CN201223981Y - 嵌片式复合工具及电化学机械复合加工装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及嵌片式复合工具及电化学机械复合加工装置。本实用新型的复合工具包括有嵌片及基体，嵌片固定在基体上。本实用新型的复合工具制作简便，更换嵌片容易，可以通过调整嵌片和基体的几何参数来调整加工过程中的极间间隙，电解区域和磨削区域的比例，同时可以根据加工材料可以采用尽量小的磨粒，从而达到比较高的表面粗糙度。本实用新型的复合加工装置包括机械运动机构、控制系统及电解液供给系统，其中机械运动机构包括能使复合工具实现自旋运动的机构以及能使复合工具相对于工件实现上下前后左右运动的机构。本实用新型的加工过程是利用电化学阳极溶解原理和机械刮膜作用的复合实现金属去除。对难加工材料的加工具有工具损耗小，加工效率高，加工精度高等特点。

Description

嵌片式复合工具及电化学机械复合加工装置

技术领域

本实用新型涉及嵌片式复合工具及电化学机械复合加工装置，具体涉及一种嵌片式复合工具及使用该工具的电化学机械复合抛光及切割成型的加工装置。

背景技术

目前，电化学及其与机械复合加工的现状如下：

1)电解成型加工技术：是利用金属工件在电解液中发生阳极溶解的一种加工技术。电解加工具有加工过程稳定，可加工的材料范围广，电极无损耗，加工速度比电火花加工快5-10倍，加工间隙为电火花加工的10倍以上等特点，适合用于大型零件的拷贝式加工。但是，必须制作成型电极，并且成型电极的精度对加工质量的影响非常大。

2)电解抛光技术：是利用电化学阳极溶解的原理对金属表面进行抛光的一种效率较高的加工方法。电解抛光的原理和电解成型加工的原理一样，但是，抛光工艺与成型工艺不同，其要求的材料去除量小，精度高，表面质量好。因此，要求对电解的过程实现高精度的控制。

3)电化学机械复合加工技术：是以电解作为材料去除的主要方式，由电解生成钝化膜而影响电解的进一步进行，再以适当的机械作用去除钝化膜，其关键是怎么匹配电解作用和机械作用。该技术始于20世纪70年代日本，80年代已经成功应用不锈钢、炭钢零件的表面和内外圆旋转面的抛光，最佳效果可达到镜面，我国从90年代开始研究，但是在实际应用过程中还存在很多问题。

另外，目前国内外电解磨削加工的工具形式多为砂轮式或拷贝式，且一般的电化学机械加工由于砂轮尺寸较大，很难应用于窄缝、深槽等领域的抛光。

实用新型内容

本实用新型的目的在于考虑上述问题而提供一种能将电解和机械磨削有机的结合在一起的嵌片式复合工具。本实用新型的嵌片式复合工具制作简便，更换嵌片容易。

本实用新型的另一目的在于提供一种工具损耗小，加工效率高，加工精度高的电化学机械复合加工装置。

本实用新型的技术方案是：

本实用新型的复合工具包括有能去除材料、光整加工、刮除钝化膜及引导电解加工的区域和方向的嵌片和作为电解加工的工具电极的基体，嵌片固定在基体上。

上述嵌片的加工表面使用电镀或者钎焊的方法附上一层磨粒，或者用粉末冶金的方法直接烧结成嵌片形式的砂片。

上述嵌片和基体之间通过绝缘树脂粘结剂粘合；或上述嵌片和基体的结合面涂刷有绝缘涂料，再通过连接件将嵌片固定在基体上。

上述嵌片和基体之间的极间间隙通过调整嵌片的尺寸来调节，电解加工区和磨削加工区的比例通过嵌片外表面的弧度和基体外表面的弧度之间的比例来调整。

本实用新型的使用嵌片式复合工具的电化学机械复合加工装置，包括有机械运动机构、控制系统及将电解液喷入加工区域的电解液供给系统，其中机械运动机构包括有机座、安装在机座上能使复合工具实现自旋运动的机构以及能使复合工具相对于工件实现上下前后左右运动的机构，控制系统分别控制机械运动机构的运动及控制电解液供给系统的供给过程。

