可控电解珩磨工艺

摘要

一种以控制电解电场方法控制被加工件形状与精度的精密电解珩磨方法。本方法可作为工艺系统中控制加工执行手段，响应频率高，控制精度达微米级，加工光洁度达8～12以上。;本工艺的加工装备除机械驱动部分外，包括阴极、珩具、电解液系统、电场控制器、可控电源、地址信号发生器等主要部分。;可根据工件要求的形状或误差控制加工，亦可用实时测量法或就地测量法进行控制。

说明书

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精密加工工艺，一种以控制电解电场方法控制被加工工件形状与精度的并可作为工艺系统中控制加工执行手段的精密电解珩磨方法。

在现有技术中，电解珩磨工艺主要用作光整加工，即以提高表面光洁度为主，另外也用于在珩磨中提高生产率，即先以电解珩磨方法快速去除大部分加工余量，然后断电，再以机械珩磨精珩到要求的尺寸精度。

另外，在现有技术中常用的控制加工执行手段为切削与磨削。这些手段切削力大，切削过程中工件、刀具及工艺系统变形大，刀具磨损大，切削热大，薄层切削困难，加工表面破坏层深，都直接影响加工精度与表面质量。再者刀具系统惯量大，作为控制加执行手段，响应频率很低，往往不能适应工艺系统的需要。例如以实时测量控制法精加工圆轴外圆或箱体内孔时，以圆度测量信号来控制被加工工件的圆度就会因为圆度测量信号变化过快以致加工工具无法跟随。这正是用机械方法作为控制加工执行手段时难以克服的困难。

本发明的目的是以控制电解电场为手段，将电解珩磨开拓成可作为工艺系统中控制加工执行手段的精加工方法。

本发明的构思是利用电解珩磨方法具有加工各种钢材及其他难加工金属材料的能力以及电解电场易于控制的特点，在加工过程中，根据需要不断地改变电解电场的位置与强度来控制加工去除，以使工件得到需要的几何形状与精度和提高表面光洁度。

根据法拉第定理：

V₀＝ηωIt＝ηωQ

V₀-体积去除量（厘米³）

ω-体积电化学当量（厘米³/库仑）

I-电流强度（安培）

t-电解加工时间（秒）

Q-电解电量（库仑）

η-电流效率

在电解过程中，金属去除量与在该处施加的电解电量成正比。因此控制施加在工件表面各处的电解电量的大小，即可控制工件表面各处的去除量。电解电量的控制是通过对电解电压的控制来达到的。

对电场的控制可分为以下三种情况：

1.根据工件已有误差大小，作去除误差控制。

2.为使工件达到特定的几何形状，按理论轮廓数据控制。

3.就地测量控制与实时测量控制。

实现本发明的工艺装置包含以下几个主要部分：

（一）可在工件被加工表面上全面扫描的阴极（7）（41）（53）。阴极与工件表面始终保持一定的电解间隙（0.1-0.6毫米）。

（二）电解液供给系统，在电解间隙处供应充足的电解液，以便进行电解加工。电解液采用钝性电解液，根据需要也可在电解液中添加光亮剂。

（三）可在工件被加工表面上扫描的珩具〔珩石（19）（52）或珩轮（26）〕，它能珩磨整个被加工表面，用以刮除电解时产生的钝化膜，起机械活化作用。珩具对工件的压力可以调整以控制机械活化强度。珩具的位置要与阴极相配合，使珩过的表面能恰好进入电解区。

（四）地址信号发生器（14）（29）（33）（50），它可发出阴极扫描在工件表面上的座标位置信号。

（五）电场控制器（16）（37）（57），它可按阴极扫描地址与加工要求控制可控电源（15）（36）（58）的输入电压，并通过可控电源控制电解电场的强度，以控制加工。电场控制器可使用微型计算机，亦可用硬件制成功能相当的专用控制器。

