CN112975014B - 凹弧形结构变参数式电解铣削加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种凹弧形结构变参数式电解铣削加工方法，属于飞行式电解铣削加工领域。本发明提出的技术，在于使用圆柱状多孔电极，通过在加工过程中不断改变的一项或多项参数，使得加工路径上的点经过一次进给后获得不同的切削深度，仅需单次进给即可得到切削深度一致性较好的凹弧形曲面结构。本发明提供的方法，工具阴极便于制造且易于更换，仅在XY平面内单次进给，无Z方向进给，即可加工得到凹弧形曲面，不存在多次定位引起的定位误差，简化了电解铣削加工凹弧形结构的工序，能够有效提高对难加工材料上较复杂曲面的加工效率和精度，实现高效、低成本的曲面电解铣削加工。
Description
技术领域
本发明涉及一种针对凹弧形结构的变参数式电解铣削加工方法，属于飞行式电解铣削加工技术领域。
背景技术
随着工业现代化的进程不断提高，各种高端制造技术领域对金属材料性能的要求越来越高。在航空航天、汽车制造、武器装备等领域，高温合金、钛合金、铝基复合材料等难加工材料得到了越来越多的应用。例如，航空发动机为了达到高推重比，压气机盘和叶片使用TC4/TB6钛合金制造；CF6发动机、CY2000发动机和PW4000发动机总重量的34%、56%和57%为GH4169合金，美国LMT公司采用具有高比强度、比刚度和长疲劳寿命的AA6092/17.5SiCp铝基复合材料，取代2214铝合金，用于F-16战机上的腹鳍结构。然而，当采用传统机械加工方法加工这些难加工材料时，存在切削力大、切削热难以排出、刀具磨损严重等问题，导致加工成本高、效率低，限制了这些材料在航空航天领域的进一步运用。
电解加工（Electrochemical Machining，ECM）是一种基于电化学阳极溶解原理，采用形状合理的工具阴极实现工件成形的一种特种加工制造方法，与传统制造技术相比，电解加工技术是一种非接触式加工，不受材料强度、硬度等物理性能的限制，加工过程中无机械切削力，没有加工残余应力和热影响区等问题，具有可加工材料范围广，加工表面质量好，工具理论上不会损耗等一系列优点，比较适用于传统机械加工方法难加工金属材料的加工，已经成为航天航空、汽车、电子、医疗、军工等领域的一种重要制造技术。
电解铣削技术是电解加工技术的一种，一般采用形状简单的球形或圆柱形的通用工具阴极，加工时，工具阴极始终位于工件待加工面上方，通过数控系统控制工具阴极和工件的进给运动共同形成轮廓的发生线，具有加工柔性高、加工效率高、刀具成本低、加工稳定性高等特点。与传统拷贝式电解加工相比，电解铣削技术柔性更高，阴极更易于设计与更换，能够提高难切削加工材料零件的加工效率，降低成本，缩短加工周期。
目前，电解铣削加工技术在加工成型曲面结构时，主要通过球头阴极以恒定的加工参数，每次向下进给一定距离，按等高面一层一层地去除材料，最终得到一系列阶梯结构面。这种方法相比于传统机械切削加工减少了刀具损耗，但工具阴极在向下进给时，阴极容易碰撞到工件侧壁引起短路，导致瞬时电流过大，工具阴极发生打火被破坏而使加工无法继续进行；为了避免打火，如果采用较大的加工间隙或较快的加工速度，则每次加工去除量过少，曲面加工需要多次走刀，不利于提高加工效率；如果采用较小的加工间隙或较慢的加工速度，则工具阴极加工深度较大，每次向下进给都会产生残料台阶，增加后续精加工的工作量。因此，如何建立加工工艺体系，如何优化加工工艺参数，从而实现高效、低成本的电解铣削加工；这些都是在难加工材料零件复杂结构生产过程中需要研究的问题，有必要提出一种针对典型凹弧形曲面结构的加工方法，以促进电解铣削技术的进一步应用。
发明内容
本发明的目的在于，提出一种不同于传统的等高面固定参数方式加工凹弧形曲面的方法，通过在加工过程中连续地调整工艺参数，控制单个或多个因素变化，可使得加工路径上的点经过一次进给后获得不同的切削深度，最终加工出典型凹弧形曲面结构。
