共轭回摆式精密减材电加工技术方法

1.本发明涉及一种回摆式精密减材电加工技术方法，属于电加工技术领域(electrical machining)。


背景技术：

2.对于含弧扇段复杂凹、凸形面难加工材料工件的加工方法，特别是对于含弧扇段半径较大的工件加工方法，目前主要是通过含整周回转复杂凹、凸形面难加工材料工件的加工方法实现。依据能量类型加工方法划分为两大类，即机械加工方法和减材电加工方法。
3.现有的机械加工方法是利用机械能、热能形式的能量，依靠刀具与工件接触实现去除工件材料的方法。该方法通过多轴联动机床配合加工复杂曲面的专用刀具按照轨迹规划运动，根据工件加工精度要求决定是否继续采用数控磨床完成精加工成形。(见专利1，“一种航空发动机机匣五轴立式车铣复合加工方法”，申请号cn108262591a，申请人李滨，袁文洋等；见专利2，“以切削力波动为约束的曲面加工刀具轨迹规划方法”，授权号cn0106125666b，发明人马建伟，高媛媛等)。现有的机械加工方法存在工艺复杂编程计算准备时间长、刀具损耗大、费用高、存在力和热的显著影响，导致工件表面存在残余拉应力和过量塑性变形问题，还需要安排热处理等辅助工艺。
4.减材电加工方法是一类利用电能、热能及化学能形式的能量去除工件材料特种加工方法。该方法属于非接触式加工，可加工任何导电材料，适用于各类形腔形面的精密加工。其中适合含复杂凹、凸形面难加工材料工件的加工的方法是电火花加工和电解加工。
5.对于含复杂凹、凸形面难加工材料工件的电火花加工，现有的方法是通过数控方式控制工具电极及工件相对运动实现成形，但由于工具电极存在电极损耗，需要进行工具电极损耗补偿而影响加工精度。
6.对于含复杂凹、凸形面难加工材料工件的电解加工，现有的方法主要有三小类，分别是“分块”电解加工方法、旋转扫描式照相电解加工方法和旋印电解加工方法。(见专利1，“电解加工复杂机匣型面的方法”，申请号cn101733491a，申请人徐斌，朱海南等；见文章1，“照相电解加工技术的发展与应用”，作者李红英，张明岐等，《航空制造技术》2014年第23期；见专利2，“金属照相电解加工工艺”，申请号cn1073219a，申请人刘家富；见专利3，“复杂凹凸型面旋印电解加工方法及系统”，授权号cn102179579a，发明人朱荻，朱增伟等；见专利4，“回转体表面凹凸阵列结构的倍转速印电解系统及方法”，申请号202011336134.2，申请人朱增伟，王登勇等)。上述电解加工方法中，旋印电解方法加工机匣的精度和表面完整性最好，可实现工件一体成形。
7.但以上现有的减材电加工方法在加工时，工具电极和工件均要整圈回转，对于较大直径的工件同步或倍角旋转，装置实现难度较大。对应的圆周转角范围较小，造成整周回转过程中的空转角很大，即有效加工行程范围占比很小，整体加工效率很低。另外，随着工件弧扇段半径的增加，从设备角度看：相应回转机构也要随之变大，造成机器设备空间损耗、操作困难以及成本增加等问题。从加工工具角度看：工具电极的直径也可能要随之增
大，增大了工具电极制造难度。
8.从提高加工效率、加工质量及表面完整性角度看，目前缺少适合于含弧扇段复杂凹、凸形面的难加工材料工件的加工方法，特别是弧扇段半径较大的工件精密减材电加工方法。因而迫切需要寻求一种针对此类工件的加工空行程少且加工效率高、电极设计制造修整难度低、加工间隙分布更均匀稳定的减材电加工方法。


技术实现要素：

9.发明目的：
10.本发明的目的是针对含弧扇段复杂凹、凸形面难加工材料工件，特别是弧扇段半径较大的工件，由于工件加工部位所对应的转角范围小，而采用现有技术加工时空行程要超过有效工作行程很多倍，表现为加工效率低下以及设备体积大的问题。提供一种基于工具电极和工件分别围绕各自的轴线作往复回摆运动同时工具电极相对工件作连续进给运动，或工具电极作转摆运动和往复直线运动，工件作往复回摆运动的共轭回摆式精密减材电加工方法，使得电加工时空行程减小、加工间隙状态改善，有利于含弧扇段复杂凹、凸形面难加工材料工件的高效精密成形。
11.技术方案：