（六）可控电源它是输出电压由输入电压控制的线性大功率直流电源，用来提供电解电流。

上述各部分有机结合起来构成完整的可控电解珩磨工艺系统。在进行可控电解珩磨时，工件与阴极作相对运动使阴极能扫描整个被加工表面。阴极与工件间保持电解间隙，在电解间隙处喷以电解液。工件接可控电源正极，阴极接可控电源负极，由可控电源提供电解电流即可对工件表面进行电解去除。可控电源的输入端接电场控制器的输出端，由电场控制器控制可控电源的输出。地址信号发生器根据阴极相对于工件的位置发出地址信号，加工前根据测量所得的工件误差或根据工件应加工成的形状，确定工件表面各地址处的金属去除量，将去除量数据予先存入电场控制器中。电场控制器接到地址信号发生器发来的地址信号后即将该地址予存的数据取出，以电压形式输出到可控电源的输入端;也可以用实时测量法或就地测量法边进行测量（或边进行计算）边将结果转换成电压形式输出到可控电源的输入端，以控制可控电源的输出电压，从而达到在工件表面上控制金属去除量的目的。电解电压在0-25V比较合适。与此同时，珩具（珩石或珩轮）也在工件表面上扫描，并使珩过的表面恰好进入电解区，珩磨与电解交替进行。珩具可刮除电解时产生的钝化膜，起机械活化作用，以保证较高的电解效率、避免不规则腐蚀及改善被加工表面的光洁度。机械活化的强度应调整得恰好将钝化膜刮除而又不对工件的金属产生机械去除作用。阴极对工件表面的扫描及保持间隙的方法因工件形状而异。当工件形状为圆柱面时，工件转动，阴极相对于工件作纵向往复运动。当工件为平面时，需纵向及横向往复运动或平面螺旋运动。当工件为非圆形柱面或非直线回转面时，可利用仿形装置对靠模作仿形运动来实现也可以用两座标（极座标或直角座标）的数控装置来实现。当工件为复杂曲面时，可用三维仿形装置及三座标或多座标数控装置来实现。

本发明的效果：采用本发明的工艺，可以在工件表面上进行可控去除，以去除工件表面上的误差或将工件表面加工成要求的形状。加工精度达微米级，表面光洁度达₈～₁₂以上。可将本工艺作为一般精加工手段，又可将它作为控制加工执行手段。由于本发明是以电解珩磨法去除金属，用电解电压来控制加工去除量。因此它具有反应速度快（响应频率达10千赫以上）既可大量去除金属又可微量去除金属的特点，易于用各种办法在加工过程中进行控制，并可达到微米级的控制精度及极高的表面质量。作为控制加工执行手段具有其他加工方法无法相比的优点。

采用本发明的工艺方法可以精加工平面、各种回转面及复杂曲面。如精加工平板、直导轨、圆轴、缸孔、修形轧辊、齿轮齿面，凸轮、气轮机叶片等等。

附图说明：

附图1是用可控电解珩磨方法精加工修形轧辊的工艺装备简图。

附图2是加工修形轧辊时所需施加的电解电量的示意图。

附图3是用可控电解珩磨方法精加工大模数齿轮时的加工装备简图。

附图4是可控电解珩磨大模数齿轮用的阴极的结构简图。

附图5是可控电解珩磨大模数齿轮在纠正齿形误差及进行齿廓修形时所需施加的电解电量的示意图。

附图6是可控电解珩磨大模数齿轮在进行齿向修凸时所需施加的电解电量的示意图。

附图7是在仿形机床上实时测量控制电解珩磨凸轮的加工装备简图。

下面给出本发明的最佳实施例，并结合附图加以说明。

下面是本发明的第一个最佳实施例，通过对该最佳实施例的描述，给出本发明的一些细节。该最佳实施例是按理论轮廓用可控电解珩磨方法精加工修形轧辊。

加工设备可制成专用的，也可用普通车床改装。附图1所示的是用车床改装的加工装备简图。修形轧辊电解珩磨前的预备工序是精磨，用轧辊磨床或外圆磨床将轧辊表面磨成圆柱形。然后用可控电解珩磨方法对轧辊进行修形加工并最终使轧辊达到要求的形状、精度与光洁度。

图1中（1）为车床头架，（9）为尾架，（6）为工件（轧辊）。工件支持在绝缘顶尖（8）与（11）中间，车床主轴（2）上装有集流环（3）。集流环与主轴间是绝缘的。工件上装有卡子（5），主轴转动时，通过集流环上的拨杆（4）拨动卡子（5）带动工件回转。集流环经电刷（10）接可控电源（15）的正极，集流环又用导线与卡子相连以使可控电源的正极与工件相通。刀架（12）上装有阴极（7），阴极与刀架间是绝缘的。调整刀架，使阴极与工件间保持电解间隙δ，加工时刀架沿床身（13）做纵向往复运动，以使阴极能纵向扫描工件的整个表面。阴极接可控电源负极。电解液通过电解液喷嘴（20）喷在电解间隙处。接通电源，即可进行电解。珩石（19）受弹簧（18）压力压在工件表面上。调整手扭螺钉（17）可调整珩石压力。在刀架上还装有地址信号发生器（14），它是直线位移脉冲发生器。当刀架纵向运动时，它可以及时给出阴极纵向扫描在工件表面上的地址信号。电场控制器（16）根据地址信号及该地址处的修形量来控制可控电源，从而控制施加在该位置上的电解电量。

