双管组合式工具阴极及其电解铣磨复合加工方法与流程

本发明涉及一种双管组合式工具阴极及其电解铣磨复合加工方法，属于电解磨削复合加工领域。

背景技术：

为减轻结构重量、减少零件数量、提高发动机推重比，整体构件被越来越多的采用在现代飞行器中，比如整体叶轮、整体机匣、整体扩压器等。这些整体构件多采用钛合金、高温合金等难切削材料，且尺寸大、特征复杂、结构轻薄，具有较高的材料去除比。例如，我国某型飞机钛合金缘条零件，要在尺寸1300×500×90mm的毛坯上加工出筋厚3mm、腹板厚度3~6mm的缘条类零件，其粗加工材料去除量达到约90%。因此，如何经济的实现难切削合金的高效去除，依然是现代制造业面临的一个难题。

目前，对于加工钛合金、高温合金等难切削材料的整体构件，常用的制造工艺有数控铣削、电火花加工、电解加工。然而，由于这些材料的导热系数低、高温强度高，采用数控铣削加工时切削力大、切削温度高，使得刀具磨损快、加工硬化严重、工件残余应力大，导致加工效率低、加工成本高、工件易变形。当采用电火花加工时，不仅加工效率仍然有限，而且工件加工表面易形成再铸层、热影响区和微裂纹，会影响整体构件的疲劳强度和工作寿命。尽管电解加工具有工具阴极无损耗、加工效率高、加工无应力等优点，但是在阳极溶解过程中，工件表面易形成高电阻性、结构致密的钝化膜，会阻碍电解反应的进行。特别是当电解加工钛合金等自钝性较强的材料时，通常选用含氯离子等的活性电解液去破坏钝化膜，结果又引起严重的杂散腐蚀，导致加工精度较低。

为改善上述制造工艺的缺陷，电解铣磨复合加工技术已经被提出，即采用棒状磨头作为工具阴极，以类似于立式数控铣削的方式进行加工运动控制，利用电化学阳极溶解和机械磨削的复合加工机理实现工件的材料去除过程。电解铣磨复合加工具有高效率、低成本、高柔性等优点，对于在镍基高温合金、钛合金等难切削合金上加工型面、型腔、薄壁、凸台等结构，这种制造工艺有着明显的优势。目前，随着内喷射供液方式的进一步引入，电解液可通过磨头内孔直接喷射到加工间隙内，并迅速带走加工产物。结果，单次走刀所去除的材料厚度得到显著提高，更有利于高效率、低成本的实现难切削合金的大余量去除。

对于整体构件的粗加工，为追求高的材料去除率，通常采用高的进给速度。然而，在使用内喷液工具阴极的电解铣磨复合加工中发现，来不及排出的少量难溶性加工产物会回流并附着在工具阴极出液孔内。随着加工的持续进行，工具阴极出液孔内聚集的加工产物逐渐增多，出液孔实际的通液面积逐渐减小，喷出电解液的流量逐渐下降，使得极间间隙内电解液电导率降低，导致电化学阳极腐蚀能力减弱，即阳极材料溶解速度减慢。结果，在恒定的进给速度加工下，原来稳定的平衡加工状态被打破，开始频繁出现打火现象，加工变得不再稳定，并引起刀具和工件表面损伤，甚至发生短路，最终迫使加工停止。该问题严重制约了电解铣磨复合加工技术的进一步推广及工业应用。

