基于加工深度在线监测的恒间隙旋印电解加工方法及系统与流程

本发明涉及电解加工技术领域，特别是涉及一种基于加工深度在线监测的恒间隙旋印电解加工方法及系统。

背景技术：

电解加工是利用电化学反应中的阳极溶解原理，借助成形阴极，在电解液中对阳极金属材料进行溶解去除，将工件按一定形状和尺寸加工成形的一种工艺方法。电解加工由于加工速度快、表面质量好、无宏观切削力、无工具损耗等优点，被广泛应用在航空、航天、军工、兵器等领域，主要用于加工叶片、炮管膛线、型腔、型孔、微结构等方面。电解加工已经成为航空航天制造业中的一种重要技术，主要用于发动机叶片和机匣等的加工中。

电解加工的工件成型精度、表面粗糙度等是评判该工艺的直接指标。从加工工艺角度考虑，在电解加工中，阴阳极之间的加工间隙(极间隙)是影响电解加工精度的核心问题。同时，加工间隙是影响电解加工效率，表面质量的重要因素，也是阴极设计和加工参数选择的重要参考指标。电解加工中阳极工件的成型精度取决于阴阳极之间的电场、加工间隙内的流场、电极极化以及电解液温度等的多场耦合，导致加工过程的检测和控制非常困难。而加工间隙是阳极溶解过程中众多因素的综合影响结果，加工间隙的检测和控制一直是国内外电解加工专家不断探索的影响加工精度的关键问题之一。到目前为止，电解加工中还没有有效的加工间隙在线监测和控制的办法，世界各国都在积极开展这方面的探索。

旋印电解加工是一种利用电化学阳极溶解原理加工具有复杂结构回转体零件的方法，采用具有镂空窗口的回转体作为工具电极，将工件作为阳极，加工时，工件与工具电极以相同的角速度相对旋转，同时工具电极以一定的速度沿工件阳极的径向做进给运动，在电解作用下，阳极工件表面材料不断被溶解，在工具电极表面的窗口结构的滚套作用下，一次加工出具有复杂凹凸结构的零件(申请号201410547093.x)。旋印电解加工对于具有复杂凹凸结构的回转体零件加工具有独特优势，尤其适用于加工航空发动机薄壁机匣零件。由于在旋印电解加工过程中，阴阳极之间的加工间隙通常是由非平衡态达到相对平衡状态，在非平衡态的过程中，加工间隙变化无规律，而在相对平衡状态时，其加工间隙会随着阳极工件直径的减小不断增加，因此在旋印电解加工过程中，其加工间隙的控制更加困难，从而影响零件加工精度。

目前国内外对于电解加工的在线监测和控制也有一定的成果。在专利“一种数控电解加工极间最小间隙检测方法”(申请号201911190290.x)中，在电解加工趋于稳定状态时，停止加工，利用万用表的蜂鸣档接入测量回路，从而检测阴阳极之间相互接触时的阳极进给量，即为此时的平衡间隙，不断调整进给速度，测量出最小间隙。在专利“一种数控电解加工的电极间隙控制方法及装置”(申请号201310542031.5)中，利用霍尔电流传感器检测加工过程中的电流大小，同时通过数控机床的高精度位置控制系统实现电流大小和加工间隙之间的标定，并通过系统进行加工间隙的控制，使得加工间隙维持在一个稳定状态。

上述专利中利用万用表测量进给量来反应加工间隙，其只能停止加工进行检测，不利于加工的进行，在电解加工过程中，停止加工会导致工件加工表面钝化，不利于后续加工，具有局限性；利用霍尔元件测量电流大小来标定加工间隙，从而实现加工间隙的监测和控制，但由于其使用电流大小来表示加工间隙的大小，而在加工过程中电流大小受很多因素的影响，准确性难以衡量，不具有普适性。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于加工深度在线监测的恒间隙旋印电解加工方法及系统，能够解决旋印电解加工过程中加工间隙的不平衡问题，有助于实现旋印电解加工的加工间隙的稳定，提高旋印电解加工的精度。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于加工深度在线监测的恒间隙旋印电解加工方法，包括：

