專利名稱：一種電化學機械復合電極鉆的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種用于鉆削超硬金屬材料及金屬基復合材料的新 型電化學機械復合電極鉆，屬于電化學機械復合電極鉆的創(chuàng)新技術(shù)。
技術(shù)背景
目前，能在超硬金屬材料及金屬基復合材料上打孔的方法主要有激 光加工、超聲加工、電火花加工、電解加工、磨料射流加工、機械加工， 其中機械加工的方法加工超硬的材料，必須釆用比工件材料更硬的刀具，這 無疑大大提高了加工的成本，且加工過程中刀具的磨損非常嚴重，特別M 加工金屬基復合材料上，就算采用金剛石膜刀具，也無法防止刀具的快速磨 損，并且加工后的工件表面存在各種缺陷，難以獲得高質(zhì)量的加工表面，實 踐證明，機械加工的方法很難滿足超硬金屬材料及金屬基復合材料加工的 要求。超聲加工及激光加工雖然不存在刀具磨損的問題，且對材料的硬度和
成分并不敏感,但是，其加工過程中的熱損傷極大；電火花加工雖然熱損傷 比激光加工小，但是其加工的效率極低，且加工金屬基復合材料時，由于其 存在不導電的非金屬顆粒，又使得電火花加工本來就不髙的加工效率大打
折扣，并且造成了排屑的困難。電解加工的效率雖然比電火花高5-10倍,
但是很少見到電解加工在金屬基復合材料加工中的應用，原因是在加工金 屬基復合材料時會存在導電性不好和較嚴重的排屑不暢等問題，且其加工 的精度難以滿足實際的需要。磨料射流加工由于其加工質(zhì)量的不穩(wěn)定而大 大限制了其的應用。 由上可見，伴隨著科學技術(shù)和社會的不斷發(fā)展，現(xiàn)有的加工超硬金屬材料及金屬基復合材料的手段和加工技術(shù)已不能滿足工業(yè)化的需求。迫切需 要發(fā)展更為先進的加工技術(shù)。特別是現(xiàn)代航空工業(yè)，汽車工業(yè),模具制造業(yè) 中都迫切需要發(fā)展一種能在超硬金屬材料及金屬基復合材料上鉆高質(zhì)量的 孔的技術(shù)
實用新型內(nèi)容
本實用新型的目的在于考慮上述問題而提供 一種可以實現(xiàn)在超硬金屬 材料及金屬基復合材料上高效率、低成本鉆高質(zhì)量的孔的電化學機械復合 電極鉆。
本實用新型電化學機械復合電極鉆的技術(shù)方案是包括有柄部及刃部， 其中刃部包括有突出柄部的若干電極片和磨料片，若干電極片和磨料片彼 此相間裝設(shè)在柄部上。
上述相鄰電極片與磨料片之間留有以便電解液的流動以及切屑排出的間隙。
上述柄部的中部做出為以便向加工區(qū)域供給電解液的空心結(jié)構(gòu)。
上述電極片的高度做出比磨料片的髙度低，其厚度也比磨料片的厚度薄。
上述磨料片與柄部可為絕緣拼接式，磨料片單獨做出，再固定在柄部 上，且磨料片與柄部的結(jié)合處進行絕緣處理，柄部上的工作電流不能流經(jīng) 磨料片。
上述磨料片與柄部也可為非絕緣拼接式，磨料片單獨做出，再固定 在柄部上，磨料片與柄部的結(jié)合處不絕緣，磨料片上做出有突出的與工件 絕緣的絕緣磨料。
上述磨料片與柄部還可為整體式，磨料片上做出有突出的與工件絕緣 的絕緣磨料。
上述磨料片為單層或多層，并通過負脈沖反電解的方式去除粘附在磨 料片上的金屬屑。本實用新型復合電極鉆的刃部由于釆用包括有突出柄部的若干電極片 和磨料片的結(jié)構(gòu)，在加工時，電能通過復合電極鉆的電極片對工件進行電 加工，同時，復合電極鉆的磨料片對工件進行磨削加工，其中電加工的形 式主要表現(xiàn)為電解作用，電解作用具有加工效率高、工具基本無損耗等優(yōu) 點，在本實用新型的加工裝置中作為去除材料的主要手段之一，但是，在 電解加工過程中產(chǎn)生的電解產(chǎn)物或者在一些情況下產(chǎn)生的鈍化膜會堆積在 工件的表面，嚴重阻礙電解加工的繼續(xù)進行，大大降低了加工效率，特別是 加工金屬基復合材料的時候，非金屬顆粒很難通過電加工的方式去除或者 會不斷堆積，以致加工難以進行，另外，純電解加工由于存在較大的加工間 隙且難以控制而導致加工精度不高，本實用新型復合電極鉆磨料片外圍的 絕緣磨粒正是為解決這一問題而設(shè)計的，磨粒在對工件進行磨削的過程中， 不僅有效刮除了電解產(chǎn)物和鈍化膜，更重要的是釆用了有效的運動形式和 供液方式，讓其及時排出，這無疑會大大提高加工系統(tǒng)的除效率。