CN108637412A - 牵引式柔性工具阴极及内部通道电解机械光整方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种牵引式柔性工具阴极及内部通道电解机械光整方法，属于电解铣磨复合加工领域。本发明的工具阴极包括阴极螺栓和柔性摩擦层。加工前，将金属线一端与小球连接，在电解液冲刷压力下，小球带动金属线穿过整个内部通道，再将金属线两端分别固定在放线、收线转轴上。加工时，放线转轴放线，收线转轴收线，金属线移动并带动工具阴极在工件内部通道运动，随后在电解作用、摩擦作用复合作用下，整平通道内壁面。这种新颖的工具阴极形式及运动方式，提高了电解加工的柔性，保证了工具阴极能够顺利加工工件内部通道任一壁面，从而实现构件内部通道的高效电解机械光整加工。

Description

牵引式柔性工具阴极及内部通道电解机械光整方法

技术领域

本发明涉及一种牵引式柔性工具阴极及内部通道电解机械光整方法，属于电解铣磨复合加工领域。

背景技术

整体构件的使用可以省去零部件之间的连接件，减少零件数量，显著减轻构件重量，使产品的综合性能都大为提高，因此，在航空航天领域、汽车领域、武器装备等领域得到越来越多的应用。例如，英国“狂风”战斗机上的驾驶舱电台防护罩、起落架防护罩和进气口支撑柱均采用了整体构件。然而，对于一些具有复杂内部通道的整体构件，如火箭发动机喷嘴，由于其通道狭窄而弯曲，常规加工难度大，效率低。因此，实现整体构件的高效、快捷加工，已成为先进制造技术研究的热点之一。

增材制造技术，是基于离散-堆积原理，由零件三维数据驱动直接制造三维实体零件的一种“自下而上”材料累加的制造方法，与传统制造技术相比，增材制造技术具有柔性高、无模具、周期短、不受零件结构和材料限制等一系列优点，在航天航空、汽车、电子、医疗、军工等领域得到了广泛应用。然而，通过增材制造技术制备的整体构件表层存在粘附层，而且构件表面的粗糙度很难满足工程要求，因此，如何对增材制造后的复杂构件内部通道进行光整加工，成为促进增材制造技术推广和应用的关键技术之一。

传统的机械精加工，其加工精度高，表面质量好，但是受其刀具形式及运动方式的限制，对于复杂构件内部通道，采用直柄刀具时无论采取怎样的加工路径都难以保证达到通道上的所有点，加工可达性差，尤其是三维异形扭曲通道，传统的机械精加工更是无法加工。磨粒流加工技术是最新的机械加工方之一，它采用富含磨砂的具有韧性的半固体载体作为磨料，在压力作用下流经待加工的表面，通过磨料摩擦作用整平加工表面，降低表面粗糙度，以达到精密加工的目的。但是，在磨粒流加工过程中，往往需要设置流道遮挡板以实现对磨粒流动的控制，引导磨粒到达需要加工的表面，这些又限制了磨粒流技术的推广。

电解铣磨加工是采用带磨粒的工具阴极，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过程。加工时，工件接电源正极，工具接电源负极，在两极间通有高速流动的电解液，此时，工件表面发生电化学作用，生成钝化层，从而使材料软化，降低磨削难度。钝化层在磨粒磨削作用下被去除，工件上又露出新的金属表面并被继续电解，如此交替进行，使工件连续地被加工，直至达到一定的尺寸精度与表面粗糙度。尤为重要的是，电解作用是一种非接触式加工，只要接通电源，不论工具阴极形状与运动形式，工件都会受到电解作用，因此，如何创新设计工具阴极形式及运动方式，增加其加工柔性，将其应用到构件内部通道的高效精密加工，有利于促进电解铣磨技术进一步的发展和应用。

