CN110935969A - 回转体内孔电解磨削加工方法及装置 - Google Patents

回转体内孔电解磨削加工方法及装置 Download PDF

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王明环
陈侠
王嘉杰
童文俊
何凯磊
商勇超
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    • B23H5/00—Combined machining
    • B23H5/06—Electrochemical machining combined with mechanical working, e.g. grinding or honing
    • B23H5/08—Electrolytic grinding

Abstract

回转体内孔电解磨削加工方法，磨削杆接电源负极，夹持在高速旋转的转台上；导孔接电源正极，固定在支撑台上，放置于电解槽中；磨削杆1的振动由轴向振动换能器和径向振动压电换能器组合而成，所述轴向振动换能器和径向振动换能器分别由不同的超声电源进行控制并实现振动；通电后，进行三维超声能场辅助回转体内孔电解磨削加工。在电解加工、机械研磨、三维超声振动共同作用下，内孔材料高速连续溶解，可实现高效、高精度内孔加工制造。本发明还包括实施回转体内孔电解磨削加工方法的装置。

Description

回转体内孔电解磨削加工方法及装置
技术领域
本发明涉及回转体内孔电解磨削加工方法及装置。
背景技术
在工业领域中，具有回转结构的内孔有着一定的需求，例如圆柱活塞孔、锥形孔等，这些孔都具有一定的表面精度要求。传统的机械磨削内孔加工，由于工件和磨粒之间接触时间长，磨粒容易磨损脱落，且加工时存在磨削热，对加工造成了一定的困扰。特别是磨削难以加工的材料时，切削深度较大，工件表面很容易被研磨热损坏，导致局部烧伤和微裂纹。
电解加工(ECM)是利用阳极溶解原理，将零件加工成形的一种制造技术。与传统的加工方法相比，ECM具有无刀具磨损，无表面损伤或塑性变形等独特优点。由于这些特点，ECM也被广泛用于加工精密内孔。然而，在加工过程中，根据先前的研究，一些合金材料易于产生大量具有粘附性的电解产物，这些产物较容易粘附在加工表面上，从而降低了加工效率、影响加工质量。另外，随着阳极工件的连续溶解，大量的微粒不规则地从基质材料中不断地暴露，这使加工表面的表面粗糙度变差。
机械磨削与ECM两者相结合的方法，加工时带有涂层磨料的金属杆作为阴极工具高速旋转，ECM和机械磨削交替进行，依附在内孔上的电解产物和凸起的微粒被阴极工具的磨料颗粒刮掉，露出新的金属表面，进一步被电解加工掉，从而提高了加工精度。但是研究发现所加工的内孔仍然存在着杂散腐蚀，且加工效率还有待提高。为此对如何实现内孔稳定、高效、高精度的加工已显得十分迫切。
发明内容
为了克服现有内孔加工技术存在的精度较差、效率不够高的不足，本发明提出了一种三维超声能场辅助回转体内孔电解磨削加工方法及装置，可实现高效、高精度、低成本的内孔加工制造。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种回转体内孔电解磨削加工方法，包括如下步骤：
步骤1.将待加工回转体内孔的工件固定在支撑台上，将支撑台和工件浸没在电解槽的电解液中；将工件接电源的正极；
步骤2.装配包含轴向振动压电换能器和径向振动压电换能器的磨削杆；工具电极包覆在可以实现径向振动的压电换能器外表面，形成径向振动压电换能器；将轴向振动压电换能器和径向振动压电换能器分别连接不同的超声电源；将磨削杆上端连接机床的主轴；
步骤3.将磨削杆的径向振动压电换能器插入工件的内孔进行磨削加工；
