非圓截面電解切割電極及其裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種非圓截面電解切割電極及其裝置，屬于電解加工【技術(shù)領(lǐng)域】。該工具電極特點在于電極整體為線狀或棒狀，電極橫截面為有利于擾動電解液流動的非圓形。該裝置包括電源、電解液循環(huán)系統(tǒng)、電解切割機床、電解切割機床數(shù)控系統(tǒng)、工具陰極系統(tǒng)、工件系統(tǒng)。本發(fā)明的非圓截面電解切割電極及裝置能夠提高電解切割的加工穩(wěn)定性、加工精度和加工效率。本發(fā)明利用非圓截面電極繞其軸線旋轉(zhuǎn)及沿軸線方向往復直線運動，促進加工產(chǎn)物的排出。本發(fā)明的電解切割方法能夠提高直紋面結(jié)構(gòu)的加工穩(wěn)定性、加工精度和加工效率。
【專利說明】非圓截面電解切割電極及其裝置
[0001]
所屬【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明的非圓截面電解切割電極及其裝置，屬于電解加工【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0003]航空發(fā)動機正朝著高性能、長壽命、高可靠性方向不斷發(fā)展，對零件疲勞壽命、表面完整性提出了嚴格要求。特別要求航空發(fā)動機工作葉片榫頭、渦輪盤榫槽，高精度傳動齒輪等高周疲勞零件加工表面無重鑄層、無微裂紋。此類零件多是截面形狀復雜、深寬比大的直紋面構(gòu)件，材料多是鈦合金、高溫合金、金屬間化合物等難切削加工材料。因此，高表面質(zhì)量難加工材料制造技術(shù)已經(jīng)成為制約先進航空發(fā)動機研制的瓶頸之一。
[0004]傳統(tǒng)機械加工是熱載荷-力載荷耦合作用過程，通常在零件表面產(chǎn)生殘余應力，形成加工硬化層，降低零件的疲勞強度。電火花加工、激光加工是典型的熱載荷作用過程，通常在零件表面形成重鑄層和熱影響層；重鑄層是熔融材料在零件表面快速冷卻形成的淬火鑄造組織，內(nèi)部常含有微裂紋。在交變載荷的作用下，微裂紋易擴展，致零件發(fā)生斷裂破壞。電解切割基于金屬電化學陽極溶解原理去除材料，其加工表面無應力、無重鑄層、無微裂紋，特別符合航空發(fā)動機難加工材料高表面質(zhì)量直紋面構(gòu)件加工需求。
[0005]電解切割，采用橫截面為圓形的金屬絲作為工具電極。采用線電極作為工具電極，可避免常規(guī)電解成形加工復雜的陰極設計、流場設計過程，大大縮短加工準備時間；采用線電極作為工具電極，電解液沿程特性對加工精度的影響相對簡單，更容易實現(xiàn)高精度加工。研究表明，高精度電解加工的實質(zhì)在于恒定的微間隙加工，其關(guān)鍵在于快速更新電解液，保持加工間隙內(nèi)電解液電導率穩(wěn)定、分布均勻。高精度電解切割加工間隙在數(shù)微米至數(shù)十微米尺度范圍內(nèi)。在如此狹小的加工間隙內(nèi)，電解液交換、更新困難。
[0006]研究人員提出采用同軸高速沖液來加快電解液流動。隨著切割深度增大，電解液微間隙內(nèi)高速流動沿程壓力損失急劇增大，使得沖液對加工間隙內(nèi)部較深處電解液的擾動和更新能力減弱。同時，一味地通過提高電解液壓力來彌補壓力損失效果亦不明顯，還容易帶來電解液射流霧化、電極絲振動等其他負面影響。
[0007]研究人員還提出了線電極單向走絲、往復走絲等輔助工藝，通過電極絲對電解液的拖曳作用來促進加工產(chǎn)物排出。由于線電極表面光滑，其對電解液的拖曳、擾動作用有限，加工高深寬比結(jié)構(gòu)時電解液更新仍然較慢，加工產(chǎn)物和氣泡易附著在電極絲和工件表面，誘發(fā)短路。
