用于在电腐蚀加工中材料再循环的方法与流程

本发明的实施例大体上涉及电腐蚀机器，并且更具体地涉及用于电腐蚀机器的管形电极。

背景技术：

电腐蚀加工为大体上用于加工硬金属或不可能利用其它技术(诸如使用车床、钻机等)来加工的那些的加工方法。因此，电腐蚀加工可用于极硬的钢和其它硬导电金属(诸如钛、哈氏合金、科瓦铁镍钴合金、铬镍铁合金、碳化物等)中的开孔或钻孔操作。某些电腐蚀加工技术使用放电和火花腐蚀，以提供粗加工方法，其在有力的电场存在的情况下通过电极(切削工具)与工件之间的一系列快速复发的电弧放电来积极地除去材料(例如，在标准放电加工的10x的速率下)。电腐蚀切削工具沿非常接近工作但其不接触件的期望通路被引导。连续的火花在工件上产生一系列微坑，且通过熔化和汽化来沿切削通路除去材料。工件形成阴极，且也称为电极的工具形成阳极。颗粒通过连续冲洗介电流体而洗掉。

用于电腐蚀机器的电极大体上由诸如石墨、黄铜或铜的导电材料制成。如上文所述，介电流体(诸如烃油)的流泵送到电极与工件之间的间隙中，以允许用于放电的通路，且冲掉来自电弧的碎屑。脉动DC电源连接成供应能量，其提供电极与工件之间的电弧作用。放电行进穿过且电离介电流体，且火花出现在电极和工件的表面最近的位置出现。火花出现的区域加热至高温，使得工作表面的小颗粒熔化，且从工件除去，且随后由介电流体的流扫走。工件的该部分现在低于工件表面的平均水平，故接下来除去工件的下一个最高区域。这些放电每秒发生几百或几千次，使得逐渐地腐蚀与电极连通的工件上的所有区域。

出于上文提到的原因，电腐蚀用于加工工件来用于航空和空间应用。例如，电腐蚀用于在接近性或孔形状复杂性排除激光钻孔的使用的情形中加工燃气轮机翼型件的超级合金构件中的冷却孔，其中此孔经由穿孔或钻孔方法来形成。冷却孔形成在喷嘴导管的翼型件壁区段中，以允许冷却空气例如从发动机压缩机给送来从喷嘴导叶的中空芯穿过来形成翼型件表面上的冷却空气薄膜，由此保护翼型件免受高温燃烧气体的效果。

然而，机电过程的一个缺陷在于工件的材料再循环较难且昂贵。即，将认识到的是，用于昂贵工件材料(例如，钛)的材料再循环是很期望的；然而，现有的电腐蚀技术可使工件的再循环困难，因为由电腐蚀加工生成的切削和刨花由于其小尺寸且还由于其氧化而再循环困难且昂贵。尤其对于用于提供积极除去大量材料的粗加工方法的电腐蚀加工技术，基于加工的材料量的材料再循环是高度期望的。

因此，期望提供一种在电腐蚀粗加工过程中再循环工件切削和刨花的手段。

技术实现要素：

按照本发明的一个方面，一种用于电腐蚀加工的方法包括：提供电极组件，其包括：电极本体，其具有限定中空内部的管形本体；以及一个或更多个插入件，其附连至电极本体以在电极组件上形成切削表面；将电极组件定位邻近待加工的工件；以及将电力提供至电极组件以便激励电极组件，其中电极组件和工件处于相反的电极性。该方法还包括使电极组件前移穿过工件，其中工作间隙被保持在一个或更多个插入件和工件之间，脉冲电流传递跨过该工作间隙以从工件除去材料；其中，在使电极组件前移穿过工件后，形成与工件的其余部分完全分离且被容纳在电极本体的中空内部的芯。