径向振动换能器在主轴带动下自转的同时，沿着工件表面作公转运动，径向超声振动在工件的法向和切向方向分别产生超声振动分量，法向(X)、切向振动分量(Y)形成平面内椭圆振动，椭圆振动与轴向振动(Z)组合实现三维空间超声振动；
在接通电解加工电源后，工件表面材料受到工具电极表面磨料的机械磨削作用和电解加工交替作用得到去除。
实现上述回转体内孔电解磨削加工方法的装置，包括带有待磨削的回转体内孔的工件2和磨削杆1，工件2连接电源的正极，磨削杆1连接电源的阴极，工件2固定在支撑台5上，其特征在于：磨削杆1自上而下包括依次连接的轴向振动换能器9、变幅杆19和径向振动换能器8，径向振动换能器8插入工件2的内孔，形成工具电极；工件2和工具电极浸没在电解槽6的电解液中，电解槽6放置在机床3上；磨削杆1的上端安装在转台10上，磨削杆1与转台10同轴安装，转台10设置在机床3的导轨上；径向振动换能器8包括可产生径向振动的压电陶瓷管21，压电陶瓷管21外包覆有不锈钢圆管20，不锈钢圆管20表面粘附有磨料26；轴向振动换能器9包括可产生轴向振动的压电陶瓷堆16；轴向振动换能器9和径向振动换能器8分别由不同的超声电源控制并实现振动。
优选地，径向振动换能器8的下端设有第二端盖22，压电陶瓷管21和不锈钢圆管20安装在变幅杆19和第二端盖22之间，第二螺栓25穿过第二端盖22与变幅杆19螺接；压电陶瓷管21的电极23连接第二超声电源。
优选地，轴向振动换能器包括自上而下依次连接的后端盖13、压电陶瓷堆16、前端盖11，第一螺栓15沿磨削杆1的轴心线与变幅杆19螺接，将后端盖13、压电陶瓷堆16、前端盖11压紧在变幅杆上；第一螺杆15与压电陶瓷晶堆16之间设有预应力螺栓绝缘套管18；压电陶瓷堆16的电极12连接第一超声电源。
本发明方法将工具电极接电源的负极，工件接电源的正极，工具电极包覆在可以实现径向振动的压电换能器外表面，工具电极振动由轴向振动换能器和径向振动压电换能器组合而成，轴向振动压电换能器和径向振动压电换能器分别由不同的超声电源进行控制并实现振动。径向振动换能器在主轴带动下自转的同时，沿着工件表面作一定轨迹的公转运动，径向超声振动在工件的法向和切向方向分别产生超声振动分量，法向(X)、切向振动分量(Y)形成平面内椭圆振动，椭圆振动与轴向振动(Z)组合实现三维空间超声振动。所述工具电极与工件浸没在装有电解液的电解槽中，电解液通过压力泵从电解槽的进液口流入，出液口流出，以确保加工间隙中足够的电解质和均匀的流场；径向振动换能器表面安装有回转状金属板，其表面粘附有磨料；在接通电解加工电源后，工件表面材料受到工具电极表面磨料的机械磨削作用和电解加工交替作用得到去除。三维超声振动作用下，加工间隙内产物得到充分排出，同时超声振动作用进一步抑制了电解加工后工件表面钝化层的形成，促使工件表面电场分布更为均匀，在提高材料去除率的同时、改善了加工精度，实现高效、高精度内孔加工制造。
本发明的回转体内孔电解磨削加工装置，包括磨削杆(阴极工具)、导孔(阳极工件)。所述磨削杆(阴极工具)由轴向振动换能器、变幅杆和径向振动换能器组成。轴向振动换能器通过与其相连的变幅杆与径向振动换能器相连，径向振动换能器包含外层不锈钢圆管和压电陶瓷管。所述外层不锈钢圆管底部外表面粘附有磨料；所述压电陶瓷管与所述外层不锈钢圆管利用热胀冷缩法实现紧密配合，在通电情况下发生径向振动。
所述工件的内孔(阳极工件)是经过预加工的，孔表面较为粗糙，用螺钉固定放置于支撑台上；所述支撑台放置于电解槽中。
所述外层不锈钢圆管底部通过电沉积、焊接等方式将磨料粘合到圆管表面的粘接镍层。
所述外层不锈钢圆管底部表面磨料不导电，粘接镍层导电。
所述磨削杆夹持在高速旋转的转台上，所述转台与机床连接，随机床导轨可上下移动。
所述磨削杆直径要小于所述导孔直径，以确保主轴周向运动有足够的空间。
所述支撑台底部开有通孔，避免加工过程中碰刀。
本发明的有益效果主要表现在：
