CN111283281B - 一种用于轴的狭窄环槽端面掩膜电解加工的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于轴的狭窄环槽端面掩膜电解加工的装置及方法，所述的装置包括旋转台、转盘、过渡盘、三爪卡盘、支撑杆、溶液腔体、导流槽、螺栓螺母组合件、垫块、O型密封圈B、绝缘胶带、橡胶块、条状覆铜板和控制器。所述的三爪卡盘依次经过渡盘和转盘安装在旋转台上；所述的三爪卡盘用于夹持轴。本发明通过转盘带动轴旋转和三爪卡盘对轴进行装夹，能装夹轴的圆柱面的最大直径达到130mm、工件两端圆柱面的直径差值达到90mm，可实现批量轴狭窄环槽端面阵列微坑的加工。本发明采用导流槽引导电解液沿着狭窄环槽端面流经条状覆铜板阵列微孔区域实现材料去除，可实现狭窄环槽端面阵列结构的高效加工。

Description

一种用于轴的狭窄环槽端面掩膜电解加工的装置及方法

技术领域

本发明涉及轴的环槽电解加工技术，特别涉及一种用于轴的狭窄环槽端面掩膜电解加工的装置。

背景技术

旋转密封是车辆传动系统中的关键部件，用来阻止液压油从旋转部件和静止部件的间隙泄漏，维持油压稳定。胀圈型密封环是一个周向存在开口的密封环，其密封对偶件通常为开有环槽的旋转轴，环槽尺寸小、空间窄，其槽宽和槽深均为毫米量级，胀圈型密封环装配在轴的环槽中，并在工作时通过油压作用紧贴衬套内圆柱面和环槽端面，形成两对密封面。改善胀圈型密封环与环槽端面间的接触状态，减小摩擦副间的摩擦系数是解决机械传动装置中油路旋转动密封环提前失效的重要手段之一。近年来，在摩擦副零件表面加工阵列微坑结构作为减小摩擦副间的摩擦系数和延长机械零部件的使用寿命已获得广泛应用。在狭窄环槽端面加工出阵列微坑结构，可以实现胀圈型密封环的减摩耐磨，提高胀圈型密封环的使用寿命，减少胀圈型密封环的更换次数。

现有关于阵列微坑结构的主要加工方法有磨料气射流加工、振动辅助车削加工、激光加工、电火花加工和电解加工等。其中，电解加工因具有加工表面无残余加工应力、无再铸层等优势备受关注。常见的电解加工技术包括电射流加工、固定模板电解加工、电解转印加工和活动模板电解加工等。而关于在狭窄空间端面阵列微坑的加工技术鲜有报道。

针对于狭窄环槽端面阵列微坑特征加工的实现，采用电射流加工，射流喷头需弯制特定角度且对于多喷嘴流场设计复杂。为此，有研究者提出了采用掩膜电解加工技术，而对于常规的固定掩膜电解加工技术，掩膜通过光刻工艺制备在工件阳极上，一般制备步骤含涂胶、前烘、曝光、后烘、显影等，制备工艺繁琐，且每个掩膜只能使用一次，使用完毕还需去胶处理。为增加所制备掩膜的使用次数，电解转印加工技术被提出，但前期掩模板仍需光刻工艺制备，掩膜制作周期较长。

为避免通过光刻工艺制备掩膜的繁琐工艺步骤，活动模板电解加工被提出。针对于活动模板电解加工，掩模板表面先加工出所需的图案结构，然后将掩模板贴覆在被加工阳极工件表面上，试验完后，掩模板仍可多次重复利用，模板制作周期短利用率高且已在平面、曲面上得到成功应用。在博士学位论文“表面织构电解加工技术的基础研究与应用”(钱双庆；南京航空航天大学，2011.)中，已采用自行设计的夹具装置在平面、外圆柱面获得均匀性尺寸阵列织构的加工，但其中关于掩模板与工件阳极之间的贴合固定采用一端固定另一端拉紧的方式，只适用于加工空间范围相对宽阔的表面，且采用弹簧夹头夹持圆柱形工件实现整周分度只适用于加工直径相对较小圆柱面，通常工件的圆柱面的最大直径不大于40mm，工件两端圆柱面的直径差值不大于40mm；此外，在专利“一种用于圆柱面掩膜电解加工的装置”(申请号201710791093.8)中，采用所设计的紧固套装置实现了整周圆柱面上阵列结构的一次加工成形，但该加工装置对于电解液的导引方式也只适用于加工空间范围相对较大的圆柱面。而针对于槽宽、槽深均为毫米量级环槽的端面阵列结构的加工，特别是针对工件的圆柱面的最大直径大于40mm、工件两端圆柱面的直径差值大于40mm，还需特别的夹具装置。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种可在两端圆柱面的直径差值较大的轴的狭窄环槽端面加工出阵列微坑的用于轴的狭窄环槽端面掩膜电解加工的装置及方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种用于轴的狭窄环槽端面掩膜电解加工的装置，包括旋转台、转盘、过渡盘、三爪卡盘、支撑杆、溶液腔体、导流槽、螺栓螺母组合件、垫块、O型密封圈B、绝缘胶带、橡胶块、条状覆铜板和控制器；

