复杂曲面无再铸层单/群孔多工位电火花-电解加工机床

摘要

本发明公开了一种复杂曲面无再铸层单/群孔多工位电火花-电解复合加工机床，包括机床本体、阴极系统、工作液循环系统、电源系统和控制系统，电源系统其控制电路根据不同加工需求控制不同波形电源的切换，电源信号经输出电路施加到工具电极和工件电源系统，采用单回路或多回路供电方式，对工具电极进行独立供电；工作液循环切换装置可实现电火花-电解复合加工所需管电极内外冲液自由切换的特殊需求，还可实现高低压冲液及间歇性冲液；阴极系统加持系统可装夹单个或多个工具电极实现单孔、群孔多工位同步加工。本机床可实现电火花-电解复合制孔加工，其加工后的孔壁无再铸层、微裂纹等缺陷，且机床机构简单、加工效率高、应用范围广泛。

说明书

技术领域

本发明涉及一种复杂曲面无再铸层单/群孔多工位电火花-电解加工机床，属于特种加工设备领域。

背景技术

在航空航天、电器电子、仪器仪表、轻工纺织等工业领域中，出现越来越多微小单/群孔结构的零部件，且零件中孔的数量越来越大、直径越来越小，精度和表面质量要求越来越高，然而工业零部件的材料种类繁多，结构复杂、加工难度大。尤其是在航空航天和军工领域，由于设备工作的特殊环境条件，往往要求其材料具有较高的硬度和强度，具有良好的耐热性和抗腐蚀性，故其零部件通常采用高温合金、钛合金等难加工材料，因此针对微小孔加工工艺提出了更高的要求，传统的机械加工工艺方法已无法满足需求。近年来，微小孔特种加工工艺得到了广泛的应用，如电火花加工、激光加工、超声加工、电子束加工、电解加工等，且均取得了较快的发展，成为难加工材料微小孔加工的主要手段。

电火花和电解加工过程中均没有直接接触、不会产生宏观作用力、可用普通的工具电极加工难加工材料。电火花-电解复合加工工艺是将电火花和电解加工有针对性的结合在一起，有效的利用了两者的优点，使其共同作用在同一工件表面，从而高效的获得加工精度高、表面质量好的加工工件。单/群孔电火花-电解复合加工主要应用于难加工材料上的孔的加工，如空心冷却涡轮叶片和导向器叶片上的大量微小孔结构，加工后微孔结构不会产生残余应力，孔壁表无再铸层和微裂纹，可以满足航空零部件的高性能要求。

2003年12月24日，中国实用新型专利CN2593944Y公开了一种带反向冲液装置的高速电火花小孔加工机床，该机床在原有高速电火花小孔加工机上设一反向冲液装置，消除因漏液所带来的不良效果，提高了孔出口的加工质量和加工效率，但该机床只能进行高速电火花小孔加工，不能用于电火花-电解复合加工，更不能用于群孔加工。

2007年8月15日，申请号为200710064289.3的中国专利申请公开了一种弯曲孔的电火花/电解加工方法及其装置，该装置针对现有弯曲孔加工方法加工精度差、加工三维空间弯曲孔困难的问题，采用工件和工作台转动而电极的指向不变的方案，使弯曲孔加工中电极方向的控制得到简化，能够容易地实现三维弯曲孔加工，扩大孔加工的范围和提高弯曲孔加工的精度，但该装置对于微小孔单/群孔加工效果不明显，加工效率较低，加工工艺复杂、成本高。

2011年2月16日，申请号为201010289524.9的中国专利申请公开了一种电解电火花切削复合微细加工装置及其加工方法，该装置利用加工电极和非导电待加工工件可物理接触的特点，引入切削加工，使其成为一种新的电解电火花切削复合微细加工装置，弥补了原有电解电火花加工机床在加工效率、加工精度等方面的缺点，使其具有材料去除率高、加工精度高、表面质量好、成本低等优点，但该装置主要针对非金属材料加工，且加工过程有直接接触，存在宏观作用力，不适宜于高温合金等难加工金属材料的微小孔加工。

