内喷液电解磨铣加工系统及方法
【专利摘要】本发明涉及一种内喷液电解磨铣加工系统及方法，属于电解磨削复合加工领域。该加工系统包括电解液循环系统、电流检测系统和伺服阀控制系统。其中，电解液循环系统实现了电解磨铣的内喷式供液及电解液的过滤、循环使用；电流检测系统可实时检测加工过程中的电流大小及电流突变情况；伺服阀控制系统在工控机监测到电流持续性突变时可迅速调整进入加工区域的电解液流量，使电解产物和焦耳热被充分排除。本发明对提高电解磨铣加工过程的稳定性有重要意义。
【专利说明】
内喷液电解磨铣加工系统及方法
技术领域
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[0001 ]本发明的一种内喷液电解磨铣加工系统及方法，属于电解磨削复合加工领域。
【背景技术】
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[0002]随着科学技术的发展，现代航空、航天、船舶等工业领域中使用了大量高温合金、钛合金等金属材料。比如，GH4169合金分别占了CF6发动机、CY2000发动机和PW4000发动机总重量34%、56 %和57 % ;钛合金占了第四代战斗机F-22所使用材料总量的41 %等。然而，受这些材料本身一些固有特性的影响，如导热能力差、强度高、硬度大等，在机械加工过程中加工区的温度较高、切削力较大，容易引起刀具的磨损。以航空发动机中的燃烧室薄壁机匣为例，其环形面上不仅有众多形状各异的安装凸台、加强筋等，而且从毛坯加工成零件的材料去除比一般可高达60%?80%，这给制造技术带来了诸多挑战。
[0003]电解加工是利用电化学阳极溶解的原理去除金属材料，并获得具有一定尺寸精度和表面粗糙度零件的工艺方法。在加工过程中工件接电源正极，工具接电源负极，电解液从阴阳极间的加工间隙中高速流过，工具阴极、工件阳极以及加工间隙中电解液形成导电回路，随着阴极不断进给，工件材料不断溶解，直至被加工成所需的尺寸与形状。电解加工区别于机械加工的主要特征在于它是一种非接触加工，材料的去除是以离子的形式。因此，电解加工不受材料强度、硬度和韧性的限制，加工表面无残余应力和再铸层等缺陷，而且工具无损耗、加工效率高，比较适用于加工难切削金属材料。
[0004]然而，对于一些钝化性较强的金属，电解加工的加工精度和表面质量易受其表面钝化膜特性的影响。以钛合金为例，在电解加工中工件表面极易生成一层高电阻性、结构致密的氧化物钝化膜，虽然这层钝化膜的硬度远低于钛合金的硬度，但是它会阻滞钛合金的电解溶解作用的进行。若使用活性高的电解液，虽然可利用电解液的活性去破坏钝化膜使溶解继续，但是活化作用强又易使铁合金加工面发生点烛，非加工面发生杂散腐烛，使得加工质量不稳定。因此，在电解加工中引入机械磨削的作用，利用磨粒刮除工件表面的钝化膜，可促使电解作用的继续进行，并获得更高的加工效率、加工精度以及表面质量，
[0005]电解磨铣加工是采用形状简单的磨头电极作为工具阴极，利用数控铣削的方式由磨头电极的旋转运动和工件的进给运动共同形成轮廓的发生线，通过相切法进行成形加工的一种复合加工方法。电解磨铣加工时大部分金属材料是在电解作用下以离子的形式去除的，磨削的主要作用是去除工件表面因电化学腐蚀生成的氧化物钝化膜，保持电解过程的正常进行并降低表面粗糙度。和传统的电解加工相比，数控技术的引入提高了电解加工的柔性和精度，减小了复杂成形阴极的设计和制造周期;和机械磨削加工相比，电解磨铣加工的切削力小、生产率高。因此，对于在难切削和易钝化金属材料上加工各种型面、型腔、凸台、薄壁等结构，电解磨铣是一种非常具有潜力的加工方法。