按照本发明的另一个方面，一种用于长吸入钻孔(long aspiration hole drilling)的粗加工方法包括：提供电极组件，其包括：限定中空内部且具有可定位成邻近待粗加工的工件的工作端的管形电极本体；以及在工作端处附连至电极本体的一个或更多个可替换的插入件，以提供切削表面。方法还包括激励工件和电极组件中的一个为阳极且另一个为阴极，且使电极组件前移到工件中以便生成孔，其中在电极组件前移到工件中时工件材料的芯形成在管形电极本体的中空内部。该方法还包括计算在电极组件前移到工件中时跨过管形电极本体的工作端与工件之间的工作间隙的切削流体。在电极组件前移穿过工件的全部后工件材料的芯与工件的剩余部分分离。

按照本发明的又一个方面，一种制造电腐蚀加工系统的方法包括：提供电极组件，其构造成在工件中加工期望的构造；提供电源，其构造成将电极组件和工件激励至相反的电极性；以及提供工作设备，其构造成使电极组件关于工件移动。提供电极组件还包括：提供管形电极本体，其限定中空内部，该中空内部尺寸确定成将工件的钻孔引起的工件材料的芯容纳在其中；以及将一个或更多个可替换的插入件在管形电极本体的工作端处附接至管形电极本体，一个或更多个可替换的插入件构造成以便与管形电极本体的工作端可有选择地附接和拆开。

本发明的第一技术方案提供了一种用于电腐蚀加工的方法，包括：提供电极组件，其包括：电极本体，其具有限定中空内部的管形本体；以及一个或更多个插入件，其附连至所述电极本体以在所述电极组件上形成切削表面；将所述电极组件定位邻近待加工的工件；将电力提供至所述电极组件以便激励所述电极组件，其中所述电极组件和所述工件处于相反的电极性；使所述电极组件前移穿过所述工件，其中工作间隙被保持在所述一个或更多个插入件和所述工件之间，脉冲电流传递跨过该工作间隙以从所述工件除去材料；其中，在使所述电极组件前移穿过所述工件后，形成与所述工件的其余部分完全分离且被容纳在所述电极本体的所述中空内部的芯。

本发明的第二技术方案是在第一技术方案中，还包括：使电解质从电解质供应源向下经过所述电极本体，使得所述电解质流入所述电极组件和所述工件之间的所述工作间隙；以及将所述电解质和工件材料的除去引起的工件碎屑导向穿过所述电极本体的外表面上的冲洗通道，以将所述工件碎屑传递离开所述电极本体的所述工作端，所述冲洗通道由形成在所述电极本体的所述外表面上的多个出屑槽限定。

本发明的第三技术方案是在第二技术方案中，所述多个出屑槽以螺旋图案布置在所述电极本体的所述外表面上。

本发明的第四技术方案是在第一技术方案中，所述电解质经由在所述电极本体中形成的冷却通道向下供应穿过所述电极本体。

本发明的第五技术方案是在第一技术方案中，还包括朝所述电极本体的所述切削表面引导保护气体，以便防止所述芯的氧化。

本发明的第六技术方案是在第五技术方案中，引导所述保护气体包括导向所述保护气体向下穿过由所述电极本体和防护物部件限定的气体通道，所述防护物部件围绕所述电极本体的至少一部分定位且与其间隔开。

本发明的第七技术方案是在第一技术方案中，使所述电极组件前移穿过所述工件包括使所述工件在执行长吸入钻孔过程中前移。

本发明的第八技术方案是在第一技术方案中，提供所述电极组件包括在所述一个或更多个插入件的磨损后选择地替换所述一个或更多个插入件，其中一个或更多个可替换的插入件构造成以便与所述电极本体可有选择地附接和拆开。

本发明的第九技术方案是在第八技术方案中，选择地替换所述一个或更多个插入件包括：经由计算加工所述工件之前的所述一个或更多个可替换的插入件的厚度与所述工件的加工之后的所述一个或更多个可替换的插入件的厚度之间的磨损值来监测所述一个或更多个插入件的厚度；以及基于计算的磨损值来确定所述一个或更多个可替换的插入件的剩余寿命。

