CN106346096B - 双主轴内喷液电解磨铣机床及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种双主轴内喷液电解磨铣机床及加工方法，属于电解磨铣复合加工领域。本机床集成了两个三轴联动内喷液电解磨铣主轴，且这两个主轴可分别按设定轨迹运动而不产生干涉。本机床可实现变截面薄壁等复杂结构的一次成型加工，也可按不同加工轨迹同时加工两种工件。
Description
技术领域
本发明涉及一种双主轴内喷液电解磨铣机床及加工方法，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。
当采用内喷液式电解磨铣方法加工对称型面和薄壁结构件时，由于电解磨铣机床通常只有一个内喷液主轴接头，加工时需要将一根磨头阴极安装在主轴的接头上，先加工出一个复杂型面或者薄壁结构一侧的形状；然后拆卸下这根磨头阴极并安装上另一根磨头阴极，再加工出另一个复杂型面或者薄壁结构另一侧的形状。这样的加工方案需要重复拆卸装夹磨头阴极，容易产生换装误差和加工余量差，并延长了加工时间。为提高加工精度，科研人员提出了双内喷液工具阴极系统及其电解磨铣方法（专利申请号：201610304987.5），即机床主轴通过传动直齿轮组带动两个中空的传动轴旋转，电解液通过传动轴通孔、工具阴极内孔直接喷射到工件表面，实现双内喷液工具阴极电解磨铣加工。但同时，这种设计不能调节两根传动轴的轴向距离，对于加工不同厚度的薄壁结构，只能通过改变不同直径的工具阴极来保证。这增加了电解磨铣加工的制造周期，限制了该技术的发展。
发明内容
本发明提出了一种双主轴内喷液电解磨铣机床及加工方法，属于电解磨铣复合加工领域。本机床集成了两个三轴联动内喷液电解磨铣主轴，且这两个主轴可分别按设定轨迹运动而不产生干涉。本机床可实现变截面薄壁等复杂结构的一次成型加工，也可在同一机床中实现两不同工件同时加工。
一种双主轴内喷液电解磨铣机床，其特征在于：
该机床包括电解磨铣加工系统A、电解磨铣加工系统B、工作台及底座；工作台固定于底座上方；
所述电解磨铣加工系统A包括：X轴丝杠电机A、X轴丝杠A、X轴左侧导轨A、X轴右侧导轨、X轴左侧支架A、X轴右侧支架A、Y轴丝杠电机A、Y轴丝杠A、Y轴导轨A、Z轴支架A、Z轴丝杠电机A、Z轴丝杠A、Z轴导轨A、A主轴支架、A主轴旋转电机、A主轴旋转接头、A主轴基体、A主轴导电环及A主轴工具阴极；
所述电解磨铣加工系统B包括：X轴丝杠电机B、X轴丝杠B、X轴左侧导轨B、X轴右侧导轨、X轴左侧支架B、X轴右侧支架B、Y轴丝杠电机B、Y轴丝杠B、Y轴导轨B、Z轴支架B、Z轴丝杠电机B、Z轴丝杠B、Z轴导轨B、B主轴支架、B主轴旋转电机、B主轴旋转接头、B主轴基体、B主轴导电环及B主轴工具阴极；
X轴丝杠A和X轴左侧导轨A安装于底座左侧，X轴左侧支架A安装于X轴丝杠A和X轴左侧导轨A上；X轴右侧导轨安装于底座右侧， X轴右侧支架A安装于X轴右侧导轨上；Y轴丝杠A与Y轴导轨A安装于X轴左侧支架A与X轴右侧支架A之间； Z轴支架A安装于Y轴丝杠A和Y轴导轨A上；Z轴丝杠A和Z轴导轨A安装于Z轴支架A上； A主轴支架安装于Z轴丝杠A和Z轴导轨A上；
A主轴旋转接头固定在A主轴基体上方，与A主轴基体内部旋转轴相连；A主轴导电环固定在A主轴基体下方，导电环内侧与A主轴基体内部旋转轴外侧相连，并一同旋转；A主轴工具阴极装夹在A主轴基体下方；A主轴旋转接头与A主轴基体内部旋转轴、A主轴工具阴极内部相通；A主轴旋转电机通过内部皮带轮带动A主轴基体内部旋转轴转动，从而带动A主轴工具阴极转动；A主轴基体与A主轴支架固定在一起；