技术实现要素：

本发明在于，针对上述问题，提出一种双管组合式工具阴极及其电解铣磨复合加工方法，改善该技术在大余量去除时的加工稳定性和加工效率。

一种双管组合式工具阴极，其特征在于：包括内管、外管、橡胶密封圈、螺栓；

所述外管中心有外管盲孔，下端外侧电镀有金刚石磨粒层，电镀的金刚石磨粒层高度等于加工所需的加工深度；

所述内管的长度大于所述外管的长度，内管中心有贯穿的内管通孔，内管末端外侧有环状的内管定位凸台，内管中部外侧有环状的内管连接凸台；

所述内管定位凸台和内管连接凸台的外径均等于所述外管的内径；所述内管位于外管中；所述内管定位凸台的下端面与所述外管盲孔底面接触；

所述内管的侧壁开有若干与其内管通孔相通的内管出液孔，所述外管的侧壁开有若干与其外管盲孔相通的外管出液孔；

所述内管连接凸台的圆周面上开有若干内管螺纹孔，所述外管的上端外侧开有若干与上述内管螺纹孔对应的外管导向孔，即内管螺纹孔和外管导向孔的中心线重合且数量相等；所述螺栓穿过所述外管导向孔并连接紧固于所述内管螺纹孔内；所述橡胶密封圈套在所述内管的侧壁上，位于所述内管连接凸台的下方。

所述双管组合式工具阴极，其特征在于：所述外管出液孔和内管出液孔中心线重合且数量相等；且内管出液孔的直径小于所述外管出液孔的直径。

所述双管组合式工具阴极，其特征在于：所述内管定位凸台的上沿与所述外管出液孔的下母线平齐。

所述双管组合式工具阴极，其特征在于：所述内管材料为不锈钢。

利用所述的双管组合式工具阴极的电解铣磨复合加工方法，其特征在于包括以下过程：

将该工具阴极的内管上端垂直装夹于机床主轴末端，并连接电源负极；电解液先沿内管通孔进入工具阴极，经内管出液孔流向外管出液孔，再喷到工件的加工表面，同时内管和外管之间的环形容腔也充满电解液；

加工时，外管上金刚石磨粒层区域为工具阴极的工作区域；打开电源，设置工作电压，工具阴极沿方向旋转，工件进给，工件材料在电化学阳极腐蚀和机械磨削的共同作用下被去除，其中大部分难溶性加工产物被从外管出液孔喷出的电解液带出加工区域，少量难溶性加工产物沿着外管出液孔回流进入内管与外管之间的环形容积内，避免难溶性加工产物聚集在外管出液孔内；

当外管需要更换时，先通过机床的运动控制系统退刀，再使用转动工具拆除螺栓去掉旧的外管，并利用新外管导向孔与内管螺纹孔定位其出液孔，然后使用转动工具通过紧固螺栓连接内、外管。

本发明具有以下优点：

1、本发明提供的组合式工具阴极的外管出液孔的直径大于内管出液孔的直径，且内、外管之间有环形容腔。因此在加工过程中回流至外管出液孔内的难溶性加工产物会继续进入环形容腔中，避免继续累积在内管出液孔中。与常规的一体式内喷液工具阴极相比，本发明可有效改善出液孔内因难溶性加工产物累积而引起的电解液流量下降的现象，从而提高难切削合金在大余量去除时加工稳定性。

2、本发明提供的组合式工具阴极的外管长度小于内管且仅外管中心有盲孔，与常规的一体式内喷液工具阴极相比，所加工盲孔的深径比明显减少。此外，由于内管采用耐腐蚀的不锈钢材料，而内、外管通过螺栓连接，因此当金刚石磨粒层损耗严重时，只需更换外管即可，内管可以反复使用。这些特点均有利于降低工具阴极的制造成本。

3、本发明提供的组合式工具阴极的内管螺纹孔与外管导向孔不仅起到了连接内、外管的作用，也可以分别用于加工内管出液孔、外管出液孔时的定位，可有效保证组装后内管出液孔与外管出液孔的孔中心线重合。同时，内管定位凸台和内管连接凸台在内、外管装配过程中也起到了定位作用，而橡胶密封圈的使用则提高了装配的密封性能。这些设计表明了本发明具有良好的可靠性和可行性

