CN111843075A - 一种三维超声复合电化学展成加工系统 - Google Patents

Abstract

一种三维超声复合电化学展成加工系统，属于特种加工、精密加工技术领域，包括机架、主轴加工单元、运动系统、超声发生系统、电解加工系统和在线检测系统、在线控制系统组成。所述运动系统包括X向进给机构、Y向进给机构、Z向进给机构、旋转工作台、倾斜工作台。本发明三维超声振动将增强加工间隙中的超声效应，可有效去除电解钝化、加速电解液循环更新及加工产物的及时排除，提高加工效率。通过实时监测加工过程的关键参数，通过在线控制系统信号处理，对加工系统进行在线实时调节、反馈控制，协调展成加工过程中电化学、超声振动的作用关系，从而实现系统多维超声振动复合电化学加工。

Description

一种三维超声复合电化学展成加工系统

技术领域

本发明属于特种加工、精密加工技术领域，特别涉及一种三维超声复合加工系统，具体是一种三维超声复合电化学展成加工系统。

背景技术

金属基复合陶瓷材料因其突出的优点如硬度高、质量轻、耐磨等，在航空零部件材料制备领域应用日益广泛。它由软质金属基材料与硬质增强颗粒陶瓷基材料复合而成，因两个材料的特性有所不同，其在加工成形时遇到一定困难。

现代加工制造技术的发展与革新，特种加工方式如电解、超声以及多种方式复合加工，在金属基复合材料的加工中脱颖而出。超声扰动了电解液的运动。间隙内流场的运动，强化加工间隙内电解液的输运，促进加工产物和热量的排出，改善加工间隙内电解溶解质量，提高加工效率，从而改善加工成形质量。

发明内容

为弥补现有超声复合电加工系统的不足，针对超声复合电化学加工技术存在的应用局限性，充分发挥超声加工的优异性能满足超声复合电加工领域对超声复合电加工系统三维超声的需求，本发明设计一种三维超声复合电化学展成加工系统，能够适应不同工件的加工需求，提高加工精度和加工效率，具备实用性。

本发明提出一种三维超声复合电化学展成加工系统，包括机架、主轴加工单元、运动系统、、超声发生系统、电解加工系统和在线检测系统、在线控制系统组成。所述运动系统包括X向进给机构、Y向进给机构、Z向进给机构、旋转工作台、倾斜工作台。

所述机架包括机座和垂直固定在机座上的床身，所述床身带有Z向导轨的导轨座（Z向进给机构），可沿Z向导轨做Z向移动，机座的横向导轨上设有X向进给机构，X向进给机构上方设有Y向进给机构；Y向进给机构上方设有绕Z轴旋转的旋转工作台，在旋转工作台上方设有倾斜工作台，在其下方设有测力单元。在倾斜工作台上设有电解加工工作台，在电解加工工作台上设有电解加工系统。

进一步地，所述X向进给机构、Y向进给机构、Z向进给机构、旋转工作台、倾斜工作台通过伺服电机及运动控制单元，可实现多轴联动进给。

进一步地，所述主轴加工单元通过两个柔性铰链连接在一起，柔性铰链夹角成90°且角度可根据实际加工过程调整，通过螺纹紧固在Z轴进给机构上，刀具安装在铰链连接处。

进一步地，所述旋转工作台和倾斜工作台通过蜗轮蜗杆传动机构以及驱动旋转蜗轮蜗杆传动机构的控制系统对电解加工工作台的旋转和倾斜角度进行控制，控制精度可达0.05°。

所述在线检测系统，通过实时监测加工系统过程参数和在线控制系统数据处理，实时反馈输出调节加工过程。

所述超声发生系统，分别加载在X轴（X向进给机构）、Y轴（Y向进给机构）以及旋转工作台底部和主轴加工单元，通过同步控制器，可产生三维同步超声振动。

进一步地，所述超声发生系统为单激励、大功率超声发生系统，且所产生的超声振幅和频率可调。

进一步地，所述超声发生系统，超声频率变化范围为15-35KHz，超声振幅变化范围为3—20um。

所述电解加工系统，具有极间检测电路，电解加工系统的电解槽使用超级胶水固定在倾斜工作台上。

进一步地，所述加电解加工系统脉冲电源为双向可控脉冲电源。

本发明以三维超声辅助电化学展成加工为核心，三维超声耦合作用激励、辅助电化学展成加工，三维超声振动将增强加工间隙中的超声效应，可有效去除电解钝化、加速电解液循环更新及加工产物的及时排除，提高加工效率。通过实时监测加工过程的关键参数，通过在线控制系统信号处理，对加工系统进行在线实时调节、反馈控制，协调展成加工过程中电化学、超声振动的作用关系，从而实现系统多维超声振动复合电化学加工，一方面可有效提高加工效率、改善加工精度，另一方面为实现金属基复合陶瓷材料等难加工材料复杂曲面零件高精、高效、低成本加工提供解决方案。

