CN114571247B - 一种电化学放电-磨削复合加工工具及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开提出了一种电化学放电‑磨削复合加工工具，包括工具基体、用于磨削加工的绝缘磨粒层以及用于电化学放电加工的导电铜片，所述工具基体呈柱形，包括圆弧形侧壁和与所述圆弧形侧壁连接的平面侧壁，所述绝缘磨粒层覆盖于所述圆弧形侧壁上，所述导电铜片沿所述平面侧壁的长度方向贴附于所述平面侧壁上。本发明还公开了一种电化学放电‑磨削复合加工工具的使用方法。本发明的有益效果：克服了传统电化学放电加工的缺点，结合了电化学放电加工和磨削加工的优势，具有加工效率高、加工表面质量好、加工精度高等有益效果，也解决了一些传统电化学放电‑磨削复合加工的弊端，具有加工应用范围广、加工深径比大、加工损耗可补偿等优点。

Description

一种电化学放电-磨削复合加工工具及其使用方法

技术领域

本发明涉及电化学放电-磨削复合加工技术领域，尤其涉及一种由导电铜片和带不导电磨粒层磨棒组成的电化学放电-磨削复合加工工具及其使用方法。

背景技术

氧化铝，碳化硅等陶瓷材料由于具有高熔点、高硬度、高耐磨性、耐氧化等优点，广泛用于航空航天、电子和汽车制造等领域。然而由于这些陶瓷材料硬度高、脆性大，使其成为了一种难以加工的材料。

由于这种难加工的硬脆材料独特的物理化学性能，传统加工方法如磨削、铣削加工材料去除率低，且容易出现断裂、碎裂。特种加工方法，如激光加工，可以达到比较高的材料去除率，但是由于这种热加工方法所固有的缺陷，使得被加工工件往往伴随着一些比较严重的表面缺陷，如再铸层与微裂纹，在很多情况下，这会导致工件的疲劳强度降低。超声加工可达到较好的加工表面质量，但加工效率非常低。电火花加工和电化学加工，难以加工或不能加工这类不导电的材料。在这些特种加工方法中，电化学放电加工是一种比较有发展前景的一种加工方法，是针对不导电硬脆材料的有效加工方法，该方法加工效率高，但其加工表面质量较差，难以获得可靠的加工精度。这些问题阻碍了电化学放电加工技术的进一步应用。

可见，传统电化学放电加工存在以下缺点：(1)加工表面质量差；(2)被加工工件表面会产生变质层和微裂纹；(3)加工精度难以控制。针对传统电化学放电加工的缺点，人们提出了将电化学放电和磨削加工结合起来的复合加工方法，这种复合加工方法可以实现对电火花放电中所产生的表面变质层的有效去除，然而这种加工方法也有一些难以解决的缺点。

传统电化学放电-磨削复合加工方式的缺点：(1)放电集中在同一电极，电极损耗严重，磨粒容易脱落，加工精度和表面质量难以保证，(2)无法承受高电压大能量放电，无法有效加工高熔点难加工的硬脆不导电材料，限制了该复合加工方法的应用，(3)电极损耗同时发生在电极侧壁及底部，电极补偿困难，导致深度尺寸及径向尺寸难以保证。(4)传统棒状电极无电解液循环通道，大深度加工时电解液难以进入加工区域，加工产物难以排出，加工效率低下，无法进行大深径比加工。

针对这种复合加工方法的缺点，亟需提出一种新型、高效的电化学放电-磨削复合加工方法和工具来实现对硬脆材料的有效加工。

发明内容

本发明公开了一种电化学放电-磨削复合加工工具及其使用方法，其可以有效解决背景技术中涉及的技术问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种电化学放电-磨削复合加工工具，包括工具基体、用于磨削加工的绝缘磨粒层以及用于电化学放电加工的导电铜片，所述工具基体呈柱形，包括圆弧形侧壁和与所述圆弧形侧壁连接的平面侧壁，所述绝缘磨粒层覆盖于所述圆弧形侧壁上，所述导电铜片沿所述平面侧壁的长度方向贴附于所述平面侧壁上。

作为本发明的一种优选改进，所述工具基体包括两相对间隔设置的所述圆弧形侧壁和连接两所述圆弧形侧壁的两相对间隔设置的所述平面侧壁。

作为本发明的一种优选改进，所述绝缘磨粒层包括金刚石磨粒和将所述金刚石磨粒粘接于所述圆弧形侧壁上的陶瓷粘接剂层。

作为本发明的一种优选改进，所述绝缘磨粒层还设置于所述工具基体的底面。

本发明还提供了一种所述的电化学放电-磨削复合加工工具的使用方法，该使用方法包括如下步骤：

步骤一、将加工工具安装在机床的电主轴上，辅助电极部分浸没在电解液中，加工工件固定在溶液槽内，并浸没在电解液中，液面高出加工工件；

步骤二、将脉冲直流电源正极连接在辅助电极上，负极连接在加工工具的导电铜片上；

步骤三、接通脉冲直流电源，利用加工工具的导电铜片对加工工件的材料进行电化学去除，当导电铜片发生损耗后，导电铜片向下进给进行补偿；

步骤四、通过旋转的加工工具上的绝缘磨粒层对加工工件已进行电化学加工的表面进行磨削去除，同时，电解液从加工工具的平面侧壁对应的缺口处进入流道，并随着加工工具的旋转实现电解液循环；

