一种加工电极、电解铣削加工装置及应用其的加工方法

摘要

本发明涉及电解加工技术领域，更具体地，涉及一种加工电极、电解铣削加工装置及应用其的加工方法。一种电解铣削加工装置，包括可沿XYZ方向运动的移动装置、安装在所述移动装置上的中空主轴电机、电源以及加工电极，中空的加工电极固定安装在中空主轴电机上，中空主轴电机控制加工电极旋转，通过空心结构对加工工件喷射电解液，通电以后，待加工工件的壁面发生电化学溶解，加工间隙在加工电极旋转作用下发生交变变化，周期性变化的加工间隙驱动交变加工间隙内电解液轴向流速和流量随之发生周期性变化，使加工间隙内任意一点的流场沿轴向脉动性变化，增强工件发生阳极电化学溶解时加工间隙的轴向传质过程，使加工产物迅速排出加工区，保证铣削过程高效、稳定进行。

说明书

技术领域

本发明涉及电解加工技术领域，更具体地，涉及一种加工电极、电解铣削加工装置及应用其的加工方法。

背景技术

深窄槽等复杂型腔结构作为在航空航天等领域有应用广泛的复杂结构件，发挥着重要作用。因为航空航天等领域多采用高温合金、钛合金等难以切削的材料，给加工带来了很大的挑战。

电解加工属于特种加工技术之一，其利用金属离子溶解的方式去除材料，具有加工效率高、加工无热应力、电极无损耗以及与材料强度、硬度无关等优点，在难加工金属材料加工方面扮演着重要的角色。

管电极电解加工加工作为电解加工技术的重要组成部分，其采用加工电极进行内喷式轴向供液，之后电解液大转角进入管电极侧壁与待加工壁面形成的加工间隙，并利用管电极侧壁提供电场进行深窄槽等复杂型腔结构的电解加工成型。但目前电解加工工具电极通常采用圆截面管电极，电解加工过程中加工间隙小，液流阻力大，给电解液更新以及加工副产物的排出造成了很大的困难，从而导致电解加工效率低且过程稳定性差。若能通过一定的技术手段增强加工间隙内的传质过程，对推动管电极电解加工技术的发展、提升难加工材料复杂型腔结构的加工能力具有重要意义。

在公开号为CN111468726A的中国专利中，公开了一种基于选区激光熔化与电解加工的孔道构件制造方法，该方法将选区激光熔化技术与电解加工技术相结合，对孔道进行加工，但该技术方案存在加工废料无法快速排出的问题，加工废料堆积可能会造成加工孔道磨损和损坏加工设备的情况。

发明内容

本发明为克服上述现有技术中，电解加工中的加工电极通常采用圆截面管电极，电解加工过程中加工间隙小，液流阻力大，给电解液更新以及加工副产物的排出造成了很大的困难，从而导致电解加工效率低且过程稳定性差的问题，提出一种加工电极。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种加工电极，包括中空结构的电极本体，所述电极本体包括相互连接的夹持段和加工段，所述加工段的横截面为非圆截面。

在本技术方案中，加工电极安装在电解铣削加工装置上，加工电极连接电源的负极，待加工工件连接电源的正极，外接的电解液通过中空结构的电极本体注入，在电化学作用下，待加工壁面发生电化学溶解，横截面为非圆形的加工段在电解铣削加工时，加工段的外壁面与待加工壁面形成大小不同的加工间隙，加工间隙在旋转的加工电极作用下会发生交变变化形成周期性变化的加工间隙，电解液通过中空结构的电极本体从加工段的底端沿轴向喷射，之后电解液不仅向液流阻力小的已加工区域流动，而且喷出后的电解液能够绕过加工电极端面进入到加工段的外壁面与待加工壁面形成的交变加工间隙，并且沿轴向流出。在电解液入口压力恒定的情况下，周期性变化的加工间隙驱动交变加工间隙内的电解液轴向流速和流量随之发生周期性变化，使加工间隙内任意一点的流场沿轴向脉动性变化，从而利用脉动流场紊动能量大和扰动性强的特点强化轴向冲液效果，增强工件发生阳极电化学溶解时加工间隙的轴向传质过程，利用上述产生的脉动流场使加工产物迅速排出加工区，从而保证铣削过程高效、稳定进行。

