超声辅助放电-电化学-机械复合精加工方法与装置

本发明涉及电加工，特别是涉及超声辅助放电-电化学-机械复合精加工方法与装置。

背景技术：

1、颗粒增强金属基复合材料是以碳化物、氮化物、石墨等颗粒增强相，以金属或合金为基体的复合材料统称。颗粒增强金属基复合材料具有低热膨胀系数、高热导率、高比刚度、低密度、良好的尺寸稳定性以及耐磨、耐疲劳等优异的力学性能和物理性能，在航空航天领域应用前景广泛。中国火星车“祝融号”车身承载结构、机械运动机构、探测器结构等几十种零部件采用了多种不同碳化硅含量的sicp/al；嫦娥五号月球采样机构关键部件也采用了sicp/al。颗粒增强金属基复合材料的力学性能主要与增强相颗粒的体积分数有关，通常认为颗粒含量越高，材料的耐磨性、尺寸稳定性等性能越优异；但是中高体积分数颗粒增强相使得机械切削加工刀具磨损严重、表面加工质量差、加工效率低甚至无法加工，限制了颗粒增强金属基复合材料在航空航天领域的推广和应用。

2、电火花加工(edm)、电解加工(ecm)是难加工导电材料、异形面的有效加工方法，超声加工(usm)是加工各类硬脆性材料的有效加工方法，三维打印(3dp)技术是三维曲面原型零件的高效成形方法，激光束(lbm)、电子束(ebm)及离子束(ibm)能对各种各样的材料进行表面处理或精细加工。尽管上述特种加工技术各有各的技术优势，但是都有局限性。比如，超声加工刀具寿命较短且难以在线补偿；电火花表面易产生变质层，降低了加工效率和表面质量；线切割加工无法对盲孔型腔进行加工；三维打印及激光加工精度有待提升；电子束、离子束加工应用范围较小且加工成本较高。另外，电火花、电解、超声多用拷贝式成形，异形面电极(或工具)制作工艺复杂，加工形状单一，技术柔性差。

3、针对难加工材料复合加工的研究，结合特种加工技术的技术优势，提出超声辅助放电-电化学-机械复合精加工方法与装置。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供超声辅助放电-电化学-机械复合精加工方法与装置，旨在解决或改善上述技术问题中的至少之一。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供超声辅助放电-电化学-机械复合精加工装置，包括：

3、电解液槽，所述电解液槽内填充有电解液；所述电解液槽内安装有工件；

4、超声波发生机构，所述超声波发生机构安装在所述电解液槽的底部，用于对所述电解液施加超声振动；

5、旋转主轴，所述旋转主轴安装在所述电解液槽的上方；所述旋转主轴的输出端安装有工具电极；

6、脉冲电源，所述脉冲电源的正极与所述工件连接，负极与所述工具电极连接；所述脉冲电源电性连接有示波器。

7、根据本发明提供的超声辅助放电-电化学-机械复合精加工装置，所述超声波发生机构包括：

8、超声振子，所述超声振子设有若干；若干所述超声振子并排等间距安装在所述电解液槽的底壁上；

9、超声波发生器，所述超声波发生器与若干所述超声振子连接。

10、根据本发明提供的超声辅助放电-电化学-机械复合精加工装置，所述工具电极的材质包括但不限于钨铜合金、铈钨合金、石墨和金刚砂磨粒；

11、所述钨铜合金包括以下组分，钨的重量百分比为60％～80％；铜的重量百分比为20％～40％；

12、所述金刚砂磨粒的粒度为100目～800目。

13、根据本发明提供的超声辅助放电-电化学-机械复合精加工装置，所述电解液为氯化钠的乙二醇溶液，所述电解液的振动幅值为1微米～20微米。

14、根据本发明提供的超声辅助放电-电化学-机械复合精加工装置，所述工具电极整体呈圆柱体，所述工具电极的直径为2mm～6mm；所述工具电极的长度为30mm～60mm。

15、根据本发明提供的超声辅助放电-电化学-机械复合精加工装置，所述超声振子为高转换率的压电换能器，所述超声振子的工作频率为28khz，所述超声振子的功率为100w；

16、所述超声波发生器的型号为kmd-k3，所述超声波发生器的频率为28khz，所述超声波发生器的功率为600w～900w。

17、根据本发明提供的超声辅助放电-电化学-机械复合精加工装置，所述脉冲电源的电压为0v～40v，所述脉冲电源的占空比为0％～100％，所述脉冲电源的脉冲频率为0khz～100khz；

