一种旋转超声振动辅助电解加工系统及方法

本发明涉及超声电解复合加工，特别是涉及一种旋转超声振动辅助电解加工系统及方法。

背景技术：

1、电解加工是一种基于电化学阳极溶解原理，采用形状合理的工具阴极实现工件成形的一种特种加工制造方法，加工过程不受限于材料的硬度，具有无切削力、加工工具无损耗、适用性广泛等优点。在一些场合，受工具电极尺寸限制，电解加工的材料去除率只能达到数百mm3/min,难以满足大型结构件高效加工的制造要求。

2、超声加工是一种利用超声波振动作用于工件表面，通过高频振动将磨料或刀具对工件表面进行切削、磨削或去除材料的加工方法。超声加工时，工具端面做超声频振动，借助工具和工件之间液体中的游离磨料对被加工表面进行机械撞击和抛磨作用，实现工件材料的去除，具有宏观切削力小，表面质量好等优点。

3、在电解加工的基础上辅以超声振动，利用超声振动特有的空化作用可去除已加工区的氧化层，并提高加工间隙内电解液的循环效率，可提升材料去除率。目前超声电解复合加工主要有工具振动、工件振动和溶液振动三种类型。溶液超声振动较为容易实现，例如申请公布号为cn117047209a的中国发明专利，公开了“超声辅助放电-电化学-机械复合精加工方法与装置”，其通过安装在电解槽底部的超声振子来实现溶液的超声振动。此种振动方式存在着一定的局限性，即振子的振动不能有效地传递到工件的加工区，存在能量损失，且振动范围较大，容易产生电解液发热的现象。阴极工具振动目前成果较多，例如扬州大学丁翔在《旋转超声复合/辅助电解-放电展成加工系统设计与试验》中提出了一种旋转超声振动辅助电解加工系统，实现了主轴的超声振动，该加工系统将工件固定在工作台上，工具电极与工件同时浸没在电解液中，工具电极伴随着旋转和轴向超声振动作进给运动，通过旋转超声作用和工件与电极间的间隙电解放电加工去除材料。以上两种技术均属于静液式加工，采取静液式加工，在加工深槽或深孔等结构时，超声振动在实现加工区域内的电解液与外部电解液之间的交换方面效果一般，导致加工间隙内的难溶性产物难以及时排出，从而减小电流密度，甚至可能产生短路的情况，同时电解加工会产生大量的热，这些热量在加工区域内累积，导致电解液的电导率发生变化，降低了加工精度与表面质量。由此可知，静液式加工很难实现深槽或深孔等结构的高质量加工。

4、因此，本领域亟需一种电解加工系统以解决上述现有技术中存在的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种旋转超声振动辅助电解加工系统及方法，以解决上述现有技术存在的问题，能够提高加工区的电解液循环更新效果，提高加工效率，保证加工精度与表面质量，并且能够使超声振动集中传递到工件加工区，降低能量损失。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、本发明提供一种旋转超声振动辅助电解加工系统，包括机床主轴、导电滑环、超声波发生器、电解直流电源和超声振动装置，所述超声振动装置包括主轴连接杆、超声振子、导电橡胶套、变幅杆、阴极杆和阴极头；

4、所述导电滑环的定子固定于机床上，定子接线端分别连接所述超声波发生器的正负极，所述导电滑环的转子固定于所述机床主轴上，转子接线端分别连接所述超声振子的正负极；

5、所述主轴连接杆同轴线固定于所述机床主轴上，所述变幅杆固定于所述主轴连接杆上，并与所述超声振子固定连接，所述主轴连接杆下端通过所述导电橡胶套与所述阴极杆上端连接，所述阴极头固定于所述阴极杆下端；所述变幅杆下端与所述阴极杆连接，用于通过所述阴极杆将振动传递至所述阴极头；

6、所述主轴连接杆、所述导电橡胶套、所述阴极杆和所述阴极头内部连通构成电解液流道；

7、所述电解直流电源的正极与工件连接，负极与所述机床主轴连接。

8、优选地，所述导电滑环的转子与所述机床主轴之间设有绝缘套筒。

9、优选地，所述变幅杆为v形变幅杆，所述超声振子分布在所述v形变幅杆的上部两端。

10、优选地，所述变幅杆表面进行黑色氧化处理。

11、优选地，所述变幅杆的外表面涂有绝缘层。

12、优选地，所述变幅杆与所述阴极杆之间设有绝缘陶瓷，所述变幅杆与所述主轴连接杆之间设有绝缘陶瓷。

13、优选地，所述导电滑环的外壳、所述主轴连接杆、所述阴极杆、所述阴极头采用耐腐蚀金属材料。

14、本发明提供一种旋转超声振动辅助电解加工方法，基于以上所述的旋转超声振动辅助电解加工系统，包括以下步骤：

15、步骤一：将工件固定在加工区，移动机床的x轴和y轴，使所述阴极头处在工件的预定加工位置，然后调整z轴，确定所述阴极头与工件的初始加工间隙；

16、步骤二：将机床主轴接通所述电解直流电源的负极，工件接通所述电解直流电源的正极，打开阀门，电解液经过所述机床主轴、所述主轴连接杆、所述导电橡胶套和所述阴极杆，从所述阴极头喷出，作用在工件表面；