[0006]电解磨铣供给电解液的方式主要分为外喷式供液和内喷式供液。外喷式供液通过外接喷嘴向加工区域喷射电解液，但由于磨工具阴极和工件之间的加工间隙极小，当加工深度较大时，电解液很难及时的充满整个加工间隙，加工区域容易因局部缺液而产生火花放电，造成磨头损耗甚至发生短路，因此采用外喷式供液的电解磨铣主要应用于加工深度较小的情况。内喷式供液是将工具阴极与电解液系统连接起来，电解液通过阴极内孔或槽直接喷射到工件加工表面，既作为连接阳极和阴极构成导电回路的媒介，同时及时带走加工间隙内的电解产物、氢气和焦耳热。因此，内喷式供液有利于在加工间隙中形成均匀的流场，能有效提高电解磨铣的加工深度。
[0007]目前，对于内喷液式电解磨铣加工系统，通常仅采用调压阀和压力表来控制电解液的流量，即根据需要进行电解液恒压力加工。为了追求高的加工效率，需要找到在一定加工参数下能够保证电解磨铣稳定加工的最大进给速度。然而，大量的试验发现，以最大进给速度稳定加工一段距离后会逐渐产生频繁的打火现象，即加工变得不再稳定。频繁的打火易引起电极和工件表面的烧伤，甚至造成短路，导致加工停止。即使增大电解液压力，以该参数下的最大进给速度稳定加工一段距离后仍会出现这种现象。该问题严重影响了加工过程的稳定性，不利于实现电解磨铣的高效加工。
【发明内容】
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[0008]本发明提出了一种内喷液电解磨铣加工系统及方法，可以有效减少加工过程中瞬时性打火现象的发生，提高电解磨铣加工的稳定性。
[0009]—种内喷液电解磨铣加工系统，其特征在于:该加工系统包括电源、工具电极、金属工件，还包括电流监测及伺服阀控制系统、电解液循环系统;所述工具电极包括底端为圆形平面的棒状基体;上述棒状基体具有中心盲孔;上述棒状基体的侧壁开有与中心盲孔相通的通液槽/孔;该通液槽/孔轴线与中心盲孔轴线垂直，上述棒状基体下部的侧壁外表面电镀有金刚石磨粒层，并且金刚石磨粒层上沿位于通液槽/孔上边缘上方，金刚石磨粒层下沿覆盖至底端圆形平面最边缘;所述电流监测及伺服阀控制系统依次包括霍尔电流传感器、数据采集卡、工控机、运动控制卡和伺服阀，霍尔电流传感器安装于电源与金属工件之间的线路上;所述电解液循环系统包括与工具电极中心盲孔相连的进液管路，上述伺服阀安装于该进液管路中。
[0010]所述电解磨铣加工工具阴极，其特征在于:上述棒状基体开中心盲孔后，其侧壁和底部的厚度不小于1mm。
[0011 ]所述电解磨铣加工工具阴极，其特征在于:上述金刚石磨粒层厚度不小于0.03mm,金刚石磨粒粒度号不小于120#。
[0012]所述内喷液电解磨铣系统的电解磨铣方法，其特征在于包括以下过程:工具电极沿轴向垂直装夹在电解磨铣机床主轴末端，接工作电源阴极;待加工的金属工件装夹在夹具上接工作电源阳极;工作时，工控机控制伺服阀的阀门移动，使高速旋转的工具电极内部通电解液;工具电极在XY平面内进给，Z方向不运动，依靠其金刚石磨粒层和电解作用对金属工件进行电解磨铣去除材料加工；当加工间隙中频发瞬时性的打火时，工控机监测到电流的持续性突变，判断打火现象发生时，控制伺服阀增大进入加工间隙内的电解液流量，充分排除加工间隙内的难溶性电解产物、氢气及焦耳热，使加工恢复稳定状态。
[0013]所述内喷液电解磨铣方法，其特征在于包括以下过程:工控机判断是否打火的具体实施方法为;设最大加工电流为K，当在设定时间to内，Im>1的次数大于设定值no时，工控机判断此时打火现象发生，1为稳定加工状态下加工电所维持的恒定值。
[0014]本发明具有如下优点:
[0015]I).通过大量的试验发现，在设定加工参数允许的最大进给速度稳定加工一段距离后流量计显示的电解液流量会逐渐下降，同时会观测到加工间隙内频发打火现象及采集的电流值持续性突变。加工停止后将工具电极取下放入超声清洗机中进行超声清洗，会发现从工具电极通液孔内喷出很多难溶性物质。经过分析认为，由于电解磨铣的加工间隙比较小，当加工深度较大时，电解液不易完全带走加工间隙内的难溶性电解产物、氢气和焦耳热。随着电解磨铣加工的持续进行，加工间隙内工具电极通液孔附近附着的难溶性电解产物逐渐增多，同时由于焦耳热使得部分电解液蒸发，电解液中的氢气也降低了电导率，导致加工逐渐变得不再稳定，频发打火，甚至短路。
