CN108857598B - 基于电磁超声振动复合能场的内孔加工系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于电磁超声振动复合能场的内孔加工系统，它解决了现有技术中加工区域流场不稳定性、影响工件加工质量的问题，能够实现复合能场辅助作用下电解研磨高效、精密内孔加工；其技术方案为：包括超声波电主轴，超声波电主轴设有中空管电极；在超声波电主轴的下方放置电解槽，电解槽内具有磁场发生装置，磁场发生装置内侧设有用于支撑工件的支撑块，磁场发生装置为加工区域的工件提供稳定磁场作用；电解槽一侧具有与其连通的盛放有电解液磁性磨粒液的供液槽，供液槽通过电解液循环装置与超声波电主轴一侧相连，为中空管电极提供电解液磁性磨粒液；超声波电主轴连接变频控制系统，通过变频控制系统调节超声波电主轴的振动频率。

Description

基于电磁超声振动复合能场的内孔加工系统及方法
技术领域
本发明涉及电解研磨加工技术领域，尤其涉及一种基于电磁超声振动复合能场的内孔加工系统及方法。
背景技术
内孔结构广泛应用于诸多工程应用中，其中包括：航天发动机气膜冷却空、精密仪表上小孔、化学纤维板上微细孔等。内孔表面粗糙度显著影响小孔的成型质量，因此对内孔精密微细加工的技术要求也越来越高。
电解研磨在众多加工小孔技术方法中具有显著优势，该加工技术优点是：不受材料强度、硬度和韧性的限制，工件加工表面无残余应力。但由于管电极与工件间隙间产生湍流现象导致加工区域流场不稳定性，影响了工件深孔内圆表面精度和表面质量。为了提高表面精度，需合理调整超声波电主轴进给速度及线圈电流大小和线圈摆放位置，并控制好电解液磁性磨粒悬浮液流速、流量，来提高小孔加工过程的稳定性。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于电磁超声振动复合能场的内孔加工系统及方法，其采用超声波与磁场复合的方式，在超声振动产生的空化作用下，强化微细磁性悬浮磨粒对工件钝化膜的机械磨削和研磨等作用，同时在强化传质作用下使析出气体及其他产物及时排除，避免极间间隙产生电火花放电现象，实现内孔的高效率精密加工。
本发明采用下述技术方案：
基于电磁超声振动复合能场的内孔加工系统，包括一个可三轴联动的超声波电主轴，所述超声波电主轴设有中空管电极；在超声波电主轴的下方放置一个可水平移动的电解槽，电解槽内具有磁场发生装置，所述磁场发生装置内侧设有用于支撑工件的支撑块，磁场发生装置为加工区域的工件提供稳定磁场作用；
所述电解槽一侧具有与其连通的盛放有电解液磁性磨粒液的供液槽，所述供液槽通过电解液循环装置与超声波电主轴一侧相连，为中空管电极提供电解液磁性磨粒液；所述超声波电主轴连接变频控制系统，通过变频控制系统调节超声波电主轴的振动频率。
进一步的，所述磁场发生装置包括一个或偶数个U型极柱，U型极柱周向外侧绕制有线圈，所述U型极柱顶端具有极头。
进一步的，所述线圈通过电子调压器连接伺服直流电源，伺服直流电源为线圈提供稳定的低压直流电。
进一步的，所述中空管电极顶部通过套筒连接变幅杆，套筒侧面安装气管接头，所述气管接头通过塑料管连接电解液循环装置。
进一步的，所述套筒与变幅杆螺纹连接，套筒底部具有用于夹紧中空管电极的抱紧夹块，且套筒安装抱紧夹块位置与中空管电极之间设置O型密封圈。
进一步的，所述支撑块内部具有空腔，且支撑块两侧具有与所述空腔连通的孔。
进一步的，所述变频控制系统包括与超声波电主轴通过导线连接的变频器，变频器分别通过导线与超声波电源和工控机相连。
进一步的，所述中空管电极通过电刷连接高频脉冲电源的负极，使用时高频脉冲电源的正极连接工件；电刷与高频脉冲电源之间并联霍尔电流传感器，所述霍尔电流传感器通过数据采集卡连接工控机。
