CN110508884B - 大深宽比窄槽结构膛线射流电解加工工具及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大深宽比窄槽结构膛线射流电解加工工具及其加工方法，涉及电解加工技术领域，射流电解加工工具包括阴极连接杆、密封盖、各导电阴极片、阴极绝缘罩、各螺旋渐进加工刃和各中空螺旋通道，阴极连接杆尾部设连接杆安装底座，其前部设管接口，后部周向均布设各导电阴极片和连接杆出液孔；连接杆安装底座、后部和各导电阴极片设于阴极绝缘罩内，阴极绝缘罩外侧周向均布设各螺旋渐进加工刃。本发明提供了一种膛线加工的新方式，保留了射流电解加工可达性好、加工表面完整性、无再铸层、微裂纹、无热影响区的优点，特别适用于大深宽比窄槽结构膛线的加工；射流电解加工工具整体呈回转对称结构，加工稳定性好。

Description

大深宽比窄槽结构膛线射流电解加工工具及其加工方法

技术领域

本发明涉及电解加工技术领域，具体涉及一种用于加工膛线的射流电解工具。

背景技术

火炮、枪支在现代军事中处于重要地位，尤其是随着现代军事的发展，对火炮、枪支的性能提出了射程更远、寿命更长以及打击精确度更高等新的要求。最初的火炮、枪支存在打击精确度低，弹药在炮管中能量损耗较大，射程短等一系列缺点，随着膛线在火炮、枪支设计中的应用，火炮、枪支的打击精度、寿命和射速等性能均有了极大的提高，很好地满足了现代军事对于火炮的性能需求。近年来，大深宽比窄槽结构膛线已被证明具备优良的性能。

传统的膛线机械加工方法有两种，包括拉线法和挤线法。拉线法通常运用于大口径炮管膛线加工，使用多把拉刀分组进行；挤线法运用于小口径枪管膛线加工，在专用设备上用冲头成型。机械方法加工膛线工序多，效率低，质量低，费时费力。而电解加工以其无切削力、无工具损耗、一次性成型效率高以及加工质量高等优势，现已广泛用于膛线加工。

现有的膛线电解加工方式主要有阴极固定式膛线电解加工、片状阴极移动式加工和阴极移动式膛线电解加工。阴极固定式膛线电解加工设备简单，但工艺尺寸难以控制，加工精度难保证，且阴极制造困难，只适用于小口径、浅膛线的工件加工，理论上可加工等齐膛线和渐速膛线。片状阴极移动式加工最先由美国Anocut公司用以进行膛线的电解加工，该方法工具阴极结构简单，易于制造，加工线型好，但加工效率低，并且由于片状阴极较薄，加工时容易因为进给系统的不稳定而造成加工误差。阴极移动式电解加工又分为圆柱阴极移动式加工和圆锥阴极移动式加工，该方法能够获得较高的加工精度和良好的表面粗糙度，加工效率高。圆锥阴极移动式加工相较于圆柱阴极移动式加工可以获得较小的膛线根部圆角。

射流电解加工也称为电液束加工，美国通用电气公司(GE公司)于20世纪60年代首先将其运用于孔的加工上。射流电解加工中阴、阳极之间加上高压直流电源，高压电解液被泵入阴极空间“阴极化”，再由喷嘴喷射至工件表面产生阳极溶解进行加工，该特点使得射流电解加工可以进行大深宽比结构的加工，深宽比最大可达80:1。该加工方法可达性好，加工表面完整性好，无再铸层，无热影响区，但是由于缺乏对应的加工工具，射流电解加工技术难以应用于膛线的加工。

发明内容

本发明正是为了避免上述现有技术所存在的不足之处，提供了一种大深宽比窄槽结构膛线射流电解加工工具及其加工方法。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：一种大深宽比窄槽结构膛线射流电解加工工具，包括具有直线进给和螺旋进给功能的加工轴，所述射流电解加工工具包括阴极连接杆、密封盖、各导电阴极片、阴极绝缘罩、各螺旋渐进加工刃和各中空螺旋通道，所述阴极连接杆呈尾部设连接杆安装底座的管状结构，其前部设与其内腔连通的管接口，后部周向均布设各同向倾斜设置的导电阴极片，所述后部上各所述导电阴极片之间的间隙处分别设各连接杆出液孔；

