CN112658416A

CN112658416A - 大平面高效精密电解机械复合加工工具及方法

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Publication number: CN112658416A
Application number: CN202011336945.2A
Authority: CN
Inventors: 曲宁松; 张峻中; 沈志豪
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2020-11-25
Filing date: 2020-11-25
Publication date: 2021-04-16

Abstract

一种大平面高效精密电解机械复合加工工具及方法，涉及电解加工技术领域。其特征在于：包括设有矩形的电解液喷口的长方体状的工具阴极本体、磨粒和设有中心进液孔的装夹柄；所述的电解液喷口（1‑1）等间隔并列设置于阴极本体下端面；所述的装夹柄设置于工具阴极本体最大外接圆的几何中心处；所述的进液孔设置于装夹柄端面的几何中心处；所述的进液孔与电解液喷口连通，所述的磨粒以电解液喷口长边的中心线对称设置于阴极工具本体的端面。本发明使得在工具阴极进给过程中，工件表面的加工区域电量分布更加均化，进而实现电解加工精度高，综合加工时间较短。

Description

大平面高效精密电解机械复合加工工具及方法

技术领域

本发明涉及电解加工技术领域，具体是一种大平面高效精密电解机械复合加工工具及方法。

背景技术

高温合金、钛合金、钛基复材等难加工材料的制件成型与制备是这些产品实现在航空航天武器装备方面某些极端性能的基础要素。硬度高，强度大、导热差等常是这些材料的显著特征，使得它们的成型-成面-成材的制造面临这诸多挑战。针对大平面大余量去除的航空制件的加工和成型制造，目前主要的加工手段是机械加工、电火花加工、电解加工、电解复合加工等。

与机械加工的“硬碰硬”、电火花加工的“高温高压”、电解加工的“刻蚀-复制”单一加工模式相比，电解复合加工是利用电化学与其它方法相结合的技术，使之能与复合的技术之间优势互补，相辅相成，增强了加工能力扩大了加工范围，实现高质量、高效率、低成本的加工要求。其继承和吸收了电解加工与传统加工的优势，使加工浑然一体，极具潜力。在这种模式中，电解作用具有操作温度低、适应窗口大、加工效率高、尺寸大小形状不受限、适于批量化制造等优势，而与之复合的技术则起到优势扩大，优势集中和优势互补的作用。

虽然电解机械复合加工成型原理优越，颇有独到之处。但在大平面零高效成型加工时往往心余力绌。原因是该方法使用的圆棒状阴极在进给方向投影长度不同，在进给切削加工时，造成工件阳极加工表面中间区域与边缘区域电量分布不均（具体数值计算结果可见文献Investigation of electrochemical mill-grinding using abrasive toolswith bottom insulation中的Fig.6），使加工沟槽底面易形成凹形，平整度较差，在精加工时加工余量较大，因此综合加工时间较长。为此，许多研究人员提出了不同的技术方案。从优化电场方面，牛屾等人采用工具底部绝缘的方案，减少了工具阴极向沟槽区域中间区域的电量输送，但由于底部被绝缘处理，在精加工时只能更换其他刀具（Niu, Shen,NingsongQu, and Hansong Li. "Investigation of electrochemical mill-grindingusing abrasive tools with bottom insulation." The International Journal ofAdvanced Manufacturing Technology 97.1-4 (2018): 1371-1382.）；进一步地，岳小康等人采用在工具底部开孔的方式，改变工具底部的流场环境，进而影响加工底面电场的分布（Yue, Xiaokang, et al. "Improving the machined bottom surface inelectrochemical mill-grinding by adjusting the electrolyte flow field."Journal of Materials Processing Technology 276 (2020): 116413.）。以上研究都取得了较大的进展，然而这些方案都是在使用圆棒状电极底部采取的优化措施，而无法在在根本上消除因电极几何形状带来的电量分布不均的现象。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术不足,通过使用一种方体型工具阴极，使得在工具阴极进给过程中，工件表面的加工区域电量分布更加均化，进而实现电解加工精度高，综合加工时间较短的大平面高效精密电解机械复合加工工具与方法。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种大平面高效精密电解机械复合加工工具，其特征在于：由长方体状的工具阴极本体，安装于工具阴极本体的装夹柄组成；装夹柄设置有中心进液孔，阴极本体下端面等间隔并列设置矩形的电解液喷口；所述的进液孔与电解液喷口连通；工具阴极本体底面的两端设置磨粒，磨粒以电解液喷口长边的中心线对称设置于阴极工具本体的端面。