2013年5月1日，申请号为201210596365.6的中国专利公开了一种螺母滚道电加工工艺和机床，该机床采用电解、电火花或复合电加工等特种加工工艺，主要针对螺母，尤其是大导程螺母内滚道进行加工，该机床结构简单实用、运动平稳、成本低，但该机床的应用具有一定局限性，主要针对螺母滚道进行加工，不易扩展到微小单/群孔的加工。

发明内容

本发明在于提供一种复杂曲面无再铸层单/群孔多工位电火花-电解加工机床，以解决现有技术中的电火花-电解加工机床无法对难加工金属材料进行微小单/群孔无再铸层加工的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供的复杂曲面无再铸层单/群孔多工位电火花-电解加工机床，包括机床本体、阴极系统、工作液循环系统、电源系统和控制系统，其特征在于：所述电源系统包括控制电路和输出电路，所述控制电路根据不同加工需求控制不同波形电源的切换，电源信号经所述输出电路施加到工具电极和工件；所述电源系统采用单回路或多回路供电方式，对工具电极进行独立供电。

本发明的有益效果在于：（1）本发明机床电源系统中的控制电路，可根据不同加工方式，进行不同电源波形的任意切换，满足了各类工序的供电需求；（2）本发明机床采用多回路供电的方式，对群孔加工时多根电极进行分回路单独控制，对具有大量孔结构工件进行加工时能极大的提高加工效率，同时避免了因放电集中而产生的单孔加工过大、加工不均匀现象，有效的保证加工的稳定性，提高群孔加工精度和表面质量；（3）本发明机床实现单/群孔的高速、高效数控加工，且机构简单、制造成本低、应用范围广泛。

为了满足加工过程中不同波形的电源要求，所述电源系统输出的电源波形为脉冲波形、直流波形及混合波形或为高低压复合电源波形，并可根据复合加工需要进行参数的调节。

本发明中，所述阴极系统包括电极夹持装置、工具电极、导向装置，所述工具电极的一端被电极夹持装置夹持，另一端穿过导向装置。

为进一步提高机床的加工效率，所述阴极系统包括由多个电极夹持装置、多根工具电极、分流腔、多工位夹持支座组成的多工位夹持导向系统。

为了改善微小孔加工时小间隙冲液困难问题，提高工作液在小间隙中的流速，加速产物从加工间隙中流出，所述工具电极外壁采用开槽或者螺纹结构。

为了夹持不同数量的工具电极，以满足单/群孔加工需要，所述电极夹持装置可夹持单个或者多个工具电极，也可以为组合式夹持装置；为了实现复杂异型孔的加工，所述组合式夹持装置可夹持多根工具电极组成的具有不同形状的电极单元。

为适应不同空间结构和复杂曲面的加工，避免产生加工干涉，所述导向装置为短粗形或细长形，其截面为圆形、方形及其他形状。

本发明中，所述工作液循环系统为：净液槽中工作液通过电磁换向阀控制，分别从工具电极内部流入加工区域，形成工具电极内冲液、从导流装置沿工具电极外壁流入加工区域，实现工具电极外冲液；加工后所产生的废液经排液管从工作槽流至浊液槽，再经过滤后排到净液槽中，从而实现废液的净化及工作液的再循环。采用内外冲液的方式，实现了同一工位处管电极内外同时冲液，分别满足电火花加工和电解加工对工作液的要求，实现了同一工位的电火花-电解复合加工，提高了加工效率，保证了加工质量。同时可实现工作液的重复利用，降低了加工成本，减少了环境污染。

为实现X、Y、Z、W、S、B、C七轴联动数控加工，所述机床本体中X向平台、Y向平台、工作台依次安装在机床底座上，工作台沿X轴、Y轴方向上的移动；工作台与X向平台间安装有回转平台，控制工作台在C轴方向上的转动；机床主轴沿Z轴方向上下运动，转盘安装于机床主轴上，沿B轴方向上的转动；电极进给装置安装在微动平台上，实现W轴方向上的微进给，电极进给装置自身可实现工具电极的旋转及S轴方向上的加工进给。

