CN107470727A - 三维旋转超声辅助电解展成加工机构及其加工方法 - Google Patents

Abstract

三维旋转超声辅助电解展成加工机构及其加工方法，属于复合精密、微细特种加工技术领域。本发明中，Z向旋转超声与X向、Y向超声耦合作用激励、辅助电解展成加工，三维超声振动及电极轴向旋转运动，将大大增强加工间隙中的超声效应，可有效去除电解钝化、加速电解液循环更新及加工产物的及时排除，提高材料加工定域蚀除能力；通过在线检测、数字化及计算机运算处理，对关键参数进行实时调节、控制，并补偿电解液温度、加工面积及深度参数的波动，协调展成进给加工中超声、电解作用关系，计算机控制五轴联动数控系统实现五轴联动展成加工进给运动，有效提高加工效率、改善加工精度；可有效实现难加工材料复杂曲面零件高精、高效、低成本加工。

Description

三维旋转超声辅助电解展成加工机构及其加工方法

技术领域

本发明属于复合精密、微细特种加工技术领域，特别涉及一种旋转超声复合电解展成加工、多维超声加工及复杂曲面加工技术，具体是一种三维旋转超声辅助电解展成加工机构及其加工方法。

背景技术

在现代机械加工领域内，难加工材料，复杂曲面零件的加工已成为现代科学研究的重点，但传统机械加工方法不能满足其加工要求，所以实现这些难加工材料（钛合金、硬质合金等）复杂曲面零件高精、高效、低成本加工已是当前需要解决的课题。

超声辅助电解加工是利用超声加工技术来辅助电化学加工技术对工件型面进行加工的，超声加工通过悬浮磨粒的锤击、蚀除和磨料悬浮液的空化作用来辅助去除电解加工时工件表面的钝化膜，常应用于硬脆性难加工材料的加工，具有加工效率高、表面质量好的技术优点。但传统一维超声加工辅助技术，其超声振动仅沿加工深度方向，复杂型面的超声加工工具制造困难，且工具头磨损较快，影响加工精度和效率。

超声工具在轴向超声振动的同时附加旋转运动，可有效增强加工区域的超声作用（锤击、空化等）效果，减小超声工具的损耗；设计研制X、Y径向超声振动系统，通过X、Y超声振动耦合作用，使工件在超声工具径向产生辅助二维超声振动，共产生三维旋转加工效果；计算机数字控制系统使超声工具相对工件实现三维超声加工，这种方法利用简单工具可实现复杂型面的展成加工，同时利用控制系统对在线加工参数的测量与控制，保持加工过程稳定优化，实现难加工材料（钛合金、硬质合金等）复杂曲面高精、高效、低成本加工。

发明内容

本发明针对上述超声振动辅助电解加工技术存在的应用局限性，提出一种三维旋转超声辅助电解展成加工机构及其加工方法，由Z轴旋转超声与X、Y径向超声耦合作用激励、辅助电解展成加工，通过在线参数检测、数字化及计算机运算处理，对关键参数（振幅、电解电压、加电间隙）进行实时调节、控制，并补偿电解液温度、加工面积及深度参数的波动，可在低电压、钝化性电解液中，实现各种难加工材料、复杂曲面零部件柔性、高效、低成本、精细加工。

本发明的技术方案是:三维旋转超声辅助电解展成加工机构，其特征是，包括机构底座、设置在机构底座一侧的支撑架，所述支撑架上端设有Z向进给机构，Z向进给机构连接有Z向旋转超声振动装置，Z向旋转超声振动装置前端设有加工工件的工具电极；

所述机构底座的横向导轨上设有Y向进给机构，Y向进给机构上方设有X向进给机构，X向进给机构上方设有绕Z轴旋转的旋转进给机构C，旋转进给机构C上固定设有双径向超声振动装置；

所述双径向超声振动装置包括工作台底座、绕Y轴旋转的旋转进给机构B、球形关节、圆形底板、X向超声振动装置、Y向超声振动装置；圆形底板固定于旋转进给机构C上，X、Y向超声振动装置分别置于圆形底板上，且两者之间夹角为90°；球形关节置于圆形底板中部，X、Y向超声振动装置前端分别对准球形关节的中心；