加工时施加的电量如附图2所示。

图2（a）是修形轧辊轮廓的示意图，图中（21）是修形前的工件轮廓，（22）是修形后的工件轮廓。图2（b）为修形曲线，图2（c）为施加的修形电量。根据法拉第定理得知，施加在工件表面各处的电量应与各处的修形高度成正比。

实际加工时采用的电量如图2（d）所示，它由修形电量（23）与光整电量（24）所组成。光整电量的作用是去除上道工序遗留下来的表面缺陷层及光整工件表面，以提高表面质量及光洁度。

加工前按地址将确定的修形电量与光整电量数据予存在电场控制器中。在加工时按地址信号提取该地址的电量数据，并以电压形式去控制可控电源输出。

加工时，电解间隙δ取0.25～0.45毫米为好，电解液采用添加光亮剂的钝性电解液。采用本方法可以获得很高的修形精度，并可使表面光洁度提高到₁₂以上。

本方法适合各种轧辊的修形加工及光整加工，对轧辊的尺寸、重量，修形曲线的形状及修形量的大小以及钢材的牌号、硬度等都没有限制。

下面给出本发明的第二个最佳实施例，用可控电解珩磨法精加工大模数齿轮。

在现有技术中，精加工高精度的大模数硬齿面齿轮，比较困难。精度要求在6～7级（JB179-83）以上时，通常要用磨削方法。而大型齿轮磨床价格昂贵，加工成本高，而且加工范围有限，以致很多齿轮由于模数、尺寸过大，重量过重以及结构原因（如人字齿轮，长轴齿轮等），超过现有齿轮磨床的加工范围而不能加工。

采用可控电解珩磨方法，可以精加工大模数、硬齿面、高精度齿轮。用这种方法，一方面可以在一定精度范围内（达到6～7级，JB179-83）代替磨齿工艺来精加工齿轮，还可进行齿廓修形与齿向修凸;另一方面，可以精加工用已有齿轮磨床无法加工的各种大齿轮，包括模数、尺寸过大，重量过重，以及人字齿轮，长轴齿轮等超过齿轮磨床加工范围的齿轮。

采用本工艺时，以硬齿面精滚作为预备加工，使齿轮大周期误差达到精度要求，再以电解珩磨方法去除齿形误差，以及进行齿廓修形与齿向修凸。

附图3是一种可控电解珩齿加工设备简图。图中（26）为盘状珩轮，（34）为阴极轮，都与工件（被加工齿轮）（28）啮合。工件主动，正反向交替回转，并作轴向进给运动以加工整个齿面。工件通过集流环（27）及电刷（30）接可控电源（36）正极，阴极轮经集流环（32）与电刷（35）接可控电源负极。（31）为电解液喷嘴，在阴极轮与工件啮合处喷以电解液以进行电解。与阴极轮同轴安装有齿廓地址信号发生器（33），它是一个回转脉冲发生器，可给出工件齿面与阴极导电带啮合处的地址信号。电场控制器（37）根据导电带啮合处的地址信号及该点的误差控制可控电源，从而控制施加在该点处的电解电量。齿向信号发生器（直线位移脉冲发生器）（29）可发出阴极轮导电带沿工件齿宽方向的地址信号，用以控制齿向修凸。在珩轮轴上装有阻尼器（25），调节阻尼的大小，可以控制机械活化强度。

可控电解珩磨齿轮的阴极结构见附图4。图4（a）是阴极轮齿的立体图，图4（b）是该齿的剖面图。阴极是齿轮形的，两侧是绝缘材料制成的齿轮，中间夹有金属齿轮。图4中，（38）为绝缘材料轮齿，（39）为金属轮齿，在金属轮齿齿面上制出了导电带（41）。整个金属轮只有齿面上的导电带裸露出金属，其余部分都涂以绝缘层（42）。导电带的表面比绝缘材料轮齿低距离δ，以形成电解间隙。阴极每个齿上导电带的位置与宽度a是不相同的。当阴极与工件啮合时，每个导电带可以覆盖工件齿面上一个固定区域。把工件齿面分成Z段（Z为阴极轮齿数），根据啮合原理，即可求出阴极轮上覆盖每段齿面的导电带的位置与宽度。各导电带的综合在啮合中可以扫描工件的整个齿面。阴极轮取质数齿，电解间隙δ取0.15～0.30毫米。