而且通 過設(shè)計和控制復合電極鉆磨料片磨粒層的厚度可以獲得合適且均勻的電加 工間隙，有效避免了短路，配合磨料層和工件接觸式的加工方式，大大提高 了加工精度，且降低了控制系統(tǒng)的成本。能實現(xiàn)超硬金屬材料和金屬基復 合材料的高效，高精度，低成本加工。本實用新型是一種設(shè)計巧妙，性能 優(yōu)良，方便實用的電化學機械復合電極鉆。


圖i為本實用新型中復合電極鉆的整體立體圖2為本實用新型實施例1中復合電極鉆與工件之間的安裝示意圖3為本實用新型實施例2中復合電極鉆與工件之間的安裝示意圖4為本實用新型實施例2中復合電極鉆的仰視圖5為本實用新型中加工裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
實施例1:本實用新型復合電極鉆的整體立體圖如圖1所示，包括有柄部1及刃
部2，其中刃部2包括有突出柄部1的若干電極片21和磨料片22,若干電 極片21和磨料片22彼此相間裝設(shè)在柄部1上，且相鄰電極片21與磨料片 2 2之間留有以便電解液的流動以及切屑排出的間隙3 。
本實施例中，上述柄部1的中部做出為以便向加工區(qū)域供給電解液的 空心結(jié)構(gòu)。上述電極片21的高度做出比磨料片22的高度低，其厚度也比 磨料片22的厚度薄。
另外，上述磨料片22與柄部1可為絕緣拼接式，磨刺片22單獨做 出，再固定在柄部1上，且磨料片22與柄部1的結(jié)合處進行絕緣處理，柄 部1上的工作電流不能流經(jīng)磨料片22。上述磨料片22與柄部1也為非絕 緣拼接式，磨料片22單獨做出，再固定在柄部1上，磨料片22與桐部1 的結(jié)合處不絕緣，磨料片22上做出突出的與工件絕緣的絕緣磨料。上述磨 料片22與柄部1還可為整體式，磨料片22上做出突出有與工件絕緣的絕 緣磨料。上述磨料片22為單層或多層，并通過負脈沖反電解的方式去除粘 附在磨料片22上的金屬屑。
本實用新型使用上述電化學機械復合電極鉆的加工裝置的結(jié)構(gòu) 示意圖如圖5所示，包括能讓復合電極鉆整體實現(xiàn)平穩(wěn)可控的高速自 旋運動的機械運動機構(gòu)、控制系統(tǒng)33、加工電源34、電解液供給系 統(tǒng)37,其中加工電源34的負極和正極分別與復合電極鉆的電極片21 及工件30連接，加工電源34的內(nèi)部包含有相應的電源控制系統(tǒng)，電 源控制系統(tǒng)與控制系統(tǒng)33連接，上述機械運動機構(gòu)包括陶瓷軸承高 速電主軸27、旋轉(zhuǎn)接頭35、通過控制系統(tǒng)33能使工件和復合電極鉆 進行復雜的相對運動的工作臺36、電解液槽32，其中陶瓷軸承高速 電主軸27為空心結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)接頭35裝設(shè)在陶瓷軸承高速電主軸27 的下端，復合電極鉆的柄部1夾持在裝設(shè)于陶瓷軸承高速電主軸27 的夾頭上，復合電極鉆的電極片21通過電刷系統(tǒng)28與加工電源34的負極連接，電解液槽32裝在工作臺36的下部，電解液槽32通過 其底部所設(shè)的回收孔及管道與電解液供給系統(tǒng)37連接，工件30的旁 側(cè)設(shè)有與電解液供給系統(tǒng)37連接的噴嘴25。陶瓷軸承高速電主軸27 可由電機驅(qū)動，并通過變頻器調(diào)節(jié)其速度。陶瓷軸承高速電主軸27 可配合旋轉(zhuǎn)接頭35向加工區(qū)域供應電解液。
上述工作臺36上裝設(shè)有X軸運動導軌24、 Y軸運動導軌23、 Z軸 運動導軌26，其中電主軸27裝設(shè)在Z軸運動導軌26上，Z軸運動導 軌26固定在X軸運動導軌24上，X軸運動導軌24支承在Y軸運動 導軌23上。
上述加工電源34的加工電流通過石墨電刷從電主軸27的下端爭入加 工的區(qū)域，門架釆用大理石結(jié)構(gòu)，電解液槽32釆用耐腐蝕的材料制作，并且 和機床主體絕緣。