上述使复合工具实现自旋运动的机构包括有调速电机、联轴器、两个换向器、手紧钻夹头，其中调速电机的输出轴通过联轴器及把垂直方向的旋转运动转换成水平方向上的旋转运动的两个换向器与手紧钻夹头连接，复合工具安装在手紧钻夹头上；使复合工具相对于工件实现上下前后左右运动的机构包括有机座、Y轴工作台、X轴工作台、T型工作台、Z轴导轨、丝杠、步进电机、台架、夹具，使复合工具实现自旋运动的机构安装在台架上，台架安装在作下上运动的Z轴导轨上，Z轴导轨与由步进电机驱动的丝杠连接，夹紧工件的夹具固定在T型工作台上，T型工作台装设在电解液槽上，电解液槽通过槽座及固定件固定在X轴工作台上，X轴工作台装设在Y轴工作台上，Y轴工作台装设在机座上，X轴工作台及Y轴工作台的驱动装置分别与控制系统电连接，电解液供给系统与置于加工区域的喷嘴连接。

上述两换向器通过一对锥齿轮实现其换向，并通过螺栓和轴承座固定在两下悬臂上，两下悬臂之间装设有能调整其之间间距的丝杠，两换向器之间通过能实现两者同步运动的同步带轮及同步带连接；上述同步带还装有张紧机构，张紧机构固装在与机座连接的立柱上。

上述控制系统包括有中央控制单元、数据采集卡、电压和电流监测装置、运动控制卡、接口电路、脉冲电源、D/A转换器、加工过程的监控装置及电机驱动器，中央控制单元的输入端通过数据采集卡与电压和电流监测装置连接，中央控制单元的输出端通过运动控制卡分别与接口电路及D/A转换器连接，接口电路与脉冲电源连接，控制脉冲电源的频率，电压，占空比；D/A转换器分别与X轴工作台及Y轴工作台的驱动装置电连接及与步进电机、调速电机电连接。

上述中央控制单元还连接有显示器、调速变频器，显示器上设有加工电流显示窗、加工频率显示窗、加工电压显示窗，中央控制单元还连接有电源频率调整旋钮、电源电压调整旋钮、占空比调整旋钮、键盘。

上述电解液供给系统包括有喷嘴、滤网、滤芯、储液箱、水泵、机座、水管接头、立柱、水管法兰接头，水泵经过滤网、滤芯将电解液从储液箱抽出，并经管路送至将电解液喷入加工区域的喷嘴，电解液在喷嘴的出口形成高压，从喷嘴出来的电解液经由电解液槽底部的水管接头、水管法兰接头及其水管流回储液箱。

本实用新型由于采用嵌片式复合工具作为电极的结构，新型的嵌片式复合工具将电解和机械磨削有机的结合在一起，实现了电解加工加工范围广，工具损耗小和机械磨削加工可控性能好的优势结合，利用磨削的机械刮膜作用引导电解加工的区域和方向，提高电解加工过程的可控性。本实用新型中的新型嵌片式复合工具制作简便，更换嵌片容易，可以通过调整嵌片和基体的几何参数来调整加工过程中的极间间隙，电解区域和磨削区域的比例，同时可以根据加工材料可以采用尽量小的磨粒，从而达到比较高的表面粗糙度。由于其结构特点，可以胜任窄缝、深槽等领域的抛光，本实用新型电化学机械复合加工装置的加工过程是利用电化学阳极溶解原理和机械刮膜作用的复合实现金属去除的技术。在电化学机械加工中，电化学和机械作用贯穿其加工过程的始终，材料的去除主要以电化学作用完成，因此，本实用新型对难加工材料的加工具有工具损耗小，加工效率高，加工精度高等特点。另外，本实用新型中的控制系统根据采集加工过程中的电流、电压值判断电解加工所处的状态是否短路，自动调整机械进给参数和电源参数以适应加工。本实用新型由于综合了电解加工和机械加工的优点，具有加工成本较低，加工精度较高，工具损耗小的特点，在实现对难加工的抛光和平面及曲面的加工中具有一定的优势。

