CN112025010B - 复杂内螺旋线立式电解加工设备及加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电解加工设备制造领域，具体涉及一种复杂内螺旋线立式电解加工设备及加工方法。本发明电解加工设备采用立式结构；设计了含有双层过液通道的连接杆，电解液密封装置与连接杆紧密配合，内置的密封圈与阴极的密封段对加工区域进行密封；提出采用自动对心工装对零件进行快速装卡；采用脉冲电源与超声振动复合加工的方法实现复杂内螺旋线零件的高效精密电解加工来解决现有卧式电解加工设备加工长度在800‑1000 mm的轻型小口径内螺旋线零件时工件装卸不便、加工质量不好的问题。

Description

复杂内螺旋线立式电解加工设备及加工方法

技术领域

本发明涉及电解加工设备制造领域，具体涉及一种复杂内螺旋线立式电解加工设备及加工方法。

背景技术

小口径复杂内螺旋线（长度：800-1000 mm，长径比≥25）广泛应用于无后坐力炮管、枪管等零件中。该类零件采用传统的机械拉削加工，存在加工效率低，表面质量差，刀具易损耗，加工成本高的问题。随着材料硬度的进一步提高，新产品硬度达到HRC48-50，且结构越来越复杂，机械拉削无法满足现代产品高效高质量加工的要求。而电解加工以其加工效率高、表面质量好、无切削应力、无电极损耗的优点，为复杂内螺旋线零件的加工提供了一种有效的先进加工方法。

现有的复杂内螺旋线深孔类零件通常采用卧式电解加工设备加工，大口径内螺旋线卧式电解加工机床具有较好的刚性和稳定性，但该类机床在装卡工件时通常需要多人协同配合完成工件的安装，安装时需要反复调试对刀，辅助安装时间较长。且加工过程中快速流动的电解液在重力的作用下，易导致加工间隙中的电解液流场分布不均匀，直接影响零件的尺寸加工精度和表面质量，特别严重时会导致短路发生，加工无法进行。

实用新型专利ZL 201520040735.7（一种改进数控电解膛线加工卧式机床）提供了一种加工长度在300-1000毫米内螺旋线零件的数控电解加工机床，夹具采用的是V型槽进行装夹定位，将工件直接放置在V型块的支承面上，这种装卡方式存在工件不能牢靠固定，零件在大流量高压力的电解液作用下，容易沿着V型块滑动，导致加工精度不高、易发生短路的问题。

合肥工业大学的常丹丹在其硕士学位论文《管筒形件内腔电解加工机床设计与分析》中针对卧式管筒形件内腔电解加工机床设计一套通过拧紧翻转式夹具上盖与夹具底座之间的螺栓来实现对工件夹紧的夹具装置，夹具内部为阶梯孔，工件以外圆弧面和两端端面为定位基准，有定位精准、夹紧可靠的优点。但在装卡工件时需先将工件夹紧在固定工作台的夹具上，然后通过调整滚珠丝杠，带动移动工作台上的夹具到合适的位置对工件另一端进行装卡。这种装卡方式较为复杂，一名工作人员难以进行操作，影响加工生产效率。

发明内容

有鉴于此，本发明为了解决现有卧式电解加工设备加工长度在800-1000 mm的轻型小口径螺旋线零件时工件装卸不便、加工质量不好的问题，提供一种复杂内螺旋线立式电解加工设备及加工方法。

为解决现有技术存在的问题，本发明的技术方案是：复杂内螺旋线立式电解加工设备，其特征在于：包括机床底座和自动对心工装、传动装置、导电主轴装置；

所述的机床底座上设置有机床立柱和工作台，工作台上固设有一对垫块，工作台内通孔的下方设置有电解液回收装置；所述的自动对心工装由固定于垫块上的同心套筒和设置于机床立柱一侧的机械手夹具组成，所述的传动装置和导电主轴装置从上到下设置于自动对心工装上端的机床立柱一侧，同心套筒与导电主轴装置的导电主轴同心设置；

