超声辅助放电-电化学-机械复合精加工方法与装置 |
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| 申请号 | CN202311040612.9 | 申请日 | 2023-08-17 | 公开(公告)号 | CN117047209A | 公开(公告)日 | 2023-11-14 |
| 申请人 | 南京航空航天大学; | 发明人 | 苏辉辉; 马曰红; 房晓龙; 曲宁松; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开超声辅助放电‑电化学‑机械复合精加工方法与装置，装置包括 电解 液槽、 超 声波 发生机构、旋转 主轴 和脉冲电源；所述电解液槽内填充有电解液；所述电解液槽内安装有 工件 ；所述 超声波 发生机构安装在所述电解液槽的底部，用于对所述电解液施加超声振动；所述旋转主轴安装在所述电解液槽的上方；所述旋转主轴的输出端安装有 工具 电极 ；所述脉冲电源的正极与所述工件连接，负极与所述工具电极连接；所述脉冲电源电性连接有示波器。本发明将超声加工、电解加工、电火花 放电加工 有机结合，对难加工材料、异形面零件加工具有精密、高效的加工效果，可有效提高颗粒增强金属 复合材料 的加工效率和表面 质量 。 | ||||||
| 权利要求 | 1.超声辅助放电‑电化学‑机械复合精加工装置，其特征在于，包括： |
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| 说明书全文 | 超声辅助放电‑电化学‑机械复合精加工方法与装置技术领域[0001] 本发明涉及电加工技术领域，特别是涉及超声辅助放电‑电化学‑机械复合精加工方法与装置。 背景技术[0002] 颗粒增强金属基复合材料是以碳化物、氮化物、石墨等颗粒增强相，以金属或合金为基体的复合材料统称。颗粒增强金属基复合材料具有低热膨胀系数、高热导率、高比刚度、低密度、良好的尺寸稳定性以及耐磨、耐疲劳等优异的力学性能和物理性能，在航空航天领域应用前景广泛。中国火星车“祝融号”车身承载结构、机械运动机构、探测器结构等几十种零部件采用了多种不同碳化硅含量的SiCp/Al；嫦娥五号月球采样机构关键部件也采 用了SiCp/Al。颗粒增强金属基复合材料的力学性能主要与增强相颗粒的体积分数有关，通常认为颗粒含量越高，材料的耐磨性、尺寸稳定性等性能越优异；但是中高体积分数颗粒增强相使得机械切削加工刀具磨损严重、表面加工质量差、加工效率低甚至无法加工，限制了颗粒增强金属基复合材料在航空航天领域的推广和应用。 [0003] 电火花加工(EDM)、电解加工(ECM)是难加工导电材料、异形面的有效加工方法，超声加工(USM)是加工各类硬脆性材料的有效加工方法，三维打印(3DP)技术是三维曲面原型零件的高效成形方法，激光束(LBM)、电子束(EBM)及离子束(IBM)能对各种各样的材料进行表面处理或精细加工。尽管上述特种加工技术各有各的技术优势，但是都有局限性。比如，超声加工刀具寿命较短且难以在线补偿；电火花表面易产生变质层，降低了加工效率和表 面质量；线切割加工无法对盲孔型腔进行加工；三维打印及激光加工精度有待提升；电子 束、离子束加工应用范围较小且加工成本较高。另外，电火花、电解、超声多用拷贝式成形，异形面电极(或工具)制作工艺复杂，加工形状单一，技术柔性差。 [0004] 针对难加工材料复合加工的研究，结合特种加工技术的技术优势，提出超声辅助放电‑电化学‑机械复合精加工方法与装置。 发明内容[0005] 本发明的目的是提供超声辅助放电‑电化学‑机械复合精加工方法与装置，旨在解决或改善上述技术问题中的至少之一。 [0006] 为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供超声辅助放电‑电化学‑机械复合精加工装置，包括： [0007] 电解液槽，所述电解液槽内填充有电解液；所述电解液槽内安装有工件； [0010] 脉冲电源，所述脉冲电源的正极与所述工件连接，负极与所述工具电极连接；所述脉冲电源电性连接有示波器。 [0011] 根据本发明提供的超声辅助放电‑电化学‑机械复合精加工装置，所述超声波发生机构包括： [0012] 超声振子，所述超声振子设有若干；若干所述超声振子并排等间距安装在所述电解液槽的底壁上； [0013] 超声波发生器，所述超声波发生器与若干所述超声振子连接。 [0015] 所述钨铜合金包括以下组分，钨的重量百分比为60％～80％；铜的重量百分比为20％～40％； [0016] 所述金刚砂磨粒的粒度为100目～800目。 [0017] 根据本发明提供的超声辅助放电‑电化学‑机械复合精加工装置，所述电解液为氯化钠的乙二醇溶液，所述电解液的振动幅值为1微米～20微米。 [0018] 根据本发明提供的超声辅助放电‑电化学‑机械复合精加工装置，所述工具电极整体呈圆柱体，所述工具电极的直径为2mm～6mm；所述工具电极的长度为30mm～60mm。 [0020] 所述超声波发生器的型号为KMD‑K3，所述超声波发生器的频率为28KHz，所述超声波发生器的功率为600W～900W。 [0022] 所述旋转主轴的转速为0转/min～30000转/min。 [0023] 本发明还提供的超声辅助放电‑电化学‑机械复合精加工方法，包括以下步骤： [0024] 步骤一、将超声波发生机构固定在电解液槽的底部； [0025] 步骤二、将待加工的工件通过夹具夹持在电解液槽中； [0026] 步骤三、将待加工的工件连接在脉冲电源的正极； [0027] 步骤四、在电解液槽中加入电解液； [0028] 步骤五、将工具电极通过止水夹头连接在旋转主轴上； [0029] 步骤六、通过碳刷引电，使得工具电极与脉冲电源的负极连接； [0030] 步骤七、打开脉冲电源，驱动旋转主轴，完成对刀； [0031] 步骤八、打开超声波发生机构，施加超声振动； [0032] 步骤九、旋转主轴进行轴向或径向进给运动，即可进行超声辅助放电‑电化学‑机械复合孔的精加工。 [0033] 根据本发明提供的超声辅助放电‑电化学‑机械复合精加工方法，所述步骤一中，超声波发生机构中的若干超声振子通过锡焊的方式并联起来，然后连接在超声波发生器上。 [0034] 根据本发明提供的超声辅助放电‑电化学‑机械复合精加工方法，所述步骤九中，当进行孔加工时，旋转主轴进行轴向进给运动；当进行槽加工时，旋转主轴进行径向进给运动。 [0035] 本发明公开了以下技术效果： [0036] 本发明将超声波发生机构安装在电解液槽的底部，通过超声波发生机构对电解液施加超声振动，进而利用超声振动特有的“空化作用”和“泵吸作用”来强化电解、电火花作用并提高工作液的循环速率，有效提高颗粒增强金属复合材料的加工效率和表面质量； [0037] 本发明将超声加工、电解加工、电火花放电加工有机结合，取长补短，提升了材料加工效率和加工精度，对难加工材料、异形面零件加工具有精密、高效的加工效果； [0038] 本发明能够为电解液提供超声振动，利用电解液的超声振动使加工区域工作液循环，有利于火花放电的稳定进行；可及时排出加工区域加工产物，避免产物堆积；通过调整旋转主轴的转速和进给速度，能够实现工件型腔的高效、精密加工，适用于加工颗粒增强金属基复合材料等难加工材料。 附图说明 [0039] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施 例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。 [0040] 图1为本发明超声辅助放电‑电化学‑机械复合精加工装置的结构示意图； [0041] 图2为本发明进行槽加工时的原理示意图； [0042] 图3为本发明进行孔加工时的原理示意图； [0043] 其中，1、示波器；2、脉冲电源；3、旋转主轴；4、工具电极；5、电解液；6、电解液槽；7、工件；8、超声振子；9、超声波发生器；10、气泡；11、电火花产物；12、电解产物。 具体实施方式[0044] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他 实施例，都属于本发明保护的范围。 [0045] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。 [0046] 参照图1‑3，本发明提供超声辅助放电‑电化学‑机械复合精加工装置，包括： [0047] 电解液槽6，电解液槽6内填充有电解液5；电解液槽6内安装有工件7； [0048] 超声波发生机构，超声波发生机构安装在电解液槽6的底部，用于对电解液5施加超声振动； [0049] 旋转主轴3，旋转主轴3安装在电解液槽6的上方；旋转主轴3的输出端安装有工具电极4； [0050] 脉冲电源2，脉冲电源2的正极与工件7连接，负极与工具电极4连接；脉冲电源2电性连接有示波器1； [0051] 如此设置，本发明将超声波发生机构安装在电解液槽6的底部，通过超声波发生机构对电解液5施加超声振动，进而利用超声振动特有的“空化作用”和“泵吸作用”来强化电解、电火花作用并提高工作液的循环速率，有效提高颗粒增强金属复合材料的加工效率和 表面质量； [0052] 本发明将超声加工、电解加工、电火花放电加工有机结合，取长补短，提升了材料加工效率和加工精度，对难加工材料、异形面零件加工具有精密、高效的加工效果； [0053] 本发明能够为电解液5提供超声振动，利用电解液5的超声振动使加工区域工作液循环，有利于火花放电的稳定进行；可及时排出加工区域加工产物，避免产物堆积；通过调整旋转主轴3的转速和进给速度，能够实现工件7型腔的高效、精密加工，适用于加工颗粒增强金属基复合材料等难加工材料。 [0054] 进一步优化方案，超声波发生机构包括： [0055] 超声振子8，超声振子8设有若干；若干超声振子8并排等间距安装在电解液槽6的底壁上； [0056] 超声波发生器9，超声波发生器9与若干超声振子8连接； [0057] 将超声振子8直接粘在电解液槽6下方底壁上，由于电解液槽6容量有限，所以该装置适用于体积较小的颗粒增强金属基复合材料工件进行加工。 [0058] 进一步优化方案，工具电极4的材质包括但不限于钨铜合金、铈钨合金、石墨和金刚砂磨粒； [0059] 钨铜合金包括以下组分，钨的重量百分比为60％～80％；铜的重量百分比为20％～40％；本实施例中，钨的重量百分比优选为70％；铜的重量百分比优选为30％； [0060] 金刚砂磨粒的粒度为100目～800目。 [0061] 进一步优化方案，电解液5为氯化钠的乙二醇溶液，电解液5的振动幅值为1微米～20微米。 [0062] 进一步优化方案，工具电极4整体呈圆柱体，工具电极4的直径为2mm～6mm；工具电极4的长度为30mm～60mm。 [0063] 进一步优化方案，超声振子8为高转换率的压电换能器，超声振子8的工作频率为28KHz，超声振子8的功率为100W； [0064] 超声振子8的直径为45mm，高度为68mm； [0065] 超声波发生器9的型号为KMD‑K3，超声波发生器9的频率为28KHz，超声波发生器9的功率为600W～900W。 [0066] 进一步优化方案，脉冲电源2的电压为0V～40V，脉冲电源2的占空比为0％～100％，脉冲电源2的脉冲频率为0KHz～100KHz； [0067] 旋转主轴3的转速为0转/min～30000转/min。 [0068] 本发明还提供的超声辅助放电‑电化学‑机械复合精加工方法，包括以下步骤： [0069] 步骤一、将超声波发生机构固定在电解液槽6的底部； [0070] 步骤二、将待加工的工件7通过夹具夹持在电解液槽6中； [0071] 步骤三、将待加工的工件7连接在脉冲电源2的正极； [0072] 步骤四、在电解液槽6中加入电解液5； [0073] 步骤五、将工具电极4通过止水夹头连接在旋转主轴3上； [0074] 步骤六、通过碳刷引电，使得工具电极4与脉冲电源2的负极连接； [0075] 步骤七、打开脉冲电源2，驱动旋转主轴3，完成对刀； [0076] 步骤八、打开超声波发生机构，施加超声振动； [0077] 步骤九、选择合适的参数，旋转主轴3进行轴向或径向进给运动，即可进行超声辅助放电‑电化学‑机械复合孔的精加工。 [0078] 进一步优化方案，步骤一中，超声波发生机构中的若干超声振子8通过锡焊的方式并联起来，然后连接在超声波发生器9上。 [0079] 进一步优化方案，步骤九中，参照附图3，当进行孔加工时，旋转主轴3进行轴向进给运动； [0080] 参照附图2，当进行槽加工时，旋转主轴3进行径向进给运动；附图2‑3中，在加工过程中产生气泡10、电火花产物11以及电解产物12。 [0081] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，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，因此不能理解为对本发明的限制。 |
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