[0008]此外，研究人員還提出工件、工具電極低頻振動等輔助工藝，在一定程度上改善了加工間隙流場，解決了加工產(chǎn)物和氣泡附著在電極絲和工件表面的問題。當切割深度達數(shù)十甚至上百毫米時，低頻振動效果十分有限。
[0009]因此，提高電解切割加工間隙中電解產(chǎn)物的排出及電解液的更新速度，仍然是高深寬比結(jié)構(gòu)電解切割需要亟需解決的關(guān)鍵問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明針對現(xiàn)有高深寬比結(jié)構(gòu)電解切割加工產(chǎn)物排出困難的問題，提出一種非圓截面電解切割電極及裝置，提高加工產(chǎn)物排出速度，從而提高高深寬比結(jié)構(gòu)電解切割的加工穩(wěn)定性、加工精度和加工效率。
[0011]一種非圓截面電解切割電極，其特征在于:電極整體為線狀或棒狀，電極橫截面為有利于擾動電解液流動的非圓形狀。
[0012]所述的非圓截面電解切割電極，其特征在于:所述電極為表面帶有螺旋狀溝槽的線狀或棒狀電極，或竹節(jié)型電極，或削邊線狀或棒狀電極，或表面帶有螺旋狀溝槽的削邊線狀或棒狀電極，或竹節(jié)型削邊線狀或棒狀電極。
[0013]利用所述非圓截面電解切割電極的電解切割裝置，包括電源、電解液循環(huán)系統(tǒng)、電解切割機床、電解切割機床數(shù)控系統(tǒng)、工具陰極系統(tǒng)、工件系統(tǒng)。
[0014]所述的圓截面電解切割電極的電解切割裝置的第一種具體結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述工具陰極系統(tǒng)包括安裝于Z軸的上支架，上支架安裝有電主軸，電主軸下端安裝有上彈簧夾頭；所述工具陰極系統(tǒng)還包括安裝于Z軸的下支架，下支架和Z軸之間安裝有XY平面微調(diào)機構(gòu)，下支架通過Z向微調(diào)機構(gòu)安裝有下調(diào)節(jié)架，下調(diào)節(jié)架安裝有軸承，軸承內(nèi)安裝有下彈簧夾頭；非圓截面電極安裝于上彈簧夾頭和下彈簧夾頭之間。
[0015]所述的圓截面電解切割電極的電解切割裝置的第二種具體結(jié)構(gòu)，其特征在于:工具陰極系統(tǒng)包括安裝于Z軸的上支架，上支架安裝有電主軸，電主軸下端安裝有上彈簧夾頭；所述工具陰極系統(tǒng)還包括安裝于Z軸的下支架，下支架和Z軸之間安裝有XY平面微調(diào)機構(gòu)，下支架通過Z向微調(diào)機構(gòu)安裝有下調(diào)節(jié)架，下調(diào)節(jié)架安裝有導向器；非圓截面電極安裝于上彈簧夾頭下端并伸入導向器中。
[0016]利用所述非圓截面電解切割裝置的電解切割方法，其特征在于包括以下過程:步驟1、把工件安裝工件系統(tǒng)的數(shù)控轉(zhuǎn)臺上；步驟2、將非圓截面電極安裝于工具陰極系統(tǒng)；并且非圓截面電極夾持長度和位置可調(diào)；步驟3、電解液完全浸沒工件，工件接脈沖電源正極，非圓截面電極接脈沖電源負極，啟動脈沖電源；步驟4、加工時非圓截面電極同時進行Z向往復直線運動和旋轉(zhuǎn)運動；步驟5、通過數(shù)控系統(tǒng)的插補運算實現(xiàn)工件相對于非圓截面電極的切割運動；步驟6、分離、清洗工件。