X轴丝杠B和X轴左侧导轨B安装于底座左侧；X轴左侧支架B安装于X轴丝杠B和X轴左侧导轨B上； X轴右侧支架B安装于X轴右侧导轨上； Y轴丝杠B和Y轴导轨B安装于X轴左侧支架B和X轴右侧支架B之间；Z轴支架B安装于Y轴丝杠B和Y轴导轨B上； Z轴丝杠B和Z轴导轨B安装于Z轴支架B上；B主轴支架安装于Z轴丝杠B和Z轴导轨B上；
B主轴旋转接头固定在B主轴基体上方，与B主轴基体内部旋转轴相连；B主轴导电环固定在B主轴基体下方，导电环内侧与B主轴基体内部旋转轴外侧相连，并一同旋转；B主轴工具阴极装夹在B主轴基体下方；B主轴旋转接头与B主轴基体内部旋转轴、B主轴工具阴极内部相通；B主轴旋转电机通过内部皮带轮带动B主轴基体内部旋转轴转动，从而带动B主轴工具阴极转动；B主轴基体与B主轴支架固定在一起；
所述的双主轴内喷液电解磨铣机床的加工方法，其特征在于包括以下过程：
（1）. X轴丝杠电机A、Y轴丝杠电机A和Z轴丝杠电机A分别控制A主轴工具阴极在X、Y和Z轴上的运动；X轴丝杠电机B、Y轴丝杠电机B和Z轴丝杠电机B分别控制B主轴工具阴极在X、Y和Z轴上的运动；A主轴工具阴极和B主轴工具阴极可分别按各自设定轨迹运动；
（2）.A主轴工具阴极和B主轴工具阴极分别通过A主轴导电环和B主轴导电环与电源负极相连；将加工工件装夹在工作台上，并与电源正极相连；然后分别完成A主轴工具阴极和B主轴工具阴极对刀：
（3）.电解液经离心泵抽出，通过A主轴旋转接头和B主轴旋转接头分别从A主轴工具阴极和B主轴工具阴极侧壁孔喷出到加工工件表面，加工后的电解液经过滤后流回电解液槽,形成电解液循环回路；
（4）.电解磨铣加工开始后，A主轴工具阴极和B主轴工具阴极分别按照各自设定的轨迹运动，同时对加工工件的两侧壁加工面进行电解磨铣加工，实现变截面薄壁等复杂结构的一次成型加工；或同时加工出两不同形状工件。
本发明具有如下优点：
1.本发明的双主轴内喷液电解磨铣机床可实现两个主轴独立运动。现有的双主轴机床两轴间距离不可调，无法一次加工出变截面薄壁结构。而本发明提出的双主轴机床双轴均可独立运动，互不干涉，因此可实现变截面薄壁结构的一次成型加工，极大缩短了加工时间，提高了加工效率，同时，又避免了二次加工装夹带来的误差，提高了加工精度。
2.本发明双主轴内喷液电解磨铣机床可按不同加工轨迹同时加工两种工件。现有的双主轴机床虽然可以同时加工两个工件，但两工件的加工轨迹一致，即加工出的两工件形状相同。而本发明提出的双主轴机床双轴均可独立运动，互不干涉，因此可实现按不同加工轨迹同时加工两种工件的功能，即同时加工出两不同形状工件，相比现有双主轴机床可更好地满足不同加工需求，适用条件更广。
附图说明
图1为双主轴内喷液电解磨铣机床结构图（正）；
图2为双主轴内喷液电解磨铣机床结构图（背）；
图3为薄壁加工示意图；
图4为双主轴内喷液电解磨铣加工示意图；
其中标号名称为：1.X轴丝杠电机A、2.X轴丝杠A、3.X轴左侧导轨A、4.X轴右侧导轨、5.X轴左侧支架A、6.X轴右侧支架A、7.Y轴丝杠电机A、8.Y轴丝杠A、9.Y轴导轨A、10.Z轴支架A、11.Z轴丝杠电机A、12.Z轴丝杠A、13.Z轴导轨A、14.A主轴支架、15.A主轴旋转电机、16.A主轴旋转接头、17.A主轴基体、18.A主轴导电环、19.A主轴工具阴极、20.X轴丝杠电机B、21.X轴丝杠B、22.X轴左侧导轨B、23.X轴左侧支架B、24.X轴右侧支架B、25.Y轴丝杠电机B、26.Y轴丝杠B、27.Y轴导轨B、28.Z轴支架B、29.Z轴丝杠电机B、30.Z轴丝杠B、31.Z轴导轨B、32.B主轴支架、33.B主轴旋转电机、34.B主轴旋转接头、35.B主轴基体、36.B主轴导电环、37.B主轴工具阴极、38. 底座、39、工作台、40.加工工件、41.电源、42.溢流阀、43.离心泵、44.过滤器、45.电解液。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行进一步说明：
