雙管組合式工具陰極及其電解銑磨復合加工方法與流程

本發(fā)明涉及一種雙管組合式工具陰極及其電解銑磨復合加工方法，屬于電解磨削復合加工領域。

背景技術：

為減輕結構重量、減少零件數(shù)量、提高發(fā)動機推重比，整體構件被越來越多的采用在現(xiàn)代飛行器中，比如整體葉輪、整體機匣、整體擴壓器等。這些整體構件多采用鈦合金、高溫合金等難切削材料，且尺寸大、特征復雜、結構輕薄，具有較高的材料去除比。例如，我國某型飛機鈦合金緣條零件，要在尺寸1300×500×90mm的毛坯上加工出筋厚3mm、腹板厚度3~6mm的緣條類零件，其粗加工材料去除量達到約90%。因此，如何經(jīng)濟的實現(xiàn)難切削合金的高效去除，依然是現(xiàn)代制造業(yè)面臨的一個難題。

目前，對于加工鈦合金、高溫合金等難切削材料的整體構件，常用的制造工藝有數(shù)控銑削、電火花加工、電解加工。然而，由于這些材料的導熱系數(shù)低、高溫強度高，采用數(shù)控銑削加工時切削力大、切削溫度高，使得刀具磨損快、加工硬化嚴重、工件殘余應力大，導致加工效率低、加工成本高、工件易變形。當采用電火花加工時，不僅加工效率仍然有限，而且工件加工表面易形成再鑄層、熱影響區(qū)和微裂紋，會影響整體構件的疲勞強度和工作壽命。盡管電解加工具有工具陰極無損耗、加工效率高、加工無應力等優(yōu)點，但是在陽極溶解過程中，工件表面易形成高電阻性、結構致密的鈍化膜，會阻礙電解反應的進行。特別是當電解加工鈦合金等自鈍性較強的材料時，通常選用含氯離子等的活性電解液去破壞鈍化膜，結果又引起嚴重的雜散腐蝕，導致加工精度較低。

為改善上述制造工藝的缺陷，電解銑磨復合加工技術已經(jīng)被提出，即采用棒狀磨頭作為工具陰極，以類似于立式數(shù)控銑削的方式進行加工運動控制，利用電化學陽極溶解和機械磨削的復合加工機理實現(xiàn)工件的材料去除過程。電解銑磨復合加工具有高效率、低成本、高柔性等優(yōu)點，對于在鎳基高溫合金、鈦合金等難切削合金上加工型面、型腔、薄壁、凸臺等結構，這種制造工藝有著明顯的優(yōu)勢。目前，隨著內噴射供液方式的進一步引入，電解液可通過磨頭內孔直接噴射到加工間隙內，并迅速帶走加工產(chǎn)物。結果，單次走刀所去除的材料厚度得到顯著提高，更有利于高效率、低成本的實現(xiàn)難切削合金的大余量去除。

對于整體構件的粗加工，為追求高的材料去除率，通常采用高的進給速度。然而，在使用內噴液工具陰極的電解銑磨復合加工中發(fā)現(xiàn)，來不及排出的少量難溶性加工產(chǎn)物會回流并附著在工具陰極出液孔內。隨著加工的持續(xù)進行，工具陰極出液孔內聚集的加工產(chǎn)物逐漸增多，出液孔實際的通液面積逐漸減小，噴出電解液的流量逐漸下降，使得極間間隙內電解液電導率降低，導致電化學陽極腐蝕能力減弱，即陽極材料溶解速度減慢。結果，在恒定的進給速度加工下，原來穩(wěn)定的平衡加工狀態(tài)被打破，開始頻繁出現(xiàn)打火現(xiàn)象，加工變得不再穩(wěn)定，并引起刀具和工件表面損傷，甚至發(fā)生短路，最終迫使加工停止。該問題嚴重制約了電解銑磨復合加工技術的進一步推廣及工業(yè)應用。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明在于，針對上述問題，提出一種雙管組合式工具陰極及其電解銑磨復合加工方法，改善該技術在大余量去除時的加工穩(wěn)定性和加工效率。