本发明所述的一种凹弧形结构变参数式电解铣削加工方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一、待加工工件接电源正极，内喷液式多孔工具阴极接电源负极，完成待加工工件与工具阴极的对刀；步骤二、打开电解液循环系统，电解液采用内喷液供液方式，从工具阴极的中心盲孔进入，从下方端面的喷液孔喷出；工具阴极随主轴一起旋转并在XY平面内做轨迹预定的进给运动；步骤三、打开电源和铣削控制系统，进行加工；其中工具阴极在X方向进给过程中施加变化的工作电压；工具阴极在Y方向进给过程中由程序控制断电；上述加工中通过控制工作电压和进给速度的变化，使得加工路径上的点经过一次进给后获得不同的切削深度，其中工作电压越大，切削深度越深，进给速度越快，切削深度越浅；步骤四、加工完成后，断开电源，关闭电解液循环系统，将工具阴极和工件从电解铣削加工实验系统上拆下，对工具阴极和工件进行清洗，加工结束。
所述的一种凹弧形结构变参数式电解铣削加工方法的步骤一，目的在于连接电源与电解铣削加工实验系统，并通过对刀将工具阴极移至加工的起始准备位置，使之与待加工工件保持预定的加工间隙。
所述的一种凹弧形结构变参数式电解铣削加工方法的步骤二，目的在于通过电解液冲液的方式，让工具阴极与待加工工件之间的加工间隙内充满电解液。根据已进行的电解铣削加工试验表明，使用内喷液式工具阴极，可以充分冲刷带走加工区域的电解产物；在进行宏观尺度加工时，内喷液的供液方式，工具阴极的切削深度、加工效率都要高于外喷液供液方式，因此采用内喷液供液以实现宏观加工时材料的高效率去除。工具阴极端面上有多个出液孔，相比单孔或少孔可明显提高加工间隙内电解液的流动性，减少低流速区及贫液区的出现，提高加工得到曲面的质量。
所述的一种凹弧形结构变参数式电解铣削加工方法的步骤三，目的在于通过电解铣削加工曲面，为本发明加工的主要过程。工具阴极在X方向进给过程中通变化的工作电压，X方向单次进给距离可自定，相邻X方向扫描路径之间横间距均匀，在Y方向进给过程中，考虑到通电会对此区域的材料造成腐蚀，导致该区域的整体加工时间延长，得到的加工深度将大于预定值，因此工具阴极在Y向偏移过程中由程序控制断电。加工过程中，工作电压越大，切削深度越深；进给速度越快，切削深度越浅。
所述的一种凹弧形结构变参数式电解铣削加工方法的步骤四，目的在于安全结束铣削加工，拆下工具阴极和工件并使用超声波清洗机清洗，去除工件与工具阴极表面的电解液和残余电解产物，以便后续保存使用，进行进一步研究。
上述内喷液式多孔工具阴极（3）材料为不锈钢，基体为圆柱体形状，其底部端面上打有数目为1~10的直径1mm出液孔。由于电解液为质量分数为20%的氯化钠溶液，对铁基金属有很强的腐蚀作用，因此使用不锈钢可以增加工具阴极的寿命。工具阴极端面的多个出液口，位置如附图1所示，分别位于与工具阴极外径圆同心，以外径圆的半径五等分点到圆心的距离为半径的三个同心圆上。采用此种设计可以很大程度上保证工具阴极随主轴旋转时，端面下方加工间隙内电解液流场的均匀性；通过如附图3所示的仿真分析，采用经过设计的多孔形式出液口工具阴极，在设定电解液压力为0.2Mpa的情况下，观察面上的平均流速为13.67m/s且流速较为均匀；而采用少孔或单一孔形式出液口工具阴极时，观察面上的平均流速为3.5m/s-6.56m/s，不同区域流速差异明显。电解加工中，电解液流速越高、越均匀，加工得到的表面质量就越好。因此，采用如附图1所示的出液口排布形式，能够优化流场，提高加工的一致性与最终得到的表面质量。
上述待加工工件（5）材料为15%vol.SiCp/2009Al复合材料，该材料中由于高强颗粒陶瓷增强相的存在，金属基复合材料的变形抗力较大，传统加工方法很容易造成刀具发热磨损，很难加工出复杂轮廓外形。本发明去除15%vol.SiCp/2009Al复合材料的原理是，在电解作用下，基体材料2009铝合金被高速去除，碳化硅颗粒不断裸露出来，直到周围的材料完全溶解或不足以支撑碳化硅颗粒，碳化硅颗粒从15%vol.SiCp/2009Al复合材料表面掉落，基体材料中均布的大量碳化硅颗粒，在加工过程中完成连续性脱落。
