一种复杂型腔的特种加工方法 |
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| 申请号 | CN202410158019.2 | 申请日 | 2024-02-04 | 公开(公告)号 | CN117680779B | 公开(公告)日 | 2024-04-16 |
| 申请人 | 成都鼎易精密模具有限公司; | 发明人 | 王青荣; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及 放电加工 技术领域，尤其涉及一种复杂型腔的特种加工方法，它包括待加工的 工件 、复合 电极 和导向模具，所述工件设有矩形内槽，所述矩形内槽通过槽道与外部连通，通过设备安装、粗加工准备、粗加工、取出加工材料来对矩形内槽进行粗加工作业，再借助导流机构、第一 液压 泵 、第二 液压泵 和装有 磨料 溶剂 的磨料溶液器来对矩形内腔进行细加工。本发明采用记忆 合金 材料实现对复杂型腔进行电火花粗加工成形，并通过磨料流动加工对工件内腔的各个方向、多个平面、多个 角 度的加工，可以一次性完成对复杂型腔的加工；同时降低耗费在电火花加工电极加工的时间与成本，且对于腔道较为狭窄的工件内腔均可加工，提高了对复杂型腔工件的适用范围。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种复杂型腔的特种加工方法，其特征在于，包括待加工的工件（1）、复合电极和导向模具（2），所述工件（1）设有矩形内槽（101），所述矩形内槽（101）通过槽道（102）与外部连通，所述复合电极包括同轴连接的电火花电极（3）和管状的记忆合金材料（4），所述记忆合金材料（4）位于电火花电极（3）下方且外径相同，所述导向模具（2）为内径大于记忆合金材料（4）外径的柱筒结构； |
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| 说明书全文 | 一种复杂型腔的特种加工方法技术领域背景技术[0002] 工业进程的快速发展，为了适应各种复杂结构的运用和使用场景，现有的工件中会涉及到一些复杂的内腔结构。为了达到生产要求，现有的成型方法是通过电火花加工、激光加工、磨料流动加工或化学腐蚀加工等方式将工件分批加工，或是设计专用的反镗刀进行切削加工。 [0003] 然而上述加工方式均有不足之处，工件分批加工，原理是加工完所有内部结构后再将工件进行组合，但该种成型方法制造出的工件在连接处的强度相对薄弱，在分模后工件的应力发生变化时容易导致工件直接发生断裂，从而影响到工件使用寿命；另外，设计专用的反镗刀进行切削加工，但非标刀具的通用性相对较差，并且在内腔的加工过程中需要使用不同的刀具来对不同部分进行分类加工，制造成本和工艺方面都有所影响；较为常见的电火花加工，对于复杂腔体需要在电火花加工电极上加工出与所需加工形貌相对应的外轮廓，然而对于复杂结构的电极加工工艺复杂，耗费在电火花加工电极的加工时间与成本较高，而且对于腔道狭窄的内腔结构无法将电火花加工电极送入进行加工。因此，现有技术中存在应对复杂型工件的内腔加工困难的问题。 发明内容[0004] 本发明为了解决上述技术问题提供一种复杂型腔的特种加工方法。 [0005] 为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下： [0006] 一种复杂型腔的特种加工方法，包括待加工的工件、复合电极和导向模具，所述工件设有矩形内槽，所述矩形内槽通过槽道与外部连通，所述复合电极包括同轴连接的电火花电极和管状的记忆合金材料，所述记忆合金材料位于电火花电极下方且外径相同，所述导向模具为内径大于记忆合金材料外径的柱筒结构； [0007] 