一種雙管組合式工具陰極，其特征在于：包括內管、外管、橡膠密封圈、螺栓；

所述外管中心有外管盲孔，下端外側電鍍有金剛石磨粒層，電鍍的金剛石磨粒層高度等于加工所需的加工深度；

所述內管的長度大于所述外管的長度，內管中心有貫穿的內管通孔，內管末端外側有環(huán)狀的內管定位凸臺，內管中部外側有環(huán)狀的內管連接凸臺；

所述內管定位凸臺和內管連接凸臺的外徑均等于所述外管的內徑；所述內管位于外管中；所述內管定位凸臺的下端面與所述外管盲孔底面接觸；

所述內管的側壁開有若干與其內管通孔相通的內管出液孔，所述外管的側壁開有若干與其外管盲孔相通的外管出液孔；

所述內管連接凸臺的圓周面上開有若干內管螺紋孔，所述外管的上端外側開有若干與上述內管螺紋孔對應的外管導向孔，即內管螺紋孔和外管導向孔的中心線重合且數(shù)量相等；所述螺栓穿過所述外管導向孔并連接緊固于所述內管螺紋孔內；所述橡膠密封圈套在所述內管的側壁上，位于所述內管連接凸臺的下方。

所述雙管組合式工具陰極，其特征在于：所述外管出液孔和內管出液孔中心線重合且數(shù)量相等；且內管出液孔的直徑小于所述外管出液孔的直徑。

所述雙管組合式工具陰極，其特征在于：所述內管定位凸臺的上沿與所述外管出液孔的下母線平齊。

所述雙管組合式工具陰極，其特征在于：所述內管材料為不銹鋼。

利用所述的雙管組合式工具陰極的電解銑磨復合加工方法，其特征在于包括以下過程：

將該工具陰極的內管上端垂直裝夾于機床主軸末端，并連接電源負極；電解液先沿內管通孔進入工具陰極，經(jīng)內管出液孔流向外管出液孔，再噴到工件的加工表面，同時內管和外管之間的環(huán)形容腔也充滿電解液；

加工時，外管上金剛石磨粒層區(qū)域為工具陰極的工作區(qū)域；打開電源，設置工作電壓，工具陰極沿方向旋轉，工件進給，工件材料在電化學陽極腐蝕和機械磨削的共同作用下被去除，其中大部分難溶性加工產(chǎn)物被從外管出液孔噴出的電解液帶出加工區(qū)域，少量難溶性加工產(chǎn)物沿著外管出液孔回流進入內管與外管之間的環(huán)形容積內，避免難溶性加工產(chǎn)物聚集在外管出液孔內；

當外管需要更換時，先通過機床的運動控制系統(tǒng)退刀，再使用轉動工具拆除螺栓去掉舊的外管，并利用新外管導向孔與內管螺紋孔定位其出液孔，然后使用轉動工具通過緊固螺栓連接內、外管。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

1、本發(fā)明提供的組合式工具陰極的外管出液孔的直徑大于內管出液孔的直徑，且內、外管之間有環(huán)形容腔。因此在加工過程中回流至外管出液孔內的難溶性加工產(chǎn)物會繼續(xù)進入環(huán)形容腔中，避免繼續(xù)累積在內管出液孔中。與常規(guī)的一體式內噴液工具陰極相比，本發(fā)明可有效改善出液孔內因難溶性加工產(chǎn)物累積而引起的電解液流量下降的現(xiàn)象，從而提高難切削合金在大余量去除時加工穩(wěn)定性。

2、本發(fā)明提供的組合式工具陰極的外管長度小于內管且僅外管中心有盲孔，與常規(guī)的一體式內噴液工具陰極相比，所加工盲孔的深徑比明顯減少。此外，由于內管采用耐腐蝕的不銹鋼材料，而內、外管通過螺栓連接，因此當金剛石磨粒層損耗嚴重時，只需更換外管即可，內管可以反復使用。這些特點均有利于降低工具陰極的制造成本。

3、本發(fā)明提供的組合式工具陰極的內管螺紋孔與外管導向孔不僅起到了連接內、外管的作用，也可以分別用于加工內管出液孔、外管出液孔時的定位，可有效保證組裝后內管出液孔與外管出液孔的孔中心線重合。同時，內管定位凸臺和內管連接凸臺在內、外管裝配過程中也起到了定位作用，而橡膠密封圈的使用則提高了裝配的密封性能。這些設計表明了本發(fā)明具有良好的可靠性和可行性