所述的传动装置的上端连接有进液管，进液管的另一端通过电解液过滤系统与电解液槽内的电解液连接，电解液槽与电解液回收装置通过管道连接；

所述的导电主轴装置下方设有电解液收集装置，导电主轴装置的导电主轴与连接杆相连接，连接杆下端穿过电解液收集装置与阴极连接；电主轴装置与脉冲电源负极连接，负极电流从脉冲电源出发，经过导电主轴装置到达连接杆，从而流向阴极，脉冲电源正极与机械手夹具相连，正极电流经机械手夹具流向工件；

所述的连接杆中心孔为双层过液通道，连接杆中心的进液孔为电解液进液通道，回液通道由进液孔周围分布的六个回液孔以及连接杆上端的出液小孔组成，回液孔与出液小孔连通。

所述的阴极的结构是由密封段、阴极工作体和连接段组成的阶梯柱形，密封段上设有双层密封圈，阴极工作体与密封段之间分布有若干个出液孔，所述的阴极连接段与连接杆下端进液孔与回液孔之间的凸台部分相连接，连接杆的进液孔与阴极的内孔贯通，阴极内孔连通阴极出液孔；

所述的电解液密封装置内的侧壁上设置有超声波转换器，超声波转换器通过连接线与外置的超声波发生装置连接；

所述的机械手夹具、传动装置通过智能控制系统控制。

进一步，机械手夹具包括相互连接的开合气缸和二指平动手爪，开合气缸驱动二指平动手爪张合。

进一步，进液管上依次连接有粗过滤器、溢流阀、电解液泵、调压阀、精过滤器。

进一步，电解液密封装置内设置有环型密封圈。

进一步，电解液收集装置与电解液槽通过管道连接。

进一步，超声波转换器为具有压电效应的陶瓷片。

复杂内螺旋线立式电解加工设备的加工方法，其特征在于：加工步骤为：

1）将工件的上端固定连接在电解液密封装置下端的阶梯孔内，然后放入机床工作台上的同心套筒中，智能控制系统控制机械手夹具的开合气缸，开合气缸驱动二指平动手爪的开合运动，从而对工件的中部进行自动装卡；

2）打开电解液泵，电解液槽中的电解液经过粗过滤器、精过滤器两级过滤后进入机床进液管，溢流阀与调压阀对电解液的压力进行调节，从进液管流入的电解液先流经传动装置内部，然后进入导电主轴装置的导电主轴轴体内部，通过连接杆内的进液孔进入阴极内部，最后电解液从阴极工作体与密封段之间分布的出液孔进入工件的加工间隙，加工时电解液密封装置与连接杆之间设有环型密封圈，对加工区域上端进行密封；阴极密封段对加工区域下端进行密封，电解产物在加工区域密封而产生背压的作用下，从连接杆内的回液孔返回，经连接杆上端的出液小孔进入到电解液收集装置中并排除；

打开脉冲电源与超声波发生装置，脉冲电源的负极与导电主轴装置相连，通过连接杆接通阴极，脉冲电源正极与机械手夹具相连，从而接通工件；

3）通过智能控制系统控制传动装置对工件开始加工，传动装置采用伺服电机驱动，通过导电主轴装置与连接杆带动阴极，实现阴极的直线与旋转运动，通过智能控制系统调节伺服电机的速度，从而控制阴极的直线与旋转运动速度，进而实现对各种复杂内螺旋线的加工；

4）加工完毕后，在同心套筒下方由垫块支撑起来的区域，将阴极拆卸下来，然后退回连接杆，加工区域多余的电解液由电解液回收装置收集并排出。

复杂内螺旋线的加工区域为一封闭空间，电解产物在背压的作用下从连接杆内的回液孔返回，从连接杆上端的出液小孔流出，流入到电解液收集装置中并排出。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

1）本发明结构采用立式结构，占地面积小；工件安装方便，适用于小口径轻型材料零件的加工，加工过程中间隙流场分布较均匀，有利于提高电解加工精度和表面质量；

2）本发明连接杆中心孔为双层过液通道，结构简单，且能同时满足电解液的流入与电解产物的排出；密封圈与阴极密封段对加工区域的电解液起到了很好的密封效果，使电解产物直接从连接杆的回液孔中排出，便于电解产物的集中回收处理；

