內(nèi)噴液電解磨銑加工系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種內(nèi)噴液電解磨銑加工系統(tǒng)及方法，屬于電解磨削復(fù)合加工領(lǐng)域。該加工系統(tǒng)包括電解液循環(huán)系統(tǒng)、電流檢測系統(tǒng)和伺服閥控制系統(tǒng)。其中，電解液循環(huán)系統(tǒng)實現(xiàn)了電解磨銑的內(nèi)噴式供液及電解液的過濾、循環(huán)使用；電流檢測系統(tǒng)可實時檢測加工過程中的電流大小及電流突變情況；伺服閥控制系統(tǒng)在工控機監(jiān)測到電流持續(xù)性突變時可迅速調(diào)整進(jìn)入加工區(qū)域的電解液流量，使電解產(chǎn)物和焦耳熱被充分排除。本發(fā)明對提高電解磨銑加工過程的穩(wěn)定性有重要意義。
【專利說明】
內(nèi)噴液電解磨銑加工系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域
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[0001 ]本發(fā)明的一種內(nèi)噴液電解磨銑加工系統(tǒng)及方法，屬于電解磨削復(fù)合加工領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
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[0002]隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代航空、航天、船舶等工業(yè)領(lǐng)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(dǎo)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(dá)60%?80%，這給制造技術(shù)帶來了諸多挑戰(zhàn)。
[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]然而，對于一些鈍化性較強的金屬，電解加工的加工精度和表面質(zhì)量易受其表面鈍化膜特性的影響。以鈦合金為例，在電解加工中工件表面極易生成一層高電阻性、結(jié)構(gòu)致密的氧化物鈍化膜，雖然這層鈍化膜的硬度遠(yuǎn)低于鈦合金的硬度，但是它會阻滯鈦合金的電解溶解作用的進(jìn)行。若使用活性高的電解液，雖然可利用電解液的活性去破壞鈍化膜使溶解繼續(xù)，但是活化作用強又易使鐵合金加工面發(fā)生點燭，非加工面發(fā)生雜散腐燭，使得加工質(zhì)量不穩(wěn)定。因此，在電解加工中引入機械磨削的作用，利用磨粒刮除工件表面的鈍化膜，可促使電解作用的繼續(xù)進(jìn)行，并獲得更高的加工效率、加工精度以及表面質(zhì)量，
[0005]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(shù)控銑削的方式由磨頭電極的旋轉(zhuǎn)運動和工件的進(jìn)給運動共同形成輪廓的發(fā)生線，通過相切法進(jìn)行成形加工的一種復(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(xué)腐蝕生成的氧化物鈍化膜，保持電解過程的正常進(jìn)行并降低表面粗糙度。和傳統(tǒng)的電解加工相比，數(shù)控技術(shù)的引入提高了電解加工的柔性和精度，減小了復(fù)雜成形陰極的設(shè)計和制造周期;和機械磨削加工相比，電解磨銑加工的切削力小、生產(chǎn)率高。因此，對于在難切削和易鈍化金屬材料上加工各種型面、型腔、凸臺、薄壁等結(jié)構(gòu)，電解磨銑是一種非常具有潛力的加工方法。
