CN110102841A - 一种超声调制放电-电解高效铣削加工系统 - Google Patents
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Abstract
一种超声调制放电‑电解高效铣削加工系统，属于特种加工技术领域，由超声振动控制系统、多轴机床控制系统、复合加工供电控制系统和电解液循环系统组成，根据阳极工件型面特征匹配相应加工轨迹，可对加工轨迹进行矢量分解，转化为超声振动控制系统和多轴机床控制系统的控制输入量，实现铣削过程与超声振动的精确同步；通过位移传感器实时检测超声振动幅值，通过可编程控制器处理作为复合加工供电控制系统的控制输入量，实现变电压过程与超声振动过程的耦合作用，可提高阳极材料的去除效率和加工过程的平稳性；利用旋转接头将电解液循环系统提供的高速高压电解液流体直接输送到加工间隙内，强化间隙内流体的传质效率，实现更小间隙的高效复合加工。
Description
技术领域
本发明属于复合高效特种加工技术领域，涉及一种超声复合电解铣削加工系统，具体的说是涉及一种超声调制放电-电解高效铣削加工系统。
背景技术
随着科学技术的发展，越来越多的大型复杂整体构件出现在国防、航空、航天、能源等领域的高科技装备中，如航空发动机整体机匣零件、直升机中央件、航天火箭发动机涡轮泵复杂流道零件等等。它们通常尺寸较大、特征复杂、材料去除率高、且多采用高温合金、钛合金等难切削材料制成，因此制造难度很大。
复合加工方法是同时利用多种能量形式工艺方法实现工件材料高效率、高质量、低成本加工的创新性技术方法。近年来，在复合特种加工技术领域出现了将超声、放电及电化学溶解过程相结合的复合加工方法，该方法充分利用了超声辅助振动、微火花放电及高速电化学溶解的优势，在大中型难切削材料复杂零件的高效加工领域具有极大的应用潜力。
中国专利号ZL201110350813.X发明专利提出了一种超声电解复合微细加工方法及装置，该发明利用超声振动作用及空化效应带动工作液中磨料去除阳极工件表面的钝化膜，提高阳极材料的电化学溶解速率，并构建了相应的加工装置。中国专利号ZL201510848977.3发明专利提出了多轴联动超声调制微细电解加工系统，该发明同时复合了超声、放电及电解加工技术，并在加工过程中通过机床系统的在线检测系统对加工参数进行实时监控和调节，实现三维复杂型面型面的稳定加工。然而，上述电解复合加工方法及加工系统均用于微细加工领域，难以满足复杂零件大余量去除的高效加工需求。因此，构建一种高效的超声复合电解铣削加工系统，对电解复合加工技术的推广和难切削材料复杂零件的大余量高效加工具有显著意义。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术的缺点和不足，提出一种超声调制放电-电解高效铣削加工系统，加工系统结构简单、操作方便，可满足难切削材料大中型复杂零件的高效率、低成本的加工需求，易于在生产实践中推广使用。
本发明的技术方案是：一种超声调制放电-电解高效铣削加工系统，其特征在于：所述超声调制放电-电解高效铣削加工系统由多轴机床控制系统、超声振动调控系统、复合加工供电控制系统、工作液循环系统、加工参数检测与调控系统组成；
所述多轴机床控制系统由控制计算机、CNC控制器、伺服电机、C轴旋转机构、Z轴进给机构、A轴旋转机构、X轴进给机构和Y轴进给机构连接组成；所述C轴旋转机构和Z轴进给机构驱动机床加工主轴，所述A轴旋转机构、X轴进给机构和Y轴进给机构驱动工作台；所述控制计算机根据加工对象的结构特征，将各轴的运动指令输送给CNC控制器，通过多轴机床控制系统的联合运动实现复杂型面结构加工成形；
所述超声振动调控系统由控制计算机、超声波调节电路、超声波发生器和多维超声激励装置连接组成；所述控制计算机根据加工对象的结构特征，将各轴的运动指令转化为超声波发生器的调控参数，控制多维超声激励装置的各向振动功率，使其合成主振方向与铣削轨迹完全同步；
所述复合加工供电控制系统由位移传感器、可编程控制器，高低压切换控制回路、复合加工电源和斩波电路连接组成；所述位移传感器与多维超声激励装置相连，准确测定超声振动的位移参数，通过可编程控制器转化为高低压切换控制回路的控制信号，调控所述复合加工电源，实现高频高压信号和直流低压信号的可控输出；