附图说明

图1(1)为本实用新型复合工具的结构示意图；

图1(2)为图1(1)的侧视图；

图2(1)为本实用新型复合工具另一结构的立体图；

图2(2)为图2(1)的主视图；

图2(3)为图2(2)的侧视图；

图3为本实用新型电化学机械复合加工的结构示意图；

图4为本实用新型电化学机械复合加工的侧视图；

图5为本实用新型中央控制单元的平面图；

图6为本实用新型控制系统的原理图。

图中：221嵌片；222基体；223磨粒；1机座；2Y轴工作台；3X轴工作台；4水槽座；5电解液槽；6水槽内T型台；7换向器；8手紧钻夹头；9下悬臂；10同步带；11联轴器；12调速电机；13Z轴导轨；14丝杠；15步进电机；16丝杠；17下悬臂；18台架；19轴承座；20同步带轮；21喷嘴；22复合工具；23螺栓；24工件；25夹具；26显示器；27加工电流显示窗；28加工频率显示窗；29调速变频器；30加工电压显示窗；31电源频率调整旋钮；32电源电压调整旋钮；33占空比调整旋钮；34键盘；35滤网；36滤心；37储液箱；38水泵；39水管接头；40立柱；41张紧机构；42水管法兰接头。

具体实施方式

实施例：

本实用新型复合工具22的结构示意图如图1(1)、图1(2)、图2(1)、图2(2)所示，本实用新型的复合工具22包括有能去除材料、光整加工、刮除钝化膜及引导电解加工的区域和方向的嵌片221和作为电解加工的工具电极的基体222，嵌片221固定在基体222上。

上述嵌片221的加工表面使用电镀或者钎焊的方法附上一层磨粒223，或者用粉末冶金的方法直接烧结成嵌片形式的砂片。

上述嵌片221和基体222之间通过绝缘树脂粘结剂粘合，如图1(1)、图1(2)所示；在嵌片221和基体222尺寸比较大的时候，也可以在嵌片221和基体222的结合面涂刷有绝缘涂料，再通过连接件224将嵌片221固定在基体222上。如图2(1)、图2(2)、如图2(3)所示，本实施例中，连接件224为螺钉，嵌片221可以灵活更换。

上述嵌片221和基体222之间的极间间隙通过调整嵌片221的尺寸来调节，电解加工区和磨削加工区的比例通过嵌片221外表面的弧度和基体222外表面的弧度之间的比例来调整。

本实用新型使用嵌片式复合工具的电化学机械复合加工装置的结构示意图如图3、4、5所示，包括有机械运动机构、控制系统及将电解液喷入加工区域的电解液供给系统，其中机械运动机构包括有机座1、安装在机座1上能使复合工具22实现自旋运动的机构以及能使复合工具22相对于工件24实现上下前后左右运动的机构，控制系统分别控制机械运动机构的运动及控制电解液供给系统的供给过程。

本实施例中，上述使复合工具22实现自旋运动的机构包括有调速电机12、联轴器11、两个换向器7、7A，手紧钻夹头8，其中调速电机12的输出轴通过联轴器11及把垂直方向的旋转运动转换成水平方向上的旋转运动的两个换向器7、7A与手紧钻夹头8连接，复合工具22安装在手紧钻夹头8上；使复合工具22相对于工件24实现上下前后左右运动的机构包括有机座1、Y轴工作台2、X轴工作台3、T型工作台6、Z轴导轨13、丝杠14、步进电机15、台架18、夹具25，使复合工具22实现自旋运动的机构安装在台架18上，台架18安装在作下上运动的Z轴导轨13上，Z轴导轨13与由步进电机15驱动的丝杠14连接，夹紧工件24的夹具25固定在T型工作台6上，T型工作台6装设在电解液槽5上，电解液槽5通过槽座4及固定件固定在X轴工作台3上，X轴工作台3装设在Y轴工作台2上，Y轴工作台2装设在机座1上，X轴工作台3及Y轴工作台2的驱动装置分别与控制系统电连接，电解液供给系统与置于加工区域的喷嘴21连接。