[0016]2).加工装置中的工控机通过数据采集卡和霍尔电流传感器可采集电解磨铣加工过程中的电流数据，观察加工过程的稳定性。
[0017]3).加工装置中的工控机通过运动控制卡和伺服阀可根据需要设置并提供电解磨铣加工区域中的电解液流量。
[0018]4).加工装置中的工控机可根据采集到电流突变值自动判断是否打火，即当电流突变值超过设定值后，可通过控制伺服阀瞬时增大进入加工间隙内的电解液流量，充分排除加工间隙内的难溶性电解产物、氢气及焦耳热，有效减少打火现象持续发烧，提高加工稳定性，并改善了加工区域的表面质量和加工精度。
【附图说明】
[0019]图1为内喷液式电解磨铣加工间隙内产物分布示意图；
[0020]图2为本发明所提出的电解磨铣加工装置示意图；
[0021]图3为本发明所提出的电解磨铣加工方法示意图；
[0022]图4为稳定加工状态电流监测示意图；
[0023]图5为发生打火现象时电流监测示意图；
[0024]其中标号名称:1.棒状基体，2.加工工件，3.金刚石镀层，4.中心盲孔，5，氢气，6，难溶性电解产物，7.通液孔口，8.旋转接头，9.中空主轴，10.电解槽，11.工具电极，12.金属工件，13.夹具，14.电源，15.工控机，16.运动控制卡，17.伺服阀，18.流量计，19.压力计，20.三通，21.调压阀，22.离心栗，23.电解液，24.电解液槽，25.过滤器，26.数据采集卡，27.霍尔电流传感器。
【具体实施方式】
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[0025]以下结合附图对本发明进行进一步说明:
[0026]如图1所示，所绘内喷液式电解磨铣加工间隙内产物分布示意图包括:工具阴极棒状基体I，加工工件2，金刚石镀层3，中心盲孔4，氢气5，难溶性电解产物6，通液孔7 ο由本示意图可看出，电解磨铣加工深度较深，加工间隙较小，这种环境下不利于难溶性电解产物6、电解反应产生的氢气5以及反应焦耳热的及时排出，易发生打火现象，不利于加工稳定性。
[0027]如图2所示，本发明提出的一种提高电解磨铣加工过程稳定性的装置，包括电流监测系统，电解液循环系统和伺服阀控制系统。
[0028]所述电解液循环系统包括流量计18、压力表19、伺服阀17、三通20、离心栗22、旋转接头8、中空主轴9、工作槽10、过滤器25、电解液槽24、电解液23、调压阀21和工具阴极11。电解液23由离心栗输送到三通20处，一部分电解液经过调压阀21直接流回电解液槽24，另一部分电解液通过伺服阀17流入旋转接头8经过中空主轴9从工具阴极11内流出，冲向加工工件12表面即电解加工区域，电解液流过电解加工区域后，经过滤器25过滤后，流回电解液槽24，形成电解液回路。其中在电解液进入加工系统前，设置流量计18、压力计19，对电解液进行监测。
[0029]所述电流监测及伺服阀控制系统包括霍尔电流传感器27、数据采集卡26和工控机15、运动控制卡16和伺服阀17。
[0030]如图3所示，本发明提出的一种提高电解磨铣加工过程稳定性的方法，具体步骤为:
[0031 ] I).在电解液循环系统中，电解液经离心栗22、旋转接头8、中空主轴9、工具阴极11内孔到达加工间隙内，工作槽10中多余的电解液以及不溶性电解产物再经过滤器25过滤后流入电解液槽24中，通过压力表19和流量计18分别实时监测电解液的压力和流量。
[0032]2).在电流检测系统中，利用数据采集卡26采集经霍尔电流传感器27检测到的电流信号，并通过相应编写的Labview数据采集程序反映在工控机15上，实时监测加工过程中的电流大小。
[0033]3).在伺服阀控制系统中，工控机15通过相应编写的运动控制程序，通过运动控制卡16控制伺服阀17的阀门移动，从而使进入电解磨铣加工间隙区域的电解液的流量及压力可随需要进行调整。
