CN109909567B - 高效精密电解机械组合式铣削加工方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高效精密电解机械组合式铣削加工方法及装置，属于电解机械复合加工领域。针对于难切削材料的加工，为了达到高效精密去除材料的目的，本发明提出一种高效精密电解机械组合式铣削加工方法及装置，即先对工件进行电解大余量去除材料，后对工件进行机械铣削小余量去除材料达到整平效果，可以实现一次工序获得高精度、大切深的加工表面，加工效率高，且铣刀磨损小，使用寿命长，大大降低了刀具使用成本。

Description

高效精密电解机械组合式铣削加工方法及装置

技术领域

本发明涉及一种高效精密电解机械组合式铣削加工方法及装置，属于电解机械复合加工领域。

背景技术

随着航空航天工业的快速发展，航空器内关键构件的性能要求越来越高，如航空发动机，作为提供航空飞行器所需推力的关键部件，其直接影响飞行器的航行性能、可靠性与稳定性。由于航空发动机工作时处于高温环境，其内部组件材料多采用具有耐蚀性好、耐热性高、强度高的镍基高温合金与钛合金，然而，这些合金属于难切削金属材料，采用传统的机械加工成形零件时，会在加工区域产生大的切削力与切削热，易导致刀具磨损严重，加工过程需频繁换刀，造成工件生产周期冗长，成本高。

电解加工主要利用阳极电化学溶解原理去除材料，与传统机械加工相比，电解加工工具阴极与工件表面不接触，所以不会产生工具磨损，此外，电解加工还具有工件表面无热变形层、无残余应力、无毛刺等优点，通过合理的设置电解加工参数，可以一直持续稳定的对工件进行加工，极大地缩短了零件制造周期，降低了成本。传统的拷贝式电解加工，通过工具阴极持续向工件表面法向进给，可以加工出具有复杂结构的型面、型腔等，但其阴极结构设计复杂、成本高，且柔性差，只能满足特定结构下的零件加工。针对于此，具有高柔性的电解铣削技术应运而生，此技术一般采用普通的棒状结构作为工具阴极，设计简单，制造方便，将其与数控编程技术进行结合，可以满足具有复杂结构的型面加工，且一种阴极可以用于不同结构下的零件成型加工，灵活性高，但在实际电解加工过程中，阴极底部加工区中流场与电场分布的均匀性与稳定性较难控制，不均匀的流场与电场会导致较低的加工精度，这些制约了电解铣削向高精度工程领域的进一步应用。

目前，为了兼顾电解加工效率与精度，电解铣磨加工方法被提出，即采用带磨粒的棒状电极作为工具阴极，在大电压情况下，工件表面材料完全由电解大余量去除，在小电压情况下，阳极工件表面生成钝化膜，能够软化工件表面层材料，降低材料硬度，在阴极高速旋转的情况下，通过磨粒的磨削作用小余量去除工件材料，提高工件表面精度。专利申请号为201810001038.9《电解铣磨高效粗精加工一体化方法》中，提出采用高电压下电解大余量去除工件表面材料，小电压下通过金刚石磨粒去除工件表面钝化膜，零电压下直接进行机械磨削整平工件表面，可以获得高精度的加工表面，但其由于采用粗加工与精加工结合的方式，工序繁琐，且磨粒尺寸小，精加工阶段还需要进行多次往复磨削，加工效率较低；专利申请号为201810047047.1《兼顾效率与精度的电解铣磨加工工具阴极及电解铣磨方法》中，提出了一种弧形凹槽与绝缘磨粒层相互交替排布的工具阴极，在电解铣磨加工过程中，弧形凹槽与绝缘磨粒层交替作用可以实现一种自脉冲效果，极大地提高了工件表面加工精度，但此工具阴极减少了底端加工区裸露出的电解面积，削弱了电解大余量去除的作用，同时增大磨粒切深容易加速磨粒磨损，增加了刀具成本；专利申请号为201711212603.8《改善电解铣磨加工底面平整性的工具阴极及方法》中，提出在工具阴极端面开若干同心圆孔，抑制了电解液在已加工底面中间区域的流动，获得了较好的表面形貌，但工件表面槽的横截面仍然呈现两端高中间低的平滑过渡状的弧形结构，槽两端凸起部分仍然无法得到有效去除。

