CN112091338A - 提高加工底面平面度的组合式电解加工工具阴极及方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种组合式电解加工工具阴极及方法，属于电解加工领域。本发明工具阴极包括刀柄，绝缘块，导电板，引电螺钉和紧固螺钉。针对棒状阴极工具加工凹槽时产生的杂散腐蚀和底面平面度差等问题，提出了一种加工平面和轴类零件的组合式电解加工工具阴极。使用厚度小于1mm的导电板，限制了刀具与已加工表面之间的导电区域，与之前的圆形导电区域相比，底部导电面积大大减小，在沿工具阴极径向进给方向上的加工沟槽底部电量分布处处相等，有效提高了电解加工中凹槽底部的平面度。设计了长绝缘凸台和大于加工沟槽宽度的绝缘区域，增大了电解液从刀具底部流过已加工表面的阻力和背压，改善加工区域的流场，有效抑制了杂散腐蚀。

Description

提高加工底面平面度的组合式电解加工工具阴极及方法

技术领域

本发明涉及一种抑制电解加工过程中杂散腐蚀和过切现象，并改善加工底面平面度的工具阴极及方法，属于电解加工领域。

背景技术

航空航天工业的发展水平体现出一个国家的经济和制造工业的综合实力，而航空航天工业对飞机和发动机结构件和主体材料的性能提出了更高的要求。由于高温合金、钛合金等难加工材料的刚性好，比强度高，相对重量较轻等优点，在航空航天工业中得到了普遍的应用。例如GH4169材料分别占了CF6发动机、CY2000发动机和PW4000发动机总重量的34%、56%和57%。然而受这些材料本身的特性的影响，如导热性能差，硬度大，强度高等，在切削加工中易造成加工区域温度过高，致使表面存在热影响区和微裂纹，减少了工件的使用寿命；同时由于这些工件尺寸大、特征复杂、结构轻薄，通常需要在整块毛坯上加工而成，因此材料去除量大、刀具成本高、生产周期长，加工变形控制困难使传统的切削方法面临重大挑战。

电解加工是一种基于电化学阳极金属溶解原理的加工方式，金属材料以离子的形式去除；属于非接触式加工，具有加工表面无残余应力，无热影响层，加工效率高，刀具无损耗等特点。因此，电解加工非常适合加工各种高强度、高硬度、导热性差等难以切削加工的导电材料。传统的电解加工，采用外喷液方式，进行拷贝式加工。当加工深度较大时，工具阴极与工件之间的加工间隙极小，电解液很难及时充满整个加工间隙，加工区域容易因局部缺液而产生火花放电，造成工具阴极损耗甚至发生短路，并且其参数自动控制难、加工精度不高、工具阴极设计制造复杂、生产周期长等问题逐渐成为电解加工进一步发展的阻碍。当采用内喷液供液时，可以实现更小加工间隙内的电解液供给，电解液通过阴极内孔或槽直接喷射到工件加工表面，既作为连接阳极和阴极构成导电回路的媒介，同时及时带走加工间隙内的电解产物、氢气和焦耳热。因此，内喷式供液有利于在加工间隙中进行流场设计，得到更加均匀的流场，具有加工效率高、电解加工间隙一致性好等优点。

电解铣削加工往往采用形状简单的电极作为工具阴极，通过类似数控铣的方式由工具阴极的进给运动和工件的进给运动共同形成轮廓的发生线，具有低成本、高柔性特点。采用管电极最为工具阴极进行电解铣削的加工优势在于加工定域性高，仅在电解液射流液住下的区域进行高电流密度的加工。但由于其在进给方向上电量分布不均匀，造成加工底面平面度比较差。为减少杂散腐蚀管电极必须进行绝缘处理，但后期覆盖上的绝缘层容易因电化学放电过程中产生的高温而脱落，又会造成加工稳定性差等问题。另外由于管电极直径比较小，一次性加工范围有限，加工效率还有待进一步提高。矩形电极相较于管电极而言，在进给方向上底面电量分布的均匀性有了很大的改善；由于内喷液供液的模式，矩形电极的加工表面要留有出液口，这限制了矩形电极的径向尺寸不能进一步减小。相较于管电极而言，矩形电极宽厚的加工表面，导致性定域性大大降低，加工底面的过切和杂散腐蚀比较严重。在专利CN105921834A、CN108393547A、CN108080755A等先后提出了提高电解加工底面平面度的工具阴极及方法，但是这些工具阴极加工后的表面存在较大的过切值，而且对于底部绝缘的设计，在电化学放电过程中产生的高温很可能使其失效。这极大限制了电解铣削在加工平面、三维型面以及型腔的应用。

