CN108188511A - 电解铣磨高效粗精加工一体化加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电解铣磨高效粗精加工一体化技术及工具阴极，属于电解铣磨复合加工领域。本发明提出的技术，在于使用带有金刚石磨粒的工具阴极，粗加工时，采用20V以上的加工电压，在电解作用主导下材料被高效的大余量去除，精加工时，先采用5V以下的加工电压，电解作用仅用于在工件表面生成钝化膜，软化材料表面，随后被金刚石磨粒的磨削作用去除，初步整平粗加工时凹凸不平的加工表面，再将加工电压调为0，仅靠金刚石磨粒磨削作用去除工件表面残留的电解作用痕迹，进一步提高加工精度，改善表面质量。本发明提供的方法不用更换工具，采用同一工具即可实现难加工材料的高效粗精加工，不存在更换工艺引起的定位误差，能够有效提高工件加工的效率和精度，延长刀具的使用寿命。

Description

电解铣磨高效粗精加工一体化加工方法

技术领域

本发明涉及一种电解铣磨高效粗精加工一体化加工方法，属于电解铣磨复合加工领域。

背景技术

随着航空航天事业的发展，越来越多的航空航天零件开始由高温合金、钛合金等难加工材料制备，例如，为了使航空发动机的推重比达到8以上，必须采用钛合金制造压气机盘和叶片；CF6发动机、CY2000发动机和PW4000发动机中GH4169的质量分数分别达到了34%、56%和57%。然而，对于一些加工特征复杂、结构轻薄的零件，如航空发动机的燃烧室薄壁机匣，不仅其从毛坯加工成零件的材料去除比可高达60%~80%，而且对加工精度也有很高的要求。因此，低的加工效率和表面质量已经无法满足日渐增长的加工需求，这给现代制造业的发展带来了诸多挑战。

采用传统的机械切削加工高温合金、钛合金等难加工材料时，由于材料的硬度高、导热系数低，去除材料时具有切削力大、切削温度高等问题，增加了材料去除的难度和成本，尤其是对薄壁件进行大余量去除加工时，刀具磨损更是严重，大大增加了制造成本和周期，而且由于壁厚较小容易产生加工变形，降低了零件的合格率。电解加工是利用金属工件在电解液中发生阳极溶解的原理来去除材料，具有刀具无损耗、加工效率高、无加工应力等优点，其对难切削材料的去除速度是一般机械加工的5~10倍，能够实现高效的大余量去除，但是由于其非接触式的加工方式，零件加工精度较低，需要更换工艺进行后续的精加工处理。采用电火花加工，具有比电解加工更高的成形精度，但是其加工效率十分有限，而且加工表面易形成再铸层和热影响区，损害整体零件的工作寿命，增加了使用成本。因此，如何用同一工艺实现零件的高效、低成本粗加工和高精度加工，减少二次装夹定位带来的加工误差，对于缩短零件的制造周期、降低制造成本、提高加工精度，都有着重要意义。

为了改善这一难题，电解铣磨技术被提出，即采用形状简单的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加工机理实现工件的材料去除。电解铣磨加工时，常采用外喷液和内喷液两种供液方式，其中外喷式供液通过外接喷嘴向加工间隙内喷射电解液，当加工深度较大时，由于加工间隙内的流阻很大导致电解液很难及时的充满整个加工间隙，造成加工区域供液不足而发生火花放电甚至短路，限制了材料去除率的提高，而内喷式供液则是在工具阴极内开设电解液流动孔道及喷液孔，从而将工具阴极与电解液系统直接连接起来，使电解液通过喷液孔可以直接喷射到工件加工表面，在加工间隙内形成稳定、均匀的流场，能够及时的带走电解加工产生的焦耳热、难溶产物的等，因此，内喷式供液能够显著提高电解铣磨加工的工具阴极切削深度，增加了加工面积，有利于提高电解铣磨加工效率。

电解铣磨加工使用的工具阴极带有金刚石磨粒，用于磨削工件表面，弥补电解加工精度较低、表面质量差的问题。然而，随着为了提高加工效率而不断增强的电解作用，工件和工具阴极的加工间隙也随之增加，加大了加工的过切量，在加工表面也留下了严重的杂散腐蚀，而且间隙的增加引起金刚石磨粒和工件的接触深度减小，甚至没有接触，磨削作用大大减弱，无法起到提高加工精度的目的，因此，如何调节电解铣磨加工工艺流程，使其既能实现高效的材料去除，又能达到提高加工精度和表面质量的效果，对于电解铣磨加工工艺的发展至关重要。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种电解铣磨高效粗精加工一体化技术及工具阴极，不用更换工具即可实现难加工材料的高效大余量去除和高精度加工，并且刀具磨损小，加工成本低，加工周期短。