进一步的，所述电解液磁性磨粒液中磁性磨粒的质量百分比为10％～15％，粒度为1200～5000目，且电解液中添加有分散剂。
进一步的，所述分散剂为聚丙烯酸钠。
基于电磁超声振动复合能场的内孔加工系统的操作方法，包括以下步骤：
步骤(1)待加工工件固定于支撑块上方；
步骤(2)确定超声波电主轴沿各轴进给关系；
步骤(3)接通超声波电源，调节工控机与变频器加工过程中的振动频率、振幅和中空管电极的进给速度，通过霍尔电流传感器检测加工过程中短路现象；电解液磁性磨粒液在超声振动空化作用下，强化磁性磨粒对机械加工的作用效果；通过电子调压器调节磁场回路电压产生加工区域内稳定的磁场，实现待加工工件内孔的高效率精密加工。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明将超声场与电磁场结合起来，通过优化复合能场的多种参数，形成对电解液磁性磨粒液流场稳定性协同调控机制，实现复合能场辅助作用下电解研磨高效、精密内孔加工；解决现有技术中单一外加超声场对电解研磨作用范围小以及单一外加电磁场对工件加工区域流场的均匀性和磁场的稳定性作用效果不是很明显的问题；
(2)本发明通过合理调整超声波电主轴与磁场发生装置的位置，实现了超声振动作用与电磁搅拌作用效果一致性，使磁性悬浮磨粒在加工区域各个方向研磨更充分，获得更低的表面粗糙度；
(3)本发明相比施加单一能场的装置，能够根据工件加工精度要求调节磁场强度和超声振动参数实现协同调控作用，能够在高效率、低能耗条件下得到较高重复精度和表面质量的内孔；
(4)本发明结构简单，操作方便，可自适应协同调控超声波电主轴和磁场发生装置的工艺参数，能够实现内圆深孔等特殊零件高效精密加工，具有很强的工程应用价值。
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为本发明的结构示意图；
图2为本发明的加工部分结构示意图；
图3为本发明的磁场发生装置结构示意图；
其中，1.工作台、2.电解槽、3.电子调压器、4.伺服直流电源、5.中空管电极、6.单片机、7.X向直线导轨、8.Y向直线导轨、9.Z向直线导轨、10.超声波电主轴、11.导线、12.控制卡、13.变频器、14.工控机、15.超声波电源、16.霍尔电流传感器、17.数据采集卡、18.电刷、19.高频脉冲电源、20.泵、21.伺服阀、22.塑料管、23.电解液磁性磨粒液、24.工件、25.磁场发生装置、26.X-Y轴滑台、27.螺钉、28.套筒、29.变幅杆、30.气管接头、31.O型密封圈、32.抱紧夹块、33.线圈、34.研磨侧面间隙、35.极头、36.磁感线、37.U型极柱、38.支撑块。
具体实施方式
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。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在加工区域流场不稳定性、影响工件加工质量的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种基于电磁超声振动复合能场的内孔加工系统及方法。
本申请的一种典型的实施方式中，如图1-图3所示，提供了基于电磁超声振动复合能场的内孔加工系统，包括超声波电主轴10、X向直线导轨7、Y向直线导轨8、Z向直线导轨9、工作台1、X-Y轴滑台26、电解槽2、供液槽、磁场发生装置25、变频控制系统等。
工作台1上方安装X-Y轴滑台26，X-Y轴滑台26一侧具有X向直线导轨7、Y向直线导轨8、Z向直线导轨9，X向直线导轨7、Y向直线导轨8、Z向直线导轨9与现有能够实现三轴联动的机床中导轨相同，此处不再赘述。
