CN111230241A - 数控电解磨削加工对刀装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数控电解磨削加工对刀装置和方法，其中，所述装置包括：机床工作台，机床工作台用于装夹待加工工件；加工模块，加工模块设置于机床工作台的上方，加工模块用于对待加工工件进行加工；电源模块，电源模块分别与待加工工件和加工模块相连，电源模块用于为电解磨削加工过程提供电源；电解液组件，电解液组件与加工模块相连，以形成电解液回路；测压模块，测压模块设置于电解液回路中，测压模块用于检测电解液回路的背压值。本发明能够实现电解磨削加工的快速对刀和加工间隙的有效控制，并可提高导电磨轮的使用寿命。

Description

数控电解磨削加工对刀装置和方法

技术领域

本发明涉及机床加工技术领域，尤其涉及一种数控电解磨削加工对刀装置和数控电解磨削加工对刀方法。

背景技术

数控电解磨削加工是近年来兴起的一种电化学机械复合加工工艺手段。该方法将电解加工的高效性与机械磨削加工的高精度性紧密结合，使其成为了一种兼具二者优势的新型加工工艺。该方法具有机械切削力小、工件表面质量好及工具电极基本无损耗等优点，而且该方法可无视加工工件材料本身的硬度，因此特别适合加工硬质合金等难加工材料，并且能够提升传统机械加工的效率及精度。所以，该方法目前在航空航天等领域正被广泛研究及应用，其具有极大的发展潜力及广阔的发展空间。

对于数控电解磨削加工中的电解与机械磨削的匹配问题，主要由加工间隙决定，因此如何有效控制加工间隙是提升数控电解磨削加工效果的关键。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种数控电解磨削加工对刀装置，能够实现电解磨削加工的快速对刀和加工间隙的有效控制，并可提高导电磨轮的使用寿命。

本发明的第二个目的在于提出一种数控电解磨削加工对刀方法。

为达到上述目的，本发明第一方面实施例提出的数控电解磨削加工对刀装置包括：机床工作台，所述机床工作台用于装夹待加工工件；加工模块，所述加工模块设置于所述机床工作台的上方，所述加工模块用于对所述待加工工件进行加工；电源模块，所述电源模块分别与所述待加工工件和所述加工模块相连，所述电源模块用于为电解磨削加工过程提供电源；电解液组件，所述电解液组件与所述加工模块相连，以形成电解液回路；测压模块，所述测压模块设置于所述电解液回路中，所述测压模块用于检测所述电解液回路的背压值。

根据本发明实施例的数控电解磨削加工对刀装置，通过控制机床Z轴下降进行加工模块对刀，并通过测压模块检测的电解液回路的背压值确定对刀完成位置，由此，能够实现电解磨削加工的快速对刀和加工间隙的有效控制，并可提高导电磨轮的使用寿命。

另外，根据本发明上述实例提出的数控电解磨削加工对刀装置还可以具有如下附加的技术特征：

具体地，所述加工模块包括机床主轴、不锈钢刀柄、磨轮安装轴和导电磨轮，其中，所述不锈钢刀柄固定于所述机床主轴上，所述磨轮安装轴固定于所述不锈钢刀柄上，所述导电磨轮固定于所述磨轮安装轴上，所述不锈钢刀柄内部设置有轴向中心孔，侧面设置有进水孔，所述磨轮安装轴设置有轴向通孔。

具体地，所述电源模块包括直流脉冲电源。

具体地，所述电解液组件包括电解液池、进水管、粗过滤器、主泵、主阀、流量计、精过滤器、回流管和调节阀。

具体地，所述测压模块包括压力表。

其中，所述机床工作台设置有若干T型槽，以装夹所述待加工工件。

为达到上述目的，本发明第二方面实施例提出的数控电解磨削加工对刀方法包括以下步骤：通入电解液并启动旋转导电磨轮；控制机床Z轴下降以进行电解磨削加工，观察压力表示数变化幅度；当压力表示数变化到设定阈值时，停止机床Z轴下降，记录此时数控系统中的机床Z轴坐标并输入到机床的工件坐标系中。

