CN108705164A - 旋转超声辅助微细电解磨削扩孔加工装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种旋转超声辅助微细电解磨削扩孔加工装置及方法，在使用微细电解加工机床进行电解钻削得到预孔的基础上进行机床在线换刀操作以避免定位误差，对机床旋转主轴添加轴向超声振动并利用高频脉冲电源对预孔进行电解磨削扩孔加工。利用超声振动的空化作用和强化传质效果对电解液进行扰动，促使加工区域所析出气体和其他电解产物及时排出，使间隙流场和间隙电场更为均匀，以提高加工效率、重复加工精度和表面加工质量。利用高频脉冲电源实现对工件的微量去除，提高加工定域性和尺寸的可控性，以利于精密调节电解加工和机械磨削之间的匹配。本发明在保证加工效率的同时具有提高小孔加工精度和表面加工质量的作用。

Description

旋转超声辅助微细电解磨削扩孔加工装置及方法

技术领域

本发明属于电解磨削复合加工技术领域，具体涉及一种旋转超声辅助微细电解磨削扩孔加工装置及方法。

背景技术

小孔结构在诸多工程领域应用广泛，如3D打印机喷头、发动机燃料喷嘴、航空发动机叶片气膜冷却孔、化纤喷丝板上的异型孔、仪器仪表上的小孔等。孔壁的表面质量往往决定了小孔零件的质量与性能，因此对小孔超精密加工的需求也越来越迫切。

电解磨削复合加工在诸多小孔加工方法中具有高表面加工质量和加工精度的优势，公开号为“CN 103447640A”的中国发明专利公开了一种实现旋转通液的电解磨削装置及其工作方法，可对内孔、内型腔零件进行电解磨削加工，但其小孔的表面加工质量和加工精度依旧不能满足一些精细工件或超精密加工的需求。为进一步提高小孔的表面加工质量和加工精度，本发明将超声振动应用于微细电解磨削加工中，利用超声振动的空化作用和强化传质效果对间隙流场和间隙电场进行优化，可实现对直径在0.5-3mm小孔的超精密加工。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种旋转超声辅助微细电解磨削扩孔加工装置及方法。

本发明的第一目的是提供一种旋转超声辅助微细电解磨削扩孔加工装置，本装置在机床主轴高速旋转的同时对其添加轴向超声振动并利用高频脉冲电源对预孔进行超声辅助电解磨削复合扩孔加工，最终可实现小孔加工精度达到±0.01mm，表面粗糙度优于Ra0.16μm。

本发明的第二目的是提供一种旋转超声辅助微细电解磨削扩孔加工方法，本方法利用超声振动的空化作用和强化传质效果对电解液进行扰动，促使加工区域所析出气体和其他电解产物及时排出，使间隙流场和间隙电场更为均匀从而优化电解磨削中电解加工的作用以提高加工效率、重复加工精度和表面加工质量。利用高频脉冲电源可实现对工件的快速微量去除，提高加工定域性和尺寸的可控性，利于精密调节电解加工和机械磨削之间的匹配，从而提高重复加工精度和表面加工质量；同时，高频脉冲电源进行电解磨削具有间隔加工的特性，有利于加工区域产生的热量、气体和其他电解产物在加工间歇期及时排出。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种旋转超声辅助微细电解磨削扩孔加工装置，包括高频脉冲电源、电解加工机床、超声波电加工主轴、可编程变频器、测控系统、电解液槽、可升降平台，其中：

所述电解加工机床具有三维运动机构，控制其上设置的超声波电加工主轴沿X、Y、Z方向进行三轴联动；所述可编程变频器通过改变输出频率，控制与之相连的超声波电加工主轴的转速无极变换；

所述高频脉冲电源在阳极工件和设置于超声波电加工主轴上的工具电极之间提供脉冲方波电压信号，所述阳极工件水平安装于电解液槽内，所述电解液槽放置于可升降平台上；

所述测控系统包括检测高频脉冲电源电流值的电流采集系统、控制超声波电加工主轴超声振动振幅和频率的变频变幅器、测控液面高度的液面控制电路和监控加工情况的CCD视觉检测系统；