所述的三爪卡盘依次经过渡盘和转盘安装在旋转台上；所述的三爪卡盘用于夹持轴；

所述的溶液腔体通过支撑杆安装在旋转台上、且位于三爪卡盘的上方；

所述的溶液腔体底板中间设有圆孔，圆孔内表面设有环形密封槽；所述的环形密封槽内放置O型密封圈A；

所述的导流槽通过螺栓螺母组合件安装在轴上，与轴上待加工的环槽位置相对应，且导流槽内径与轴的外径相匹配；

所述的导流槽由两个对称的半圆弧状塑料导环套组成，每个半圆弧状塑料导环套的两端均设置耳板，所述的耳板上设有通孔；两个半圆弧状塑料导环套通过垫块和螺栓螺母组合件组合成导流槽；

所述的半圆弧状塑料导环套的外表面为阶梯状圆柱面，上下两段圆柱面的直径小于中段圆柱面的直径；所述半圆弧状塑料导环套的内表面设有环形密封槽；所述的环形密封槽内放置O型密封圈B；半圆弧状塑料导环套的中段圆柱面上设有进液口和出液口；

所述的控制器通过控制线接口连接旋转台内的传动系统，所述的传动系统与转盘连接、带动转盘转动；

所述的条状覆铜板通过绝缘胶带贴附固定在轴的待加工环槽端面上，条状覆铜板的两端用橡胶块挤压；所述的轴的不加工环槽端面和环槽周向面贴附绝缘胶带；所述的条状覆铜板上设置有与环槽端面阵列微坑对应的阵列微孔。

进一步地，所述的垫块均设有通孔，垫块的通孔的尺寸和数量与耳板的通孔的尺寸和数量相匹配，所述的螺栓螺母组合件通过耳板的通孔和垫块的通孔将两个半圆弧状塑料导环套组合成导流槽。

进一步地，所述的环形密封槽有两个。

进一步地，所述的耳板上设置两个通孔，所述的垫块上设置两个通孔。

进一步地，所述的溶液腔体通过四个支撑杆安装在旋转台上。

进一步地，所述的出液口中心线与半圆弧状塑料导环套同一轴向断面上的对称线之间具有夹角ɑ；所述的夹角ɑ的范围为70°～80°。

进一步地，所述的进液口的中心线与半圆弧状塑料导环套同一轴向断面上的对称线之间具有夹角β，进液口的位置靠近半圆弧状塑料导环套同一轴向断面上的对称线；所述的夹角β的范围为25°～35°。

一种用于轴的狭窄环槽端面掩膜电解加工的方法，包括以下步骤：

A、在轴装夹之前，将不加工环槽端面和环槽周向面通过绝缘胶带进行绝缘处理保护。将条状覆铜板贴附在待加工环槽端面，通过绝缘胶带将条状覆铜板两端及靠近环槽内、外径位置进行贴附、固定，条状覆铜板的两端用橡胶块挤压。

B、三爪卡盘通过过渡盘连接在旋转台的转盘上，对整体进行调平。将轴装夹到三爪卡盘上。

C、通过螺栓螺母组合件将导流槽组合成整体。在靠近出液口位置处通过引线接条状覆铜板作为阴极，将轴作为阳极。进液口、出液口通过PC螺纹直通快速接头分别连接供液泵、供液腔体。

D、通入电解液沿着导流槽流经条状覆铜板的表面，通过在轴与条状覆铜板之间加设正向电压，使阳极轴环槽表面被条状覆铜板覆盖区域的阵列微孔发生电化学反应，实现材料的去除，形成阵列微坑。