附图5给出了电解珩齿的施电图。

图5中（a）画出了按转角展平的渐开线齿面。在齿面上有齿形误差。图5（b）画出了齿形误差曲线，它是测量齿形时将齿形误差按比例放大记录下来的。图5（c）是为去除齿形误差所需施加的有效电解电量。因为金属去除量和电解电量成正比，因此控制阴极导电带扫描在齿面各处时施加的有效电量使之与齿形误差成正比，则一定时间后齿形误差即可全部去除。

图5（d）为实际施加的电解电量。它是由有效电量（43）与光整电量（44）组成。图5（e）、（f）分别表示加工后的齿面与齿形误差曲线。

在需要齿廓修形时，可根据修形部位与修形量的大小施以修形电量，如图5（g）中的（45）、这样加工后即可得到修形齿廓，见图5（h）。图5（i）是此齿廓的齿形曲线。

阴极导电带在齿向方向有一定的宽度，为了加工整个齿面，导电带需沿齿向方向做进给运动，图6（a）画出了沿齿向方向上导电带（41）与被加工齿面（46）间的关系。当需要进行齿向修凸时，在电解珩齿过程中，可根据齿向修凸的部位与大小在导电带移动到齿宽的不同地址时，按需要施以修凸电量（47），见附图6。图6（b）为要求的齿向修凸，图6（c）为要求的齿向曲线，图6（d）为沿齿向方向施加的电量，其中（44）为光整电量，（43）为有效电量，（45）为齿廓修形电量，（47）为齿向修凸电量。其中（43）及（45）沿齿廓方向是变动的，而沿齿向方向是常量;（47）沿齿向方向是变动的，而沿齿廓方向是常量;（44）则沿齿向方向及沿齿廓方向都是常量。

加工时使用钝性电解液，电解电压以0～20V为好。施加的电量数据按地址予存在电场控制器中。

本工艺方法精加工能力强，可使齿形精度在精滚的基础上提高1～2级，齿面光洁度达₈以上，并可精确地进行齿廓修形与齿向修凸。加工余量小，仅需齿形误差最大值的1.2～1.5倍即可。

本工艺可用于精加工各种直齿轮、斜齿轮、人字齿轮，对被加工齿轮的齿面硬度，模数、齿数、尺寸、重量以及结构等基本上没有限制。加工设备简单，可以制成专用设备;也可以用普通车床、滚床等改装;还可以在车床或滚床等机床上加装可控电解珩磨附件进行加工，改装简单，操作简便，加工成本低，对机床无腐蚀。

下面给出本发明的第三个最佳实施例，用可控电解珩磨方法实时测量控制精加工凸轮。

附图7给出了在仿形机床上实时测量控制电解珩磨凸轮的加工装备简图。图7中（48）为靠模，（49）为仿形头，（51）为工件（被加工凸轮）。靠模与工件同轴或同步回转。（52）为珩石，珩石以一定压力压在工件表面上并沿工件轴线方向做小幅度往复珩磨运动，以珩磨工件表面。在两块珩石之间，夹有金属阴极（53）。阴极与工件间的电解间隙δ是靠仿形刀架（56）作仿形运动保持的、电解间隙处喷以充足的电解液。阴极中部有一个小孔，线位移传感器（54）的探针由小孔中穿出接触在工件表面上。阴极装在仿形刀架（56）上。仿形头（49）控制仿形刀架（56）使二者做同步运动。仿形刀架上面装有线位移传感器（55），测量刀架的位移。在工件同一轴上还装有角位移传感器（50）作为地址信号发生器，用来测量工件的转角。加工前将凸轮轮廓的理论数据以极座标形式存入电场控制器中，加工时，线位移传感器（54）、（55）与角位移传感器（50）测出的位移信号送入电场控制器（微计算机）（57）中进行运算，将不同转角下被加工凸轮的向径求出，与予存的数据进行比较，然后将差值（误差）信号转化成电压信号去控制可控电源（58）的输出，使可控电源的输出电压与计算所得的误差大小成正比，这样只需将凸轮的理论轮廓数据按转角存入电场控制器中，开动机床，即可将工件加工成理论轮廓的形状。

线位移传感器（54）可用电感测头。线位移传感器（55）可用线感应同步器或直光栅。角位移传感器（50）可用圆感应同步器或圆光栅。

加工时被加工的凸轮在上道工序中要留出加工余量及光整余量。使用钝性电解液，电解电压为0～24V。