12.一种共轭回摆式精密减材电加工技术方法，适用于含弧扇段复杂凹、凸形面难加工材料工件的成形，其特征在于：第一轴与第二轴在空间中位于同一平面内，相交成某一固定角度；工件待加工表面为弧扇段形面，弧扇段形面圆周占有角小；工具电极为回转体结构；工件安装于第一轴，工具电极安装于第二轴；工件和工具电极采用完全浸没于工作液中的供液方式；在减材电加工过程中，工件上某一固定角方位始终与工具电极上某个或某几个固定角方位保持对应重合规律：一种实现方式是工具电极以等角速度围绕第二轴作往复回摆运动，同时工件以等角速度围绕第一轴作往复回摆运动；另一种实现方式是工具电极以等角速度围绕第二轴作转摆运动和往复直线运动，工件以等角速度围绕第一轴作往复回摆运动；工具电极摆动角速度与工件摆动角速度的比值k恒定，该值可按加工需要调整；工件与工具电极距离可以连续调节，实现径向进给加工运动；工件与工具电极作回摆运动时，两者之间没有相对轴向运动；在电加工螺纹或齿轮等共轭形面过程中，在转换电加工规准前，工具电极首先退出工件，在轴向移动一个相当于工件厚度的螺距或齿厚整数倍数值以补偿工具电极的损耗，之后再重复以上特征继续加工；通过工具电极与工件之间按角相位重合回摆规律运动，利用减材电加工原理由工具电极(4)的外形面蚀除加工出工件(3)的弧扇段形面。
13.在减材电加工过程中，第一轴(1)与第二轴(2)之间的夹角e可以是0
°
到90
°
之间任意一个数值。在减材电加工过程中，工具电极(4)摆动角速度与工件(3)摆动角速度的比值k，等于工件(3)摆动角度与工具电极(4)摆动角度的比值，在加工螺纹、齿轮等共轭形面时，工具电极(4)摆动角速度与工件(3)摆动角速度的比值k取n或n为正整数。在同一装置上，使用单规格工具电极(4)，通过调整工具电极(4)摆动角速度与工件(3)摆动角速度的比值k，可以实现多种规格含弧扇段复杂凹、凸形面的工件精密减材电加工。在减材电加工工件凹形面过程中，任意时刻工具电极(4)的摆动角速度方向与工件(3)的摆动角速度方向相同，在减材电加工工件凸形面过程中，任意时刻工具电极(4)的摆动角速度方向与工件(3)
的摆动角速度方向相反。在减材电加工过程中，保持工件(3)中心轴线位置不变，使工具电极(4)向工件(3)的一侧作径向连续进给加工。在减材电加工过程中，保持工具电极(4)轴线位置不变，使工件(3)向工具电极(4)的一侧作径向连续进给加工。工件(3)的待加工表面是其外形面或内形面，工具电极(4)式样均为外形面电极，工具电极(4)外形面与工件(3)的待加工表面完成成形。工具电极(4)的材料可以是石墨、纯铜、不锈钢、铝合金、钨合金及铜碳复合材料。适用以上特征的减材加工方法包括电火花加工、电解加工、电解电火花复合加工以及机械加工与电加工复合加工。
14.与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
15.1、本发明针对含弧扇段复杂凹、凸形面难加工材料工件，通过工件与工具电极之间共轭回摆运动，可实现含弧扇段复杂凹、凸形面难加工材料工件的减材电加工；
16.2、本发明采用容易制造并保证加工精度的外形面回转体工具电极，减少了工具电极制造和检测难度；
17.3、本发明实现在同一台装置上，用单个规格回转体工具电极实现多种规格含弧扇段复杂凹、凸形面难加工材料工件减材电加工；
18.4、本发明在电加工过程中，通过共轭回摆运动和进给运动引起工作液流扰动，使得狭长加工区具有充分且良好的排屑和排气空间，去除了传统减材电加工中高压供液方式，减少电加工装置，配合简单的浸液式加工，就能达到较好的极间供液效果，获得稳定均匀的加工间隙，有助于提高工件形面的加工精度和表面完整性；
19.5、本发明通过共轭回摆运动，减少传统减材电加工时的空行程占比，提高了加工效率，降低了减材电加工设备运动机构空间和设备体积。
附图说明
20.图1共轭回摆式精密减材电加工弧扇段凸形面工件成形原理图
21.图2共轭回摆式精密减材电加工弧扇段凹形面工件成形原理图
22.图3共轭回摆式精密减材电加工弧扇段凸形面成形实施例仿真模型(k＝8)