[0006]電解磨銑供給電解液的方式主要分為外噴式供液和內(nèi)噴式供液。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，因此采用外噴式供液的電解磨銑主要應(yīng)用于加工深度較小的情況。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，既作為連接陽極和陰極構(gòu)成導(dǎo)電回路的媒介，同時及時帶走加工間隙內(nèi)的電解產(chǎn)物、氫氣和焦耳熱。因此，內(nèi)噴式供液有利于在加工間隙中形成均勻的流場，能有效提高電解磨銑的加工深度。
[0007]目前，對于內(nèi)噴液式電解磨銑加工系統(tǒng)，通常僅采用調(diào)壓閥和壓力表來控制電解液的流量，即根據(jù)需要進(jìn)行電解液恒壓力加工。為了追求高的加工效率，需要找到在一定加工參數(shù)下能夠保證電解磨銑穩(wěn)定加工的最大進(jìn)給速度。然而，大量的試驗發(fā)現(xiàn)，以最大進(jìn)給速度穩(wěn)定加工一段距離后會逐漸產(chǎn)生頻繁的打火現(xiàn)象，即加工變得不再穩(wěn)定。頻繁的打火易引起電極和工件表面的燒傷，甚至造成短路，導(dǎo)致加工停止。即使增大電解液壓力，以該參數(shù)下的最大進(jìn)給速度穩(wěn)定加工一段距離后仍會出現(xiàn)這種現(xiàn)象。該問題嚴(yán)重影響了加工過程的穩(wěn)定性，不利于實現(xiàn)電解磨銑的高效加工。

【發(fā)明內(nèi)容】

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[0008]本發(fā)明提出了一種內(nèi)噴液電解磨銑加工系統(tǒng)及方法，可以有效減少加工過程中瞬時性打火現(xiàn)象的發(fā)生，提高電解磨銑加工的穩(wěn)定性。
[0009]—種內(nèi)噴液電解磨銑加工系統(tǒng)，其特征在于:該加工系統(tǒng)包括電源、工具電極、金屬工件，還包括電流監(jiān)測及伺服閥控制系統(tǒng)、電解液循環(huán)系統(tǒng);所述工具電極包括底端為圓形平面的棒狀基體;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/孔軸線與中心盲孔軸線垂直，上述棒狀基體下部的側(cè)壁外表面電鍍有金剛石磨粒層，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;所述電流監(jiān)測及伺服閥控制系統(tǒng)依次包括霍爾電流傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、工控機、運動控制卡和伺服閥，霍爾電流傳感器安裝于電源與金屬工件之間的線路上;所述電解液循環(huán)系統(tǒng)包括與工具電極中心盲孔相連的進(jìn)液管路，上述伺服閥安裝于該進(jìn)液管路中。
[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)壁和底部的厚度不小于1mm。
[0011 ]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不小于0.03mm,金剛石磨粒粒度號不小于120#。
[0012]所述內(nèi)噴液電解磨銑系統(tǒng)的電解磨銑方法，其特征在于包括以下過程:工具電極沿軸向垂直裝夾在電解磨銑機床主軸末端，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，工控機控制伺服閥的閥門移動，使高速旋轉(zhuǎn)的工具電極內(nèi)部通電解液;工具電極在XY平面內(nèi)進(jìn)給，Z方向不運動，依靠其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；當(dāng)加工間隙中頻發(fā)瞬時性的打火時，工控機監(jiān)測到電流的持續(xù)性突變，判斷打火現(xiàn)象發(fā)生時，控制伺服閥增大進(jìn)入加工間隙內(nèi)的電解液流量，充分排除加工間隙內(nèi)的難溶性電解產(chǎn)物、氫氣及焦耳熱，使加工恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)。