将待加工工件和工具电极以初始加工间隙装夹在机床上；所述待加工工件的圆心、工具电极的圆心以及所述机床的机床测头的中心均位于同一直线上；所述工具电极用于沿所述直线向所述待加工工件进给；

利用所述机床测头获取所述待加工工件的初始的边界位置；所述初始的边界位置为所述机床测头与加工前所述待加工工件接触时所述机床测头的中心点的位置；

获取加工参数；所述加工参数包括加工电压、待加工工件的转速、工具电极的转速、工具电极的初始进给速度以及待加工工件的设定蚀除量；

根据所述工具电极的转速和待加工工件的转速同步旋转所述工具电极和待加工工件，并通入电解液；

根据所述加工参数加工所述待加工工件；

待加工设定时间间隔后，利用所述机床测头获取所述待加工工件的加工后的边界位置；当前时刻的所述机床测头的位置与初始时刻的所述机床测头的位置相同；

根据所述加工后的边界位置与所述初始的边界位置确定所述待加工工件的蚀除量；

判断所述蚀除量是否小于所述设定蚀除量；

若所述蚀除量大于或等于所述设定蚀除量，则所述待加工工件达到加工尺寸，停止加工；

若所述蚀除量是小于所述设定蚀除量，则确定所述待加工工件的蚀除速度；

将所述工具电极的初始进给速度更新为所述待加工工件的蚀除速度，并返回所述待加工设定时间间隔后，利用所述机床测头获取所述待加工工件的加工后的边界位置的步骤，直至所述待加工工件达到加工尺寸，停止加工。

所述初始加工间隙的取值范围为0.2mm-0.5mm。

所述获取加工参数具体包括：

利用公式xmax＝ra-rd确定所述设定蚀除量；其中，ra为所述待加工工件的初始半径，rd为待加工工件到达加工尺寸后的半径。

所述若所述蚀除量是小于所述设定蚀除量，则确定所述待加工工件的蚀除速度，具体包括：

获取第i次加工后的边界位置和第i-1次加工后的边界位置以及第i次加工和第i-1次加工之间的时间间隔；

利用公式确定所述待加工工件的蚀除速度；其中，ti为i次加工的总时间，ti-1为i-1次加工的总时间，xi-1为第i-1次加工后的边界位置，xi为第i次加工后的边界位置。

一种基于加工深度在线监测的恒间隙旋印电解加工系统，包括：

装夹模块，用于将待加工工件和工具电极以初始加工间隙装夹在机床上；所述待加工工件的圆心、工具电极的圆心以及所述机床的机床测头的中心均位于同一直线上；所述工具电极用于沿所述直线向所述待加工工件进给；

初始的边界位置获取模块，用于利用所述机床测头获取所述待加工工件的初始的边界位置；所述初始的边界位置为所述机床测头与加工前所述待加工工件接触时所述机床测头的中心点的位置；

加工参数获取模块，用于获取加工参数；所述加工参数包括加工电压、待加工工件的转速、工具电极的转速、工具电极的初始进给速度以及待加工工件的设定蚀除量；

电解液通入模块，用于根据所述工具电极的转速和待加工工件的转速同步旋转所述工具电极和待加工工件，并通入电解液；

加工模块，用于根据所述加工参数加工所述待加工工件；

加工后的边界位置获取模块，用于待加工设定时间间隔后，利用所述机床测头获取所述待加工工件的加工后的边界位置；当前时刻的所述机床测头的位置与初始时刻的所述机床测头的位置相同；

待加工工件的蚀除量确定模块，用于根据所述加工后的边界位置与所述初始的边界位置确定所述待加工工件的蚀除量；

判断模块，用于判断所述蚀除量是否小于所述设定蚀除量；

第一确定模块，用于若所述蚀除量大于或等于所述设定蚀除量，则所述待加工工件达到加工尺寸，停止加工；

蚀除速度确定模块，用于若所述蚀除量是小于所述设定蚀除量，则确定所述待加工工件的蚀除速度；

第二确定模块，用于将所述工具电极的初始进给速度更新为所述待加工工件的蚀除速度，并返回所述待加工设定时间间隔后，利用所述机床测头获取所述待加工工件的加工后的边界位置的步骤，直至所述待加工工件达到加工尺寸，停止加工。