E、电化学反应生成的电解产物沿着导流槽从出液口流出。

F、加工完γ角度后，通过控制器控制旋转台上转盘旋转，将轴转动γ角度后，继续对轴的待加工环槽端面进行电解加工，直至完成整个环槽的电解加工，所述的夹角γ的范围为30°～60°。

与现有技术相比，本发明具有的优势：

1、本发明通过转盘带动轴旋转和三爪卡盘对轴进行装夹，能装夹轴的圆柱面的最大直径达到130mm、工件两端圆柱面的直径差值达到90mm，可实现批量轴狭窄环槽端面阵列微坑的加工。

2、本发明采用导流槽引导电解液沿着狭窄环槽端面流经条状覆铜板阵列微孔区域实现材料去除，可实现狭窄环槽端面阵列结构的高效加工。

3、本发明提出采用绝缘胶带固定条状覆铜板方便可靠，可保证大跨度条状覆铜板紧密贴合轴的狭窄环槽端面。

附图说明

图1为本发明装置的三维结构示意图。

图2为图1的A处局部放大示意图。

图3为控制器控制线连接示意图。

图4为导流槽的结构示意图。

图5为轴的结构示意图。

图6为图5的B处局部放大示意图。

图中：1、旋转台，2、转盘，3、过渡盘，4、三爪卡盘，5、支撑杆，6、溶液腔体，7、导流槽，8、螺栓螺母组合件，9、垫块，10、轴，11、O型密封圈B，12、绝缘胶带，13、橡胶块，14、条状覆铜板，15、控制器，16、控制线接口，71、中段圆柱，72、进液口，73、出液口，74、环形密封槽，75、通孔，76、耳板，91、环槽，92、环槽周向面，93、待加工环槽端面，94、不加工环槽端面。

具体实施方式

本发明主要针对类似于狭窄环槽端面上表面阵列微坑特征的加工。下面结合附图和具体实施方法对本发明作进一步描述说明。如图1-6所示，一种用于轴的狭窄环槽端面掩膜电解加工的装置，包括旋转台1、转盘2、过渡盘3、三爪卡盘4、支撑杆5、溶液腔体6、导流槽7、螺栓螺母组合件8、垫块9、O型密封圈B11、绝缘胶带12、橡胶块13、条状覆铜板14和控制器15；

所述的三爪卡盘4依次经过渡盘3和转盘2安装在旋转台1上；所述的三爪卡盘4用于夹持轴10；

所述的溶液腔体6通过支撑杆5安装在旋转台1上、且位于三爪卡盘4的上方；

所述的溶液腔体6底板中间设有圆孔，圆孔内表面设有环形密封槽；所述的环形密封槽内放置O型密封圈A；

所述的导流槽7通过螺栓螺母组合件8安装在轴10上，与轴10上待加工的环槽91位置相对应，且导流槽7内径与轴10的外径相匹配；

所述的导流槽7由两个对称的半圆弧状塑料导环套组成，每个半圆弧状塑料导环套的两端均设置耳板76，所述的耳板76上设有通孔75；两个半圆弧状塑料导环套通过垫块9和螺栓螺母组合件8组合成导流槽7；

所述的半圆弧状塑料导环套的外表面为阶梯状圆柱，上下两段圆柱的直径小于中段圆柱71的直径；所述半圆弧状塑料导环套的内表面设有环形密封槽74；所述的环形密封槽74内放置O型密封圈B11；半圆弧状塑料导环套的中段圆柱71上设有进液口72和出液口73；

所述的控制器15通过控制线接口16连接旋转台1内的传动系统，所述的传动系统与转盘2连接、带动转盘2转动；

所述的条状覆铜板14通过绝缘胶带12贴附固定在轴10的待加工环槽端面93上，条状覆铜板14的两端用橡胶块13挤压；所述的轴10的不加工环槽端面94和环槽周向面92贴附绝缘胶带12；所述的条状覆铜板14上设置有与环槽91端面阵列微坑对应的阵列微孔。

进一步地，所述的垫块9均设有通孔，垫块的通孔的尺寸和数量与耳板的通孔75的尺寸和数量相匹配，所述的螺栓螺母组合件8通过耳板的通孔75和垫块的通孔将两个半圆弧状塑料导环套组合成导流槽7。