X向直线导轨7、Y向直线导轨8、Z向直线导轨9带动超声波电主轴10分别沿X轴、Y轴、Z轴三个方向移动；X向直线导轨7、Y向直线导轨8、Z向直线导轨9分别通过控制卡12连接工控机14。
优选地，所述的超声波电主轴10的转速为0-24000r/min。
所述超声波电主轴10上安装一个变幅杆29，变幅杆29的底端与套筒28螺纹连接；所述套筒28内部为开口朝向一侧的空腔，套筒28的开口端与气管接头30螺纹连接。
所述套筒28下侧连接中空管电极5，所述中空管电极5顶端延伸至套筒28内部空腔；套筒28底部具有与中空管电极5接触的抱紧夹块32，所述抱紧夹块32与套筒28通过螺钉连接，且抱紧夹块32侧面通过螺钉27紧固。
中空管电极5与套筒28、抱紧夹块32的接触位置设有O型密封圈31，防止电解液磁性磨粒液23外渗；O型密封圈31、抱紧夹块32与中空管电极5保持同轴度一致，能够实现电解液磁性磨粒液23稳定注入中空管电极5内腔内，弥补了外喷电解液方式的不足。
所述中空管电极5外侧及套筒28内部空腔均涂覆涂层材料。
优选地，所述涂层材料为耐腐蚀绝缘的六方氮化硼。
X-Y轴滑台26上放置一个电解槽2和供液槽，中空管电极5对应于电解槽2的上方；电解槽2和供液槽之间通过耐腐蚀的塑料管22连通，供液槽与电解液循环装置相连，电解液循环装置通过耐腐蚀的塑料管22连接至气管接头30。
供液槽中盛放电解液磁性磨粒液23，电解液磁性磨粒液23为含有磁性磨粒的电解液，其中，磁性磨粒的质量百分比为10％～15％，粒度为1200～5000目，且在电解液中添加分散剂。
优选地，所述分散剂为聚丙烯酸钠。
所述电解液循环装置向中空管电极5提供电解液磁性磨粒液，实现电解液磁性磨粒液23的过滤、循环利用；电解液循环装置包括通过耐腐蚀塑料管22连接的泵20和伺服阀21，所述泵20通过塑料管22连接至气管接头30，伺服阀21设置在连通电解槽2和供液槽的塑料管22上。
所述磁场发生装置25包括一个或偶数个U型极柱37，当U型极柱37为偶数个时，沿周向间隔分布；U型极柱37两侧周向绕制有线圈33，通过线圈33产生磁感线36；所述U型极柱37顶端具有极头35；U型极柱37两侧的线圈33匝数相同。
所述的U型极柱37、极头35由硅钢加工而成，极头35与U型极柱37为螺纹连接。
所述线圈33通过电子调压器3连接伺服直流电源4，伺服直流电源4为线圈33提供稳定的低压直流电；伺服直流电源4通过单片机6连接工控机14。
电子调压器3可进行无极调压，调压范围为0～300V；通过调节电子调压器3能够使极头35产生的稳定磁场作用于加工区域，以提高内孔研磨加工过程稳定性。
U型极柱37的内侧放置用于放置工件24的支撑块38，当U型极柱37为一个时，支撑块38放置于U型极柱37上，当U型极柱37为偶数个时，支撑块38位于多个U型极柱37所围成的内部空间中。
工件24水平放置于支撑块38上且其加工区域中心位置与支撑块38对称中心共线；保证加工区域研磨侧面间隙34的磁感线36均匀对称分布，避免工件24加工区域外的杂散腐蚀；所述支撑块38内部沿其轴线方向具有空腔，且支撑块38两侧具有与所述空腔连通的孔；U型极柱37的厚度能够保证支撑块38的稳定放置。
所述变频控制系统包括与超声波电主轴10通过导线11连接的变频器13，变频器13分别通过导线11与超声波电源15和工控机14相连；通过变频器13可自适应调节输出频率，以调整超声波电主轴10的振动参数。
所述中空管电极5通过电刷18连接高频脉冲电源19的负极，高频脉冲电源19的正极连接工件24；电刷18与高频脉冲电源19之间并联霍尔电流传感器16，所述霍尔电流传感器16通过数据采集卡17连接工控机14，以实时检测和控制加工过程中短路现象。
电磁超声振动复合能场的内孔加工方法包括以下步骤：
步骤(1)待加工工件24固定于支撑块38上方；