所述旋转进给机构B设置在Y向超声振动装置的一端，旋转进给机构B通过转轴与工作台底座相连；所述工作台底座上设有工作台，工作台位于工作台底座的正中心处，在工作台的正上方放置工件。

进一步地，所述X向进给机构、Y向进给机构、Z向进给机构、旋转进给机构B、旋转进给机构C构成五轴联动机构，每个进给机构分别通过伺服电机、伺服驱动器和滚珠丝杠导轨，实现联动微细进给；在加工时五轴联动进给可不同时使用，例如五轴联动进给可实现任意直纹曲面的加工，X、Y、Z与C（或B）向四轴联动进给可实现平行直纹面的加工，二轴（或三轴）联动进给可实现柱形面的加工，单轴进给可实现拷贝式型面加工或孔加工。

进一步地，所述机构一侧还设有电解加工装置，包括提供超声振动的超声电源、用于接收信号及控制机构运作的编码器、控制计算机、超声波发生器和检测工件位置的激光微位移传感器以及提供电解加工所需电源的电解电源、斩波电路，激光微位移传感器与伺服驱动器连接，用于测量进给机构所移动的距离，实时控制工件的进给方向和进给速度。

进一步地，所述圆形底板顶部在Y轴方向的两侧分别设有安装耳，两安装耳对应位置分别设有开口向下的圆弧槽，所述转轴中部连接工作台底座，两端分别置于相应的圆弧槽内（转轴顺着圆弧槽运动，即圆弧槽为转轴的运动轨迹），且其中一端与旋转进给机构B相连。

进一步地，所述超声波发生器为频率自动跟踪式发生器。

进一步地，所述电解电源采用高频脉冲电源。

进一步地，电解加工时，采用5%钝化性电解液硝酸钠（NaNO₃），其中掺入粒度W10的碳化硼（B₄C）磨料。

进一步地，所述X、Y向超声振动装置通过耦合调制，可得到随动的、跟随展成加工面法向变化的二维超声振动，并形成超声辅助电解加工电极侧面间隙。

进一步地，对于不同型面的加工要求，该机构可分别采用一维、二维、三维旋转超声辅助电解加工的方式来加工工件。

进一步地，该机构除了采用含超声磨料的电解液加工方式外，还可以选用含固结磨料的金刚石刀具作为超声工具电极，采用钝化性电解液进行超声辅助电解微精加工。

本发明的加工机构能实现工具电极与工件间三维旋转超声振动，辅助、激励实现五轴联动展成电解加工，满足难加工材料、复杂面的加工要求，五轴联动展成进给成形方法，简化了电极制作工艺，提高了加工过程的柔性；加工机理是“超声与电解”的复合，加工难度与材料硬度无直接关系，具有以柔克刚，特别适用于硬韧金属材料（钛合金、硬质合金）加工的特点。

控制计算机通过进给机构、工具电极与工件作空间五轴联动，Z轴旋转超声及X、Y径向超声振动作用，激励、辅助实现多轴联动展成式电解成形加工，实现难加工材料（钛合金、硬质合金）复杂曲面高精、高效、低成本加工。

三维旋转超声辅助电解展成加工机构的加工方法，其特征是，首先将工件置于工作台上，启动超声电源，利用控制计算机、激光微位移传感器对五轴联动机构进行检测、调节及控制；开启Z向旋转超声振动装置、超声波发生器、双径向超声振动装置、电解电源、斩波电路，同时在加工区注入含有超声磨料的电解液，开始进行三维旋转超声辅助电解展成加工，在加工过程中根据控制计算机中的参数显示，控制五轴联动机构进给运动和超声波发生器的振幅大小，来改变工件的加工位置和所受加工效应的大小；

在超声振动时，会形成电极与工件间的电解加工间隙，电解液被超声及旋转运动带入加工间隙，接阳极的工件表面形成钝化膜，而旋转运动及三维超声振动会加速电解钝化膜的去除，增强电解作用，实现零件表面的材料去除，循环往复加工至加工要求的型面精度。