上述步骤三中工作电压范围设置为2~62.80V，进给速度范围设置为1.06mm/min~45.72mm/min，初始加工间隙为0.2mm。通过改变电压与速度的值，可加工出不同深度、不同圆心角的凹弧形曲面。加工电压越大，电解作用越强，效率越高，切削深度越深；但是在高电压下电解产生的难溶产物也会增多，如果不能及时排出，就会影响加工过程，引发短路、打火。加工电压越小，切削深度越浅，加工的效率就越低。根据对15%vol.SiCp/2009Al复合材料电化学特性的研究，该材料在20%的氯化钠溶液中的分解电压略大于1V，即在大于1V的电压作用下，才会发生电化学反应；而在实际实验中发现，当加工电压超过65V时，加工过程很容易发生打火，可持续性不佳。因此，将加工电压设置为2~62.80V的变化电压，进给速度设置为1.06mm/min~45.72mm/min。凹弧形沟槽在XZ平面上的深度变化为“中间深，两端浅”，因此采用变工作电压加工凹弧形曲面时，工作电压应设置为：中间高电压，两端低电压；采用变进给速度加工时，进给速度应设置为：中间速度小，两端速度大。
本发明具有以下优点：
（1）对于常规的电解铣削加工，工具阴极在Z方向上进给时很容易引起加工间隙发生不可精确控制的变化，进而引发短路、打火，很大程度的影响加工得到的表面质量，而且。本变参数式电解铣削加工方法（以下简称本方法）在改变的参数不包含加工间隙的情况下，工具阴极仅在XY平面内运动，Z方向上几乎无进给，工具阴极端面始终位于工件上表面的上方，避免引发短路、打火的现象，能够提高对难加工材料复杂结构连续加工时的效率。
（2）传统的电解铣削加工凹弧面采用的是等高度进给加工的方法，每次进给得实际切深不具有很好的一致性，导致产生台阶面，降低了表面质量和尺寸精度。本方法在加工凹弧面时，通过控制电压和进给速度两项参数，实现切削深度的连续变化，避免了加工得到的凹弧形曲面整体轨迹中台阶面的产生，提高了加工精度，同时可以有效减少后续精加工的工作量。
（3）采用单一参数进行曲面电解铣削加工时，为避免打火现象的发生，应尽量减小向下进给距离。此外，阴极每次加工的范围较小，需要多次循环加工，不利于提高加工效率。而本方法只经过一次进给后，使得加工路径上的点达到预定值，有利于提高加工效率。
（4）本方法通过电压和进给速度控制电解作用强弱，通过计算机控制软件控制工具阴极移动速度，相比于拷贝式电解加工，加工能力高，范围广；工具阴极结构简单，制造周期短，加工成本低，装配、拆卸方便，易于实现。
附图说明
图1为工具阴极端面开孔示意图及实物图；
图2为凹弧形结构变参数式电解铣削加工方法整体示意图；
图3为工具阴极正对的流场区域竖直方向中心横截观察面内流速分布图；
图4为凹弧形曲面结构加工的扫描路径图；
图5为使用变参数式电解铣削加工方法得到的凹弧形曲面结构实物图；
图6为使用变参数式电解铣削加工方法得到的凹弧形曲面结构三维形貌图；
图中标号名称为： 1、电解液；2、中心盲孔；3、端面多孔式工具阴极；4、绝缘层；5、待加工工件；6、工具阴极Y进给方向；7、工具阴极X进给方向；8、工具阴极旋转方向；9、电源；10、铣削控制系统。
具体实施方式
为了使本发明的内容更容易被理解，下面根据具体实施例与附图，对本发明做进一步详细的解释。
本发明实施例所用的内喷液式端面多孔工具阴极如图1所示，外壁直径为10mm，总长50mm，其侧壁和底面厚度均为1mm，底面开有圆心分别位于与工具阴极外径圆同心，以外径圆的半径五等分点到圆心的距离为半径的三个同心圆上的10个直径均为1mm的出液孔，侧壁包有绝缘胶层4。加工时工件材料为15%vol.SiCp/2009Al复合材料，工具阴极材料为不锈钢，电解液为质量分数为20%的氯化钠溶液，温度为30℃，压力为0.6MPa，初始加工间隙为0.2mm。
凹弧形曲面加工整体示意图如图2所示，加工时，工具阴极3接电源9负极，待加工工件5接电源9正极。工具阴极3随着主轴做标号8所示方向旋转，转速为500rpm；电解液1在冲液压力作用下从端面多孔中喷出至工件5与工具阴极3之间的加工间隙。打开电源9，设定所需的工作电压，通过设定数控程序，使工具阴极3按照图4所示的路径以一定速度运动，在电化学阳极腐蚀作用下，基体材料2009铝合金被高速去除，碳化硅颗粒不断裸露出来，直到周围的材料完全溶解或不足以支撑碳化硅颗粒，碳化硅颗粒从15%vol.SiCp/2009Al复合材料表面掉落。基体材料中均布的大量碳化硅颗粒，在加工过程中完成连续性脱落。