本实施例中，上述两换向器7、7A通过一对锥齿轮实现其换向，并通过螺栓23和轴承座19固定在两下悬臂9、17上，两下悬臂9、17之间装设有能调整其之间间距的丝杠16，两换向器7、7A之间通过能实现两者同步运动的同步带轮20及同步带10连接；上述同步带10还装有张紧机构41，张紧机构41固装在与机座1连接的立柱40上。

本实施例中，上述控制系统的原理图如图6所示，包括有中央控制单元51、数据采集卡52、电压和电流监测装置53、运动控制卡54、接口电路55、脉冲电源56、D/A转换器57、加工过程的监控装置及电机驱动器，中央控制单元51的输入端通过数据采集卡52与电压和电流监测装置53连接，中央控制单元51的输出端通过运动控制卡54分别与接口电路55及D/A转换器57连接，接口电路55与脉冲电源56连接，控制脉冲电源56的频率，电压，占空比；D/A转换器57分别与X轴工作台3及Y轴工作台2的驱动装置电连接及与步进电机15、调速电机12电连接。

此外，为便于用户使用，上述中央控制单元51还连接有显示器26、调速变频器29，显示器26上设有加工电流显示窗(27、加工频率显示窗28、加工电压显示窗30，中央控制单元51还连接有电源频率调整旋钮31、电源电压调整旋钮32、占空比调整旋钮33、键盘34。

本实施例中，上述电解液供给系统包括有喷嘴21、滤网35、滤芯36、储液箱37、水泵38、机座39、水管接头39、立柱40、水管法兰接头42，水泵38经过滤网35、滤芯36将电解液从储液箱37抽出，并经管路送至将电解液喷入加工区域的喷嘴21，电解液在喷嘴21的出口形成高压，从喷嘴21出来的电解液经由电解液槽4底部的水管接头39、水管法兰接头42及其水管流回储液箱37。

本实用新型电化学机械复合抛光及切割成型装置的加工方法，其包括如下步骤：

1)安装工件24及复合工具22，并根据工件的材料和加工要求选择包括工具的自旋速度、进给速度、工具参数、电源参数及其电解液配方的工艺参数；

2)根据要求的加工形状在CAD编程系统中进行加工过程的代码编程；

3)工件24及复合工具22分别接加工电源的负极和正极；

4)开启水泵38，启动电解液供给系统；

5)启动控制系统，读入加工代码，进行工件的加工；

6)加工过程中，电解加工作为材料去除的主要方式，磨削加工的主要作用是去除电解过程中生成的钝化膜，以引导电解加工的区域和方向；控制系统能对加工状况进行实时监视并进行调节，使整个加工体系保持最佳的状态。

本实用新型的工作原理如下：本实用新型调速电机12垂直方向的运动通过换向器7、7A转换成手紧钻夹头8水平方向上的旋转运动，而复合工具22安装在夹头8上，故复合工具22随钻夹头8旋转实现自旋运动。另外，换向器7内部由一对锥齿轮来实现其换向的功能，换向器7通过螺栓和轴承座19固定在下悬臂9、17上，两下悬臂9、17之间的间距可以丝杠16来调整，从而适应不同长度的复合工具。两个换向器7、7A之间通过同步带轮20和同步带10来实现两者同步运动，当调整两换向器之间距离时，通过更换同步带10以及调整同步带10的张紧机构41来适应不同长度的复合工具22。另外，步进电机15带动丝杠14可以实现台架18的下上运动，由于整个复合工具22的自旋运动机构是安装在台架18上的，因此，可以实现复合工具22相对工件24的上下Z轴运动。此外，通过控制系统可以实现通过工件前后左右的X轴向和Y轴向运动，从而实现工件24相对复合工具22的X轴向和Y轴向的运动。通过控制系统对X、Y、Z轴的调度，本装置可以实现对工件的Y、Z平面内一些曲面的抛光及成型加工，也可以实现对加工的高效切割加工。