根据本发明实施例的数控电解磨削加工对刀方法，在控制机床Z轴下降对刀过程中，通过压力表检测电解液回路的背压值来确定对刀完成位置，由此，能够实现电解磨削加工的快速对刀和加工间隙的有效控制，并可提高导电磨轮的使用寿命。

附图说明

图1为本发明实施例的数控电解磨削加工对刀装置的结构示意图；

图2为本发明一个实施例的数控电解磨削加工对刀装置的结构示意图；

图3为本发明实施例的数控电解磨削加工对刀方法的流程图。

附图标记：

10-机床工作台；20-加工模块，21-机床主轴，22-不锈钢刀柄，23-磨轮安装轴，24-导电磨轮；30-电源模块；40-电解液组件，41-电解液池，42-进水管，43-粗过滤器，44-主泵，45-主阀，46-流量计，47-精过滤器，48-回流管，49-调节阀；50-测压模块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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做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所示，本发明实施例数控电解磨削加工对刀装置包括：机床工作台10、加工模块20、电源模块30、电解液组件40和测压模块50。其中，机床工作台10用于装夹待加工工件；加工模块20设置于机床工作台10的上方，加工模块20用于对待加工工件进行加工；电源模块30分别与待加工工件和加工模块20相连，电源模块30用于为电解磨削加工过程提供电源；电解液组件40与加工模块20相连，以形成电解液回路；测压模块50设置于电解液回路中，测压模块50用于检测电解液回路的背压值。

在本发明的一个实施例中，如图2所示，加工模块20可包括机床主轴21、不锈钢刀柄22、磨轮安装轴23和导电磨轮24。其中，不锈钢刀柄22固定于机床主轴21上，磨轮安装轴23固定于不锈钢刀柄22上，导电磨轮24固定于磨轮安装轴23上，不锈钢刀柄22内部设置有轴向中心孔，侧面设置有进水孔，磨轮安装轴23设置有轴向通孔。通过在不锈钢刀柄和磨轮安装轴内设置轴向中心孔和轴向通孔，使电解液得以在不锈钢刀柄和磨轮安装轴内部进行流动，从而可实现内喷电解磨削加工。

进一步地，如图2所示，电源模块30可包括直流脉冲电源。其中，待加工工件接直流脉冲电源的正极作电解加工的阳极，导电磨轮24接直流脉冲电源的负极作电解加工的阴极。需要说明的是，阳极电压需达到待加工工件金属在电解液中的最低溶解电压，才能电解，故电压不能过小，而考虑到在精密电解加工时需控制电解作用较小，故电压又不能过大，因此可采用脉冲电源，通过减小脉冲电源的占空比来缩短电解作用时间，以实现电解作用的微量调节。

进一步地，如图2所示，电解液组件40可包括电解液池41、进水管42、粗过滤器43、主泵44、主阀45、流量计46、精过滤器47、回流管48和调节阀49。其中，进水管42与不锈钢刀柄22的侧面进水孔相连，回流管48与磨轮安装轴23的轴向通孔相连，在进行电解加工时，电解液池41内的电解液可通过进水管42流入不锈钢刀柄22内部进行内喷电解加工，并可通过磨轮安装轴23的轴向通孔流入回流管48，最后流回电解液池41。通过电解液组件之间各部件的相互配合，可使电解液得以顺利流动，以进行内喷电解加工。

在本发明的一个实施例中，测压模块50可包括压力表，如图2所示，选用的压力表可优选为小量程压力表，将该小量程压力表设置在电解液回路中，以检测电解液回路的背压，小量程压力表灵敏度较高，因此，可检测到电解液回路中细微的压力变化，并及时产生示数变化进行反馈。需要说明是，在电解液流动时，受到导电磨轮与待加工工件的阻碍而产生的与运动方向相反的压力即是电解液回路的背压。通过检测电解液回路的背压值，可得知导电磨轮和待加工工件的阻碍作用对电解液流动的影响，从而可以推测出导电磨轮和待加工工件之间的加工间隙，然后通过对背压值大小的控制，实现对导电磨轮和待加工工件之间的加工间隙的控制，最终可得出最优的加工间隙和对刀位置。