为实现X、Y、Z、W、S、A、B、C八轴联动及小工件数控加工，所述机床本体中X向平台、Y向平台依次安装在机床底座上，工作台安装在X向平台上，工作台可沿X轴、Y轴方向的移动；A轴回转主轴安装在工作台上，A轴回转平台安装在A轴回转主轴上，C轴回转主轴安装A轴回转平台上、C轴回转平台安装在C轴回转主轴上，实现工作台沿A轴、C轴方向上的移动；机床主轴沿Z轴方向上下运动，转盘安装于机床主轴上，沿B轴方向上的转动；电极进给装置安装在微动平台上，实现W轴方向上的微进给，电极进给装置自身可实现工具电极的旋转及S轴方向上的加工进给。

附图说明

图1是本发明复杂曲面无再铸层单/群孔多工位电火花-电解加工机床原理图。

图2是电源系统示意图。

图3是多工位夹持导向系统示意图。

图4是导向装置示意图。

图5是工作液循环系统示意图。

图6是冲液装置示意图。

图7是七轴数控加工机床主视图。

图8是七轴数控加工机床左视图。

图9是八轴数控加工机床主视图。

图10是八轴数控加工机床左视图。

图中标号名称：1-机床床身，2-工作台，3-夹具，4-工件，5-工作槽，6-控制系统，7-电源系统，8-机床主轴，9-压力表，10-调压装置，11-调压装置，12-压力表，13-单向阀，14-电极夹持装置，15-冲液装置支座，16-冲液装置，17-工具电极，18-单向阀，19-截止阀，20-止回阀，21-柱塞式计量泵，22-精过滤器，23-止回阀，24-电磁换向阀，25-单向阀，26-溢流阀，27-净液槽，28-冲液泵，29-过滤器，30-过滤器，31-浊液槽，32-机床底座，33-储液槽，34-X向平台，35-排液管，36-转盘，37-垂直进给平台，38-微动平台，39-供液管，40-电极进给装置，41-回转平台，42-显示系统，43-操作平台，44-控制柜，45-电线，46-C型立柱，47-Y向平台，48-A轴回转主轴，49-A轴回转平台，50-C轴回转平台，51-C轴回转主轴，52-电压检测装置，53-线圈，54-限流电阻，55-晶体管单元，56-密封垫，57-导向装置，58-导流套，59-导流通道，60-冲液密封装置，61-分流腔，62-多工位夹持支座，63-功率放大器，64-二极管，65-电磁开关。

具体实施方式

下面结合附图对作发明作详细介绍说明。

如图1、图4所示，本发明复杂曲面无再铸层单/群孔多工位电火花-电解加工机床包括由机床床身1，工作台2，夹具3，工件4，工作槽5，机床主轴8，电极夹持装置14，冲液装置支座15，工具电极17组成机床本体。由工具电极17、电极夹持装置14、导向装置57组成阴极装置；由冲液装置16，压力表9、12，调压装置10、11，单向阀13、18、25，截止阀19，柱塞式计量泵21，精过滤器22，止回阀20、23，电磁换向阀24，溢流阀26，冲液泵28，过滤器29、30，净液槽27，浊液槽31以及管道组成工作液循环系统，供给加工用的工作液及排出加工产物；对整个机床进行实时控制并提供工作所需电能控制系统6和电源系统7。

上述阴极系统安装在机床本体的主轴8旋转头上，电机通过运动部件驱动阴极系统进行旋转进给，反馈系统将进给信息反馈给控制系统6，控制不同加工阶段间电源的切换，电源系统7根据不同加工工艺需要，输出相应电参数的电源波形，利用工作液循环系统进行工作液的切换控制及对加工产生的废液进行多级过滤，并调节控制工作液的温度、离子浓度、电导率等，实现工作液循环利用，工作液通过冲液装置16，进行工具电极17内、外冲液，实现电火花-电解复合加工。