为了进一步提高材料的去除效率与加工精度，电解机械复合铣削加工方法被初步提出，其采用一体化电解机械复合铣削工具，即在工具阴极端面镶嵌若干铣刀片，虽然工件材料会同时由于电解与机械铣削的复合作用而去除，可以获得比单一电解加工更高的材料去除量与加工精度，但其存在一定局限性，在实际加工过程中，工件材料会首先被位于工具阴极底端的边缘区域进行电解去除，而后其余材料将被铣刀片的机械铣削作用去除，其中，由于工具阴极底端的边缘电解区域面积有限，导致电解的去除量较低，未能充分发挥电解大余量去除材料的优势，此外，由于铣削半径与阴极底面半径相等，在阴极高速旋转且不断进给的情况下，先被电解机械复合加工的工件表面会受到来自阴极底端二次电解的去除作用，影响工件表面形貌与加工精度。因此，如何兼顾电解机械铣削的高效率与高精度，对其进一步的推广和发展具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种高效精密电解机械组合式铣削加工方法及装置，采用先电解后机械铣削的组合式加工方法，即先对工件进行电解大余量去除材料，后对工件进行机械铣削小余量去除材料达到整平效果，可以实现一次工序获得高精度、大切深的加工表面，加工效率高，且铣刀磨损小，使用寿命长，大大降低了刀具使用成本。

一种高效精密电解机械组合式铣削加工方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一、将工具阴极设置于铣刀之前；调节工具阴极、铣刀及工件，使得工具阴极与铣刀处于工件加工面的区域外，同时保证工具阴极与工件表面之间的加工间隙在0.5～1.5mm范围内，铣刀刀尖相对于工件表面下降深度h；步骤二、工具阴极接电源负极，工件接电源正极，同时工具阴极保持不动，铣刀保持原地高速转动；步骤三、y向移动工件，使其以速度v相向于工具阴极与铣刀作匀速进给运动，由于工具阴极设置于铣刀之前，则工件加工路径上的每一点材料都将先经历工具阴极电解去除后，再经历铣刀机械铣削去除，一次加工即可获得高精度的平底槽结构，且由于电解加工起到材料大余量去除的作用，机械铣削加工只是起到材料小余量去除达到修整工件表面的作用，所以能够延长铣刀的使用寿命；步骤四、完成一道工序后，以反向速度移动工件，使工具阴极与铣刀快速退出工件加工区域；步骤五、x向移动工件，使工具阴极与铣刀相对于工件完成侧向进给，重复步骤三至步骤五，直到工件表面加工完毕。

所述的高效精密电解机械组合式铣削加工方法，其特征在于：铣刀刀尖切入工件材料的深度h等于工件在前端工具阴极电解作用下的溶蚀槽深度，其值根据法拉第定律与欧姆定律计算得出，即

其中，η为电流效率，ω为材料体积电化学当量，i为电流密度，t为工件加工区域上任一点的加工时间，v为工具阴极相对于工件的进给速度，b为工具阴极底部端面在进给方向上的有效长度；其中有效长度b等于工具阴极底部端面在平行于进给方向上的总长度a与出液口在平行于进给方向上的长度c之差。

