电火花电解交替加工弧面装置及方法与流程

本发明涉及一种电火花电解交替加工弧面装置及方法，属于电解加工领域。

背景技术：

为了减轻空气阻力，很多航空航天零部件被设计成曲面结构，然而这些曲面结构的航空航天零部件采用传统的机加工工艺很难加工。因为现代航空、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。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，使用传统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，加工效率低，加工周期长等问题。电解加工是利用电化学反应去除工件材料，为非接触式加工。与传统机械加工相比，其具有加工工件表面无残余应力、无冷作硬化、无塑性变形、表面粗糙度低、无工具损耗等优点。电解加工由于不是依靠机械能,采用电化学的能量来去除金属材料,具有无接触应力与材料的硬度无关的特点。因此,采用电解加工是一种适合航空航天的关键部件的加工方式。

但是，在进行电解加工时，由于钛合金等难加工材料具有自钝化性特性，加工时工件表面容易生成一层致密的氧化物层，因而钛合金等难加工材料在电解加工时需要先电解去除氧化层，然后才会发生材料本体的高效电化学溶解。

技术实现要素：

本发明涉及一种电火花电解交替加工弧面装置及方法，属于电解加工技术领域。

一种火花电解复合高速旋转加工弧面装置，其特征在于:该装置包括中空旋转主轴、绝缘转台、减速机和驱动电机；其中中空旋转主轴上部为中空的三角圆锥空腔结构，下部为中空圆盘结构；空旋转主轴通过其中空圆盘结构固定于绝缘转台上端，绝缘转台下端通过减速机与驱动电机相连；该装置还包括位于中空旋转主轴上方的进液管，进液管和中空旋转主轴通过旋转接头实现连接，工作时进液管静止，中空旋转主轴旋转；该装置还包括导电滑环和电极,导电滑环套装于中空旋转主轴正上方，电极由若干间隔均布的电解电极和电火花电极组成；其中电解电极内部为圆形截面渐变为矩形截面的中空结构，该中空结构与中空旋转主轴的三角圆锥空腔结构相连通；电火花电极为实心结构；该装置还包括防护板；防护板由上防护板和下防护板组成，两者中心开圆孔，套于中空旋转主轴上并且位于中空旋转主轴的中空圆盘结构上方；上述电极位于该圆孔处；上防护板与下防护板贴合的下表面开有回液槽；该装置还包括安装于上防护板的工件加持进给装置；它有若干沿周向均布于上防护板的加持组件组成；每个加持组件均由伺服电机和安装于伺服电机推动杆末端的工作固定块组成，待加工工件通过螺钉固定在工件固定块上；该装置还包括顶罩和下防护罩，顶罩安装并固定于防护板上方；顶罩侧壁具有与上述工件固定块配合的开口；下防护罩安装于防护板下方。

利用所述的火花电解复合高速旋转加工弧面装置的加工方法，其特征包括以下过程：将待加工的工件安装在工件固定块上，通过螺钉固定；通过伺服电机控制待加工工件与电解电极和电火花电极的初始间隙；通过驱动电机带动减速器转动，通过绝缘旋转平台带动中空旋转主轴转动；旋转接头上部与进液管为静止不动，旋转接头下部与中空旋转主轴开始高速旋转；接通电解液，电解液从进液管快速流入到高速旋转的中空旋转主轴中，并从电解电极和电火花电极中快速喷射到待加工工件的表面；打开电源控制开始电解电火花复合加工；当电火花电极转动到与工件表面较近的位置时，工件表面被电火花击穿，工件表面氧化层和机体材料被大量去除，工件表面呈现凹凸不平的形态；当电解电极转动到工件表面较近位置处时被电火花加工过的表面会被高效电解去除，工件表面变得平整；产物从回液槽中流出加工区域；此时被电解加工过的表面可能会再次产生氧化物层阻碍电解作用高效进行；随着中空旋转主轴的高速转动电火花再次转动到与工件表面较近的位置，此时工件表面形成的氧化物层再一次被电火花击穿而去除，周而复始，工件表面不断的被电火花电解两种方式去除材料，最终形成所需的弧面。

在电解加工钛合金等难加工材料时材料表面会形成一层致密的氧化层,这个氧化层会严重阻碍电解加工的高效进行,必须消耗一定的电量去除该氧化层之后,才能继续进行高效的电解加工，这降低的了加工效率。本专利中通过电火花电极对工件表面先进行电火花加工，在中空主轴的高速旋转带动下，电火花电极在工件表面高速扫过，将工件表面的氧化物和部分金属机体快速去除。由于电火花电极是高速从工件表面扫描而过的，所以不会产生持续的火花放电。当电火花电极高速从工件表面扫描而过之后，电解电极高速旋转到工件表面，其内腔喷射出电解液到工件表面，开始对工件进行电解加工。由于工件表面的阻碍电解反应的氧化物层已经被电火花去除，所以工件表面发生高效电解反应，工件表面材料进一步被高效去除。电火花加工过的凹凸不平的表面也被电解的光滑而平整。本发明对提高钛合金等难加工材料零件表面弧形的电解加工效率有重要的意义。

