用于高速放电加工的叠片式内冲液成型电极

摘要

本发明公开了一种用于高速放电加工的叠片式内冲液成型电极，包括电极叠片组及电极接头，其中电极叠片组由多个电极片叠加并紧固而成，以构成成型电极进行放电加工，电极片表面设有多个通槽，通过叠加电极片从而在成型电极间构建出多个通孔，通孔用于压入工作液以实现加工过程的强迫内冲液，电极接头包括电极叠片接口、工作液入口及机床夹具接口，成型电极通过电极接头与机床主轴夹头连接，并提供进行内冲液时工作液通向叠片电极组中各通孔的通道。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种属于特种加工技术领域的成型电极，具体地说，是用于高速放电加工的叠片式内冲液成型电极。 

背景技术

高速放电加工是利用可传导高达上万安培放电电流的短电弧放电进行高效蚀除工件材料尤其是难切削材料的新型电加工方法。在高速放电加工中电弧既是蚀除工件材料的主要手段，也可能成为引起工件过热从而烧伤的潜在因素。加工过程中必须采取有效手段阻止稳定电弧的形成，使电弧处于扰动状态并在需要时及时切断电弧即实现所谓“断弧”。因此，采用短电弧进行高速放电加工的关键是要有可靠的扰弧、断弧机制。放电加工过程的所利用的电弧属于处于动平衡状态的柔性导体，是由数量大体相等的正离子、电子及中性粒子(原子或分子)组成的等离子体，易受外界影响而变得不稳定甚至消失。电弧这一属性使得可以采用增大阴极放电点与阳极放电点之间的距离或者对放电通道施以足够外力强迫其偏转拉长的方式使其无法维持而实现扰弧、断弧。通过电极相对于工件表面的相对机械运动来实现的断弧方式，可称为机械运动断弧；而通过极间高速流动的工作液所产生的流体动力来实现的扰弧及断弧，我们称之为“流体动力扰/断弧”。 

经过对现有技术的检索发现，当前短电弧放电加工的断弧均是采用机械运动断弧机制实现的。例如潍坊市坊子木工机械厂在专利CN87212711，苏州电加工机床研究所有限公司在专利CN201644967中分别公开了各自的阳极机械切割装置及部分结构。阳极机械切割起源于上世纪40年代，是一种利用电化学、电热和机械力的复合作用切割金属材料的方法。该方法将被切割工件作为阳极，与直流电源正极相连。切割时在切口处供以水玻璃(硅酸钠)电解液。高速旋转的切割工具切向工件。在直流电源的作用下，工件切口表面的金属因电解作用生成氧化膜，并被高速旋转的切割工具不断刮除，被电解液带走。切口表面的某些凸起点与工具之间还伴随着电弧放电，金属被高温熔化、气化而蚀除，也随电解液带走，切割工具便逐渐切入工件内，直至切断。阳极机械切割机床一般有盘式和带式两种。除电解效应外，放电电弧的消除也是通过工具和工件之间的相对运动完成的。叶良才在专利CN87106421A中公开了短电弧放电和机械磨削相结合的加工方法及设备，并在专利CN 1061175A中进一步公开了短电弧电加工设备，这两个专利涉及的是一种称为 “电熔爆加工”的工艺方法，即采用圆盘状实体工具电极旋转运动和短电弧放电相结合实现金属熔融去除的联合加工方法。加工过程中通过圆盘状实体工具电极的旋转，实现工具与工件之间的相对运动，从而对放电电弧进行机械运动断弧，实现高效放电加工。由其原理决定，该方法主要适用于轧辊、磨辊等回转类零件的加工。此外，通用电气公司在专利CN 1693024A中公开的分布式电弧电蚀加工方法，苏州中特机电科技有限公司在专利CN1397399A中公开了采用简单中空长电极进行高效铣削放电加工的方法中，均涉及了一种单孔实体电极多轴运动和短电弧放电相结合的联合加工方法。它们的共同点都是基于电极与工件间的相对运动进行放电电弧的机械运动断弧来实现加工的。采用该方法时，工件的成形加工过程类似于电火花放电铣削加工，采用简单电极通过放电逐层蚀除工件材料来获取三维形状的加工，此类方式可用于加工敞开式曲面的加工。由于这种方法使用的简单电极在加工过程中的损耗较大，需要进行及时补偿，苏州电加工机床研究所有限公司在专利CN101982280A中公开了一种电极损耗补偿方法。 