控制系统的工作原理如图6所示，加工开始时，首先根据加工工件的材料和加工要求初步确定其加工参数。在加工过程中，通过数据采集卡采集实时的电压和电流。而PC主控程序由内部总线从数据采集卡读取加工过程中的电压和电流的信息，并将其与工艺参数库中数据相比较，通过比较的结果反馈输出到运动控制卡控制XYZ轴的进给参数，工具的自旋速度，并通过接口电路控制脉冲电源的频率，电压，占空比。

电解液供给系统的电解液实行喷射式供给，水泵38将电解液经过滤心36从储液箱37抽出，在喷嘴21出形成高压，将电解液喷入加工区域，达到保证加工区域充满电解液，以及辅助排屑的目的。从喷嘴21出来的电解液经由电解液槽底部的水管接头39流回储液箱。储液箱中有两层滤网35，目的为了过滤夹杂在电解液里面的废屑。整个电解液供液系统主要具有供给、回收、过滤、存储电解液的功能，达到电解液循环利用的目的。由于在加工过程，为了实现用磨削作用来引导电解加工的目的，因此，电解液配方一般钝化性质的Na3PO4、Na2CO3等，如果考虑提高加工效率，也可以采用NaNO3等中性的电解液配方。

本实用新型的嵌片式复合工具使电化学加工和机械加工有效结合找到合适的载体，以达到电化学加工效率高，表面质量好，而机械加工可控性好，加工材料限制少的优势结合。在加工的过程中，复合工具中基体作为电解加工过程中电极，嵌片的作用主要是去除电解加工过程中产生的钝化膜，以引导电解的进一步进行的区域与方向。该工具可以通过制作一系列不同尺寸的嵌片可以方便的调整电解加工的极间间隙，而极间间隙是电解加工过程中的重要参数，它关系到加工过程的排屑，电解液流场，以及电场和电流的分布，因此，寻求合适的极间间隙是电解加工的重要方面，而嵌片式复合工具提供了这个条件。此外，在电化学机械复合加工过程中，另一个重要的参数是电化学加工与机械加工的比例，它关系到加工过程中，那种加工起主要作用，因此，关系到工具的损耗，表面质量，加工效率，而嵌片式复合工具通过制作系列不同弧度比的嵌片和基体可以得到加工过程中不同电解与磨削比，从而可以寻求在不同材料不同场合电化学机械复合加工中，较优的电解加工和磨削加工的比例。

本实用新型装备的控制系统通过对加工过程中的电流和电压的监测来判断加工状态如何，是否短路，进一步通过调整电源参数和进给参数，使加工处于最佳状态，从而得到较优的加工效果和加工质量。工艺参数库存储对不同材料的加工工艺试验得到其较优的加工参数。在加工的初始阶段，可以直接调用工艺参数库参数，而在加工过程中，通过控制系统进行微调，使加工处于最佳状态。

Claims (10)

1、一种嵌片式复合工具，复合工具(22)包括有能去除材料、光整加工、刮除钝化膜及引导电解加工的区域和方向的嵌片(221)和作为电解加工的工具电极的基体(222)，嵌片(221)固定在基体(222)上。

2、根据权利要求1所述的嵌片式复合工具，其特征在于上述嵌片(221)的加工表面使用电镀或者钎焊的方法附上一层磨粒(223)，或者用粉末冶金的方法直接烧结成嵌片形式的砂片。

3、根据权利要求1所述的嵌片式复合工具，其特征在于上述嵌片(221)和基体(222)之间通过绝缘树脂粘结剂粘合；或上述嵌片(221)和基体(222)的结合面涂刷有绝缘涂料，再通过连接件将嵌片(221)固定在基体(222)上。

4、根据权利要求1至3任一项所述的嵌片式复合工具，其特征在于上述嵌片(221)和基体(222)之间的极间间隙通过调整嵌片(221)的尺寸来调节，电解加工区和磨削加工区的比例通过嵌片(221)外表面的弧度和基体(222)外表面的弧度之间的比例来调整。