优选地，所述加工段的横截面为多边形。

优选地，所述加工段的横截面为正多边形。在本技术方案中，在电化学作用下，待加工壁面发生电化学溶解，加工间隙在截面为正多边形的加工电极旋转作用下发生交变变化，在电解液入口压力恒定的情况下，周期性变化的加工间隙驱动交变加工间隙内的电解液轴向流速和流量随之发生周期性变化，使加工间隙内任意一点的流场沿轴向均匀脉动性变化，从而利用均匀的脉动流场紊动能量大和扰动性强的特点强化轴向冲液效果，进一步增强所述工件发生阳极电化学溶解时加工间隙的轴向传质过程，利用上述产生的均匀脉动流场使加工产物迅速排出加工区，从而保证铣削过程更高效、更稳定进行，提高了加工精度，同时减少加工过程短路和火花现象。

优选地，所述夹持段的横截面为圆形。

本发明另一方面提供一种电解铣削加工装置，包括可沿XYZ方向运动的移动装置、安装在所述移动装置上的中空主轴电机、电源以及如上所述的加工电极，所述中空主轴电机上安装有主轴，所述主轴内设有用于加电解液的空心结构，所述加工电极安装在主轴上并与空心结构的一端相连通，所述空心结构的另一端与加液泵通过管道连接，所述电源的正极用于与待加工工件相连，所述电源的负极与所述加工电极相连接。

在本技术方案中，移动装置带动中空主轴电机可以沿XYZ方向移动，从而使得加工电极能够对待加工工件进行加工，加工电极连接电源的负极，待加工工件连接电源的正极，电解液通过加液泵、主轴注入电极本体中并从加工段的一端喷出，在电化学作用下，待加工工件的壁面发生电化学溶解，横截面为非圆形的加工段在电解铣削加工时，加工段的外壁面与待加工工件的壁面形成大小不同的加工间隙，加工间隙在旋转的加工电极作用下会发生交变变化形成周期性变化的加工间隙，电解液通过中空结构的电极本体从加工段的底端沿轴向喷射，之后电解液不仅向液流阻力小的已加工区域流动，而且喷出后的电解液能够绕过加工电极端面进入到加工段的外壁面与待加工壁面形成的交变加工间隙，并且沿轴向流出。在电解液入口压力恒定的情况下，周期性变化的加工间隙驱动交变加工间隙内的电解液轴向流速和流量随之发生周期性变化，使加工间隙内任意一点的流场沿轴向脉动性变化，从而利用脉动流场紊动能量大和扰动性强的特点强化轴向冲液效果，增强工件发生阳极电化学溶解时加工间隙的轴向传质过程，利用上述产生的脉动流场使加工产物迅速排出加工区，从而保证铣削过程高效、稳定进行。

优选地，所述主轴上设有用于固定所述加工电极的夹头，所述夹头与所述加工电极的夹持段装夹固定。

优选地，所述电源为脉冲电源或直流电源。

本发明另一方面提供一种基于电解铣削加工装置的电解铣削加工方法，包括以下步骤：

S1：将待加工工件固定在中空主轴电机下方并与电源正极相连接；

S2：控制移动装置使得加工电极与待加工工件的待加工面相接近，开启加液泵通过主轴向加工电极输送电解液；接通电源，在电化学作用下，待加工工件的壁面发生电化学溶解，通过主轴电机带动所述加工电极旋转、移动并对所述壁面进行加工。

在本技术方案中，加工电极连接电源的负极，待加工工件连接电源的正极，电解液通过加液泵、主轴注入电极本体中并从加工段的一端喷出，在电化学作用下，待加工壁面发生电化学溶解，横截面为非圆形的加工段在电解铣削加工时，加工段的外壁面与待加工壁面形成大小不同的加工间隙，加工间隙在旋转的加工电极作用下会发生交变变化形成周期性变化的加工间隙，电解液通过中空结构的电极本体从加工段的底端沿轴向喷射，之后电解液不仅向液流阻力小的已加工区域流动，而且喷出后的电解液能够绕过加工电极端面进入到加工段的外壁面与待加工壁面形成的交变加工间隙，并且沿轴向流出。在电解液入口压力恒定的情况下，周期性变化的加工间隙驱动交变加工间隙内的电解液轴向流速和流量随之发生周期性变化，使加工间隙内任意一点的流场沿轴向脉动性变化，从而利用脉动流场紊动能量大和扰动性强的特点强化轴向冲液效果，增强工件发生阳极电化学溶解时加工间隙的轴向传质过程，利用上述产生的脉动流场使加工产物迅速排出加工区，从而保证铣削过程高效、稳定进行，实现对复杂圆形轨迹和复杂直线轨迹等复杂轨迹的电解铣削加工工艺。