进一步地，所述的环形密封槽74有两个。

进一步地，所述的耳板76上设置两个通孔75，所述的垫块9上设置两个通孔。

进一步地，所述的溶液腔体6通过四个支撑杆5安装在旋转台1上。

进一步地，所述的出液口73中心线与半圆弧状塑料导环套同一轴向断面上的对称线之间具有夹角ɑ；所述的夹角ɑ的范围为70°～80°。

进一步地，所述的进液口72的中心线与半圆弧状塑料导环套同一轴向断面上的径向线之间具有夹角β，进液口72的位置靠近半圆弧状塑料导环套同一轴向断面上的对称线；所述的夹角β的范围为25°～35°。

一种用于轴的狭窄环槽端面掩膜电解加工的方法，包括以下步骤：

A、在轴10装夹之前，将不加工环槽端面94和环槽周向面92通过绝缘胶带12进行绝缘处理保护。将条状覆铜板14贴附在待加工环槽端面93，通过绝缘胶带12将条状覆铜板14两端及靠近环槽91内、外径位置进行贴附、固定，条状覆铜板14的两端用橡胶块13挤压。

B、三爪卡盘4通过过渡盘3连接在旋转台1的转盘2上，对整体进行调平。将轴10装夹到三爪卡盘4上。

C、通过螺栓螺母组合件8将导流槽7组合成整体。在靠近出液口73位置处通过引线接条状覆铜板14作为阴极，将轴10作为阳极。进液口72、出液口73通过PC螺纹直通快速接头分别连接供液泵、供液腔体。

D、通入电解液沿着导流槽7流经条状覆铜板14的表面，通过在轴10与条状覆铜板14之间加设正向电压，使阳极轴10的环槽91表面被条状覆铜板14覆盖区域的阵列微孔发生电化学反应，实现材料的去除，形成阵列微坑。

E、电化学反应生成的电解产物沿着导流槽7从出液口73流出。

F、加工完γ角度后，通过控制器15控制旋转台1上转盘2旋转，将轴10转动γ角度后，继续对轴10的待加工环槽端面93进行电解加工，直至完成整个环槽91的电解加工，所述的夹角γ的范围为30°～60°。

本发明的具体参数如下：

条状覆铜板14的厚度为0.23mm单面环氧玻璃布覆铜板。

O型密封圈B11的外径×线径为130×3.1mm×mm。

O型密封圈A的外径×线径为130×3.1mm×mm。

导流槽7的材质为聚四氟乙烯塑料。

导流槽7内表面为阶梯圆孔，中间位置圆孔直径为125mm，两端位置圆孔的直径均为117mm。

环形密封槽74的宽度为3.1mm，深度为2.5mm。

中段圆柱71直径为166mm，轴向宽度为13mm。

耳板76的宽度为24mm，高度为8mm。

进液口72和出液口73均为阶梯孔；其大端为英制直径2分、深度15mm的螺纹孔，小端为直径2.8mm、深度打通至导流槽7内表面的通孔。轴10的外圆直径为125mm，材料为38CrSi。

轴10上设置4个环槽91，环槽91的宽度为2.8mm、深度为3mm。

本发明不局限于本实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于轴的狭窄环槽端面掩膜电解加工的装置，其特征在于：包括旋转台（1）、转盘（2）、过渡盘（3）、三爪卡盘（4）、支撑杆（5）、溶液腔体（6）、导流槽（7）、螺栓螺母组合件（8）、垫块（9）、O型密封圈B（11）、绝缘胶带（12）、橡胶块（13）、条状覆铜板（14）和控制器（15）；

所述的三爪卡盘（4）依次经过渡盘（3）和转盘（2）安装在旋转台（1）上；所述的三爪卡盘（4）用于夹持轴（10）；

所述的溶液腔体（6）通过支撑杆（5）安装在旋转台（1）上、且位于三爪卡盘（4）的上方；

所述的溶液腔体（6）底板中间设有圆孔，圆孔内表面设有环形密封槽；所述的环形密封槽内放置O型密封圈A；

所述的导流槽（7）通过螺栓螺母组合件（8）安装在轴（10）上，与轴（10）上待加工的环槽（91）位置相对应，且导流槽（7）内径与轴（10）的外径相匹配；

所述的导流槽（7）由两个对称的半圆弧状塑料导环套组成，每个半圆弧状塑料导环套的两端均设置耳板（76），所述的耳板（76）上设有通孔（75）；两个半圆弧状塑料导环套通过垫块（9）和螺栓螺母组合件（8）组合成导流槽（7）；