发明内容

本发明在于，针对棒状阴极刀具存在的问题，提出提高加工底面平面度和抑制杂散腐蚀的电解加工阴极及方法，扩展电解加工在平面、外圆等的加工应用范围。

提高加工底面平面度和抑制杂散腐蚀的电解加工阴极刀具,包括刀柄，绝缘块，导电板；上述刀柄上半部分为棒状结构，下半部分为连接平台，内部为中心通孔；上述绝缘块安装于连接平台下方；绝缘块中部开有与刀柄的中心通孔相通的中心盲孔，绝缘块下端设有凸台；在凸台前侧开有与上述中心盲孔相通的绝缘块侧面出液缝，绝缘块侧面出液缝末端还开有绝缘块底面出液槽；上述导电板安装于绝缘块和连接平台的前侧；导电板通过紧固螺钉与绝缘块相连，导电板通过引电螺钉与连接平台相连；导电板设置有导电板侧面出液口；导电板的内侧位于导电板侧面出液口处还开有导电板底面出液槽；上述导电板侧面出液口与绝缘块侧面出液缝对接，导电板底面出液槽与绝缘块底面出液槽拼接形成工具阴极底面出液口；上述绝缘块的中心盲孔的孔径小于等于刀柄的中心通孔孔径；上述导电板侧面出液口宽度小于绝缘块侧面出液缝宽度，绝缘块侧面出液缝宽度小于等于中心盲孔直径。

提高加工底面平面度的组合式电解加工工具阴极的使用方法，其特征在于：

对于块状工件：

步骤一：将刀柄垂直装夹在机床主轴上，电源负极接工具阴极，电源正极接工件，导电板侧面出液口正对块状工件，工具阴极切入深度为导电板侧面出液口顶部到导电板底部距离值的1-2倍范围内；

步骤二：打开电解液开关，电解液沿刀柄的中心通孔流入绝缘块的中心盲孔，最后沿导电板侧面出液口和工具阴极底面出液口流向加工间隙；

步骤三：加工时工具阴极沿工具阴极径向进给方向不断向块状工件进给，由导电板侧面出液口和工具阴极底面出液口流出的电解液保证工具阴极与块状工件的加工间隙内电解液充分和加工稳定性，又由于在工具阴极径向进给方向上，凹槽底面电量分布均匀且不存在二次电解，可以加工出底面平面度较高的沟槽。

对于轴类工件：

步骤一：将刀柄垂直装夹在机床主轴上，电源负极接工具阴极，电源正极接工件，导电板底面出液口正对轴类工件侧面；

步骤二：保持轴类工件不动，工具阴极沿轴类工件径向切入，加工深度为导电板侧面出液口顶部到导电板底部距离值的1-2倍范围内；

步骤三：保持工具阴极不动，轴类工件沿轴类工件旋转方向转动，由导电板侧面出液口和工具阴极底面出液口流出的电解液保证工具阴极与轴类工件的加工间隙内电解液充分和加工稳定性，又由于在轴类工件旋转方向上，凹槽底面电量分布均匀且不存在二次电解，从而完成精度较高的轴类工件外圆电解车削加工。

工具阴极的刀柄装夹在机床的z轴上与电源负极相连，通过电源控制电压或电流的大小，导电板通过引电螺钉实现与工具阴极刀柄的连接；为了加强绝缘块与刀柄连接的紧密程度，分别在绝缘块和刀柄上分别设置了多个螺纹孔和通孔相对齐，用螺钉使之紧密联结，防止由于电解液压力过大，绝缘块和刀柄连接不紧密而造成的电解液泄露，造成环境污染和加工过程中电解液参数控制不准确等问题；由于绝缘块的中部开有盲孔，为避免增大绝缘块的体积，在与导电板连接的部位不适合开过多的螺纹孔，故特别设置两个直径稍大螺钉实现导电板与绝缘块的密封连接，考虑到凸起的螺钉带电会产生不必要的电场，会对已加工表面造成杂散腐蚀，故采用平头螺钉连接导电板与绝缘块。

