离散悬浮阴极电化学加工装置

摘要

本发明公开了一种离散悬浮阴极电化学加工装置，包括与阳极工件相对实现电化学加工的阴极。其中，阴极以浮动连接方式设置于支撑单元，悬浮于阳极上。悬浮是指：阴极的部分重力由阴阳极间电解液的静压力和动压力支撑，另一部分重力由支撑单元支撑。此外，阴极下部以离散方式设置双流道阴极加工凸起部。本发明悬浮式阴极阻断工件定位误差向加工误差传递，通过阴极离散化扩大电化学作用在工件表面的分布范围，同时辅以脉冲电流减小加工间隙，强化阴极精度向工件精度的复映，从而大大提高了加工精度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种电化学加工装置，更具体地说，涉及电化学加工阴极支撑 方式与结构的改进。

背景技术

电化学加工由于具有不受材料硬度和韧性的限制、获得的表面形貌优良、 表面整平效率高等优点，被广泛用于各类金属零件表面加工，但长期以来，电 化学表面加工主要用于改善零件表面粗糙度。随着社会生产发展，在电化学表 面光整加工过程中提高宏观成型精度为实际生产所需要。

根据电化学加工材料去除机理，提高宏观成型精确性的关键是提高去除量 对极间间隙的敏感性，这要求加工间隙在保证加工稳定的条件下，尽可能的小。 目前减小加工间隙的主要手段是在电化学加工中使用脉冲电流。根据公开资料， 目前脉冲电解成型加工，最小极间间隙可达50μm，精密度接近50μm；而脉冲 电化学微细加工，加工间隙可达数百纳米，微细度达微米级，精密度达纳米级。 关于其提高加工精度的机理，普遍认同的解释是：1）脉冲效应改善了流场，减 小了加工间隙；2）脉冲效应具有去极化作用，增强了电解液的非线性特性，强 化了集中蚀除能力。

脉冲效应在改善电解液非线性特性方面，对电化学成型加工和微细电化学 加工没有本质区别，因而，减小加工间隙是电化学成型加工提高精度的关键， 但难点在于：电化学成型加工的电极面积大，电解液流程长，流场条件恶劣； 保证加工间隙的阴极微小进给在微细加工中容易实现，而在宏观成型加工中， 极小间隙条件下阴极进给的调整、控制都是难题。另外阴极结构及形状、阴极 运动方式不仅影响极间间隙，对加工误差的形成规律也有影响。因而，从间隙 形成机理与限制条件方面寻求减小间隙并能稳定加工的手段，掌握影响加工误 差的机理和规律，是充分发挥电化学精密加工潜力的关键。

精密加工阶段的主要误差来源是工件定位误差向加工误差的传递和工件原 始误差的遗传。从传递误差角度，电化学作用的非接触特性可以阻隔机床振动 误差，而阴阳极间隙变化对去除量的反馈影响，又会使机床（工艺系统）运动 误差向工件传递，因此，减小传递误差的关键是阻断机床运动误差通过阴极向 工件传递；从遗传误差角度，常规电化学加工方式的电化学作用范围局限于零 件局部，不能实现阴极精度向工件精度的有效复映，因此减小遗传误差的关键 是扩大电化学作用在工件表面的分布范围并强化阴极精度向工件精度的复映能 力。

发明内容

本发明离散悬浮阴极电化学加工装置，旨在解决现有电化学表面光整加工 技术在提高加工精度能力方面不足的问题。通过阴极支撑方式与结构的改进， 改善电化学光整加工的间隙条件，实现电化学小间隙加工，达到电化学光整加 工过程中提高加工精度的目的。

为了达到上述目的，本发明提供一种离散悬浮阴极脉冲电化学加工装置， 包括与阳极工件相对实现电化学加工的阴极，所述阴极以浮动连接方式设置于 支撑单元，悬浮于所述阳极上。其中浮动连接的意思是指：阴极在xy平面内可 平动；悬浮的意思是指：阴极的部分重力由阴阳极间电解液的静压力和动压力 支撑，另一部分重力由支撑单元支撑；当支撑单元的支撑力为零时，阴极完全 由阴阳极间电解液的静压力和动压力支撑。

优选方式下，所述阴极下部与所述阳极相对的表面以间隔离散方式设置若 干凸台，每一所述凸台的最底面与所述阳极的间隙一致；每一所述凸台设置双 流道，分别连通电解液泵；其中，一个流道的喷口设置于所述凸台的最底面， 另一流道的喷口设置于所述凸台向下倾斜的坡型侧壁或所述凸台底部一侧向下 倾斜的楔形底面处。