发明内容

为了降低增材制造构件内部通道的表面粗糙度，本发明提出一种牵引式柔性工具阴极及内部通道电解机械光整方法，利用电解作用和摩擦作用，实现构件内部通道的高效光整加工。

一种牵引式柔性工具阴极，其特征在于：包括阴极螺栓、柔性摩擦层、螺母、金属线；上述阴极螺栓前端为螺纹段，中间为光杆，后端为头部；螺纹段经过绝缘处理，形成绝缘前端；头部开设头部凹槽并且头部经过绝缘处理；上述螺母上开设螺母凹槽并且螺母经过绝缘处理；上述柔性摩擦层为疏松绝缘材质，其最外层镶嵌有硬质磨粒；上述金属线可缠绕于光杆；上述柔性摩擦层可包裹阴极螺栓与金属线，并被螺母压紧固定在阴极螺栓上；此时金属线两端分别通过头部凹槽与螺母凹槽引出；此时处于柔性摩擦层外面的金属线上包裹绝缘护套。

所述的牵引式柔性工具阴极的内部通道电解机械光整方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一、将包裹有绝缘护套的金属线第一端与电源负极相连，并将金属线缠绕在放线转轴上，第二端与小球连接；步骤二、将小球置入工件内部通道中，喷嘴向通道内喷射电解液，在冲液压力下，小球移动并带动金属线穿过工件内部通道，取下小球，关闭喷嘴，将金属线第二端与收线转轴相连；步骤三、去掉部分绝缘护套，将裸露的金属线缠绕在阴极螺栓的光杆上，用柔性摩擦层包裹阴极螺栓与金属线，拧紧螺母以紧固柔性摩擦层，同时保证金属线两端分别从头部凹槽与螺母凹槽内穿出；步骤四、打开喷嘴，接通电源，收线转轴转动，金属线移动并带动工具阴极进入工作内部通道，并沿工件内部通道移动，在电解作用和摩擦作用下，光整工件内部通道；步骤五、光整完成后，断开电源，关闭喷嘴，将金属线与收线转轴断开，放线转轴逆向转动，金属线和工具阴极由工件内部通道返回，加工结束。

上述阴极螺栓前端为螺纹段，中间为光杆，后端为头部，螺纹段用于和螺母连接以夹紧柔性摩擦层，光杆和工件内部通道组成电解作用的阴极和阳极；螺纹段经过绝缘处理，形成绝缘前端，电解加工时阳极形状是基于阴极形状进行拷贝式加工的，若螺纹段导电，将在工件内部通道表面产生高低不平的加工痕；头部开设头部凹槽并且头部经过绝缘处理，凹槽用于穿过金属线，避免金属线垫在头部与工件内部通道之间，使阴极螺栓倾斜在内部通道内从而造成光杆与工件内部通道的电解加工间隙分布不均匀，影响光整效果，而头部在加工过程中很可能与工件碰触，需要绝缘以避免短路。

上述螺母上开设螺母凹槽并且螺母经过绝缘处理。其凹槽和绝缘处理的原理与头部的凹槽和绝缘处理的原理相同。

上述柔性摩擦层为疏松绝缘材质，其最外层镶嵌有硬质磨粒。疏松材质保证电场线能穿过柔性摩擦层，使阴极螺栓和工件内部通道之间存在电解作用，而硬质磨粒用于磨除钝化层。

上述金属线可缠绕于光杆。通过金属线使光杆带电，从而与工件内部通道形成电解作用。

上述柔性摩擦层可包裹阴极螺栓与金属线，并被螺母压紧固定在阴极螺栓上，柔性摩擦层包裹阴极螺栓与金属线后通过螺栓头部和螺母将其夹紧固定，从而使得螺栓、金属线、柔性摩擦层三者紧密相连形成完整的牵引式柔性工具阴极，避免在加工过程中出现分离；此时金属线两端分别通过头部凹槽与螺母凹槽引出，金属线从凹槽内引出，避免阴极螺栓在通道内部倾斜影响光整效果；此时处于柔性摩擦层外面的金属线上包裹绝缘护套，避免金属线与工件内部通道碰触从而引发短路。

所述的牵引式柔性工具阴极的内部通道电解机械光整方法的步骤一和步骤二，目的在于通过电解液冲液的方式让小球沿工件内部通道运动，并带动金属线穿过整个内部通道，从而能够将金属线与收线转轴相连，最终在电解机械光整时，通过收线转轴的转动拉动金属线在内部通道移动。

所述的牵引式柔性工具阴极的内部通道电解机械光整方法的步骤三，目的在于完成整个牵引式柔性工具阴极的装配，需要保证金属线从螺栓头部及螺帽的凹槽内穿出，避免加工过程中发生螺栓倾斜降低光整效果。

