CN114871519B - 一种电解磨削平面的加工系统与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电解磨削平面加工的系统与方法，属于电解磨削复合加工领域。在左端面辅助阳极、右端面辅助阳极、后周面辅助阳极和前周面辅助阳极上施加高于工件阳极的电势，在砂轮左右端面的非加工区电流由两端面辅助阳极流向导电砂轮表面，在砂轮的前后周面处，电流由两周面辅助阳极流向导电砂轮表面，因此本发明可以有效抑制工件已加工表面和非加工表面的杂散电流腐蚀，提高工件加工表面的质量。由于清洗喷嘴和清洗刷对砂轮表面的清洗和冲刷作用、间歇反向电流对导电砂轮和工件表面附着的难溶胶状产物的排斥作用，使得加工区的难溶电解产物快速从加工间隙和砂轮表面排出，可避免常规电解平面磨削中产生的短路放电现象，提高加工效率。

Description

一种电解磨削平面的加工系统与方法
技术领域
本发明涉及一种电解磨削平面加工的系统与方法，属于电解磨削复合加工领域。
背景技术
随着航空航天等领域对材料性能要求的不断提高和材料制备工艺技术的发展，复杂结构和难加工材料层出不穷，难加工金属材料对加工工艺方法不断提出新的挑战。
电解磨削加工集成了电解加工和机械磨削加工的各自优势，其加工精度、表面粗糙度比电解加工更好，加工效率比机械磨削更高且磨具寿命更长，它在金属深小孔、薄壁筒、细长杆等特殊结构与零件的高品质精密成形等方面更展示出明显的技术优势。电解平面磨削作为电解磨削重要的加工方式，在钛合金和非晶合金等材料精密加工方面的表现并不理想，主要原因是：一方面钛合金和非晶合金等材料易钝化加工间隙内不溶性粘态电解产物多、体积大且粘附性强，排离时常不畅，极易黏附于磨具和工件表面，导致短路放电现象频发。针对该问题，安徽工业大学的李冬林提出了侧流式活动模板电解磨削复合加工方法及装置（专利申请号：CN202010026701.8），即通过工件与工具阴极之间作相对匀速的旋转运动，以使工具阴极能够有规律地均匀扫过工件表面，电解产物在电解液的冲刷以及人造金刚石颗粒的刮除作用下，能够比较容易地排出。该专利方案（专利申请号：CN202010026701.8）仍有一定的局限性：第一，该方案不能很好地解决电解磨削加工钛合金和非晶合金不溶性粘态电解产物黏附于工件和磨具表面导致短路放电现象频发和加工效率低的问题；第二，该方案仅仅适合于加工圆盘型工件的端面平面，不能加工方形平面。
另一方面非晶合金及钛合金等合金材料表面在水溶液中极易自钝化成膜，但这种自发形成的钝化膜并不十分致密，常常弥散分布有大量微孔，在杂散电流条件下极易出现非加工区杂散腐蚀和已加工面再腐蚀现象。上述问题严重限制了电解平面磨削技术的加工效率，恶化了加工精度，严重制约了电解平面磨削在难加工材料加工领域的推广和工业应用。因此，本发明提出一种针对钛合金和非晶合金等电解加工过程中易钝化且易生成大量难溶产物的难加工金属材料电解磨削平面加工的加工系统。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是针对现有的易钝化金属材料电解平面磨削加工间隙内不溶性粘态电解产物排离不畅，极易黏附于磨具和工件表面，导致短路放电现象频发，在砂轮两端面和周面处工件已加工表面产生杂散腐蚀导致加工效率低加工表面质量差的不足，提出一种针对钛合金和非晶合金等电解加工过程中易钝化且易生成大量难溶产物的难加工金属材料电解磨削平面加工的加工系统。