[0013]所述內(nèi)噴液電解磨銑方法，其特征在于包括以下過程:工控機判斷是否打火的具體實施方法為;設(shè)最大加工電流為K，當(dāng)在設(shè)定時間to內(nèi)，Im>1的次數(shù)大于設(shè)定值no時，工控機判斷此時打火現(xiàn)象發(fā)生，1為穩(wěn)定加工狀態(tài)下加工電所維持的恒定值。
[0014]本發(fā)明具有如下優(yōu)點:
[0015]I).通過大量的試驗發(fā)現(xiàn)，在設(shè)定加工參數(shù)允許的最大進(jìn)給速度穩(wěn)定加工一段距離后流量計顯示的電解液流量會逐漸下降，同時會觀測到加工間隙內(nèi)頻發(fā)打火現(xiàn)象及采集的電流值持續(xù)性突變。加工停止后將工具電極取下放入超聲清洗機中進(jìn)行超聲清洗，會發(fā)現(xiàn)從工具電極通液孔內(nèi)噴出很多難溶性物質(zhì)。經(jīng)過分析認(rèn)為，由于電解磨銑的加工間隙比較小，當(dāng)加工深度較大時，電解液不易完全帶走加工間隙內(nèi)的難溶性電解產(chǎn)物、氫氣和焦耳熱。隨著電解磨銑加工的持續(xù)進(jìn)行，加工間隙內(nèi)工具電極通液孔附近附著的難溶性電解產(chǎn)物逐漸增多，同時由于焦耳熱使得部分電解液蒸發(fā)，電解液中的氫氣也降低了電導(dǎo)率，導(dǎo)致加工逐漸變得不再穩(wěn)定，頻發(fā)打火，甚至短路。
[0016]2).加工裝置中的工控機通過數(shù)據(jù)采集卡和霍爾電流傳感器可采集電解磨銑加工過程中的電流數(shù)據(jù)，觀察加工過程的穩(wěn)定性。
[0017]3).加工裝置中的工控機通過運動控制卡和伺服閥可根據(jù)需要設(shè)置并提供電解磨銑加工區(qū)域中的電解液流量。
[0018]4).加工裝置中的工控機可根據(jù)采集到電流突變值自動判斷是否打火，即當(dāng)電流突變值超過設(shè)定值后，可通過控制伺服閥瞬時增大進(jìn)入加工間隙內(nèi)的電解液流量，充分排除加工間隙內(nèi)的難溶性電解產(chǎn)物、氫氣及焦耳熱，有效減少打火現(xiàn)象持續(xù)發(fā)燒，提高加工穩(wěn)定性，并改善了加工區(qū)域的表面質(zhì)量和加工精度。
【附圖說明】
[0019]圖1為內(nèi)噴液式電解磨銑加工間隙內(nèi)產(chǎn)物分布示意圖；
[0020]圖2為本發(fā)明所提出的電解磨銑加工裝置示意圖；
[0021]圖3為本發(fā)明所提出的電解磨銑加工方法示意圖；
[0022]圖4為穩(wěn)定加工狀態(tài)電流監(jiān)測示意圖；
[0023]圖5為發(fā)生打火現(xiàn)象時電流監(jiān)測示意圖；
[0024]其中標(biāo)號名稱:1.棒狀基體，2.加工工件，3.金剛石鍍層，4.中心盲孔，5，氫氣，6，難溶性電解產(chǎn)物，7.通液孔口，8.旋轉(zhuǎn)接頭，9.中空主軸，10.電解槽，11.工具電極，12.金屬工件，13.夾具，14.電源，15.工控機，16.運動控制卡，17.伺服閥，18.流量計，19.壓力計，20.三通，21.調(diào)壓閥，22.離心栗，23.電解液，24.電解液槽，25.過濾器，26.數(shù)據(jù)采集卡，27.霍爾電流傳感器。
【具體實施方式】
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[0025]以下結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明:
[0026]如圖1所示，所繪內(nèi)噴液式電解磨銑加工間隙內(nèi)產(chǎn)物分布示意圖包括:工具陰極棒狀基體I，加工工件2，金剛石鍍層3，中心盲孔4，氫氣5，難溶性電解產(chǎn)物6，通液孔7 ο由本示意圖可看出，電解磨銑加工深度較深，加工間隙較小，這種環(huán)境下不利于難溶性電解產(chǎn)物6、電解反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣5以及反應(yīng)焦耳熱的及時排出，易發(fā)生打火現(xiàn)象，不利于加工穩(wěn)定性。