本发明的第十技术方案是在第八技术方案中，所述一个或更多个可替换的插入件中的每一个由钨铜合金构成。

本发明的第十一技术方案是在第一技术方案中，提供所述电极组件包括将多个可替换的插入件附接至所述电极本体，其中所述多个可替换的插入件围绕所述电极本体的周长等距地间隔开。

本发明的第十二技术方案提供了一种用于长吸入钻孔的粗加工方法，所述方法包括：提供电极组件，其包括：限定中空内部的管形电极本体，所述管形电极本体具有可定位成邻近待粗加工的工件的工作端；以及在所述工作端处附连至电极本体的一个或更多个可替换的插入件，以提供切削表面；激励所述工件和所述电极组件中的一个为阳极且另一个为阴极；使所述电极组件前移到所述工件中以便生成孔，其中在所述电极组件前移到所述工件中时工件材料的芯形成在所述管形电极本体的所述中空内部内；以及计算在所述电极组件前移到所述工件中时跨过所述管形电极本体的所述工作端与所述工件之间的工作间隙的切削流体；其中在所述电极组件前移穿过所述工件的全部后所述工件材料的芯与所述工件的剩余部分分离。

本发明的第十三技术方案是在第十二技术方案中，计算跨过所述工作间隙的所述切削流体包括经由形成在所述管形电极本体中的冷却通道供应切削流体向下穿过所述管形电极本体。

本发明的第十四技术方案是在第十二技术方案中，包括将工件碎屑除去离开所述工作端，其中除去工件碎屑包括：计算跨过所述工作间隙的所述切削流体；以及将所述切削流体和工件材料的除去引起的工件碎屑导向穿过所述管形电极本体的外表面上的冲洗通道，所述冲洗通道由形成在所述电极本体的所述外表面上的多个出屑槽限定。

本发明的第十五技术方案是在第十二技术方案中，包括朝所述管形电极本体的工作引导保护气体，以便防止所述工件材料的芯的氧化。

本发明的第十六技术方案是在第十五技术方案中，引导所述保护气体包括导向所述保护气体向下穿过形成在所述管形电极本体和防护物部件之间的气体通道，所述防护物部件围绕所述电极本体的至少一部分定位且与其间隔开。

本发明的第十七技术方案是在第十二技术方案中，还包括在所述一个或更多个可替换的插入件磨损至小于最小的可接受的厚度值的厚度后选择地替换所述管形电极本体上的所述一个或更多个插入件。

本发明的第十八技术方案是在第十二技术方案中，所述一个或更多个可替换的插入件中的每一个由钨铜合金构成。

本发明的第十九技术方案提供了一种制造电腐蚀加工系统的方法，包括：提供电极组件，其构造成在工件中加工期望的构造；提供电源，其构造成将所述电极组件和所述工件激励至相反的电极性；以及提供工作设备，其构造成使所述电极组件关于所述工件移动；其中提供所述电极组件包括：提供管形电极本体，其限定中空内部，该中空内部尺寸确定成将所述工件的钻孔引起的工件材料的芯容纳在其中；以及将一个或更多个可替换的插入件在所述管形电极本体的工作端处附接至所述管形电极本体，所述一个或更多个可替换的插入件构造成以便与所述管形电极本体的工作端可有选择地附接和拆开。

本发明的第二十技术方案是在第十九技术方案中，提供所述电极组件还包括：形成在电极本体的外表面上形成的多个出屑槽，所述多个出屑槽形成冲洗通道，其引导切削流体和工件碎屑离开所述管形电极本体的所述工作端；以及将防护物部件围绕所述管形电极本体的一部分定位，所述防护物部件与所述管形电极本体间隔开来限定气体通道，保护气体可穿过该气体通道向下提供至所述电极本体的所述工作端，以便防止所述工件材料的芯的氧化。