上述这些公开的短电弧加工方法中采用的工具电极为传统无孔或单孔电极，首先不属于具备三维形状的“成形电极”，无法采用单轴进给“沉入式(Sinking)”加工方式获得具有三维形貌的工件；其次采用的是工件旋转或电极旋转来实现机械运动断弧的方法，工具与工件之间的主要的相对运动(成形运动)是与工件成形表面相切的，这样可以产生机械运动断弧效应，而基于“流体动力扰弧/断弧”的高速放电加工方法，其工具与工件之间的相对主运动(成形运动)是垂直于工件成形表面的，完全依靠高速流动的工作液所产生的流体动力将电弧扰动甚至吹断的。 

本发明人在专利CN 1657208A中公开了一种集束电极，这种电极把整体式成型电极离散化为可由大量管状单元电极聚合而成，可以实现强化多孔内冲液。与上述传统冲液方式不同，这种多孔内冲液方式可使流入极间的工作液流量显著增大，从而可在极间获得具有流体动力扰弧/断弧能力的高速流动的工作液流场。但是这种集束电极仍然存在以下几点不足：1)由于其三维端面是由大量微小单元截面所组成的近似曲面，其与对应的目标三维连续型面之间在理论上就存在一定误差。从而采用集束电极进行放电粗加工时，必须为后续精加工工序保留大于这一理论误差值的加工余量，这会增大零件的后续加工时间和成本。2)这种集束电极是由大量线性的单元电极组成，其冲液孔轴线为直线，无法获得轴线为曲线或具有变截面的冲液孔以对冲液效果进一步优化。3)其夹持方式使得集束电极适合于开敞式型腔的加工，而难以实现具有半封闭空间型腔的工件加工。申请人在专利CN102091839中公开了集束电极高速放电加工方法，该方法利用集束电极实现强化高压、大流量多孔内冲液，运用流体动力扰弧/断弧机制来保证短电弧放电加工。本申请所公开的电极可作为专利CN102091839公开的集束电极高速放电加工方法 的实施电极，实现高速放电加工。 

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种高速放电加工用叠片式内冲液成型电极，这种成型电极不仅可以实现多孔内冲液功能，具备进行高速放电加工的能力；同时还具有电极端面型面为连续曲面的优点，可以避免集束电极离散结构所固有的端面型面精度差的不足；此外其冲液孔轴线可以是曲线，冲液孔截面可以是变截面，用以实现复杂的冲液效果；可以制备用于半封闭空间加工的多孔成型电极并根据需要在电极底面及侧面开冲液孔实现高效冲液。 

本发明是通过以下技术方案实现的，包括：电极叠片组及接头两部分。其中电极叠片组由多个电极片叠加并紧固而成，用于构成成型电极进行放电加工。电极叠片的紧固是通过紧固螺栓或紧固铆钉或收紧螺母完成。接头包括电极叠片接口、工作液入口及机床夹具接口，用于将叠片电极通过接头与机床主轴夹头连接，并提供内冲液时工作液通向叠片电极组中孔系的通道。当使用通用型电极叠片制备叠片电极时，外围不参加放电加工部分的冲液孔可用电极叠片外框、弹性密封环、刚性档环配合封闭以避免工作液大量外流，并采用收紧螺母将弹性密封环和刚性档环与叠片电极组固定。当使用定制型电极叠片制备叠片电极时，不必使用电极叠片外框、弹性密封环和刚性档环及收紧螺母。 

所述的电极片是由导电材料制成。 

所述的电极片其表面设有多个通槽，在电极片叠加之后这些通槽在电极间构建出多个通道，供加工过程中工作液进入以实现加工过程的强迫内冲液。 

所述的通槽其轴线可以是直线或曲线。轴线从接口端开始，至加工端结束。 

所述的通槽其截面形状是以下其中一种：多边形、圆弧及椭圆弧。为冲液需要，沿轴线方向通槽的截面形状和尺寸可改变。 

所述的电极片，除电极叠片接口端外，其余各面最终轮廓指有与目标实体模型逐层离散化后所得局部模型相同的型面。该最终轮廓的形成可在电极片叠加之前分别加工或者叠加后整体加工。 

