CN111805026A - 电解铣削-电解机械复合铣削一体化加工工具及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电解铣削‑电解机械复合铣削一体化加工工具及方法，属于电解机械复合加工领域。该工具包括装夹轴（11），装夹轴（11）下端设置有左右带弧形面的矩形底（12），左右带弧形面的矩形底（12）的前后矩形侧壁分别设有凹型槽，凹型槽内各焊接有铣刀片（13），所述两片铣刀片（13）的切削刃之间距离d等于所述左右带弧形面的矩形底（12）的弧形边直径c的值；所述左右带弧形面的矩形底（12）的电极工作端面（14）设为宽边带倒圆的矩形，且端面开有矩形出液孔（15）。利用该工具采取粗、精加工工序，达到粗加工去除工件大余量材料、精加工整平轮廓的效果，加工效率高、精度高，刀具成本低。

Description

电解铣削-电解机械复合铣削一体化加工工具及方法

技术领域

本发明涉及一种电解铣削-电解机械复合铣削一体化加工工具及方法，属于电解机械复合加工领域。

背景技术

在航空发动机中，钛合金、高温合金等已成为某些关键零部件不可缺少的材料，然而此类材料可切削性能差，属于难加工材料范畴，采用传统的机械加工成形零件时，会导致严重的刀具磨损，降低了刀具使用寿命，造成零件生产周期冗长，成本高。此外，放电加工与化学铣切加工是两种可用于加工难加工材料的有效方法，但二者都存在较大不足，前者加工后会在工件表面生成重铸层、热影响区，后者所使用的腐蚀性溶液会对环境造成较大的污染。

电解加工主要利用工件阳极电化学溶解原理去除材料，与上述三种加工方法相比，电解加工工具阴极与工件表面不接触，工具无磨损，且工件加工面无重铸层、热影响区，此外，由于采用中性盐溶液作为电解液，所以对环境无污染。可通过合理的设置电解加工参数，对工件进行持续稳定的加工，缩短零件制造周期，降低加工成本。传统的拷贝式电解加工，阴极结构设计复杂、成本高，且柔性较差，针对于此，具有高柔性的电解铣削技术应运而生，此技术一般采用棒状电极，结构简单，制造方便，加工成本低，灵活性高，结合数控编程技术则可加工出复杂型面，但加工区中电场与流场的均匀性与稳定性较难控制，导致加工出的沟槽具有较低的轮廓精度，限制了电解铣削技术进一步发展。

目前，为了提高电解加工的精度，电解铣磨加工方法被提出，即在阴极高速旋转下，通过磨粒的磨削作用去除工件材料，提高工件表面精度，但磨粒均为负前角，材料去除困难，且磨粒尺寸小，工具线速度又较低，单次磨削材料去除量少，需要反复多次来回进给，导致材料去除效率低。为了克服上述问题，电解机械复合铣削加工技术被提出，和电解铣磨复合加工技术相比，由于机械去除材料的铣刀均为正前角，切削刃锋利，去除材料容易，且合理调整铣刀切深，可以实现单次走刀获得高轮廓精度的沟槽，显著提高了加工效率。目前，仅有比利时鲁汶大学在《Experimental investigation of the process behaviourin Mechano-Electrochemical Milling》、《Investigation on hybrid mechano-electrochemical milling of Ti6Al4V》两篇文章中初步提出电解机械复合铣削加工方法，但其提出的工具阴极结构无法避免对已加工面进行二次电解加工，进而降低了加工面质量，导致其无法同时兼顾电解机械复合铣削的效率与精度，此外，现有工具电极多为圆形端面，易造成加工区域电场分布不均匀，导致较差的沟槽底面平整度，因此，如何兼顾电解机械复合铣削技术的高效率与高精度，对其进一步的推广和发展具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种电解铣削-电解机械复合铣削一体化加工工具及方法，即采用一体化工具阴极结构，采取粗、精加工工序，达到粗加工去除工件大余量材料、精加工整平轮廓的效果，加工效率高、精度高，刀具成本低。

一种所述的电解铣削-电解机械复合铣削一体化加工工具，其特征在于：所述工具阴极包括装夹轴，装夹轴下端设置有左右带弧形面的矩形底，左右带弧形面的矩形底的矩形侧壁凹型槽内焊接有两个铣刀片，所述铣刀片的切削刃之间距离d等于所述左右带弧形面的矩形底的弧形边直径c的值，保证精加工阶段铣刀片的铣削半径与粗加工阶段左右带弧形面的矩形底电解加工的沟槽尺寸一致，提高沟槽轮廓的加工精度。所述左右带弧形面的矩形底的电极工作端面设为宽边带倒圆的矩形，可以避免加工深槽时与沟槽侧壁发生干涉，且端面开有矩形出液孔，可以使得加工区中的电场沿着长度e方向分布的更加均匀，保证工件位于中部加工区每点材料的溶解速度与溶解时间基本一致，进而保证每点材料去除深度相同，提高粗加工阶段工件表面的平整度。