在本发明的一个实施例中，机床工作台10可设置有若干T型槽，以装夹待加工工件，其中，待加工工件的装夹方式与立铣刀的装夹方式基本相同。

在本发明的一个具体实施例中，可在五轴联动数控连接机械加工机床上控制Z轴下降进行对刀效果测试，选用的待加工工件可为304不锈钢平面，工件原始表面粗糙度为Ra0.523μm，平面度误差为0.071mm。电解液成分可为20％NaNO3溶液加少量络化剂，选用电解液内喷电解加工方式，电解液入口压力为0.9Mpa，温度为25℃。选用的电源模块30可为高频窄脉冲电源，加工电压为10V，脉冲频率为1kHz，占空比为80％。阴极导电磨轮24转速为1500r/min。选用的压力表为量程0-1.6Mpa的不锈钢防震压力表。具体目标为对304不锈钢平面电解磨削加工，工件外形为圆柱，上平面直径为

因此阴极工具只需走简单的圆形轨迹即可，进给速度为100mm/min。

其中，在Z轴下降过程初期，压力表示数无明显变化，基本保持在0.9Mpa-1.0Mpa之间，采用此时的加工间隙进行一次加工后，工件表面钝化严重，且粗糙度达到了Ra1.5μm以上，并不满足达预期精度，可知此时的加工基本为纯电解加工，机械磨削加工并未起到作用。

进一步地，随着Z轴的下降，压力表示数逐渐上升到1-1.1Mpa之间，随着背压增大，磨轮侧向出水明显减少，采用此时的加工间隙进行一次加工后，工件表面几乎无钝化膜，测得工件表面粗糙度均值为Ra0.456μm，已初步满足使用要求，可知此时的加工为电解加工和机械磨削加工共同作用。

而继续下降Z轴进行对刀，压力表示数进一步增大至1.1Mpa以上，选取1.15Mpa压力时的加工间隙进行一次加工，在加工过程中观察发现，磨削火花明显且噪声较大，加工完成后发现导电磨轮的磨粒已基本脱落，无法再次使用，工件表面磨痕明显，测量后得出表面粗糙度值各处均大于Ra2.0μm，可知此时几乎为纯机械磨削加工，由于机械作用过大，导致待加工工件和导电磨轮同时损坏。

根据上述对刀测试结果可知，在压力表示数上升到1-1.1Mpa之间时满足对刀要求，若压力表示数小于1Mpa，则电解加工大于机械磨削加工，导致磨削加工无法去除电解加工生成的氧化膜，使得后续的电解加工无法进行，若压力表示数大于1.1Mpa，则机械磨削加工大于电解加工，导致机械磨削加工不仅磨削氧化膜，而且直接磨削待加工工件，甚至出现短路火花现象，烧蚀导电磨轮和待加工工件，从而降低导电磨轮的使用寿命，使加工无法进行。因此压力表示数在1-1.1Mpa范围时，对刀效果最好，记录此时数控系统中的机床Z轴坐标并输入到机床的工件坐标系中。

根据本发明实施例的数控电解磨削加工对刀装置，通过控制机床Z轴下降进行加工模块对刀，并通过测压模块检测的电解液回路的背压值确定对刀完成位置，由此，能够实现电解磨削加工的快速对刀和加工间隙的有效控制，并可提高导电磨轮的使用寿命。

对应上述实施例的数控电解磨削加工对刀装置，本发明还提出一种数控电解磨削加工对刀方法。

如图3所示，本发明实施例的数控电解磨削加工对刀方法，包括以下步骤：

S1，通入电解液并启动旋转导电磨轮。

在本发明的一个实施例中，如图2所示，不锈钢刀柄固定于机床主轴上，磨轮安装轴固定于不锈钢刀柄上，导电磨轮固定于磨轮安装轴上，不锈钢刀柄内部设置有轴向中心孔，侧面设置有进水孔，磨轮安装轴设置有轴向通孔。通过在不锈钢刀柄和磨轮安装轴内设置轴向中心孔和轴向通孔，使电解液得以在不锈钢刀柄和磨轮安装轴内部进行流动，从而可实现内喷电解加工。

