本發(fā)明涉及一種輔助陽極電解磨銑加工系統(tǒng)及方法，屬于電解磨銑復合加工領域。

背景技術：

隨著科學技術的發(fā)展，現(xiàn)代航空、航天、船舶等工業(yè)領域中使用了大量高溫合金、鈦合金等金屬材料。比如，GH4169合金分別占了CF6發(fā)動機、CY2000發(fā)動機和PW4000發(fā)動機總重量34%、56%和57%；鈦合金占了第四代戰(zhàn)斗機F-22所使用材料總量的41%等。然而，受這些材料本身一些固有特性的影響，如導熱能力差、強度高、硬度大等，在機械加工過程中加工區(qū)的溫度較高、切削力較大，容易引起刀具的磨損。以航空發(fā)動機中的燃燒室薄壁機匣為例，其環(huán)形面上不僅有眾多形狀各異的安裝凸臺、加強筋等，而且從毛坯加工成零件的材料去除比一般可高達60%～80%，這給制造技術帶來了諸多挑戰(zhàn)。

電解磨銑加工是采用形狀簡單的磨頭電極作為工具陰極，利用數控銑削的方式由磨頭電極的旋轉運動和工件的進給運動共同形成輪廓的發(fā)生線，通過相切法進行成形加工的一種復合加工方法。電解磨銑加工時大部分金屬材料是在電解作用下以離子的形式去除的，磨削的主要作用是去除工件表面因電化學腐蝕生成的氧化物薄膜，保持電解過程的正常進行并降低表面粗糙度。對于在高溫合金、鈦合金等難切削金屬材料上加工各種型面、型腔、凸臺、薄壁等結構，電解磨銑技術具有切削力小、刀具損耗低、生產率高、加工表面質量好及柔性高等突出優(yōu)點，是一種非常有潛力的加工方法。

目前，該技術的研究主要集中于提高電解磨銑的加工效率。南京航空航天大學的朱荻教授等將工具陰極與供液系統(tǒng)連接起來，電解液可通過陰極內孔直接噴射到加工間隙內，并及時帶走加工產物和焦耳熱。與通過外接噴嘴向加工區(qū)域噴射電解液的方法相比，這種內噴射供液方式有效提高了電解磨銑技術的加工深度。此外，南京航空航天大學的李寒松副教授等提出一種電解磨銑加工的陰極磨頭裝置（專利申請?zhí)枺?01510663857.6），將用于橫向加工和縱向加工時的陰極通液孔分別按照一定規(guī)律排布，可進一步改善加工間隙內流場的均勻性，有利于提高電解磨銑技術的加工速度。 這些研究表明，利用從陰極內部直接向加工間隙噴射電解液的方式，并通過合理分布陰極外表面的通液孔位置，可顯著提高電解磨銑技術的加工效率，促進該技術得到更多的推廣和應用。

在上述常規(guī)的電解磨銑加工過程中，工具陰極高速旋轉，工件以一定速度進給，從工具陰極通液孔噴出的電解液，一部分進入加工間隙，然后沿著加工間隙流出工件，另一部分直接噴向工件的已加工表面，并沿著已加工表面反向高速流出工件，其流道橫截面積沿著電解液流動方向呈擴散狀態(tài)。這種擴散型流場易造成出液口附近壓力突降而產生空穴現(xiàn)象，引起加工間隙內局部缺液，使得加工表面不同部位電解去除速度不一致，導致加工過程不穩(wěn)定。此外，已加工表面通過連續(xù)流經的電解液與工具陰極構成導電回路，造成已加工表面被雜散電流腐蝕。以電解磨銑加工溝槽為例，由于電場對已加工表面的雜散腐蝕，導致加工溝槽的側壁和底面均存在嚴重的“過切”現(xiàn)象，造成加工結果不理想。這些問題影響了電解磨銑技術的加工穩(wěn)定性和加工精度。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在提高電解磨銑的加工穩(wěn)定性和加工精度，提出一種工藝簡單、實用性強的輔助陽極電解磨銑加工系統(tǒng)及方法。

一種輔助陽極電解磨銑加工系統(tǒng)，其特征在于：

包括主電源、工具陰極、工件、輔助電源、輔助陽極；上述主電源正、負極分別與所述工件、工具陰極相連；輔助電源正、負極分別與所述輔助陽極、工具陰極相連；上述工具陰極具有圓筒型結構，壁面布有通液孔，所述輔助陽極在進給方向上定位于工具陰極的正后方，且兩者的垂直中心線平行并位于同一截面內；輔助陽極的結構為與圓筒型的工具陰極同心設置的弧形彎板結構，其寬度與所用工具陰極基體直徑相同；輔助陽極內壁面與工具陰極外壁面的法向間隙距離L=0.2-1mm；輔助陽極基體為合金材料，表層鍍有不溶于中性鹽溶液的惰性金屬。

利用所述輔助陽極電解磨銑加工系統(tǒng)的方法，其特征在于：加工時，打開主電源和輔助電源，使工件和輔助陽極均帶正電位，且輔助陽極與工件的正電位差△U=0-20V，然后開始電解磨銑加工。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