所述的电解铣削-电解机械复合铣削一体化加工工具，其特征在于：铣刀片的材质优选为高纯度Si₃N₄，其绝缘性高，加工过程中不易发生短路、打火等危险现象，可用于精加工阶段沟槽轮廓的修整，提高沟槽成形精度。

一种电解铣削-电解机械复合铣削一体化加工技术，其特征在于：加工过程主要分为粗加工与精加工两个阶段。粗加工时，调整工具阴极底端电极工作端面的宽度a方向与工件进给方向平行，保证工具阴极底端出液孔在工件上沿进给方向的投影为正矩形，通过z向调节工具阴极与工件表面之间间距为h，同时保证间距h大于铣刀片伸出高度g，即铣刀片在粗加工阶段并不发生机械铣削作用，将工具阴极接电源负极，工件接电源正极，施加电压需大于工件材料的钝化膜破碎电位，电解液从供液方向经工具阴极内型腔流入加工区，控制工件沿x负向进给，工件将先进行电解加工去除大余量材料，充分发挥电解加工的高效率，工件表面可获得深度为m的两端带圆弧过渡沟槽；精加工时，给工具阴极施加高速旋转，同时z向调节工具阴极与工件之间的间距为(m+h-g)，使得铣刀片的刀尖刚好碰到粗加工沟槽的底面，施加电压需小于工件材料的钝化膜破碎电位，使得工件表面在小电压作用下仅发生钝化作用形成软化区，并不发生材料溶解，控制工件沿x正向进给，在铣刀片的铣削作用下，圆弧过渡沟槽可以修整为直角过渡沟槽，提高沟槽轮廓成形精度；控制工件沿y正向平移一个铣削直径d的距离，并依次重复粗加工与精加工工序，可以获得高精度的平面结构。

本发明具有以下优点：

1、采用一体化工具阴极结构，可以避免工具阴极分段设计的复杂性，极大地节省了装夹、对刀所消耗的时间，提高加工效率与加工精度。

2、采取粗、精加工工序，可以在粗加工阶段采用大电压，充分发挥电解加工大余量去除材料的优势，工具电极无损耗，在精加工阶段可以采用小电压，软化工件表层材料，电解机械复合铣削加工下减少铣刀片磨损，延长铣刀片使用寿命，极大地降低了刀具成本，提高了加工精度。

3、采用宽边带倒圆的矩形电极工作端面与矩形出液孔结构，可以使得加工区中位于电极中部大部分区域的电场沿着垂直于进给方向分布的更加均匀，保证工件位于加工区每点材料的溶解速度与溶解时间基本一致，进而保证每点材料去除深度相同，提高粗加工阶段加工面的平整度，并有利于降低精加工阶段铣刀的切削用量，延长铣刀片的使用寿命。

附图说明

图1为本发明电解铣削-电解机械复合铣削一体化加工示意图；

图2为本发明电解铣削-电解机械复合铣削工具阴极结构图；

图3为本发明粗加工阶段电解铣削加工示意图；

图4为本发明精加工阶段电解机械复合铣削加工示意图。

图中标号名称为：1—工具阴极，11—装夹轴，12—左右带弧形面的矩形底，13—铣刀片，14—电极工作端面，15—出液孔，3—工件，31—圆弧过渡沟槽，32—直角过渡沟槽，4—供液方向，5—旋转， 6—电源，7—x正向进给，8—x负向进给。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作更进一步的说明：

如图1至图4所示，一种电解铣削-电解机械复合铣削一体化加工技术，其特征在于：加工过程主要分为粗加工与精加工两个阶段。粗加工时，调整工具阴极1底端电极工作端面14的宽度a方向与工件3进给方向平行，保证工具阴极1底端出液孔15在工件3上沿进给方向的投影为正矩形，通过z向调节工具阴极1与工件3表面之间间距为h，同时保证间距h大于铣刀片13伸出高度g，即铣刀片13在粗加工阶段并不发生机械铣削作用，将工具阴极1接电源6负极，工件3接电源6正极，施加电压需大于工件3材料的钝化膜破碎电位，电解液从供液方向4经工具阴极1内型腔流入加工区，控制工件3沿x负向进给8，工件3将先进行电解加工去除大余量材料，充分发挥电解加工的高效率，工件3表面可获得深度为m的两端带圆弧过渡沟槽31；精加工时，给工具阴极1施加高速旋转5，同时z向调节工具阴极1与工件3之间的间距为(m+h-g)，使得铣刀片13的刀尖刚好碰到粗加工沟槽的底面，施加电压需小于工件3材料的钝化膜破碎电位，使得工件表面在小电压作用下仅发生钝化作用形成软化区，并不发生材料溶解，控制工件3沿x正向进给7，在铣刀片2的铣削作用下，圆弧过渡沟槽31可以修整为直角过渡沟槽32，提高沟槽轮廓成形精度；控制工件3沿y正向平移一个铣削直径d的距离，并依次重复粗加工与精加工工序，可以获得高精度的平面结构。