进一步地，如图2所示，待加工工件接直流脉冲电源的正极作电解加工的阳极，导电磨轮接直流脉冲电源的负极作电解加工的阴极。需要说明的是，阳极电位需达到待加工工件金属在电解液中的最低溶解电压，才能电解，故电压不能过小，而考虑到在精密电解加工时需控制电解作用较小，故电压不能过大，因此可采用脉冲电源，通过减小脉冲电源的占空比来缩短电解作用时间，以实现电解作用的微量调节。

进一步地，如图2所示，电解液组件可包括电解液池、进水管、粗过滤器、主泵、主阀、流量计、精过滤器、回流管和调节阀。其中，进水管与不锈钢刀柄的侧面进水孔相连，回流管与磨轮安装轴的轴向通孔相连，在进行电解加工时，电解液池内的电解液可通过进水管流入不锈钢刀柄内部进行内喷电解加工，并可通过磨轮安装轴的轴向通孔流入回流管，最后流回电解液池。通过电解液组件之间各部件的相互配合，可使电解液得以顺利流动，以进行内喷电解加工。

S2，控制机床Z轴下降以进行电解磨削加工，观察压力表示数变化幅度。

具体地，可通过控制机床Z轴下降以调整导电磨轮和待加工工件之间的加工间隙，进而可控制电解磨削加工的效果。

在本发明的一个实施例中，如图2所示，可将小量程压力表设置在电解液回路中，以检测电解液回路的背压，小量程压力表灵敏度较高，因此，可检测到电解液回路中细微的压力变化，并及时产生示数变化进行反馈。需要说明是，在电解液流动时，受到导电磨轮与待加工工件的阻碍而产生的与运动方向相反的压力即是背压。通过检测电解液回路的背压值，可得知导电磨轮和待加工工件的阻碍作用对电解液流动的影响，从而可以推测出导电磨轮和待加工工件之间的加工间隙，然后通过对背压值大小的控制，实现对导电磨轮和待加工工件之间的加工间隙的控制，最终可得出最优的加工间隙和对刀位置。

在本发明的一个实施例中，机床工作台可设置有若干T型槽，以装夹待加工工件，其中，待加工工件的装夹方式与立铣刀的装夹方式基本相同。

S3，当压力表示数变化到设定阈值时，停止机床Z轴下降，记录此时数控系统中的机床Z轴坐标并输入到机床的工件坐标系中。

在本发明的一个具体实施例中，可在五轴联动数控连接机械加工机床上控制Z轴下降进行对刀效果测试，选用的待加工工件可为304不锈钢平面，工件原始表面粗糙度为Ra0.523μm，平面度误差为0.071mm。电解液成分可为20％NaNO3溶液加少量络化剂，选用电解液内喷电解加工方式，电解液入口压力为0.9Mpa，温度为25℃。选用的电源可为高频窄脉冲电源，加工电压为10V，脉冲频率为1kHz，占空比80％。阴极导电磨轮转速为1500r/min。选用的压力表为量程0-1.6Mpa的不锈钢防震压力表。具体目标为对304不锈钢平面电解磨削加工，工件外形为圆柱，上平面直径为

因此阴极工具只需走简单的圆形轨迹即可，进给速度为100mm/min。

其中，在Z轴下降过程初期，压力表示数无明显变化，基本保持在0.9Mpa-1.0Mpa之间，采用此时的加工间隙进行一次加工后，工件表面钝化严重，且粗糙度达到了Ra1.5μm以上，并不满足达预期精度，可知此时的加工基本为纯电解加工，机械磨削加工并未起到作用。