如图1、2所示，X轴左侧支架A5与X轴丝杠A2、X轴左侧导轨A3和底座38连接；X轴右侧支架A6与X轴右侧导轨4和底座38连接；X轴左侧支架A5通过Y轴丝杠A8、Y轴导轨A9和X轴右侧支架A6连接；Z轴支架A10通过Z轴丝杠A12、Z轴导轨A13和A主轴支架14连接：A主轴旋转接头16固定在A主轴基体17上方，与基体17内部旋转轴相连；A主轴导电环18固定在A主轴基体17下方，导电环18内侧与基体17内部旋转轴外侧相连，并一同旋转；A主轴工具阴极19装夹在A主轴基体17下方；A主轴旋转接头16与A主轴基体17内部旋转轴、A主轴工具阴极19内部相通；A主轴旋转电机15通过内部皮带轮带动A主轴基体17内部旋转轴转动，从而带动A主轴工具阴极19转动；A主轴基体17与A主轴支架14固定在一起；
X轴右侧支架B24与X轴丝杠B21、X轴左侧导轨B22和底座38连接；X轴右侧支架B24与X轴右侧导轨4和底座38连接；X轴右侧支架B24通过Y轴丝杠B26、Y轴导轨B27和X轴右侧支架B24连接；Z轴支架B28通过Z轴丝杠B30、Z轴导轨B31和B主轴支架32连接：B主轴旋转接头34固定在B主轴基体35上方，与基体35内部旋转轴相连；B主轴导电环36固定在B主轴基体35下方，导电环36内侧与基体35内部旋转轴外侧相连，并一同旋转；B主轴工具阴极37装夹在B主轴基体35下方；B主轴旋转接头34与B主轴基体35内部旋转轴、B主轴工具阴极37内部相通；B主轴旋转电机33通过内部皮带轮带动B主轴基体35内部旋转轴转动，从而带动B主轴工具阴极37转动；B主轴基体35与B主轴支架32固定在一起；
X轴丝杠电机A1、Y轴丝杠电机A7和Z轴丝杠电机A11分别控制A主轴工具阴极19在X、Y和Z轴上的运动；X轴丝杠电机B20、Y轴丝杠电机B25和Z轴丝杠电机B29分别控制B主轴工具阴极37在X、Y和Z轴上的运动；A主轴工具阴极19和B主轴工具阴极37可分别按各自设定轨迹运动。
如图3所示，A主轴工具阴极19和B主轴工具阴极37可分别按各自设定的运动轨迹运动，经过一次对刀装夹就可加工出变截面薄壁结构，无须二次加工保证了加工的精度提高了加工效率。
如图4所示，在双主轴内喷液电解磨铣加工过程中，A主轴工具阴极19通过A主轴导电环18接电源41负极，B主轴工具阴极37通过B主轴导电环36接电源41负极，加工工件40接电源41正极；电解液45经离心泵43抽出，通过A主轴旋转接头16和B主轴旋转接头34分别从A主轴工具阴极19和B主轴工具阴极37侧壁孔喷出到加工工件40表面，加工后的电解液经过滤器（44）流回电解液槽形成电解液循环回路。
Claims (2)
1.一种双主轴内喷液电解磨铣机床，其特征在于：
该机床包括电解磨铣加工系统A、电解磨铣加工系统B、工作台（39）及底座（38）；工作台（39）固定于底座（38）上方；
所述电解磨铣加工系统A包括：X轴丝杠电机A（1）、X轴丝杠A（2）、X轴左侧导轨A（3）、X轴右侧导轨（4）、X轴左侧支架A（5）、X轴右侧支架A（6）、Y轴丝杠电机A(7)、Y轴丝杠A(8)、Y轴导轨A（9）、Z轴支架A(10)、Z轴丝杠电机A(11)、Z轴丝杠A(12)、Z轴导轨A(13)、A主轴支架（14）、A主轴旋转电机（15）、A主轴旋转接头（16）、A主轴基体（17）、A主轴导电环（18）及A主轴工具阴极（19）；
所述电解磨铣加工系统B包括：X轴丝杠电机B（20）、X轴丝杠B（21）、X轴左侧导轨B（22）、X轴右侧导轨（4）、X轴左侧支架B（23）、X轴右侧支架B（24）、Y轴丝杠电机B(25)、Y轴丝杠B(26)、Y轴导轨B（27）、Z轴支架B(28)、Z轴丝杠电机B(29)、Z轴丝杠B(30)、Z轴导轨B(31)、B主轴支架（32）、B主轴旋转电机（33）、B主轴旋转接头（34）、B主轴基体（35）、B主轴导电环（36）及B主轴工具阴极（37）；