[0017]現(xiàn)有電解切割用線電極橫截面均為圓形、表面光滑。常規(guī)電解切割線電極兩端常被施加一定拉力固定，通過電解液的擴散、對流傳質(zhì)實現(xiàn)電解液更新。近年來出現(xiàn)的線電極單向運絲電解切割、往復運絲電解切割、低頻振動電極切割等技術(shù)，通過工具電極沿軸線方向的低速直線運動拖曳電解液，帶動電解產(chǎn)物從加工間隙內(nèi)排出。由于線電極截面為圓形，線電極軸向運動對加工間隙內(nèi)電解液的擾動作用均過于“平靜”，傳質(zhì)效果有限。
[0018]本專利提出采用非圓截面電極作為電解切割工具陰極。加工時，非圓截面電極以一定速度旋轉(zhuǎn)，同時沿電極軸線方向往復運動。電極橫截面為非圓形狀可以增強電極高速轉(zhuǎn)動對加工間隙內(nèi)電解液的攪動作用，避免電解產(chǎn)物團聚，使得分散的電解產(chǎn)物更容易隨電解液流動從加工間隙內(nèi)排出。該攪動作用和脈沖電流的間隙效應、壓力波效應耦合還將有利于電解液中氣泡與工件表面碰撞，使黏附于電極、工件表面的加工產(chǎn)物脫落、進入電解液，跟隨電解液流動從加工間隙內(nèi)排出。
[0019]非圓截面電極同時進行旋轉(zhuǎn)運動和軸向往復直線運動，使得加工間隙內(nèi)臨近工件表面的電解液流動不僅包含橫截面內(nèi)的圓周切向運動，還具有軸向速度。此時，加工間隙內(nèi)電解液形成強對流運動，使得沿著切割厚度方向電解液更新速度加快。特別是，當非圓截面電極進行大行程往復直線運動時，該疊加運動將直接把含有氣泡、電解產(chǎn)物、焦耳熱的“臟”電解液從加工間隙內(nèi)帶出，把新鮮的電解液帶入加工間隙內(nèi)。
[0020]綜上所述，本發(fā)明的有益之處在于:(1)由于產(chǎn)物的排出和電解液的更新加快，使得加工間隙內(nèi)電解液產(chǎn)物、氣泡等雜質(zhì)含量減少，避免了由于電解產(chǎn)物堆積引起的短路現(xiàn)象，提高了加工穩(wěn)定性；(2)加工間隙內(nèi)電解液產(chǎn)物、氣泡等雜質(zhì)含量減少，避免了沿切割厚度方向電解液電導率的急劇降低，使得電解液電導率分布更為均勻；(3)電解液電導率的均勻分布，提高了穩(wěn)定加工的極限電流，使得陽極溶解速度加快，加工效率提高；(4)隨著加工速度的增大，加工間隙減小，材料集中蝕除能力加強，提高了加工精度；(5)有效改善了高深寬比結(jié)構(gòu)電解切割加工間隙內(nèi)流場，在縫寬相同的條件下，能穩(wěn)定切割更大厚度的工件，提高最大切割厚度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1是非圓截面電極示意圖；
圖2是非圓截面電極電解切割裝置示意圖；
圖3是工具陰極系統(tǒng)中非圓截面電極下端夾持示意圖；
圖4是采用非圓截面電極進行電解切割加工示意圖。
[0022]圖5是非圓截面電極運動過程示意圖；
其中標號名稱:1、機座，2、電解液槽，3、電解液槽座，4、電解液，5、X軸直線電機，6、Y軸直線電機，7、流量計，8、流量閥，9、過濾器，10、微量泵，11、儲液箱，12、加熱器，13、溫度計，14、伺服驅(qū)動器，15、數(shù)控系統(tǒng)，16、脈沖電源，17、工件，18、數(shù)控轉(zhuǎn)臺，19、銷，20、螺栓，21、電主軸，22、上彈簧夾頭，23、非圓截面電極，24、立柱，25、上支架，26、XY平面微調(diào)機構(gòu)，27_1、下支架，27-2、下調(diào)節(jié)架，28、Z軸直線電機，29、Z向微調(diào)機構(gòu)，30、平衡氣缸，31、導向器，32、軸承，33、下彈簧夾頭。

【具體實施方式】