4、本发明提供的组合式工具阴极可根据特定的加工需求设计合适的外管外径及壁厚、内管外径及壁厚度及内外管上出液孔的直径和数目等，具有良好的适用性，便于推广及应用。

附图说明

图1双管组合式工具阴极示意图；

图2内管基体示意图；

图3外管基体示意图；

图4双管组合式工具阴极电解铣磨复合加工原理示意图；

图中标号名称：1、内管；2、外管；3、橡胶密封圈；4、螺栓；5、金刚石磨粒层；6、内管螺纹孔；7、内管出液孔；8、内管通孔；9、内管定位凸台；10、内管连接凸台；11、外管盲孔；12、外管导向孔；13、外管出液孔；14、电解液流动方向；15、工具阴极旋转方向；16、难溶性加工产物；17、工件；18、工件进给方向；19、电源。

具体实施方式

下面结合具体附图对本发明做进一步的详细说明。

如图1~3所示，一种双管组合式工具阴极，包括内管1、外管2、橡胶密封圈3和螺栓4，金刚石磨粒层5被电镀于外管2的外侧。内管1中心有内管通孔8，侧壁开有若干与内管通孔8相通的内管出液孔7，内管1末端端面边缘向上设有环状的内管定位凸台9，内管1中部外侧设有环状的内管连接凸台10且在该内管连接凸台10上开有若干内管螺纹孔6。外管2中心有外管盲孔11，侧壁开有若干外管出液孔13和外管导向孔12，且外管2的内径等于内管定位凸台9和内管连接凸台10的外径，外管出液孔13下母线与外管盲孔11底面之间的垂直距离等于内管定位凸台9的高度。利用在内管定位凸台9上加工的首个内管螺纹孔6定位其余内管螺纹孔6以及内管出液孔7，同理，通过在外管2上加工的首个外管导向孔12定位其余外管导向孔12以及外管出液孔13。

在组装该工具阴极时，首先将橡胶密封圈3套在位于内管连接凸台10下方的内管1侧壁上；其次将内管1装入外管2中，使内管定位凸台9下端面与外管盲孔11底面接触、内管定位凸台9侧壁与外管盲孔11侧壁接触，再让首个加工的内管螺纹孔6和外管导向孔12同心，两次定位后的内管定位凸台9上沿与外管出液孔13下母线平齐、内管螺纹孔6与外管导向孔12的孔中心线重合、内管出液孔7与外管出液孔13的孔中心线重合；最后采用转动工具将螺栓4穿过外管导向孔12并连接紧固与内管螺纹孔6内，即可完成组装

如图4所示，采用图1所示的双管组合式工具阴极进行电解铣磨复合加工，其方法主要包括以下步骤：

步骤1、将该工具阴极的内管1的上端垂直装夹在机床主轴末端并连接电源19的负极，将装夹后的工件17连接电源19正极完成对刀，使该工具阴极的外管2定位到初始加工位置；

步骤2、设定电解液工作压力和温度，电解液沿着流动方向14从内管通孔8进入该工具阴极，经过内管出液孔7和外管出液孔13喷到工件17的待加工表面上，工具阴极内管1和外管2之间的环形容腔也充满电解液；

步骤3、打开电源19，设置工作电压，工具阴极沿方向15旋转，工件17沿方向18进给，工件17材料在电化学阳极腐蚀和机械磨削的共同作用下被去除，其中大部分难溶性加工产物16被从外管出液孔13喷出的电解液带出加工区域，少量难溶性加工产物16沿着外管出液孔13回流进入内管1与外管2之间的环形容积内，从而有效改善了难溶性加工产物16聚集在外管出液孔13内的现象，提高了大余量去除时的加工稳定性和加工效率。

步骤4、当需要更换外管时，停止加工、退刀，利用转动工具拆卸螺栓4并去掉旧的外管2，将新的外管2套在内管1的外部，通过外管导向孔12定位于内管螺纹孔6，再使用转动工具将螺栓4穿过外管导向孔12并连接紧固在内管螺纹孔6内，然后接着从步骤1开始，继续进行加工，直至加工结束。