电解液处于接近层流的运动状态，流场稳定，且有自排电解产物的能力，加工过程电场稳定，能够实现高精度加工。

附图说明

图1为根据本发明一个实施例的柔性结构件的加工装置示意图；

图2为根据本发明一个实施例的工件的结构示意图，所述工件的面形为非连续回转对称的结构面形；

图3为根据本发明一个实施例的柔性结构件的加工原理与布局图，其中工件的面形为非连续回转对称的结构面形；

图4为根据本发明一个实施例的工件的结构示意图，所述工件的面形为连续回转对称的结构面形；

图5为根据本发明一个实施例的柔性结构件的加工原理与布局图，其中工件的面形为连续回转对称的结构面形；以及

图6为图5中A部分的局部放大图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

电解加工是利用金属在电解液中的电化学阳极溶解实现工件面形控制，以达到零件的尺寸、形状及表面质量要求的特种加工方法。整个加工过程中，零件与电极之间只是发生电化学反应，加工应力很小，并且加工过程中不产生刀痕沟纹、毛刺等缺陷，相比其他加工方式更适用于柔性结构等低刚度零件的精密加工。

如图1所示，是本发明所述的柔性结构件的加工装置，其包括：具有旋转和垂直位移功能机床(图中未示出)；电极2，所述电极2的放电面与所要得到的柔性结构件的面形和精度匹配，所述电极2安装在所述机床上；电解液装置，所述电解液装置包括电解液5和抽取所述电解液5使所述电解液5淹没电极的放电面与工件3的电解液泵4；

直流电源1，所述直流电源的负极与电极2连接，所述直流电源1的正极与工件3连接。

为了更方便排出电解产物，在一些实施例中，所述电极2的放电面设置有沟槽。所述沟槽优选为螺旋形沟槽。

所述电极2的放电面经过车削修整，可以继续重复利用，所以可以进一步节约成本。

本发明提供的一种柔性结构件的加工方法包括以下步骤：

(1)加工电极2，使得所述电极2的放电面与所述柔性结构件的面形和精度匹配；

(2)将所述电极2安装到具有旋转和垂直位移功能的机床上，使所述电极2与机床的Z轴同轴；

(3)将工件3装夹在工作台上，并与机床Z轴同轴；

(4)将所述电极2的放电面与所述工件3淹没在电解液5中；

(5)将所述的电极2与直流电源1的负极连接，工件3与直流电源1的正极连接，控制机床使电极2按照一定的速度匀速旋转；

(6)控制机床的Z轴，使得电极2的放电面逐渐接近工件并产生电化学腐蚀效应；

(7)持续电解所述工件3的表面直至所述表面与电极的放电面形状一致得到所述柔性结构件。

在一些实施例中，还包括以下步骤：调节电极2的旋转转速，使得电极2的放电面表面的电解液处于接近层流运动的状态。

如图2所示的实施例中，所述工件3的面形为非连续回转对称的结构面形7。如图4所示的实施例中，所述工件3的面形为连续回转对称的结构面形8。

在一些实施例中，所述工件3的面形可为平面、锥面或者任意曲面。

为了更方便排出电解产物，在一些实施例中，所述电极2的放电面设置有沟槽。所述沟槽优选为螺旋形沟槽。

由图1至图6可知，电极2与直流电源1的负极相连接，工件3与直流电源1的正极连接，工件3与电极2在电解液中构成“原电池”，通过调节电极2的旋转运动，可以实现电极2与工件3之间流场处于接近层流的状态，既有利于实现电解产物的排放，也有利于实现加工区电场和流场的稳定。通过电极2与工件3之间的电化学反应，处于阳极的工件3放电面不断溶解，工件3与电极2距离较近的地方通过的电流密度较大，阳极溶解速度也就较快，随着电极2相对于工件3的不断进给运动，工件3表面不断被电解，电解产物也不断被电解液带走，直至表面与电极2的放电面形状一致为止，从而达到柔性结构面形修正的效果。

下面分别以工件3的面形为非连续回转对称的结构面形7的情况以及工件3的面形为连续回转对称的结构面形8的情况来进一步说明本发明的柔性结构件的加工方法。

参考图1、图2和图3，工件3的面型为非连续回转对称的柔性结构面7。针对工件3的非连续回转对称的柔性结构面7，加工与之相匹配的电极2。使得电极2的放电面6与柔性结构件的面形和精度匹配。将电极2连接到具有旋转和垂直位移功能的机床上，使所述电极2与机床的Z轴同轴，将待加工工件3装夹在工作台上，使所述非连续回转对称的柔性结构面7与机床Z轴同轴。打开电解液泵4，使得电解液5淹没放电面6与非连续回转对称的柔性结构面7所形成的空间。将所述的电极2与直流电源1的负极连接，工件3与直流电源1的正极连接，控制机床，使电极2按照一定的速度匀速旋转起来，同时调节主轴转速，使得放电面6表面的电解液5处于接近层流运动的状态。控制机床的Z轴，使得电极2的放电面6逐渐接近非连续回转对称的柔性结构面7并产生电化学腐蚀效应非连续回转对称的柔性结构面7与放电面6距离较近的地方电流密度大，阳极溶解速度也较快。随着机床Z轴的不断进给，非连续回转对称的柔性结构面7表面不断被电解，电解产物也不断排出，直至表面与放电面6形状一致为止，从而达到柔性结构面形加工的效果。