1、與常規(guī)電解磨銑加工相比，通過在進給方向上工具陰極的正后方一定距離處放置不溶性輔助陽極，原來直接噴向已加工表面的電解液，現(xiàn)在需要沿著輔助陽極和工件已加工表面的縫隙、工具陰極和輔助陽極的縫隙中流出工件，靠行程阻力自然形成背壓，這種方式有利于減緩電解液的快速流失，使加工間隙充溢電解液，有效防止加工間隙內產生空穴現(xiàn)象，避免缺液現(xiàn)象發(fā)生。根據仿真試驗結果，當輔助陽極與工具陰極的法向間隙距離L為0.2mm~1 mm范圍時，與常規(guī)電解磨銑加工方法相比，使用輔助陽極后的加工間隙內出液口附近的壓力突降現(xiàn)象以及加工間隙內流速的均勻性均得到改善，而且該法向間隙距離L越小，改善的效果越明顯。因此，采用輔助陽極可改善電解磨銑的加工穩(wěn)定性，且輔助陽極與工具陰極的法向間隙距離L的范圍是0.2mm~1mm。

2、采用本方法在進給方向上工具陰極的正后方一定距離處放置不溶性輔助陽極，并通過連接輔助電源施加一定正電位，可以有效抑制工件已加工表面的雜散腐蝕。根據經典電場理論可知，電流流動方向總是由高電位等勢面流向低電位等勢面，金屬材料的電化學溶解發(fā)生于高電極電位。利用有限元計算分析技術，可得到常規(guī)電解磨銑加工的電流線（見圖11、圖16）和輔助陽極電解磨銑加工的電流線分布（見圖12、圖13、圖17、圖18）。當使用正電位差△U=0V的輔助陽極時，加工區(qū)域內電場分布被改變，工件已加工表面的雜散腐蝕被有效抑制。當輔助陽極電位高于工件電位時，則產生從輔助陽極流向工件底面的電流，同時，工具陰極端面更多的電流來源于輔助陽極，工件已加工表面的“過切”現(xiàn)象被進一步改善。然而，當正電位差△U＞20V后，隨著△U的增大，工件的“過切”量下降變化極小，反而由于輔助陽極所帶電位過高，容易在間隙內產生打火而損害工具電極。因此，使用輔助陽極可改善電解磨銑的加工精度，且輔助陽極與工件所帶正電位差△U的范圍是0V~20V。

3、本方法將工件和輔助陽極分別接主電源和輔助電源的正極，在電解磨銑加工時可根據加工尺寸和加工精度的要求，調節(jié)兩者的正電位差，提高了輔助陽極電解磨銑加工方法的柔性。

4、本方法采用的輔助陽極表層電鍍有鉑或鈀惰性金屬材料，即使其電勢電位最高，也不會發(fā)生電化學溶解，可重復使用。輔助陽極的基體為硬度較高的合金材料，不僅能抵抗較大的電解液壓力沖擊，還降低了材料成本，便于進一步推廣及應用。

