CN207888328U - 一种等离子体氧化辅助磨削装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及精密加工领域，公开了一种等离子体氧化辅助磨削装置，包括刀具、刀具驱动装置、等离子体电源与电解液供给装置，刀具驱动装置包括一可绕自身轴心主动旋转的驱动轴，驱动轴与刀具连接，等离子体电源用于向待加工的工件输入等离子体电流，电解液供给装置用于向工件的待加工表面供给电解液。本实用新型可在工件表面生成低硬度的氧化层，因此可以实现氧化层的快速去除，相比于直接磨削钛合金而言，其材料去除速度得到了极大的提升；同时，氧化层的摩擦系数远低于钛合金，且与刀具材料的亲合力较弱，切屑不易粘结在刀具表面上，故可以有效地减少刀具的磨损，有助于延长刀具的使用寿命。

Description

一种等离子体氧化辅助磨削装置

技术领域

本实用新型涉及精密加工领域，尤其是涉及一种应用等离子体氧化技术的磨削装置。

背景技术

由于钛合金具有密度低、抗腐蚀性强等优点，因此广泛用于生产对精度要求较高的零件与结构，比如涡轮发动机叶片上的冷却孔、液压元件的阻尼孔、发动机喷油嘴针阀偶件等。尤其是航空发动机涡轮叶片上的冷却孔，由于其直径小、深径比大，因此加工难度极大。

钛合金的加工方法包括传统机械加工、电加工及其他特种加工方法。其中，机械加工包括车削、钻削、铣削、攻丝、磨削等。由于钛合金弹性模量小，钛合金钻孔时的轴向切削力非常大，因此毛刺现象严重，孔的加工质量难以满足人们的需求。为提高加工孔洞的内表面质量，常常需要在传统钻孔加工之后进行磨削精加工。工业中磨削加工钛合金时一般选用高强度、高硬度、高稳定性的砂轮，然而砂轮磨削会导致工件表面出现硬化现象；另一方面，由于钛合金的化学活性高，与刀具材料的亲合力极强，切屑极易粘结在刀具表面上，刀具与切屑摩擦会加速刀具的磨损。

此外，国内外还不断研究钛合金加工新技术，如钛合金电解加工，钛合金电解加工与其他加工方法相比较，可以达到较好的表面粗糙度，然而钛合金电解加工容易在钛表面形成钝化膜，从而制约深小孔的加工。

除钛合金电解加工之外，目前钛合金上的孔洞多由电火花加工技术进行加工，然而电火花加工技术应用于钛合金上时也存在缺陷：电火花加工过程中电极消耗剧烈，同时排屑困难，堵塞现象严重，从而严重损害其对材料的去除效率与误差的修正能力，并使控制工艺更加复杂。

基于上述，人们亟需一种既能提高材料去除效率，又能降低工具损耗的钛合金加工方法。

实用新型内容

为了克服现有技术的不足，本实用新型提供一种等离子体氧化辅助磨削装置，以解决现有技术中材料去除效率低下、工具损耗高的问题。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种等离子体氧化辅助磨削装置，包括刀具、刀具驱动装置、等离子体电源与电解液供给装置，刀具驱动装置包括一可绕自身轴心主动旋转的驱动轴，驱动轴与刀具连接，等离子体电源用于向待加工的工件输入等离子体电流，电解液供给装置用于向工件的待加工表面供给电解液。