本发明所设计一种三维超声辅助电化学展成加工系统弥补现有超声复合电加工系统的不足，可以实现三维超声同步辅助电化学展成加工，提高加工效率。通过在线实时检测系统，满足实时检测和反馈控制加工系统，可解决超声复合加工在加工复杂异形面难的缺陷，提高加工效率和加工精度，满足难加工材料的加工需求。

附图说明

图1为本发明三维超声复合电化学展成加工系统主要组成框图；

图2为本发明三维超声复合电化学展成加工系统示意图；

图3为本发明三维超声复合电化学展成加工过程中极间检测与反馈控制系统示意图；

图4为本发明三维超声复合电化学展成加工脉冲电源设计方案；

图5为本发明三维超声复合电化学展成加工过程参数检测和控制系统框图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明进行详细说明。

本发明提出一种三维超声复合电化学展成加工系统，包括机架、运动系统（X向进给机构、Y向进给机构、Z向进给机构、旋转工作台、倾斜工作台）、超声发生系统、电解加工系统和在线检测系统、在线控制系统组成，系统主要组成单元如图1所示。

其中运动系统，机架包括机座和垂直固定在机座上的床身，床身带有Z向导轨的向导轨座（Z向进给机构），沿Z向导轨做Z向移动，机构底座的横向导轨上设有X向进给机构，X向进给机构上方设有Y向进给机构；Y向进给机构上方设有绕Z轴旋转的旋转工作台，在旋转工作台上方设有倾斜工作台，在其下方设有测力单元，在倾斜工作台上设有电解加工工作台，如图2所示。特别的，被加工件在加工前必须牢牢固定在工作台上，否则再加工过程中会因为超声振动的作用使其松动，降低加工效率。因此本发明设计将电解槽使用超级胶水固定在倾斜工作台上。在加工过程中，加工系统通过运动控制单元实现X向进给、Y向进给、Z向进给、旋转运动、倾斜运动，既可以单独运动，又可以实现多轴联动进给，满足多种零件的复杂加工需求。

实际加工需求中，为了实现任意空间中的轨迹生成，因此设计柔性铰链的双轴超声运动主轴，两个支链结构完全相同，均由直圆型柔性铰链结构以及位移输入杆组成，两个并联结构的运动主轴每个支链均与该结构的空间对称轴成一角度，且所成夹角大小相同，沿每个支链的输入位移可以在刀具安装台上更为灵活的复合，使刀尖点得到形式多样的空间椭圆运动轨迹。对比已有的椭圆加工装置，本发明所设计的装置结构灵活紧凑，可在空间扩展实现多样的运动轨迹，而且增加了超声的振动频率。

更进一步地，本发明设计同步控制器，可将多个方向的超声振动同频、同相位、同时传递至不同方向的超声发生装置，如此，即可将相互垂直、同频、同相位的振动合成至工件上，使之合成运动为一直线上的简谐运动。然后通过控制旋转台实现绕Z轴转动，合成直线与理论展成曲面的法向重合。当三维超声振动时，工件可在X-Y平面上任意方向振动耦合，使主振方向与展成面法向重合，形成电解加工间隙动态最小化，实现材料的超声复合电解加工。

综合加载在X轴、Y轴、主轴以及旋转工作台底部的超声振动，可实现多维超声加工，更大程度的有效去除电解钝化、加速电解液循环更新及加工产物的及时排除，避免碰撞与电解短路。所设计超声发生系统为单激励、大功率、可调超声发生系统，设计超声频率变化范围为15—35KHz，超声振幅变化范围为3—20um，可满足加工过程中对超声振动的不同要求，更进一步扩展加工系统的适用范围。

复合电化学展成加工系统中，将电解电源负极与工具阴极相连接，正极与工件相连接，使用超级胶水将电解槽固定在加工平台上。电解液采用NACL水溶液，质量分数5%，超声磨料1600目的SiC粉末。

如图4所示，本发明所设计脉冲电源电路设计方案，通过改变MOSFET的驱动脉冲信号，可以实现双极性脉冲和单极性脉冲的输出和快速切换，该电路由四个MOSFET和两个直流稳压电压组成，MOSFET的驱动脉冲信号由DSP芯片产生，且通过DSP芯片编程可以改变驱动信号频率和占空比，从而改变脉冲电源输出脉冲的频率和占空比，通过调节直流稳压电源电压，可改变脉冲电源输出的脉冲电压幅值，从而保证电解加工过程的正常、稳定进行。