所述工具阴极1包括装夹轴11，装夹轴11下端设置有左右带弧形面的矩形底12，左右带弧形面的矩形底12的矩形侧壁凹型槽内焊接有两个铣刀片13，所述铣刀片13的切削刃之间距离d等于所述左右带弧形面的矩形底12的弧形边直径c的值，保证精加工阶段铣刀片13的铣削半径与粗加工阶段左右带弧形面的矩形底12电解加工的沟槽尺寸一致，提高沟槽轮廓的加工精度。

所述左右带弧形面的矩形底12的电极工作端面14设为宽边带倒圆的矩形，可以避免加工深槽时与沟槽侧壁发生干涉，且端面开有矩形出液孔15，可以使得加工区中的电场沿着长度e方向分布的更加均匀，保证工件位于中部加工区每点材料的溶解速度与溶解时间基本一致，进而保证每点材料去除深度相同，提高粗加工阶段工件表面的平整度。

所述铣刀片13的材质优选为高纯度Si₃N₄，其绝缘性高，加工过程中不易发生短路、打火等危险现象，可用于精加工阶段沟槽轮廓的修整，提高沟槽成形精度。

实施例

工具阴极1的电极工作端面14设为宽度（a）10mm、弧形边直径(c)为20mm的矩形面，出液孔15为宽度（b）2mm、长度(e)为13mm的矩形缝，铣刀片13伸出电极工作端面14的高度为0.4mm，其铣削直径(d)为15mm，工件3材料为锻造TC4，其钝化膜破碎电位约为10V，电解液选用10%NaNO₃溶液，电导率为10S/m，进给速度设为10mm/min。

粗加工时，调整工具阴极1底端电极工作端面14的宽度a方向与工件进给方向平行，保证工具阴极1底端出液孔15在工件3上沿进给方向的投影为正矩形，z向调节工具阴极1与工件3表面之间间距为0.5mm，施加电压设为30V，同时工件3沿x负向进给，则可获得切深约为0.25mm的两端带圆弧过渡沟槽31。

精加工时，给工具阴极1施加3000rpm的旋转5，同时z负向调节工具阴极1下降0.35mm，使铣刀片的刀尖刚好碰到粗加工沟槽的底面，施加电压设为5V，使得工件表面在小电压作用下仅发生钝化作用形成软化区，并不发生材料溶解，同时工件3沿x正向进给，在铣刀片2的铣削作用下，可去除粗加工阶段沟槽的过渡圆弧，获得具有高精度轮廓的直角过渡沟槽32。

控制工件3沿y正向平移15mm，并依次重复粗加工与精加工工序，可以获得高精度的平面结构。

Claims (3)

1.一种电解铣削-电解机械复合铣削一体化加工工具，其特征在于：

包括装夹轴（11），装夹轴（11）下端设置有左右带弧形面的矩形底（12），左右带弧形面的矩形底（12）的前后矩形侧壁分别设有凹型槽，凹型槽内各焊接有铣刀片（13），所述两片铣刀片（13）的切削刃之间距离d等于所述左右带弧形面的矩形底（12）的弧形边直径c的值；

所述左右带弧形面的矩形底（12）的电极工作端面（14）设为宽边带倒圆的矩形，且端面开有矩形出液孔（15）。

2.根据权利要求1所述的电解铣削-电解机械复合铣削一体化加工工具，其特征在于：

所述铣刀片（13）的材质为高纯度Si₃N₄。

3.利用权利要求1所述电解铣削-电解机械复合铣削一体化加工工具的加工方法，其特征在于包括以下过程：

加工过程主要分为粗加工与精加工两个阶段；

其中粗加工时，调整工具阴极（1）底端电极工作端面（14）的宽度a方向与工件（3）进给方向平行，保证工具阴极（1）底端出液孔（15）在工件（3）上沿进给方向的投影为正矩形，通过z向调节工具阴极（1）与工件（3）表面之间间距为h，同时保证间距h大于铣刀片（13）伸出高度g，即铣刀片（13）在粗加工阶段并不发生机械铣削作用，将工具阴极（1）接电源（6）负极，工件（3）接电源（6）正极，施加电压需大于工件（3）材料的钝化膜破碎电位，电解液从供液方向（4）经工具阴极（1）内型腔流入加工区，控制工件（3）沿x负向进给（8），工件（3）将先进行电解加工去除大余量材料，充分发挥电解加工的高效率，工件（3）表面可获得深度为m的两端带圆弧过渡沟槽（31）；

精加工时，给工具阴极（1）施加高速旋转（5），同时z向调节工具阴极（1）与工件（3）之间的间距为m+h-g，使得铣刀片（13）的刀尖刚好碰到粗加工沟槽的底面，施加电压需小于工件（3）材料的钝化膜破碎电位，使得工件表面在小电压作用下仅发生钝化作用形成软化区，并不发生材料溶解，控制工件（3）沿x正向进给（7），在铣刀片（2）的铣削作用下，圆弧过渡沟槽（31）修整为直角过渡沟槽（32），提高沟槽轮廓成形精度；

控制工件（3）沿y正向平移一个铣削直径d的距离，并依次重复粗加工与精加工工序，以获得高精度的平面结构。

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