优选地，在所述步骤S2中，所述加液泵输送电解液的压力恒定。

优选地，在所述步骤S2中，所述电源为直流电源。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：加工电极在电解铣削加工时，加工电极连接电源的负极，待加工工件连接电源的正极，外接的电解液通过中空结构的电极本体注入，在电化学作用下，待加工壁面发生电化学溶解，横截面为非圆形的加工段在电解铣削加工时，加工段的外壁面与待加工壁面形成大小不同的加工间隙，加工间隙在旋转的加工电极作用下会发生交变变化形成周期性变化的加工间隙，电解液通过中空结构的电极本体从加工段的底端沿轴向喷射，之后电解液不仅向液流阻力小的已加工区域流动，而且喷出后的电解液能够绕过加工电极端面进入到加工段的外壁面与待加工壁面形成的交变加工间隙，并且沿轴向流出。在电解液入口压力恒定的情况下，周期性变化的加工间隙驱动交变加工间隙内的电解液轴向流速和流量随之发生周期性变化，使加工间隙内任意一点的流场沿轴向脉动性变化，从而利用脉动流场紊动能量大和扰动性强的特点强化轴向冲液效果，增强工件发生阳极电化学溶解时加工间隙的轴向传质过程，利用上述产生的脉动流场使加工产物迅速排出加工区，从而保证铣削过程高效、稳定进行。

附图说明

图1是本发明电解铣削加工装置的整体结构示意图；

图2是本发明加工电极的加工段与待加工工件之间的加工间隙变化示意图；

图3为本发明加工电极的结构示意图；

图4为图3加工电极的夹持段B-B截面的剖切示意图；

图5为图3加工电极的加工段C-C截面的剖切示意图；

图6为本发明加工电极电解铣削复杂圆形轨迹加工示例图；

图7为本发明加工电极电解铣削复杂直线轨迹加工示例图。

附图标记说明：

1-电极本体，11-夹持段，12-加工段，2-中空主轴电机，21-主轴，22-夹头，3-电源，4-待加工工件。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”“长”“短”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体描述：

实施例1

如图3至图5所示，一种加工电极，包括中空结构的电极本体1，电极本体1包括相互连接的夹持段11和加工段12，加工段12的横截面为非圆截面。

在本实施例中，加工电极1安装在电解铣削加工装置上，加工电极1连接电源3的负极，待加工工件4连接电源3的正极，外接的电解液通过中空结构的电极本体1注入，在电化学作用下，待加工壁面发生电化学溶解，横截面为非圆形的加工段12在电解铣削加工时，加工段12的外壁面与待加工壁面形成大小不同的加工间隙，加工间隙在旋转的加工电极1作用下会发生交变变化形成周期性变化的加工间隙，电解液通过中空结构的电极本体1从加工段12的底端沿轴向喷射，之后电解液不仅向液流阻力小的已加工区域流动，而且喷出后的电解液能够绕过加工电极1端面进入到加工段12的外壁面与待加工壁面形成的交变加工间隙，并且沿轴向流出。在电解液入口压力恒定的情况下，周期性变化的加工间隙驱动交变加工间隙内的电解液轴向流速和流量随之发生周期性变化，使加工间隙内任意一点的流场沿轴向脉动性变化，从而利用脉动流场紊动能量大和扰动性强的特点强化轴向冲液效果，增强工件发生阳极电化学溶解时加工间隙的轴向传质过程，利用上述产生的脉动流场使加工产物迅速排出加工区，从而保证铣削过程高效、稳定进行。

其中，加工段12的横截面为多边形。

另外，加工段12的横截面为正多边形。在本实施例中，在电化学作用下，待加工壁面发生电化学溶解，加工间隙在截面为正多边形的加工电极1旋转作用下发生交变变化，在电解液入口压力恒定的情况下，周期性变化的加工间隙驱动交变加工间隙内的电解液轴向流速和流量随之发生周期性变化，使加工间隙内任意一点的流场沿轴向均匀脉动性变化，从而利用均匀的脉动流场紊动能量大和扰动性强的特点强化轴向冲液效果，进一步增强工件发生阳极电化学溶解时加工间隙的轴向传质过程，利用上述产生的均匀脉动流场使加工产物迅速排出加工区，从而保证铣削过程更高效、更稳定进行，提高了加工精度，同时减少加工过程短路和火花现象。