最优方式下，所述支撑单元包括垂直所述工件被加工表面y方向移动的第 一滑轨和平行所述工件被加工表面x方向移动的第二滑轨，以及x、y方向分别 设置的拉力调节机构。其中，所述阴极固定于所述第一滑轨上，所述第一滑轨 安装于y方向直线轴承上；所述y方向直线轴承安装于支撑板上；所述支撑板 的背侧设置相互配合的第二滑轨和x方向直线轴承，所述支撑板与x方向直线 轴承固定连接，并由所述x方向直线轴承13支撑；所述第二滑轨连接了固连于 固定机体上的支撑座。所述支撑座由安装所述加工装置的机床固定，由机床保 证支撑座在加工过程中与工件中心轴线相对位置固定。

所述x方向拉力调节机构包括通过螺栓、螺母栓定于所述第二滑轨连接的 滑轨支撑座。所述螺栓的内侧端部连接弹簧，所述弹簧的另一端固连于所述支 撑板或x方向直线轴承上；所述螺母位于所述螺栓的外侧端，并卡接限定于所 述滑轨支撑座。

所述y方向拉力调节机构包括通过螺栓、螺母栓定于所述固定块，所述螺 栓的下侧端部连接弹簧，所述弹簧的另一端固连于所述第一滑轨。所述螺母位 于所述螺栓的上侧端，并卡接限定于所述固定块。所述阴极设置于所述y方向 第一滑轨上。

此外，所述x方向和y方向拉力调节机构还可选用气压弹性装置实现。

优选方式下，所述x方向滑轨机构为上下对称设置的两组，所述y方向滑 轨机构为左右对称设置的两组；所述拉力调节机构为对称设置的两组或多组。

本发明提高精度的技术原理是：回转件电化学复合加工过程中，通过阴极 悬浮，阻断零件定位误差向加工误差传递；采用离散化阴极扩大电化学作用范 围，以阴极精度向阳极精度的复映纠正工件遗传误差；利用电解液液膜支撑阴 极悬浮，实现阴极以小间隙随材料去除向工件表面实时自动进给；阴极离散化 减薄单片阴极厚度，辅以脉冲效应，强化小间隙加工特性，提高精度复映能力。

本发明悬浮式阴极阻断工件定位误差向加工误差传递；通过阴极离散化扩 大电化学作用在工件表面的分布范围，同时引入脉冲电流减小加工间隙，强化 阴极精度向工件精度的复映。其有益效果是：

1)阴极精度向加工精度的复映能力恒定由于阴极在加工过程中无损耗， 对单个零件加工，阴极精度在整个加工过程中能始终保持稳定，对批量加工， 不同零件的加工精度也能趋向一致，有利于提高加工精度的稳定性和一致性。

2)间隙调整简单、工艺系统鲁棒性好离散悬浮式阴极对精度的修正完全 依赖于阴阳极间隙变化形成的阴极自动进给系统，在加工过程中，随阳极材料 去除，间隙有变大的趋势，但是由于阴极是由间隙电解液的动静压浮动支撑的， 动静压与外载平衡能实现阴极向工件实时自动进给，加工过程中不需要间隙的 附加调整环节。

3)增加了电化学加工的可控参量采用离散阴极，单片阴极的厚度h和阴 极离散范围θ可作为两项调节参量，单片阴极厚度h决定电化学作用在工件局 部的分布范围，影响工件波纹度；阴极离散范围θ决定电化学作用在工件的宏 观分布范围，影响工件精度。

附图说明

图1是本发明离散悬浮阴极电化学加工的原理示意图；

图2是离散悬浮阴极电化学加工在平面上的应用状态示意图；

图3是x方向拉力调节机构一种实施例的原理结构示意图；

图4是x、y方向直线轴承和支撑板、滑轨的连接结构示意图；

图5是完全弧形离散悬浮阴极结构的原理示意图；

图6是部分楔形离散悬浮阴极结构的原理示意图；

图7是图5和图6中的A向投影结构示意图；

图8是图5所示完全弧形离散悬浮阴极加工的状态示意图；

图9是图6所示部分楔形离散悬浮阴极加工的状态示意图;

图10是y方向拉力调节机构一种实施例的原理结构示意图;

图11是图1中的B向投影结构示意图；

图12是本发明离散悬浮阴极电化学加工与机械加工复合的原理示意图。

图中：1磨具、2工件、3y方向拉力调节机构、4y方向滑轨、5y方向直 线轴承、6x方向拉力调节机构、7x方向滑轨、8阴极、9滑轨支撑座、10螺母、 11螺栓、12弹簧、13x方向直线轴承、14电解液外流道接管、15支撑板、16 喷口、17电解液流道、18流道阀门、19电解液、20螺母、21螺栓、22弹簧、 23固定块。

具体实施方式

如图1所示的离散悬浮阴极电化学加工方式。此实施例中，阴极悬浮要求 能在工件轴截面内平动，而不能沿工件轴向移动，在任意方向不得转动。拟采 用如图3-4所示的结构实现这一要求。