工具阴极正对的流场区域竖直方向中心横截观察面内流速分布如图3所示。在使用工具阴极3时，由于端面上多孔的存在，观察面内平均流速为13.67m/s，电解液在加工区域流速较高，流场均匀性好，这有利于加工过程中表面质量的提高，并能改善加工效率，增加加工稳定性。
凹弧形曲面结构加工的扫描路径如图4所示。X方向单次进给距离为90mm，往复扫描的次数为10，相邻扫描路径之间的横间距为7.5mm，Y方向的横移总量为67.5mm。在X方向进给过程中，施加工作电压；在Y方向进给过程中，考虑到通电会对此区域的材料造成腐蚀，导致该区域的整体加工时间较长，加工深度大于预定值，因此工具阴极在Y向进给过程中由程序控制断电。
本实施例中，使用变参数式电解铣削加工方法得到的凹弧形曲面结构实物图与三维形貌图如图5、6所示。经测量，得到的凹弧形曲面结构在X方向上加工长度约为100mm，在Y方向上加工长度约为80mm。曲面结构Y方向上的切削深度一致性较好，底部深度理论值应为2.1831mm，经测量得到实际加工最小值为2.0453mm，最大值为2.3191mm，轮廓曲线总体偏离理论曲线的量不超过0.2mm。
本发明提出的凹弧形结构变参数式电解铣削加工方法能够一次性实现难加工材料表面复杂结构的高效半精加工，简化了电解铣削加工凹弧形结构的工序，提高了加工效率，增加了加工柔性与可操作性，拓展了电解铣削加工技术的应用范围。但是以上描述并不能理解为对本发明专利的限制。应该说明的是，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改善，这些均应落入本发明专利的保护。
Claims (3)
1.一种凹弧形结构变参数式电解铣削加工方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一、待加工工件（5）接电源（9）正极，内喷液式多孔工具阴极（3）接电源（9）负极，完成待加工工件（5）与工具阴极（3）的对刀；
步骤二、打开电解液（1）循环系统，电解液（1）采用内喷液供液方式，从工具阴极（3）的中心盲孔（2）进入，从下方端面的喷液孔喷出；工具阴极（3）随主轴一起旋转并在XY平面内做轨迹预定的进给运动；
步骤三、打开电源（9）和铣削控制系统（10），进行加工；其中工具阴极在X方向进给过程中施加变化的工作电压；工具阴极在Y方向进给过程中由程序控制断电；
上述加工中通过控制工作电压和进给速度的变化，使得加工路径上的点经过一次进给后获得不同的切削深度，其中工作电压越大，切削深度越深，进给速度越快，切削深度越浅；
步骤四、加工完成后，断开电源（9），关闭电解液（1）循环系统，将工具阴极（3）和工件（5）从电解铣削加工实验系统上拆下，对工具阴极（3）和工件（5）进行清洗，加工结束。
2.根据权利要求1所述的凹弧形结构变参数式电解铣削加工方法，其特征在于：
上述内喷液式多孔工具阴极（3）材料为不锈钢，基体为圆柱体形状，其底部端面上打有数目为1~10的直径1mm出液孔。
3.根据权利要求1所述的凹弧形结构变参数式电解铣削加工方法，其特征在于：
上述待加工工件（5）材料为15%vol.SiCp/2009Al复合材料；
上述步骤三中工作电压范围设置为2~62.80V，进给速度范围设置为1.06mm/min~45.72mm/min，初始加工间隙为0.2mm;
通过改变电压与速度的值，可加工出不同深度、不同圆心角的凹弧形曲面。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 弹性材料3J21微槽的微细电解加工研究;孙立力 等;《价值工程》;20120218;第67-68页 * |
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| CN112975014A (zh) | 2021-06-18 |
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