所述的牵引式柔性工具阴极的内部通道电解机械光整方法的步骤四，即为工件内部通道电解机械光整加工的主要过程，在电解作用和柔性摩擦层的磨削作用下，微量去除工件内部通道表面的材料，实现光整加工。

所述的牵引式柔性工具阴极的内部通道电解机械光整方法的步骤五，目的在于加工完成后将金属线沿内部通道抽出，重新缠绕在放线转轴上，方便下次加工使用。

所述的牵引式柔性工具阴极的内部通道电解机械光整方法，其特征在于：上述光杆截面形状由待加工的工件内部通道截面形状决定；阴极螺栓长度由工件内部通道的最大曲率半径决定；使得包裹柔性摩擦层的工具阴极与待加工的工件内部通道紧密贴合。对于不同截面的工件内部通道，如圆形、方形等，光杆也需要设计成相应的圆形、方形等，保证加工区域电场均匀性。只有保证阴极螺栓能通过待加工通道的最大曲率半径处，才能保证工具阴极在整个内部通道的顺利移动。阴极螺栓外面包裹柔性摩擦层后，应该与工件内部通道紧密贴合，这样硬质磨粒才能充分摩擦通道表面，起到磨除钝化层作用。

所述的牵引式柔性工具阴极的内部通道电解机械光整方法，其特征在于：同一工件内部通道由多种工具阴极分次组合加工。对于相同截面的内部通道，可采用同一工具阴极加工，对于尺寸逐渐增大或两端大、中间小的内部通道，可通过多种不同尺寸工具阴极分批次加工通道的不同位置，最终实现全部通道的电解机械光整。

本发明具有以下优点：

1、对于复杂构件内部通道，无法采用常规的编程控制工具阴极运动的方法加工，而本发明采用的牵引式工具阴极，利用小球带动金属线穿过内部通道，再通过转轴控制金属线带动工具阴极在内部通道的往复运动，使工具阴极能够加工到通道上的每一点。这种新颖的电解加工运动方式，大大提高了电解加工的灵活性，能够实现对复杂构件内部通道的高效精密加工。

2、对于同一截面尺寸的工件内部通道，可采用同一工具阴极加工，对于截面尺寸不断增大，或两边大、中间小的内部通道，则可以设计若干种不同尺寸的工具阴极，逐次加工通道的不同位置，实现多阴极分批次组合式加工，这增加了工具阴极能够加工的内部通道形状范围，具有很强的适用性。

3、电解作用的强弱与施加的加工电压密切相关，针对不同加工需求的工件内部通道，可以采用较大电压快速的初步整平表面，也可以采用较小电压高精度的光整。因此，即使是同一段内部通道，也可以通过调节电压，实现同一工具完成不同区域不同加工需求的目标，加工能力高，范围广。

4、本发明通过电压控制电解作用强弱，通过转轴控制工具阴极移动速度，相比于磨粒流加工，提高了工具阴极电解机械光整内部通道加工过程的可控性，而且工具阴极结构简单，制造周期短，加工成本低，装配、拆卸方便，易于实现。

附图说明

图1为阴极螺栓示意图；

图2为装配完成的工具阴极及内部剖面图；

图3为本发明工具阴极电解机械光整加工复杂工件内部通道示意图。

图中标号名称为：1、阴极螺栓；2、绝缘前端；3、光杆；4、头部凹槽；5、螺母；6、螺母凹槽；7、柔性摩擦层；8、硬质磨粒；9、金属线；10、绝缘护套；11、小球；12、工件内部通道；13、喷嘴；14、电解液；15、电源；16、放线转轴；17、收线转轴。

具体实施方式

下面结合具体附图对本发明做进一步的详细说明。

如图1~2所示，本发明提出的牵引式柔性工具阴极包括阴极螺栓1、和柔性摩擦层7；上述阴极螺栓1前端进行绝缘处理，形成绝缘前端2；阴极螺栓1中间为光杆3；阴极螺栓1头部开设头部凹槽4，并对头部进行绝缘处理；螺母5上开设螺母凹槽6，并对螺母5进行绝缘处理；上述柔性摩擦层7为疏松绝缘材质，其最外层镶嵌有硬质磨粒8。