4、本發(fā)明提供的組合式工具陰極可根據(jù)特定的加工需求設計合適的外管外徑及壁厚、內管外徑及壁厚度及內外管上出液孔的直徑和數(shù)目等，具有良好的適用性，便于推廣及應用。

附圖說明

圖1雙管組合式工具陰極示意圖；

圖2內管基體示意圖；

圖3外管基體示意圖；

圖4雙管組合式工具陰極電解銑磨復合加工原理示意圖；

圖中標號名稱：1、內管；2、外管；3、橡膠密封圈；4、螺栓；5、金剛石磨粒層；6、內管螺紋孔；7、內管出液孔；8、內管通孔；9、內管定位凸臺；10、內管連接凸臺；11、外管盲孔；12、外管導向孔；13、外管出液孔；14、電解液流動方向；15、工具陰極旋轉方向；16、難溶性加工產(chǎn)物；17、工件；18、工件進給方向；19、電源。

具體實施方式

下面結合具體附圖對本發(fā)明做進一步的詳細說明。

如圖1~3所示，一種雙管組合式工具陰極，包括內管1、外管2、橡膠密封圈3和螺栓4，金剛石磨粒層5被電鍍于外管2的外側。內管1中心有內管通孔8，側壁開有若干與內管通孔8相通的內管出液孔7，內管1末端端面邊緣向上設有環(huán)狀的內管定位凸臺9，內管1中部外側設有環(huán)狀的內管連接凸臺10且在該內管連接凸臺10上開有若干內管螺紋孔6。外管2中心有外管盲孔11，側壁開有若干外管出液孔13和外管導向孔12，且外管2的內徑等于內管定位凸臺9和內管連接凸臺10的外徑，外管出液孔13下母線與外管盲孔11底面之間的垂直距離等于內管定位凸臺9的高度。利用在內管定位凸臺9上加工的首個內管螺紋孔6定位其余內管螺紋孔6以及內管出液孔7，同理，通過在外管2上加工的首個外管導向孔12定位其余外管導向孔12以及外管出液孔13。

在組裝該工具陰極時，首先將橡膠密封圈3套在位于內管連接凸臺10下方的內管1側壁上；其次將內管1裝入外管2中，使內管定位凸臺9下端面與外管盲孔11底面接觸、內管定位凸臺9側壁與外管盲孔11側壁接觸，再讓首個加工的內管螺紋孔6和外管導向孔12同心，兩次定位后的內管定位凸臺9上沿與外管出液孔13下母線平齊、內管螺紋孔6與外管導向孔12的孔中心線重合、內管出液孔7與外管出液孔13的孔中心線重合；最后采用轉動工具將螺栓4穿過外管導向孔12并連接緊固與內管螺紋孔6內，即可完成組裝

如圖4所示，采用圖1所示的雙管組合式工具陰極進行電解銑磨復合加工，其方法主要包括以下步驟：

步驟1、將該工具陰極的內管1的上端垂直裝夾在機床主軸末端并連接電源19的負極，將裝夾后的工件17連接電源19正極完成對刀，使該工具陰極的外管2定位到初始加工位置；

步驟2、設定電解液工作壓力和溫度，電解液沿著流動方向14從內管通孔8進入該工具陰極，經(jīng)過內管出液孔7和外管出液孔13噴到工件17的待加工表面上，工具陰極內管1和外管2之間的環(huán)形容腔也充滿電解液；

步驟3、打開電源19，設置工作電壓，工具陰極沿方向15旋轉，工件17沿方向18進給，工件17材料在電化學陽極腐蝕和機械磨削的共同作用下被去除，其中大部分難溶性加工產(chǎn)物16被從外管出液孔13噴出的電解液帶出加工區(qū)域，少量難溶性加工產(chǎn)物16沿著外管出液孔13回流進入內管1與外管2之間的環(huán)形容積內，從而有效改善了難溶性加工產(chǎn)物16聚集在外管出液孔13內的現(xiàn)象，提高了大余量去除時的加工穩(wěn)定性和加工效率。

步驟4、當需要更換外管時，停止加工、退刀，利用轉動工具拆卸螺栓4并去掉舊的外管2，將新的外管2套在內管1的外部，通過外管導向孔12定位于內管螺紋孔6，再使用轉動工具將螺栓4穿過外管導向孔12并連接緊固在內管螺紋孔6內，然后接著從步驟1開始，繼續(xù)進行加工，直至加工結束。