上述阴极系统可设计有多工位夹持导向系统，可针对多个工件实现同步加工。上述工具电极17可以为普通管电极、螺纹管电极、开槽管电极或由其中任意几种电极组成的具有不同形状的组合电极单元。上述电极夹持装置14可夹持单个或者多个电极头用于单孔或者群孔加工，也可为组合式夹持装置，用于组合电极单元的夹持。该机床可实现单/群孔的高速、高效数控加工，提高了加工效率，保证了加工质量，且机构简单、成本低、应用范围广泛。

图2电源系统示意图中，电源系统主要包括控制电路和输出电路组成，其中控制电路主要包括电源7、电压检测装置52、线圈53、功率放大器63、二极管64、电磁开关65组成，电源7可由直流电源与脉冲电源组成，也可由两种或多种不同波形的电源构成，不同电源7在控制电路的控制下进行切换，电压检测装置52是由电压检测集成电路所构成可检测电源7是否动作，电磁开关65可以控制开关的位置从而根据加工情况控制不同电源间的任意切换，满足各种加工需要。输出电路由限流电阻54，晶体管单元55组成，控制电路输出的电源信号，经过限流电阻54和晶体管单元55，施加到工具电极17与工件4。

上述电源系统7中的控制电路可根据加工方式的不同，控制不同电源波形的实时切换，输出不同的电源波形，即可为脉冲波形、直流波形及混合波形，也可为高低压复合电源波形，并可根据复合加工需要进行参数的调节，以满足不同加工需求。电源系统7可以采用单回路或多回路方式进行供电，采用多回路方式供电对群孔电火花-电解复合加工所需多根电极分别进行独立供电时，在提高加工效率的同时，实现单群孔电火花-电解复合加工，还可避免群孔加工时因放电集中而产生的个别孔口孔径过大、加工不均匀现象提高群孔的加工质量。因此，利用该装置可对具有大量孔结构工件进行加工，特别是针对航空发动机气膜冷却孔进行群孔加工，能极大的提高加工效率，有效的保证加工的稳定性，提高加工精度和表面质量。

图3多工位夹持导向系统示意图中，电极夹持装置14夹持工具电极17深入分流腔61内，冲液装置16安装在电火花-电解复合加工机床的多工位夹持支座62上，工具电极17另一端穿过冲液装置16进入加工区域，形成单个电火花-电解复合加工装置，多个相同的装置按一定的空间规律分布形成多工位电火花-电解复合加工系统，利用该系统可通过多个工具电极对多个工件进行多工位同步加工，极大的提高加工效率。

图4为导向装置示意图及其截面剖视图。导向装置57可为短粗形，也可为细长形，其截面即可为圆柱形，也可为方形，以适应不同空间结构和复杂曲面的加工，避免产生加工干涉。

图5所示工作液循环系统示意图中，冲液泵28经过滤器29从净液槽27中吸取工作液，为整个加工区域提供所需工作液。工作液从冲液泵28中排出后经过单向阀25进入电磁换向阀24中，当电磁换向阀24处于中位关闭时，工作液经溢流阀26回流至净液槽27中；当电磁换向阀24处于右位时，工作液经调压装置10从工具电极17内部流入加工区域，形成工具电极17内冲液，主要用于电火花加工；当电磁换向阀24处于左位时，工作液经调压装置11后分流至两条管路，然后分别经单向阀13和18从对称导流通道58沿工具电极17外壁流入加工区域，实现工具电极17外冲液，主要用于对电火花加工后的孔壁面进行电解蚀除。加工后所产生的废液从工作槽5经截止阀19流至浊液槽31中，浊液槽31中集中回收的废液在柱塞式计量泵21的作用下分别经粗过滤30和精过滤32排除至净液槽27中，从而实现废液的净化及工作液的再循环，工作液在调压装置10、11作用下，可实现工作液的高低压交替冲液。此外，采用电磁换向阀24，实现了工作液间歇性冲液，且冲液泵28采用脉冲泵，实现工作液的脉冲式冲液。内外冲液的工作液循环系统，实现了同一工位处工具电极17内外同时冲液，分别满足电火花加工和电解加工对工作液的要求，实现了同一工位的电火花-电解复合加工，提高了加工效率，保证了加工质量。此外，采用该循环过滤系统，将加工后的废液过滤净化，实现了工作液的循环利用，降低了成本，减小了污染。此外，工作液槽采用防腐材料可实现对具有腐蚀性工作液的循环过滤。

