CN108080755A - 改善电解铣磨加工底面平整性的工具阴极及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种改善电解铣磨加工底面平整性的工具阴极及方法，属于电解磨削复合加工领域。本发明提出的工具阴极端面分布有若干出水孔并覆盖磨粒层。端面出水孔的半径均相等，圆心位于若干同心圆与直线的交点上。同心圆的圆心为工具阴极端面中心，其半径依次递增。直线均经过端面中心，其数目与同心圆数目相等，且任意相邻两条直线的夹角相等。所有端面出水孔沿一条直线呈对称分布。工作时，由于端面出水孔的作用，电解液向工件已加工底面两侧快速流动，并抑制了在工件已加工底面中间区域的电解液流动，最终可获得平整性较好的工件已加工底面。本发明可有效改善电解铣磨加工的底面平整性，促进该技术的推广和应用。

Description

改善电解铣磨加工底面平整性的工具阴极及方法

技术领域

本发明涉及一种改善电解铣磨加工底部平整性的工具阴极及方法，属于电解磨削复合加工领域。

背景技术

随着航空工业的发展，整体结构件在新机型中得到了尽可能多的应用，例如整体机匣、整体叶盘、整体框结构、整体壁板和大梁等。这些整体构件多采用钛合金、镍基高温合金、金属基复合材料等难切削材料，且尺寸大、特征复杂、结构轻薄，具有很高的材料去除比。当采用机械加工技术时，由于切削力大、切削温度高，导致刀具磨损快、零件存在残余应力和变形。虽然电火花加工等热加工技术不产生切削力，但在加工表面会形成再铸层，影响材料的使用性能和疲劳寿命。因此，制造技术的不断革新仍是未来航空工业的重要支撑。

电解铣磨加工是采用棒状磨头作为工具阴极，以类似于立式数控铣削的方式进行加工运动控制，利用电化学阳极溶解和机械磨削的复合作用实现工件材料去除的一种制造技术。电解铣磨加工综合电解加工效率高、铣削加工柔性高、磨削加工表面质量好等优点，对于加工难切削合金材料以及薄壁、凸台、型面、型腔等结构，这种制造工艺有着明显的优势。最初，电解铣磨加工仍然采用外接喷嘴向加工区域提供电解液。随后，内喷液系统也被引入到电解铣磨加工中，即电解液可经刀具侧壁若干出水孔直接喷射到工件待加工表面上。结果，通过合理设计刀具侧壁出水口的布局，可显著提高单次走刀的切削深度，从而进一步改善电解铣磨的加工效率。显然，该制造技术在加工航空整体结构件上有着明显的优势和潜能。

对于采用内喷液液系统的电解铣磨加工，随着工具阴极侧壁连续进给，工件材料被不断去除，一个已加工底面在工具阴极端面下方逐渐形成。然而，由于在加工过程中，一部分电解液需要从工件已加工底面上流出工件，使得该已加工底面与工具阴极之间也构成导电回路，导致已加工表面被杂散电流腐蚀，最终形成一个中部下凹的截面形状。为提高加工平整性，南京航空航天大学的李寒松等提出一种工具阴极（专利申请号：201610391212.6），即通过在刀具底部预先加工出的凹槽内填充绝缘材料，从而改变工件已加工底面上的电场分布，达到改善平面度的目的。然而，由于该绝缘刀具端部需绝缘，使得出水孔只能分布于侧壁，导致加工仅能从工件侧壁开始，限制了该技术的应用范围。此外，受磨削力、电解液冲刷作用、焦耳热等因素影响，在较大磨削力或较高电流密度加工时，刀具绝缘材料易发生破损，造成工件底面电场重新分布，导致绝缘失效。因此，探索更有效的改善工件底面平整性的工具阴极及方法，对于电解铣磨加工在航空工业的推广，具有十分重要的意义。