17、步骤三：打开所述超声波发生器，所述超声振子产生的振动经所述变幅杆传递到所述阴极杆，并进一步传递到所述阴极头，使所述阴极头产生纵向超声振动；

18、步骤四：打开所述电解直流电源，运行机床加工程序，所述机床主轴旋转的同时沿着进给方向运动，实现超声振动辅助电解加工。

19、本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

20、本发明在工作时，电解液经机床主轴、主轴连接杆、导电橡胶套和阴极杆，从阴极头喷出，作用在工件表面，导电滑环保证超声振动装置与机床主轴同步旋转，实现主轴的旋转超声振动与中心供液，采用中心供液(内喷液)能够更好地控制电解液的流动，强迫加工间隙内的电解液与外界交换，提高加工区的电解液循环更新效果，从而带走加工产物以及产生的热量，提高加工效率，保证加工精度与表面质量。本发明采用分段式工具电极设计，将阴极杆通过导电橡胶套与主轴连接杆软性连接，能够抑制振幅向上传递，将超声振动集中传递到工件加工区，降低能量损失。

21、进一步地，本发明将变幅杆设置为v形变幅杆，通过v形变幅杆下端连接阴极杆，v形变幅杆两边的下端面可获得更小的水平间距，使得两边超声振子的振动更容易集中到中心加工区，具有将振动向中心传递的作用，使振幅集中于工件加工区，减少了振动能量损耗，提高了振动效果。

技术特征：

1.一种旋转超声振动辅助电解加工系统，其特征在于：包括机床主轴、导电滑环、超声波发生器、电解直流电源和超声振动装置，所述超声振动装置包括主轴连接杆、超声振子、导电橡胶套、变幅杆、阴极杆和阴极头；

2.根据权利要求1所述的旋转超声振动辅助电解加工系统，其特征在于：所述导电滑环的转子与所述机床主轴之间设有绝缘套筒。

3.根据权利要求1所述的旋转超声振动辅助电解加工系统，其特征在于：所述变幅杆为v形变幅杆，所述超声振子分布在所述v形变幅杆的上部两端。

4.根据权利要求1所述的旋转超声振动辅助电解加工系统，其特征在于：所述变幅杆表面进行黑色氧化处理。

5.根据权利要求1所述的旋转超声振动辅助电解加工系统，其特征在于：所述变幅杆的外表面涂有绝缘层。

6.根据权利要求1所述的旋转超声振动辅助电解加工系统，其特征在于：所述变幅杆与所述阴极杆之间设有绝缘陶瓷，所述变幅杆与所述主轴连接杆之间设有绝缘陶瓷。

7.根据权利要求1所述的旋转超声振动辅助电解加工系统，其特征在于：所述导电滑环的外壳、所述主轴连接杆、所述阴极杆、所述阴极头采用耐腐蚀金属材料。

8.一种旋转超声振动辅助电解加工方法，其特征在于：基于权利要求1～7中任一项所述的旋转超声振动辅助电解加工系统，包括以下步骤：

技术总结本发明公开一种旋转超声振动辅助电解加工系统及方法，系统包括机床主轴、导电滑环、超声波发生器、电解直流电源和超声振动装置，超声振动装置包括主轴连接杆、超声振子、导电橡胶套、变幅杆、阴极杆和阴极头；导电滑环的定子固定于机床上，定子接线端分别连接超声波发生器的正负极，导电滑环的转子固定于机床主轴上，转子接线端分别连接超声振子的正负极；主轴连接杆固定于机床主轴上，变幅杆固定于主轴连接杆上，并与超声振子固定连接，主轴连接杆下端通过导电橡胶套与阴极杆上端连接，阴极头固定于阴极杆下端；变幅杆与阴极杆连接。本发明提高了加工区电解液循环更新效果，能够使超声振动集中传递到工件加工区，降低能量损失。技术研发人员：房晓龙,于清清,芦小龙,姚仁逸受保护的技术使用者：南京航空航天大学技术研发日：技术公布日：2025/1/13