与现有技术相比，本发明采用三维超声能场辅助回转体内孔电解磨削加工，通过三维超声振动、电解加工与机械磨削方法相结合，可以去除掉纯机械加工时产生的毛刺、电解加工时孔边缘的杂散腐蚀/工件表面钝化层；同时三维超声能场能够促进材料在走刀方向及垂直于走刀方向的去除，并对加工表面三维空间区域内进行微观作用，促进了加工间隙内产物的排出、抑制了工件表面钝化层的形成，提高了加工效率、加工精度。
附图说明
图1是本发明的回转体内孔电解磨削加工装置的示意图。
图2是本发明的工具电极结构图。
图3是本发明的三维超声振动模式图。
图4是本发明的XY平面内的加工示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述
参照图1～2,一种三维超声能场辅助回转体内孔电解磨削加工装置，包括磨削杆(阴极工具)1、带有待加工内孔的工件(阳极工件)2。所述磨削杆(阴极工具)1由轴向振动换能器9、变幅杆19和径向振动换能器8组成。所述轴向振动换能器9由压电陶瓷晶堆(三个陶瓷片)16、金属电极片17、第一螺栓15、预应力螺栓绝缘套管18、前端盖11、后端盖13、垫圈(轴向)14组成；所述压电陶瓷晶堆16、金属电极片17、前端盖11、后端盖13通过第一螺栓15与所述变幅杆19连接；所述第一螺栓15与所述压电陶瓷晶堆16之间设有预应力螺栓绝缘套管18，避免高压打火；所述压电陶瓷晶堆16的正负极各引出一条导线12，与轴向超声电源的正负极相连接。
所述径向振动换能器8由外层不锈钢圆管20、压电陶瓷管21、端盖22、垫圈(径向)24、第二螺栓25组成；所述外层不锈钢圆管20底部外表面粘附有磨料26；所述压电陶瓷管21与所述外层不锈钢圆管20利用热胀冷缩法实现紧密配合，其上各引出一条导线23，与径向超声电源的正负极相连接；所述外层不锈钢圆管20、压电陶瓷管21、端盖22利用第二螺栓25与所述变幅杆19相连接。
所述工件的内孔(阳极工件)2是经过预加工的，孔表面较为粗糙，用螺钉7固定放置于支撑台5上；所述支撑台5放置于电解槽6中；所述电解槽6设有进出液口，通过橡胶管与储液槽4相连。
所述外层不锈钢圆管20底部通过电沉积、焊接等方式将磨料26粘合到圆管表面的粘接镍层27。
所述磨料26不导电，粘接镍层27导电。
所述磨削杆1夹持在高速旋转的转台10上，所述转台10与机床3连接，随机床导轨可上下移动。
所述磨削杆1直径要小于所述工件2的内孔直径，以确保转台10周向运动有足够的空间。
所述支撑台5底部开有通孔，避免加工过程中碰刀。
参照图1～4,一种三维超声能场辅助回转体内孔电解磨削加工方法，磨削杆1接电源负极，夹持在高速旋转的转台上；工件2接电源正极，用螺钉7固定在支撑台5上，放置于电解槽6中；磨削杆1的振动由轴向振动换能器9和径向振动压电换能器8组合而成，所述轴向振动换能器9和径向振动换能器8分别由不同的超声电源进行控制并实现振动；通电后，进行三维超声能场辅助回转体内孔电解磨削加工。
如图3三维振动模式所示，加工过程中径向振动换能器8在转台10带动下自转的同时，沿着工孔2的内孔表面作一定轨迹的公转运动，径向超声振动在工件的法向(X)和切向(Y)方向分别产生超声振动分量，法向(X)、切向振动分量(Y)形成平面内椭圆振动，椭圆振动与轴向振动(Z)组合实现三维空间超声振动。
在本实施例中，如图4所示，超声能场在XYZ三维空间内对所加工的工件2内孔在其成形深度及周向宽度方向产生了超声分量(VX、VY、VZ)，提高了内孔成形的效率、改善了表面加工精度。同时磨削杆1的自转磨削作用，使得孔壁上残留的电解产物和裸露出来的凸起微粒被磨料26迅速刮掉，露出新的金属表面，进一步促进了材料的溶解、改善了电解加工电场分布的均匀性。因此，此发明所提出方法，在电解加工、机械研磨、三维超声振动共同作用下，内孔材料高速连续溶解，可实现高效、高精度内孔加工制造。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (6)