步骤五、当加工达到预定深度后，关闭电源，电主轴停止旋转，加工工具退出，加工结束。

作为本发明的一种优选改进，在步骤一中，电解液为碱性、酸性或盐溶液，液面高出工件2-3mm。

作为本发明的一种优选改进，所述碱性溶液为6mol/L的氢氧化钠溶液。

作为本发明的一种优选改进，在步骤一中，电主轴转速为50-10000rpm。

作为本发明的一种优选改进，在步骤二中，电源电压范围在20-200V，频率为0-50KHz，占空比为0-100％。

作为本发明的一种优选改进，电源电压范围在40V，频率为500Hz，占空比为50％。

本发明的有益效果如下：

1、通过在工具基体上设置平面侧壁，这样可以形成平面缺口，提供了电解液循环通道，从而实现加工区电解液充分供应，利于大深度加工，提高加工效率；

2、电化学放电的同时通过磨削加工对被加工表面进行进一步加工，去除表面变质层，提高加工表面质量，保证加工精度；

3、将放电和磨削区域分开，工具上铜片导电，绝缘磨粒层不导电，因此导电铜片负责电化学放电，工具损耗主要发生在铜片上，铜片损耗后，可以实时向下进给进行补偿，从而保证正常的电化学放电和工件材料去除；

4、绝缘磨粒层上不发生电化学放电，从而保证金刚石磨粒不会由于高温而发生变质或脱落，进而确保了磨削加工的质量和精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：

图1是本发明加工工具的横向剖视结构示意图；

图2是本发明加工原理图；

图3是本发明材料去除原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

请参阅图1所示，本发明提供了一种电化学放电-磨削复合加工工具，包括工具基体1、用于磨削加工的绝缘磨粒层以及用于电化学放电加工的导电铜片3，所述工具基体1呈柱形，包括圆弧形侧壁6和与所述圆弧形侧壁6连接的平面侧壁4，所述绝缘磨粒层覆盖于所述圆弧形侧壁6上，所述导电铜片3沿所述平面侧壁4的长度方向贴附于所述平面侧壁4上。上述结构的电化学放电-磨削复合加工工具可以实现电化学放电和磨削功能，放电只发生在导电铜片3上，对于高熔点难加工陶瓷材料，可以使用高电压进行大能量放电加工，导电铜片3发生放电损耗后，可以向下进给进行补偿，保证加工效率；带不导电的绝缘磨粒层的磨棒上不发生放电，避免了放电高温损耗，保证了磨削加工精度；在加工工具两侧上的平面侧壁缺口作为电解液循环通道，保证电解液可以顺利进入深孔底部，可用于深孔、深槽加工，提高了加工能力。

所述绝缘磨粒层包括金刚石磨粒5和将所述金刚石磨粒5粘接于所述圆弧形侧壁6上的陶瓷粘接剂层7。

具体的，所述工具基体1包括两相对间隔设置的所述圆弧形侧壁6和连接两所述圆弧形侧壁6的两相对间隔设置的所述平面侧壁4。通过在工具基体1上设置平面侧壁4，这样，可以形成平位缺口，提供了电解循环通道，从而实现加工区电解液充分供应，利于大深度加工，提高加工效率。

另外，将放电和磨削区域分开，加工工具上导电铜片3导电，绝缘磨粒层不导电，因此导电铜片3负责电化学放电，工具损耗主要发生在导电铜片3上，导电铜片3损耗后，可以实时向下进给进行补偿，从而保证正常的电化学放电和加工工件材料去除。

不仅如此，绝缘磨粒层上不发生电化学放电，从而保证金刚石磨粒不会由于高温而发生变质或脱落，进而确保了磨削加工的质量和精度。

需要进一步说明的是，所述绝缘磨粒层还设置于所述工具基体1的底面，这样，利于向下磨削加工。

再结合图2和3所示，本发明还提供了一种所述的电化学放电-磨削复合加工工具的使用方法，该使用方法包括如下步骤：

步骤一、将加工工具10安装在机床Z轴的电主轴上，电主轴转速为50-10000rpm，辅助电极9部分浸没在电解液11中，被加工工件13固定在溶液槽12内，并浸没在电解液11中，其中，辅助电极9为石墨辅助电极，电解液11为碱性、酸性或盐溶液，液面高出被加工工件13大概2-3mm，被加工工件13安置在底座14上；

具体的，碱性溶液优选的为6mol/L的氢氧化钠溶液。

步骤二、将脉冲直流电源8的正极连接在辅助电极9上，负极连接在加工工具10的导电铜片3上，电源电压范围在20-200V，频率为0-50KHz，占空比为0-100％；