[0027]如圖2所示，本發(fā)明提出的一種提高電解磨銑加工過程穩(wěn)定性的裝置，包括電流監(jiān)測系統(tǒng)，電解液循環(huán)系統(tǒng)和伺服閥控制系統(tǒng)。
[0028]所述電解液循環(huán)系統(tǒng)包括流量計18、壓力表19、伺服閥17、三通20、離心栗22、旋轉(zhuǎn)接頭8、中空主軸9、工作槽10、過濾器25、電解液槽24、電解液23、調(diào)壓閥21和工具陰極11。電解液23由離心栗輸送到三通20處，一部分電解液經(jīng)過調(diào)壓閥21直接流回電解液槽24，另一部分電解液通過伺服閥17流入旋轉(zhuǎn)接頭8經(jīng)過中空主軸9從工具陰極11內(nèi)流出，沖向加工工件12表面即電解加工區(qū)域，電解液流過電解加工區(qū)域后，經(jīng)過濾器25過濾后，流回電解液槽24，形成電解液回路。其中在電解液進(jìn)入加工系統(tǒng)前，設(shè)置流量計18、壓力計19，對電解液進(jìn)行監(jiān)測。
[0029]所述電流監(jiān)測及伺服閥控制系統(tǒng)包括霍爾電流傳感器27、數(shù)據(jù)采集卡26和工控機15、運動控制卡16和伺服閥17。
[0030]如圖3所示，本發(fā)明提出的一種提高電解磨銑加工過程穩(wěn)定性的方法，具體步驟為:
[0031 ] I).在電解液循環(huán)系統(tǒng)中，電解液經(jīng)離心栗22、旋轉(zhuǎn)接頭8、中空主軸9、工具陰極11內(nèi)孔到達(dá)加工間隙內(nèi)，工作槽10中多余的電解液以及不溶性電解產(chǎn)物再經(jīng)過濾器25過濾后流入電解液槽24中，通過壓力表19和流量計18分別實時監(jiān)測電解液的壓力和流量。
[0032]2).在電流檢測系統(tǒng)中，利用數(shù)據(jù)采集卡26采集經(jīng)霍爾電流傳感器27檢測到的電流信號，并通過相應(yīng)編寫的Labview數(shù)據(jù)采集程序反映在工控機15上，實時監(jiān)測加工過程中的電流大小。
[0033]3).在伺服閥控制系統(tǒng)中，工控機15通過相應(yīng)編寫的運動控制程序，通過運動控制卡16控制伺服閥17的閥門移動，從而使進(jìn)入電解磨銑加工間隙區(qū)域的電解液的流量及壓力可隨需要進(jìn)行調(diào)整。
[0034]4).當(dāng)加工間隙中頻發(fā)瞬時性的打火時，工控機15通過電流監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到電流的持續(xù)性突變，并通過伺服控制閥系統(tǒng)調(diào)節(jié)增大進(jìn)入加工間隙內(nèi)的電解液流量，充分排除加工間隙內(nèi)的電解產(chǎn)物及焦耳熱，改善加工打火狀況，使加工恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)。
[0035]如圖4所示，圖3為穩(wěn)定加工狀態(tài)電流監(jiān)測示意圖，當(dāng)各項參數(shù)設(shè)定完畢，電解磨銑加工開始后，經(jīng)過極短時間過度后，加工電流會維持在一個恒定值，直到加工結(jié)束。將該恒定電流設(shè)為電流1