在加工过程中，工具阴极接电源负极，工件接电源正极，工具阴极不断向前进给；电解液沿上述刀柄的中心通孔流入，从上述导电板侧面出液口和工具阴极底面出液口流出，流向待加工表面，电解液从绝缘块底部间隙流出，通过上述绝缘块的凸台，由于绝缘块凸台的存在，增大了电解液从绝缘块底部间隙流出时的阻力，减少电解液流向已加工表面的流量，进而增大了加工间隙间的电解液流量；从而改善了加工间隙内部的流场，抑制已加工表面的杂散腐蚀和过切现象，得到平整性较好的加工底面。

上述刀柄的中心通孔孔径大于等于上述绝缘块的中心盲孔的孔径；在电解液流动的过程中，流道横截面面积突然增大，会产生诸多不利影响，例如电解液会在流道扩大部分产生涡旋，进而导致不必要的能量损失。故刀柄中心通孔的孔径应大于等于绝缘块盲孔的孔径，可以有效减少电解液流动时产生的能量损失。相同的原理可以解释绝缘块侧面出液口宽度要小于等于中心盲孔的直径；如果导电板侧面出液口的宽度大于绝缘块侧面出液口的宽度，会在加工间隙产生涡流区或死水区，这将严重影响加工质量，甚至出现短路烧伤等故障。

为提高加工间隙拐角处流场分布均匀性，特别设置了工具阴极底面出液口，为了让出液口更加接近拐角处，增大从工具阴极底面出液口流出的电解液对流场均匀分布的贡献，在导电板和绝缘块上留有导电板底面出液槽和绝缘块底面出液槽，将工具阴极组装完毕以后形成工具阴极底面出液口。导电板的形式决定了工具阴极出液形式，出液形式可以分为：工具阴极前侧出液，工具阴极底部出液，工具阴极前侧和底部同时出液。同时导电板侧面出液口的形状可以根据加工需要设置成不同形状的出液口，进而满足不同加工条件的流场要求。

所述提高加工底面平面度的组合式电解加工工具阴极，其特征在于：上述导电板的厚度介于0.5mm至1mm之间。根据法拉第定律，发生电化学反应的物质质量与通过其界面上的电量成正比；所述的组合式电解加工工具阴极通过控制电量在加工过程中的均匀分布，来控制加工表面产生的杂散腐蚀和过切。由于棒状阴极底部呈现圆形在加工工件表面沿刀具进给方向上电量分布呈现中间大两边低的状态，这使得在加工后工件凹槽底部呈现中间凹陷量大的截面形状。在加工过程中，一部分电解液直接从加工间隙喷出，另一部分电解液从工具阴极底部和已加工凹槽底部的间隙流出；这部分电解液受到凹槽两侧壁的挤压，汇聚在凹槽底面的中部，然后沿工具阴极进给反方向从已加工表面流出，造成电解液流量分布在凹槽底部呈现中间大两边低的状态。为了使电量分布均匀，同时减少电解液流量分布不均匀造成的不利影响，故采用厚度小于1mm的导电板。考虑到导电板的刚性要同时满足密封的要求，故导电板的厚度不能小于0.5mm。

所述提高加工底面平面度的组合式电解加工工具阴极，其特征在于：上述刀柄、导电板、紧固螺钉都是不锈钢材料，绝缘块为耐高温的环氧树脂材料，引电螺钉为铜材料。为避免工具阴极的锈蚀，故刀柄、导电板、紧固螺钉均采用不锈钢材料；电解加工时为追求高效率通常会使用较大的电流，不可避免的会产生较多焦耳热，为保证工具阴极的正常使用，故绝缘块采用耐高温的环氧树脂材料；另一方面为减少产生的焦耳热，引电螺钉采用电阻较小的铜材料。

本发明的有益效果为：

1、本发明提供的可拆卸组合式工具阴极具有分体式结构，其结构简单、安装快速便捷；针对不同的工件材料或者不同的电解加工参数更换不同材料或形式的导电板，出液方式由导电板控制可以实现刀具前侧出液、刀具底面出液以及刀具前侧和底面同时出液；由于导电板较薄，利用成熟的电火花线切割机床，一次可以加工出几十片导电板，减少了刀具制造的费用，提高了工艺经济性。

