渐开线内花键多工位同步精密电解成形加工装置及方法与流程

本发明涉及电解加工的领域，尤其是涉及渐开线内花键多工位同步精密电解成形加工装置及方法。

背景技术：

随着航空、航天和汽车工业等行业的发展，航空发动机、汽车零部件、机载设备等领域对重量和结构的要求变得越来越苛刻，关键零部件越来越多地采用比强度和比刚度高的合金材料，并逐渐采用空心薄壁化、轻量化、整体化的结构。渐开线内花键具有定心精度高、承载能力大、齿面接触好、强度高、使用寿命长、结构紧凑、质量轻和启动承载能力强等优点，恰好满足这些领域对关键部件苛刻的要求。

在我国，渐开线内花键目前已被广泛使用，渐开线内花键的齿廓为渐开线，具有齿较短，齿根较宽，不发生根切的最小齿数较少的特点。渐开线内花键常用薄壁或盲孔结构，使用强度、硬度、刚度较高的难切削材料，对加工的稳定性及制造精度要求高。目前国内对于较高精度要求的渐开线内花键，只能采用插齿加工、电火花慢走丝线切割加工、拉削加工和磨削加工。

渐开线内花键插齿加工的插齿刀常采用高速钢、硬质合金、金属陶瓷、cbn、金刚石等材料，刀具的材料及制造成本高达数万元，易在加工中出现“崩刃”现象，刀具寿命短，较难保证精度的要求；插齿机成本较高，针对不同尺寸规格的渐开线内花键，需要专用规格的插齿机和插齿刀；插齿加工的产品存在残余应力，加工后会发生变形，并常有毛刺、划痕等表面缺陷，往往在插齿加工后需要增加磨削、去毛刺的工艺。

电火花慢走丝线切割加工是常用的小批量渐开线内花键加工手段，加工精度高，但是其加工效率低，产品表面会产生热影响区，表面质量较差，工时成本极高，不适宜大批量生产；

渐开线内花键拉削加工往往是大批量生产定型产品，拉刀结构复杂且价格高昂，需要昂贵的专用切削液，且不能加工盲孔。

磨削加工加工效率低，成本高，只能作为精加工的手段，且常常受限于特殊结构而无法进行磨削加工。

技术实现要素：

本发明提出了一种渐开线内花键多工位同步精密电解成形加工装置及方法，目的是为了在渐开线内花键制造领域探索新的工艺，解决渐开线内花键难以实现高精度、低成本、高效率加工的现实问题。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

渐开线内花键多工位同步精密电解成形加工装置，包括工具阴极、工装夹具、阳极工作台、电解液循环过滤系统以及快换夹头，其中：快换夹头与机床工作电源的负极连接，快换夹头的下端能一次固定安装多个工具阴极，工具阴极由阴极座、阴极导杆、阴极头和绝缘层组成，阴极座与快换夹头固定连接，阴极导杆上端与阴极座固定，下端固定有阴极头，绝缘层包覆在阴极导杆外，阴极头的横截面形状与工件毛坯需加工的加工渐开线内花键横截面形状相适应，阴极座、阴极导杆与阴极头同轴安装，工装夹具包括由导电材料制作的工件定位底座、工件压板以及背压罩，工件定位底座固定在阳极工作台上，阳极工作台与机床工作电源的正极连接，工件压板位于在工件定位底座上部，背压罩位于工件压板上部，工件定位底座、工件压板和背压罩组成数量与快换夹头能安装的工具阴极数量相同的工件定位腔，工件定位腔与工具阴极同轴设置，阴极头能够穿过背压罩进入工件定位腔中，工件毛坯能放入工件定位腔中，工件毛坯上端和下端分别被背压罩和工件定位底座压合固定，四周被工件压板限位，工件毛坯的轴心与对应的工具阴极轴心重叠，工装夹具的下部开设有第一循环孔，工装夹具的上部开设有第二循环孔，第一循环孔与工件定位腔上部连通，第二循环孔与工件定位腔下部连通，电解液循环过滤系统与第一循环孔和第二循环孔连接，电解液在解液循环过滤系统、第一循环孔、工件定位腔和第二循环孔中循环流动，快换夹头能在机床主轴带动下下移，使固定在快换夹头上的若干个工具阴极同时向下移动，阴极头进入对应的工件毛坯的预孔中，对工件毛坯加工渐开线内花键。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