各种其它特征和优点将从以下详细描述和附图中变得清楚。

附图说明

附图示出了当前构想成用于执行本发明的实施例。

在附图中：

图1为根据本发明的实施例的电腐蚀加工系统的示意图。

图2为根据本发明的实施例的图1的电腐蚀加工系统的电极组件的透视图。

图3为根据本发明的实施例的图1的电腐蚀加工系统的电极组件的透视图。

图4和5为在电极组件前移到工件中时沿线4-4截取的电极组件的截面视图。

具体实施方式

本发明的实施例提供了一种用于电腐蚀机器的电极组件，其提供了由电腐蚀加工过程引起的工件的块的回收。电极组件包括管形电极本体，其能够将工件材料的块收纳在其中，以及用于从工件除去材料的可替换的插入件。

图1示出了按照本发明的一个实施例的电腐蚀加工系统10(诸如用于执行放电加工的系统)的简图。在本发明的实施例中，电腐蚀加工系统10用于从工件12逐层除去材料来形成期望的构造。如图1中所示，电腐蚀加工系统10包括数字控制(NC)或计算机数字控制(CNC)装置(未示出)，其包括工作设备14和CNC控制器16、电腐蚀控制器18、电源20、电解质供应源22和电极组件24。

在本发明的实施例中，NC或CNC装置可用于执行传统自动加工。在特定实例中，工作设备14可包括机床或车床，其包括伺服电机(未示出)和主轴电机(未示出)，这是本领域的技术人员已知的。电极组件24安装在工作设备14上来用于执行电腐蚀加工。因此，伺服电机可驱动电极组件24和工件12，以在期望的速度和通路彼此相反移动，且主轴电机驱动电极组件24来在期望速度下旋转。

CNC控制器16包括基于计算机辅助设计(CAD)和/或计算机辅助制造(CAM)中的工件12的描述的预编程的指令，且连接到工作设备14上来控制工作设备14，以驱动电极组件24来根据某些操作参数(诸如，一定给送速率、轴位置或主轴速度等)移动和/或旋转。在一个非限制性实例中，CNC控制器16可为总体CNC控制器，且包括如本领域的技术人员已知的中心处理单元(CPU)、只读存储器(ROM)和/或随机存取存储器(RAM)。另外，根据一个实施例，CNC控制器16可包括在其中的磨损校准程序模块25，其作用为确定加工之前或之后的电极组件24的状态，这将在下文中更详细描述。

在所示实施例中，电源20包括直流(DC)脉冲发生器。电极组件24和工件12分别连接到电源20的正极和负极上。因此，在本发明的实施例中，电极组件24可作用为阴极，且工件12可作用为阳极。在其它实施例中，电极组件24和工件12上的极性可相反。

电极控制器18连接到电源20上，以监测电源20的状态。在一个实施例中，电腐蚀控制器18可包括一个或更多个传感器(未示出)，诸如电压和/或电流测量电路，以用于监测电极组件24与工件12之间的间隙26中的电压和/或电流的状态。在其它实施例中，(多个)传感器可设置在电源20中或单独地设置。在非限制性实例中，电腐蚀控制器18可包括微处理器或另一个计算装置，计时装置、电压比较装置和/或数据储存装置等，来用作(多个)传感器，这是本领域的技术人员已知的。此外，电腐蚀控制器18也与CNC控制器16通信，以控制电源20和保持电极组件24的工作设备14的移动。

在一个实例中，电解质供应源22可与CNC控制器16连通且接收来自CNC控制器16的预编程程序，以用于在电极组件24与工件12之间传递电解质。作为备选，电解质供应源22可单独地设置。因此，在电腐蚀加工中，电源20可在电极组件24与工件12之间传递脉冲电流，以从工件12逐层除去材料来用于形成期望的构造，同时电解质将除去的材料传送出间隙26。

现在参看图2-5，更详细示出了根据示例性实施例的电极组件24。电极组件24包括管或管形电极本体28，其限定内部中空部分30。电极本体28具有圆形工作面或端32，其定位在工件12附近，且一个或更多个可替换的插入件34在工作端32处附连到电极本体28上，以用于执行粗加工操作。在一个实施例中，且如图2中所示，单个可替换的插入件34设在电极本体28的工作端32上。然而，在另一个实施例中，且如图3中所示，提供了四个可替换的插入件34，其围绕管形电极本体28的周长与彼此等距间隔开90度。