所述的电极片，上下表面间开有安装孔供紧固螺栓或紧固铆钉通过。 

所述的叠片电极是指一定数量的电极片沿厚度方向按目标实体模型逐层离散化的顺序依次叠加后，通过固定后形成的组合体，具有和目标实体模型相同的轮廓。 

所述的固定组合体，是指采用紧固螺栓或紧固铆钉将多片电极固定而形成的叠片电极主体。紧固螺栓或紧固铆钉和电极片之间有垫片或金属压板间隔，以免电极片直接受力而破坏。 

所述的电极叠片外框为中空环状结构，其内侧轮廓与多孔叠片电极外轮廓相匹 配，其下部有外螺纹用于与收紧螺母连接，且下部有开口用于旋紧。 

所述的弹性密封环为中空环状结构，其内侧轮廓与多孔叠片电极头部加工轮廓相匹配，其外侧轮廓为圆形，以实现对非加工区域多孔的端面密封。 

所述的刚性挡环为中空环状结构，其内侧轮廓与多孔叠片电极头部加工轮廓相匹配，其外侧轮廓为圆形凸台结构，与收紧螺母相接触，用于实现对弹性密封环的挤压。 

所述的收紧螺母的内侧开口端设有阻挡面以实现对刚性挡环的轴向限位，在开口端相对的一侧设有与电极叠片外框相匹配的内螺纹结构以连接电极头。 

所述的电极接头上部或中间部位设有中空冲液孔以便工作液进入，下部设有工作液出口，以实现加工过程中的强迫内冲液。 

所述电极接头的上部设有与机床主轴相匹配的连接接口。 

所述电极接头的下部设有开口，用于连接及夹持固定叠片电极组。连接及夹持方式为螺纹连接，卡箍紧固或法兰连接。 

本发明的有益效果是：叠片电极具有连续端面型面能够具有比集束电极更高的加工精度，其多孔结构可以进行强化高压、大流量内冲液，能够通过流体动力扰弧/断弧机制实现短电弧高速放电加工；通过选择冲液孔的尺寸、形状、个数及其分布，可以灵活地实现具有不同冲液效果的强冲液过程，从而满足具有不同冲刷效果的流体动力扰弧/断弧能力；此外其冲液孔轴线可以是曲线，用以获得用于实现侧面加工或半封闭空间加工的成形电极；通过叠片电极实现的强化内冲液除具有流体动力扰弧/断弧能力外，还提供了以下三个实现其高速放电加工功能所不可缺少的效应：其一，高效去除作用：由于高速流体可以将短电弧放电所熔化的待处理工件表面放电熔池中的液态及气态金属吹离工件表面，避免了大量熔融金属的再次凝固，进而提高材料去除率；其二，高效排屑作用：由于高速流体可以带走高速放电所产生的金属碎屑，避免由于大量金属碎屑滞留于加工间隙造成频繁短路，确保加工持续稳定进行；其三，高效散热作用：短电弧放电产生的大量热量可以被高速流动的工作液通过强化的对流换热带走，避免被处理工件温升所引起的被加工表面退火等金相组织改变，以及热膨胀变形带来的尺寸精度下降等问题。以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。 

附图说明

图1a为根据本发明的高速放电加工的叠片式内冲液成型电极的一个优选实施例的组装示意图。 

图1b为根据本发明的高速放电加工的叠片式内冲液成型电极一个优选实施例的立体示意图。 

图2a为根据本发明的高速放电加工的叠片式内冲液成型电极另一个实施例的一个部分的示意图。 

图2b为为根据本发明的高速放电加工的叠片式内冲液成型电极一个实施例的组装示意图。 

图2c为冲液孔轴线为曲线的多孔叠片电极的立体示意图 

具体实施方式

实施例1： 

如图1a、图1b所示，本实施例包括：电极接头1、电极叠片2、压板3、紧固螺栓4、弹性密封环5、刚性挡环6及收紧螺母7，其中：紧固螺栓4对多层叠加电极片2进行紧固连接，在紧固螺栓4和多层叠加电极片2之间有压板3隔离，电极叠片2加工端依次串联弹性密封环5、刚性挡环6及收紧螺母7。所述收紧螺母7通过与在电极叠片2下部外螺纹旋紧实现对弹性密封环5及对刚性挡环6的顶触及与电极叠片的压紧，电极叠片2的另一端与电极接头1螺纹连接。 