2、本发明提供的组合式工具阴极使用厚度小于1mm的导电板，限制了刀具与已加工表面之间的导电区域，与棒状阴极的圆形导电区域相比，底部导电面积大大减小，在沿工具阴极进给方向上的加工沟槽底部电量分布均匀，有效提高了加工底面的平面度。

附图说明

图1为本发明提出的组合式电解加工工具阴极装配示意图；

图2为本发明的组合式工具阴极的装配图；

图3为装配后的双向出液结构局部剖视图；

图4为工具阴极刀柄图；

图5为工具阴极绝缘块图；

图6为工具阴极导电板图；

图7为本发明组合式电解加工工具阴极加工沟槽示意图；

图8为本发明组合式电解加工工具阴极加工轴类零件示意图。

图中标号名称为：1、刀柄，2、棒状结构，3、中心通孔，4、通孔，5、连接平台，6、螺纹孔，7、绝缘块，8、螺纹孔，9、螺纹孔，10、绝缘块侧面出液缝，11、绝缘块底面出液槽，12、凸台，13、中心盲孔，14、导电板，15、引电通孔，16、紧固锥孔，17、导电板侧面出液口，18、导电板底面出液槽，19、引电螺钉，20、紧固螺钉，21、紧固螺钉，22、双向出液结构，23、电解液，24、电源，25、块状工件，26、工具阴极径向进给方向，27、轴类工件，28、轴类工件旋转方向，29、工具阴极轴向进给方向。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行进一步说明：

如图1所示，提高加工底面平面度的组合式电解加工工具阴极，其特征在于：包括刀柄1，绝缘块7，导电板14；上述刀柄1上半部分为棒状结构2，下半部分为连接平台5，内部为中心通孔3；上述绝缘块7安装于连接平台5下方；绝缘块7中部开有与刀柄1的中心通孔3相通的中心盲孔13，绝缘块7下端设有凸台12；在凸台12前侧开有与上述中心盲孔13相通的绝缘块侧面出液缝10，绝缘块侧面出液缝10末端还开有绝缘块底面出液槽11；上述导电板14安装于绝缘块7和连接平台5的前侧；导电板14通过紧固螺钉20与绝缘块7相连，导电板14通过引电螺钉19与连接平台5相连；导电板14设置有导电板侧面出液口17；上述导电板侧面出液口17与绝缘块侧面出液缝10对接，导电板底面出液槽18与绝缘块底面出液槽11拼接形成工具阴极底面出液口；上述绝缘块7的中心盲孔13的孔径小于等于刀柄1的中心通孔3孔径；上述导电板侧面出液口17宽度小于绝缘块侧面出液缝10宽度，绝缘块侧面出液缝10宽度小于等于中心盲孔13直径。

实施例1

如图7所示，对于块状工件25：

步骤一：将刀柄1垂直装夹在机床主轴上，电源24负极接工具阴极，电源24正极接工件，导电板侧面出液口17正对块状工件25工具阴极切入深度为导电板侧面出液口17顶部到导电板14底部距离值的1-2倍范围内；

步骤二：打开电解液23开关，电解液23沿刀柄1的中心通孔3流入绝缘块7的中心盲孔13，最后沿导电板侧面出液口17和工具阴极底面出液口流向加工间隙；

步骤三：加工时工具阴极沿工具阴极径向进给方向26不断向块状工件25进给，由导电板侧面出液口17和工具阴极底面出液口流出的电解液23保证工具阴极与块状工件25的加工间隙内电解液充分和加工稳定性，又由于在工具阴极径向进给方向26上，凹槽底面电量分布均匀且不存在二次电解，可以加工出底面平面度较高的沟槽。

实施例2

如图8所示，对于轴类工件27：

步骤一：将刀柄1垂直装夹在机床主轴上，电源24负极接工具阴极，电源24正极接工件，导电板底面出液口17正对轴类工件27侧面；

步骤二：保持轴类工件27不动，工具阴极沿轴类工件27径向切入，加工深度为导电板侧面出液口17顶部到导电板14底部距离值的1-2倍范围内；

步骤三：保持工具阴极不动，轴类工件27沿轴类工件旋转方向28转动，由导电板侧面出液口17和工具阴极底面出液口流出的电解液23保证工具阴极与轴类工件27的加工间隙内电解液充分和加工稳定性，又由于在轴类工件旋转方向28上，凹槽底面电量分布均匀不存在二次电解，从而完成精度较高的轴类工件27外圆电解车削加工。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种提高加工底面平面度的组合式电解加工工具阴极，其特征在于：