所述的半圆弧状塑料导环套的外表面为阶梯状圆柱，上下两段圆柱的直径小于中段圆柱（71）的直径；所述半圆弧状塑料导环套的内表面设有环形密封槽（74）；所述的环形密封槽（74）内放置O型密封圈B（11）；半圆弧状塑料导环套的中段圆柱（71）上设有进液口（72）和出液口（73）；

所述的控制器（15）通过控制线接口（16）连接旋转台（1）内的传动系统，所述的传动系统与转盘（2）连接、带动转盘（2）转动；

所述的条状覆铜板（14）通过绝缘胶带（12）贴附固定在轴（10）的待加工环槽端面（93）上，条状覆铜板（14）的两端用橡胶块（13）挤压；所述的轴（10）的不加工环槽端面（94）和环槽周向面（92）贴附绝缘胶带（12）；所述的条状覆铜板（14）上设置有与环槽（91）端面阵列微坑对应的阵列微孔。

2.根据权利要求1所述的一种用于轴的狭窄环槽端面掩膜电解加工的装置，其特征在于：所述的垫块（9）均设有通孔，垫块的通孔的尺寸和数量与耳板的通孔（75）的尺寸和数量相匹配，所述的螺栓螺母组合件（8）通过耳板的通孔（75）和垫块的通孔将两个半圆弧状塑料导环套组合成导流槽（7）。

3.根据权利要求1所述的一种用于轴的狭窄环槽端面掩膜电解加工的装置，其特征在于：所述的环形密封槽（74）有两个。

4.根据权利要求1所述的一种用于轴的狭窄环槽端面掩膜电解加工的装置，其特征在于：所述的耳板（76）上设置两个通孔（75），所述的垫块（9）上设置两个通孔。

5.根据权利要求1所述的一种用于轴的狭窄环槽端面掩膜电解加工的装置，其特征在于：所述的溶液腔体（6）通过四个支撑杆（5）安装在旋转台（1）上。

6.根据权利要求1所述的一种用于轴的狭窄环槽端面掩膜电解加工的装置，其特征在于：所述的出液口（73）中心线与半圆弧状塑料导环套同一轴向断面上的对称线之间具有夹角ɑ；所述的夹角ɑ的范围为70°~ 80°。

7.根据权利要求1所述的一种用于轴的狭窄环槽端面掩膜电解加工的装置，其特征在于：所述的进液口（72）的中心线与半圆弧状塑料导环套同一轴向断面上的对称线之间具有夹角β，进液口（72）的位置靠近半圆弧状塑料导环套同一轴向断面上的对称线；所述的夹角β的范围为25°~ 35°。

8.一种用于轴的狭窄环槽端面掩膜电解加工的方法，其特征在于：包括以下步骤：

A、在轴（10）装夹之前，将不加工环槽端面（94）和环槽周向面（92）通过绝缘胶带（12）进行绝缘处理保护；将条状覆铜板（14）贴附在待加工环槽端面（93），通过绝缘胶带（12）将条状覆铜板（14）两端及靠近环槽（91）内、外径位置进行贴附、固定，条状覆铜板（14）的两端用橡胶块（13）挤压；

B、三爪卡盘（4）通过过渡盘（3）连接在旋转台（1）的转盘（2）上，对整体进行调平；将轴（10）装夹到三爪卡盘（4）上；

C、通过螺栓螺母组合件（8）将导流槽（7）组合成整体；在靠近出液口（73）位置处通过引线接条状覆铜板（14）作为阴极，将轴（10）作为阳极；进液口（72）、出液口（73）通过PC螺纹直通快速接头分别连接供液泵、供液腔体；

D、通入电解液沿着导流槽（7）流经条状覆铜板（14）的表面，通过在轴（10）与条状覆铜板（14）之间加设正向电压，使阳极轴（10）的环槽（91）表面被条状覆铜板（14）覆盖区域的阵列微孔发生电化学反应，实现材料的去除，形成阵列微坑；

E、电化学反应生成的电解产物沿着导流槽（7）从出液口（73）流出；

F、加工完γ角度后，通过控制器（15）控制旋转台（1）上转盘（2）旋转，将轴（10）转动γ角度后，继续对轴（10）的待加工环槽端面（93）进行电解加工，直至完成整个环槽（91）的电解加工，所述的夹角γ的范围为30°~ 60°。

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