上述的第一循环孔开设在背压罩上，第二循环孔开设在工件定位底座上，解液循环过滤系统能将过滤后的电解液从第二循环孔泵入工件定位腔，再从第一循环孔回收电解液进行过滤。

上述的背压罩在每个阴极导杆穿过的位置处设置有密封槽，槽内放置第一密封圈，密封压板压在密封槽上固定，使第一密封圈密封背压罩与阴极导杆之间的间隙。

上述的背压罩与工件压板的连接处设置有第二密封圈，第二密封圈用于密封背压罩与工件压板之间的间隙。

上述的工件定位底座通过内六角圆柱头螺钉与阳极工作台固定连接。

上述的快换夹头的下表面设置有座孔，阴极座插入座孔中后，通过螺钉与快换夹头固定连接。

渐开线内花键多工位同步精密电解成形加工方法，包括以下步骤：

步骤一、使用导线将快换夹头与机床电源负极相连，阳极工作台与机床电源正极相连，工具阴极依次安装在快换夹头下方，对工具阴极进行找正，使工具阴极轴线与竖直方向重合；

步骤二、将工件定位底座放至阳极工作台上，工件毛坯放在工件定位底座上，通过工件压板进行压紧定位，工件压板与工件定位底座固定连接，在工具阴极上安装对中心块，移动工件定位底座，使对中心块与工件毛坯的预孔轴线对齐，从而使工件毛坯与工具阴极的轴线重合，将工件定位底座与阳极工作台固定，对工件毛坯进行水平找正，在工件毛坯的前、后、左、右四个方向上，用千分表对工件小外圆沿竖直方向打表使工件毛坯端面与水平面平行，安装背压罩以及第一密封圈和第二密封圈，在背压罩的密封槽上盖上密封压板；对电解加工机床对刀；

步骤三、将进、出液管分别连接于第一循环孔和第二循环孔上，进、出液管与电解液循环过滤系统连接，电解液循环过滤系统向工件定位腔中试通电解液，确保装置无大面积漏液，且工件定位腔内电解液压力稳定；

步骤四、设置电解加工参数，对加工过程进行编程，并预留初始加工间隙；加工开始后，电解液循环过滤系统将电解液通入工件定位腔，使工件定位腔内充满电解液，并使电解液在电解液循环过滤系统和工件定位腔中循环流动，机床电源负极和机床电源正极通电，快换夹头带着工具阴极向下给运动，阴极头进入工件毛坯的预孔对工件毛坯加工渐开线内花键，电解液持续流过工件毛坯预孔与阴极头的间隙，带走热量及电解产物；

步骤五、加工结束后，拆卸工具阴极和工装夹具，清洗加工后的工件，对工件做防锈处理。

本发明渐开线内花键多工位同步精密电解成形加工装置及方法，采用的电解加工是基于电解过程中的阳极溶解原理，借助于成形阴极将工件按照一定形状和尺寸加工成形的工艺方法。与其他的加工方式相比，渐开线内花键多工位同步精密电解成形加工具有以下优点：

1.工具阴极成本低。渐开线内花键多工位同步精密电解成形加工工艺可以使用成本较低的普通不锈钢作为工具阴极，相较于渐开线内花键拉削加工使用的拉刀相比，成本较低，且在实际加工过程中基本无损耗，有很长的使用寿命。阴极头能够在电解加工过程中同步稳定地对工件进行高效去除余量、精密成形、光整表面的工作，并且达到较高的加工精度及表面质量。

2.产品表面质量好。与插齿及拉削加工方式相比，工具阴极与工件无接触，工件不会产生毛刺、表面划痕等缺陷；与电火花慢走丝线切割加工相比，工件无热影响区，表面光洁度高。

3.加工精度较高。渐开线内花键多工位同步精密电解成形加工可以达到较高的齿形精度，在保证中心线重合、工具阴极制造精度、工艺参数适当的前提下，实际加工齿廓可以无限接近理论齿廓，且不会发生变形，可以稳定的达到一定的精度要求。

4.加工效率较高。渐开线内花键多工位同步精密电解成形加工可以达到较高的加工效率，单个工件的加工效率与插齿加工相似，远远高于电火花慢走丝线切割加工和磨削加工，但是本发明可以实现一次性同时加工多个零件，非常适合大批量生产。

5.通用性较好。渐开线内花键多工位同步精密电解成形加工技术使用一个电解机床，仅修改工具阴极、工装夹具就可以一次精密电解成形加工各种余量不等、齿形参数不同、深度不一、结构复杂的渐开线内花键；与插齿和拉削加工的机械加工方式相比，非常适合加工薄壁工件；与拉削加工、磨削加工、电火花慢走丝线切割加工相比，不受盲孔等特殊结构的限制。

6.可加工材料范围广。渐开线内花键多工位同步精密电解成形加工技术可以加工各种硬度、强度、刚度、热处理后的金属材料毛坯，特别适合加工难切削的金属材料。

7.在快换夹头上一次性安装多个工具阴极，同时阳极工作台可以一次性定位装夹多个工件毛坯，而且不同的工具阴极可以对应不同的工件毛坯，实现在电解加工机床主轴的一次进给行程内，完成多个工件毛坯的加工。可以实现该类工件的大批量高效率生产。