5、一种使用权利要求1所述嵌片式复合工具的电化学机械复合加工装置，其特征在于包括有机械运动机构、控制系统及将电解液喷入加工区域的电解液供给系统，其中机械运动机构包括有机座(1)、安装在机座(1)上能使复合工具(22)实现自旋运动的机构以及能使复合工具(22)相对于工件(24)实现上下前后左右运动的机构，控制系统分别控制机械运动机构的运动及控制电解液供给系统的供给过程。

6、根据权利要求5所述的电化学机械复合加工装置，其特征在于上述使复合工具(22)实现自旋运动的机构包括有调速电机(12)、联轴器(11)、两个换向器(7、7A)、手紧钻夹头(8)，其中调速电机(12)的输出轴通过联轴器(11)及把垂直方向的旋转运动转换成水平方向上的旋转运动的两个换向器(7、7A)与手紧钻夹头(8)连接，复合工具(22)安装在手紧钻夹头(8)上；使复合工具(22)相对于工件(24)实现上下前后左右运动的机构包括有机座(1)、Y轴工作台(2)、X轴工作台(3)、T型工作台(6)、Z轴导轨(13)、丝杠(14)、步进电机(15)、台架(18)、夹具(25)，使复合工具(22)实现自旋运动的机构安装在台架(18)上，台架(18)安装在作下上运动的Z轴导轨(13)上，Z轴导轨(13)与由步进电机(15)驱动的丝杠(14)连接，夹紧工件(24)的夹具(25)固定在T型工作台(6)上，T型工作台(6)装设在电解液槽(5)上，电解液槽(5)通过槽座(4)及固定件固定在X轴工作台(3)上，X轴工作台(3)装设在Y轴工作台(2)上，Y轴工作台(2)装设在机座(1)上，X轴工作台(3)及Y轴工作台(2)的驱动装置分别与控制系统电连接，电解液供给系统与置于加工区域的喷嘴(21)连接。

7、根据权利要求6所述的电化学机械复合加工装置，其特征在于上述两换向器(7、7A)通过一对锥齿轮实现其换向，并通过螺栓(23)和轴承座(19)固定在两下悬臂(9、17)上，两下悬臂(9、17)之间装设有能调整其之间间距的丝杠(16)，两换向器(7、7A)之间通过能实现两者同步运动的同步带轮(20)及同步带(10)连接；上述同步带(10)还装有张紧机构(41)，张紧机构(41)固装在与机座(1)连接的立柱(40)上。

8、根据权利要求5所述的电化学机械复合加工装置，其特征在于上述控制系统包括有中央控制单元(51)、数据采集卡(52)、电压和电流监测装置(53)、运动控制卡(54)、接口电路(55)、脉冲电源(56)、D/A转换器(57)、加工过程的监控装置及电机驱动器，中央控制单元(51)的输入端通过数据采集卡(52)与电压和电流监测装置(53)连接，中央控制单元(51)的输出端通过运动控制卡(54)分别与接口电路(55)及D/A转换器(57)连接，接口电路(55)与脉冲电源(56)连接，控制脉冲电源(56)的频率，电压，占空比；D/A转换器(57)分别与X轴工作台(3)及Y轴工作台(2)的驱动装置电连接及与步进电机(15)、调速电机(12)电连接。

9、根据权利要求8所述的电化学机械复合加工装置，其特征在于上述中央控制单元(51)还连接有显示器(26)、调速变频器(29)，显示器(26)上设有加工电流显示窗(27)、加工频率显示窗(28)、加工电压显示窗(30)，中央控制单元(51)还连接有电源频率调整旋钮(31)、电源电压调整旋钮(32)、占空比调整旋钮(33)、键盘(34)。

10、根据权利要求1所述的电化学机械复合加工装置，其特征在于上述电解液供给系统包括有喷嘴(21)、滤网(35)、滤芯(36)、储液箱(37)、水泵(38)、水管接头(39)、立柱(40)、水管法兰接头(42)，水泵(38)经过滤网(35)、滤芯(36)将电解液从储液箱(37)抽出，并经管路送至将电解液喷入加工区域的喷嘴(21)，电解液在喷嘴(21)的出口形成高压，从喷嘴(21)出来的电解液经由电解液槽(4)底部的水管接头(39)、水管法兰接头(42)及其水管流回储液箱(37)。

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