通过在超声波电加工主轴的高速旋转的同时对其添加轴向超声振动，结合利用高频脉冲电源对工件的预孔进行超声辅助电解磨削复合扩孔加工。

进一步的，所述阳极工件为导电金属板。

进一步的，所述工具电极包括用于电解铣削的螺旋电极和用于电解磨削的金刚石磨砂球头电极。

优选的，所述螺旋电极为碳化钨螺旋柱状电极。

优选的，所述金刚石磨砂球头电极，金刚石磨头磨粒为120-1200目。

优选的，所述电解加工机床为微细电解加工机床，具有三维运动机构，往复运动精度为±0.1μm，可控制超声波电加工主轴沿X、Y、Z方向进行三轴联动。

优选的，所述超声波电加工主轴的转速为0-24000r/min，并通过夹套固定的方式与机床连接。

进一步的，所述高频脉冲电源的负极通过导电滑环连接工具电极。

进一步的，所述超声波电加工主轴包括超声波发生器、变频变幅器、换能器、变幅杆和超声波电主轴，所述超声波发生器连接变频变幅器，变频变幅器连接换能器,换能器连接变幅杆，变幅杆作用于超声波电主轴上，超声波电主轴工作振幅为0-15μm，工作频率为24-40KHZ，可稳定锁频。所述电流采集系统包括检测高频脉冲电源电流值的霍尔电流传感器、用于采集电流信号的数据采集卡。

所述液面控制电路，包括串联的直流电源、LED灯和导电块，利用液面到达指定高度，即导电块设置的高度之后，直流电源、LED灯和导电块导通，LED灯亮来控制并显示液面高度。

一种基于上述装置的旋转超声辅助微细电解磨削扩孔加工方法，包括以下步骤：

以确定直径的螺旋电极作为阴极工具电极，将其连接在超声波电加工主轴上，以工件为阳极，阳极工件水平安装于电解液槽内，向电解液槽内添加电解液，使得电解液刚好浸没阳极工件上表面；

通过控制机床X、Y、Z轴方向的运动将工具电极缓慢接近阳极工件以实现对刀，再将工具电极沿Z轴方向向上微量进给留出初始加工间隙；

高频脉冲电源正极连接阳极工件，负极连接工具电极，接通电源，通过可编程变频器控制超声波电加工主轴高速旋转，使超声波电加工主轴沿Z轴方向向下进给实现微细电解钻削加工预孔；

达到预定加工深度之后，断开高频脉冲电源，控制机床使主轴沿Z轴方向向上退刀，使螺旋电极退出已加工的预孔，进行在线换刀操作，将螺旋电极换为金刚石磨砂球头电极，进行金刚石磨砂球头电极的对刀操作；

设置超声波电加工主轴旋转速度，设置轴向振动振幅和频率，使超声波电主轴夹头顶端的金刚石磨砂球头电极高速旋转并伴随Z轴轴向超声振动；

设置高频脉冲电源加工参数，接通高频脉冲电源，控制超声波电加工主轴沿Z轴向下进给实现超声辅助微细电解磨削扩孔加工，直到达到预定加工深度。

进一步的，达到预定加工深度之后，断开高频脉冲电源，断开超声波发生器电源，降低超声波电加工主轴转速，控制超声波电加工主轴沿Z轴方向向上退刀，使金刚石磨砂球头电极退出已加工小孔，完成金刚石磨砂球头电极的退刀操作。

进一步的，控制液面高度的过程包括：设定导电块下表面距离工件上表面高度；接通液面控制电路，往电解液槽中缓慢加入电解液，当电解液达到导电块下表面时，电路导通，LED灯亮，说明液面高度达到设定高度；最后断开液面控制电路。

更进一步的，导电块下表面距离工件上表面高度为100-500μm。

对刀操作的具体过程包括：先调节可升降台带动电解液槽沿Z轴方向运动至合适位置使工件上表面接近工具电极下端；阳极工件和阴极工具分别接直流稳压电源正极和负极，控制机床带动超声波电主轴沿Z轴方向向下缓慢进给，检测到短路电流时停止进给，并反向退刀一定距离留出初始加工间隙。

更进一步的，初始加工间隙为10-20μm。

进一步的，控制高频脉冲电源的频率，使得电解磨削具有间隔性，保证加工区域产生的热量、气体和其他电解产物在加工间歇期及时排出。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)在加工过程中，由于电解作用，小孔内壁表面金属溶解并生成一层钝化膜，微观下凹凸不平的小孔内壁表面在波谷处由于钝化膜的保护不再继续溶解，波峰处的钝化膜则被磨粒刮除，露出的新鲜金属继续被电解蚀除并再次生成钝化膜，这样随着波峰处的钝化膜不断被刮除可实现小孔的高效、高精度加工。

(2)由于机械磨削只刮除工件表面生成的钝化膜，切削应力很小，因此大大降低了金刚石磨砂球头电极的损耗。

(3)利用超声振动的空化作用和强化传质效果对电解液进行扰动，促使加工区域所析出气体和其他电解产物及时排出，使间隙流场和间隙电场更为均匀从而优化电解磨削中电解加工的作用以提高加工效率、重复加工精度和表面加工质量。

