電解磨銑加工工具陰極及方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種電解磨銑加工工具陰極及方法，屬于電解磨削復(fù)合加工領(lǐng)域。該工具陰極具有底端為圓形平面的棒狀基體（1）；上述棒狀基體（1）具有中心盲孔（3）；上述棒狀基體（1）的側(cè)壁開有與中心盲孔（3）相通的通液槽/孔（2）；該通液槽/孔（2）位于中心盲孔（3）底端，且沿盲孔中軸線對稱分布；上述棒狀基體(1)的底部外側(cè)開有中心圓槽和若干與其同心排布的環(huán)槽；分別形成導(dǎo)電環(huán)和絕緣環(huán)。本發(fā)明可以改善工具陰極底面和側(cè)壁對已加工表面的二次蝕除和雜散腐蝕的影響，減小底面過切量并提高平面加工的底面平面度。
【專利說明】
電解磨銑加工工具陰極及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種電解磨銑加工工具陰極，屬于電解磨削復(fù)合加工領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，鈦合金、高溫合金、硬質(zhì)合金和不銹鋼等大量的難切削金屬材料被應(yīng)用于航空、航天、航海、石油等工業(yè)中。然而，由于受到材料本身一些固有性質(zhì)的的影響，例如硬度高、導(dǎo)熱系數(shù)差、彈性模量低等，當(dāng)采用機(jī)械加工方法時，往往存在著刀具磨損快、加工溫度高、工件表面硬化現(xiàn)象嚴(yán)重，且存有殘余應(yīng)力、工件易變形等缺點(diǎn)。這些問題不僅極大地增加了加工成本，還嚴(yán)重地?fù)p害了工件的使用性能。
[0003]電解加工是利用電化學(xué)陽極溶解的原理去除金屬材料，并獲得具有一定尺寸精度和表面粗糙度零件的工藝方法。在加工過程中工件接電源正極，工具接電源負(fù)極，電解液從陰陽極間的加工間隙中高速流過，工具陰極、工件陽極以及加工間隙中電解液形成導(dǎo)電回路，隨著陰極不斷進(jìn)給，工件材料不斷溶解，直至被加工成所需的尺寸與形狀。電解加工區(qū)別于機(jī)械加工的主要特征在于它是一種非接觸加工，材料的去除是以離子的形式。因此，電解加工不受材料強(qiáng)度、硬度和韌性的限制，加工表面無殘余應(yīng)力和再鑄層等缺陷，而且工具無損耗、加工效率高，比較適用于加工難切削金屬材料。
[0004]電解磨銑是采用類似于數(shù)控銑的方式由工具陰極的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和工件的進(jìn)給運(yùn)動共同形成輪廓的發(fā)生線，通過電解作用和磨削作用共同去除金屬材料的一種復(fù)合加工方法。電解磨銑加工時大部分金屬材料是通過電解作用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(xué)腐蝕生成的氧化物薄膜，保持電解過程的正常進(jìn)行并降低表面粗糙度。因此，電解磨銑綜合了電解加工效率高、機(jī)械磨削加工質(zhì)量好、數(shù)控銑加工柔性高的優(yōu)點(diǎn)，是一種極具潛力的加工方法。
[0005]根據(jù)提供電解液的方式不同，電解磨銑又可分為外噴式和內(nèi)噴式兩種。外噴式供液通過外接噴嘴向加工區(qū)域噴射電解液，但由于磨工具陰極和工件之間的加工間隙極小，當(dāng)加工深度較大時，電解液很難及時的充滿整個加工間隙，加工區(qū)域容易因局部缺液而產(chǎn)生火花放電，造成磨頭損耗甚至發(fā)生短路。而內(nèi)噴式供液是將工具陰極與電解液系統(tǒng)連接起來，電解液通過陰極內(nèi)孔或槽直接噴射到工件加工表面，因此能在加工間隙中形成穩(wěn)定、均勻的流場，有利于增加材料的去除率，提高加工效率。