一种电解铣磨高效粗精加工一体化加工方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一、工件接电源正极，工具阴极接电源负极，完成工件与工具阴极的对刀；步骤二、进行粗加工，其中工具阴极切削深度大于1mm，加工电压高于20V，同时调节进给速度，使金刚石磨粒不与工件接触；步骤三、进行第一阶段精加工，其中工具阴极切削深度不大于0.1mm，加工电压低于5V；步骤四、进行第二阶段精加工，其中工具阴极切削深度不大于0.05mm，加工电压为0V；上述工具阴极基体为圆柱体形状，其侧壁下端和底面镶嵌金刚石磨粒，形成磨粒层；上述步骤二至步骤四均采用内喷液供液方式，即电解液由工具阴极中心盲孔进入、侧壁下端的喷液孔喷出。

上述工具阴极基体为圆柱体形状，其侧壁下端和底面镶嵌金刚石磨粒，形成磨粒层，电解铣磨精加工过程依赖于金刚石磨粒的磨削作用去除工件表面电解作用遗留的特征痕迹，因此侧面和底面的磨粒层是实现电解铣磨精加工的必要条件；上述电解铣磨高效粗精加工一体化技术采用内喷液供液方式，根据已进行的电解铣磨加工试验表明，采用内喷液的供液方式其工具阴极的切削深度、加工效率都要高于外喷液供液方式，因此采用内喷液供液以实现粗加工时高效率的材料去除。上述粗加工工具阴极切削深度大于1mm，加工电压高于20V，同时调节进给速度，使金刚石磨粒不与工件接触，内喷式供液的电解磨削类加工，目前其加工深度基本都在1mm以下，采用外喷式供液时，在1mm以上的加工深度条件下，更能体现出其在提高加工效率方面的优势，采用高加工电压可以保证90%以上的材料由电解作用去除，而电解作用对难切削材料的去除率是一般机械加工的5~10倍，因此加工电压越高，粗加工时的材料去除率越高，而此阶段磨粒用于搅拌电解液促进加工产物的排出，不需要磨除工件材料，因此调节进给速度，使金刚石磨粒不与工件接触，可以避免不必要的磨损，增加刀具使用寿命；上述精加工第一阶段工具阴极切削深度不大于0.1mm，加工电压低于5V，根据电解磨削的试验，当切深不超过0.1mm时，往往能够取得更好的整平效果，而在整平时不希望产生新的过切以提高整平效果，因此采用低加工电压，使电解作用主要用于在工件表面生成钝化膜，软化表面材料；上述精加工第二阶段工具阴极切削深度不大于0.05mm，加工电压为0V，该阶段的目的在于依靠金刚石磨粒的磨削作用进一步整平工件表面，同时去除加工表面电解作用下的杂散腐蚀痕迹，因此进行断电机械磨削，而根据机械磨削的相关文献，往复磨削精加工时的磨削切深一般不超过0.05mm。

所述的电解铣磨高效粗精加工一体化加工方法，其特征在于粗加工加工电压为20~40V，精加工第一阶段加工电压为1~5V，精加工第一阶段切深为0.05~0.1mm，精加工第二阶段切深为0.002~0.05mm。电解作用的效率随着加工电压的增大而增强，但是高加工电压下电解作用产生的难溶性产物也将增多，由于电解铣磨加工切深较大，因此为了保证加工的稳定性，一般采用低于40V的电压进行加工，精加工第一阶段时，如果电压过小，钝化膜形成时间长，无法及时软化工件表面材料，容易导致刀具磨损增加，根据对钛合金、高温合金等难加工材料的研究数据，设置1V的下限值以保证该阶段对更多其他金属材料加工的通用性，同时，由于该阶段目的在于初步整平粗加工表面，切深较小时导致加工效率降低，而磨削时，为了减小变形产生的误差，一般采用递减的磨削深度进行加工，因此设置0.05mm以上的切深，保证加工的效率，同时与精加工第二阶段衔接，对于精加工第二阶段，切深减小意味着加工次数的增加，效率降低，根据精密磨削的相关资料，其磨削深度一般在0.002mm以上，因此本阶段也采用同样的下限值。