(4)相较于直流稳压电源，使用高频脉冲电源可实现对工件的快速微量去除，提高加工定域性和尺寸的可控性，利于精密调节电解加工和机械磨削之间的匹配，从而提高重复加工精度和表面加工质量；高频脉冲电源间歇加工的特性有利于加工区域产生的热量、气体和其他电解产物在加工间歇期及时排出。

(5)利用霍尔电流传感器和数据采集卡可实时监控加工过程中电流信号，有利于根据电流信号控制机床主轴进给速度和高频脉冲电源参数从而实现对电解加工和机械磨削之间的精密调节和匹配。

(6)本发明具有对小孔的扩孔功能。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明提供的一种旋转超声辅助微细电解磨削扩孔加工装置示意图。

图2为旋转超声辅助微细电解加工机床三维示意图。

图3为旋转超声辅助微细电解磨削扩孔加工示意图。

其中，1为计算机，2为机床超声波电主轴，3为霍尔电流传感器，4为CCD视觉监测系统，5为导电滑环，6为工具电极，7为工件，8为电解液槽，9为电解液，10为手动升降平台，11为超声辅助微细电解加工机床，12为机床Z轴运动机构，13为机床X轴运动机构，14为机床Y轴运动机构，15为电解液槽夹具，16为钝化膜，17为金刚石磨砂球头电极，18为金刚石磨粒，19为气体和其他电解产物，20为预孔；

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1、图2和图3所示，超声辅助微细电解加工机床11具有Z轴运动机构12、X轴运动机构13和Y轴运动机构14，往复运动精度为±0.1μm。先取一根确定直径的螺旋电极作为工具电极6，利用弹簧夹头将螺旋电极安装在机床超声波电主轴2上。再将工件7水平放置于电解液槽8内，并用电解液槽夹具15将工件7夹紧固定。电解液槽8置于手动升降平台10上，调节手动升降平台10，使电解液槽8处于合适高度。向电解液槽8中添加电解液9，利用液面控制电路以确保电解液9刚好浸没工件7上表面，电解液9选用质量分数为10％的NaNO₃溶液。高频脉冲电源正极连接阳极工件7，高频脉冲电源负极通过导电滑环5连接工具电极6，在高频脉冲电源上设置对刀电源参数。利用机床Z轴运动机构12控制机床超声波电主轴2沿Z轴向下缓慢进给，使工具电极6缓慢接近待加工工件7上表面以实现对刀操作，再将工具电极6沿Y轴向上回退一定距离以留出加工间隙。之后，在高频脉冲电源上设置电解钻削加工电源参数，通过可编程变频器控制机床超声波电主轴2高速旋转，控制机床Z轴运动机构12使机床超声波电主轴2沿Z轴方向向下进给完成微细电解钻削加工预孔。在达到预定加工深度完成电解钻削加工预孔之后，断开高频脉冲电源，降低机床超声波电主轴2转速，利用机床Z轴运动机构12控制机床超声波电主轴2沿Z轴方向向上进给，使螺旋电极退出已加工的预孔20，控制可编程变频器使机床超声波电主轴2停止旋转。进行在线换刀操作，将螺旋电极换为金刚石磨砂球头电极17，以金刚石磨砂球头电极17作为工具电极6。重复上述工具电极6的对刀操以作完成金刚石磨砂球头电极17的对刀。接通超声波电主轴加工系统，运行超声波发生器，设置变频变幅器控制机床超声波电主轴2的振动振幅和频率。通过可编程变频器控制机床超声波电主轴2高速旋转，使机床超声波电主轴2的夹头顶端的金刚石磨砂球头电极17高速旋转并伴随Z轴轴向超声振动。设置高频脉冲电源参数用以电解磨削加工，控制机床Z轴运动机构12使机床超声波电主轴2沿Z轴方向向下进给实现旋转超声辅助高频脉冲微细电解磨削扩孔加工。最后，在达到预定加工深度之后，断开高频脉冲电源，断开超声波发生器，降低机床超声波电主轴2转速，控制机床Z轴运动机构12使机床超声波电主轴2沿Z轴方向向上进给，使金刚石磨砂球头电极17退出已加工小孔，完成金刚石磨砂球头电极17的退刀操作。

