CN111940858B - 回转体表面凸台结构成形的工具电极及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及回转体表面凸台结构成形的工具电极及其方法，属电解领域。采用回转体工具电极，电极表面开有不贯穿的窗口，窗口内部仅侧壁绝缘；底部为导电的凸面结构。在凸台加工过程中，凸台在即将转入和转出工具电极窗口时受电极表面圆弧面电场作用，凸台顶部两侧的电场比凸台中间的电场强，导致凸台两侧材料溶解量偏多，凸台轮廓呈现中间高两边低。通过将工具电极窗口底部设计成中间凸面结构，改变凸台转入工具电极窗口内部时凸台顶部中间的电场，主动腐蚀凸台顶部，维持凸台顶部材料溶解均匀；通过将工具电极窗口顶部边缘设计成圆角，在电场作用下能够有效控制凸台根部圆角的大小；从而实现凸台高度和凸台轮廓的精确可控。
Description
技术领域
回转体表面凸台结构成形的工具电极及其方法，属于电解加工技术领域。
背景技术
电解加工是利用电化学反应快速去除工件材料。与传统机械加工方式相比,电解加工为非接触加工,在加工过程中无刀具损耗、无残余应力、无冷作硬化、无塑性变形、表面粗糙度低等优点。因此电解加工适用于薄壁零件、空间复杂曲面以及难切削的高温合金材料的加工。
机匣是航空发动机不可缺少的一类零件，起着支撑转子，固定静子和保护核心内部结构的作用，多为大型薄壁回转体结构，且表面存在复杂轮廓的凹凸结构。为满足高温、高压的工作要求，材料多采用高温合金、钛合金等难加工材料。在实际生产中，机匣零件的加工以传统数控铣削为主，其加工工序繁琐，加工周期长，刀具消耗量大，加工成本高；由于材料本身较差的机械加工性能，加工过程中的切削力使机匣零件变形严重，加工完成后残余应力大，工件易变形，需经过复杂的热处理工艺来消除变形。为解决薄壁机匣零件的加工难题，南京航空航天大学提出了一种新型的航空发动机薄璧机匣电解加工方法（申请号201410547093.X 申请人南京航空航天大学，发明人朱荻朱增伟王宏睿王登勇），该方法（也被称为旋印电解加工方法）只使用单一回转体工具电极即可实现复杂型面的一次性加工成型。与传统的采用多个电极分度、分块、分工步加工的机匣电解加工方式相比，加工工序更为简单。此方法克服了传统电解加工工具设计困难、需后续去除“进出口痕迹”、加工工件易变形等问题，实现高效、高质量、低成本电解加工。
常规旋印电解工具电极通常采用镂空窗口或内壁全部绝缘的凹腔，凸台表面受到杂散腐蚀影响，凸台高度往往小于进给深度，凸台高度和顶部轮廓精度难以保证。在专利“回转体表面凸台结构电解加工双极性电极及其电解加工方法”（申请号 201610022855.3申请人南京航空航天大学，发明人朱增伟朱荻王登勇王宁峰）中，采用双极性电极，通过电子负载给辅助电极与工件阳极间施加恒定的正电势差，改变加工区凸台表面的电场分布，消除凸台表面的杂散电流，起到保护凸台表面不受杂散腐蚀的作用。在专利“电解加工中利用钝化性金属涂层保护非加工工件表面方法”（申请号201410525749.8申请人南京航空航天大学，发明人王登勇鲍均朱增伟朱荻）中，采用钝化性金属涂层，利用其在钝性电解液中加工时溶解速度随电流密度增高呈非线性增长的特性，保护非加工区域不受杂散腐蚀的影响。
上述专利中双极性电极和钝化性金属涂层都是通过控制非加工区的杂散腐蚀来提高旋印电解加工凸台的成型精度，但是具体实施起来比较繁琐，难以实现完全消除杂散腐蚀，因此有必要设计一种结构简单的新型电极以提高回转体表面的凸台加工成形精度。