X轴丝杠A（2）和X轴左侧导轨A（3）安装于底座（38）左侧，X轴左侧支架A（5）安装于X轴丝杠A（2）和X轴左侧导轨A（3）上；X轴右侧导轨（4）安装于底座（38）右侧， X轴右侧支架A（6）安装于X轴右侧导轨（4）上；Y轴丝杠A(8)与Y轴导轨A（9）安装于X轴左侧支架A（5）与X轴右侧支架A（6）之间； Z轴支架A(10)安装于Y轴丝杠A(8)和Y轴导轨A（9）上；Z轴丝杠A(12)和Z轴导轨A(13)安装于Z轴支架A(10)上； A主轴支架（14）安装于Z轴丝杠A(12)和Z轴导轨A(13)上；
A主轴旋转接头（16）固定在A主轴基体（17）上方，与A主轴基体（17）内部旋转轴相连；A主轴导电环（18）固定在A主轴基体（17）下方，导电环（18）内侧与A主轴基体（17）内部旋转轴外侧相连，并一同旋转；A主轴工具阴极（19）装夹在A主轴基体（17）下方；A主轴旋转接头（16）与A主轴基体（17）内部旋转轴、A主轴工具阴极（19）内部相通；A主轴旋转电机（15）通过内部皮带轮带动A主轴基体（17）内部旋转轴转动，从而带动A主轴工具阴极（19）转动；A主轴基体（17）与A主轴支架（14）固定在一起；
X轴丝杠B（21）和X轴左侧导轨B（22）安装于底座（38）左侧；X轴左侧支架B（23）安装于X轴丝杠B（21）和X轴左侧导轨B（22）上； X轴右侧支架B（24）安装于X轴右侧导轨（4）上； Y轴丝杠B(26)和Y轴导轨B（27）安装于X轴左侧支架B（23）和X轴右侧支架B（24）之间；Z轴支架B(28)安装于Y轴丝杠B(26)和Y轴导轨B（27）上； Z轴丝杠B(30)和Z轴导轨B(31)安装于Z轴支架B(28)上；B主轴支架（32）安装于Z轴丝杠B(30)和Z轴导轨B(31)上；
B主轴旋转接头（34）固定在B主轴基体（35）上方，与主轴基体（35）内部旋转轴相连；B主轴导电环（36）固定在B主轴基体（35）下方，导电环（36）内侧与主轴基体（35）内部旋转轴外侧相连，并一同旋转；B主轴工具阴极（37）装夹在B主轴基体（35）下方；B主轴旋转接头（34）与B主轴基体（35）内部旋转轴、B主轴工具阴极（37）内部相通；B主轴旋转电机（33）通过内部皮带轮带动B主轴基体（35）内部旋转轴转动，从而带动B主轴工具阴极（37）转动；B主轴基体（35）与B主轴支架（32）固定在一起。
2.根据权利要求1所述的双主轴内喷液电解磨铣机床的加工方法，其特征在于包括以下过程：
（1）.X轴丝杠电机A（1）、Y轴丝杠电机A（7）和Z轴丝杠电机A(11)分别控制A主轴工具阴极（19）在X、Y和Z轴上的运动；X轴丝杠电机B（20）、Y轴丝杠电机B（25）和Z轴丝杠电机B（29）分别控制B主轴工具阴极（37）在X、Y和Z轴上的运动；A主轴工具阴极（19）和B主轴工具阴极（37）可分别按各自设定轨迹运动；
（2）.A主轴工具阴极（19）和B主轴工具阴极（37）分别通过A主轴导电环（18）和B主轴导电环（36）与电源（41）负极相连；将加工工件（40）装夹在工作台（39）上，并与电源（41）正极相连；然后分别完成A主轴工具阴极（19）和B主轴工具阴极（37）对刀：
（3）.电解液（45）经离心泵（43）抽出，通过A主轴旋转接头（16）和B主轴旋转接头（34）分别从A主轴工具阴极（19）和B主轴工具阴极（37）侧壁孔喷出到加工工件（40）表面，加工后的电解液经过滤后流回电解液槽,形成电解液循环回路；
（4）.电解磨铣加工开始后，A主轴工具阴极（19）和B主轴工具阴极（37）分别按照各自设定的轨迹运动，同时对加工工件（40）的两侧壁加工面进行电解磨铣加工，实现变截面薄壁复杂结构的一次成型加工；或同时加工出两不同形状工件。
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