作为上述方案的进一步改进方式，刀具可沿驱动轴的轴向发生超声振动。

作为上述方案的进一步改进方式，刀具驱动装置为超声电主轴。

作为上述方案的进一步改进方式，刀具进行超声振动的频率≥20KHz，振幅为1～50μm。

作为上述方案的进一步改进方式，等离子体电源的一端电极与刀具导通，另一端电极可与工件导通。

作为上述方案的进一步改进方式，等离子体电源的一端电极通过电刷与驱动轴导电连接，驱动轴与刀具导电连接。

作为上述方案的进一步改进方式，还包括数控加工中心，数控加工中心包括用于放置工件的工作台，以及用于驱动刀具驱动装置运动的驱动单元。

作为上述方案的进一步改进方式，工作台上还设置有用于承接工件的动力计。

作为上述方案的进一步改进方式，刀具为金属基电镀CBN砂轮或金属基电镀金刚石砂轮，等离子体电源包括直流电源与高频转换器。

作为上述方案的进一步改进方式，电解液的浓度为1～20％，溶质占溶剂的质量分数为1％～30％，溶质为硝酸钾、硝酸钠、亚硫酸钾、钨酸钠、磷酸二氢钠、锆酸钠等中的一种。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型可在工件表面生成低硬度的氧化层，因此可以实现氧化层的快速去除，相比于直接磨削钛合金而言，其材料去除速度得到了极大的提升；同时，氧化层的摩擦系数远低于钛合金，且与刀具材料的亲合力较弱，切屑不易粘结在刀具表面上，故可以有效地减少刀具的磨损，有助于延长刀具的使用寿命。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1是本实用新型一个实施例的立体示意图；

图2是本实用新型加工过程的示意图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本实用新型的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本实用新型的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本实用新型中所使用的上、下、左、右、前、后等描述仅仅是相对于附图中本实用新型各组成部分的相互位置关系来说的。

此外，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本实用新型。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。

参照图1，示出了本实用新型一个实施例的立体示意图。如图所示，等离子体氧化辅助磨削装置包括刀具100、刀具驱动装置200、等离子体电源(未示出)、电解液供给装置300与数控加工中心400。

数控加工中心400可以选用公知技术，具体到本实施例，其包括有工作台410与驱动单元420，其中工作台410用于放置待加工的工件，工作台410上优选安装有动力计430，动力计430用于检测工件所承受的力、力矩等参数。进一步的，动力计430上安装有夹具440，夹具440的形状、构造依据被固定的工件设计，本实用新型对此不做限定。

驱动单元420用于驱动刀具驱动装置200运动，进而使得刀具100具有更加灵活的加工轨迹。

刀具驱动装置200固定在驱动单元420之上，其包括一可绕自身轴心主动旋转的驱动轴210，该驱动轴与刀具100连接，从而可以驱动刀具100旋转。为进一步提升材料去除效率，本实用新型中的刀具100可沿驱动轴210的轴向发生超声振动。为满足上述要求，本实用新型中的刀具驱动装置200优选采用超声电主轴。

等离子体电源用于向待加工的工件内输入等离子体电流，从而配合电解液在工件表面形成氧化层。作为本实施例中的优选方案，等离子体电源的一端电极(如负极)与刀具100导通，另一端电极(如正极)则与工件导通，如此，当刀具触碰工件时形成通路，工件内则有等离子体电流通过。具体地，等离子体电源的负极通过电刷500与驱动轴210导电连接，驱动轴210再与刀具100导电连接，如此，既可以使刀具100带电，又不会阻碍刀具100的旋转。当然，也可以是等离子体电源的两极均与工件导电连接，即刀具不参与通路的形成，有助于简化结构。

电解液供给装置300在图中显示为喷嘴，与喷嘴连通的管路、动力泵与储液容器等未显示。喷嘴的开口朝向刀具100与工件的接触部位。本实施例中电解液供给装置300为外喷式供给装置，当然电解液供给装置300也可以集成在超声电主轴内，即采用内喷式供给装置。

参照图2，示出了本实用新型加工过程的示意图。如图所示，工件600与等离子体电源的正极导通，刀具100与等离子体电源的负极导通，刀具100与工件600的待加工表面之间通过电解液供给装置300不断注入电解液，在等离子电流与电解液的作用下，工件表面生成高电阻性、结构致密的氧化层(如对应钛合金形成的氧化钛)，该氧化物层的硬度远低于钛合金的硬度，因此刀具100可以快速的将氧化层去除，相比于直接磨削钛合金而言，其材料去除速度得到了极大的提升；同时，氧化层的摩擦系数远低于钛合金，且与刀具材料的亲合力较弱，切屑不易粘结在刀具表面上，故可以有效地减少刀具的磨损，有助于延长刀具的使用寿命。旧的氧化层去除后，裸露的工件表面在等离子电流与电解液的作用下继续生产新的氧化层，如此便可以实现持续磨削加工。