[0023]圖1 (a)_圖1 (e)所示的非圓截面電極示意圖中，圖1 (a)是表面帶有螺旋狀溝槽的電極，圖1 (b)是削邊電極，圖1 (c)是竹節(jié)型電極，圖1 (d)是竹節(jié)型削邊電極，圖1(e)是表面帶有螺旋狀溝槽的削邊電極。表面帶有螺旋狀溝槽的電極是在一根圓柱形電極上加工出一段螺旋狀溝槽；削邊電極是在一根圓柱形電極上加工出一段橫截面呈半圓形或弓形的電極；竹節(jié)型電極是一根圓柱形電極上加工出一系列槽，槽可以均布也可以不均勻分布；竹節(jié)型削邊電極是在竹節(jié)型電極上再削邊；表面帶有螺旋狀溝槽的削邊電極是在表面帶有螺旋狀溝槽的電極上削邊。
[0024]圖2所示的非圓截面電極電解切割裝置示意圖中，機座1、立柱22、Z軸直線電機28、X軸直線電機5、Y軸直線電機6、平衡氣缸30構(gòu)成電解切割機床；電解液槽2，電解液槽座3，電解液4，流量計7，流量閥8，過濾器9，微量泵10，儲液箱11，加熱器12，溫度計13構(gòu)成電解液循環(huán)系統(tǒng)；數(shù)控轉(zhuǎn)臺18，定位銷19，工件17，螺栓20構(gòu)成工件系統(tǒng)；伺服驅(qū)動器14，數(shù)控系統(tǒng)15組成運動控制系統(tǒng)。脈沖電源16提供電解加工的脈沖電壓。
[0025]圖3 (a)是工具陰極系統(tǒng)中非圓截面電極下端夾持示意圖且非圓截面電極23下端定位于導向器31中的情況。工具陰極系統(tǒng)包括安裝于Z軸的上支架25，上支架25安裝有電主軸21，電主軸2)下端安裝有上彈簧夾頭22 ;工具陰極系統(tǒng)還包括安裝于Z軸的下支架27-1，下支架27-1和Z軸之間安裝有XY平面微調(diào)機構(gòu)26，下支架27_1通過Z向微調(diào)機構(gòu)29安裝有下調(diào)節(jié)架27-2，下調(diào)節(jié)架27-2安裝有軸承32，軸承32內(nèi)安裝有下彈簧夾頭33 ;非圓截面電極23安裝于上彈簧夾頭22和下彈簧夾頭33之間。
[0026]圖3 (b)是工具陰極系統(tǒng)中非圓截面電極下端夾持示意圖且非圓截面電極23下端夾持在下彈簧夾頭33中的情況。工具陰極系統(tǒng)包括安裝于Z軸的上支架25，上支架25安裝有電主軸21，電主軸21下端安裝有上彈簧夾頭22 ;工具陰極系統(tǒng)還包括安裝于Z軸的下支架27-1，下支架27-1和Z軸之間安裝有XY平面微調(diào)機構(gòu)26，下支架27_1通過Z向微調(diào)機構(gòu)29安裝有下調(diào)節(jié)架27-2，下調(diào)節(jié)架27-2安裝有導向器31 ;非圓截面電極23安裝于上彈簧夾頭22下端并伸入導向器31中。
[0027]圖4所示為采用非圓截面電極進行電解切割加工示意圖。
[0028]圖5是非圓截面電極運動過程示意圖；其中圖5 (a)是非圓截面電極運動至平衡位置示意圖，圖5 (b)是非圓截面電極運動至下極限位置示意圖，圖5 (c)是非圓截面電極運動至平衡位置示意圖，圖5 (d)是非圓截面電極運動至上極限位置示意圖，圖5 (e)是非圓截面電極運動至平衡位置示意圖。
[0029]結(jié)合圖1、圖2、圖3、圖4、圖5說明本發(fā)明的實施過程:
1、參考圖2，把工件17通過定位銷19安裝在數(shù)控轉(zhuǎn)臺18上，并用螺栓20固定；
2、參考圖1、圖2和圖3，將非圓截面電極23上端夾持在電主軸21的上彈簧夾頭22上，下端夾持在下調(diào)節(jié)架27-2上，非圓截面電極23下端穿入導向器32或下彈簧夾頭33。非圓截面電極23夾持長度可調(diào)，并通過Z向微調(diào)機構(gòu)19和XY平面微調(diào)機構(gòu)21調(diào)節(jié)非圓截面電極23的位置；
3、參考圖4，工件17接脈沖電源16正極，非圓截面電極23接脈沖電源16負極；啟動微量泵10并調(diào)節(jié)流量閥8，電解液4從儲液箱11注入電解液槽2中直至工件17完全浸沒；