步骤(2)根据实际加工需要确定超声波电主轴10沿X、Y和Z轴进给关系；
步骤(3)接通超声波电源15，根据确定的进给关系调节工控机14与变频器13加工过程中的振动频率、振幅和中空管电极5的进给速度，通过霍尔电流传感器16检测加工过程中短路现象；
电解液磁性磨粒液23在超声振动空化作用下，强化磁性磨粒对钝化膜的机械磨削和冲击研磨等作用效果；通过电子调压器3调节磁场回路电压能够产生加工区域内稳定的磁场，提高了内孔研磨过程中的稳定性，最终实现内孔的高效率精密加工。
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。

Claims (10)

1.基于电磁超声振动复合能场的内孔加工系统，其特征在于，包括一个可三轴联动的超声波电主轴，所述超声波电主轴设有中空管电极；在超声波电主轴的下方放置一个可水平移动的电解槽，电解槽内具有磁场发生装置，所述磁场发生装置内侧设有用于支撑工件的支撑块，磁场发生装置为加工区域的工件提供稳定磁场作用；
所述电解槽一侧具有与其连通的盛放有电解液磁性磨粒液的供液槽，所述供液槽通过电解液循环装置与超声波电主轴一侧相连，为中空管电极提供电解液磁性磨粒液；所述超声波电主轴连接变频控制系统，通过变频控制系统调节超声波电主轴的振动频率。
2.根据权利要求1所述的基于电磁超声振动复合能场的内孔加工系统，其特征在于，所述磁场发生装置包括一个或偶数个U型极柱，U型极柱周向外侧绕制有线圈，所述U型极柱顶端具有极头。
3.根据权利要求2所述的基于电磁超声振动复合能场的内孔加工系统，其特征在于，所述线圈通过电子调压器连接伺服直流电源，伺服直流电源为线圈提供稳定的低压直流电。
4.根据权利要求1所述的基于电磁超声振动复合能场的内孔加工系统，其特征在于，所述中空管电极顶部通过套筒连接变幅杆，套筒侧面安装气管接头，所述气管接头通过塑料管连接电解液循环装置。
5.根据权利要求4所述的基于电磁超声振动复合能场的内孔加工系统，其特征在于，所述套筒与变幅杆螺纹连接，套筒底部具有用于夹紧中空管电极的抱紧夹块，且套筒安装抱紧夹块位置与中空管电极之间设置O型密封圈。
6.根据权利要求1所述的基于电磁超声振动复合能场的内孔加工系统，其特征在于，所述支撑块内部具有空腔，且支撑块两侧具有与所述空腔连通的孔。
7.根据权利要求1所述的基于电磁超声振动复合能场的内孔加工系统，其特征在于，所述变频控制系统包括与超声波电主轴通过导线连接的变频器，变频器分别通过导线与超声波电源和工控机相连。
8.根据权利要求1所述的基于电磁超声振动复合能场的内孔加工系统，其特征在于，所述中空管电极通过电刷连接高频脉冲电源的负极，使用时高频脉冲电源的正极连接工件；电刷与高频脉冲电源之间并联霍尔电流传感器，所述霍尔电流传感器通过数据采集卡连接工控机。
9.根据权利要求1所述的基于电磁超声振动复合能场的内孔加工系统，其特征在于，所述电解液磁性磨粒液中磁性磨粒的质量百分比为10％～15％，粒度为1200～5000目，且电解液中添加有分散剂。
10.根据权利要求1-9任一所述的基于电磁超声振动复合能场的内孔加工系统的操作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤(1)待加工工件固定于支撑块上方；
步骤(2)确定超声波电主轴沿各轴进给关系；
步骤(3)接通超声波电源，调节工控机与变频器加工过程中的振动频率、振幅和中空管电极的进给速度；通过霍尔电流传感器检测加工过程中短路现象；电解液磁性磨粒液在超声振动空化作用下，强化磁性磨粒对机械加工的作用效果；通过电子调压器调节磁场回路电压产生加工区域内稳定的磁场，实现待加工工件内孔的高效率精密加工。
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