优选的，电源电压为40V，频率为500Hz，占空比为50％。

步骤三、接通脉冲直流电源8，利用加工工具10的导电铜片3对加工工件13的材料进行电化学去除，当导电铜片3发生损耗后，导电铜片3向下进给进行补偿；

需要说明的是，接通电源后，加工工具10周围电解液11被电解产生氢气泡，气泡生成达到一定程度时融合形成气膜，随后导电铜片3周围的气膜被击穿产生火花放电实现对加工工件13的材料去除。

步骤四、通过旋转的加工工具10上的绝缘磨粒层对加工工件13已进行电化学加工的表面进行磨削去除，同时，电解液11从加工工具10的平面侧壁4对应的缺口处进入流道，并随着加工工具10的旋转实现电解液循环；

需要说明的是，电化学放电的同时通过磨削加工对被加工表面进行进一步加工，在两种加工方式的交替作用下，去除表面变质层15，提高加工表面质量，保证加工精度。加工工具10在旋转时，会由金刚石磨粒产生一圆形的加工轮廓线2以对加工工件13进行加工。

步骤五、当加工达到预定深度后，关闭电源，电主轴停止旋转，加工工具10退出，加工结束。

本发明的有益效果如下：

1、通过在工具基体上设置平面侧壁，这样，可以形成平位缺口，提供了电解循环通道，从而实现加工区电解液充分供应，利于大深度加工，提高加工效率；

2、电化学放电的同时通过磨削加工对被加工表面进行进一步加工，去除表面变质层，提高加工表面质量，保证加工精度；

3、将放电和磨削区域分开，工具上铜片导电，绝缘磨粒层不导电，因此导电铜片负责电化学放电，工具损耗主要发生在铜片上，铜片损耗后，可以实时向下进给进行补偿，从而保证正常的电化学放电和工件材料去除；

4、绝缘磨粒层上不发生电化学放电，从而保证金刚石磨粒不会由于高温而发生变质或脱落，进而确保了磨削加工的质量和精度。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但并不仅仅限于说明书和实施方案中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里所示出与描述的图例。

Claims (9)

1.一种电化学放电-磨削复合加工工具，其特征在于，包括工具基体、用于磨削加工的绝缘磨粒层以及用于电化学放电加工的导电铜片，所述工具基体呈柱形，包括圆弧形侧壁和与所述圆弧形侧壁连接的平面侧壁，所述绝缘磨粒层覆盖于所述圆弧形侧壁上，所述导电铜片沿所述平面侧壁的长度方向贴附于所述平面侧壁上。

2.根据权利要求1所述的一种电化学放电-磨削复合加工工具，其特征在于，所述工具基体包括两相对间隔设置的所述圆弧形侧壁和连接两所述圆弧形侧壁的两相对间隔设置的所述平面侧壁。

3.根据权利要求1或2所述的一种电化学放电-磨削复合加工工具，其特征在于，所述绝缘磨粒层包括金刚石磨粒和将所述金刚石磨粒粘接于所述圆弧形侧壁上的陶瓷粘接剂层。

4.根据权利要求3所述的一种电化学放电-磨削复合加工工具，其特征在于，所述绝缘磨粒层还设置于所述工具基体的底面。

5.一种如权利要求1-4任意一项所述的一种电化学放电-磨削复合加工工具的使用方法，其特征在于，该使用方法包括如下步骤：

步骤一、将加工工具安装在机床的电主轴上，辅助电极部分浸没在电解液中，加工工件固定在溶液槽内，并浸没在电解液中，液面高出加工工件；

步骤二、将脉冲直流电源正极连接在辅助电极上，负极连接在加工工具的导电铜片上；

步骤三、接通脉冲直流电源，利用加工工具的导电铜片对加工工件的材料进行电化学去除，当导电铜片发生损耗后，导电铜片向下进给进行补偿；

步骤四、通过旋转的加工工具上的绝缘磨粒层对加工工件已进行电化学加工的表面进行磨削去除，同时，电解液从加工工具的平面侧壁对应的缺口处进入流道，并随着加工工具的旋转实现电解液循环；

步骤五、当加工达到预定深度后，关闭电源，电主轴停止旋转，加工工具退出，加工结束。

6.根据权利要求5所述的一种电化学放电-磨削复合加工工具的使用方法，其特征在于，在步骤一中，电解液为碱性、酸性或盐溶液，液面高出工件2-3mm。

7.根据权利要求5所述的一种电化学放电-磨削复合加工工具的使用方法，其特征在于，在步骤一中，电主轴转速为50-10000rpm。

8.根据权利要求5所述的一种电化学放电-磨削复合加工工具的使用方法，其特征在于，在步骤二中，电源电压范围在20-200V，频率为0-50KHz，占空比为0-100％。

9.根据权利要求8所述的一种电化学放电-磨削复合加工工具的使用方法，其特征在于，电源电压范围在40V，频率为500Hz，占空比为50％。

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