发明内容
本发明旨在能够通过主动腐蚀回转体表面凸台顶部，实现凸台高度和凸台轮廓的精确可控，设计一种用于回转体表面凸台成形轮廓控制的工具电极窗口结构及其电解加工方法。
一种回转体表面凸台结构成形的工具电极，其特征在于：工具电极为圆环形结构，其窗口为不贯穿的凹腔结构，窗口底部为凸面；凹腔结构中的窗口的左右两个窗口侧壁与窗口角度中心线平行；且窗口侧壁与工具电极圆弧面间以窗口外圆角过渡连接；且窗口侧壁与窗口底部凸面以窗口内圆角过渡连接；其中窗口的深度H是指在角度中心线上，工具电极圆弧面的延长线和凸面之间的距离，凸面高度h是指在角度中心线上，凸面到窗口内圆角公切线之间的距离。工具电极整体采用导电金属材料，其中窗口侧壁、窗口内圆角处均涂覆有电绝缘材料。
利用所述的回转体表面凸台结构成形的工具电极的电解加工方法，其特征在于包括以下工程：
A、运动及供液
加工时工件接电源正极，工具电极接电源负极，工件与工具电极以相同的角速度W反方向相对旋转；同时工具电极以恒定的速度V沿工件与工具电极连心线方向进给,进给深度大于目标凸台高度；电解液从工件与工具电极间的加工区域流过；工件表面材料在电解作用下被逐渐去除，在窗口对应区域形成凸台。
B、凸台顶部轮廓精确控制
将凸台的凸台顶部分为三个区域，其中顶部中间称为中间区域,左右两侧分别称为第一区域、第二区域；当凸台在即将转入窗口时，在工具电极圆弧面的电场作用下，凸台顶部第一区域材料溶解量大于中间区域材料溶解量，第二区域材料溶解量小于中间区域材料溶解量；当凸台转入窗口内部时，在窗口底部凸面的电场作用下，凸台顶部第一区域、第二区域材料溶解量小于中间区域材料溶解量；当凸台在即将转出窗口时，在工具电极圆弧面的电场作用下，凸台顶部第一区域材料溶解量小于中间区域材料溶解量，第二区域材料溶解量大于中间区域材料溶解量；控制工具电极窗口底部凸面高度h，确保凸台在即将转入、转入和转出窗口的过程中，凸台顶部第一区域、第二区域材料溶解量与中间区域材料溶解量均匀，实现凸台顶部轮廓的精确加工。
C、凸台高度精确控制
随着工具电极不断进给，凸台高度不断增加，凸台顶部距离窗口底部凸面越小，在窗口底部凸面的电场作用下，凸台顶部表面材料也不断被溶解；在初始加工间隙的基础上，凸台顶部材料不断进行溶解而加工间隙逐渐达到平衡加工间隙，凸台顶部材料溶解速度也趋于工具电极进给速度，凸台高度不再继续增加而是与窗口深度达到平衡，通过控制工具电极窗口的深度H实现凸台高度的可控。
D、凸台圆角控制
在工具电极窗口外圆角的电场作用下，凸台根部位置加工出凸台根部圆角，凸台根部圆角的半径值对应于窗口外圆角的半径值，通过调节窗口外圆角的半径大小实现工件凸台根部圆角的可控加工。
本发明的有益效果在于：
（1）该发明采用窗口底部带有凸面结构的回转体工具电极，通过利用凸面结构主动腐蚀凸台顶部，凸台高度达到平衡时，凸台顶部处于大电流密度溶解状态，相较以往小电流下被动的控制杂散腐蚀，能够有效的控制凸台顶部材料的溶解量，从而实现凸台顶部轮廓的精确可控。
（2）所使用的回转体工具电极窗口深度等于凸台高度，在电解加工达到平衡时，工件表面凸台的顶部材料均匀溶解，凸台高度保持不变，能实现凸台高度的可控加工。通过改变工具电极窗口深度，在同一回转体工具电极上加工不同的窗口，能够满足回转体表面不同高度凸台的加工。