23.图4共轭回摆式精密减材电加工弧扇段凸形面成形实施例仿真模型流场分析网格划分
24.图5共轭回摆式精密减材电加工弧扇段凸形面成形实施例仿真模型流体区域某一点t1的位置
25.图6共轭回摆式精密减材电加工弧扇段凸形面成形实施例仿真模型流体区域某一点t1的统计速度曲线
26.图7共轭回摆式精密减材电加工弧扇段凸形面成形实施案例仿真模型流体区域某一点t1的统计压力曲线
27.图8外齿轮电极共轭回摆式精密减材电加工大节径外齿轮块实施例
28.图9外螺纹电极共轭回摆式精密减材电加工大直径内螺纹弧扇型搓丝板实施例(k＝2)
29.图10外径向直线轮廊电极共轭回摆式精密减材电加工摆线齿形样板刀实施例
30.图11外齿条块状电极共轭回摆式精密减材电加工渐开线齿形样板刀实施例
31.图中标号名称：1、第一轴，2、第二轴，3、工件，4、工具电极，5、工作液循环供给系
统，6、加工电源。
具体实施方式
32.下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，以下所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。
33.图1所示为共轭回摆式精密减材电加工弧扇段凸形面工件成形原理图。两电极整体浸没于工作液中，弧扇段外形面工件(3)以等角速度ω1围绕本身轴线o1作往复回摆运动，工具电极(4)以相反旋转方向的另一等角速度ω2围绕轴心o2作往复回摆运动。工具电极(4)同时沿着o1o2连线方向，以速度v向弧扇段外形面工件(3)连续径向进给运动。开始时工具电极(4)上p
21
点与工件(3)上p
11
点相对进行电加工，紧接着工具电极(4)上p
22
点与工件(3)上p
12
点相对应。当工具电极(4)上p
23
点与工件(3)上p
13
点接触时，连接o1p
14
的夹角为θ1，连接o2p
24
的夹角为θ2，即之后工具电极(4)旋转θ2过程中对应于工件(3)共轭旋转θ1，保证工具电极(4)上p
24
点与工件(3)上p
14
点对应接触。同理，工具电极(4)上p
25
点与工件(3)上最上边沿p
15
点对应接触，之后工具电极(4)与工件(3)同时改变旋转方向保证各相对点对应进行往复摆动电加工(图1中双点划线位置表示工件(3)运动的两个极限位置)，即工具电极(4)与工件(3)的相对运动符合某种类型一对共轭体的运动规律。上述电加工过程中，工具电极(4)摆动角速度与工件(3)摆动角速度的比值k计算公式为：
[0034][0035]
图2所示为共轭回摆式精密减材电加工弧扇段凹形面工件成形原理图。两电极整体浸没于工作液中，与共轭回摆式减材电加工弧扇段外形面工件成形原理类似，工具电极(4)上每个点始终保持着与工件(3)弧状内形面上相对应1个角相位点互相重合的规律进行共轭回摆连续进给减材电加工。
[0036]
图3所示共轭回摆式精密减材电加工弧扇段凸形面成形实施例仿真模型(k＝8)，定义某一时刻，整圆o2上一点p
24
，p
24
o2与水平中心线为θ2，弧扇段上一点p
14
，p
14
o1与水平中心线为θ1，此实施例θ2＝8θ1，即此时工具电极外形面固体边界为φ7.13mm的整圆o2，以16r/s的速度围绕圆心o2来回摆动，其上、下两个极限摆动位置p
21
o2和p
25
o2与水平中心线o1o2的夹角绝对值为96
°
。工件固体边界为r24.93mm的和r21.29mm组成的一个弧扇段(弧扇段中心半径为r23.11mm)，该弧扇段沿着水平中心线o1o2以2r/s的速度围绕圆心o1来回摆动，并且其上、下两个极限摆动位置与水平中心线o1o2的夹角绝对值为24
°
。定义工具电极与弧扇段之间的加工极间间隙为0.5mm。以上流场模型在ansys2022r1 workbench design modeler中建立。
[0037]