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种电解磨削平面的加工系统与方法，包括导电砂轮、护罩、电解液喷嘴、工件、电解液、直流电源Ⅰ、直流电源Ⅱ、控制控制开关Ⅰ、控制控制开关Ⅱ、电子负载，其特征在于：它还包括左端面辅助阳极、右端面辅助阳极、电绝缘层Ⅰ、电绝缘层Ⅱ、清洗喷嘴、清洗刷、后周面辅助阳极和前周面辅助阳极；所述的导电砂轮的左端面和右端面分别设有左端面辅助阳极和右端面辅助阳极，左端面辅助阳极和右端面辅助阳极与导电砂轮之间分别设有电绝缘层Ⅰ和电绝缘层Ⅱ；所述的护罩的后侧内表面和前侧内表面分别设有后周面辅助阳极和前周面辅助阳极；所述的护罩的顶部设置有清洗喷嘴；所述的清洗喷嘴下部设有清洗刷；所述的直流电源Ⅰ的负极与导电砂轮相连，正极通过控制开关Ⅰ同时与左端面辅助阳极、右端面辅助阳极、后周面辅助阳极、前周面辅助阳极和电子负载的一端相连；所述的电子负载的另一端与工件相连；所述的直流电源Ⅱ的正极与导电砂轮相连，其负极通过控制开关Ⅱ与工件相连。
所述的左端面辅助阳极、右端面辅助阳极、后周面辅助阳极和前周面辅助阳极的材质均为不电化学溶解于中性盐溶液的金属，具体材料可为金或钛。
所述的左端面辅助阳极和右端面辅助阳极分别通过电绝缘层Ⅰ和电绝缘层Ⅱ固定在导电砂轮上，左端面辅助阳极和右端面辅助阳极与导电砂轮均电绝缘接触，绝缘层具体材料可为氮化硅或氮化硼。
所述的一种电解磨削平面的加工系统，其特征在于：所述的左端面辅助阳极和右端面辅助阳极均为圆环状，圆环宽度均为10-30mm，且其外径比导电砂轮外径均小3-6mm。
所述的护罩的材质为电绝缘材料，其与导电砂轮周面之间的间隙范围为10-20mm。
所述的后周面辅助阳极和前周面辅助阳极与导电砂轮的间隙均为10-18mm。
所述的后周面辅助阳极和前周面辅助阳极的下端距工件表面的最小间隙均为5-10mm。
所述的清洗喷嘴与电解液喷嘴与同一电解液循环过滤系统（图中未示出）相连通。
所述的清洗刷由丝状硬质电绝缘材料制成，且始终与导电砂轮的周面接触。
一种电解磨削平面的加工方法，其特征在于：它包括以下按顺序执行的步骤：
S1. 将安设有左端面辅助阳极、右端面辅助阳极、电绝缘层Ⅰ和电绝缘层Ⅱ的导电砂轮置于水平放置的工件的上方，导电砂轮的旋转中心轴线与水平面平行；
S2. 打开清洗喷嘴和电解液喷嘴，设定电子负载为恒压工作模式，连通开关Ⅰ开启直流电源Ⅰ，并通过电子负载调节左端面辅助阳极、右端面辅助阳极、后周面辅助阳极和前周面辅助阳极与工件之间的正电位差值为固定值△U，使得左端面辅助阳极、右端面辅助阳极、后周面辅助阳极和前周面辅助阳极的电位高于工件的电位；
S3.导电砂轮按照图示方向旋转，工件按照图示方向移动，每一次往复运动期间，控制开关Ⅰ和控制开关Ⅱ进行n次瞬态切换，即在导电砂轮表面和工件表面施加间歇的瞬态反向电流，使得黏附于导电砂轮和工件表面的带相反电荷的电解产物从导电砂轮和工件表面排出，当导电砂轮和工件之间完成一次往复运动后，工件向未加工表面的一侧横向进给半个砂轮厚度;
S4. 当所需加工的平面加工完成后，断开控制开关Ⅰ和控制开关Ⅱ，关闭清洗喷嘴和电解液喷嘴，卸下工件和导电砂轮并清洗，加工完成。
本发明所涉及的工作原理如下。