包括以下步骤： [0008] S1：设备安装，通过夹持机构固定工件，电火花电极连接有电火花加工机，复合电极在控制单元作用下沿轴线做往复运动，所述工件的槽道中轴线与复合电极的轴线重合； [0009] S2：粗加工准备，导向模具由复合电极的上端套入并向下移动至记忆合金材料处，导向模具的上端通过气体导管连接变温系统，所述变温系统设有第一温区和第二温区，所述第一温区的热量低于所述第二温区的热量，变温系统通过气体导管将第一温区的热量送至记忆合金材料处，使得记忆合金材料在第一温区条件下处于马氏体相，记忆合金材料变为易变形状态，并在导向模具下移过程中，形变为与导向模具同轴的竖直圆柱结构，控制单元控制复合电极朝向工件的槽道插入矩形内槽中； [0010] S3：粗加工，启动电火花加工机，记忆合金材料通过电火花电极导电对工件的矩形内槽进行放电加工，完成矩形内槽中心区域加工后，导向模具上移，待导向模具的底部移动至记忆合金材料顶部所在的水平线时，变温系统通过气体导管向导向模具内导入第二温区的热量，使得记忆合金材料在第二温区条件下处于奥氏体相，记忆合金材料恢复至原始的弯曲形状，此时控制复合电极转动，记忆合金材料的转动直径与工件的矩形内槽直径相同，记忆合金材料的弯曲幅度通过前期塑形使其与工件的矩形内槽尺寸适配； [0011] S4：取出加工材料，变温系统再次将温度降低至第一温区，通过气体导管将第一温区的热量气体输送至记忆合金材料处，并通过导向模具的下移，在外力作用下加快记忆合金材料的形变，使其由弯曲状态变为竖直状态，并跟随导向模具共同由槽道处抽出，完成粗加工步骤； [0012] S5：细加工准备，包括导流机构、第一液压泵、第二液压泵和装有磨料溶剂的磨料溶液器，所述导流机构为截面尺寸小于槽道开口的矩形结构，导流机构的上端由控制单元控制竖直升降，在导流机构插入矩形内槽后，导流机构在槽道处形成左腔道和右腔道，所述第一液压泵和第二液压泵分别接通磨料溶液器； [0013] S6：细加工，启动第一液压泵和第二液压泵，第一液压泵将磨料溶剂通过液体导管导入左腔道，并流经工件的内腔壁与导流机构外壁之间进行腔内表面抛光，接着通过第二液压泵的负压作用导向右腔道，并通过液体导管回流至磨料溶液器。 [0014] 进一步的，所述步骤S3中，首先需要对记忆合金材料进行初始塑形，即通过对记忆合金材料加热到可形变的第三温区，并将其底部向一侧水平扳转，扳转幅度为记忆合金材料与工件内侧壁抵触。初始塑形指的是合金在经历制造和编程过程后固有的形状，记忆合金材料具有独特的特性，能在受到外力作用而发生塑性变形后，在第二温区条件下自动恢复到这个预设的原始形状。在复合电极转动过程中，记忆合金材料可以刚好覆盖矩形内槽的底面，从而进行电火花加工作业。 [0015] 进一步的，所述步骤S3中，根据工件的矩形内槽位置，确定记忆合金材料初始位置与最终位置，通过线性调控温度，利用记忆合金材料的形状记忆效应和受热后的形变特性，使得记忆合金材料在加工时产生动态变形，从而对矩形内槽表面进行扫掠式电解加工。通入电解液，启动电火花加工机，在设定参数下复合电极开始进行扫掠式电解加工，在加工过程中，调节变温系统温度使温度上升，气体温度使记忆合金材料及周围电解液温度上升，实现记忆合金材料的自主变形。 [0016] 进一步的，所述步骤S6中，第一液压泵和第二液压泵均为双向液压泵，在启动第一液压泵和第二液压泵时，第一液压泵正转，第二液压泵反转，磨料溶剂由左腔道流向右腔道，进行磨料加工；接着第二液压泵正转，第一液压泵反转，磨料溶剂由右腔道流向左腔道，进行磨料加工，并周期往复运动。磨料溶剂在矩形内槽内的双向流动有助于实现对工件内腔壁的均匀加工，这种往复流动确保了磨料粒子能够均匀接触内腔的所有表面，减少了加工过程中可能出现的不均匀磨损或抛光痕迹。 [0017] 进一步的，所述控制单元包括控制器和数个伺服电机，数个伺服电机分别控制复合电极、导向模具和导流机构的移动。伺服电机用于执行控制器的指令，提供精确的运动控制，使得机械臂能沿预设轨道进行移动。在粗加工完成后，机械臂根据控制器的指令，移开导向模具和复合电极。接着机械臂将导流机构移动至工件上方，导流机构在机械臂的控制下下行，导流机构的底部不与矩形内槽触碰，用以预留磨料溶剂的循环通道。 [0018] 进一步的，所述导向模具套设于复合电极上，所述电火花电极的长度大于导向模具的长度，电火花电极的上端与一个独立的伺服电机连接，导向模具的外壁与另一个独立的伺服电机连接。