（3）所使用的回转体工具电极结构简单、加工方便，通过设计窗口顶部圆角，不仅可以实现凸台根部圆角的精度控制，还有助于改善加工区域流畅均匀性，在电解加工过程中具有很好的经济性和实际使用价值。
附图说明
图1是工件与工具电极对转加工示意图；
图2是工件与工具电极加工区域示意图；
图3是工具电极窗口结构示意图；
图4是凸台即将转入工具电极窗口时，凸台区域的电场分布图；
图5是凸台完全转入工具电极窗口时，凸台区域的电场分布图；
图6是凸台转出工具电极窗口时，凸台区域的电场分布图；
图7是未使用窗口底部带凸面的工具电极，凸台成形仿真结果示意图；
图8是使用窗口底部带凸面的工具电极，凸台成形仿真结果示意图；
图中标号名称：1、工具电极，2、窗口，3、窗口底部凸面，4、窗口侧壁，5、窗口角度中心线，6、工具电极圆弧面，7、窗口外圆角，8、窗口内圆角，9、工件，10、凸台，11、电解液，12、凸台顶部，13、凸台顶部中间区域14、凸台顶部第一区域，15、凸台顶部第二区域，16、凸台根部圆角。
具体实施方式
下面结合附图说明本发明的实施过程
如图1所示，加工时工件接电源正极，工具电极接电源负极，工件与工具电极以相同的角速度W反方向相对旋转，同时工具电极以恒定的速度V沿工件与工具电极连心线方向进给，进给深度大于目标凸台高度。
如图2、3所示，工具电极为圆环形结构，其窗口为不贯穿的凹腔结构，窗口侧壁与窗口角度中心线平行，窗口侧壁与工具电极圆弧面以圆角过渡连接，窗口底部为凸面，窗口侧壁与窗口底部凸面以圆角过渡连接。工具电极整体采用导电金属材料，窗口侧壁和窗口底部圆角涂覆电绝缘材料。
图4、5、6分别为凸台即将转入、完全转入、转出工具电极窗口时凸台区域的电场分布图，当凸台在即将转入和转出窗口时，在工具电极圆弧面的电场作用下，凸台顶部两侧区域材料溶解量大于凸台顶部中间区域材料溶解量；当凸台转入窗口内部时，在窗口底部凸面的电场作用下，凸台顶部两侧区域材料溶解量小于凸台顶部中间区域材料溶解量；通过调节凸面高度h保证凸台在即将转入、转入和转出窗口过程中，凸台顶部两侧区域材料溶解量与凸台顶部中间区域材料溶解量均匀。
随着工具电极不断进给，凸台高度不断增加，凸台顶部距离窗口底部凸面越小，在窗口底部凸面的电场作用下，凸台顶部表面材料也不断被溶解，当凸台顶部与窗口底部凸面距离小至一定值时，凸台高度不再继续增加而是与窗口深度H达到平衡，凸台高度等于工具电极窗口的深度H。
在工具电极上的窗口顶部的圆角的电场作用下，凸台根部位置加工出圆角，圆角的半径值对应于窗口顶部圆角的半径值R。
图7所示为在工具电极窗口深度H=3.9mm，窗口顶部圆角R=0.1mm，未使用窗口底部带凸面结构的工具电极的凸台成形仿真示意图，可以看出最终加工完成后凸台顶部两侧区域材料溶解量大于凸台顶部中间区域材料溶解量，凸台成形质量较差。
图8所示为在工具电极窗口深度H=3.9mm，窗口顶部圆角R=0.1mm，使用窗口底部凸面高度h=1.5mm的工具电极的凸台成形仿真示意图，可以看出最终加工完成后凸台顶部材料溶解均匀，表面较为平整，极大的提高了凸台成形精度。
Claims (2)
1.一种回转体表面凸台结构成形的工具电极，其特征在于：