其中，夹持段11的横截面为圆形。

实施例2

如图1至图5所示，一种电解铣削加工装置，包括可沿XYZ方向运动的移动装置、安装在移动装置上的中空主轴21电机2、电源3以及上述的加工电极1，中空主轴21电机2上安装有主轴21，主轴21内设有用于加电解液的空心结构，加工电极1安装在主轴21上并与空心结构的一端相连通，空心结构的另一端与加液泵通过管道连接，电源3的正极用于与待加工工件4相连，电源3的负极与加工电极1相连接。

在本实施例中，移动装置可以为移动机械臂，也可以为其它可以沿XYZ方向移动的装置。移动装置带动中空主轴21电机2可以沿XYZ方向移动，从而使得加工电极1能够对加工工件进行加工，加工电极1连接电源3的负极，待加工工件4连接电源3的正极，电解液通过加液泵、主轴21注入电极本体1中并从加工段12的一端喷出，在电化学作用下，待加工壁面发生电化学溶解，横截面为非圆形的加工段12在电解铣削加工时，加工段12的外壁面与待加工壁面形成大小不同的加工间隙，加工间隙在旋转的加工电极1作用下会发生交变变化形成周期性变化的加工间隙，电解液通过中空结构的电极本体1从加工段12的底端沿轴向喷射，之后电解液不仅向液流阻力小的已加工区域流动，而且喷出后的电解液能够绕过加工电极1端面进入到加工段12的外壁面与待加工壁面形成的交变加工间隙，并且沿轴向流出。在电解液入口压力恒定的情况下，周期性变化的加工间隙驱动交变加工间隙内的电解液轴向流速和流量随之发生周期性变化，使加工间隙内任意一点的流场沿轴向脉动性变化，从而利用脉动流场紊动能量大和扰动性强的特点强化轴向冲液效果，增强工件发生阳极电化学溶解时加工间隙的轴向传质过程，利用上述产生的脉动流场使加工产物迅速排出加工区，从而保证铣削过程高效、稳定进行。

其中，主轴21上设有用于固定加工电极的夹头22，夹头22与加工电极的夹持段11装夹固定。

其中，电源3为脉冲电源或直流电源。

实施例3

一种基于上述电解铣削加工装置的电解铣削加工方法，包括以下步骤：

S1：将待加工工件固定在中空主轴21电机2下方并与电源3正极相连接；

S2：控制移动装置使得加工电极与待加工工件的待加工面相接近，开启加液泵通过主轴21向加工电极输送电解液；接通电源3，在电化学作用下，待加工工件4的壁面发生电化学溶解，通过主轴21电机控制加工电极旋转、移动并对壁面进行加工。

在本实施例中，加工电极连接电源3的负极，待加工工件4连接电源3的正极，电解液通过加液泵、主轴21注入电极本体1中并从加工段12的一端喷出，在电化学作用下，待加工壁面发生电化学溶解，横截面为非圆形的加工段12在电解铣削加工时，加工段12的外壁面与待加工壁面形成大小不同的加工间隙，加工间隙在旋转的加工电极作用下会发生交变变化形成周期性变化的加工间隙，电解液通过中空结构的电极本体1从加工段12的底端沿轴向喷射，之后电解液不仅向液流阻力小的已加工区域流动，而且喷出后的电解液能够绕过加工电极端面进入到加工段12的外壁面与待加工壁面形成的交变加工间隙，并且沿轴向流出。在电解液入口压力恒定的情况下，周期性变化的加工间隙驱动交变加工间隙内的电解液轴向流速和流量随之发生周期性变化，使加工间隙内任意一点的流场沿轴向脉动性变化，从而利用脉动流场紊动能量大和扰动性强的特点强化轴向冲液效果，增强工件发生阳极电化学溶解时加工间隙的轴向传质过程，利用上述产生的脉动流场使加工产物迅速排出加工区，从而保证铣削过程高效、稳定进行，实现对复杂圆形轨迹和复杂直线轨迹等复杂轨迹的电解铣削加工工艺。

其中，在步骤S2中，加液泵输送电解液的压力恒定。

另外，在步骤S2中，电源3为直流电源。

如图6所示，利用本实施例3的铣削加工方法，电解铣削复杂圆形轨迹的加工示例图。如图7所示，利用本实施例3的铣削加工方法，电解铣削复杂直线轨迹的加工示例图。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。