所述阴极绝缘罩呈内部具有圆柱形空腔的无盖结构，所述连接杆安装底座、所述后部和各所述导电阴极片设于所述圆柱形空腔内，密封盖设于所述阴极连接杆中部，与所述阴极连接杆及所述阴极绝缘罩密封配合，所述连接杆安装底座与所述阴极绝缘罩底部连接固定；所述阴极绝缘罩外侧周向均布设各所述螺旋渐进加工刃，所述螺旋渐进加工刃中部设贯通的中空螺旋通道，所述中空螺旋通道两端分别于所述圆柱形空腔和电解加工间隙连通。

进一步的，各所述螺旋渐进加工刃螺旋缠绕于所述阴极绝缘罩外部，所述螺旋渐进加工刃中部设贯通的中空螺旋通道，外部轮廓整体呈弧形，该弧形的曲率半径沿所述射流电解加工工具进给方向递减；所述中空螺旋通道呈由所述阴极绝缘罩内侧向外侧方向逐渐收缩的收敛结构。

进一步的，所述螺旋渐进加工刃的数量对应工件上阴线的数量设置。

进一步的，所述连接杆安装底座上设各连接杆安装孔和定位销孔，并通过设于各所述连接杆安装孔处的各螺栓和设于所述定位销孔处的定位销与所述阴极绝缘罩连接固定。

进一步的，所述阴极连接杆中部设密封盖安装螺纹，所述密封盖通过所述密封盖安装螺纹与所述阴极连接杆密封配合连接。

进一步的，所述阴极绝缘罩与所述密封盖及所述密封盖与所述阴极连接杆之间以密封胶密封。

进一步的，所述电解加工电源为100～1000V的高压直流电源，所述电解液为高压酸性电解液，其工作压力为0.5～8MPa。

进一步的，所述密封盖、所述阴极绝缘罩和所述螺旋渐进加工刃由绝缘材料制成，所述导电阴极片和所述阴极连接杆由耐腐蚀的导电金属材料制成。

进一步的，所述密封盖、所述阴极绝缘罩和所述螺旋渐进加工刃由环氧树脂制成。

一种大深宽比窄槽结构膛线射流电解加工工具的加工方法，包括以下步骤：

步骤一，将待加工的工件安装于工作台上，并将所述工件与电解加工电源的正极连接；

步骤二，将射流电解加工工具通过阴极连接杆安装在具有直线进给和螺旋进给功能的加工轴上，并将所述加工轴与所述电解加工电源的负极连接；

步骤三，对所述工件和所述射流电解加工工具阴极的位置进行检测校对；

步骤四，通过加工轴的直线进给运动和螺旋进给运动，将射流电解加工工具进给至初始加工位置；

步骤五，加注电解液，电解液通过管道由管接口进入所述阴极连接杆内部，流经所述阴极连接杆后由连接杆出液孔流动至所述电解加工工具的圆柱形空腔，经导电阴极片阴极化后，再由各螺旋渐进加工刃的中空螺旋通道形成射流喷射至加工间隙；

步骤六，接通电解加工电源进行加工，加工过程中，射流电解加工工具在加工轴的带动下进行直线、旋转复合的进给运动；

步骤七，加工结束，断开电解加工电源，同时停止加注电解液，射流电解加工工具在加工轴的带动下退回初始位置，完成所述工件膛线的加工。

本发明提供了一种大深宽比窄槽结构膛线射流电解加工工具及其加工方法，具有以下有益效果：

1、提供了一种膛线加工的新方式，保留了射流电解加工可达性好、加工表面完整性、无再铸层、微裂纹、无热影响区的优点，能够很好地实现火炮枪支大深宽比窄槽结构膛线的加工，加工膛线最大深宽比可达80:1。