本发明在空间具有三个方向的超声振动，分别为Z向的旋转超声振动，X、Y的双径向超声振动，其中X、Y双径向的超声振动，通过球形关节传导超声振动到工件；三个方向的超声振动装置与工件的进给是通过X向进给机构、Y向进给机构、Z向进给机构、旋转进给机构B、旋转进给机构C这些五轴联动实现的；Z向进给机构设在支撑架上用于实现Z向的旋转超声振动装置的进给，X向进给机构、Y向进给机构、旋转进给机构C设置在双径向超声振动装置的底端，旋转进给机构B设置在Y向超声振动装置的一端，共同实现工作台在空间的移动，这些进给机构中都设有伺服电机、伺服驱动器与滚珠丝杠导轨，可实现联动微细进给。在加工过程中，工件置于工作台的上方，Z向旋转超声振动装置设有工具电极。

电解加工时，选用5%钝化性电解液（NaNO₃），其中掺入粒度W10的碳化硼（B₄C）磨料；旋转轴向超声有利于工作液循环更新、加工产物排除，均匀流场及电场，并对加工面有抛光整形作用。

计算机通过实时控制各伺服驱动器，驱动各伺服电机，实现工作台及旋转超声装置空间多轴伺服进给；通过在进给机构上增设编码器与微位移传感器，可实时监测反馈加工工件与电极的空间位置信息，用于加工间隙的调节、控制以及工件精确的定位进给移动，避免碰撞与电解短路。

本发明的有益效果为:本发明结构新颖、三维旋转超声振动装置使工件辅助以超声振动，有助于电化学展成加工，提高加工效率。进给机构的伺服驱动器与激光微位移传感器、计算机相连，实时检测及控制工件的加工走向，带动工作台实现空间微细移动进给，解决了超声复合加工在加工复杂异形面难的缺陷，提高了工件的加工效率与精度。

本发明方法装置设计独特，有创新性，符合技术，能加工难加工材料，能有效解决异形面加工问题，具有重要理论意义和重要工程实用价值。

附图说明

图1为本发明装置结构示意图；

图2为本发明双径向超声振动装置结构示意图；

图中：1超声电源、2控制计算机、3编码器、4电解电源、5斩波电路、6超声波发生器、7激光微位移传感器、8 Z向旋转超声振动装置、9工具电极、10工件、11工作台、12双径向超声振动装置、13旋转进给机构C、14 X向进给机构、15 Y向进给机构、16 Z向进给机构、17机构底座、18支撑架、19工作台底座、20旋转进给机构B、21球形关节、22圆形底板、23 X向超声振动装置、24 Y向超声振动装置、25转轴、26安装耳、27圆弧槽。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1-2所示，三维旋转超声辅助电解展成加工机构，支撑架18设置在机构底座17上，机构底座17上设有进给机构，旋转进给机构C 13设置于X向进给机构14上方，Y向进给机构15设在X向进给机构14下方，Y向进给机构15设在机构底座17的横向导轨上，旋转进给机构C13上固定设有双径向超声振动装置12，Z向进给机构16设在支撑架上端，五轴联动机构（即X向进给机构、Y向进给机构、Z向进给机构、旋转进给机构B、旋转进给机构C）中都设有伺服电机、伺服驱动器和滚珠丝杠导轨，可实现联动微细进给。

双径向超声振动装置12由工作台底座19、旋转进给机构B 20、球形关节21、圆形底板22、X向超声振动装置23、Y向超声振动装置24构成，圆形底板22通过螺栓固定在旋转进给机构C13上，X、Y双径向超声振动装置置于圆形底板22上，超声振动装置前端对准球形关节21的中心。

工作台底座19上设有工作台11，工作台11位于工作台底座19的正中心处，工件10置于工作台11的正上方，支撑架18上端设有Z向旋转超声振动装置8、工具电极9设置在Z向旋转超声振动装置8上。

机构一侧还设有电解加工装置，电解装置由提供超声振动的超声电源1、用于接收信号及控制机构运作的编码器3、控制计算机2，超声波发生器6和检测工件位置的激光微位移传感器7，电解电源4、斩波电路5是提供电解加工所需的电源，激光微位移传感器7与伺服驱动器连接，用于测量传动机构所移动的距离，实时控制工件的进给方向和进给速度。