1.一种回转体内孔电解磨削加工方法，包括如下步骤：
步骤1.将待加工回转体内孔的工件固定在支撑台上，将支撑台和工件浸没在电解槽的电解液中；将工件接电源的正极；
步骤2.装配包含轴向振动压电换能器和径向振动压电换能器的磨削杆；工具电极包覆在可以实现径向振动的压电换能器外表面，形成径向振动压电换能器；将轴向振动压电换能器和径向振动压电换能器分别连接不同的超声电源；将磨削杆上端连接机床的主轴；
步骤3.将磨削杆的径向振动压电换能器插入工件的内孔进行磨削加工；
径向振动换能器在主轴带动下自转的同时，沿着工件表面作公转运动，径向超声振动在工件的法向和切向方向分别产生超声振动分量，法向(X)、切向振动分量(Y)形成平面内椭圆振动，椭圆振动与轴向振动(Z)组合实现三维空间超声振动；
在接通电解加工电源后，工件表面材料受到工具电极表面磨料的机械磨削作用和电解加工交替作用得到去除。
2.实现权利要求1所述的回转体内孔电解磨削加工方法的装置，包括带有待磨削的回转体内孔的工件(2)和磨削杆(1)，工件(2)连接电源的正极，磨削杆(1)连接电源的阴极，工件(2)固定在支撑台(5)上，其特征在于：磨削杆(1)自上而下包括依次连接的轴向振动换能器(9)、变幅杆(19)和径向振动换能器(8)，径向振动换能器(8)插入工件(2)的内孔，形成工具电极；工件(2)和工具电极浸没在电解槽(6)的电解液中，电解槽(6)安装在机床(3)上；磨削杆(1)的上端安装在转台(10)上，磨削杆(1)与转台(10)同轴安装，转台(10)设置在机床(3)的导轨上；径向振动换能器(8)包括可产生径向振动的压电陶瓷管(21)，压电陶瓷管(21)外包覆有不锈钢圆管(20)，不锈钢圆管(20)表面粘附有磨料(26)；轴向振动换能器(9)包括可产生轴向振动的压电陶瓷堆(16)；轴向振动换能器(9)和径向振动换能器(8)分别由不同的超声电源控制并实现振动。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于：径向振动换能器(8)的下端设有第二端盖(22)，压电陶瓷管(21)和不锈钢圆管(20)安装在变幅杆(19)和第二端盖(22)之间，第二螺栓(25)穿过第二端盖(22)与变幅杆(19)螺接；压电陶瓷管(21)的电极(23)连接第二超声电源。
4.如权利要求2所述的装置，其特征在于：轴向振动换能器包括自上而下依次连接的后端盖(13)、压电陶瓷堆(16)、前端盖(11)，第一螺栓(15)沿磨削杆(1)的轴心线与变幅杆(19)螺接，将后端盖(13)、压电陶瓷堆(16)、前端盖(11)压紧在变幅杆上；第一螺杆(15)与压电陶瓷晶堆(16)之间设有预应力螺栓绝缘套管(18)；压电陶瓷堆(16)的电极(12)连接第一超声电源。
5.如权利要求2所述的装置，其特征在于：不锈钢圆管(20)外设有用于粘合磨料(26)的粘接镍层(27)。
6.如权利要求2所述的装置，其特征在于：所述的电解槽(6)通过管道连接储液槽(4)，并循环换液。
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