[0034]4).当加工间隙中频发瞬时性的打火时，工控机15通过电流监测系统监测到电流的持续性突变，并通过伺服控制阀系统调节增大进入加工间隙内的电解液流量，充分排除加工间隙内的电解产物及焦耳热，改善加工打火状况，使加工恢复稳定状态。
[0035]如图4所示，图3为稳定加工状态电流监测示意图，当各项参数设定完毕，电解磨铣加工开始后，经过极短时间过度后，加工电流会维持在一个恒定值，直到加工结束。将该恒定电流设为电流1
[0036]如图5所示，图4为发生打火现象时电流监测示意图，在实际的电解磨铣加工工程中，加工电流总会出现一定程度的波动，由于电解磨铣加工深度较大，加工间隙较小等原因，在加工过程中，电解产物6、氢气5以及反应焦耳热可能无法及时排出。上述原因会造成加工电流突然升高，即打火现象的出现。如不及时控制，极易造成短路，烧伤加工工件2及工具阴极I导致加工失败。工控机15判断是否打火的具体实施方法为;设最大加工电流为Im，当在设定时间to内，Im> 1的次数大于设定值no时，工控机15判断此时打火现象发生，并立即通过运动控制卡16控制伺服阀17增大电解液流通面积，使流入电解磨铣区域的电解液流量瞬间增加，改善加工间隙流场，促进电解产物及反应焦耳热的排出，有效阻止打火现象进再次发生。
【主权项】
1.一种内喷液电解磨铣加工系统，其特征在于: 该加工系统包括电源(14)、工具电极(11)、金属工件(12)，还包括电流监测及伺服阀控制系统、电解液循环系统、； 所述工具电极(11)包括底端为圆形平面的棒状基体(I);上述棒状基体(I)具有中心盲孔(4);上述棒状基体(I)的侧壁开有与中心盲孔(4)相通的通液槽/孔(7);该通液槽/孔(7)轴线与中心盲孔(4)轴线垂直，上述棒状基体(I)下部的侧壁外表面电镀有金刚石磨粒层(3)，并且金刚石磨粒层(3)上沿位于通液槽/孔(7)上边缘上方，金刚石磨粒层(3)下沿覆盖至底端圆形平面最边缘； 所述电流监测及伺服阀控制系统依次包括霍尔电流传感器(27)、数据采集卡(26)、工控机(15)、运动控制卡(16)和伺服阀(17)，霍尔电流传感器(27)安装于电源(14)与金属工件(12)之间的线路上； 所述电解液循环系统包括与工具电极(11)中心盲孔(4)相连的进液管路，上述伺服阀(17)安装于该进液管路中。2.根据权利要求1所述电解磨铣加工工具阴极，其特征在于:上述棒状基体(I)开中心盲孔(4)后，其侧壁和底部的厚度不小于1_。3.根据权利要求1所述电解磨铣加工工具阴极，其特征在于:上述金刚石磨粒层(3)厚度不小于0.03mm，金刚石磨粒粒度号不小于120#。4.根据权利要求1所述内喷液电解磨铣系统的电解磨铣方法，其特征在于包括以下过程: 工具电极(11)沿轴向垂直装夹在电解磨铣机床主轴(9)末端，接工作电源(14)阴极； 待加工的金属工件(12)装夹在夹具(13)上接工作电源(14)阳极； 工作时，工控机(I5)控制伺服阀(I7)的阀门移动，使高速旋转的工具电极(II)内部通电解液(23); 工具电极(11)在XY平面内进给，Z方向不运动，依靠其金刚石磨粒层(3)和电解作用对金属工件进行电解磨铣去除材料加工； 当加工间隙中频发瞬时性的打火时，工控机(15)监测到电流的持续性突变，判断打火现象发生时，控制伺服阀(17)增大进入加工间隙内的电解液流量，充分排除加工间隙内的难溶性电解产物(6)、氢气(5)及焦耳热，使加工恢复稳定状态。5.根据权利要求4所述内喷液电解磨铣方法，其特征在于包括以下过程: 工控机(I5)判断是否打火的具体实施方法为；设最大加工电流为Im，当在设定时间to内，Im> 1的次数大于设定值no时，工控机(15)判断此时打火现象发生，1为稳定加工状态下加工电所维持的恒定值。
【文档编号】B23H5/08GK106077854SQ201610543549
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年7月11日
【发明人】牛屾, 李寒松, 付书星, 曲宁松
【申请人】南京航空航天大学