所述初始加工间隙的取值范围为0.2mm-0.5mm。

所述加工参数获取模块具体包括：

设定蚀除量确定单元，用于利用公式xmax＝ra-rd确定所述设定蚀除量；其中，ra为所述待加工工件的初始半径，rd为待加工工件到达加工尺寸后的半径。

所述蚀除速度确定模块具体包括：

参数获取单元，用于获取第i次加工后的边界位置和第i-1次加工后的边界位置以及第i次加工和第i-1次加工之间的时间间隔；

蚀除速度确定单元，用于利用公式确定所述待加工工件的蚀除速度；其中，ti为i次加工的总时间，ti-1为i-1次加工的总时间，xi-1为第i-1次加工后的边界位置，xi为第i次加工后的边界位置。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明所提供的一种基于加工深度在线监测的恒间隙旋印电解加工方法及系统，针对旋印电解加工过程中加工间隙无法达到平衡状态，利用在线监测技术，能够监测阳极溶解过程的直径变化，从而获得阳极蚀除速度，通过闭环控制系统，控制阴极进给速度与阳极蚀除速度一致，使得加工间隙始终维持在稳定状态，从而提高旋印电解加工的精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的一种基于加工深度在线监测的恒间隙旋印电解加工方法流程示意图；

图2为本发明所提供的待加工工件和工具电极装夹布局示意图；

图3为本发明所提供的机床测头获取的待加工工件的边界位置变化示意图；

图4为本发明所提供的一种基于加工深度在线监测的恒间隙旋印电解加工系统结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种基于加工深度在线监测的恒间隙旋印电解加工方法及系统，能够解决旋印电解加工过程中加工间隙的不平衡问题，有助于实现旋印电解加工的加工间隙的稳定，提高旋印电解加工的精度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明所提供的一种基于加工深度在线监测的恒间隙旋印电解加工方法流程示意图，如图1所示，本发明所提供的一种基于加工深度在线监测的恒间隙旋印电解加工方法，包括：

s101，将待加工工件和工具电极以初始加工间隙装夹在机床上；所述待加工工件的圆心、工具电极的圆心以及所述机床的机床测头的中心均位于同一直线上；所述工具电极用于沿所述直线向所述待加工工件进给；所述初始加工间隙的取值范围为0.2mm-0.5mm。

图2为本发明所提供的待加工工件和工具电极装夹布局示意图，如图2所示，工件2安装在工具电极3和机床测头1之间，且工件2圆心和工具电极3圆心与机床测头1中心位于同一直线上，且工具电极3沿着该直线向工件2进给，同时调整工件2和工具电极3位置，使得工件2和工具电极3之间间隙g1(即i＝1)满足初始加工间隙为0.2-0.5mm的要求，以及保证工件2和工具电极3在装夹之后的圆度误差在允许误差范围0.005mm内。

s102，利用所述机床测头获取所述待加工工件的初始的边界位置；所述初始的边界位置为所述机床测头与加工前所述待加工工件接触时所述机床测头的中心点的位置。

s102具体包括：

进行第一次(即i＝1)测量，机床测头1缓慢靠近工件2外轮廓，当机床测头1与工件2恰好接触时，此时机床测头1的测头中心点o1所在位置为(x1，0)，将其设定为测量零点即x1＝0，然后将机床测头1远离工件2。

所用机床测头1为触发式测头，即在其触碰到工件2表面时，测头部分就停止移动，不会对工件2产生较大的作用力。

s103，获取加工参数；所述加工参数包括加工电压、待加工工件的转速、工具电极的转速、工具电极的初始进给速度以及待加工工件的设定蚀除量；利用公式xmax＝ra-rd确定所述设定蚀除量；其中，ra为所述待加工工件的初始半径，rd为待加工工件到达加工尺寸后的半径。工具电极的初始进给速度v由仿真所得。

s104，根据所述工具电极的转速和待加工工件的转速同步旋转所述工具电极和待加工工件，并通入电解液；待夹具内部充满溶液后，工具电极3开始进给，开始进行加工，设定此时加工时间t1＝0，加工开始后工件2材料被不断溶解，工件2直径逐渐变小。