3）本发明采用同心套筒和机械手夹具配合完成对工件的装卡，装卡时只需将工件放置在与机床导电主轴同心的同心套筒中，智能控制系统控制机械手就可完成对工件的自动装卡，具有自动对心功能，同时实现了对工件的导电，且装卸方便，减少了辅助装卡时间，提高了加工效率；

4）本发明采用了脉冲电源与超声振动复合加工复杂内螺旋线零件；脉冲电源利于提高加工精度，改善表面质量；超声振动装置产生的超声波对电解液产生了搅拌作用，改善了加工间隙内电流分布以及电解液的循环，也使加工区域得到快速的冷却，改善了加工区域温度持续较高的问题，同时超声波的机械效应与空化效应有利于加工产物快速排出加工区域。

附图说明：

图1为本发明加工设备的结构示意图；

图2为加工区域电解液的流向图；

图3为图2的A-A剖视图；

图4为机械手夹具的俯视图；

图5为阴极的结构示意图；

图6为连接杆的轴测剖视图；

附图标记说明：1.机床底座、2.机床立柱、3.工作台、4.垫块、5.自动对心工装、6.工件、7.电解液密封装置、8.环型密封圈、9.电解液槽及电解液、10.粗过滤器、11.溢流阀、12.电解液泵、13.调压阀、14.精过滤器、15.进液管、16.传动装置、17.导电主轴装置、18.电解液收集装置、19.连接杆、20.智能控制系统、21.超声波发生装置、22.超声波转换器、23.脉冲电源、24.阴极、25.电解液回收装置；

5-1.同心套筒、5-2.机械手夹具；

5-2-1.开合气缸、5-2-2.二指平动手爪；

19-1.进液孔、19-2.回液孔、19-3.出液小孔；

24-1.密封段、24-2.出液孔、24-3.阴极工作体、24-4.连接段。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供一种复杂内螺旋线立式电解加工设备，如图1所示，包括机床底座1、机床立柱2、工作台3、垫块4、自动对心工装5、工件6、电解液密封装置7、环型密封圈8、电解液槽及电解液9、粗过滤器10、溢流阀11、电解液泵12、调压阀13、精过滤器14、进液管15、传动装置16、导电主轴装置17、电解液收集装置18、连接杆19、智能控制系统20、超声波发生装置21、超声波转换器22、脉冲电源23、阴极24、电解液回收装置25；

上述机床底座1上设置有机床立柱2和工作台3，工作台3上固设有一对垫块4，工作台3内通孔的下方设置有电解液回收装置25；所述的自动对心工装5由固定于垫块4上的同心套筒5-1和设置于机床立柱2一侧的机械手夹具5-2组成，传动装置16和导电主轴装置17从上到下设置于自动对心工装5上端的机床立柱2一侧，同心套筒5-1与导电主轴装置17的导电主轴同心设置；

工件6的下端安装在同心套筒5-1内并被机械手夹具5-2夹紧，工件6上端固定连接在电解液密封装置7下端的阶梯孔内，电解液密封装置7内设有环型密封圈8；

进液管15上依次连接有粗过滤器10、溢流阀11、电解液泵12、调压阀13、精过滤器14。

所述的传动装置16的上端连接有进液管15，进液管15的另一端通过电解液过滤系统与电解液槽内的电解液9连接，电解液槽与电解液回收装置25通过管道连接；

所述的导电主轴装置17下方设有电解液收集装置18，电解液收集装置18与电解液槽连接，导电主轴装置17的导电主轴与连接杆19相连接，连接杆19与电解液密封装置7之间设置有环型密封圈8，连接杆19下端穿过电解液收集装置18与电解液密封装置7内的阴极24连接；导电主轴装置17与脉冲电源23负极连接，负极电流从脉冲电源23出发，经过导电主轴装置17到达连接杆19，从而流向阴极24，脉冲电源23正极与机械手夹具5-2相连，正极电流经机械手夹具5-2流向工件6；所述的连接杆19中心孔为双层过液通道，中心为进液孔19-1，进液孔19-1周围分布着六个回液孔19-2，连接杆19上端含有出液小孔19-3，连接杆19中心的进液孔19-1为电解液进液通道，回液通道由进液孔19-1周围分布的六个回液孔19-2以及连接杆19上端的出液小孔19-3组成，回液孔19-2与出液小孔19-3连通，如图2-4和图6所示。