发明内容

本发明在于，针对上述问题，提出一种改善电解铣磨加工底部平整性的工具阴极及方法。

一种改善电解铣磨加工底面平整性的工具阴极，其特征在于：所述工具阴极具有圆筒形结构；所述工具阴极侧壁开有若干出水孔并覆盖磨粒层；所述工具阴极底部端面上分布有若干端面出水孔并覆盖磨粒层；上述工具阴极底部端面所开端面出水孔的圆心位于若干同心圆与直线的交点，且各端面出水孔的半径相等；上述若干同心圆的圆心为工具阴极端面的中心，其半径按从小到大满足数列{ X_k+1/X_k+1=aX_k+b, 2≥a>1, d=0.5r~r, r为端面出水孔半径}；上述若干同心圆的最小半径大于端面出水孔的半径，其最大半径小于工具阴极内腔半径与端面出水孔半径之差；上述直线均经过工具阴极端面的中心，其数目与同心圆数目相等，且任意相邻两条直线的夹角均相等；上述工具阴极端面出水孔在半径最小的同心圆上仅分布1个，在其余同心圆上的数目均为两个；上述工具阴极的所有端面出水孔沿一条直线呈对称分布，且该直线上仅有一个端面出水孔。

利用所述的改善电解铣磨加工底面平整性的工具阴极的电解铣磨加工方法，其特征在于包括以下过程：工具阴极接电源负极，工件接电源正极；工作时，工具阴极旋转，工件在XY平面内进给，电解液沿供液方向进入工具阴极内腔，再分别从工具阴极侧壁出水孔和端面出水孔喷出；由于工具阴极端面出水孔的作用，使电解液向工件已加工底面的两侧区域快速流动，并抑制了在工件已加工底面中间区域的电解液流动，可最终形成平整性较好的工件已加工底面。

所述同心圆的最小半径大于端面出水孔半径，以保证工具阴极端面中心处仍存在导电区域，避免在“钻削式”加工时工件对应位置出现残留中心柱而阻碍电解液流动；所述同心圆的最大半径小于工具阴极内腔半径与端面出水孔半径之差，可使最外层同心圆上端面出水孔的流道面积不受工具阴极侧壁厚度的影响；所述同心圆半径按从小到大满足数列{ X_k+1/X_k+1=aX_k+b,2≥a>1,b=0.5r~r, r为端面出水孔半径}，a与b的值可根据工具阴极尺寸并结合仿真及经验得出，其中，a>1可使同心圆半径逐渐递增，以保证端面出水孔更多的分布于工具阴极端面内侧区域，a≤2用于限制相邻同心圆半径的差值，可避免相邻同心圆上的端面出水孔间距过大，以保证在底部间隙内形成有效的出液流场，b=0.5r~r可进一步适量增大相邻同心圆半径的差值，避免工具阴极端面内侧区域出现相邻同心圆半径差值过小的情况，以保证在工具阴极端面开出水孔后其内侧区域的导电面积仍满足加工需要；所述直线过端面中心且任意相邻两条直线的夹角相等，以保证端面出水孔被分布在若干端面等分线上；所述直线数目与同心圆数目相等，可限定不同尺寸的工具阴极端面被等分的数目；所述端面出水孔在半径最小的同心圆上分布1个，在其余同心圆上的数目均为两个，这是由于同心圆半径从内到外依次增大，如此分布可使端面出水孔在底部间隙内形成的流动阻力由外到内依次增大，导致从侧向间隙流入底部间隙的电解液逐渐向两侧扩散流动，即增大电解液向工件已加工底面中间区域汇聚流动的阻力；所述端面出水孔沿仅过一个端面出水孔圆心的直线呈对称分布，以保证端面出水孔向工件已加工面喷出的电解液向两侧区域快速流动；所述端面出水孔的半径相等，可避免因孔径不一致带来的流速差异，以保证工件已加工面上的最终流场分布完全由端面出水孔的分布决定。