18、所述旋转主轴的转速为0转/min～30000转/min。

19、本发明还提供的超声辅助放电-电化学-机械复合精加工方法，包括以下步骤：

20、步骤一、将超声波发生机构固定在电解液槽的底部；

21、步骤二、将待加工的工件通过夹具夹持在电解液槽中；

22、步骤三、将待加工的工件连接在脉冲电源的正极；

23、步骤四、在电解液槽中加入电解液；

24、步骤五、将工具电极通过止水夹头连接在旋转主轴上；

25、步骤六、通过碳刷引电，使得工具电极与脉冲电源的负极连接；

26、步骤七、打开脉冲电源，驱动旋转主轴，完成对刀；

27、步骤八、打开超声波发生机构，施加超声振动；

28、步骤九、旋转主轴进行轴向或径向进给运动，即可进行超声辅助放电-电化学-机械复合孔的精加工。

29、根据本发明提供的超声辅助放电-电化学-机械复合精加工方法，所述步骤一中，超声波发生机构中的若干超声振子通过锡焊的方式并联起来，然后连接在超声波发生器上。

30、根据本发明提供的超声辅助放电-电化学-机械复合精加工方法，所述步骤九中，当进行孔加工时，旋转主轴进行轴向进给运动；当进行槽加工时，旋转主轴进行径向进给运动。

31、本发明公开了以下技术效果：

32、本发明将超声波发生机构安装在电解液槽的底部，通过超声波发生机构对电解液施加超声振动，进而利用超声振动特有的“空化作用”和“泵吸作用”来强化电解、电火花作用并提高工作液的循环速率，有效提高颗粒增强金属复合材料的加工效率和表面质量；

33、本发明将超声加工、电解加工、电火花放电加工有机结合，取长补短，提升了材料加工效率和加工精度，对难加工材料、异形面零件加工具有精密、高效的加工效果；

34、本发明能够为电解液提供超声振动，利用电解液的超声振动使加工区域工作液循环，有利于火花放电的稳定进行；可及时排出加工区域加工产物，避免产物堆积；通过调整旋转主轴的转速和进给速度，能够实现工件型腔的高效、精密加工，适用于加工颗粒增强金属基复合材料等难加工材料。

技术特征：

1.超声辅助放电-电化学-机械复合精加工装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的超声辅助放电-电化学-机械复合精加工装置，其特征在于：所述超声波发生机构包括：

3.根据权利要求1所述的超声辅助放电-电化学-机械复合精加工装置，其特征在于：所述工具电极(4)的材质包括但不限于钨铜合金、铈钨合金、石墨和金刚砂磨粒；

4.根据权利要求1所述的超声辅助放电-电化学-机械复合精加工装置，其特征在于：所述电解液(5)为氯化钠的乙二醇溶液，所述电解液(5)的振动幅值为1微米～20微米。

5.根据权利要求1所述的超声辅助放电-电化学-机械复合精加工装置，其特征在于：所述工具电极(4)整体呈圆柱体，所述工具电极(4)的直径为2mm～6mm；所述工具电极(4)的长度为30mm～60mm。

6.根据权利要求2所述的超声辅助放电-电化学-机械复合精加工装置，其特征在于：所述超声振子(8)为高转换率的压电换能器，所述超声振子(8)的工作频率为28khz，所述超声振子(8)的功率为100w；

7.根据权利要求1所述的超声辅助放电-电化学-机械复合精加工装置，其特征在于：所述脉冲电源(2)的电压为0v～40v，所述脉冲电源(2)的占空比为0％～100％，所述脉冲电源(2)的脉冲频率为0khz～100khz；

8.超声辅助放电-电化学-机械复合精加工方法，基于权利要求1-7任一项所述的超声辅助放电-电化学-机械复合精加工装置，其特征在于，包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的超声辅助放电-电化学-机械复合精加工方法，其特征在于：所述步骤一中，超声波发生机构中的若干超声振子(8)通过锡焊的方式并联起来，然后连接在超声波发生器(9)上。

10.根据权利要求8所述的超声辅助放电-电化学-机械复合精加工方法，其特征在于：所述步骤九中，当进行孔加工时，旋转主轴(3)进行轴向进给运动；当进行槽加工时，旋转主轴(3)进行径向进给运动。

技术总结
本发明公开超声辅助放电‑电化学‑机械复合精加工方法与装置，装置包括电解液槽、超声波发生机构、旋转主轴和脉冲电源；所述电解液槽内填充有电解液；所述电解液槽内安装有工件；所述超声波发生机构安装在所述电解液槽的底部，用于对所述电解液施加超声振动；所述旋转主轴安装在所述电解液槽的上方；所述旋转主轴的输出端安装有工具电极；所述脉冲电源的正极与所述工件连接，负极与所述工具电极连接；所述脉冲电源电性连接有示波器。本发明将超声加工、电解加工、电火花放电加工有机结合，对难加工材料、异形面零件加工具有精密、高效的加工效果，可有效提高颗粒增强金属复合材料的加工效率和表面质量。

技术研发人员：苏辉辉,马曰红,房晓龙,曲宁松
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：2024/1/16