所述的电解铣磨高效粗精加工一体化加工方法，其特征在于电解铣磨加工某一个表面时，受到该电解作用影响的工件上所有其它加工面与该表面共同组成一组干涉面，干涉面内的所有面在同一加工工序完成后再开始下一工序的加工。粗加工、精加工第一阶段均有电解作用参与，会影响一组干涉面内的其它已加工面的加工精度和表面质量，因此必须先完成干涉面内的所有粗加工工序再开始精加工第一阶段，最后再逐个面开始精加工第二阶段。

所述的电解铣磨高效粗精加工一体化加工方法，其特征在于各加工工序内工具阴极对工件加工面作往复进给运动，其中精加工第一阶段各加工面的工具阴极切深均相同，其中对第i个加工面进行加工时，工具阴极的进给次数n_i=△_i/a，其中△_i为第i个加工面粗加工后与工具阴极的最大加工间隙，i=1,2,···，a为切削深度。如图2所示，对加工面进行电解铣磨粗精加工时，工具每一时刻的进给方向与加工面法线垂直，切深方向与加工面法线平行，这种往复进给加工方式可以快速高效的完成各阶段加工量，而对于精加工第一阶段，只需要初步整平粗加工时凹凸不平的表面即可，因此采用相同的切深加工，可以简化工艺。假设该阶段切深为a，测量每个待加工面上若干不同点到工具阴极磨粒层的距离，如图3所示，记工件侧面不同点到工具阴极的距离为为b1,b2,b3···，并取最大值记为△1，则该阶段工件侧面需要的进给次数n₁=△₁/a，记工件底面不同点到工具阴极的距离为为c₁,c₂,c₃···，并取最大值记为△₂，则该阶段工件侧面需要的进给次数n₂=△₂/a，对于将粗加工时的最大间隙作为多次走刀的总切深，可以在最短加工切深内充分改善粗加工时凹凸不变的表面，节省加工周期。

本发明具有以下优点：

1、采用带金刚石磨粒的工具阴极进行电解铣磨加工，可以实现同一工具下工件的高效粗加工和精加工，不用更换刀具或者工艺来分别实现粗加工或精加工，因此没有更换加工工艺带来的重新定位误差，提高了工件的加工精度。

2、粗加工时，加工电压较大，此时电解铣磨加工实现电解作用为主、机械磨削作用为辅的加工方式，利用电解作用高效的去除材料，没有机械加工时的切削力大、切削温度高、刀具磨损严重等问题，而且相比于单纯的电解加工，工具阴极上的磨粒可以起到搅拌电解液以加速难溶产物从工件表面脱落从而被电解液冲走的效果，尤其是对于一些均匀性差的材料，可能出现某些材料没有及时被电解作用去除而和工具阴极发生接触造成短路、打火等情况，此时磨粒可以磨除这些材料从而避免了工具阴极基体和其接触，保证了电解加工的稳定性。

3、精加工第一阶段时，加工电压较小，此时电解作用仅用来生成工件表面钝化膜，软化材料，随后在金刚石磨粒的磨削作用下材料被去除，裸露出新的加工表面，如此反复，可以快速的改善第一阶段遗留的电解作用下加工面凹凸不变的特征，并且刀具磨损很小，而且该阶段后工件表面已经具有一定的加工精度，随后的纯磨削作用主要用于去除工件表面的杂散腐蚀，因此，只需要留有很小的磨削精加工余量即可，降低了加工时间，进一步减小了刀具的磨损。

4、电解铣磨加工采用的工具阴极为圆柱形基体，侧壁下端和底面电镀有金刚石磨粒，形状简单，设计简单，制造简单，加工柔性高，通过对刀轨的优化，可以完成复杂的空间三维曲面的高效粗精加工，有利于实现低成本、短制造周期、高加工能力的粗精加工一体化。

5、加工时的电压只需要在某一范围值内即可分别实现电解铣磨的高效粗加工和精加工，电解液的相关参数在整个加工过程中都不用改变，在纯磨削时又可以起到冷却液的作用，而对于各个加工面的粗加工最大间隙可以通过前期的试验测量确定，形成一套经验公式，在之后的加工中直接编程设定，不必每次都停刀测量，简化了电解铣磨高效粗精加工一体化技术的工序，增加了其可操作性。