所述的阴极24的结构是由密封段24-1、阴极工作体24-3和连接段24-4组成的阶梯柱形，密封段24-1上设有双层密封圈，阴极工作体24-3与密封段24-1之间分布有若干个出液孔24-2，阴极连接段24-4与连接杆19下端进液孔19-1与回液孔19-2之间的凸台部分相连接，连接杆19的进液孔19-1与阴极24的内孔贯通，阴极24内孔连通阴极出液孔24-2，如图2和5所示。

超声波转换器22为具有压电效应的陶瓷片，镶嵌在电解液密封装置7内的侧壁上，超声波转换器22通过连接线与外置的超声波发生装置21连接，将超声波发生装置21产生的特定频率的电能转换为机械能。

所述同心套筒5-1与工件6的内径尺寸相同，以保证加工过程后期阴极密封段24-1从工件6下端出来后，还能依靠阴极密封段24-1与同心套筒5-1的紧密配合，对加工区域进行密封，保证加工的完整进行。

所述的机械手夹具5-2、传动装置16通过智能控制系统20控制。

上述机械手夹具5-2包括相互连接的开合气缸5-2-1和二指平动手爪5-2-2，开合气缸5-2-1驱动二指平动手爪5-2-2张合，从而对工件进行自动装卡。

电解液经连接杆19中心的进液孔19-1流入阴极24内部，从阴极24上分布的出液孔24-2流出，进入加工间隙；电解产物在加工区域密封而产生背压的作用下，从连接杆19内的回液孔19-2返回，并从连接杆19上端的出液小孔19-3排出；电解液密封装置7内设有环型密封圈8，对加工区域上端进行密封。

一种复杂内螺旋线立式电解加工设备的加工方法，其特征在于：加工步骤为：

1、将工件6的上端固定连接在电解液密封装置7下端的阶梯孔内，然后放入机床工作台3上的同心套筒5-1中，智能控制系统20控制机械手夹具5-2的开合气缸5-2-1，开合气缸5-2-1驱动二指平动手爪5-2-2的开合运动，从而对工件6的中部进行自动装卡；

2、打开电解液泵12，电解液槽中的电解液9经过粗过滤器10、精过滤器14两级过滤后进入机床进液管15，溢流阀11与调压阀13对电解液的压力进行调节，从进液管15流入的电解液先流经传动装置16内部，然后进入导电主轴装置17的导电主轴轴体内部，通过连接杆19内的进液孔19-1进入阴极24内部，最后电解液从阴极工作体24-3与密封段24.1之间分布的出液孔24-2进入工件6的加工间隙，加工时电解液密封装置7与连接杆19之间设有环型密封圈8，对加工区域上端进行密封；阴极密封段24-1对加工区域下端进行密封，电解产物在加工区域密封而产生背压的作用下，从连接杆19内的回液孔19-2返回，并从连接杆19上端的出液小孔19-3进入到电解液收集装置19中并排出；

打开脉冲电源23与超声波发生装置21，脉冲电源23的负极与导电主轴装置17相连，通过连接杆19接通阴极24，脉冲电源23正极与机械手夹具5-2相连，从而接通工件6；

3、通过智能控制系统20控制传动装置16对工件6开始加工，传动装置16采用伺服电机驱动，通过导电主轴装置17与连接杆19带动阴极24，实现阴极24的直线与旋转运动，通过智能控制系统20调节伺服电机的速度，从而控制阴极24的直线与旋转运动速度，进而实现对各种复杂内螺旋线的加工；