如图4所示，结合图1说明，阴极8与y方向滑轨4固定连接。y方向滑轨 4可沿图中y方向直线运动。y方向直线轴承5安装于支撑板15上。支撑板后 部安装x方向直线轴承13，使阴极随支撑板由x方向直线轴承13带动沿x方向 直线运动；如图11所示，x方向直线轴承13与x方向滑轨7配合，x方向滑轨 7连接滑轨支撑座9，滑轨支撑座9连接在装置所安装的机床上，由机床保证支 撑座在加工过程中与工件中心轴线相对位置固定。沿x方向和y方向直线运动 的合成可实现阴极在工件轴截面内的平动。

图1中，阴极8与阳极工件2相对实现电化学加工，在阴阳极之间电解液 的动、静压力支撑作用下，阴极在工件表面悬浮，即所采用的阴极为悬浮式阴 极。此处，悬浮的意思是指：阴极的部分重力由阴阳极间电解液的静压力和动 压力支撑，另一部分重力由支撑单元支撑；当支撑单元的支撑力为零时，阴极 完全由阴阳极间电解液的静压力和动压力支撑。

x方向滑轨7和y方向滑轨4上均安装拉力调节机构，以调节阴极系统受力。 具体如图3所示，x方向拉力调节机构6包括通过螺栓11、螺母10栓定于x方 向滑轨7连接的滑轨支撑座9。螺栓11的内侧端部连接弹簧12，弹簧12的另 一端固连于所述支撑板15上；螺母10位于所述螺栓11的外侧端，并卡接限定 所述滑轨支撑座9。如图10所示，y方向拉力调节机构3包括固定于支撑板15 上的固定块23，固定块23在y方向上穿设有螺栓21、螺母20组件。螺栓21 内侧端栓设有弹簧22，弹簧22的另一端固连于第一滑轨4上。图中，螺母20 位于螺栓21的外侧端，并卡接于固定块3上。此外，滑轨上安装的拉力调节机 构也可选用其他结构的弹簧或气压等弹性装置实现。

图2所示离散悬浮阴极电化学加工在平面上的应用方式与上述描述类似， 不同在于加工工件为平面。图1所示实施例的工件为环形筒状结构；图2实施 例，通过电解液静压力实现阴极在被加工平面上的悬浮，形成加工间隙。

此外，所采用的阴极为离散式阴极，即在加工区域内阴极被间隔离散为若 干个分段式阴极。此处，离散的含义是将阴极在加工范围内分段，不是连续的， 无严格尺寸界限。而且，离散阴极的结构设计应保证极间电解液产生动静压和 流场均匀稳定。为满足此要求，设计了如图5~9所示的阴极结构，电解液静压 力由电解液泵提供，采用外流道接管构成双独立供液系统，使极间电解液静压 力可调，通过管路中的节流阀实现压力调节；动压力通过阴极和工件之间的相 对运动产生，阴阳极相对运动使得极间电解液形成液楔而产生一定的承载能力。 为了稳定的产生动压力，拟设计两种阴极工作面：1)完全弧形工作面（如图5， 结合图8所示），阴阳极整个极间间隙保持一致，此时液膜刚性较差，加工时需 要电解液提供静压力配合支撑阴极，加工时的极间压力由电解液泵提供。2)部 分楔形工作面（如图6，结合图9所示），通过阴阳极间的楔形收敛间隙，形成 流体动压支撑，产生稳定的极间动压力。如果间隙均匀一致，间隙之间就不会 形成动压，这是依据流体动压支撑原理的。

加工时，如图9所示，电解液通过图中流道17的左侧流道供液产生静压支 撑力，形成间隙，同时通过右侧流道供液，使得电解液在阴阳极相对运动过程 中形成楔形液膜产生动压支撑力，以稳定极间间隙，可通过左侧流道中电解液 的压力和流量调控间隙大小。阴极形状由被加工表面的最终形状与采用的极间 间隙决定。采用部分楔形阴极时，如图3所示，楔形面产生的偏转力可通过拉 力调节机构调整。以x方向调整为例，如图所示，在支撑板四个位置和滑轨2 之间分别安装可调弹簧，弹簧拉紧力，可由螺栓和螺母调节，在支撑板左右两 个位置采用同样装置可实现y方向调整。阴极上电解液出口采用多孔排列，孔 大小及数目由所加工的零件大小决定，电解液流道的其它设计细节符合目前常 规电化学加工阴极设计规范。

图5~9中，标号16为流道的喷口，标号18为流道阀门，标号19为电解液。

离散悬浮阴极电化学加工还可实现与其它加工方式的复合加工，如图12所 示的离散悬浮阴极电化学机械复合加工，在离散悬浮阴极电化学加工基础上， 通过磨具1和磨具端部设置的弹簧引入机械作用，在电化学加工过程中同时进 行机械摩擦作用，实现复合加工。图1和图12所示加工过程中，工件2按图中 箭头所示方向转动。

以上所述，仅为本发明在回转件和平面电化学加工方面的具体实施方式， 但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明 揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变， 都应涵盖在本发明的保护范围之内。