[0006]目前對于內(nèi)噴液電解磨銑工具陰極的的研究一般是為了提高工具陰極的壽命或者改善加工間隙的流場。例如，中國專利號為201010555654.2的專利提出了一種開噴液槽的工具陰極，并在基體底面的每個徑向嵌鑲槽中嵌鑲燒結(jié)金剛石條。這種工具陰極的制造工藝繁瑣而且成本較高，而且底部加工端為球形，不適合平面等的加工。此外，中國專利號為201510663857.6的專利還提出了一種底部為平頭的工具陰極，并根據(jù)需求設(shè)計側(cè)壁各層通液孔的排布。這種工具陰極并沒有考慮其底面對已加工表面的二次蝕除和雜散腐蝕的影響，加工出的溝槽底面一般為下凹型曲面。在電解磨銑加工中，部分電解液從工具陰極底面流出加工間隙，由于工具陰極與與已加工表面之間的間隙較小，陰極底面和側(cè)壁對已加工表面的二次蝕除和雜散腐蝕導(dǎo)致過切量較大和平面度較差，這不利于電解磨銑的平面加工。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是提供一種電解磨銑加工工具陰極，可以改善工具陰極底面和側(cè)壁對已加工表面的二次蝕除和雜散腐蝕的影響，減小底面過切量并提高平面加工的底面平面度。
[0008]一種電解磨銑加工工具陰極，其特征在于:該工具陰極具有底端為圓形平面的棒狀基；上述棒狀基體具有中心盲孔;上述棒狀基體的側(cè)壁開有與中心盲孔相通的通液槽/孔;該通液槽/孔位于中心盲孔底端，且沿盲孔中軸線對稱分布;上述棒狀基體的底部外側(cè)開有中心圓槽和若干與其同心排布的環(huán)槽;開槽后留下的環(huán)狀凸起稱為導(dǎo)電環(huán);最外圈導(dǎo)電環(huán)的外徑與棒狀基體底端圓形平面的外徑相同；上述中心圓槽和環(huán)槽中填充絕緣材料，形成絕緣層;上述棒狀基體下部的側(cè)壁外表面電鍍有一圈金剛石磨粒層，并且金剛石磨粒層上沿位于通液槽/孔上邊緣上方，金剛石磨粒層下沿覆蓋至底端圓形平面最邊緣。
[0009]棒狀陰極基體的材質(zhì)為耐腐蝕的金屬導(dǎo)電材料，例如不銹鋼316等;上述導(dǎo)電環(huán)可由車削加工獲得;絕緣層中填充的絕緣材料為具有高結(jié)合性并且防水耐熱的環(huán)氧樹脂膠。為保證絕緣膠在加工過程中結(jié)合牢固不脫落，涂覆絕緣膠后可經(jīng)抽真空及烘熱固化處理；導(dǎo)電環(huán)的數(shù)量及尺寸根據(jù)陰極大小及加工材料，結(jié)合仿真以及經(jīng)驗(yàn)公式得出。
[0010]所述電解磨銑加工工具陰極，其特征在于:上述棒狀基體開中心盲孔后，其側(cè)壁和底部的厚度大于1mm。
[0011]所述電解磨銑加工工具陰極，其特征在于:上述導(dǎo)電環(huán)和絕緣層的高度均大于
0.2mm，且絕緣層的高度低于導(dǎo)電環(huán)。
[0012]4.根據(jù)權(quán)利要求1所述電解磨銑加工工具陰極，其特征在于:上述金剛石磨粒層厚度大于0.03mm，金剛石磨粒粒度號大于120#。
[0013]上述尺寸型號數(shù)據(jù)均為經(jīng)過仿真和大量實(shí)驗(yàn)綜合優(yōu)化所得。