进一步地，随着Z轴的下降，压力表示数逐渐上升到1-1.1Mpa之间，随着背压增大，磨轮侧向出水明显减少，采用此时的加工间隙进行一次加工后，工件表面几乎无钝化膜，测得工件表面粗糙度均值为Ra0.456μm，已初步满足使用要求，可知此时的加工为电解加工和机械磨削加工共同作用。

而继续下降Z轴进行对刀，压力表示数进一步增大至1.1Mpa以上，选取1.15Mpa压力时的加工间隙进行一次加工，在加工过程中观察发现，磨削火花明显且噪声较大，加工完成后发现导电磨轮的磨粒已基本脱落，无法再次使用，工件表面磨痕明显，测量后得出表面粗糙度值各处均大于Ra2.0μm，可知此时几乎为纯机械磨削加工，由于机械作用过大，导致待加工工件和导电磨轮同时损坏。

根据上述对刀测试结果可知，在压力表示数上升到1-1.1Mpa之间时满足对刀要求，若压力表示数小于1Mpa，则电解加工大于机械磨削加工，导致磨削加工无法去除电解加工生成的氧化膜，使得后续的电解加工无法进行，若压力表示数大于1.1Mpa，则机械磨削加工大于电解加工，导致机械磨削加工不仅磨削氧化膜，而且直接磨削待加工工件，甚至出现短路火花现象，烧蚀导电磨轮和待加工工件，从而降低导电磨轮的使用寿命，使加工无法进行。因此压力表示数在1-1.1Mpa范围时，对刀效果最好，记录此时数控系统中的机床Z轴坐标并输入到机床的工件坐标系中。

根据本发明实施例的数控电解磨削加工对刀方法，在控制机床Z轴下降对刀过程中，通过压力表检测电解液回路的背压值来确定对刀完成位置，由此，能够实现电解磨削加工的快速对刀和加工间隙的有效控制，并可提高导电磨轮的使用寿命。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、

“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种数控电解磨削加工对刀装置，其特征在于，包括：

机床工作台，所述机床工作台用于装夹待加工工件；

加工模块，所述加工模块设置于所述机床工作台的上方，所述加工模块用于对所述待加工工件进行加工；

电源模块，所述电源模块分别与所述待加工工件和所述加工模块相连，所述电源模块用于为电解磨削加工过程提供电源；

电解液组件，所述电解液组件与所述加工模块相连，以形成电解液回路；

测压模块，所述测压模块设置于所述电解液回路中，所述测压模块用于检测所述电解液回路的背压值。

2.根据权利要求1所述的数控电解磨削加工对刀装置，其特征在于，所述加工模块包括机床主轴、不锈钢刀柄、磨轮安装轴和导电磨轮，其中，所述不锈钢刀柄固定于所述机床主轴上，所述磨轮安装轴固定于所述不锈钢刀柄上，所述导电磨轮固定于所述磨轮安装轴上，所述不锈钢刀柄内部设置有轴向中心孔，侧面设置有进水孔，所述磨轮安装轴设置有轴向通孔。

3.根据权利要求2所述的数控电解磨削加工对刀装置，其特征在于，所述电源模块包括直流脉冲电源。

4.根据权利要求3所述的数控电解磨削加工对刀装置，其特征在于，所述电解液组件包括电解液池、进水管、粗过滤器、主泵、主阀、流量计、精过滤器、回流管和调节阀。

5.根据权利要求4所述的数控电解磨削加工对刀装置，其特征在于，所述测压模块包括压力表。

6.根据权利要求5所述的数控电解磨削加工对刀装置，其特征在于，所述机床工作台设置有若干T型槽，以装夹所述待加工工件。

7.一种数控电解磨削加工对刀方法，其特征在于，包括以下步骤：

通入电解液并启动旋转导电磨轮；

控制机床Z轴下降以进行电解磨削加工，观察压力表示数变化幅度；

当压力表示数变化到设定阈值时，停止机床Z轴下降，记录此时数控系统中的机床Z轴坐标并输入到机床的工件坐标系中。

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