附圖說明

圖1常規(guī)電解磨銑加工的方法示意圖；

圖2擋板式輔助陽極電解磨銑加工的方法示意圖；

圖3無輔助陽極時常規(guī)電解磨銑加工區(qū)域XY切面內壓力分布圖；

圖4 L=0.2mm時輔助陽極電解磨銑加工區(qū)域XY切面內壓力分布圖；

圖5 L=0.5mm時輔助陽極電解磨銑加工區(qū)域XY切面內壓力分布圖；

圖6 L=1mm時輔助陽極電解磨銑加工區(qū)域XY切面內壓力分布圖；

圖7 無輔助陽極時常規(guī)電解磨銑加工區(qū)域XY切面內流速分布圖；

圖8 L=0.2mm時輔助陽極電解磨銑加工區(qū)域XY切面內流速分布圖；

圖9 L=0.5mm時輔助陽極電解磨銑加工區(qū)域XY切面內流速分布圖；

圖10 L=1mm時輔助陽極電解磨銑加工區(qū)域XY切面內流速分布圖；

圖11無輔助陽極時常規(guī)電解磨銑加工區(qū)域XY切面內電流線分布；

圖12△U=0V時輔助陽極電解磨銑加工區(qū)域XY切面內電流線分布；

圖13△U=20V時輔助陽極電解磨銑加工區(qū)域XY切面內電流線分布；

圖14無輔助陽極與△U=0V時工件XY面仿真電解加工輪廓形狀對比圖；

圖15已加工槽寬度隨正電位差△U的變化規(guī)律圖；

圖16無輔助陽極時常規(guī)電解磨銑加工區(qū)域XZ切面內電流線分布；

圖17△U=0V時輔助陽極電解磨銑加工區(qū)域XZ切面內電流線分布；

圖18△U=20V時輔助陽極電解磨銑加工區(qū)域XZ切面內電流線分布；

圖19無輔助陽極與△U=0V時工件XZ面仿真電解加工輪廓形狀對比圖；

圖20已加工槽深度隨正電位差△U的變化規(guī)律圖；

圖中標號名稱為：1、工具陰極，2、工件，3、加工區(qū)域的電解液，4、主電源，5、輔助陽極，6、輔助電源，7、電解液流動方向。

具體實施方式

結合圖2，說明本發(fā)明提出的加工方法具體實施過程：

步驟1、將工具陰極1、工件2、輔助陽極5分別裝夾、定位；

步驟2、將主電源4正極與工件2相連，負極與工具陰極1相連接，并調節(jié)主電源4工作參數；

步驟3、將輔助電源6正極與輔助陽極5相連，負極與工具陰極1相連，并調節(jié)輔助電源6工作參數；

步驟4、沿方向7通入電解液，并經過工具陰極（1）的通液孔到達加工區(qū)域（3）；

步驟5、打開主電源4和輔助電源6，然后開始電解磨銑加工；

步驟6、停止加工、退刀。

通過具體實施例的有限元仿真分析，可進一步說明本發(fā)明對于提高電解磨銑加工穩(wěn)定性和加工精度的效果。

流場仿真具體參數設置條件如下：壓力入口為0.2MPa，壓力出口為0.1 MPa，工具陰極基體直徑和輔助陽極寬度均為6mm，工具陰極通液孔直徑為1mm，工具陰極通液孔數目為6個，輔助陽極厚度為3mm，工具陰極轉速為1000rmp, 流場介質為液體水，加工區(qū)域深度和長度分別為3mm和13mm，加工間隙為0.2mm，輔助陽極與工具陰極的法向間隙距離L分別為0.2mm、0.5mm、1mm。

從圖3到圖6中可以看出，在無輔助陽極的流場中，加工間隙內出液口附近出現(xiàn)了明顯的壓力突降現(xiàn)象。而輔助陽極起到了增大背壓的作用，當法向間隙距離L為0.2mm和0.5mm時，加工間隙內出液口附近壓力突降現(xiàn)象得到改善，但當法向間隙距離L增大到1mm時，加工間隙內出液口附近又出現(xiàn)了較明顯的負壓區(qū)。從圖7到圖10中可以看出，在無輔助陽極的流場中，加工間隙內的流速分布不均，且有明顯的低流速區(qū)域。當輔助陽極的法向間隙距離L為0.2mm和0.5mm時，加工間隙內的流速均勻性得到明顯改善。當輔助陽極的法向間隙距離L增大到1mm時，加工間隙內又出現(xiàn)了較明顯的低流速區(qū)域，說明此時輔助陽極增大背壓的作用明顯減弱。因此，采用輔助陽極可改善電解磨銑的加工穩(wěn)定性，且輔助陽極與工具陰極的法向間隙距離L的范圍是0.2mm~1mm。

電場仿真具體參數設置條件如下：主電源電壓為30V，輔助電源電壓分別為30V、40V、50V、60V、70V、80V、90V，進給速度為2.5mm/min，電解液電導率為10S/m，工具陰極基體直徑和輔助陽極寬度均為6mm，輔助陽極厚度為3mm，加工間隙為0.2mm，輔助陽極與工具陰極的法向間隙距離L為0.5mm，輔助陽極板表層材料為金屬鉑，加工區(qū)域的初始深度和長度分別為3mm和13mm，加工時間為300s。

從圖11到圖13以及圖16到圖18中可以看出，在無輔助陽極的電場中，大量電流從工件側壁及底面的已加工表面流向工具陰極表面。在施加輔助陽極后改變了加工區(qū)域的電場分布，當輔助陽極與工件的正電位差△U=0V時，從工件側壁及底面已加工表面流向工具陰極的電流明顯減少，回路中的電流主要集中于工具陰極和輔助陽極之間。此時，工件和輔助陽極所帶正電位相同，兩者之間不存在電位差不能形成電流。當輔助陽極與工件的正電位差△U=20V時，輔助陽極電位高于工件電位，產生從輔助陽極流向工件底面的電流，同時，工具陰極端面更多的電流來源于輔助陽極。從圖14和圖19中可以看出，在使用△U=0V輔助陽極后，原來呈“喇叭”形狀的工件側壁和“斜坡”形狀的工件底面得到明顯改善，說明工件側壁和底面已加工表面受工具陰極雜散腐蝕的現(xiàn)象被有效抑制。從圖15和圖20中可以看出，當輔助陽極電位高于工件電位后，隨著正電位差△U的增大，工件側壁的寬度和工件底面的深度均進一步減小，說明工件已加工表面的雜散腐蝕得到了進一步改善。然而，當正電位差△U增加到20V以后，隨著△U的增大，工件側壁寬度和工件底面深度的下降變化極小，反而由于輔助陽極所帶電位過高，容易在間隙內產生打火而損害工具電極。因此，使用輔助陽極可改善電解磨銑的加工精度，且輔助陽極與工件所帶正電位差△U的范圍是0V~20V。

本發(fā)明能有效提高電解磨銑的加工精度和加工穩(wěn)定性，但是以上描述并不能理解為對本發(fā)明專利的限制。應該說明的是，對于本領域的其他技術人員來說，在不脫離本發(fā)明構思的前提下，還可以做出若干改善，這些均應落入本發(fā)明專利的保護。