[0014]所述電解磨銑加工工具陰極的方法，其特征在于包括以下過程:工具陰極沿軸向垂直裝夾在銑床頭上，接工作電源陰極;待加工的金屬工件裝夾在夾具上接工作電源陽極；工作時，工具陰極內(nèi)部通電解液并高速旋轉(zhuǎn)，在XY平面內(nèi)進(jìn)給，Z方向不運(yùn)動;依靠金剛石磨粒層和電解作用對金屬工件進(jìn)行電解磨銑去除材料加工；由于導(dǎo)電環(huán)和絕緣層的作用，加工表面平面度較好，表面質(zhì)量有顯著提高。
[0015]本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):(1)、通過在工具陰極底面設(shè)置導(dǎo)電環(huán)，形成了環(huán)形導(dǎo)電區(qū)域，與原先的圓形導(dǎo)電區(qū)域相比，導(dǎo)電面積大大減小。從而工具陰極進(jìn)給過程中，有效改善了工具陰極底面對已加工表面的過度電解作用的缺陷。有效防止了加工過程中過切現(xiàn)象的發(fā)生。(2)、通過將導(dǎo)電環(huán)以外的底面導(dǎo)電區(qū)域進(jìn)行絕緣處理，有效杜絕了除導(dǎo)電環(huán)外的非工作面對工件的雜散腐蝕作用，與原先的圓形導(dǎo)電區(qū)域相比，工件過切量明顯減少，電解磨銑加工后的工件的平面度顯著提升。(3)、該種工具陰極結(jié)構(gòu)簡單，普通夾頭即可裝夾，而且在工具陰極加工區(qū)域金剛石磨粒的出露高度能提供穩(wěn)定的最小加工間隙，有利于保證加工過程的穩(wěn)定性及大規(guī)模的生產(chǎn)應(yīng)用，并保證加工過程的穩(wěn)定性。(4)、工具陰極底面導(dǎo)電環(huán)制造工藝簡單，利用普通車床即可車削加工出，而且加工出的環(huán)形凹槽通過涂覆絕緣膠即可完成局部絕緣處理，所需成本低廉。(5)、導(dǎo)電環(huán)的圈數(shù)以及各個導(dǎo)電環(huán)的內(nèi)外徑尺寸可根據(jù)工具陰極的直徑大小通過簡單的仿真模擬進(jìn)行估算選擇，形成一套實(shí)用的經(jīng)驗(yàn)公式，不必再根據(jù)不同的加工條件刻意設(shè)計出獨(dú)特的陰極形狀，極大地減少了工具陰極的設(shè)計周期，使得電解磨銑加工的生產(chǎn)效率得到顯著提升。
【附圖說明】
[0016]圖1為一種底部端面無絕緣處理的工具陰極實(shí)物圖；
圖2為對圖1所示工具陰極底部端面全絕緣處理的工具陰極實(shí)物圖；
圖3為對圖1所示工具陰極底部端面開雙導(dǎo)電環(huán)并局部絕緣處理的工具陰極實(shí)物圖；
圖4為圖3所不工具陰極的結(jié)構(gòu)不意圖；
圖5為圖1、圖2、圖3所示三種工具陰極平面加工仿真所得截面對比圖；
圖6為內(nèi)噴式電解磨銑加工原理示意圖；
圖7為圖1所示工具陰極電解磨銑加工平面溝槽所得截面試驗(yàn)效果圖；
圖8為圖2所示工具陰極電解磨銑加工平面溝槽所得截面試驗(yàn)效果圖；
圖9為圖3所示工具陰極電解磨銑加工平面溝槽所得截面試驗(yàn)效果圖；
圖中標(biāo)號名稱:1、棒狀工具陰極基體;2、側(cè)壁通液孔;3、中心盲孔;4、金剛石磨粒層;5、底面絕緣區(qū);6、底面導(dǎo)電環(huán);7、電解液;8、氫氣;9、電解產(chǎn)物;10、工件。
【具體實(shí)施方式】
[0017]為了使本發(fā)明的內(nèi)容更容易被理解，下面根據(jù)具體的實(shí)施例并結(jié)合附圖，對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的解釋。