超声波发生器6为频率自动跟踪式发生器，电解电源3选用高频脉冲电源。本技术的电解加工选用5%钝化性电解液（NaNO₃），其中工作液需掺入粒度W10的（B₄C）磨料，加工时选用较大的磨粒，即满足精微加工的同时又能避免电解短路。

实际加工过程中，Z轴旋转超声装置8可选购标准旋转超声振动头，X向23、Y向24双径向超声振动耦合形成，通过对两个超声电源输出信号实时控制，可耦合产生超声主振（振幅最大），超声主振方向在电极径向，并控制保持其跟随展成加工面的法向实时转动。通过球形关节21传导超声振动给工件10，以此形成电极与工件间的电解加工间隙，实现材料去除加工，在超声辅助加工时主要去除的是钝化膜产物。加工形状取决于展成运动包络轨迹及各处加工间隙，实时加工间隙由径向超声振动位移及加电区间决定（可在线测量、控制）。

通过对轴、径三维旋转超声参数的调制，利用超声激励效应，在电极与工件间产生电解加工，其间隙参数可由激光微位移传感器7进行监测，通过计算机控制系统可进行振动幅值实时调节，电解电源4的“开、断”由超声斩波电路5控制，斩波信号由计算机控制2根据加工状态的需要进行实时调节、控制，保证小间隙电解，避免电解短路。

五轴联动进给机构(13、14、15、16、20)中的伺服驱动器连接到激光微位移传感器7、编码器3、计算机控制装置2，可实时监测反馈工件10与电极的空间位置信息，用于加工间隙的调节、控制以及工件精确的定位进给移动，避免碰撞与电解短路。若计算机检测出工件难以被加工或加工效果不明显，则可通过增大电解电压、增大振幅或提高旋转速度来解决。

三维旋转超声辅助电解展成加工机构在加工时，首先将工件10置于工作台11上，启动超声电源1，利用控制计算机2、激光微位移传感器7对五轴联动机构(13、14、15、16、20)进行检测、调节及控制；开启Z向旋转超声振动装置8、超声波发生器6、双径向超声振动装置12、电解电源4、斩波电路5，同时加入含有超声磨料的电解液，开始进行三维旋转超声辅助电解展成加工，在加工过程中根据控制计算机2中的参数显示，控制五轴联动机构装置和超声波发生器的振幅大小，来改变工件10的加工位置和所受加工效应的大小。

在超声振动时，会形成电极与工件间的电解加工间隙，电解液被超声及旋转运动带入加工间隙，接阳极的工件10表面形成钝化膜，而旋转超声运动及超声振动会加速电解钝化膜的去除，增强电解作用，实现型面的材料去除，循环往复加工至加工要求的型面精度。

本发明是一种复合加工、微细精密加工技术，Z向旋转超声与X向、Y向超声耦合作用激励、辅助电解展成加工，三维超声振动及电极轴向旋转运动，将大大增强加工间隙中的超声效应，可有效去除电解钝化、加速电解液循环更新及加工产物的及时排除，提高材料定域蚀除能力；通过在线检测、数字化及计算机运算处理，对关键参数（振幅、电解电压、加电间隙）进行实时调节、控制，并补偿电解液温度、加工面积及深度参数的波动，协调展成进给加工中超声、电解作用关系，计算机控制五轴联动数控系统实现五轴联动展成加工进给运动，有效提高加工效率、改善加工精度；五轴联动的微细进给装置通过计算机实时控制，可以使工件在三维空间内五轴进给运动，有效地满足复杂直纹曲面工件的微细精密加工；可有效实现难加工材料（钛合金、硬质合金等）复杂曲面零件高精、高效、低成本加工。本发明方法装置设计独特，有创新性，符合技术，能实现难加工材料、复杂曲面加工难题，具有重要理论意义和重要工程实用价值。本发明机构新颖独特，可有效实现多维旋转超声振动及多轴联动进给运动，本加工方法是以柔克刚、展成进给运动柔性加工成形，具有多维超声加工、电解加工及多轴联动数控技术优势，能有效解决各种难加工材料复杂曲面零部件的加工难题。

Claims (10)

1.一种三维旋转超声辅助电解展成加工机构，其特征是，包括机构底座（17）、设置在机构底座一侧的支撑架（18），所述支撑架上端设有Z向进给机构（16），Z向进给机构连接有Z向旋转超声振动装置（8），Z向旋转超声振动装置前端设有加工工件（10）的工具电极（9）；