1.本发明可以有效抑制工件两端面和两周面已加工表面和非加工表面的杂散电流腐蚀，工件表面质量得以提高。将由两电绝缘层和两端面辅助阳极和导电砂轮集成的圆盘工具电极装夹在机床主轴（图中未画出）上，圆盘工具电极按照一定的磨削深度切入工件待加工平面。设定电子负载为恒压工作模式，通过电子负载调节砂轮两端面辅助阳极和两周面辅助阳极与与工件之间的正电位差值为△U。在加工区内工件阳极表面金属被快速溶解，随之会在表面形成致密的钝化膜而影响工件阳极表面金属被继续溶解，此时导电砂轮表面的磨粒开始起作用将钝化膜刮除，通过将左端面辅助阳极、右端面辅助阳极、后周面辅助阳极和前周面辅助阳极连接到直流电源正极以及调节电子负载大小施加高于电解磨削加工电压的电势，由经典电场理论可知，电流流动方向总是选择最短的路径由高电位等势面流向低电位等势面，即在砂轮左右端面的非加工区电流以电解液为媒介由两端面辅助阳极流向导电砂轮表面，而在砂轮的前后周面处，电流以电解液为媒介由两周面辅助阳极流向导电砂轮表面，因此本发明可以有效抑制工件两端面和两周面已加工表面和非加工表面的杂散电流腐蚀，采用本发明加工的工件表面质量得以提高。
2.加工区的难溶电解产物快速从加工间隙和砂轮表面排出，可避免常规电解平面磨削中产生的短路放电现象，提高加工效率。打开电解液喷嘴开关向工具电极与工件的接触面喷射电解液，同时打开清洗喷嘴向清洗刷和导电砂轮的接触面喷射电解液；驱动圆盘工具电极按照图示方向高速旋转，同时工件阳极按照图示方向运动，加工时控制开关Ⅰ和控制开关Ⅱ可以按一定周期T进行切换，且每个周期T中控制开关Ⅰ和控制开关Ⅱ各自的闭合时间可调，即可在导电砂轮表面和工件表面产生间歇的反向电流。由于清洗喷嘴和清洗刷对砂轮表面的清洗和冲刷作用、间歇反向电流对导电砂轮和工件表面附着的难溶胶状产物的排斥作用，使得加工区的难溶电解产物快速从加工间隙和砂轮表面排出，可避免常规电解平面磨削中产生的短路放电现象，提高加工效率。
本发明相比现有技术具有以下优点。
1.结构简单。本发明只需将常规电解平面磨削系统中的普通导电砂轮更换为两端面附加绝缘层和端面辅助阳极的导电砂轮，增加砂轮护罩和周面辅助阳极，整体结构简单，容易实现。
2.加工精度高，表面质量好。本发明中导电砂轮的端面和周面辅助阳极均为电化学惰性金属，并通过连接直流电源正极以及调节电子负载大小施加高于电解磨削加工电压的电势，由经典电场理论可知，电流流动方向总是由高电位等势面流向低电位等势面，因此本发明可以有效抑制工件非加工表面的杂散电流腐蚀，从而较好地解决平面电解磨削已加工面因杂散腐蚀导致表面质量差的问题，尤其是针对如非晶合金这种热敏感材料的电解磨削。
3.加工过程稳定，砂轮使用寿命长。相对于常规电解平面磨削，增加反向电流的作用使得正常工作时砂轮表面和工件表面黏附的带异性电荷的电解产物从砂轮表面排除，在砂轮护罩上增加清洗喷嘴和清洗刷，这样能及时地将砂轮表面黏附的难溶性电解产物冲刷掉，进而解决电解平面磨削电解产物排除不畅的问题，防止短路放电现象的发生，提高加工过程的稳定性，同时，尤其是对于加工硬脆难加工材料时，也可以减少砂轮磨损从而提高砂轮的使用寿命。
附图说明
图1是本发明一种电解磨削平面的加工系统结构主视图。
图2是本发明一种电解磨削平面的加工系统结构左视图。
图3是本发明一种电解磨削平面的加工系统结构主视图的剖视图。
图4是本发明一种电解磨削平面的加工系统与方法的工作原理图。
图5是常规电解平面磨削加工周面电流线分布示意图。