图4所示共轭回摆式精密减材电加工弧扇段凸形面成形实施例仿真模型流场分析网格划分，流场模型导入ansys 2022r1 workbench mesh组件中，采用三角形网格进行网格划分，并对接触区域边界进行加密，以保证流体动力学计算精度。最终网格划分图如图4所示，计算可知该网格模型的网格单元指标均在0.63以上，能够满足计算流体动力学仿真要求。将划分好的网格模型导入ansys 2022r1 fluent进行求解。由实际加工情况，设置求解器主要参数为：压力基瞬态求解器，速度方程设定为绝对速度方程，湍流方程为标准k-e双
方程，标准近壁面处理方式；流体相为去离子水；利用udf程序定义动网格；选用simplec算法；采用时间步数为2000，时间步长为0.0005s，最大迭代数为10进行瞬态计算。
[0038]
图5所示共轭回摆式精密减材电加工弧扇段凸形面成形实施例仿真模型流体区域某一点t1的位置，处于加工极间间隙中点位置。通过ansys 2022r1 workbench后处理组件，测量流体区域中间隙中点t1(如图4)的速度和压力随时间的变化曲线。
[0039]
图6所示共轭回摆式精密减材电加工弧扇段凸形面成形实施例仿真模型流体区域某一点t1的统计速度曲线，当t1点位于1个循环周期内极间间隙最小处时，此时该点处具有极值速度，相对于其他时刻速度的提升幅度明显。
[0040]
图7所示共轭回摆式精密减材电加工弧扇段凸形面成形实施例仿真流体区域某一点t1的统计压力曲线，该点处统计压力曲线趋于平稳。分析图6和图7两曲线，可知通过工具电极和工件之间的共轭回摆运动，可使加工极间间隙具有较好的流场状态，能改善极间间隙的排屑、排气状态，有利于提升减材电加工的加工效率和加工质量。
[0041]
图8所示为外齿轮电极共轭回摆式精密减材电加工大节径外齿轮块实施例。两电极整体浸没于工作液中，外齿轮电极(4)与难加工材料齿轮块(3)满足共轭回摆运动条件，外齿轮电极(4)往复摆动角速度等于工件齿轮块(3)往复摆动角速度(k＝1)，同时外齿轮电极(4)向工件进行连续径向进给加工获得外齿轮块(3)。通过增大角速度比值k，使用容易达到高尺寸精度和形状位置精度的小直径外齿轮电极，以类似的共轭回摆式精密减材电加工方法，可以加工出大节径弧状外齿轮块和内齿轮块。
[0042]
图9所示外螺纹电极共轭回摆式精密减材电加工大直径内螺纹弧扇形搓丝板实施例。两电极整体浸没于工作液中，单头外螺纹电极往复摆动角速度是大直径工件往复摆动角速度值的2倍(k＝2)，外螺纹电极除了往复摆动外，还沿着径向向工件进给运动，通过共轭回摆式减材电加工方法获得大直径双头内螺纹弧扇形搓丝板。用类似的方法可以加工大直径多头螺纹外螺纹块和内螺纹块。
[0043]
图10所示为外径向直线轮廊电极精密减材电加工摆线齿形样板刀实施例。两电极整体浸没于工作液中，利用工具电极(4)上的一对径向直线轮廓回摆运动，配合工件(3)的往复回摆运动和连续进给运动，加工形成工件(3)上的摆线齿形样板刀轮廓。与机械逐点加工此类样板刀方法相比较，共轭回摆式精密减材电加工方法获得的样板刀线形面过渡平滑，尺寸精度更高，加工也较为方便。
[0044]
图11所示为外齿条块状电极精密减材电加工渐开线齿形样板刀实施例。两电极整体浸没于工作液中，齿条块工具电极(4)以速度v2作往复直线运动，视作为一种往复回摆半径为无限大特殊情况。工件(3)作往复回摆运动，同时相对工具电极(4)作连续进给运动。在加工的最终位置，齿条块工具电极(4)的节径线与工件(3)回摆轴线的距离等于样板刀渐开线齿形所在的假想齿轮的节半径。利用容易控制加工精度的直线轮廓电极，加工得到很精确的摆线齿形样板刀。

技术特征：