所述机构底座的横向导轨上设有Y向进给机构（15），Y向进给机构上方设有X向进给机构（14），X向进给机构上方设有绕Z轴旋转的旋转进给机构C（13），旋转进给机构C上固定设有双径向超声振动装置（12）；

所述双径向超声振动装置包括工作台底座（19）、绕Y轴旋转的旋转进给机构B（20）、球形关节（21）、圆形底板（22）、X向超声振动装置（23）、Y向超声振动装置（24）；圆形底板固定于旋转进给机构C上，X、Y向超声振动装置分别置于圆形底板上，且两者之间夹角为90°；球形关节置于圆形底板中部，X、Y向超声振动装置前端分别对准球形关节的中心；

所述旋转进给机构B设置在Y向超声振动装置的一端，旋转进给机构B通过转轴（25）与工作台底座相连；所述工作台底座上设有工作台（11），工作台位于工作台底座的正中心处，在工作台的正上方放置工件。

2.根据权利要求1所述的三维旋转超声辅助电解展成加工机构，其特征是，所述X向进给机构、Y向进给机构、Z向进给机构、旋转进给机构B、旋转进给机构C构成五轴联动机构，每个进给机构分别通过伺服电机、伺服驱动器和滚珠丝杠导轨，实现联动微细进给。

3.根据权利要求2所述的三维旋转超声辅助电解展成加工机构，其特征是，所述机构一侧还设有电解加工装置，包括提供超声振动的超声电源（1）、用于接收信号及控制机构运作的编码器（3）、控制计算机（2）、超声波发生器（6）和检测工件位置的激光微位移传感器（7）以及提供电解加工所需电源的电解电源（4）、斩波电路（5），激光微位移传感器与伺服驱动器连接，用于测量进给机构所移动的距离，实时控制工件的进给方向和进给速度。

4.根据权利要求1所述的三维旋转超声辅助电解展成加工机构，其特征是，所述圆形底板顶部在Y轴方向的两侧分别设有安装耳（26），两安装耳对应位置分别设有开口向下的圆弧槽（27），所述转轴中部连接工作台底座，两端分别置于相应的圆弧槽内，且其中一端与旋转进给机构B相连。

5.根据权利要求3所述的三维旋转超声辅助电解展成加工机构，其特征是，所述超声波发生器为频率自动跟踪式发生器。

6.根据权利要求3所述的三维旋转超声辅助电解展成加工机构，其特征是，所述电解电源采用高频脉冲电源。

7.根据权利要求3所述的三维旋转超声辅助电解展成加工机构，其特征是，电解加工时，采用5%钝化性电解液硝酸钠（NaNO₃），其中掺入粒度W10的碳化硼（B₄C）磨料。

8.根据权利要求1所述的三维旋转超声辅助电解展成加工机构，其特征是，所述X、Y向超声振动装置通过耦合调制，可得到随动的、跟随展成加工面法向变化的二维超声振动，并形成超声辅助电解加工电极侧面间隙。

9.根据权利要求3所述的三维旋转超声辅助电解展成加工机构，其特征是，超声加工时采用含固结磨料的金刚石刀具作为超声工具电极，电解加工时采用钝化性电解液进行超声辅助电解微精加工。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的三维旋转超声辅助电解展成加工机构的加工方法，其特征是，首先将工件置于工作台上，启动超声电源，利用控制计算机、激光微位移传感器对五轴联动机构进行检测、调节及控制，开启Z向旋转超声振动装置、超声波发生器、双径向超声振动装置、电解电源、斩波电路，同时在加工区注入含有超声磨料的电解液，开始进行三维旋转超声辅助电解展成加工，在加工过程中根据控制计算机中的参数显示，控制五轴联动机构进给运动和超声振幅大小；

在超声振动时，会形成电极与工件间的电解加工间隙，电解液被超声及旋转运动带入加工间隙，接阳极的工件表面形成钝化膜，而旋转运动及三维超声振动会加速电解钝化膜的去除，增强电解作用，实现零件表面的材料去除，循环往复加工至加工要求的型面精度。