本发明具有以下优点：

1、与常规工具阴极相比，本发明可改变工件已加工底面上电解液的流动状态，即由原来的向工件已加工底面中间区域的汇聚流动改为向其两侧区域的扩散流动（见图2、图3）。根据流场仿真试验结果，当采用常规工具阴极时，由于工件待加工侧壁呈半圆形状，流入底部间隙内的电解液形成汇聚流动，使得工件已加工底面中间区域的电解液流速较高（见图5）。结果，在杂散电流的作用下，工件已加工底面中间区域的电化学阳极溶解速率最快，最终形成一个下凹形截面（见图9）。当采用本发明提供的一种工具阴极时，受其端面出水孔分布的影响，电解液原来的汇聚流动被显著抑制，改为向两侧的快速扩散流动，使得工件已加工底面中间区域出现大面积的低流速区域（见图6）。结果，在杂散电流的作用下，工件底面两侧区域的电化学阳极溶解速率增强，而其中间区域的电化学阳极溶解速率减弱，最终工件已加工底面的平整性得到明显改善（见图10）。

2、与制备端面绝缘的工具阴极相比，本发明仅需在工具阴极端面上加工出若干出水孔，既无需在工具阴极端面内加工出环形凹槽，也无需对绝缘材料进行填充、抽真空及烘热固化等工艺处理，因此可显著缩短工具阴极的制备周期。此外，即使在较大磨削力精加工或者较高电流密度粗加工时，也可以使用本发明去改变工件已加工表面上电解液流动状态，进而改善加工底面的平整性，因此也具有更好的适用性。

3、与端面绝缘的工具阴极相比，本发明提供的工具阴极由于侧壁和端面均开有出水孔，因此，不仅可以从工件侧壁处开始加工，也可以先从工件上表面任意处开始“钻削式”加工至一定深度，再进行“铣削式”加工出所需结构。显然，本发明不仅可以改善工件加工底面的平整性，也可以进一步拓展电解铣磨加工的工业应用范围。

附图说明

图1常规内喷液电解铣磨加工示意图；

图2采用常规工具阴极时工件已加工底面上电解液流动示意图；

图3采用本发明工具阴极时工件已加工底面上电解液流动示意图；

图4本发明提供的一种工具阴极端面出水孔分布图；

图5采用常规工具阴极时底部间隙内速度矢量图；

图6采用本发明提供的一种工具阴极时底部间隙内速度矢量图；

图7一种常规工具阴极端面；

图8本发明提供的一种工具阴极端面；

图9采用图7常规工具阴极时电解铣磨加工工件截面图；

图10采用图8工具阴极时电解铣磨加工工件截面图；

图中标号名称：1、工具阴极；2、工件；3、供液方向；4、工具阴极旋转方向；5、工件进给方向；6、磨粒层；7、侧壁出水孔；8、电源；9、工件已加工底面；10、电解液流动方向；11、工具阴极端面；12、端面出水孔；13、同心圆；14、直线。

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两种工具阴极的外径为10mm，总长为60mm，其侧壁和端面的厚度均为1mm。两种工具阴极在加工时的切深均为10mm，其侧壁出水孔的孔径、数目、布局完全一致。两种工具阴极的区别在于端面是否开出水孔。图7所示工具阴极端面不开出水孔，为常规工具阴极。图8所示工具阴极按照本发明提供的一种端面出水孔分布（如图4）在其端面开设出水孔。图4给出了本发明提供的一种工具阴极端面出水孔分布：3个同心圆半径分别为0.6mm、1.5mm和3.3mm，满足数列{X_k+1/X_k+1=2X_k+0.3}；3条直线中任意相邻两条直线的夹角均为60°；出水孔数目为5个，其半径均为0.5mm。通过对两种工具阴极进行流场仿真试验和试验验证，可说明本发明对于改善工件已加工底面平整性的机理和实际效果。

流场仿真试验和加工试验验证的实施例分别采用图7和图8所示的工具阴极进行。流场仿真具体参数设置条件如下：压力入口0.6MPa，压力出口0.1 MPa，工具阴极转速1000rpm, 流场介质为液体水，加工区域长度13.4mm，极间间隙0.4mm。加工试验验证的参数如下：切深10mm，加工电压30V，NaNO₃电解液的温度和质量分数分别为30℃和10%，电解液压力为0.6MPa，工具阴极转速为1000r/min，工件进给速度为2.5mm/min，工件为镍基高温合金GH4169，两种工具阴极的下端侧壁外表面和底部端面上均电镀有170/200#的金刚石磨粒层。