图6所示为冲液装置示意图，冲液装置16固定在机床支座15上，导流套58通过螺纹与导向装置57连接，导流装置包含两个或多个对称倾斜导流通道59，导流装置出口装有冲液密封装置60，保证冲液的密封性，工具电极17依次穿过夹持导向装置57、导流装置、密封装置进入加工区域。冲液装置减小了加工区域工作液的紊流现象，可实现小间隙大流量冲液，保证工作液流场稳定性，提高制孔效果。

通过冲液装置16进行工具电极17内外冲液，满足了电火花和电解加工对工作液的使用要求，外冲液部分采用双、多向对称冲液的方式，将工作液从导流装置的多个对称导流通道59同时冲入，相比于非对称冲液方式，冲液稳定性得到了很大的提高。上述导流通道59可以是水平的，也可以是倾斜向下的，倾斜的角度是可优化选择。

图7所示七轴数控加工机床主视图，机床底座32支撑整个机床的主体部分，X向平台34、Y向平台47、工作台2依次安装在机床底座32上，实现工作台2沿X轴、Y轴方向上的移动，工作台2与X向平台34间还安装有回转平台41，控制工作台2在C轴方向上的转动，工作台2侧边安装有排液管35将加工后的废液排至储液槽33中，同时储液槽33中的液体经过净化经供液管39经工具电极17和冲液装置16流入加工区域，为复合加工提供所需工作液。冲液装置16经夹持底座15与机床主轴8相连，可跟随主轴在竖直方向上自由移动，同时在转盘36的作用下，工具电极可沿B轴方向转动，使其与回转平台41配合，可加工空间任意角度的斜孔。此外，电源及控制系统处于控制柜44中，加工参数及工步安排可通过操作平台43输入到控制系统中，控制整个加工过程，加工中的所有信息及加工结果通过显示系统42进行显示。因此，该机床可实现X、Y、Z、W、S、B、C多轴数控加工，可对复杂空间曲面结构的不同角度斜孔进行加工，能有效的保证定位准确度和加工稳定性，提高加工精度和表面质量。

图8七轴数控加工机床左视图进一步展示了机床竖直方向上的运动，机床主轴8可实现机床沿Z轴方向上下运动，转盘36安装于机床主轴8上，可实现沿B轴方向上0-180^o的转动。电极进给装置40安装在微动平台38上，可实现W方向上的微进给，从而微调工件与冲液装置16之间距离。此外，电极进给装置40自身可实现工具电极的旋转及S方向上的加工进给。

图9所示八轴数控加工机床主视图，区别于七轴数控加床，该机床取消了工作台2下C轴转动系统，而采用在工作台2上安装A轴回转主轴48、A轴回转平台49安装在A轴回转主轴48上、C轴回转主轴51安装在A轴回转平台49上，C轴回转平台50安装C轴回转主轴51上，使工件4可以在A轴、C轴方向上的转动，从而实现机床X、Y、Z、W、S、B、C、A的八轴运动，但由于A轴回转平台49、C轴回转平台50尺寸较小，一般只适用于小工件加工。

图10八轴数控加工机床左视图，主要展示A轴回转主轴48、A轴回转平台49、C轴回转平台50、C轴回转主轴51安装于工作平台2上，工件4放置在C轴回转平台50上，可实现其沿A轴、C轴方向上的转动。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。