所述复合加工工作液循环系统由旋转接头、工具电极、加工区电解液槽、过滤器、泵、调压阀、压力表、溢流阀和电解液储存箱连接组成；泵从电解液储存箱中抽吸经过过滤器过滤的清洁工作液，通过调压阀、压力表及溢流阀的调节和观察作用，向旋转接头输送一定压力的工作液，并通过内喷液形式的工具电极直接输送到加工间隙内；
所述加工参数检测与调控系统由控制计算机、位移传感器、电参数传感器和加工参数数显存储器连接组成；所述位移传感器将检测到位移参数和电参数传感器检测到的电流及电压参数一起输送给加工参数数显存储器，并由加工参数数显存储器输送给控制计算机，控制计算机根据数显存储器送达的实际加工参数耦合状态调节重新调节多维超声激励装置的各向振动功率，实现稳定、高效的复合加工过程。
所述多维超声激励装置可以实现X、Y、Z三向振动频率的自由调节作用，加工过程中，通过计算机输出的控制指令，调节超声波发生器在各向上的振动能量，使其合成主振方向与铣削轨迹完全同步。
所述多维超声激励装置通过支撑板安装于Y向进给机构、X向进给机构和A轴旋转机构之上。
所述位移传感器应具有高速、高精特性，满足及时精准检测超声振动位移的需求。
所述复合加工电源可根据高低压回路的切换指令，实现高频脉冲高压输出和直流低压输出的自由切换。
所述工具电极应具有内部电解液流道和侧壁电解液出口，加工过程中，工作液通过旋转接头输送给工具电极，确保加工间隙内工作液供给充足。
所述电参数传感器可精确采集电流信号及电压信号。
本发明的有益效果为：本发明提出的一种超声调制放电-电解高效铣削加工系统，系统由超声振动控制系统、多轴机床控制系统、复合加工供电控制系统和电解液循环系统组成，系统结构新颖，控制计算机可以根据阳极工件型面特征匹配相应加工轨迹，并对加工轨迹进行矢量分解，将其转化作为超声振动控制系统和多轴机床控制系统的控制输入量，实现铣削过程与超声振动的精确同步，达到铣削过程中随动式的超声辅助作用；通过精密位移传感器实时检测超声振动幅值，通过可编程控制器处理作为复合加工供电控制系统的控制输入量，实现变电压过程与超声振动过程的耦合作用，大幅提高阳极材料的去除效率和加工过程的平稳性；利用旋转接头将电解液循环系统提供的高速高压电解液流体直接输送到加工间隙内，强化间隙内流体的传质效率，实现更小间隙的高效复合加工，系统原理清晰，操作方便，突破了现有技术的极限，满足了难切削材料大中型复杂零件的高效率、低成本加工的迫切需求，具有广阔的市场应用潜力，易于在生产实践中推广使用。
附图说明
图1 为本发明系统整体结构示意图。
图中：控制计算机1、CNC控制器2、伺服电机3、超声波发生器4、超声波调节电路5、二维超声激励装置6、位移传感器7、可编程控制器8、高低压切换控制回路9、电源10、斩波电路11、C轴旋转机构12、Z轴进给机构13、旋转接头14、阴极工具15、阳极工件16、加工区电解液槽17、A轴旋转机构18、X轴进给机构19、Y轴进给机构20、机构底座21、过滤器22、泵23、调压阀24、压力表25、溢流阀26、电解液储存箱27、电参数传感器28、加工参数数显存储器29。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1所示，一种超声调制放电-电解高效铣削加工系统，加工系统由多轴机床控制系统、超声振动调控系统、复合加工供电控制系统、工作液循环系统、加工参数检测与调控系统组成。
如图1所示，一种超声调制放电-电解高效铣削加工系统，多轴机床控制系统由控制计算机1、CNC控制器2、伺服电机3、C轴旋转机构12、Z轴进给机构13、A轴旋转机构18、X轴进给机构19和Y轴进给机构20连接组成；C轴旋转机构12和Z轴进给机构13驱动机床加工主轴，A轴旋转机构18、X轴进给机构19和Y轴进给机构20驱动工作台；控制计算机1根据加工对象的结构特征，将各轴的运动指令输送给CNC控制器2，通过多轴机床控制系统的联合运动实现复杂型面结构加工成形。
如图1所示，一种超声调制放电-电解高效铣削加工系统，超声振动调控系统由控制计算机1、超声波调节电路4、超声波发生器5和多维超声激励装置6连接组成；控制计算机1根据加工对象的结构特征，将各轴的运动指令转化为超声波发生器5的调控参数，控制多维超声激励装置6的各向振动功率，使其合成主振方向与铣削轨迹完全同步。