8.本发明的电解液进出口位置可以调换，进出口压力可以调节，保证了加工的稳定性。

9.本发明使用同一电解加工机床，仅修改工具阴极和工装夹具设计可以一次成形各种难切削导电材料、余量不等、参数不同、深度不一、结构复杂的渐开线内花键。

附图说明

图1为渐开线内花键工件的结构示意图；

图2为渐开线内花键工件毛坯的结构示意图；

图3为本发明的渐开线内花键多工位同步精密电解成形加工装置的结构示意图；

图4是图3的主视剖面图；

图5是图3的左视剖面图；

图6是本发明的使用状态图。

图中标号说明：工具阴极1、阴极座11、阴极导杆12、阴极头13、绝缘层14、工装夹具2、工件定位腔2a、工件定位底座21、工件压板22、背压罩23、第一循环孔24、第二循环孔25、第一密封圈26、密封压板27、第二密封圈28、阳极工作台3、电解液循环过滤系统4、快换夹头5、工件毛坯6。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

本实施例的渐开线内花键多工位同步精密电解成形加工装置，包括工具阴极1、工装夹具2、阳极工作台3、电解液循环过滤系统4以及快换夹头5，其中：快换夹头5与机床工作电源的负极连接，快换夹头5的下端能一次固定安装多个工具阴极1，工具阴极1由阴极座11、阴极导杆12、阴极头13和绝缘层14组成，阴极座11与快换夹头5固定连接，阴极导杆12上端与阴极座11固定，下端固定有阴极头13，绝缘层14包覆在阴极导杆12外，阴极头13的横截面形状与工件毛坯6需加工的加工渐开线内花键横截面形状相适应，阴极座11、阴极导杆12与阴极头13同轴安装，工装夹具2包括由导电材料制作的工件定位底座21、工件压板22以及背压罩23，工件定位底座21固定在阳极工作台3上，阳极工作台3与机床工作电源的正极连接，工件压板22位于在工件定位底座21上部，背压罩23位于工件压板22上部，工件定位底座21、工件压板22和背压罩23合围出数量与快换夹头5能安装的工具阴极1数量相同的工件定位腔2a，工件定位腔2a与工具阴极1同轴安装，阴极头13穿过背压罩23插入工件定位腔2a中，工件毛坯6能放入工件定位腔2a中，工件毛坯6上端和下端分别被背压罩23和工件定位底座21压合固定，四周被工件压板22限位，工件毛坯6的轴心与对应的工具阴极1轴心重叠，工装夹具2的下部开设有第一循环孔24，工装夹具2的上部开设有第二循环孔25，第一循环孔24与工件定位腔2a上部连通，第二循环孔25与工件定位腔2a下部连通，电解液循环过滤系统4与第一循环孔24和第二循环孔25连接，电解液在解液循环过滤系统4、第一循环孔24、工件定位腔2a和第二循环孔25中循环流动，快换夹头5能在机床主轴带动下下移，使固定在快换夹头5上的若干个工具阴极1同时向下移动，阴极头13进入对应的工件毛坯6的预孔中，对工件毛坯6加工渐开线内花键。

实施例中，第一循环孔24开设在背压罩23上，第二循环孔25开设在工件定位底座21上，解液循环过滤系统4能将过滤后的电解液从第二循环孔25泵入工件定位腔2a，再从第一循环孔24回收电解液进行过滤。

实施例中，背压罩23在每个阴极导杆12穿过的位置处设置有密封槽，槽内放置第一密封圈26，一密封压板27压在密封槽上固定，使第一密封圈26密封背压罩23与阴极导杆12之间的间隙。

实施例中，背压罩23与工件压板22的连接处设置有第二密封圈28，第二密封圈28用于密封背压罩23与工件压板22之间的间隙。

实施例中，工件定位底座21通过内六角圆柱头螺钉与阳极工作台3固定连接。

实施例中，快换夹头5的下表面设置有若干个座孔，阴极座11插入座孔中后，通过螺钉与快换夹头5固定连接。

该装置可以一次性定位装夹多个工件毛坯6，在机床主轴的一个加工行程内，对每个工件毛坯6进行同步精密电解成形加工，完成对多个工件加工区域的高效去除余量、精密成形、光整表面的工作；同步精密电解成形加工的工件毛坯6个数，需要根据机床工作台尺寸、机床主轴承载能力、机床电源载荷情况确定；在机床可承受范围内，操作者可以根据实际的需要确定同步精密电解成形加工的工件个数。