工具电极（1）为圆环形结构，其窗口（2）为不贯穿的凹腔结构，窗口底部为凸面；凹腔结构中的窗口的左右两个窗口侧壁（4）与窗口角度中心线（5）平行；且窗口侧壁（4）与工具电极圆弧面（6）间以窗口外圆角（7）过渡连接；且窗口侧壁（4）与窗口底部凸面（3）以窗口内圆角（8）过渡连接；其中窗口（2）的深度H是指在角度中心线（5）上，工具电极圆弧面（6）的延长线和窗口底部凸面（3）之间的距离，凸面高度h是指在角度中心线（5）上，窗口底部凸面（3）到窗口内圆角（8）公切线之间的距离；
工具电极（1）整体采用导电金属材料，其中窗口侧壁（4）、窗口内圆角（8）处均涂覆有电绝缘材料。
2.利用权利要求1所述的回转体表面凸台结构成形的工具电极的电解加工方法，其特征在于包括以下工程：
A、运动及供液
加工时工件（9）接电源正极，工具电极（1）接电源负极，工件（9）与工具电极（1）以相同的角速度W反方向相对旋转；同时工具电极（1）以恒定的速度V沿工件（9）与工具电极（1）连心线方向进给,进给深度大于目标凸台（10）高度；电解液（11）从工件（9）与工具电极（1）间的加工区域流过；工件（9）表面材料在电解作用下被逐渐去除，在窗口（2）对应区域形成凸台（10）；
B、凸台顶部轮廓精确控制
将凸台（10）的凸台顶部（12）分为三个区域，其中顶部中间称为凸台顶部中间区域（13）,左右两侧分别称为凸台顶部第一区域（14）、凸台顶部第二区域（15）；
当凸台（10）在即将转入窗口（2）时，在工具电极圆弧面（6）的电场作用下，凸台顶部第一区域（14）材料溶解量大于凸台顶部中间区域（13）材料溶解量，凸台顶部第二区域（15）材料溶解量小于凸台顶部中间区域（13）材料溶解量；
当凸台（10）转入窗口（2）内部时，在窗口底部凸面（3）的电场作用下，凸台顶部第一区域（14）、凸台顶部第二区域（15）材料溶解量小于凸台顶部中间区域（13）材料溶解量；
当凸台（10）在即将转出窗口（2）时，在工具电极圆弧面（6）的电场作用下，凸台顶部第一区域（14）材料溶解量小于凸台顶部中间区域（13）材料溶解量，凸台顶部第二区域（15）材料溶解量大于凸台顶部中间区域（13）材料溶解量；
控制工具电极（1）窗口底部凸面（3）高度h，确保凸台（10）在即将转入、转入和转出窗口（2）的过程中，凸台顶部第一区域（14）、凸台顶部第二区域（15）材料溶解量与凸台顶部中间区域（13）材料溶解量均匀，实现凸台顶部（12）轮廓的精确加工；
C、凸台高度精确控制
随着工具电极（1）不断进给，凸台（10）高度不断增加，凸台顶部（12）距离窗口底部凸面（3）越小，在窗口底部凸面（3）的电场作用下，凸台顶部（12）表面材料也不断被溶解；在初始加工间隙的基础上，凸台顶部（12）材料不断进行溶解而加工间隙逐渐达到平衡加工间隙，凸台顶部（12）材料溶解速度也趋于工具电极进给速度，凸台（10）高度不再继续增加而是与窗口（2）深度达到平衡，通过控制工具电极窗口（2）的深度H实现凸台（10）高度的可控；
D、凸台圆角控制
在工具电极（1）上的窗口（2）的窗口外圆角（7）的电场作用下，凸台（10）根部位置加工出凸台根部圆角（16），凸台根部圆角（16）的半径值对应于窗口外圆角（7）的半径值，通过调节窗口外圆角（7）的半径大小实现工件凸台根部圆角（16）的可控加工。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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