如图3所示，本发明提出的复杂构件内部通道高效精密电解加工方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一、将包裹有绝缘护套10的金属线9一端与放线转轴16连接，另一端与小球11连接；步骤二、将小球11置入工件内部通道12中，喷嘴13向通道内喷射电解液14，在冲液压力下，小球11移动并带动金属线9穿过工件内部通道12，取下小球11，关闭喷嘴13，将金属线9与收线转轴17相连；步骤三、去掉部分绝缘护套10，将裸露的金属线9缠绕在阴极螺栓1的光杆3上，用柔性摩擦层7包裹阴极螺栓1与金属线9，拧紧螺母5以紧固柔性摩擦层7，同时保证金属线9两端分别从头部凹槽4与螺母凹槽6内穿出；步骤四、打开喷嘴13，接通电源15，收线转轴17转动，金属线9移动并带动工具阴极沿工件内部通道12移动，在电解作用和摩擦作用下，光整工件内部通道12；步骤五、光整完成后，断开电源15，关闭喷嘴13，将金属线9与收线转轴17断开，放线转轴16逆向转动，金属线9和工具阴极由工件内部通道12返回，加工结束。

本发明提出的牵引式柔性工具阴极能够实现复杂构件内部通道的高效精密加工，拓展了电解铣磨加工技术的应用范围，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，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)

1.一种牵引式柔性工具阴极，其特征在于：

包括阴极螺栓（1）、柔性摩擦层（7）、螺母（5）、金属线（9）；

上述阴极螺栓（1）前端为螺纹段，中间为光杆（3），后端为头部；螺纹段经过绝缘处理，形成绝缘前端（2）；头部开设头部凹槽（4）并且头部经过绝缘处理；

上述螺母（5）上开设螺母凹槽（6）并且螺母（5）经过绝缘处理；

上述柔性摩擦层（7）为疏松绝缘材质，其最外层镶嵌有硬质磨粒（8）；

上述金属线（9）可缠绕于光杆（3）；

上述柔性摩擦层（7）可包裹阴极螺栓（1）与金属线（9），并被螺母（5）压紧固定在阴极螺栓（1）上；此时金属线（9）两端分别通过头部凹槽（4）与螺母凹槽（6）引出；此时处于柔性摩擦层（7）外面的金属线（9）上包裹绝缘护套（10）。

2.利用权利要求1所述的牵引式柔性工具阴极的内部通道电解机械光整方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、将包裹有绝缘护套（10）的金属线（9）第一端与电源（15）负极相连，并将金属线缠绕在放线转轴（16）上，第二端与小球（11）连接；

步骤二、将小球（11）置入工件内部通道（12）中，喷嘴（13）向通道内喷射电解液（14），在冲液压力下，小球（11）移动并带动金属线（9）穿过工件内部通道（12），取下小球（11），关闭喷嘴（13），将金属线（9）第二端与收线转轴（17）相连；

步骤三、去掉部分绝缘护套（10），将裸露的金属线（9）缠绕在阴极螺栓（1）的光杆（3）上，用柔性摩擦层（7）包裹阴极螺栓（1）与金属线（9），拧紧螺母（5）以紧固柔性摩擦层（7），同时保证金属线（9）两端分别从头部凹槽（4）与螺母凹槽（6）内穿出；

步骤四、打开喷嘴（13），接通电源（15），收线转轴（17）转动，金属线（9）移动并带动工具阴极进入工作内部通道，并沿工件内部通道（12）移动，在电解作用和摩擦作用下，光整工件内部通道（12）；

步骤五、光整完成后，断开电源（15），关闭喷嘴（13），将金属线（9）与收线转轴（17）断开，放线转轴（16）逆向转动，金属线（9）和工具阴极由工件内部通道（12）返回，加工结束。

3.根据权利要求2所述的牵引式柔性工具阴极的内部通道电解机械光整方法，其特征在于：

上述光杆（3）截面形状由待加工的工件内部通道（12）截面形状决定；阴极螺栓（1）长度由工件内部通道（12）的最大曲率半径决定；使得包裹柔性摩擦层（7）的工具阴极与待加工的工件内部通道（12）紧密贴合。

4.根据权利要求2所述的牵引式柔性工具阴极的内部通道电解机械光整方法，其特征在于：

同一工件内部通道（12）由多种工具阴极分次组合加工。