上述機械運動機構(gòu)能讓復合電極鉆整體實現(xiàn)平穩(wěn)可控的高速自旋運 動，加工電流通過專制的石墨電刷從電主軸的下端導入，由于采用陶瓷球軸 承，電主軸的外殼及設(shè)備的其它模塊均不帶電，旋轉(zhuǎn)接頭35可根據(jù)加工的 需要從主軸的上端將高速高壓的電解液通過空心的主軸導入加工的區(qū)域， 變頻器可以調(diào)節(jié)工具的旋轉(zhuǎn)速度，龍門架可釆用大理石等結(jié)構(gòu)，達到很高的 強度和耐腐蝕性，電解液槽和夾具系統(tǒng)亦采用耐腐蝕的材料制作，并且和機 床主體絕緣。
控制系統(tǒng)包括計算機設(shè)備、控制程序、電壓或電流監(jiān)測裝置、加工力 的測量監(jiān)控裝置，加工過程的監(jiān)控裝置、電機驅(qū)動器等。
加工電源根據(jù)具體加工的需要可以為可調(diào)的直流或脈沖電源，其內(nèi)部 包含有相應的電源控制系統(tǒng)，且與總控制系統(tǒng)連接，電源的負極和正極分 別與電極及工件妥善連接，考慮到加工金屬基復合材料的時候，工件材料在 工具上的粘附現(xiàn)象，加工電源能產(chǎn)生正負兩種脈沖，適應不同加工的需要。
電參數(shù)監(jiān)控裝置能根據(jù)釆集到的加工過程中的電信號，判斷加工的狀態(tài)，并對加工狀態(tài)進行及時的調(diào)整。
加工力的測量監(jiān)控裝置能及時檢測出加工過程中的力，并根據(jù)釆樣的 信號，對加工狀態(tài)進行判斷和調(diào)整。
工作臺控制系統(tǒng)能發(fā)出各種運動指令，并接受總控系統(tǒng)的實時調(diào)節(jié)命 令，控制工作臺相對于電極的運動軌跡，以滿足鉆群孔的需要。
本實用新型加工裝置的加工工藝與過程如下
1. 調(diào)節(jié)電化學機械復合電極鉆中電極片21在合適的速度下做自旋 運動，電極片21及工件分別接加工電源的負極和正極。
2. 在加工過程中，加工裝置對工件進行包含有電加工和磨削加工雙重 效果的復合加工。
3. 在加工過程中，控制系統(tǒng)能靈敏控制電極片21與工件的相對位置 以及加工力，并防止短路。
4. 在加工過程中，根據(jù)具體需要，選用可控的直流或脈沖加工電源， 可根據(jù)需要考慮加入負脈沖。
5. 在加工過程中，電解液可通過旋轉(zhuǎn)接頭和空心主軸從內(nèi)部供給， 保證加工區(qū)域充滿高速流動的電解液，也可通過噴嘴從外部供給。
6. 在加工過程中，磨削作用主要去除鈍化膜，非金屬顆粒和輔助排 出電解產(chǎn)物。
7. 在加工過程中，磨料片和電極片的厚度差用來形成電解間隙和保 證加工的精度。
8. 在加工過程中，控制系統(tǒng)能對加工狀況進行實時監(jiān)視并進行調(diào)節(jié)， 使整個加工體系保持最佳的狀態(tài)。
9. 在加工過程中，根據(jù)不同的加工材料與加工的具體要求，電解液 可以為NaN03、 NaCl、 CuS04、 Na3P04等中性溶液，也可以為添加NaOH等堿
性溶液，或者以上溶液一定比例的混合。電解液通過過濾循環(huán)系統(tǒng)反復使 用。本實用新型工作時，其具體原理是系統(tǒng)中的電能通過復合電極鉆的 金屬片部分對工件進行電加工，而系統(tǒng)中的機械能主要體現(xiàn)在新型復合電 極鉆的磨料片對工件進行的磨削作用上。其中，電加工的形式主要表現(xiàn)為 電解作用，電解作用具有加工效率高、工具基本無損耗等優(yōu)點，在本系統(tǒng) 中作為去除材料的主要手段之一，但是實踐表明，在電解加工過程中產(chǎn)生 的電解產(chǎn)物或者在一些情況下產(chǎn)生的鈍化膜會堆積在工件的表面，嚴重阻 礙電解加工的繼續(xù)進行，大大降低了加工效率，特別是加工金屬基復合材料 的時候，非金屬顆粒很難通過電加工的方式去除或者會不斷堆積，以致加工 難以進行，另外，純電解加工由于存在較大的加工間隙且難以控制而導致加 工精度不高,本實用新型中的新型復合電極鉆外圍的絕緣磨粒正是為解決 這一問題而設(shè)計的，磨粒在對工件進行磨削的過程中，不僅有效刮除了電 解產(chǎn)物和鈍化膜，更重要的是采用了有效的運動形式和供液方式，讓其及 時排出，這無疑會大大提高加工系統(tǒng)的效率。而且通過設(shè)計和控制復合電 極鉆磨粒層的厚度可以獲得合適且均勻的電加工間隙，有效避免了短路， 配合磨料層和工件接觸式的加工方式，大大提高了加工精度，且降低了控制 系統(tǒng)的成本。能實現(xiàn)超硬金屬材料和金屬基復合材料的高效，高精度，低 成本加工。