[0036]如圖5所示，圖4為發(fā)生打火現(xiàn)象時電流監(jiān)測示意圖，在實際的電解磨銑加工工程中，加工電流總會出現(xiàn)一定程度的波動，由于電解磨銑加工深度較大，加工間隙較小等原因，在加工過程中，電解產(chǎn)物6、氫氣5以及反應(yīng)焦耳熱可能無法及時排出。上述原因會造成加工電流突然升高，即打火現(xiàn)象的出現(xiàn)。如不及時控制，極易造成短路，燒傷加工工件2及工具陰極I導(dǎo)致加工失敗。工控機15判斷是否打火的具體實施方法為;設(shè)最大加工電流為Im，當(dāng)在設(shè)定時間to內(nèi)，Im> 1的次數(shù)大于設(shè)定值no時，工控機15判斷此時打火現(xiàn)象發(fā)生，并立即通過運動控制卡16控制伺服閥17增大電解液流通面積，使流入電解磨銑區(qū)域的電解液流量瞬間增加，改善加工間隙流場，促進(jìn)電解產(chǎn)物及反應(yīng)焦耳熱的排出，有效阻止打火現(xiàn)象進(jìn)再次發(fā)生。
【主權(quán)項】
1.一種內(nèi)噴液電解磨銑加工系統(tǒng)，其特征在于: 該加工系統(tǒng)包括電源(14)、工具電極(11)、金屬工件(12)，還包括電流監(jiān)測及伺服閥控制系統(tǒng)、電解液循環(huán)系統(tǒng)、； 所述工具電極(11)包括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(4);上述棒狀基體(I)的側(cè)壁開有與中心盲孔(4)相通的通液槽/孔(7);該通液槽/孔(7)軸線與中心盲孔(4)軸線垂直，上述棒狀基體(I)下部的側(cè)壁外表面電鍍有金剛石磨粒層(3)，并且金剛石磨粒層(3)上沿位于通液槽/孔(7)上邊緣上方，金剛石磨粒層(3)下沿覆蓋至底端圓形平面最邊緣； 所述電流監(jiān)測及伺服閥控制系統(tǒng)依次包括霍爾電流傳感器(27)、數(shù)據(jù)采集卡(26)、工控機(15)、運動控制卡(16)和伺服閥(17)，霍爾電流傳感器(27)安裝于電源(14)與金屬工件(12)之間的線路上； 所述電解液循環(huán)系統(tǒng)包括與工具電極(11)中心盲孔(4)相連的進(jìn)液管路，上述伺服閥(17)安裝于該進(jìn)液管路中。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(4)后，其側(cè)壁和底部的厚度不小于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:上述金剛石磨粒層(3)厚度不小于0.03mm，金剛石磨粒粒度號不小于120#。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述內(nèi)噴液電解磨銑系統(tǒng)的電解磨銑方法，其特征在于包括以下過程: 工具電極(11)沿軸向垂直裝夾在電解磨銑機床主軸(9)末端，接工作電源(14)陰極； 待加工的金屬工件(12)裝夾在夾具(13)上接工作電源(14)陽極； 工作時，工控機(I5)控制伺服閥(I7)的閥門移動，使高速旋轉(zhuǎn)的工具電極(II)內(nèi)部通電解液(23); 工具電極(11)在XY平面內(nèi)進(jìn)給，Z方向不運動，依靠其金剛石磨粒層(3)和電解作用對金屬工件進(jìn)行電解磨銑去除材料加工； 當(dāng)加工間隙中頻發(fā)瞬時性的打火時，工控機(15)監(jiān)測到電流的持續(xù)性突變，判斷打火現(xiàn)象發(fā)生時，控制伺服閥(17)增大進(jìn)入加工間隙內(nèi)的電解液流量，充分排除加工間隙內(nèi)的難溶性電解產(chǎn)物(6)、氫氣(5)及焦耳熱，使加工恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述內(nèi)噴液電解磨銑方法，其特征在于包括以下過程: 工控機(I5)判斷是否打火的具體實施方法為；設(shè)最大加工電流為Im，當(dāng)在設(shè)定時間to內(nèi)，Im> 1的次數(shù)大于設(shè)定值no時，工控機(15)判斷此時打火現(xiàn)象發(fā)生，1為穩(wěn)定加工狀態(tài)下加工電所維持的恒定值。
【文檔編號】B23H5/08GK106077854SQ201610543549
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年7月11日
【發(fā)明人】牛屾, 李寒松, 付書星, 曲寧松
【申請人】南京航空航天大學(xué)