4、加工完毕后，在同心套筒5-1下方由垫块4支撑起来的区域，将阴极24拆卸下来，然后退回连接杆19，加工区域多余的电解液由电解液回收装置25收集并排出。

复杂内螺旋线的加工区域为一封闭空间，电解产物在背压的作用下从连接杆19内的回液孔19-2返回，从连接杆19上端的出液小孔19-3流出，流入到电解液收集装置18中并排出。

本发明采用立式结构，该立式内螺旋线电解加工设备占地面积小、工件安装方便，适用于小口径轻型材料零件的加工，加工过程中间隙流场分布均匀，有利于提高电解加工精度和加工表面质量；采用连接杆中心孔双层过液通道，结构简单，且能同时满足电解液的流入与电解产物的排出；密封圈与阴极密封段对加工区域的电解液起到了很好的密封效果，使电解产物直接从连接杆的回液孔中排出，便于电解产物的集中回收处理；采用同心套筒和机械手夹具配合完成对工件的装卡。装卡时只需将工件放置在与机床导电主轴同心的同心套筒中，智能控制系统控制机械手就可完成对工件的自动装卡，具有自动对心功能，同时实现了对工件的导电，且装卸方便，减少了辅助装卡时间，提高了加工效率；同时采用了脉冲电源与超声振动复合加工复杂内螺旋线零件。脉冲电源利于提高加工精度，改善表面质量；超声振动装置产生的超声波对电解液产生了搅拌作用，改善了加工间隙内电流分布以及电解液的循环，也使加工区域得到快速的冷却，改善了加工区域温度持续较高的问题，同时超声波的机械效应与空化效应有利于加工产物快速排出加工区域。

以上所述仅是本发明的优选实施例，并非用于限定本发明的保护范围，应当指出，对本技术领域的普通技术人员在不脱离本发明原理的前提下，对其进行若干改进与润饰，均应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.复杂内螺旋线立式电解加工设备，其特征在于：包括机床底座（1）和自动对心工装（5）、传动装置（16）、导电主轴装置（17）；

所述的机床底座（1）上设置有机床立柱（2）和工作台（3），工作台（3）上固设有一对垫块（4），工作台（3）内通孔的下方设置有电解液回收装置（25）；所述的自动对心工装（5）由固定于垫块（4）上的同心套筒（5-1）和设置于机床立柱（2）一侧的机械手夹具（5-2）组成，所述的传动装置（16）和导电主轴装置（17）从上到下设置于自动对心工装（5）上端的机床立柱（2）一侧，同心套筒（5-1）与导电主轴装置（17）的导电主轴同心设置；

所述的传动装置（16）的上端连接有进液管（15），进液管（15）的另一端通过电解液过滤系统与电解液槽内的电解液（9）连接，电解液槽与电解液回收装置（25）通过管道连接；

所述的导电主轴装置（17）下方设有电解液收集装置（18），导电主轴装置（17）的导电主轴与连接杆（19）相连接，连接杆（19）下端穿过电解液收集装置（18）与阴极（24）连接；导电主轴装置（17）与脉冲电源（23）负极连接，负极电流从脉冲电源（23）出发，经过导电主轴装置（17）到达连接杆（19），从而流向阴极（24），脉冲电源（23）正极与机械手夹具（5-2）相连，正极电流经机械手夹具（5-2）流向工件（6）；

所述的连接杆（19）中心孔为双层过液通道，连接杆（19）中心的进液孔（19-1）为电解液进液通道，回液通道由进液孔（19-1）周围分布的六个回液孔（19-2）以及连接杆（19）上端的出液小孔（19-3）组成，回液孔（19-2）与出液小孔（19-3）连通；

所述的阴极（24）的结构是由密封段（24-1）、阴极工作体（24-3）和阴极连接段（24-4）组成的阶梯柱形，密封段（24-1）上设有双层密封圈，阴极工作体（24-3）与密封段（24-1）之间分布有若干个出液孔（24-2），所述的阴极连接段（24-4）与连接杆（19）下端进液孔（19-1）与回液孔（19-2）之间的凸台部分相连接，连接杆（19）的进液孔（19-1）与阴极（24）的内孔贯通，阴极（24）内孔连通阴极出液孔（24-2）；