一种高效精密电解机械组合式铣削加工装置，其特征在于：包括工具阴极、转接块、工字型滑块、支撑板、z向可移动轴套、旋转轴、紧固套、弹簧夹头、铣刀；转接块具有内部空腔结构，转接块的侧壁设有进液口；工具阴极底端开有出液口，其中工具阴极连接在转接块的底端，转接块顶端连接在工字型滑块的底端，工字型滑块设置在支撑板底端的工字型凹槽内，可在支撑板底端的工字型凹槽内沿y向左右移动，并通过锁紧螺钉固定工字型滑块与支撑板的相对位置；支撑板的顶端固定于z向可移动轴套的底端，旋转轴安装在可移动轴套内，旋转轴下端伸出支撑板；铣刀通过紧固套及紧固套内的弹簧夹头安装于旋转轴下端。

所述的高效精密电解机械组合式铣削加工装置，其特征在于：工具阴极底端出液口形状为矩形，保证工件加工区域上每一点在电解加工时都具有相同的加工时间，进而获得相同的材料去除量。

所述的高效精密电解机械组合式铣削加工装置，其特征在于：上述铣刀包含T形刀杆，T形刀杆的T形端焊接有至少两个等圆心角分布的铣刀片，保证铣刀在切削过程中的稳定性，提高工件表面加工质量。

所述的高效精密电解机械组合式铣削加工装置，其特征在于：铣刀片采用陶瓷材质，避免工具阴极加工时的杂散电流对其造成腐蚀侵害，提高铣刀使用寿命。

上述高效精密电解机械组合式铣削装置的加工方法，其特征在于：通过z向可移动轴套可带动工具阴极与铣刀实现z向上下移动，保证工具阴极与工件表面之间的加工间隙在0.5～1.5mm范围内，铣刀刀尖相对于工件表面下降深度h；通过移动工字型滑块可调节工具阴极与铣刀的相对位置，使得工具阴极1与铣刀10之间具有合适的间距，既可以保证电解加工的不平整表面得以及时修整，又可以保证机械铣削产生的切屑不会对工具阴极1表面造成损伤，且适合于多尺寸下的工具阴极与铣刀的复合加工；工件可在xy向平面移动，调节其与工具阴极和铣刀的相对位置，同时提供相向于工具阴极与铣刀的进给速度。

本发明具有以下优点：

1、采用本发明组合式加工方法及工装形式，即先电解加工后机械铣削加工的组合形式，可以克服单一电解加工产生的表面不平整现象，且避免了已加工面被二次电解的风险，使得加工出的槽或型面具有更高的加工精度与表面质量，同时可以克服单一电解加工在不平整表面产生的遗传误差问题。

2、采用本发明组合式加工方法，可以避免更换工序的时间损耗，一次动作即可完成电解加工与机械铣削两种工艺，极大地提高了加工效率，且由于电解加工起到材料大余量去除的作用，机械铣削加工只是起到材料小余量去除达到修整工件表面的作用，所以能够延长铣刀的使用寿命，此加工方法尤其适合钛合金、高温合金等难切削材料的加工。

3、采用普通铣刀如工具钢、硬质合金等，其刀片具有导电性，当机械铣削工件表面时，铣刀片与工件由于接触而带电，此时铣刀相当于接通电源正极，工具阴极在铣刀前端进行电解加工时，铣刀片会受到来自工具阴极杂散电流的腐蚀危害。本发明中采用陶瓷等绝缘材质的铣刀片，可以避免工具阴极加工时的杂散电流对其造成腐蚀侵害，提高了刀具使用寿命。

附图说明

图1为本发明一种高效精密电解机械复合铣削加工方法及装置的主视图；

图2为本发明一种高效精密电解机械复合铣削加工方法及装置的左视图；

图3为本发明一种高效精密电解机械复合铣削加工方法初始状态示意图；

图4为本发明一种高效精密电解机械复合铣削加工方法加工时的三维示意图。

图中标号名称为：1—工具阴极，2—转接块，3—工字型滑块，4—锁紧螺钉，5—支撑板，6—z向可移动轴套，7—旋转轴，8—弹簧夹头，9—紧固套，10—铣刀，11—T形刀杆，12—铣刀片，13—工件，14—电源，15—供液方向，16—出液口。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作更进一步的说明：