图6是常规电解平面磨削加工端面电流线分布示意图。
图7是本发明一种电解磨削平面的加工系统与方法加工过程砂轮周面电流线分布示意图。
图8是本发明一种电解磨削平面的加工系统与方法加工过程砂轮端面电流线分布示意图。
图中标号名称为：1.导电砂轮；2.电绝缘层Ⅰ；3.电绝缘层Ⅱ；4.左端面辅助阳极；5.右端面辅助阳极；6.护罩；7.后周面辅助阳极；8.前周面辅助阳极；9.清洗刷；10.清洗喷嘴；11.电解液喷嘴；12.工件；13.电解液；14.直流电源Ⅰ；15.直流电源Ⅱ；16.开关Ⅰ；17.开关Ⅱ；18.电子负载；19.钝化膜；20.已加工表面；21.待加工表面。
具体实施方式
下面结合附图对本发明专利的实施作进一步描述。
如图2、图3和图4所示，一种电解磨削平面的加工系统，包括由机床主轴（图中未示出）驱动的导电砂轮1（直径为100mm,厚度为20mm,基体材料为铜，磨粒为金刚石，粒度为180#）、采用氮化硅镀覆于导电砂轮1左右端面槽中获得的电绝缘层Ⅰ2和电绝缘层Ⅱ3、采用惰性金属钛镀覆于电绝缘层Ⅰ2和电绝缘层Ⅱ3中获得的左端面辅助阳极4和右端面辅助阳极5、采用聚丙烯制作的护罩6、分别采用钛镀覆于护罩6后侧内表面和前侧内表面的获得的后周面辅助阳极7和前周面辅助阳极8、固定于护罩6顶部的清洗喷嘴9，由磨料尼龙丝制成固定于清洗喷嘴9下部的清洗刷10、电解液喷嘴11、钛合金工件12(200X100X20mm)、NaNO3电解液13(浓度为20%，温度为30℃)、直流电源Ⅰ14、直流电源Ⅱ15、开关Ⅰ16、开关Ⅱ17和可以改变工作电阻大小的电子负载18；护罩6与导电砂轮1周面之间的间隙为12mm,后周面辅助阳极7与已加工表面20的间隙为5mm，前周面辅助阳极8与待加工表面21的间隙为5mm；清洗喷嘴9与电解液喷嘴11同源并且同步工作，清洗刷10始终与导电砂轮1周面接触，系统工作时清洗喷嘴9可将NaNO3电解液13喷射到清洗刷10和导电砂轮1的接触表面；直流电源Ⅰ14的负极与导电砂轮1相连，正极通过控制开关Ⅰ16同时与左端面辅助阳极4、右端面辅助阳极5、后周面辅助阳极7、前周面辅助阳极8和电子负载18的一端相连；电子负载18的另一端与工件12相连。
利用如图4所示的一种电解磨削平面的加工方法，主要包括以下步骤：
步骤1.将由导电砂轮1、左端面辅助阳极4、右端面辅助阳极5、电绝缘层Ⅰ2和电绝缘层Ⅱ3构成的工具电极装夹在磨床主轴（图中未示出）上，将工件12水平安装在磨床工作台（图中未示出）上，调整磨床各移动轴，设置磨削深度为0.02mm；
步骤2.设定电子负载18为恒压工作模式，连通开关Ⅰ16开启直流电源Ⅰ14，并通过电子负载18调节左端面辅助阳极4、右端面辅助阳极5、后周面辅助阳极7和前周面辅助阳极8与工件12之间的正电位差值为5V，使得左端面辅助阳极4、右端面辅助阳极5、后周面辅助阳极7和前周面辅助阳极8的电位高于工件12的电位；
步骤3.打开清洗喷嘴10和电解液喷嘴11，磨床主轴（图中未示出）驱动工具电极按照图示方向旋转，工作台（图中未示出）带动工件12按照图示方向移动，加工时控制开关Ⅰ16和控制开关Ⅱ17按周期0.2s进行切换，在导电砂轮1表面和工件12表面产生间歇的反向电流，调整每个周期中控制开关Ⅰ16和控制开关Ⅱ17各自的闭合时间，保证加工过程稳定且加工表面质量好；