所述的电极叠片2由两种不同尺寸电极片组成，其中一种侧面开槽电极片长100mm、宽60mm、厚2.6mm，两侧分别设有10和11个均匀分布的直径为2mm的半圆通槽；另一种侧面开槽电极片长100mm、宽60mm、厚11.8mm，一侧设有10个均匀分布的直径为2mm的半圆通槽；通过2块单侧开槽电极片与14块两侧开槽电极片沿厚度方向按一定顺序叠加后组成多孔叠片电极头，并在其端面加工出40mm的半球面，中间段上侧设有沿电极叠片厚方向的直径6mm的通孔用于紧固螺栓3固定多孔叠片电极头，在距该螺栓孔轴线上、下7.5mm处分别加工出长为15mm的M50的外螺纹以连接收紧螺母及电极接头，中间段处的方形结构用于扳手对多孔叠片电极头进行旋紧。 

所述的弹性密封环5为中空环状结构，其内、外轮廓直径为40mm和55mm，以实现对处于非加工区域的孔隙进行端面密封。 

所述的刚性挡环6为中空环状结构，其内侧轮廓直径为40mm，其外侧轮廓为圆形凸台结构，凸台大圆直径为55mm、高2mm，小圆直径为50mm、高3mm，用于与收紧螺母相接触，以实现对弹性密封环的挤压。 

所述的收紧螺母7的内侧直径为55mm，在其开口端设有内侧直径为50mm的阻挡面以实现对刚性挡环的轴向限位，在开口端相对的一侧设有M55的内螺纹结构以连接多孔叠片电极头，所述收紧螺母具有边长34mm的外六角形结构，以便于扳手对收紧螺母的旋紧。 

所述的电极接头1的内侧设有直径14mm的中空冲液孔以压入工作液，实现加工过程中的可靠的强迫内冲液，电极接头1的外侧一端设有M50螺纹结构以连接电极叠片2，电极接头1的中间段为边长34mm的外六角结构，便于扳手对电极接头的旋紧，电极接头1的外侧另一端设有与机床主轴相匹配的外径20mm的柱 状接口。 

实施例2： 

如图2a、图2b、图2c所示，本实施例包括：电极接头1、电极叠片2、压板3、紧固螺栓4或紧固铆钉4，其中：紧固螺栓4或紧固铆钉4对多层叠加电极叠片2进行紧固连接，电极叠片2的非加工端与电极接头1螺纹连接。 

所述的电极叠片2由两种不同尺寸电极片组成，其中一种电极片长120mm、宽65mm、厚3.464mm，一侧设有6个均匀分布的直径为2mm的轴线为曲线的半圆通槽，另一侧设有5个均匀分布的直径为2mm的轴线为曲线的半圆通槽；另一种电极片长120mm、宽65mm、厚16.144mm，一侧设有6个直径为2mm的轴线为曲线的半圆通槽；通过2块单侧开槽电极片与8块两侧开槽电极片沿厚度方向按一定顺序叠加后组成多孔叠片电极头，并在其端面加工出目标型面，上端设有M55的内螺纹用于连接电极接头1，中间段上侧设有沿电极片厚度方向的直径6mm的通孔用于紧固螺栓4固定多孔叠片电极头，中间段下侧设有沿电极片厚度方向的直径2mm的通孔8用于紧固铆钉对电极片进行固定，以防电极片过长，其下端由于冲液作用导致密封性下降而漏液。 

所述的电极接头1的内侧设有直径14mm的中空孔以压入工作液，实现加工过程中的强迫内冲液，电极接头1的外侧一端设有M55螺纹结构以连接叠片电极，电极接头的中间段为边长34mm的外六角结构，便于扳手对电极接头的旋紧，电极接头1的外侧另一端设有与机床主轴相匹配的外径20mm的柱状接口。 

尽管此处已经对被认为是本发明的优选和典型的实施例进行了描述，但本领域的技术人员通过此处的教导应该易于理解本发明的其他变形。因此，所希望的是确保在所附技术方案中所有这些变型都落入本发明的真实精神和范围内。如图所示， 

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。