2、射流电解加工工具整体呈回转对称结构，即使加工过程中采用高压直流电源和高压酸性电解液，仍能保持很小的加工反力，加工稳定性好；

3、当加工膛线的宽度较小时，加工处电流密度很高，而加工效率与电流密度正相关，因此加工效率高，同时特别适用于大深宽比窄槽结构膛线的加工；

4、能通过控制相关加工参数实现射流电解加工工具的精确控制，加工精度高；

5、螺旋渐进加工刃的形状和尺寸可根据实际加工膛线的参数相应设置，实用性好，适用范围广。

附图说明

图1为本发明的加工状态示意图；

图2为本发明的结构示意图；

图3为本发明阴极连接杆、各导电阴极片和连接杆安装底座的结构示意图；

图4为本发明螺旋渐进加工刃的结构示意图；

图5为本发明螺旋渐进加工刃A-A处的剖视图；

图6为本发明工件的结构示意图。

图中：

1、阴极旋转进给，2、阴极直线进给，3、管接口，4、阴极连接杆，5、密封盖，6、导电阴极片，7、阴极绝缘罩，8、螺旋渐进加工刃，9、工件，10、圆柱形空腔，11、中空螺旋通道，12、前部，13、后部，14、阳线，15、阴线，16、密封盖安装螺纹，17、连接杆岀液孔，18、连接杆安装孔，19、连接杆安装底座，20、电解液流动方向，21、定位销，22、定位销孔，23、螺栓。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1～图6所示，其结构关系为：包括具有直线进给和螺旋进给功能的加工轴，射流电解加工工具包括阴极连接杆4、密封盖5、各导电阴极片6、阴极绝缘罩7、各螺旋渐进加工刃8和各中空螺旋通道11，阴极连接杆4呈尾部设连接杆安装底座19的管状结构，其前部12设与其内腔连通的管接口3，后部13周向均布设各同向倾斜设置的导电阴极片6，后部13上各导电阴极片6之间的间隙处分别设各连接杆出液孔17；

阴极绝缘罩7呈内部具有圆柱形空腔10的无盖结构，连接杆安装底座19、后部13和各导电阴极片6设于圆柱形空腔10内，密封盖5设于阴极连接杆4中部，与阴极连接杆4及阴极绝缘罩7密封配合，连接杆安装底座19与阴极绝缘罩7底部连接固定；阴极绝缘罩7外侧周向均布设各螺旋渐进加工刃8，螺旋渐进加工刃8中部设贯通的中空螺旋通道11，中空螺旋通道11两端分别于圆柱形空腔10和电解加工间隙连通。

优选的，各螺旋渐进加工刃8螺旋缠绕于阴极绝缘罩7外部，螺旋渐进加工刃8中部设贯通的中空螺旋通道11，外部轮廓整体呈弧形，该弧形的曲率半径沿射流电解加工工具进给方向递减；该结构的设置使电解加工工具轴向进给的同时，相当于在螺旋渐进加工刃8与工件9之间实现了径向进给，利于加工过程中维持径向加工间隙恒定，进而利于形成均匀的流场和电场；中空螺旋通道11呈由阴极绝缘罩7内侧向外侧方向逐渐收缩的收敛结构，该收敛结构有利于电解液形成高流速射流状态。

优选的，螺旋渐进加工刃8的数量对应工件9上阴线15的数量设置，螺旋渐进加工刃8 的具体形状和尺寸根据工件9的膛线形状、尺寸设置。

优选的，连接杆安装底座19上设各连接杆安装孔18和定位销孔22，并通过设于各连接杆安装孔18处的各螺栓23和设于定位销孔22处的定位销21与阴极绝缘罩7连接固定。