如图1至图4所示，一种高效精密电解机械组合式铣削加工方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一、调节工具阴极1、铣刀10及工件13，使得工具阴极1与铣刀10处于工件13加工面的区域外，同时保证工具阴极1与工件13表面之间的加工间隙在0.5～1.5mm范围内，铣刀10刀尖相对于工件13材料表面下降深度h；步骤二、工具阴极1接电源14负极，工件13接电源14正极，同时工具阴极1保持不动，铣刀10保持原地高速转动；步骤三、y向移动工件13，使其以一定速度v相向于工具阴极1与铣刀10作匀速进给运动，则工件13加工路径上的每一点材料都将经历先电解去除后机械铣削去除的过程，一次加工即可获得高精度的平底槽结构，且由于电解加工起到材料大余量去除的作用，机械铣削加工只是起到材料小余量去除达到修整工件表面的作用，所以能够延长铣刀的使用寿命；步骤四、完成一道工序后，以反向速度移动工件13，使工具阴极1与铣刀10快速退出工件13加工区域；步骤五、x向移动工件13，使工具阴极1与铣刀10相对于工件13完成侧向进给，重复步骤三至步骤五，直到工件表面加工完毕。

所述铣刀10刀尖切入工件13材料的深度h等于工件13在前端工具阴极1电解作用下的溶蚀槽深度，其值可以根据法拉第定律与欧姆定律计算得出，即

其中，η为电流效率，ω为材料体积电化学当量，i为电流密度，t为工件13加工面上任一点的加工时间，v为工具阴极1相对于工件13的进给速度，b为工具阴极1底部端面在进给方向上的有效长度。

所述工具阴极1底部端面在进给方向上的有效长度b为工具阴极1底部端面在进给方向上对工件13加工区上每一点发挥电解作用的长度，其值等于工具阴极1底部端面在平行于进给方向上的总长度a与出液口16在平行于进给方向上的长度c之差。

一种高效精密电解机械组合式铣削加工装置，其特征在于：工具阴极1连接在具有内部空腔结构的转接块2的底端，转接块2的侧壁设有进液口，同时顶端连接在工字型滑块3的底端，工字型滑块3设置在支撑板5底端的工字型凹槽内，可在支撑板5底端的工字型凹槽内沿y向左右移动，并通过锁紧螺钉4固定工字型滑块3与支撑板5的相对位置，支撑板5的顶端固定于z向可移动轴套6的底端，z向可移动轴套6内设置有高速转动的旋转轴7，旋转轴7伸出支撑板5的轴端连接有紧固套9，紧固套9内配合有弹簧夹头8与铣刀10。

所述工具阴极1设置于铣刀10之前，即工具阴极1先对工件13材料进行大余量去除，铣刀10后对工件13材料在相同的加工路径上进行小余量去除，一次加工即可获得切深大、平整性好的沟槽；所述工具阴极1可在z向可移动轴套6的移动下调节其与工件13之间的加工间隙，同时在工字型滑块3的移动下调节其与铣刀10之间的相对位置，使得工具阴极1与铣刀10之间具有合适的间距，既可以保证电解加工的不平整表面得以及时修整，又可以保证机械铣削产生的切屑不会对工具阴极1表面造成损伤，且适合于多尺寸下的工具阴极1与铣刀10的复合加工；所述工具阴极1底端开有出液口16，电解液由供液方向15流进工具阴极1内部，并从出液口16流出，工具阴极1底部端面对工件13起到电解加工的作用；所述工具阴极1底端出液口16形状优选为矩形，保证工件13加工区域上每一点在电解加工时具有相同的加工时间，进而获得相同的材料去除量。