步骤4.当所需加工的平面加工完成后，控制磨床主轴（图中未示出）和工作台（图中未示出）停止运动，断开控制开关Ⅰ16和控制开关Ⅱ17，关闭清洗喷嘴10和电解液喷嘴11，卸下工件12和工具电极并清洗，加工完成。
图5和图6为采用常规电解平面磨削加工的圆盘砂轮电极和工件12间的电场示意图，从图5中可以看出，在圆盘砂轮电极后周面处，大量电流从工件12的已加工表面20流向导电砂轮1，在圆盘砂轮电极前周面处，大量电流从工件12的待加工表面21流向导电砂轮1；从图6中可以看出，在圆盘砂轮电极两端面，大量电流从工件12表面流向导电砂轮1。在已加工表面20和待加工表面21产生的杂散电流导致电解平面磨削加工的工件表面产生大量的杂散腐蚀。
图7和图8为本发明的电解平面磨削加工系统具体实施方式中圆盘工具电极和工件12间的电场示意图，从图7可以看出，由于后周面辅助阳极7和前周面辅助阳极8的电位高于工件12的电位，由经典电场理论可知，电流流动方向总是选择最短的路径由高电位等势面流向低电位等势面，在砂轮的前后周面处，大部分电流以电解液13为媒介由后周面辅助阳极7和前周面辅助阳极8流向导电砂轮1表面，同理从图8中可以看出，在砂轮左右端面的非加工区，由于大部分电流以电解液13为媒介，由左端面辅助阳极4和右端面辅助阳极5流向导电砂轮1表面，可以有效抑制两端面和两周面处工件非加工表面的杂散电流腐蚀，因此采用本发明的电解平面磨削的系统与加工方法加工的工件表面质量得以提高。由于左端面辅助阳极4、右端面辅助阳极5、后周面辅助阳极7和前周面辅助阳极8材料均为不电化学溶解于中性盐溶液的惰性金属钛，所以他们在加工过程中未产生阳极溶解。
由于清洗喷嘴10和清洗刷9对砂轮表面的清洗和冲刷作用、间歇反向电流对导电砂轮1和工件12表面附着的大量难溶胶状产物的排斥作用，使得加工区的难溶电解产物快速从加工间隙和导电砂轮1表面排出，避免了常规电解平面磨削中产生的砂轮堵塞、短路放电等现象，保证加工过程的稳定性。

Claims (10)

1.一种电解磨削平面的加工系统，包括导电砂轮(1)、护罩(6)、电解液喷嘴(11)、工件(12)、电解液(13)、直流电源Ⅰ(14)、直流电源Ⅱ(15)、控制开关Ⅰ(16)、控制开关Ⅱ(17)、电子负载(18)，其特征在于：它还包括左端面辅助阳极(4)、右端面辅助阳极(5)、电绝缘层Ⅰ(2)、电绝缘层Ⅱ(3)、清洗喷嘴(10)、清洗刷(9)、后周面辅助阳极(7)和前周面辅助阳极(8)；所述的导电砂轮(1)的左端面和右端面分别设有左端面辅助阳极(4)和右端面辅助阳极(5)，左端面辅助阳极(4)和右端面辅助阳极(5)与导电砂轮(1)之间分别设有电绝缘层Ⅰ(2)和电绝缘层Ⅱ(3)；所述的护罩(6)的后侧内表面和前侧内表面分别设有后周面辅助阳极(7)和前周面辅助阳极(8)；所述的护罩(6)的顶部设有清洗喷嘴(10)；所述的清洗喷嘴(10)下部设有清洗刷(9)；所述的直流电源Ⅰ(14)的负极与导电砂轮(1)相连，正极通过控制开关Ⅰ(16)同时与左端面辅助阳极(4)、右端面辅助阳极(5)、后周面辅助阳极(7)、前周面辅助阳极(8)和电子负载(18)的一端相连；所述的电子负载(18)的另一端与工件(12)相连；所述的直流电源Ⅱ(15)的正极与导电砂轮(1)相连，其负极通过控制开关Ⅱ(17)与工件(12)相连。