包括刀柄（1），绝缘块（7），导电板（14）；

上述刀柄（1）上半部分为棒状结构（2），下半部分为连接平台（5），内部为中心通孔（3）；

上述绝缘块（7）安装于连接平台（5）下方；绝缘块（7）中部开有与刀柄（1）的中心通孔（3）相通的中心盲孔（13），绝缘块（7）下端设有凸台（12）；在凸台（12）前侧开有与上述中心盲孔（13）相通的绝缘块侧面出液缝（10），绝缘块侧面出液缝（10）末端还开有绝缘块底面出液槽（11）；

上述导电板（14）安装于绝缘块（7）和连接平台（5）的前侧；导电板（14）通过紧固螺钉（20）与绝缘块（7）相连，导电板（14）通过引电螺钉（19）与连接平台（5）相连；导电板（14）设置有导电板侧面出液口（17）；导电板（14）的内侧位于导电板侧面出液口（17）处还开有导电板底面出液槽（18）；上述导电板侧面出液口（17）与绝缘块侧面出液缝（10）对接，导电板底面出液槽（18）与绝缘块底面出液槽（11）拼接形成工具阴极底面出液口；

上述绝缘块（7）的中心盲孔（13）的孔径小于等于刀柄（1）的中心通孔（3）孔径；

上述导电板侧面出液口（17）宽度小于绝缘块侧面出液缝（10）宽度，绝缘块侧面出液缝（10）宽度小于等于中心盲孔（13）直径。

2.依据权利要求1所述提高加工底面平面度的组合式电解加工工具阴极，其特征在于：

上述导电板（14）的厚度介于0.5mm至1mm之间。

3.依据权利要求1所述提高加工底面平面度的组合式电解加工工具阴极，其特征在于：

上述刀柄（1）、导电板（14）都是不锈钢材料，绝缘块（7）为耐高温的环氧树脂材料，引电螺钉（19）为铜材料。

4.依据权利要求1所述提高加工底面平面度的组合式电解加工工具阴极的使用方法，其特征在于：

对于块状工件（25）：

步骤一：将刀柄（1）垂直装夹在机床主轴上，电源（24）负极接工具阴极，电源（24）正极接工件，导电板侧面出液口（17）正对块状工件（25），工具阴极切入深度为导电板侧面出液口（17）顶部到导电板（14）底部距离值的1-2倍范围内；

步骤二：打开电解液开关，电解液（23）沿刀柄（1）的中心通孔（3）流入绝缘块（7）的中心盲孔（13），最后沿导电板侧面出液口（17）和工具阴极底面出液口流向加工间隙；

步骤三：加工时工具阴极沿工具阴极径向进给方向（26）不断向块状工件（25）进给，由导电板侧面出液口（17）和工具阴极底面出液口流出的电解液（23）保证工具阴极与块状工件（25）的加工间隙内电解液充分和加工稳定性，又由于在工具阴极径向进给方向（26）上，凹槽底面电量分布均匀且不存在二次电解，可以加工出底面平面度较高的沟槽。

5.对于轴类工件（27）：

步骤一：将刀柄（1）垂直装夹在机床主轴上，电源（24）负极接工具阴极，电源（24）正极接工件，导电板侧面出液口（17）正对轴类工件（27）侧面；

步骤二：保持轴类工件（27）不动，工具阴极沿轴类工件（27）径向切入，加工深度为导电板侧面出液口（17）顶部到导电板（14）底部距离值的1-2倍范围内；

步骤三：保持工具阴极不动，轴类工件（27）沿轴类工件旋转方向（28）转动，由导电板侧面出液口（17）和工具阴极底面出液口流出的电解液（23）保证工具阴极与轴类工件（27）的加工间隙内电解液充分和加工稳定性，又由于在轴类工件旋转方向（28）上，凹槽底面电量分布均匀且不存在二次电解，从而完成精度较高的轴类工件（27）外圆电解车削加工。

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