实施例1

本实施例用的是图8所示的工具阴极，该工具阴极端面未开出水孔。图5给出了底部间隙内电解液速度矢量图，可以看出从侧向间隙流入底部间隙的电解液逐渐形成汇聚流动，最终在工件已加工底面中间区域出现高流速区，而两侧区域的流速相对较低。显然，与已加工底面两侧区域相比，其中间区域由于电解液流速较大，其电解液更新及加工产物的排出均较快。因此，在杂散电流作用下，工件已加工底面中间区域的电化学阳极溶解速率高于两侧，最终形成了一个中间下凹的截面形状。图9所示的该工具阴极电解磨铣加工直槽的实际截面图也表现出，该槽的已加工底面为下凹型曲面，而且在中间部位下凹最严重。

实施例2

本实施例用的是图7所示的工具阴极，该工具阴极如图4所示在端面开5个出水孔。图6给出了底部间隙内电解液速度矢量图，可以看出工具阴极端面出水孔喷出的电解液显著改变了底部间隙内电解液的流动状态，使原来向工件已加工底面中间区域汇聚流动的电解液，改为向其两侧区域快速流动，导致在工件已加工底面中间区域出现了低流速区域。由于工件已加工底面中间区域的电解液流动被抑制，其电解液更新及产物排出均慢于两侧区域。在杂散电流作用下，工件已加工底面两侧区域的电化学阳极溶解速率高于中间，最终形成一个相对比较平整的截面形状。图10所示的该工具阴极电解磨铣加工直槽的实际截面图也表现出，与图9相比，该直槽已加工底面的平整性被显著改善。

本发明能有效改善电解铣磨加工的的底面平整性，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 (3)

1.一种改善电解铣磨加工底面平整性的工具阴极，其特征在于：所述工具阴极（1）具有圆筒形结构；所述工具阴极侧壁开有若干出水孔（7）并覆盖磨粒层（6）；所述工具阴极（1）底部端面上分布有若干端面出水孔（12）并覆盖磨粒层（6）；

上述工具阴极（1）底部端面所开端面出水孔（12）的圆心位于若干同心圆（13）与直线（14）的交点，且各端面出水孔（12）的半径相等；

上述若干同心圆（13）的圆心为工具阴极端面（11）的中心，其半径按从小到达满足数列{ X_k+1/X_k+1=aX_k+b, 2≥a>1,b=0.5r~r, r为端面出水孔半径}；

上述若干同心圆（13）的最小半径大于端面出水孔（12）的半径，其最大半径小于工具阴极（1）内腔半径与端面出水孔（12）半径之差；

上述直线（14）均经过工具阴极端面（11）的中心，其数目与同心圆（13）数目相等，且任意相邻两条直线（14）的夹角均相等；

上述工具阴极（1）端面出水孔（12）在半径最小的同心圆（13）上仅分布1个，在其余同心圆（13）上的数目均为2个；

上述工具阴极（1）的所有端面出水孔（12）沿一条直线（14）呈对称分布，且该直线（14）上仅有一个端面出水孔（12）。

2.利用权利要求1所述的改善电解铣磨加工底面平整性的工具阴极，其特征包括：a=2，b=0.3。

3.利用权利要求1所述的改善电解铣磨加工底面平整性的工具阴极的电解铣磨加工方法，其特征在于包括以下过程：

工具阴极（1）接电源（8）负极，工件（2）接电源（8）正极；

工作时，工具阴极（1）旋转，工件（2）在XY平面内进给，电解液沿供液方向（3）进入工具阴极内腔，再分别从工具阴极侧壁出水孔（7）和端面出水孔（12）喷出；由于工具阴极端面出水孔（12）的作用，使电解液向工件已加工底面（9）的两侧区域快速流动，并抑制了在工件已加工底面（9）中间区域的电解液流动，最终形成平整性较好的工件已加工底面（9）。