所述的电解喷口的长度为20~200mm，宽度为0.4~1.5mm，实际加工中，可根据工艺条件、工件尺寸、优选不同的参数。

所述的电解喷口数量为1~7个，其开口长边与工具阴极本体长边平行。优选地，数量为3个。

所述的进液孔的面积是电解液喷口面积的总和3~10倍。一般地，优选7倍。进液孔与总电解液喷口面积的比值太小，会造成喷液口之间的液流流量差异较大，引起局部供液不充分，比值太大，对泵的功率和管路装置密封性耐压性提出了更高的要求，同时还会有不必要的能源浪费。

所述的磨粒直径为50~300μm，以钎焊或电镀的方式固定于阴极工具本体端面。一般地，可根据预留加工余量优选不同直径的磨粒，磨粒直径过小，精加工去除效率过低，且磨碎屑易堵塞加工间隙；磨粒直径过大，精加工表面质量较差。

所述的磨粒材料为Al₂O₃、氮化硅、金刚石等超硬磨粒。

所述的阴极本体为耐酸碱腐蚀的导电金属材料。

一种大平面高效精密电解机械复合加工方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1.将工具的装夹柄装夹于电解加工机床的主轴上，调整工具阴极本体相对工件至设定高度，磨粒不与工件接触；

S2.高效加工时，通入电解液，工件与电源正极相连，工具与电源阴极相连，在工件上沿工具长端的法向按非重叠路径进行电解高效加工；

S3.精密加工时，断开电源，关闭电解液，磨粒与工件表面接触，旋转主轴，去除表面高效加工时的接刀痕;

S4.待工件达到要求时，停止加工。

本发明的工作原理如下：

在进行高效加工时，磨粒不与工件接触。在进行大平面往复扫描式电解加工时，若使电解加工每次的走刀路径与上一次重合，则必然引起已加工区域的再次加工，引起过切；若使走刀路径不重叠，则会在走刀路径法向方向边缘区域造成难以加工完全的“人”字型凸起。精密加工时，使工具高速旋转，磨粒与工件接触进行机械磨削加工，磨削除去电解加工未能去除的凸起，使得被加工的表面平整，待加工平面符合要求时停止加工。

本发明与现有技术相比具有以下优势：

1.能量利用率高，可操作性强，易于实现

本发明通过将电解液直接喷向加工区域，避免棒状电极在加工过程中大量电解液从背离加工面排出问题，能量利用率高；同时，加工过程供液及时充分，不易出现产物堆积打火烧伤等现象，可操作性强，易于实现。

2.高效加工精度高，综合效率高

本发明使用的方形电极在扫描电解加工过程中电量分布更为均匀，有效抑制侧壁与底面的过切，高效加工时精度更高；在精加工过程中，磨削余量小，综合效率高。

附图说明

图1是大平面高效精密电解机械复合加工工具三维图。

图2是大平面高效精密电解机械复合加工工具的剖视图。

图3是大平面高效精密电解机械复合加工工具高效加工时的三维图。

图4是大平面高效精密电解机械复合加工工具高效加工时的二维图。

图5是大平面高效精密电解机械复合加工工具精密加工时的二维图。

图中标号名称：1、阴极本体；2、磨粒；3、工件；4、电解液；1-1、电解液喷口；1-2、装夹柄；3-1、接刀痕；1-2-1、进液孔。

具体实施方式

下面结合图1至图5，对本发明——“一种大平面高效精密电解机械复合加工工具与方法”的具体实施方式作进一步描述。

一种大平面高效精密电解机械复合加工工具，包括设有矩形的电解液喷口1-1的长方体状的工具阴极本体1、磨粒2和设有中心进液孔1-2-1的装夹柄1-2；所述的电解液喷口1-1等间隔并列设置于阴极本体1下端面；所述的装夹柄1-2设置于工具阴极本体1最大外接圆的几何中心处；所述的进液孔1-2-1设置于装夹柄1-2端面的几何中心处；所述的进液孔1-2-1与电解液喷口1-1连通，所述的磨粒2以电解液喷口1-1长边的中心线对称设置于阴极工具本体1的端面。