附图说明

图1为电解铣磨加工示意图；

图2为工具阴极相对于工件的运动轨迹图；

图3为粗加工后工件加工面到工具阴极磨粒层的间隙示意图；

图4为电解铣磨粗加工后的沟槽表面实物图；

图5为电解铣磨粗加工后的沟槽截面实物图；

图6为电解铣磨精加工第一阶段后沟槽表面实物图；

图7为电解铣磨精加工第一阶段后沟槽截面实物图；

图8为电解铣磨精加工第二阶段后沟槽表面实物图；

图9为电解铣磨精加工第二阶段后沟槽截面实物图；

图中标号名称为：1、工具阴极；2、中心盲孔；3、喷液孔；4、磨粒层；5、工件；6、电解液；7、电源；8、工具阴极旋转方向；9、工具进给方向；10、工具切深方向；11、加工面法线方向。

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。

实施例

本实施例用的工具阴极外壁直径为10mm，总长60mm，其侧壁和底面厚度均为1mm，底面及其以上15mm范围内的侧壁区域均电镀有180#金刚石磨粒，侧壁开有5排6列共30个直接1mm的喷液孔，试验时工件材料为难加工的GH4169，电解液为质量分数为10%的硝酸钠溶液，温度为30℃，压力为0.6MPa。粗加工时，加工电压为30V，工具阴极切深为10mm，进给速度为2.2mm/min，其加工后的沟槽表面及截面如图4、5所示，从图4可以看出加工表面几乎没有磨痕，表明材料主要是由电解作用高效去除，其材料去除率达到了345.4mm³/min，从图5可以看出粗加工后的工件表面存在着明显的凹凸不平，加工精度很低。

精加工第一阶段时，加工电压为5V，每次工具阴极切深为0.1mm，共进行6次加工，其中切深进给速度为0.5mm/min，加工速度为6mm/min，加工后的沟槽表面及截面如图6、7所示，从图6可以看到加工后的表面存在明显的磨痕，但同时也具有电解作用下杂散腐蚀等表面特征，从图7则可以看到，该加工阶段后，粗加工时造成的凹凸不平的表面得到了很大的改善，加工的精度有了很大的提高。

精加工第二阶段时，加工电压为0，工具阴极切深进给速度恒定为0.5mm/min，加工速度为10mm/min，第一到四次切深为0.05mm，第五到六次切深为0.02mm，加工后的工件表面及截面如图8、9所示，从图8可以看出，粗加工时遗留的杂散腐蚀等电解作用特征全部被磨削作用去除，加工表面质量明显提高，在图9可以看到该阶段后槽截面加工精度得到了进一步的提高，而且相比于第一阶段，只需要很小的加工余量即可，减小了精磨时的加工周期和刀具磨损。

本发明提供了一种电解铣磨高效粗精加工一体化技术及工具阴极，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 (4)

1.一种电解铣磨高效粗精加工一体化加工方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、工件（5）接电源（7）正极，工具阴极（1）接电源（7）负极，完成工件（5）与工具阴极（1）的对刀；

步骤二、进行粗加工，其中工具阴极（1）切削深度大于1mm，加工电压高’于20V，同时调节进给速度，使金刚石磨粒不与工件（5）接触；

步骤三、进行精加工第一阶段，其中工具阴极（1）切削深度不大于0.1mm，加工电压低于5V；

步骤四、进行精加工第二阶段，其中工具阴极（1）切削深度不大于0.05mm，加工电压为0V；

上述工具阴极（1）基体为圆柱体形状，其侧壁下端和底面镶嵌金刚石磨粒，形成磨粒层（4）；上述步骤二至步骤四均采用内喷液供液方式，即电解液（6）由工具阴极（1）中心盲孔（2）进入、侧壁下端的喷液孔（3）喷出。

2.根据权利要求1所述的电解铣磨高效粗精加工一体化加工方法，其特征在于：

粗加工加工电压为20~40V，精加工第一阶段加工电压为1~5V，精加工第一阶段切深为0.05~0.1mm，精加工第二阶段切深为0.01~0.05mm。

3.根据权利要求1所述的电解铣磨高效粗精加工一体化加工方法，其特征在于：

电解铣磨加工某一个表面时，受到该电解作用影响的工件（5）上所有其它加工面与该表面共同组成一组干涉面，干涉面内的所有面在同一加工工序完成后再开始下一工序的加工。

4.根据权利要求1所述的电解铣磨高效粗精加工一体化加工方法，其特征在于：

各加工工序内工具阴极（1）对工件（5）加工面作往复进给运动；

其中所属步骤三的第一阶段精加工中，各加工面的工具阴极（1）切深均相同，工具的进给方向与加工面法线垂直，切深方向与加工面法线方向平行；其中对第i个加工面进行加工时，工具阴极的进给次数n_i=△_i/a，其中△_i为第i个加工面粗加工后与工具阴极（1）的最大加工间隙，i=1,2,···，a为切削深度。