4、參考圖5，啟動數(shù)控系統(tǒng)15，控制Z軸直線電機28作往復直線運動，實現(xiàn)非圓截面電極23的往復直線運動；控制電主軸21，實現(xiàn)非圓截面電極23的旋轉(zhuǎn)運動。即非圓截面電極23在豎直方向相對于工件17由上而下，又由下而上運動到原位置，往復直線運動的周期為T、行程為A。電解切割過程中往復直線運動始終與繞其軸線的旋轉(zhuǎn)運動耦合。
[0030]5、參考圖2，給數(shù)控系統(tǒng)輸入加工參數(shù)，開啟脈沖電源16，通過數(shù)控系統(tǒng)的插補運算實現(xiàn)工件17相對于非圓截面電極23的切割運動，完成一個金屬復雜直紋面結(jié)構(gòu)的加工；
6、分離、清洗工件17。
【權(quán)利要求】
1.一種非圓截面電解切割電極，其特征在于:電極整體為線狀或棒狀，電極橫截面為有利于擾動電解液流動的非圓形。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非圓截面電解切割電極，其特征在于:所述電極為表面帶有螺旋狀溝槽的線狀或棒狀電極，或竹節(jié)型電極，或削邊線狀或棒狀電極，或表面帶有螺旋狀溝槽的削邊線狀或棒狀電極，或竹節(jié)型削邊線狀或棒狀電極。
3.利用權(quán)利要求1所述非圓截面電解切割電極的電解切割裝置，包括電源、電解液循環(huán)系統(tǒng)、電解切割機床、電解切割機床數(shù)控系統(tǒng)、工具陰極系統(tǒng)、工件系統(tǒng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的圓截面電解切割電極的電解切割裝置，其特征在于: 所述工具陰極系統(tǒng)包括安裝于Z軸的上支架(25 )，上支架(25 )安裝有電主軸(21)，電主軸(21)下端安裝有上彈簧夾頭(22 ); 所述工具陰極系統(tǒng)還包括安裝于Z軸的下支架(27-1)，下支架(27-1)和Z軸之間安裝有XY平面微調(diào)機構(gòu)(26 )，下支架(27-1)通過Z向微調(diào)機構(gòu)(29 )安裝有下調(diào)節(jié)架(27-2 )，下調(diào)節(jié)架(27-2)安裝有軸承(32)，軸承(32)內(nèi)安裝有下彈簧夾頭(33)； 非圓截面電極(23)安裝于上彈簧夾頭(22)和下彈簧夾頭(33)之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的圓截面電解切割電極的電解切割裝置，其特征在于: 所述工具陰極系統(tǒng)包括安裝于Z軸的上支架(25 )，上支架(25 )安裝有電主軸(21)，電主軸(21)下端安裝有上彈簧夾頭(22)； 所述工具陰極系統(tǒng)還包括安裝于Z軸的下支架(27-1)，下支架(27-1)和Z軸之間安裝有XY平面微調(diào)機構(gòu)(26)，下支架(27-1)通過Z向微調(diào)機構(gòu)(29)安裝有下調(diào)節(jié)架(27_2)，下調(diào)節(jié)架(27-2)安裝有導向器(31)； 非圓截面電極(23)安裝于上彈簧夾頭(22)下端并伸入導向器(31)中。
【文檔編號】B23H3/04GK104400156SQ201410463454
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年9月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月12日
【發(fā)明者】房曉龍, 曾永彬, 鄒祥和, 朱荻 申請人:南京航空航天大學