實施例2:
本實用新型復合電極鉆的結(jié)構(gòu)與實施例l相同，不同之處在于相鄰電 極片21與磨料片22之間沒有留有間隙，如圖3、 4所示，該實施例適用于
特殊的大載荷的工作環(huán)境，然而供液和排屑性能不如實施例1。
權(quán)利要求1、一種電化學機械復合電極鉆，包括有柄部(1)及刃部(2)，其特征在于刃部(2)包括有突出柄部(1)的若干電極片(21)和磨料片(22)，若干電極片(21)和磨料片(22)彼此相間裝設(shè)在柄部(1)上。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電化學機械復合電極鉆，其特征在于上述相鄰 電極片(21)與磨料片(22)之間留有以便電解液的流動以及切屑排出的間隙(3)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電化學機械復合電極鉆，其特征在于上述柄部 (1)的中部做出為以便向加工區(qū)域供給電解液的空心結(jié)構(gòu)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電化學機械復合電極鉆，其特征在于上述電極 片(21)的高度做出比磨料片(22)的高度低，其厚度也比磨料片(22)的厚 度薄。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電化學機械復合電極鉆，其特征在于上述磨料 片(22)與柄部(1)為絕緣拼接式，磨料片(22)單獨做出，再固定在柄部(1)上，且磨料片(22)與柄部(1)的結(jié)合處進行絕緣處理，柄部(1)上 的工作電流不能流經(jīng)磨料片(22)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電化學機械復合電極鉆，其特征在于上述磨料 片(22)與柄部(1)為非絕緣拼接式，磨料片(22)單獨做出，再固定在柄 部(1)上，磨料片(22)與柄部(1)的結(jié)合處不絕緣，磨料片(22)上做出 有突出的與工件絕緣的絕緣磨料。
7、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電化學機械復合電極鉆，其特征在于上述磨料 片(22)與柄部(1)為整體式，磨料片(22)上做出有突出的與工件絕緣的 絕緣磨料。
8、根據(jù)權(quán)利要求1至7任一項所述的電化學機械復合電極鉆，其特征在 于上述磨料片(22)為單層或多層，并通過負脈沖反電解的方式去除粘附在磨 料片('22 )上的金屬屑。
專利摘要本實用新型涉及一種用于鉆削超硬金屬材料及金屬基復合材料的新型電化學機械復合電極鉆。本實用新型電化學機械復合電極鉆包括有柄部(1)及刃部(2)，其中刃部(2)包括有突出柄部(1)的若干電極片(21)和磨料片(22)，若干電極片(21)和磨料片(22)彼此相間裝設(shè)在柄部(1)上，且相鄰電極片(21)與磨料片(22)之間留有以便電解液的流動以及切屑排出的間隙(3)。本實用新型加工裝置在加工時，電能通過復合電極鉆的電極片對工件進行電加工，同時，復合電極鉆的磨料片對工件進行磨削加工，其加工效率高、成本低，能加工高質(zhì)量的孔。
文檔編號B23H5/10GK201220307SQ200820003360
公開日2009年4月15日 申請日期2008年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月31日
發(fā)明者余大民, 劉江文, 郭鐘寧 申請人:香港理工大學