[0018]本發(fā)明的實(shí)施例選用三種工具陰極基體的外徑為6mm，總長為60mm，其中心盲孔的直徑和深度分別為4_和59mm?；w下部側(cè)壁加工區(qū)域均開6個直徑為Imm的通液孔，并只在側(cè)壁的加工區(qū)域電鍍金剛石磨粒層。電鍍的金剛石粒度號為180#，并保證電鍍過程中通液孔不被堵塞。三種工具陰極底部端面絕緣處理的形式不同，圖1所示工具陰極底面不做絕緣處理，圖2所示工具陰極底部端面做全絕緣處理，圖3所示的工具陰極底部端面開有兩個導(dǎo)電環(huán)做局部絕緣處理。三種工具陰極均在不銹鋼304板材上電解磨銑3mm深的平面溝槽，加工時工具陰極通過導(dǎo)電環(huán)接電源負(fù)極，工件接電源正極，加工電壓15V，所通NaNO3電解液的溫度和質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為30°C和10%，電解液壓力為0.2MP，工具陰極轉(zhuǎn)速為1000r/min。
[0019]實(shí)施例1
本實(shí)施例用的是圖1所示的工具陰極，基體底部端面為平面，不做絕緣處理也不鍍金剛石磨粒。從圖5中該工具陰極對應(yīng)的仿真加工截面圖可以看出，工件底面呈下凹形，且底面中心為溝槽最深處，同時側(cè)壁和底面的連接處呈圓弧狀。而圖7所示的該工具陰極電解磨銑加工平面溝槽的實(shí)際截面圖也表現(xiàn)出，溝槽底面為下凹型曲面，而且在中間部位下凹最嚴(yán)重。這是因?yàn)樵诩庸み^程中，電解液從陰極底部沿進(jìn)給的反方向高速流出，以此流場為媒介，陰極底面與溝槽的已加工底面之間形成電場，使已加工表面繼續(xù)被電解腐蝕。由于陰極底面為圓形，雜散電流密度從溝槽底面中心到兩側(cè)逐漸減弱，從而形成下凹的截面特征。因此，工具陰極底面需要進(jìn)行絕緣處理。
[0020]實(shí)施例2 本實(shí)施例用的是圖2所示的工具陰極，基體底部端面被完全加工出一個深0.3mm的凹槽，在凹槽內(nèi)涂覆具有防水耐熱的環(huán)氧樹脂膠，再經(jīng)過抽真空和烘熱固化處理等，使凹槽內(nèi)的結(jié)緣膠和工具陰極緊密牢固結(jié)合，此時工具陰極底面被完全絕緣。從圖5中該工具陰極對應(yīng)的仿真加工截面圖可以看出，工件底面呈上凸形，且底面中心為溝槽最淺處，同時側(cè)壁和底面的連接處呈下凹狀，連接點(diǎn)處為凹槽最深處。而圖8所示的該工具陰極電解磨銑加工平面溝槽的實(shí)際截面圖也表現(xiàn)出，工件底面為上凹形曲線，在兩側(cè)處被電解腐蝕的最嚴(yán)重。這是因?yàn)楣ぞ哧帢O側(cè)壁，特別是加工區(qū)域側(cè)壁的邊緣對溝槽底面已加工表面的二次腐蝕和雜散腐蝕所致。由于加工區(qū)域側(cè)壁為圓柱形，雜散電流密度從溝槽底面中心到兩側(cè)逐漸增強(qiáng)，從而形成上凹的截面特征。但是，通過比較圖5中實(shí)施例1和2的仿真加工截面圖，可看出底部絕緣能減小約80%的底部過切量。因此，需要絕緣的基礎(chǔ)上在底面開導(dǎo)電環(huán)，增加溝槽中間上凸部分的腐蝕量，調(diào)整平面度。
[0021]實(shí)施例3