优选的，阴极连接杆4中部设密封盖安装螺纹16，密封盖5通过密封盖安装螺纹16与阴极连接杆4密封配合连接。

优选的，阴极绝缘罩7与密封盖5及密封盖5与阴极连接杆14之间以密封胶密封。

优选的，电解加工电源为100～1000V的高压直流电源，电解液为高压酸性电解液，其工作压力为0.5～8MPa。

优选的，密封盖5、阴极绝缘罩7和螺旋渐进加工刃8由绝缘材料制成，导电阴极片6和阴极连接杆4由耐腐蚀的导电金属材料制成。

优选的，密封盖5、阴极绝缘罩7和螺旋渐进加工刃8由环氧树脂制成。

使用大深宽比窄槽结构膛线射流电解加工工具进行加工时，其加工方法包括以下步骤：

步骤一，将待加工的工件9安装于工作台上，并将工件9与电解加工电源的正极连接；

步骤二，将射流电解加工工具通过阴极连接杆4安装在具有直线进给和螺旋进给功能的加工轴上，并将加工轴与电解加工电源的负极连接；

步骤三，对工件9和射流电解加工工具阴极的位置进行检测校对；

步骤四，通过加工轴的直线进给运动和螺旋进给运动，将射流电解加工工具进给至初始加工位置；

步骤五，加注电解液，电解液通过管道由管接口3进入阴极连接杆4内部，流经阴极连接杆4后由连接杆出液孔17流动至电解加工工具的圆柱形空腔10，经导电阴极片6阴极化后，再由各螺旋渐进加工刃8的中空螺旋通道11形成射流喷射至加工间隙；

步骤六，接通电解加工电源进行加工，加工过程中，射流电解加工工具在加工轴的带动下进行直线、旋转复合的进给运动；由于螺旋渐进加工刃8的螺旋渐进式结构，工件9膛线的加工深度逐渐增大，获得大深宽比结构的膛线。

步骤七，加工结束，断开电解加工电源，同时停止加注电解液，射流电解加工工具在加工轴的带动下退回初始位置，完成工件9膛线的加工。

具体使用时，电解加工工具的旋转进给方向如阴极旋转进给1，直线进给方向如阴极直线进给2。旋转和直线复合进给的同时，高速流动的高压电解液由管接口3进入阴极连接杆4 内，再由各连接杆出液孔17流出阴极连接杆4至圆柱形空腔10，然后流经各中空螺旋通道 11分别喷射至各电解加工间隙，随后由各电解加工间隙流出。电解液在中空螺旋通道11内的流向如电解液流动方向20。加工过程中，电解液的持续高速流动带走电解产物和点解热，确保加工稳定、高效地进行。

射流电解加工工具进给动作的实现需要基于具有直线进给和螺旋进给功能的加工轴的加工机床，现有技术中的部分加工机床如中国专利复杂型面高效数控电解加工机床(CN201410457247.6)可提供直线及螺旋复合进给，能够支持射流电解加工工具的加工进给动作。

实际加工中，射流电解加工工具的控制可通过调节相关加工参数实现，具体方法可参照硕士论文磨料电化学射流加工金属表面微沟槽的试验研究(王可，南京航空航天大学)第4 章节及硕士论文射流电解小尺寸三维工艺研究(李晓霞，西安工业大学)第5章节。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种大深宽比窄槽结构膛线射流电解加工工具，包括具有直线进给和螺旋进给功能的加工轴，其特征在于：所述射流电解加工工具包括阴极连接杆(4)、密封盖(5)、各导电阴极片(6)、阴极绝缘罩(7)、各螺旋渐进加工刃(8)和各中空螺旋通道(11)，所述阴极连接杆(4)呈尾部设连接杆安装底座(19)的管状结构，其前部(12)设与其内腔连通的管接口(3)，后部(13)周向均布设各同向倾斜设置的导电阴极片(6)，所述后部(13)上各所述导电阴极片(6)之间的间隙处分别设各连接杆出液孔(17)；

所述阴极绝缘罩(7)呈内部具有圆柱形空腔(10)的无盖结构，所述连接杆安装底座(19)、所述后部(13)和各所述导电阴极片(6)设于所述圆柱形空腔(10)内，密封盖(5)设于所述阴极连接杆(4)中部，与所述阴极连接杆(4)及所述阴极绝缘罩(7)密封配合，所述连接杆安装底座(19)与所述阴极绝缘罩(7)底部连接固定；所述阴极绝缘罩(7)外侧周向均布设各所述螺旋渐进加工刃(8)，所述螺旋渐进加工刃(8)中部设贯通的中空螺旋通道(11)，所述中空螺旋通道(11)两端分别于所述圆柱形空腔(10)和电解加工间隙连通。