在旋转超声辅助微细电解磨削扩孔加工过程中，如图3所示，由于电解作用，小孔内壁表面金属溶解并生成一层钝化膜16。由于钝化膜16的保护作用，处于波谷处的微观下凹凸不平的小孔内壁表面不再继续溶解，而处于波峰处的小孔内壁表面由于钝化膜16被金刚石磨粒18刮除而露出的新鲜金属继续被电解蚀除并再次生成钝化膜16，这样随着波峰处的钝化膜16不断被刮除可实现高效、高精度加工。

在旋转超声辅助微细电解磨削扩孔加工过程中，如图3所示，金刚石磨砂球头电极17高速旋转的同时沿主轴轴向方向进行超声振动可以利用超声振动的空化作用和强化传质效果对电解液9进行扰动，促使加工区域所析出气体和其他电解产物19及时排出，使间隙流场和间隙电场更为均匀从而优化电解磨削中电解加工的作用以提高加工效率、重复加工精度和表面加工质量。

在旋转超声辅助微细电解磨削扩孔加工过程中，如图3所示，使用高频脉冲电源可实现对工件7的微量去除，提高加工定域性和尺寸的可控性，利于精密调节电解加工和机械磨削之间的匹配，从而提高重复加工精度和表面加工质量；高频脉冲电源间隔加工的特性有利于加工区域产生的热量、气体和其他电解产物19在加工间歇期及时排出。

在利用液面控制电路控制电解液9液面高度的过程中，如图1所示，将一导电块固定于电解液槽8中，并设定导电块下表面距离工件7上表面高度一般为100-500μm；然后，接通液面控制电路，往电解液槽8中缓慢加入电解液9，当电解液9达到导电块下表面时，电路导通，LED灯亮，说明液面高度达到设定高度；最后断开液面控制电路。

工具电极6的对刀操作工程，如图1和图2所示，先调节手动升降平台10带动电解液槽8沿Z轴方向运动至合适位置使工件7上表面接近工具电极6下端；阳极工件7和阴极工具电极6分别接高频脉冲电源正极和负极，设置高频脉冲电源占空比为1作为直流稳压电源，电源电压为1.5V；然后控制机床Z轴运动机构12带动超声波电主轴2沿Z轴方向向下缓慢进给，通过霍尔电流传感器3检测到短路电流时停止进给，并反向退刀一定距离留出初始加工间隙，一般为10-20μm。

在旋转超声辅助微细电解磨削扩孔加工过程中，如图1所示，CCD视觉监测系统4可以在计算机1实时显示加工状态便于分析和调节电解作用和机械磨削之间的匹配，并为之后优化加工参数提供参考。在旋转超声辅助微细电解磨削扩孔加工过程中，如析出的气泡很多，没有火花出现，磨削声音几乎没有，说明材料的去除完全靠电解作用，会导致小孔的重复精度变差，应提高机床超声波电主轴2进给速度或调小高频脉冲电源加工参数；如加工析出的气泡很少，火花出现频繁，许多白球状产物被磨头电极甩出，磨削声音刺耳，说明金刚石磨砂球头电极17与工件7直接接触进行机械磨削，小孔内壁由机械表面形貌由机械磨削作用形成，会导致表面粗糙度增大，金刚石磨砂球头电极17严重损耗，不能实现完整地一次加工，小孔的重复精度变差，应降低机床超声波电主轴2进给速度或调大高频脉冲电源加工参数。

在旋转超声辅助微细电解磨削扩孔加工过程中，如图1所示，利用霍尔电流传感器3和数据采集卡可实时监控加工过程中电流信号，根据电流信号控制机床超声波电主轴2进给速度和高频脉冲电源参数从而实现对电解加工和机械磨削之间的精密调节和匹配，并为之后优化加工参数提供参考。在旋转超声辅助微细电解磨削扩孔加工过程中，如瞬时电流在一定范围内波动或偶然出现瞬间短路电流表明电解加工和机械磨削匹配正常，旋转超声辅助高频脉冲微细电解磨削加工稳定；如瞬时电流信号多次或持续出现短路电流说明金刚石磨砂球头电极17与工件7频繁进行直接机械磨削，则会导致小孔表面粗糙度增大，金刚石磨砂球头电极17严重损耗，小孔的加工精度变差，应降低机床超声波电主轴2进给速度或调大高频脉冲电源加工参数。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种旋转超声辅助微细电解磨削扩孔加工装置，其特征是：包括高频脉冲电源、微细电解加工机床、超声波电加工主轴、可编程变频器、测控系统、电解液槽、可升降平台，其中：

所述微细电解加工机床具有三维运动机构，控制其上设置的超声波电加工主轴沿X、Y、Z方向进行三轴联动；所述可编程变频器通过改变输出频率，控制与之相连的超声波电加工主轴的转速无极变换；