电火花电极的长度大于导向模具，可以确保在整个加工过程中，即使导向模具的上下移动或改变位置，仍能保证机械臂对电火花电极的操控，不会因为阻挡而受影响。 [0019] 进一步的，所述导向模具的上端侧壁开设有连通气体导管的通气孔，所述导向模具的顶面设置有防止气体逸散的密封圈，所述密封圈的中孔孔径等于复合电极的直径。由于记忆合金材料的形变依赖于温度的变化，密封圈可保证气体输送至记忆合金材料处，避免逸散和未达到输送气体的效果，同时密封圈的中孔可保证导向模具可相对复合电极进行相对运动。 [0020] 进一步的，所述记忆合金材料为镍钛合金。镍钛合金在不同的温度下可以存在于两种不同的晶体结构状态，分别为马氏体和奥氏体。在第一温区下，镍钛合金处于马氏体相，这是一种较为软弱和易变形的状态；在第二温区下，合金转变为奥氏体相，这是一种较为硬且结构稳定的状态。Af温度是指合金完全转变为奥氏体相的温度，在这一温度或以上，镍钛合金将完全处于奥氏体状态。当镍钛合金被加热到Af以上时，任何在转换为马氏体状态时施加的形状变化都将被记忆恢复，即镍钛合金恢复到在热处理过程中设置的原始形状。 [0021] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果： [0022] 1、本发明采用记忆合金材料实现对复杂型腔进行电火花粗加工成形，并通过磨料流动加工对工件内腔的各个方向、多个平面、多个角度的加工，可以一次性完成对复杂型腔的加工，同时加工出的工件性能好、精度高； [0024] 图1是复合电极对工件加工前的平面示意图； [0025] 图2是记忆合金材料伸入矩形内槽的平面示意图； [0026] 图3是复合电极对工件加工时的平面示意图； [0027] 图4是导流机构与工件的平面示意图； [0028] 附图标识：1‑工件、101‑矩形内槽、102‑槽道、2‑导向模具、3‑电火花电极、4‑记忆合金材料、5‑气体导管、6‑导流机构、7‑液体导管、8‑机械臂。 具体实施方式[0029] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。 [0030] 实施例一，如图1、2、3、4所示，本发明公开的一种复杂型腔的特种加工方法，包括待加工的工件1、复合电极和导向模具2，所述工件1设有矩形内槽101，所述矩形内槽101通过槽道102与外部连通，所述复合电极包括同轴连接的电火花电极3和管状的记忆合金材料4，所述记忆合金材料4位于电火花电极3下方且外径相同，所述导向模具2为内径大于记忆合金材料4外径的柱筒结构； [0031] 包括以下步骤： [0032] S1：设备安装，通过夹持机构固定工件1，电火花电极3连接有电火花加工机，复合电极在控制单元作用下沿轴线做往复运动，所述工件1的槽道102中轴线与复合电极的轴线重合； [0033] S2：粗加工准备，导向模具2由复合电极的上端套入并向下移动至记忆合金材料4处，导向模具2的上端通过气体导管5连接变温系统，所述变温系统设有第一温区和第二温区，所述第一温区的热量低于所述第二温区的热量，变温系统通过气体导管5将第一温区的热量送至记忆合金材料4处，使得记忆合金材料4在第一温区条件下处于马氏体相，记忆合金材料4变为易变形状态，并在导向模具2下移过程中，形变为与导向模具2同轴的竖直圆柱结构，控制单元控制复合电极朝向工件1的槽道102插入矩形内槽101中； [0034] S3：粗加工，启动电火花加工机，记忆合金材料4通过电火花电极3导电对工件1的矩形内槽101进行放电加工，完成矩形内槽101中心区域加工后，导向模具2上移，待导向模具2的底部移动至记忆合金材料4顶部所在的水平线时，变温系统通过气体导管5向导向模具2内导入第二温区的热量，使得记忆合金材料4在第二温区条件下处于奥氏体相，记忆合金材料4恢复至原始的弯曲形状，此时控制复合电极转动，记忆合金材料4的转动直径与工件1的矩形内槽101直径相同，记忆合金材料4的弯曲幅度通过前期塑形使其与工件1的矩形内槽101尺寸适配； [0035] S4：取出加工材料，变温系统再次将温度降低至第一温区，通过气体导管5将第一温区的热量气体输送至记忆合金材料4处，并通过导向模具2的下移，在外力作用下加快记忆合