参考图1、图4、图5和图6，工件3的面型为连续回转对称的柔性结构面8。针对工件3的连续回转对称的柔性结构面8，加工与之相匹配的电极2。使得电极2的放电面6与柔性结构件的面形和精度匹配，同时放电面6表面上加工出螺旋沟槽，以便于排出电解产物，如图6所示。将电极2连接到具有旋转和垂直位移功能的机床上，使所述电极2与机床的Z轴同轴，将待加工工件3装夹在工作台上，使所述连续回转对称的柔性结构面8与机床Z轴同轴。打开电解液泵4，使得电解液5淹没放电面6与连续回转对称的柔性结构面8所形成的空间。将所述的电极2与直流电源1的负极连接，工件3与直流电源1的正极连接，控制机床，使电极2按照一定的速度匀速旋转起来，同时调节主轴转速，使得放电面6表面的电解液5处于接近层流运动的状态。控制机床的Z轴，使得电极2的放电面6逐渐接近连续回转对称的柔性结构面8并产生电化学腐蚀效应，连续回转对称的柔性结构面8与放电面6距离较近的地方电流密度大，阳极溶解速度也较快。随着机床Z轴的不断进给，连续回转对称的柔性结构面8表面不断被电解，电解产物也不断排出，直至表面与放电面6形状一致为止，从而达到柔性结构面形加工的效果。

本发明属于精密机械特种加工领域，公开一种回转对称的柔性结构面的电解加工方法。该方法属于非接触式电化学腐蚀加工，加工应力极小，易于实现低刚度柔性结构的高精度加工，不易产生二次变形，而且能够实现多种面形(包括平面、锥面、任意曲面等)的修正。本发明所述的电解加工区别与传统电解加工，电极采用旋转功能，通过调节转速，容易实现电极表面的电解液处于接近层流的运动状态，流场稳定，且有自排电解产物的能力，加工过程电场稳定，能够实现高精度加工。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种柔性结构件的加工方法，其特征在于，包括：

加工电极，使得所述电极的放电面与所述柔性结构件的面形和精度匹配；

将所述电极安装到具有旋转和垂直位移功能的机床上，使所述电极与机床的Z轴同轴；

将工件装夹在工作台上，并与机床Z轴同轴；

将所述电极的放电面与所述工件淹没在电解液中；

将所述的电极与直流电源的负极连接，工件与直流电源的正极连接，控制机床使电极按照一定的速度匀速旋转；

控制机床的Z轴，使得电极的放电面逐渐接近工件并产生电化学腐蚀效应；

持续电解所述工件的表面直至所述表面与电极的放电面形状一致得到所述柔性结构件。

2.根据权利要求1所述的柔性结构件的加工方法，其特征在于，还包括以下步骤：

调节电极的旋转转速，使得电极的放电面表面的电解液处于接近层流运动的状态。

3.根据权利要求1所述的柔性结构件的加工方法，其特征在于，所述工件的面形为连续回转对称的结构面形。

4.根据权利要求1所述的柔性结构件的加工方法，其特征在于，所述工件的面形为非连续回转对称的结构面形。

5.根据权利要求1所述的柔性结构件的加工方法，其特征在于，

所述工件的面形为平面、锥面或者任意曲面。

6.根据权利要求1所述的柔性结构件的加工方法，其特征在于，

所述电极的放电面设置有沟槽。

7.根据权利要求6所述的柔性结构件的加工方法，其特征在于，

所述沟槽为螺旋形沟槽。

8.一种柔性结构件的加工装置，其特征在于，包括：

机床，所述机床具有旋转和垂直位移功能；

电极，所述电极的放电面与所述柔性结构件的面形和精度匹配，所述电极安装在所述机床上；

电解液装置，所述电解液装置包括电解液和抽取所述电解液使所述电解液淹没电极的放电面与工件的电解液泵；

直流电源，所述直流电源的负极与电极连接，所述直流电源的正极与工件连接。

9.根据权利要求8所述的柔性结构件的加工装置，其特征在于，所述电极的放电面设置有沟槽。

10.根据权利要求9所述的柔性结构件的加工装置，其特征在于，所述沟槽为螺旋形沟槽。