如图1所示，一种超声调制放电-电解高效铣削加工系统，复合加工供电控制系统由位移传感器7、可编程控制器8，高低压切换控制回路9、复合加工电源10和斩波电路11连接组成；位移传感器7与多维超声激励装置6相连，准确测定超声振动的位移参数，通过可编程控制器8转化为高低压切换控制回路9的控制信号，调控复合加工电源10，实现高频高压信号和直流低压信号的可控输出。
如图1所示，一种超声调制放电-电解高效铣削加工系统，复合加工工作液循环系统由旋转接头14、工具电极15、加工区电解液槽17、过滤器22、泵23、调压阀24、压力表25、溢流阀26和电解液储存箱27连接组成；泵23从电解液储存箱27中抽吸经过过滤器22过滤的清洁工作液，通过调压阀24、压力表25及溢流阀26的调节和观察作用，向旋转接头14输送一定压力的工作液，并通过内喷液形式的工具电极15直接输送到加工间隙内。
如图1所示，一种超声调制放电-电解高效铣削加工系统，加工参数检测与调控系统由控制计算机1、位移传感器7、电参数传感器28和加工参数数显存储器29连接组成；位移传感器7将检测到位移参数和电参数传感器28检测到的电流及电压参数一起输送给加工参数数显存储器29，并由加工参数数显存储器29输送给控制计算机1，控制计算机1根据数显存储器29送达的实际加工参数耦合状态调节重新调节多维超声激励装置6的各向振动功率，实现稳定、高效的复合加工过程。
如图1所示，一种超声调制放电-电解高效铣削加工系统，多维超声激励装置6可以实现X、Y、Z三向振动频率的自由调节作用，加工过程中，通过计算机1输出的控制指令，调节超声波发生器5在各向上的振动能量，使其合成主振方向与铣削轨迹完全同步；多维超声激励装置6通过支撑板安装于Y向进给机构20、X向进给机构19和A轴旋转机构18之上；位移传感器7应具有高速、高精特性，满足及时精准检测超声振动位移的需求；复合加工电源10可根据高低压回路的切换指令，实现高频脉冲高压输出和直流低压输出的自由切换；工具电极15应具有内部电解液流道和侧壁电解液出口，加工过程中，工作液通过旋转接头14输送给工具电极15，确保加工间隙内工作液供给充足；电参数传感器28可精确采集电流信号及电压信号。
如图1所示，一种超声调制放电-电解高效铣削加工系统的工作原理如下：控制计算机1、CNC控制器2、伺服电机3、C轴旋转机构12、Z轴进给机构13、A轴旋转机构18、X轴进给机构19、Y轴进给机构20共同构成多轴机床控制系统。Z轴进给及C轴旋转用来驱动机床加工主轴，X、Y轴进给及A轴旋转用来驱动工作台。控制计算机1根据加工对象的结构特征，将各轴的运动指令输送给CNC控制器2，通过多轴驱动系统的联合运动实现复杂型面结构加工成形。控制计算机1、超声波调节电路4、超声波发生器5、多维超声激励装置6共同构成超声振动调控系统；控制计算机1根据加工对象的结构特征，将各轴的运动指令转化为超声波发生器5的调控参数，控制多维超声激励装置6的各向振动功率，使其合成主振方向与铣削轨迹完全同步。位移传感器7、可编程控制器8、高低压切换控制回路9、复合加工电源10、斩波电路11共同构成复合加工供电控制系统。位移传感器7与多维超声激励装置6相连，准确测定超声振动的位移参数，通过可编程控制器8转化为高低压切换控制回路9的控制信号，调控复合加工电源10，实现高频高压信号和直流低压信号的可控输出。控制计算机1、位移传感器7、电参数传感器28，加工参数数显存储器29共同构加工参数检测与调控系统；位移传感器7将检测到位移参数和电参数传感器28检测到的电流及电压参数一起输送给加工参数数显存储器29，并由加工参数数显存储器29输送给控制计算机1，控制计算机1根据数显存储器29送达的实际加工参数耦合状态调节重新调节多维超声激励装置6的各向振动功率，实现稳定、高效的复合加工过程。旋转接头14、工具电极15，加工区电解液槽17、过滤器22、泵23、调压阀24、压力表25、溢流阀26、电解液储存箱27共同构成复合加工工作液循环系统。泵23从电解液储存箱27中抽吸经过过滤器22过滤的清洁工作液，通过调压阀24、压力表25及溢流阀26的调节和观察作用，向旋转接头14输送一定压力的工作液，并通过内喷液形式的工具电极15直接输送到加工间隙内。