金材料4的形变，使其由弯曲状态变为竖直状态，并跟随导向模具2共同由槽道102处抽出，完成粗加工步骤； [0036] S5：细加工准备，包括导流机构6、第一液压泵、第二液压泵和装有磨料溶剂的磨料溶液器，所述导流机构6为截面尺寸小于槽道102开口的矩形结构，导流机构6的上端由控制单元控制竖直升降，在导流机构6插入矩形内槽101后，导流机构6在槽道102处形成左腔道和右腔道，所述第一液压泵和第二液压泵分别接通磨料溶液器； [0037] S6：细加工，启动第一液压泵和第二液压泵，第一液压泵将磨料溶剂通过液体导管7导入左腔道，并流经工件1的内腔壁与导流机构6外壁之间进行腔内表面抛光，接着通过第二液压泵的负压作用导向右腔道，并通过液体导管7回流至磨料溶液器。 [0038] 所述步骤S3中，首先需要对记忆合金材料4进行初始塑形，即通过对记忆合金材料4加热到可形变的第三温区，并将其底部向一侧水平扳转，扳转幅度为记忆合金材料4与工件1内侧壁抵触。具体的，初始塑形指的是合金在经历制造和编程过程后固有的形状，记忆合金材料4具有独特的特性，能在受到外力作用而发生塑性变形后，在第二温区条件下自动恢复到这个预设的原始形状。在这一步，记忆合金材料4被加热到第三温区，第三温区为高于其变形的温度（即相变温度），并被塑形到所需的原始形状。在这个过程中，合金的晶体结构发生变化，将这个形状“记忆”下来。当记忆合金材料4冷却并低于其变形温度时，它可以被塑性变形，形状被改变；当它再次加热到第二温区的温度时，合金会自动回到之前编程的那个原始形状。在第三温区时，记忆合金材料4的下端向一侧水平扳转，扳转的水平位移距离，等于工件1的矩形内槽101的半径。 [0039] 所述步骤S3中，根据工件1的矩形内槽101位置，确定记忆合金材料4初始位置与最终位置，通过线性调控温度，利用记忆合金材料4的形状记忆效应和受热后的形变特性，使得记忆合金材料4在加工时产生动态变形，从而对矩形内槽101表面进行扫掠式电解加工。具体的，通入电解液，启动电火花加工机，在设定参数下复合电极开始进行扫掠式电解加工，在加工过程中，调节变温系统温度使温度上升，气体温度使记忆合金材料4及周围电解液温度上升，实现记忆合金材料4的自主变形。在恢复的动态变形过程中，电极在不同位置自主恢复后的形状，实现记忆合金材料4由加工初始位置时零件的形状自主恢复为加工最终位置时工件1的动态变形，从而使得加工出的工件1符合加工标准。 [0040] 所述步骤S6中，第一液压泵和第二液压泵均为双向液压泵，在启动第一液压泵和第二液压泵时，第一液压泵正转，第二液压泵反转，磨料溶剂由左腔道流向右腔道，进行磨料加工；在预设时间段后，第二液压泵正转，第一液压泵反转，磨料溶剂由右腔道流向左腔道，进行磨料加工，并周期往复运动。具体的，磨料溶剂在矩形内槽101内的双向流动有助于实现对工件1内腔壁的均匀加工，这种往复流动确保了磨料粒子能够均匀接触内腔的所有表面，减少了加工过程中可能出现的不均匀磨损或抛光痕迹。此外，双向流动使磨料溶剂在工件1内部形成一种动态循环，这有助于保持磨料粒子的活性，使其持续有效地参与抛光过程，这也有助于磨料粒子的再分布和更新。在一个方向上长时间的单向流动可能导致磨料在某些区域积聚或堵塞，特别是在狭窄或复杂的内腔结构中。双向流动有助于减轻这种情况，减少堵塞的风险。预设时间段的时长可以根据实际抛光效率获取最佳时间间隔。 [0041] 所述控制单元包括控制器和数个伺服电机，数个伺服电机分别通过机械臂8控制复合电极、导向模具2和导流机构6的移动。具体的，控制器负责协调所有移动部件的操作，控制器在接收预设程序或指令后，并据此发出控制信号。伺服电机用于执行控制器的指令，提供精确的运动控制，使得机械臂8能沿预设轨道进行移动。在粗加工完成后，机械臂8根据控制器的指令，准确地移开导向模具2和复合电极。接着机械臂8将导流机构6移动至工件1上方，导流机构6在机械臂8的控制下下行，导流机构6的底部不与矩形内槽101触碰，用以预留磨料溶剂的循环通道。优选的，所述导流机构6为电控可形变矩形结构，在通过槽道102后，导流机构6可通过侧壁的向外延展实现增大导流面积，从而更符合矩形内槽101以及优化导流效果。 [0042] 所述导向模具2套设于复合电极上，所述电火花电极3的长度大于导向模具2的长度，电火花电极3的上端与一个独立的机械臂8连接，导向模具2的外壁与另一个独立的机械臂8连接。具体的，电火花电极3的长度大于导向模具2可以确保在整个加工过程中，即使导向模具2的上下移动或改变位置，仍能保证机械臂8对电火花电极3的操控，不会因为阻挡而受影响。 [0043] 所述导向模具2的上端侧壁开设有连通气体导管5的通气孔，所述导向模具2的顶面设置有防止气体逸散的密封圈，所述密封圈的中孔孔径等于复合电极的直径。具体的，由于记忆合金材料4的形变依赖于温度的变化，密封圈可保证气体输送至记忆合金材料4处，避免逸散和未达到输送气体的效果，同时密封圈的中孔可保证导向模具2可相对复合电极进行相对运动。 [0044] 所述记忆合金材料4为镍钛合金。具体的，镍钛合金的形状记忆效应是基于其独特的晶体结构变化，这种变化由温度引起。镍钛合金在不同的温度下可以存在于两种不同的晶体结构状态，分别为马氏体和奥氏体。在第一温区下，镍钛合金处于马氏体相，这是一种较为软弱和易变形的状态；在第二温区下，合金转变为奥氏体相，这是一种较为硬且结构稳定的状态。Af温度是指合金完全转变为奥氏体相的温度，在这一温度或以上，镍钛合金将完全处于奥氏体状态。镍钛合金的相变温度（包括Af）可以通过合金的成分和热处理过程进行调整。一般情况下，温度通常在20°C至100°C之间。当镍钛合金被加热到Af以上时，任何在转换为马氏体状态时施加的形状变化都将被记忆恢复，即镍钛合金恢复到在热处理过程中设置的原始形状。在本实施例中，将镍钛合金设计为37°C下恢复其形状，那么它的Af温度被设置在略低于37°C的水平，一旦镍钛合金周围环境温度升高，就会自动恢复到其记忆形状。 [0045] 在实施例一的基础上，本实施例提出了一种复杂型腔的特种加工方法的具体工作原理。 [0046] 所述具体实施原理流程如下: [0047] 工件1通过夹持机构固定，电火花电极3连接到电火花加工机，导向模具2套在复合电极上，并下移至记忆合金材料4处。通过气体导管5，变温系统降至第一温区，使记忆合金材料4处于易变形的马氏体相，记忆合金材料4在导向模具2下压过程中发生形变，变为竖直圆柱结构。随着复合电极的下移，启动电火花加工机，对矩形内槽101的中心区域加工。根据需要调整复合电极的位置和放电参数，复合电极与工件1之间的正确对准利于规避加工误差，通过程序设定使复合电极与导向模具2按既定轨道运行。其次是调整放电参数，包括电流的大小、脉冲持续时间、脉冲间隔和电压，从而保证加工效率和保障成品率。在对矩形内槽101中心区域加工完成后，导向模具2上移，变温系统加热使记忆合金材料4恢复原始形状，利用记忆合金材料4的形变进行电火花加工。直至整个矩形内槽101底面加工完毕后，再次降至第一温区，在导向模具2的限位作用下，记忆合金材料4由弯曲状态变为竖直状态。导向模具2和记忆合金材料4一起移出矩形内槽101。 [0048] 将导流机构6、两个液压泵和磨料溶液器准备就绪，导流机构6插入矩形内槽101，形成左右腔道。第一和第二液压泵交替工作，使磨料溶剂在左右腔道中往复流动，实现工件1内腔壁的均匀加工和表面抛光。 [0049] 记忆合金材料4的形状记忆效应：利用镍钛合金的形状记忆特性，在不同温度下变形或恢复原始形状，以适应粗加工和取出加工材料的需求； [0050] 电火花加工：通过电火花电极3进行精确的放电加工，适用于处理复杂内槽； [0051] 温度控制：通过变温系统精确控制镍钛合金的相变，实现材料形状的动态变化； [0052] 机械臂8和控制系统：精确控制复合电极、导向模具2和导流机构6的位置和运动，确保加工的精确性和效率； [0053] 双向流动的磨料溶剂：通过往复流动，实现内腔壁的均匀加工和高效率的表面处理。 [0054] 当然，本发明还可有其它多种实施方式，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。 |
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