根据加工过程中的流场需要，每个工位的电解液进、出压力均可调节，电解液流道是各自独立的，通液时彼此之间不会相互影响，因此同一套工装夹具可以根据需要，同步加工成形不同数量的工件；电解液通过该解液流道，在加工时高速流经加工区域带走热量及电解产物。

本装置使用了一种参数化实体特征的阴极头结构，该阴极头能够在电解加工过程中对加工区域进行高效去除余量、精密成形齿廓、光整加工区表面的工作。

如图3-6所示，本发明的一种多工位渐开线内花键精密同步成形电解加工装置，包括工具阴极1、工装夹具2、阳极工作台3、电解液循环过滤系统4、快换夹头5等结构组成，并由工件定位底座21、工件压板22、背压罩23的部分区域组成工件定位腔2a和电解液流道，具体实施方式以精密同步成形电解加工三个工件为例。

工具阴极1由阴极座11、阴极导杆12、绝缘层14、阴极头13组成，安装在与机床工作电源负极连接的快换夹头5中。阴极导杆12与阴极座11轴孔配合且通过螺钉连接，阴极头13与阴极导杆12轴孔配合且通过螺钉连接，保证各个工具阴极1的导电良好与位置准确。在工具阴极1的非使用表面外层需要包覆均匀的绝缘层14，以减小杂散腐蚀对产品加工精度及表面质量的影响。

工装夹具2由工件定位底座21、工件压板22、背压罩23、第一密封圈26、密封压板27、第二密封圈28组成。工件毛坯6的预孔轴线作为基准，固定在工件定位底座21、工件压板22、背压罩23之中，并使用螺钉锁紧。工件定位底座21通过内六角圆柱头螺钉与工作台连接，阳极工作台3与机床电源正极连接，因此工件毛坯6作为阳极。为了防止在电解加工过程中漏液，第一密封圈26安装在背压罩23中，分别与工件压板22和阴极导杆12外的绝缘层14配合，被密封压板27压紧。工件定位底座21与背压罩23的两侧均布第一循环孔24和第二循环孔25，第一循环孔24和第二循环孔25外有调节装置，可以调整电解液的进口压力及出口背压。

如图3、图4所示，工装夹具2在安装时，使用导线将快换夹头5与机床电源负极相连，阳极工作台3与机床电源正极相连；将工具阴极1组装完毕，固定在机床上的快换夹头5,使工具阴极1的上端面与快换夹头5平面紧密贴合，保证导电良好，并拧紧螺钉，此时工具阴极1与机床电源负极相连。在拧紧螺钉前，把千分表固定在水平面上，使工具阴极1沿z轴运动，对工具阴极1打表找正,使工具阴极1轴线与竖直方向重合；对工装夹具2的导电部分进行组装，并安装到机床的工作台，确保导电良好；在固定工件定位底座21前，需要通过对中心块使工件毛坯6与工具阴极1轴线重合；在工件毛坯6夹持时，工件毛坯6与工件定位底座21贴紧，此时作为阳极的工件与机床电源正极相连；使用万用表检查各导线、阴极、阳极连接是否正常。

如图3、图4所示，安装工件毛坯6时，将工件定位底座21放置到机床的，阳极工作台3上；将工件放入工装夹具2内，工件毛坯6通过工件压板22进行压紧定位；在工具阴极1上安装对中心块与工件毛坯6的预孔轴孔配合，使工件毛坯6与工具阴极1的轴线重合，并使用螺钉将工件定位底座21固定在阳极工作台3上；对工件毛坯6找正，在工件毛坯6的前、后、左、右四个方向上，用千分表对工件小外圆沿z轴方向打表使工件毛坯6端面与水平面平行，并保证工件毛坯6与工件定位底座21接触良好；安装背压罩23以及密封圈，并固定螺钉；在同步精密电解成形加工结束后，松螺钉，拆下工件。

装置及工作原理如图5与6所示，将进、出液管分别连接于工装夹具2上对应的位置；在对刀结束后，预通电解液检查装置的密封性，确保无大面积漏液，并使工装夹具2内电解液压力稳定；根据预冲液情况，适当调整电解液入口压力和出口背压；加工开始后，电解液从工装夹具2的第二循环孔25进入，电解液在工件预孔型腔内充满后，由于受到密封圈的阻挡，从工装夹具2侧边的第一循环孔24流出，并保持此过程直至加工结束，电解液流经工具阴极1与工件毛坯6的间隙，属于侧向流动；电解液从装置内流出后，流入电解液循环过滤系统4，对电解液进行循环过滤及实时监测控制的工作。

加工开始前，设置电解加工参数，对加工过程进行编程，并预留初始加工间隙；加工时，电解液循环过滤系统4开始工作，脉冲电源开始通电，工具阴极1向下进给运动加工；加工结束后，工具阴极1升起，拆下工件，对工件和夹具进行清洁防锈处理。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。