2.根据权利要求1所述的大深宽比窄槽结构膛线射流电解加工工具，其特征在于：各所述螺旋渐进加工刃(8)螺旋缠绕于所述阴极绝缘罩(7)外部，所述螺旋渐进加工刃(8)中部设贯通的中空螺旋通道(11)，外部轮廓整体呈弧形，该弧形的曲率半径沿所述射流电解加工工具进给方向递减；所述中空螺旋通道(11)呈由所述阴极绝缘罩(7)内侧向外侧方向逐渐收缩的收敛结构。

3.根据权利要求1所述的大深宽比窄槽结构膛线射流电解加工工具，其特征在于：所述螺旋渐进加工刃(8)的数量对应工件(9)上阴线(15)的数量设置。

4.根据权利要求1所述的大深宽比窄槽结构膛线射流电解加工工具，其特征在于：所述连接杆安装底座(19)上设各连接杆安装孔(18)和定位销孔(22)，并通过设于各所述连接杆安装孔(18)处的各螺栓(23)和设于所述定位销孔(22)处的定位销(21)与所述阴极绝缘罩(7)连接固定。

5.根据权利要求1所述的大深宽比窄槽结构膛线射流电解加工工具，其特征在于：所述阴极连接杆(4)中部设密封盖安装螺纹(16)，所述密封盖(5)通过所述密封盖安装螺纹(16)与所述阴极连接杆(4)密封配合连接。

6.根据权利要求1所述的大深宽比窄槽结构膛线射流电解加工工具，其特征在于：所述阴极绝缘罩(7)与所述密封盖(5)及所述密封盖(5)与所述阴极连接杆(14)之间以密封胶密封。

7.根据权利要求1所述的大深宽比窄槽结构膛线射流电解加工工具，其特征在于：所述电解加工电源为100～1000V的高压直流电源，所述电解液为高压酸性电解液，其工作压力为0.5～8MPa。

8.根据权利要求1所述的大深宽比窄槽结构膛线射流电解加工工具，其特征在于：所述密封盖(5)、所述阴极绝缘罩(7)和所述螺旋渐进加工刃(8)由绝缘材料制成，所述导电阴极片(6)和所述阴极连接杆(4)由耐腐蚀的导电金属材料制成。

9.根据权利要求6所述的大深宽比窄槽结构膛线射流电解加工工具，其特征在于：所述密封盖(5)、所述阴极绝缘罩(7)和所述螺旋渐进加工刃(8)由环氧树脂制成。

10.根据权利要求1所述的大深宽比窄槽结构膛线射流电解加工工具的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，将待加工的工件(9)安装于工作台上，并将所述工件(9)与电解加工电源的正极连接；

步骤二，将射流电解加工工具通过阴极连接杆(4)安装在具有直线进给和螺旋进给功能的加工轴上，并将所述加工轴与所述电解加工电源的负极连接；

步骤三，对所述工件(9)和所述射流电解加工工具阴极的位置进行检测校对；

步骤四，通过加工轴的直线进给运动和螺旋进给运动，将射流电解加工工具进给至初始加工位置；

步骤五，加注电解液，电解液通过管道由管接口(3)进入所述阴极连接杆(4)内部，流经所述阴极连接杆(4)后由连接杆出液孔(17)流动至所述电解加工工具的圆柱形空腔(10)，经导电阴极片(6)阴极化后，再由各螺旋渐进加工刃(8)的中空螺旋通道(11)形成射流喷射至加工间隙；

步骤六，接通电解加工电源进行加工，加工过程中，射流电解加工工具在加工轴的带动下进行直线、旋转复合的进给运动；

步骤七，加工结束，断开电解加工电源，同时停止加注电解液，射流电解加工工具在加工轴的带动下退回初始位置，完成所述工件(9)膛线的加工。

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