(多个)可替换的插入件34由具有用于从工件12除去材料的适合的性质(例如，导电性、耐磨性等)的材料构成。在示例性实施例中，可替换的插入件34由钨铜合金(WCu)形成，但其它适合的材料也可用于形成插入件。将认识到的是，电极组件24的(多个)可替换的插入件34在操作期间磨损，且因此(多个)可替换的插入件34构造成以便与电极本体28的工作端32可有选择地附接和拆开。(多个)可替换的插入件34与电极本体28的附接例如可经由插入件与本体的螺接或经由(多个)可替换的插入件34可与电极本体28可有选择地附接和拆开的任何其它适合的手段来实现。

如图2和3中所见，中空内部30的大小远大于管形电极本体28的壁的厚度，使得中空内部30构造成收纳由工件12的穿孔或钻孔引起的工件材料的块或芯。除进入电极本体28的中空内部30中的工件材料的芯之外，工件材料的附加刨花或碎屑由电解质向外和向上推离电极本体28。如图2中所示，电极本体28的外表面36包括形成在其上的多个出屑槽(flute)38，其提供该工件碎屑离开电极本体28的工作端32的除去。出屑槽38在电极本体28的外表面36上以螺旋图案布置，以便限定冲洗通道40，电解质和工件碎屑经由通道40传递离开电极本体28的工作端32。

如图4和5中最佳所示，电极组件24还包括防护物部件42，其用于朝工件12引导保护气流，以便防止收纳在电极本体28的中空内部30内的工件材料的块/芯的氧化。防护物部件42围绕电极本体28的一部分定位(即，其并未一直延伸至工作端32)，且与电极本体28间隔开，以限定保护气体可经由其提供的气体通道44。在一个实施例中，氩气强制向下穿过由防护物部件42和电极本体28形成的气体通道44，以便提供保护环境，其中将防止工件材料的块/芯的氧化，使得块/芯可再循环。

现在查看图4和5，示出了电极组件24可在其中移动的指定的穿孔或钻孔工具通路。在沿工具通路执行穿孔或钻孔操作中，电极组件24自旋，且由CNC控制器16(图1)控制来沿通路前移到工件12中。工作间隙26保持在圆形工件32与电极组件24的插入件34和工件12的后对应表面之间。工件12的对应表面利用或不利用电弧连续地腐蚀掉。因此，环形凹槽或孔46和芯48逐渐地形成。内间隙50限定在芯48与电极本体28的内表面52之间，且外间隙54限定在电极本体的外表面36与环形凹槽或孔46的侧壁之间。在一个实施例中，内间隙50为形成在电极本体28中的槽口或通道的形式。

在粗加工操作期间，电解质供应源22在高压下将冷却和清洁的切削流体经由芯48与电极组件24之间的内间隙50连续地泵送到电极组件24中。切削流体流过电极组件24的前移工作面32与工件12的后退对应表面之间的工作间隙26，且然后经由电极组件24与工件12之间的外间隙54强制流出，且经由电极本体28的外表面36中的冲洗通道40流出，由此带走粗加工操作期间生成的刨花和热。

如图5中所示，在穿孔或钻孔操作完成之后，留下与工件12的其余部分完全分离的芯48。芯48容纳在电极本体28的中空内部30内，且可在电腐蚀操作完成后从其除去，使得芯48可再循环，其中芯48经由被促使流过由防护物部件42和电极本体28形成的气体通道44的氩气保护。工件材料的此再循环在加工的工件材料为昂贵材料(例如，钛)时尤其有益。

将认识到的是，电极组件28的可替换的插入件34在操作期间经历磨损，且因此必须监测可替换的插入件34的状态，以便确定何时需要替换可替换的插入件34。如上文所述，磨损校准程序模块25(图1)可用于监测电极组件28的状态，且特别是可替换的插入件34的状态。磨损校准程序模块25可监测可替换的插入件34的尺寸(例如，厚度)，诸如通过计算加工工件之前的可替换的插入件34的厚度与加工工件之后的可替换的插入件34的厚度之间的磨损值，以及确定可替换的插入件34的剩余寿命。可替换的插入件34然后可在由磨损校准程序模块25确定需要新插入件后除去和替换(例如，旧插入件34与电极本体28解除螺接，且新插入件34螺接到电极本体28上)。