在加工过程中，如果电解加工失稳，除了影响加工碎屑的排出，还极易引起电解加工回路电流过大，从而导致零件和电极的过度烧蚀。因此，针对复合加工过程中电极间隙到达最小间隙值现象，采用一种基于极间电压检测的电解加工短路保护回避方法，该方法利用脉冲电源电解加工过程中，在脉间输出时脉间电压不为零这一现象，通过检测脉间电压大小来判断是否出现短路。如果脉间电压接近为零，说明电火花放电，需要及时反馈信号控制脉冲电源的输出电压，同步调制超声振幅，同时机床的伺服系统控制工具电极的回退，将电火花现象在短时间内消除。加工过程中极间检测与反馈控制系统示意图如图3所示，通过采集工具电极和工件之间的脉间电压，将极间电压引入比较判断器，且在每一个脉间电压时都进行检测和比较判断，并将判断信号反馈给脉冲电源系统、超声发生系统和机床伺服系统，进而控制脉冲电源的高低电位的输出和工具电极的进给和回退。加工过程中极间检测、反馈与控制的流程：打开脉冲电源，在稳定电解加工的过程中，在脉冲电源持续发出连续的脉冲信号，比较判断器检测这一系列脉冲信号的脉间电压并进行比较判断，如果脉间电压不为零，电源的脉冲信号输出正常，超声系统正常工作，机床的伺服系统进给也继续进行，加工工件材料过程持续进行；如果此时突然检测到脉间电压值为零，即可判断工具电极和工件材料已经发生接触，判断器立即发出反馈控制信号给脉冲电源、超声发生系统和机床伺服系统，从而避免在短路情况下大电流对工具电极和工件表面产生烧蚀。

加工过程中，通过对三维超声参数的调制，利用超声激励效应，在电极与工件间产生电解加工，所设计电解加工系统电源为双向可控脉冲电源。加工过程中的动态三维动态间隙通过加工系统的监测系统获取，加上测力单元获取的相关作用力参数，综合传递给控制单元，控制单元经过数据处理后将信号反馈给加工系统的各环节，实现在线实时监测和控制，既保证加工过程稳定性，又提高加工的质量，加工过程参数监测控制框图如图5所示。

本发明所设计超声辅助电化学展成加工系统不仅可实现多维、复杂的加工轨迹，同时可通过实时监测加工系统过程参数和控制单元数据处理，实时反馈输出调节加工过程，调节影响加工过程的主要参数，如超声振幅、频率、脉冲间隔等，提高加工精度和加工效率。

Claims (10)

1.一种三维超声复合电化学展成加工系统，其特征是，包括主轴加工单元、运动系统、超声发生系统、电解加工系统、在线检测系统、在线控制系统，所述运动系统包括X向进给机构、Y向进给机构、Z向进给机构、旋转工作台、倾斜工作台；所述X向进给机构上方设置Y向进给机构，所述Y向进给机构上方布置绕Z轴旋转的旋转工作台，所述旋转工作台上布置倾斜工作台，所述倾斜工作台上设置电解加工工作台，在电解加工工作台上设置电解加工系统；所述主轴加工单元固定于Z向进给机构，在线检测系统通过实时监测电解加工系统的过程参数和在线控制系统的数据处理，实时反馈输出调节加工过程。

2.根据权利要求1所述的一种三维超声复合电化学展成加工系统，其特征是，所述倾斜工作台下方设有测力单元。

3.根据权利要求1所述的一种三维超声复合电化学展成加工系统，其特征是，所述主轴加工单元由两个柔性铰链链接在一起的加工头组成，通过螺纹紧固单元固定在Z轴上。

4.根据权利要求3所述的一种三维超声复合电化学展成加工系统，其特征是，两个柔性铰链角度成90°，刀具安装在铰链连接处。

5.根据权利要求1所述的一种三维超声复合电化学展成加工系统，其特征是，所述旋转工作台和倾斜工作台均通过蜗轮蜗杆传动机构以及驱动旋转蜗轮蜗杆传动机构的控制系统对电解加工工作台进行旋转及倾斜角度的控制。

6.根据权利要求1所述的一种三维超声复合电化学展成加工系统，其特征是，该展成加工系统包括三维同步超声发生系统，该三维同步超声发生系统为单激励、大功率超声发生系统。

7.根据权利要求1所述的一种三维超声复合电化学展成加工系统，其特征是，所述超声发生系统为可调发生系统，超声频率为15-35KHz，振幅为3-20um。

8.根据权利要求7所述的一种三维超声复合电化学展成加工系统，其特征是，所述超声发生系统，超声振动通过同步控制器同步激励X向进给机构、Y向进给机构、旋转工作台底部、主轴加工单元。

9.根据权利要求1所述的一种三维超声复合电化学展成加工系统，其特征是，所述电解加工系统具有极间检测电路。

10.根据权利要求9所述的一种三维超声复合电化学展成加工系统，其特征是，所述电解加工系统的脉冲电源为双向可控脉冲电源。

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