该装置还包括电解液密封装置（7），所述的电解液密封装置（7）内的侧壁上设置有超声波转换器（22），超声波转换器（22）通过连接线与外置的超声波发生装置（21）连接；

所述的机械手夹具（5-2）、传动装置（16）通过智能控制系统（20）控制。

2.根据权利要求1所述的复杂内螺旋线立式电解加工设备，其特征在于：所述的机械手夹具（5-2）包括相互连接的开合气缸（5-2-1）和二指平动手爪（5-2-2），开合气缸（5-2-1）驱动二指平动手爪（5-2-2）张合。

3.根据权利要求1或2所述的复杂内螺旋线立式电解加工设备，其特征在于：所述的进液管（15）上依次连接有粗过滤器（10）、溢流阀（11）、电解液泵（12）、调压阀（13）、精过滤器（14）。

4.根据权利要求3所述的复杂内螺旋线立式电解加工设备，其特征在于：所述的电解液密封装置（7）内设置有环型密封圈（8）。

5.根据权利要求4所述的复杂内螺旋线立式电解加工设备，其特征在于：所述的电解液收集装置（18）与电解液槽通过管道连接。

6.根据权利要求5所述的复杂内螺旋线立式电解加工设备，其特征在于：所述的超声波转换器（22）为具有压电效应的陶瓷片。

7.根据权利要求1所述的复杂内螺旋线立式电解加工设备的加工方法，其特征在于：加工步骤为：

1）将工件（6）的上端固定连接在电解液密封装置（7）下端的阶梯孔内，然后放入机床工作台（3）上的同心套筒（5-1）中，智能控制系统（20）控制机械手夹具（5-2）的开合气缸（5-2-1），开合气缸（5-2-1）驱动二指平动手爪（5-2-2）的开合运动，从而对工件（6）的中部进行自动装卡；

2）打开电解液泵（12），电解液槽中的电解液（9）经过粗过滤器（10）、精过滤器（14）两级过滤后进入机床进液管（15），溢流阀（11）与调压阀（13）对电解液的压力进行调节，从进液管（15）流入的电解液先流经传动装置（16）内部，然后进入导电主轴装置（17）的导电主轴轴体内部，通过连接杆（19）内的进液孔（19-1）进入阴极（24）内部，最后电解液从阴极工作体（24-3）与密封段（24-1）之间分布的出液孔（24-2）进入工件（6）的加工间隙，加工时电解液密封装置（7）与连接杆（19）之间设有环型密封圈（8），对加工区域上端进行密封；阴极密封段（24-1）对加工区域下端进行密封，电解产物在加工区域密封而产生背压的作用下，从连接杆（19）内的回液孔（19-2）返回，经连接杆（19）上端的出液小孔（19-3）进入到电解液收集装置（18）中并排除；

打开脉冲电源（23）与超声波发生装置（21），脉冲电源（23）的负极与导电主轴装置（17）相连，通过连接杆（19）接通阴极（24），脉冲电源（23）正极与机械手夹具（5-2）相连，从而接通工件（6）；

3）通过智能控制系统（20）控制传动装置（16）对工件（6）开始加工，传动装置（16）采用伺服电机驱动，通过导电主轴装置（17）与连接杆（19）带动阴极（24），实现阴极（24）的直线与旋转运动，通过智能控制系统（20）调节伺服电机的速度，从而控制阴极（24）的直线与旋转运动速度，进而实现对各种复杂内螺旋线的加工；

4）加工完毕后，在同心套筒（5-1）下方由垫块（4）支撑起来的区域，将阴极（24）拆卸下来，然后退回连接杆（19），加工区域多余的电解液由电解液回收装置（25）收集并排出。

8.根据权利要求7所述的复杂内螺旋线立式电解加工设备的加工方法，其特征在于：复杂内螺旋线的加工区域为一封闭空间，电解产物在背压的作用下从连接杆（19）内的回液孔（19-2）返回，从连接杆（19）上端的出液小孔（19-3）流出，流入到电解液收集装置（18）中并排出。