Claims (7)
1.一种超声调制放电-电解高效铣削加工系统，其特征在于：所述超声调制放电-电解高效铣削加工系统由多轴机床控制系统、超声振动调控系统、复合加工供电控制系统、工作液循环系统、加工参数检测与调控系统组成；
所述多轴机床控制系统由控制计算机(1)、CNC控制器(2)、伺服电机(3)、C轴旋转机构(12)、Z轴进给机构(13)、A轴旋转机构(18)、X轴进给机构(19)和Y轴进给机构(20)连接组成；所述C轴旋转机构(12)和Z轴进给机构(13)驱动机床加工主轴，所述A轴旋转机构(18)、X轴进给机构(19)和Y轴进给机构(20)驱动工作台；所述控制计算机(1)根据加工对象的结构特征，将各轴的运动指令输送给CNC控制器(2)，通过多轴机床控制系统的联合运动实现复杂型面结构加工成形；
所述超声振动调控系统由控制计算机(1)、超声波调节电路(4)、超声波发生器(5)和多维超声激励装置(6)连接组成；所述控制计算机(1)根据加工对象的结构特征，将各轴的运动指令转化为超声波发生器(5)的调控参数，控制多维超声激励装置(6)的各向振动功率，使其合成主振方向与铣削轨迹完全同步；
所述复合加工供电控制系统由位移传感器(7)、可编程控制器(8)，高低压切换控制回路(9)、复合加工电源(10)和斩波电路(11)连接组成；所述位移传感器(7)与多维超声激励装置(6)相连，准确测定超声振动的位移参数，通过可编程控制器(8)转化为高低压切换控制回路(9)的控制信号，调控所述复合加工电源(10)，实现高频高压信号和直流低压信号的可控输出；
所述复合加工工作液循环系统由旋转接头(14)、工具电极(15)、加工区电解液槽(17)、过滤器(22)、泵(23)、调压阀(24)、压力表(25)、溢流阀(26)和电解液储存箱(27)连接组成；泵(23)从电解液储存箱(27)中抽吸经过过滤器(22)过滤的清洁工作液，通过调压阀(24)、压力表(25)及溢流阀(26)的调节和观察作用，向旋转接头(14)输送一定压力的工作液，并通过内喷液形式的工具电极(15)直接输送到加工间隙内；
所述加工参数检测与调控系统由控制计算机(1)、位移传感器(7)、电参数传感器(28)和加工参数数显存储器(29)连接组成；所述位移传感器(7)将检测到位移参数和电参数传感器(28)检测到的电流及电压参数一起输送给加工参数数显存储器(29)，并由加工参数数显存储器(29)输送给控制计算机(1)，控制计算机(1)根据数显存储器(29)送达的实际加工参数耦合状态调节重新调节多维超声激励装置(6)的各向振动功率，实现稳定、高效的复合加工过程。
2.根据权利要求1所述的一种超声调制放电-电解高效铣削加工系统，其特征在于：所述多维超声激励装置(6)可以实现X、Y、Z三向振动频率的自由调节作用，加工过程中，通过计算机(1)输出的控制指令，调节超声波发生器(5)在各向上的振动能量，使其合成主振方向与铣削轨迹完全同步。
3.根据权利要求1所述的一种超声调制放电-电解高效铣削加工系统，其特征在于：所述多维超声激励装置(6)通过支撑板安装于Y向进给机构(20)、X向进给机构(19)和A轴旋转机构(18)之上。
4.根据权利要求1所述的一种超声调制放电-电解高效铣削加工系统，其特征在于：所述位移传感器(7)应具有高速、高精特性，满足及时精准检测超声振动位移的需求。
5.根据权利要求1所述的一种超声调制放电-电解高效铣削加工系统，其特征在于：所述复合加工电源(10)可根据高低压回路的切换指令，实现高频脉冲高压输出和直流低压输出的自由切换。
6.根据权利要求1所述的一种超声调制放电-电解高效铣削加工系统，其特征在于：所述工具电极(15)应具有内部电解液流道和侧壁电解液出口，加工过程中，工作液通过旋转接头(14)输送给工具电极(15)，确保加工间隙内工作液供给充足。
7.根据权利要求1所述的一种超声调制放电-电解高效铣削加工系统，其特征在于：所述电参数传感器(28)可精确采集电流信号及电压信号。
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