所述铣刀10可在z向可移动轴套6的控制下，调节铣刀10刀尖切入工件13材料的深度h，同时在旋转轴7的作用下可实现高速转动，对工件13进行机械铣削加工；所述铣刀10包含T形刀杆11，T形刀杆11的T形端焊接有至少两个等圆心角分布的铣刀片12，保证铣刀10在切削过程中的稳定性，提高工件表面加工质量；所述铣刀片12采用陶瓷等绝缘材质制作，可以避免工具阴极1加工时的杂散电流对其造成腐蚀侵害，提高铣刀10使用寿命。

所述工件13可在xy向平面移动，调节其与工具阴极1和铣刀10的相对位置，同时提供相向于工具阴极1与铣刀10的进给速度。

实施例

假设工件13材料为TC6钛合金，电解液采用浓度为30％的NaNO3溶液，则根据电化学工艺手册可查得电流效率η为0.725，电化学体积当量ω为2.1mm³/(A·min)；电流密度i设为40A/cm²，工具阴极1与工件13之间的加工间隙设为1mm，工具阴极1厚度a设为10mm，工具阴极1底端设有一条矩形出液口16，出液口16宽度设为2mm，工件13相向于工具阴极1与铣刀10的进给速度v设为10mm/min。则根据上述参数，用工具阴极1的厚度a减去出液口16的宽度c，可计算出工具阴极1底面在进给方向上的有效宽度b为8mm；根据法拉第定律与欧姆定律，由公式

可计算出铣刀10刀尖切入工件13材料的深度h为0.534mm。

本发明加工方法的具体步骤如下：

步骤一、通过移动z向可移动轴套6调节工具阴极1与铣刀10，同时xy向移动工件13，使得工具阴极1与铣刀10处于工件13加工面的区域外，且保证工具阴极1与工件13之间的加工间隙为1mm，铣刀10刀尖相对于工件13材料表面下降的深度h为0.534mm；

步骤二、工具阴极1接电源14负极，工件13接电源14正极，同时工具阴极1保持不动，铣刀10保持原地高速转动；

步骤三、y向移动工件13，使其以速度v＝10mm/min的速度相向于工具阴极1与铣刀10运动，则工件13加工路径上的每一点材料都将经历先电解去除后机械铣削去除的过程，一次加工即可获得深度为0.534mm的高精度平底槽结构；

步骤四、完成一道工序后，以反向速度移动工件13，使工具阴极1与铣刀10快速退出工件13加工区域；

步骤五、x向移动工件13，使工具阴极1与铣刀10相对于工件3完成侧向进给，重复步骤三至步骤五，直到工件13表面加工完毕。

以上所述，仅为本发明的较佳的具体实施方式。当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种高效精密电解机械组合式铣削加工方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、将工具阴极（1）设置于铣刀（10）之前；调节工具阴极（1）、铣刀（10）及工件（13），使得工具阴极（1）与铣刀（10）处于工件（13）加工面的区域外，同时保证工具阴极（1）与工件（13）表面之间的加工间隙在0.5~1.5mm范围内，铣刀（10）刀尖相对于工件（13）表面下降深度h；

步骤二、工具阴极（1）接电源（14）负极，工件（13）接电源（14）正极，同时工具阴极（1）保持不动，铣刀（10）保持原地高速转动；

步骤三、y向移动工件（13），使其以速度v相向于工具阴极（1）与铣刀（10）作匀速进给运动，由于工具阴极（1）设置于铣刀（10）之前，则工件（13）加工路径上的每一点材料都将先经历工具阴极（1）电解去除后，再经历铣刀（10）机械铣削去除，一次加工即可获得高精度的平底槽结构；