所述的电解喷口1-1的长度为80mm，宽度为1mm。

所述的电解喷口1-1开口长边与工具阴极本体1长边平行，数量为3个。

所述的进液孔1-2-1的横截面积是电解液喷口1-1横截面积总和的5倍。

所述的磨粒2直径为100μm，钎焊固定于阴极本体的端面。

所述的磨粒2材料为金刚石。

所述的阴极本体1材料为SUS304不锈钢。

一种高效精密电解机械复合加工工具，其特征在于：它包括以下步骤：

S1.调整工具阴极本体1相对工件的设定高度，使得磨粒2不与工件接触；

S2.高效加工时，通入电解液，工件3与电源正极相连，工具与电源阴极相连，在工件3上按一定路径进行电解机械复合高效加工；

S3.精密加工时，断开电源，关闭电解液，使磨粒2于工件3表面接触，旋转主轴，去除表面高效加工时的接刀痕3-1。

S4.待工件3达到要求时，停止加工。

Claims

1.一种大平面高效精密电解机械复合加工工具，其特征在于：由长方体状的工具阴极本体（1），安装于工具阴极本体（1）的装夹柄（1-2）组成；装夹柄（1-2）设置有中心进液孔（1-2-1），阴极本体（1）下端面等间隔并列设置矩形的电解液喷口（1-1）；所述的进液孔（1-2-1）与电解液喷口（1-1）连通；工具阴极本体（1）底面的两端设置磨粒（2），磨粒以电解液喷口长边的中心线对称设置于阴极工具本体的端面。

2.根据权利要求1所述的平面高效精密电解机械复合加工工具，其特征在于：所述的装夹柄（1-2）设置于工具阴极本体（1）上端面的最大外接圆的几何中心处。

3.根据权利要求1所述的大平面高效精密电解机械复合加工工具，其特征在于：所述的电解喷口（1-1）的开口长度为20~200mm，宽度为0.4~1.5mm。

4.根据权利要求1所述的大平面高效精密电解机械复合加工工具，其特征在于：所述的电解喷口（1-1）数量为1~7个，开口长边与工具阴极本体（1）长边平行。

5.根据权利要求1所述的一种大平面高效精密电解机械复合加工工具，其特征在于：所述的进液孔（1-2-1）的横截面积是电解液喷口（1-1）横截面积总和的3~10倍。

6.根据权利要求5所述的一种大平面高效精密电解机械复合加工工具，其特征在于：所述的进液孔（1-2-1）的横截面积是电解液喷口（1-1）横截面积总和的7倍。

7.根据权利要求1所述的大平面高效精密电解机械复合加工工具，其特征在于：所述的磨粒（2）直径为50~300μm。

8.根据权利要求1所述的大平面高效精密电解机械复合加工工具，其特征在于：所述的磨粒（2）材料为Al₂O₃或氮化硅或金刚石。

9.根据权利要求1所述的大平面高效精密电解机械复合加工工具，其特征在于：所述的阴极本体（1）为耐酸碱腐蚀的导电金属材料。

10.利用权利要求1所述的大平面高效精密电解机械复合加工工具的方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1.将工具的装夹柄装夹于电解加工机床的主轴上，调整工具阴极本体（1）相对工件（3）至设定高度，磨粒（2）不与工件（3）接触；

S2.高效加工时，通入电解液，工件（3）与电源正极相连，工具与电源阴极相连，在工件（3）上沿工具长端的法向按非重叠路径进行电解高效加工；

S3.精密加工时，断开电源，关闭电解液，磨粒（2）与工件（3）表面接触，旋转主轴，去除表面高效加工时的接刀痕（3-1）;

S4.待工件（3）达到要求时，停止加工。