2.根据权利要求1所述的一种电解磨削平面的加工系统，其特征在于：左端面辅助阳极(4)、右端面辅助阳极(5)、后周面辅助阳极(7)和前周面辅助阳极(8)的材质均为电化学惰性金属，具体材料可为金或钛。
3.根据权利要求1所述的一种电解磨削平面的加工系统，其特征在于：所述的左端面辅助阳极(4)和右端面辅助阳极(5)分别通过电绝缘层Ⅰ(2)和电绝缘层Ⅱ(3)固定在导电砂轮(1)上，左端面辅助阳极(4)和右端面辅助阳极(5)与导电砂轮(1)均电绝缘接触。
4.根据权利要求1所述的一种电解磨削平面的加工系统，其特征在于：所述的左端面辅助阳极(4)和右端面辅助阳极(5)均为圆环状，几何尺寸相同，厚度均为0.5-1mm，圆环宽度均为10-30mm，它们的外径均比导电砂轮(1)的最大外径小3-6mm。
5.根据权利要求1所述的一种电解磨削平面的加工系统，其特征在于：所述的护罩(6)的材质为电绝缘材料，其与导电砂轮(1)周面之间的间隙为10-20mm。
6.根据权利要求1所述的一种电解磨削平面的加工系统，其特征在于：所述的后周面辅助阳极(7)和前周面辅助阳极(8)与导电砂轮(1)的间隙均为10-18mm。
7.根据权利要求1所述的一种电解磨削平面的加工系统，其特征在于：所述的后周面辅助阳极(7)和前周面辅助阳极(8)的下端距工件(12)表面的最小间隙均为5-10mm。
8.根据权利要求1所述的一种电解磨削平面的加工系统，其特征在于：所述的清洗喷嘴(10)和电解液喷嘴(11)与同一电解液循环过滤系统相连通。
9.根据权利要求1所述的一种电解磨削平面的加工系统，其特征在于：所述的清洗刷(9)由丝状硬质电绝缘材料制成，且始终与导电砂轮(1)的周面接触。
10.一种电解磨削平面的加工方法，其特征在于：它包括以下按顺序执行的步骤：
S1.将安设有左端面辅助阳极(4)、右端面辅助阳极(5)、电绝缘层Ⅰ(2)和电绝缘层Ⅱ(3)的导电砂轮(1)置于水平放置的工件(12)的上方，导电砂轮(1)的旋转中心轴线与水平面平行；
S2.打开清洗喷嘴(10)和电解液喷嘴(11)，设定电子负载(18)为恒压工作模式，连通开关Ⅰ(16)，开启直流电源Ⅰ(14)，并通过电子负载(18)调节左端面辅助阳极(4)、右端面辅助阳极(5)、后周面辅助阳极(7)和前周面辅助阳极(8)与工件(12)之间的正电位差值为△U，使得左端面辅助阳极(4)、右端面辅助阳极(5)、后周面辅助阳极(7)和前周面辅助阳极(8)的电位高于工件(12)的电位；
S3.导电砂轮(1)按照顺时针方向旋转，工件(12)向左移动，每一次往复运动期间，控制开关Ⅰ(16)和控制开关Ⅱ(17)进行n次(n＝1，2，3……)切换，即每间隔约5秒钟在导电砂轮(1)表面和工件(12)表面施加一次时长约为0.5秒钟的反向电流，使得黏附于导电砂轮(1)和工件(12)表面的带相反电荷的胶状电解产物从导电砂轮(1)表面和工件(12)表面排出，当导电砂轮(1)表面和工件(12)之间完成一次往复运动后，工件(12)向未加工表面的一侧横向进给不超过一个砂轮厚度的距离；
S4.在加工完成前，重复进行步骤S3的操作；
S5.当所加工工件的表面粗糙度、平面度和厚度等参数达到加工要求时，断开控制开关Ⅰ(16)和控制开关Ⅱ(17)，关闭清洗喷嘴(10)和电解液喷嘴(11)，卸下工件(12)和导电砂轮(1)并清洗，加工完成。
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