本實(shí)施例用的是圖3所示的工具陰極，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。該工具陰極底部端面用車床加工出兩個導(dǎo)電環(huán)，其中小環(huán)寬0.2mm，大環(huán)寬0.4mm，導(dǎo)電環(huán)表面即為原陰極底面。底面除導(dǎo)電環(huán)以外的部分為一個圓形凹槽和一個環(huán)形凹槽，凹槽深度均為0.3_。在凹槽內(nèi)涂覆具有防水耐熱的環(huán)氧樹脂膠，再經(jīng)過抽真空和烘熱固化處理等，使凹槽內(nèi)的結(jié)緣膠和工具陰極緊密牢固結(jié)合，此時工具陰極底面被局部絕緣。從圖5所示的仿真加工截面圖中可以看出，和實(shí)施例2相比，本實(shí)施例的溝槽底面中部呈上凸形曲線的范圍明顯減小，溝槽底部平面度也由實(shí)施例2的0.19mm減小至本實(shí)施例的0.1mm。而從圖9所示的該工具陰極電解磨銑加工平面溝槽的實(shí)際截面圖也能看出，加工后的溝槽底部表現(xiàn)出了較好的平面度。說明本發(fā)明提出的工具陰極進(jìn)一步提高了電解磨銑加工的底面平面度。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種電解磨銑加工工具陰極，其特征在于: 該工具陰極具有底端為圓形平面的棒狀基體(I);上述棒狀基體(I)具有中心盲孔(3);上述棒狀基體(I)的側(cè)壁開有與中心盲孔(3)相通的通液槽/孔(2);該通液槽/孔(2)位于中心盲孔(3)底端，且沿盲孔中軸線對稱分布； 上述棒狀基體(I)的底部外側(cè)開有中心圓槽和若干與其同心排布的環(huán)槽;開槽后留下的環(huán)狀凸起稱為導(dǎo)電環(huán)(5);最外圈導(dǎo)電環(huán)(5)的外徑與棒狀基體(I)底端圓形平面的外徑相同；上述中心圓槽和環(huán)槽中填充絕緣材料，形成絕緣層(6); 上述棒狀基體(I)下部的側(cè)壁外表面電鍍有一圈金剛石磨粒層(4)，并且金剛石磨粒層(4)上沿位于通液槽/孔(2)上邊緣上方，金剛石磨粒層(4)下沿覆蓋至底端圓形平面最邊緣。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述電解磨銑加工工具陰極，其特征在于:上述棒狀基體(I)開中心盲孔(3)后，其側(cè)壁和底部的厚度大于1_。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述電解磨銑加工工具陰極，其特征在于:上述導(dǎo)電環(huán)(5)和絕緣層(6)的高度均大于0.2mm，且絕緣層(6)的高度低于導(dǎo)電環(huán)(5)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述電解磨銑加工工具陰極，其特征在于:上述金剛石磨粒層(4)厚度大于0.03mm，金剛石磨粒粒度號大于120#。5.利用權(quán)利要求1所述電解磨銑加工工具陰極的方法，其特征在于包括以下過程: 工具陰極沿軸向垂直裝夾在銑床頭上，接工作電源陰極； 待加工的金屬工件裝夾在夾具上接工作電源陽極； 工作時，工具陰極內(nèi)部通電解液并高速旋轉(zhuǎn)，在XY平面內(nèi)進(jìn)給，Z方向不運(yùn)動;依靠金剛石磨粒層(4)和電解作用對金屬工件進(jìn)行電解磨銑去除材料加工；由于導(dǎo)電環(huán)(5)和絕緣層(6)的作用，加工表面平面度較好，表面質(zhì)量有顯著提高。
【文檔編號】B23H5/08GK105921834SQ201610391212
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年6月6日
【發(fā)明人】李寒松, 汪浩, 牛屾, 曲寧松, 付書星
【申請人】南京航空航天大學(xué)