s105，根据所述加工参数加工所述待加工工件。

s106，待加工设定时间间隔后，利用所述机床测头获取所述待加工工件的加工后的边界位置；设定时间间隔一般为工件旋转1-5整数圈所用的时间，根据当前蚀除量与设定蚀除量的差值选择时间间隔。当前时刻的所述机床测头的位置与初始时刻的所述机床测头的位置相同。

s107，根据所述加工后的边界位置与所述初始的边界位置确定所述待加工工件的蚀除量。

s108，判断所述蚀除量是否小于所述设定蚀除量。

s109，若所述蚀除量大于或等于所述设定蚀除量，则所述待加工工件达到加工尺寸，停止加工。

s110，若所述蚀除量小于所述设定蚀除量，则确定所述待加工工件的蚀除速度。

s110具体包括：

获取第i次加工后的边界位置和第i-1次加工后的边界位置以及第i次加工和第i-1次加工之间的时间间隔。

利用公式确定所述待加工工件的蚀除速度；其中，ti为i次加工的总时间，ti-1为i-1次加工的总时间，xi-1为第i-1次加工后的边界位置，xi为第i次加工后的边界位置。

s111，将所述工具电极的初始进给速度更新为所述待加工工件的蚀除速度，并返回所述待加工设定时间间隔后，利用所述机床测头获取所述待加工工件的加工后的边界位置的步骤，直至所述待加工工件达到加工尺寸，停止加工。

作为本发明所提供的一种基于加工深度在线监测的恒间隙旋印电解加工方法的一个具体的实施例，具体的步骤为：

步骤1.将工件2和工具电极3按照图2所示示意图位置安装在机床上。工件2安装在工具电极3和机床测头1之间，且工件2圆心和工具电极3圆心与机床测头1中心位于同一直线上，且工具电极3沿着该直线向工件2进给，同时调整工件2和工具电极3位置，使得工件2和工具电极3之间间隙g1(即i＝1)满足初始加工间隙为0.2-0.5mm的要求，以及保证工件2和工具电极3在装夹之后的圆度误差在允许误差范围0.005mm内。

步骤2.设定测量参考点。待步骤1完成之后，进行第一次(即i＝1)测量，机床测头1缓慢靠近工件2外轮廓，当机床测头1与工件2恰好接触时，此时机床测头1的测头中心点o1所在位置为(x1，0)，将其设定为测量零点即x1＝0，然后将机床测头1远离工件2。

步骤3.设定加工电压、工件和工具电极转速、工具电极初始进给速度v等加工参数以及工件最大蚀除量xmax。然后开始通入电解液，待夹具内部充满溶液后，工具电极3开始进给，开始进行加工，设定此时加工时间t1＝0，加工开始后工件2材料被不断溶解，工件2直径逐渐变小。

工具电极3的初始进给速度v由仿真所得。

工件最大蚀除量xmax满足如下关系：

xmax＝ra-rd。

式中ra为工件初始半径，rd为工件加工尺寸半径。

步骤4.待加工一段时间即工件旋转3圈后，测量同一位置点，此时进行第二次(即i＝2)测量，测量此时的工件2总蚀除量。将机床测头1靠近工件2，当机床测头1与工件2恰好接触时，此时的机床测头1的测头中心点o2的坐标(x2，0)，将数据反馈给控制系统，此时的加工时间为t2。

步骤5.判断此时是否停止加工。

此时x2＜xmax，未达到加工尺寸，则在系统内部进行下一步操作。

步骤6.根据第二次(即i＝2时)所测的数据x2和第一次(即i＝1时)所测的数据x1，在控制系统内部，以及时间t1、t2，计算出此时的工件蚀除速度v2，其计算公式如下：