所述高频脉冲电源在阳极工件和设置于超声波电加工主轴上的工具电极之间提供脉冲方波电压信号，所述阳极工件水平安装于电解液槽内，所述电解液槽放置于可升降平台上；

所述测控系统包括检测高频脉冲电源电流值的电流采集系统、控制超声波电加工主轴超声振动振幅和频率的变频变幅器、测控液面高度的液面控制电路和监控加工情况的CCD视觉检测系统；

通过在超声波电加工主轴的高速旋转的同时对其添加轴向超声振动，结合利用高频脉冲电源对工件的预孔进行超声辅助电解磨削复合扩孔加工。

2.如权利要求1所述的一种旋转超声辅助微细电解磨削扩孔加工装置，其特征是：所述工具电极包括用于电解铣削的螺旋电极和用于电解磨削的金刚石磨砂球头电极。

3.如权利要求2所述的一种旋转超声辅助微细电解磨削扩孔加工装置，其特征是：所述螺旋电极为碳化钨螺旋柱状电极，所述金刚石磨砂球头电极磨头磨粒为120-1200目。

4.如权利要求1所述的一种旋转超声辅助微细电解磨削扩孔加工装置，其特征是：所述超声波电加工主轴的转速为0-24000r/min，并通过夹套固定的方式与机床连接。

5.如权利要求1所述的一种旋转超声辅助微细电解磨削扩孔加工装置，其特征是：所述高频脉冲电源的负极通过导电滑环连接工具电极。

6.如权利要求1所述的一种旋转超声辅助微细电解磨削扩孔加工装置，其特征是：所述电流采集系统包括检测高频脉冲电源电流值的霍尔电流传感器、用于采集电流信号的数据采集卡。

7.如权利要求1所述的一种旋转超声辅助微细电解磨削扩孔加工装置，其特征是：所述液面控制电路，包括串联的直流电源、LED灯和导电块，利用液面到达指定高度，即导电块设置的高度之后，直流电源、LED灯和导电块导通，LED灯亮来控制并显示液面高度。

8.一种基于如权利要求1-7中任一项所述的装置的旋转超声辅助微细电解磨削扩孔加工方法，其特征是：包括以下步骤：

以确定直径的螺旋电极作为阴极工具电极，将其连接在超声波电加工主轴上，以工件为阳极，阳极工件水平安装于电解液槽内，向电解液槽内添加电解液，使得电解液刚好浸没阳极工件上表面；

通过控制机床X、Y、Z轴方向的运动将工具电极缓慢接近阳极工件以实现对刀，再将工具电极沿Z轴方向向上微量进给留出初始加工间隙；

高频脉冲电源正极连接阳极工件，负极连接工具电极，接通电源，通过可编程变频器控制超声波电加工主轴高速旋转，使超声波电加工主轴沿Z轴方向向下进给实现微细电解钻削加工预孔；

达到预定加工深度之后，断开高频脉冲电源，控制机床使主轴沿Z轴方向向上退刀，使螺旋电极退出已加工的预孔，进行在线换刀操作，将螺旋电极换为金刚石磨砂球头电极，进行金刚石磨砂球头电极的对刀操作；

设置超声波电加工主轴旋转速度，设置轴向振动振幅和频率，使超声波电主轴夹头顶端的金刚石磨砂球头电极高速旋转并伴随Z轴轴向超声振动；

设置高频脉冲电源加工参数，接通高频脉冲电源，控制超声波电加工主轴沿Z轴向下进给实现超声辅助微细电解磨削扩孔加工，直到达到预定加工深度。

达到预定加工深度之后，断开高频脉冲电源和超声波发生器电源，降低超声波电加工主轴转速，控制超声波电加工主轴沿Z轴方向向上退刀，完成金刚石磨砂球头电极的退刀操作。

9.如权利要求8所述的加工方法，其特征是：对刀操作的具体过程包括：先调节可升降台带动电解液槽沿Z轴方向运动至合适位置使工件上表面接近工具电极下端；阳极工件和阴极工具分别接直流稳压电源正极和负极，控制机床带动超声波电主轴沿Z轴方向向下缓慢进给，检测到短路电流时停止进给，并反向退刀一定距离留出初始加工间隙10-20μm。

10.如权利要求8所述的加工方法，其特征是：控制液面高度的过程包括：设定导电块下表面距离工件上表面高度为100-500μm；接通液面控制电路，往电解液槽中缓慢加入电解液，当电解液达到导电块下表面时，电路导通，LED灯亮，说明液面高度达到设定高度；最后断开液面控制电路。