1.一种共轭回摆式精密减材电加工技术方法，适用于含弧扇段复杂凹、凸形面难加工材料工件的成形加工，其特征在于包括以下过程：第一轴(1)与第二轴(2)在空间中位于同一平面内，相交成某一固定角度e；工件(3)待加工表面为弧扇段形面，弧扇段形面圆周占有角小；工具电极(4)为回转体结构；工件(3)安装于第一轴(1)，工具电极(4)安装于第二轴(2)；工件(3)和工具电极(4)采用完全浸没于工作液中的供液方式；在减材电加工过程中，工件(3)上某一固定角方位始终与工具电极(4)上某个或某几个固定角方位保持对应重合规律：一种实现方式是工具电极(4)以等角速度围绕第二轴(2)作往复回摆运动，同时工件(3)以等角速度围绕第一轴(1)作往复回摆运动；另一种实现方式是工具电极(4)以等角速度围绕第二轴(2)作转摆运动和往复直线运动，工件(3)以等角速度围绕第一轴(1)作往复回摆运动；工具电极(4)摆动角速度与工件(3)摆动角速度的比值k恒定，该值可按加工需要调整；工件(3)与工具电极(4)距离可以连续调节，实现径向进给加工运动；工件(3)与工具电极(4)作回摆运动时，两者之间没有相对轴向运动；在减材电加工螺纹或齿轮等共轭形面过程中，在转换电加工规准前，工具电极(4)首先退出工件，在轴向移动一个相当于工件(3)厚度的螺距或齿厚整数倍数值以补偿工具电极(3)的损耗，之后再重复以上特征继续加工；通过工具电极(4)与工件(3)之间按角相位重合回摆规律运动，利用减材电加工原理由工具电极(4)的外形面蚀除加工出工件(3)的弧扇段形面。2.根据权利要求1所述的回摆式减材电加工技术方法，其特征在于：在减材电加工过程中，第一轴(1)与第二轴(2)之间的夹角e可以是0
°
到90
°
之间任意一个数值。3.根据权利要求1所述的回摆式减材电加工技术方法，其特征在于：在减材电加工过程中，工具电极(4)摆动角速度与工件(3)摆动角速度的比值k，等于工件(3)摆动角度与工具电极(4)摆动角度的比值，在加工螺纹、齿轮等共轭形面时，工具电极(4)摆动角速度与工件(3)摆动角速度的比值k取n或n为正整数。4.根据权利要求1所述的回摆式减材电加工技术方法，其特征在于：在同一装置上，使用单规格工具电极(4)，通过调整工具电极(4)摆动角速度与工件(3)摆动角速度的比值k，可以实现多种规格含弧扇段复杂凹、凸形面的工件精密减材电加工。5.根据权利要求1所述的回摆式减材电加工技术方法，其特征在于：在减材电加工工件凹形面过程中，任意时刻工具电极(4)的摆动角速度方向与工件(3)的摆动角速度方向相同，在减材电加工工件凸形面过程中，任意时刻工具电极(4)的摆动角速度方向与工件(3)的摆动角速度方向相反。6.根据权利要求1所述的回摆式减材电加工技术方法，其特征在于：在减材电加工过程中，保持工件(3)中心轴线位置不变，使工具电极(4)向工件(3)的一侧作径向连续进给加工。7.根据权利要求1所述的回摆式减材电加工技术方法，其特征在于：在减材电加工过程
中，保持工具电极(4)轴线位置不变，使工件(3)向工具电极(4)的一侧作径向连续进给加工。8.根据权利要求1所述的回摆式减材电加工技术方法，其特征在于：工件(3)的待加工表面是其外形面或内形面，工具电极(4)式样均为外形面电极，工具电极(4)外形面与工件(3)的待加工表面完成成形。9.根据权利要求1所述的回摆式减材电加工方法，其特征在于：工具电极(4)的材料可以是石墨、纯铜、不锈钢、铝合金、钨合金及铜碳复合材料。10.根据权利要求1所述的回摆式减材电加工方法，其特征在于：适用以上特征的减材加工方法包括电火花加工、电解加工、电解电火花复合加工以及机械加工与电加工复合加工。

技术总结
本发明涉及一种共轭回摆式精密减材电加工技术方法，属于电加工技术领域。其特征是，在减材电加工过程中，工件上某一固定角方位始终与工具电极上某个或某几个固定角方位保持对应重合规律。通过工件和工具电极围绕各自轴线作往复回摆运动，同时工具电极相对工件作连续进给运动实现；或通过工具电极作转摆运动和往复直线运动，同时工件作往复回摆运动实现。本发明可减少含弧扇段难加工材料工件的加工空行程和运动机构空间，整体浸液加工配合共轭回摆运动能改善加工极间间隙的排屑和排气条件，获得稳定均匀极间间隙状态，提高工件加工精度和表面完整性，本发明适用于含弧扇段复杂凹、凸形面难加工材料的高效精密成形，拓展了电加工技术的适用范围。工技术的适用范围。工技术的适用范围。


技术研发人员：夏斯伟 刘志东 赵剑峰 吴小川
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：2023.06.27
技术公布日：2023/10/11