步骤四、完成一道工序后，以反向速度移动工件（13），使工具阴极（1）与铣刀（10）快速退出工件（13）加工区域；

步骤五、x向移动工件（13），使工具阴极（1）与铣刀（10）相对于工件（13）完成侧向进给，重复步骤三至步骤五，直到工件表面加工完毕；

上述铣刀（10）刀尖切入工件（13）材料的深度h等于工件在前端工具阴极（1）电解作用 下的溶蚀槽深度，其值根据法拉第定律与欧姆定律计算得出，即

，其中，

为电流效率，

为

，

为电流密度，

为工件（13）加工区域上任一点的加 工时间，v为工具阴极（1）相对于工件（13）的进给速度，b为工具阴极（1）底部端面在进给方 向上的有效长度；其中有效长度b等于工具阴极（1）底部端面在平行于进给方向上的总长度 a与出液口（16）在平行于进给方向上的长度c之差。

2.一种高效精密电解机械组合式铣削加工装置，其特征在于：

包括工具阴极（1）、转接块（2）、工字型滑块（3）、支撑板（5）、z向可移动轴套（6）、旋转轴（7）、紧固套（9）、弹簧夹头（8）、铣刀（10）； 转接块（2）具有内部空腔结构，转接块（2）的侧壁设有进液口；工具阴极（1）底端开有出液口（16），

其中工具阴极（1）连接在转接块（2）的底端，转接块（2）顶端连接在工字型滑块（3）的底端，工字型滑块（3）设置在支撑板（5）底端的工字型凹槽内，并通过锁紧螺钉（4）固定工字型滑块（3）与支撑板（5）的相对位置；支撑板（5）的顶端固定于z向可移动轴套（6）的底端，旋转轴（7）安装在可移动轴套（6）内，旋转轴（7）下端伸出支撑板（5）；铣刀（10）通过紧固套（9）及紧固套（9）内的弹簧夹头（8）安装于旋转轴（7）下端。

3.根据权利要求2所述的高效精密电解机械组合式铣削加工装置，其特征在于：工具阴极（1）底端出液口（16）形状为矩形。

4.根据权利要求2所述的高效精密电解机械组合式铣削加工装置，其特征在于：上述铣刀（10）包含T形刀杆（11），T形刀杆（11）的T形端焊接有至少两个等圆心角分布的铣刀片（12）。

5.根据权利要求2所述的高效精密电解机械组合式铣削加工装置，其特征在于：铣刀片（12）采用陶瓷材质。

6.根据权利要求2所述的高效精密电解机械组合式铣削加工装置的加工方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、通过z向可移动轴套（6）可带动工具阴极（1）与铣刀（10）实现z向上下移动；通过移动工字型滑块（3）可调节工具阴极（1）与铣刀（10）的相对位置；工件（13）可在xy向平面移动；

通过上述方式调节工具阴极（1）、铣刀（10）及工件（13），使得工具阴极（1）与铣刀（10）处于工件（13）加工面的区域外，同时保证工具阴极（1）与工件（13）表面之间的加工间隙在0.5~1.5mm范围内，铣刀（10）刀尖相对于工件（13）表面下降深度h；

步骤二、工具阴极（1）接电源（14）负极，工件（13）接电源（14）正极，同时工具阴极（1）保持不动，铣刀（10）保持原地高速转动；其中电解液由转接块（2）侧面进入并流入工具阴极（1）内部，并从工具阴极（1）底部出液口（16）流出，工具阴极（1）底部端面对工件（13）起到电解加工的作用；

步骤三、y向移动工件（13），使其以速度v相向于工具阴极（1）与铣刀（10）作匀速进给运动，由于工具阴极（1）设置于铣刀（10）之前，则工件（13）加工路径上的每一点材料都将先经历工具阴极（1）电解去除后，再经历铣刀（10）机械铣削去除，一次加工即可获得高精度的平底槽结构；

步骤四、完成一道工序后，以反向速度移动工件（13），使工具阴极（1）与铣刀（10）快速退出工件（13）加工区域；

步骤五、x向移动工件（13），使工具阴极（1）与铣刀（10）相对于工件（13）完成侧向进给，重复步骤三至步骤五，直到工件表面加工完毕。

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