有利地，本发明的实施例因此提供了一种电极组件，其允许工件材料的块从电腐蚀操作的再循环。电极组件包括管形电极本体，其能够将工件材料的芯或块收纳在其中，其中芯在电腐蚀操作完成后从其除去，使得芯可再循环。电极组件构造成将氩气流提供至工件来提供对工件材料的芯/块的保护，且防止其沿电极组件的切削或工作面的氧化。电极组件的工作面上的可替换的插入件提供成使得电极本体保持无损，其中可替换的插入件在需要时容易与电极本体附接和拆开。因此，提供了电极组件，其具有延长的寿命(其中仅可替换的插入件需要有规则地替换)，且减少了再循环工件材料的成本。

根据本发明的一个实施例，一种用于电腐蚀加工的方法包括：提供电极组件，其包括：电极本体，其具有限定中空内部的管形本体；以及一个或更多个插入件，其附连至电极本体以在电极组件上形成切削表面；将电极组件定位邻近待加工的工件；以及将电力提供至电极组件以便激励电极组件，其中电极组件和工件处于相反的电极性。该方法还包括使电极组件前移穿过工件，其中工作间隙被保持在一个或更多个插入件和工件之间，脉冲电流传递跨过该工作间隙以从工件除去材料；其中，在使电极组件前移穿过工件后，形成与工件的其余部分完全分离且被容纳在电极本体的中空内部的芯。

根据本发明的另一个实施例，一种用于长吸入钻孔(long aspiration hole drilling)的粗加工方法包括：提供电极组件，其包括：限定中空内部且具有可定位成邻近待粗加工的工件的工作端的管形电极本体；以及在工作端处附连至电极本体的一个或更多个可替换的插入件，以提供切削表面。方法还包括激励工件和电极组件中的一个为阳极且另一个为阴极，且使电极组件前移到工件中以便生成孔，其中在电极组件前移到工件中时工件材料的芯形成在管形电极本体的中空内部。该方法还包括计算在电极组件前移到工件中时跨过管形电极本体的工作端与工件之间的工作间隙的切削流体。在电极组件前移穿过工件的全部后工件材料的芯与工件的剩余部分分离。

根据本发明的又一个实施例，一种制造电腐蚀加工系统的方法包括：提供电极组件，其构造成在工件中加工期望的构造；提供电源，其构造成将电极组件和工件激励至相反的电极性；以及提供工作设备，其构造成使电极组件关于工件移动。提供电极组件还包括：提供管形电极本体，其限定中空内部，该中空内部尺寸确定成将工件的钻孔引起的工件材料的芯容纳在其中；以及将一个或更多个可替换的插入件在管形电极本体的工作端处附接至管形电极本体，一个或更多个可替换的插入件构造成以便与管形电极本体的工作端可有选择地附接和拆开。

本书面描述使用了实例来公开本发明，包括最佳模式，且还使本领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制作和使用任何装置或系统，以及执行任何并入的方法。本发明的专利范围由权利要求限定，且可包括本领域的技术人员想到的其它实例。如果此类其它实施例具有并非不同于权利要求的书面语言的结构元件，或如果它们包括与权利要求的书面语言无实质差别的等同结构元件，则此类其它实例意图在权利要求的范围内。

尽管仅结合了有限数目的实施例详细描述本发明，但应当容易理解的是，本发明不限于此公开实施例。相反，本发明可改变以结合迄今未描述的但与本发明的精神和范围相当的任何数目的变型、改型、置换或等同布置。此外，尽管已经描述了本发明的各种实施例，但将理解的是，本发明的方面可仅包括所述实施例中的一些。因此，本发明未被看作由前述描述限制，但仅由所附权利要求的范围限制。