优选地，本实用新型中刀具100还可以沿旋转轴心的方向发生超声振动，高频振动的刀具通过机械刮擦的方法去除氧化层，一方面可以进一步提高去除材料的速度，另一方面可以充分发挥磨削加工精度高的特点，在保证零件尺寸精度的同时，还可有效的保证零件的表面完整性。

本实施例中的刀具100优选为金属基电镀CBN砂轮或金属基电镀金刚石砂轮，磨粒粒径为1～60μm，砂轮集中度为50～100。砂轮的转速为0～30000rpm，圆周速度Vg＝1～20m/s，进给速率Vw＝0.001～1000mm/s。砂轮超声振动的频率≥20KHz，振幅为1～50μm。等离子体电源包括直流电源与高频转换器，等离子体电源电压为20～200V，占空比为1～90％，频率为0～100MHz。

优选地，电解液的浓度为1～20％，溶质占溶剂的质量分数为1％～30％，溶质可以是硝酸钾、硝酸钠、亚硫酸钾、钨酸钠、磷酸二氢钠、锆酸钠等中的一种。

本实用新型还公开了一种等离子体氧化辅助磨削方法，其包括以下步骤，

S10向待加工的工件内输入等离子体电流，并向工件的待加工表面供给电解液，以在工件的待加工表面上形成氧化层。通入电流的方式优选是将等离子体电源的一端电极(如负极)与砂轮导通，另一端电极(如正极)与工件导通。

S20通过砂轮的旋转与进给去除工件表面已形成的氧化层。刀具优选还可沿自身转动轴心的方向发生超声振动，通过机械刮擦的方法辅助去除氧化层。

S30在旧的氧化层去除后，重复步骤S10、S20(事实上，等离子体电源与电解液供给装置300在加工过程中不停歇地的提供电流与电解液)，使得裸露的工件表面在等离子电流与电解液的作用下继续生产新的氧化层，重复上述生成氧化层-去除氧化层-生成新的氧化层的步骤，直至满足设定要求后停止。该设定的要求可以是材料的去除深度，也可以是材料的表面质量等。

以上是对本实用新型的较佳实施进行的具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本实用新型精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (9)

1.一种等离子体氧化辅助磨削装置，其特征在于，包括刀具、刀具驱动装置、等离子体电源与电解液供给装置，所述刀具驱动装置包括一可绕自身轴心主动旋转的驱动轴，所述驱动轴与所述刀具连接，所述等离子体电源用于向待加工的工件输入等离子体电流，所述电解液供给装置用于向所述工件的待加工表面供给电解液。

2.根据权利要求1所述的等离子体氧化辅助磨削装置，其特征在于，所述刀具可沿所述驱动轴的轴向发生超声振动。

3.根据权利要求2所述的等离子体氧化辅助磨削装置，其特征在于，所述刀具驱动装置为超声电主轴。

4.根据权利要求2所述的等离子体氧化辅助磨削装置，其特征在于，所述刀具进行超声振动的频率≥20KHz，振幅为1～50μm。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的等离子体氧化辅助磨削装置，其特征在于，所述等离子体电源的一端电极与所述刀具导通，另一端电极可与所述工件导通。

6.根据权利要求5所述的等离子体氧化辅助磨削装置，其特征在于，所述等离子体电源的一端电极通过电刷与所述驱动轴导电连接，所述驱动轴与所述刀具导电连接。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的等离子体氧化辅助磨削装置，其特征在于，还包括数控加工中心，所述数控加工中心包括用于放置所述工件的工作台，以及用于驱动所述刀具驱动装置运动的驱动单元。

8.根据权利要求7所述的等离子体氧化辅助磨削装置，其特征在于，所述工作台上还设置有用于承接所述工件的动力计。

9.根据权利要求1至4中任一项所述的等离子体氧化辅助磨削装置，其特征在于，所述刀具为金属基电镀CBN砂轮或金属基电镀金刚石砂轮，所述等离子体电源包括直流电源与高频转换器。