所述的火花电解复合高速旋转加工弧面装置，其特征在于：上述电解电极距离待加工工件的距离为0.2-1mm，电火花电极距离待加工工件的距离为0.05-0.1mm。这是由于电解加工中必须考虑电解液喷射流动阻力,必须保留较大的加工间隙来减小电解液的流动阻力和促进产物排出。而电火花加工中只有保持较小的加工间隙才能发生快速的击穿火花放电,因此其加工间隙必须保持在较小的数值。

所述的火花电解复合高速旋转加工弧面装置，其特征在于：上述回液槽横截面为扇形。回液槽扇形的横截面保证了电解产物和气泡在流出加工区过程中流道逐渐变宽，流动阻力逐渐减小，有利于电解产物的快速去除，保证加工空间内没有电解产物残留。

所述的火花电解复合高速旋转加工弧面装置，其特征在于：中空旋转主轴与绝缘转台连接处有密封环。通过密封环可以将加工区电解液与驱动电机、减速机等相互隔离，避免电解液渗漏到底部后对驱动电机和减速机等部件产生腐蚀。

本发明具有以下优点

1.电解电极和电火花电极周期性进行电火花电解交替加工，电火花快速去除电解产生的氧化物层和部分金属机体材料，通过电解进一步去除材料并将电火花加工过的凹凸不平的表面电解加工光滑平整，通过两者交替作用，实现高效高速的材料去除。

2.加工过程中电解电极和电火花电极高速旋转，可将电解液快速甩出，高速冲击到零件表面，可以将加工产物快速冲刷带走，从而获得较好的加工表面质量。另外，电极从工件弧面一侧高速旋转冲刷到工件另一侧过程中，电解液的旋转扫描冲刷也可以将加工产物从加工表面带走。

3.装置转盘底部开扇形回液槽，扇形的截面逐渐扩大，有利于加工废液快速排出加工区域，保证电解加工高效稳定进行。

附图说明

图1工具整体结构图；

图2去除防护罩后工具内部结构图；

图3工具内部旋转机构结构图及剖面视图；

图4电火花电解交替循环加工示意图；

其中标号名称为：1进液管,2上防护罩，3旋转接头，4导电滑环，5伺服电机，6工件固定块，7扇形回液槽，8密封环，9下防护罩，10待加工工件，11电解电极，12中空旋转主轴，13环氧树脂旋转平台，14驱动电机，15减速机，16电火花电极，17顶盖，18气泡，19电火花产物，20电解产物，21外层绝缘层。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行进一步说明：

结合图1，图2，图3，图4，将待加工的工件安装在工件固定块上，通过内六角圆柱头螺钉固定。三个伺服电机可以实现对待加工工件位置的精确控制，从而控制到加工工件距离电解喷头和电火花的初始间距。接通电解液，电解液从进液管快速流入到高速旋转的中空旋转主轴中，并从中空的电解电极中快速喷射到待加工工件的表面。

通过驱动电机带动减速器转动，通过环氧树脂旋转平台带动中空旋转主轴转动。旋转接头上部与进液管为静止不动，旋转接头下部与中空旋转主轴开始高速旋转。中空旋转主轴上电解电极、电火花电极进而开始高速转动。

打开电源控制，开始电解电火花交替加工。当电火花转动到与工件表面较近的位置时，工件表面被电火花击穿，工件表面氧化层和机体材料被大量去除，工件表面呈现凹凸不平的形态，如图4（a）所示；当电解喷头转动到工件表面较近位置处时被电火花加工过的表面会被高效电解去除，工件表面变得平整，如图4（b）所示，产物从扇形回液槽中流出加工区域，此时被电解加工过的表面可能会再次产生氧化物层阻碍电解作用高效进行；随着中空旋转主轴的高速转动电火花再次转动到与工件表面较近的位置，此时工件表面形成的氧化物层再一次被电火花击穿而去除，周而复始，工件表面不断的被电火花电解两种方式去除材料，最终形成所需的弧面。

结合图2，图3，驱动电机经过减速器减速，减速器通过环氧树脂旋转平台与中空旋转主轴连接，实现中空旋转主轴的高速转动。三个矩形喷头电极高速旋转，电解喷头中喷出的电解液在主轴高速旋转的带动下，高速冲击到代加工钛合金零件表面，可以将加工产物快速冲刷带走，从而获得较高的加工表面质量。另外，矩形喷头电极从工件弧面一侧高速旋转冲刷到工件另一侧过程中，电解液的旋转冲刷也可以将加工产物从加工表面冲刷带走。

结合图1，图3，中空旋转主轴与环氧树脂旋转平台连接的上方有密封环，可以防止电解液落到环氧树脂旋转平台上，保证电解液从三个扇形回液槽流出。