将此时的工具电极进给速度v进行调整，即满足如下公式：

v＝v2。

即在控制系统内部，设置工具电极进给速度v等于工件蚀除速度v2，继续进给。

步骤7.再次加工3圈后，对相同位置点进行第i次测量，测量此时的工件总蚀除量。第i次测量时，将机床测头1靠近工件2，当机床测头1与工件2恰好接触时，此时的机床测头1的测头中心点oi的坐标为(xi，0)，将测量数据反馈给控制系统，此时加工时间为ti。

xi为第i次测量时，测头中心点oi相对于测量零点o1的距离。

时间ti为第i次测量时，相对于开始加工时所用的总的加工时间。

步骤8.重复步骤5，判断是否停止加工，即当xi≥xmax时，达到加工尺寸，停止加工；当xi＜xmax时，未达到加工尺寸，则进行下一步操作；xi≥xmax。

步骤9.重复步骤6，根据第i次测的数据xi和前一次(即第i-1次)所测得的数据xi-1，可知在时间间隔ti-ti-1内的腐蚀量为xi-xi-1，在控制系统内部，计算出此时的工件蚀除速度vi，其计算公式如下：

工件蚀除速度从i＝2开始。为了统一使用，定义v1等于初始时刻的工具电极进给速度v，即v1＝v。

步骤10.当机床测头测量所得数据xi满足xi≥xmax时，停止加工。

图4为本发明所提供的一种基于加工深度在线监测的恒间隙旋印电解加工系统结构示意图，如图4所示，本发明所提的一种基于加工深度在线监测的恒间隙旋印电解加工系统，包括：装夹模块401、初始的边界位置获取模块402、加工参数获取模块403、电解液通入模块404、加工模块405、加工后的边界位置获取模块406、待加工工件的蚀除量确定模块407、判断模块408、第一确定模块409、蚀除速度确定模块410和第二确定模块411。

装夹模块401用于将待加工工件和工具电极以初始加工间隙装夹在机床上；所述待加工工件的圆心、工具电极的圆心以及所述机床的机床测头的中心均位于同一直线上；所述工具电极用于沿所述直线向所述待加工工件进给。

初始的边界位置获取模块402用于利用所述机床测头获取所述待加工工件的初始的边界位置；所述初始的边界位置为所述机床测头与加工前所述待加工工件接触时所述机床测头的中心点的位置。

加工参数获取模块403用于获取加工参数；所述加工参数包括加工电压、待加工工件的转速、工具电极的转速、工具电极的初始进给速度以及待加工工件的设定蚀除量。

电解液通入模块404用于根据所述工具电极的转速和待加工工件的转速同步旋转所述工具电极和待加工工件，并通入电解液。

加工模块405用于根据所述加工参数加工所述待加工工件。

加工后的边界位置获取模块406用于待加工设定时间间隔后，利用所述机床测头获取所述待加工工件的加工后的边界位置。当前时刻的所述机床测头的位置与初始时刻的所述机床测头的位置相同；

待加工工件的蚀除量确定模块407用于根据所述加工后的边界位置与所述初始的边界位置确定所述待加工工件的蚀除量。

判断模块408用于判断所述蚀除量是否小于所述设定蚀除量。

第一确定模块409用于若所述蚀除量大于或等于所述设定蚀除量，则所述待加工工件达到加工尺寸，停止加工。

蚀除速度确定模块410用于若所述蚀除量小于所述设定蚀除量，则确定所述待加工工件的蚀除速度。

第二确定模块411用于将所述工具电极的初始进给速度更新为所述待加工工件的蚀除速度，并返回所述待加工设定时间间隔后，利用所述机床测头获取所述待加工工件的加工后的边界位置的步骤，直至所述待加工工件达到加工尺寸，停止加工。

所述初始加工间隙的取值范围为0.2mm-0.5mm。

所述加工参数获取模块具体包括：

设定蚀除量确定单元，用于利用公式xmax＝ra-rd确定所述设定蚀除量；其中，ra为所述待加工工件的初始半径，rd为待加工工件到达加工尺寸后的半径。

所述蚀除速度确定模块具体包括：参数获取单元和蚀除速度确定单元。

参数获取单元用于获取第i次加工后的边界位置和第i-1次加工后的边界位置以及第i次加工和第i-1次加工之间的时间间隔。

蚀除速度确定单元用于利用公式确定所述待加工工件的蚀除速度；其中，ti为i次加工的总时间，ti-1为i-1次加工的总时间，xi-1为第i-1次加工后的边界位置，xi为第i次加工后的边界位置。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。