阅读说明：本技术 旋转电弧的电弧铣削加工装置及加工方法 (Arc milling device and method for rotating arc ) 是由 韩福柱 张震 张瑾 于 2019-09-11 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种旋转电弧的电弧铣削加工装置及加工方法,其中,该加工装置包括：工具电极和静态纵向磁场产生装置；工具电极具有第一端和第二端,工具电极设有自第一端向第二端贯通的高压冲流通道,工具电极用于对作为工件电极的待铣削加工工件进行加工,工具电极和工件电极采用直流电源供电；静态纵向磁场产生装置设置在工具电极上,用于产生静态纵向均匀磁场以使工具电极的第二端在静态纵向均匀磁场中利用旋转电弧对工件电极进行电弧铣削加工。本发明提高了铣削加工的速度与质量,提高了电弧铣削加工难切削材料的加工效率。(The invention discloses an arc milling device and a processing method of a rotating arc, wherein the processing device comprises: a tool electrode and a static longitudinal magnetic field generating device; the tool electrode is provided with a first end and a second end, the tool electrode is provided with a high-voltage rush current channel which is communicated from the first end to the second end, the tool electrode is used for machining a workpiece to be milled and machined, and the tool electrode and the workpiece electrode are powered by a direct-current power supply; the static longitudinal magnetic field generating device is arranged on the tool electrode and used for generating a static longitudinal uniform magnetic field so that the second end of the tool electrode utilizes a rotating electric arc to perform electric arc milling processing on the workpiece electrode in the static longitudinal uniform magnetic field. The invention improves the speed and quality of milling and improves the processing efficiency of arc milling of difficult-to-cut materials.)

旋转电弧的电弧铣削加工装置及加工方法

技术领域

本发明涉及特种加工领域，尤其是涉及一种旋转电弧的电弧铣削加工装置及加工方法。

背景技术

目前成熟的传统机械切削方法无法实现钛合金、镍基高温合金等难切削材料的高效加工。火花放电加工可以得到较好的表面质量和精度，但是由于电火花放电过程是逐点放电，并且放电过程中存在一个极间介质消电离阶段，如果省略该阶段或者该阶段时间太短，工作介质就不能恢复绝缘状态，因而在前一次放电位置附近就会形成稳定的电弧，造成重复放电，烧伤工件，所以，极间介质消电离阶段是电火花放电过程不可避免的，电火花加工时是间歇性的蚀除工件，效率低下。

目前出现一种直流动电弧电火花加工方法，该方法使用的工具电极为空心电极，内部冲液，采用直流电源代替脉冲电源进行供电，因此电火花加工就可以连续进行，避免了因为脉冲间隔而打断加工过程，极大的提高电火花加工的速度。

另一种旋弧耦合放电铣削加工装置，利用电机学原理，在工具电极周围施加一个旋转磁场，通过磁场影响工具电极放电的电弧形态。该发明方法仅适用于工具电极不旋转的情况，并且电磁耦合装置需要至少两组空间相差一定角度的线圈。然而电弧在旋转磁场的运动过程中，受力不是均匀的，因此铣削加工过程极不稳定，影响加工效率。并且电磁耦合装置非常复杂，加工困难，并不适用于实际加工。

传统电火花加工难切削材料效率低下，而随着航空航天领域的快速发展，对难切削材料的需求量增加，因此，需要提出一种实现高速加工难切削材料的新型电火花加工方法。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明第一方面的一个目的在于提出一种旋转电弧的电弧铣削加工装置，能够高效加工难切削材料，设备简单，节约成本且便于对机床的改造。

根据本发明第一方面实施例的旋转电弧的电弧铣削加工装置，包括：

工具电极，所述工具电极具有第一端和第二端，所述工具电极设有自所述第一端向所述第二端贯通的高压冲流通道，所述工具电极用于对作为工件电极的待铣削加工工件进行加工，所述工具电极和所述工件电极采用直流电源供电；

静态纵向磁场产生装置，所述静态纵向磁场产生装置设置在所述工具电极上，用于产生静态纵向均匀磁场以使所述工具电极的第二端在所述静态纵向均匀磁场中利用旋转电弧对所述工件电极进行电弧铣削加工。

根据本发明第一方面实施例的旋转电弧的电弧铣削加工装置，重点提高铣削加工的速度与质量，在工具电极周围设置静态纵向磁场产生装置，外加的纵向静态磁场在工具电极加工端均匀分布，能够让运动电弧均匀受力，且所受的洛伦兹力均为最大值，即使工具电极不旋转，洛伦兹力也可以拉动电弧作绕工具电极轴线的高速螺旋运动，可以连续性地蚀除材料。此外，纵向静态磁场能够使电弧实现匀质化和收缩，有效控制电弧形态，使电弧放电能量更加集中在工具电极的第二端，旋转电弧在加工位置处高速稳定旋转，持续蚀除工件电极，提高了电弧铣削加工难切削材料的加工效率。高压冲流通道可以输送高压液体或高压气体，高压液体或高压气体可以从第一端进入高压冲流通道并从第二端流出，冲向正在进行的铣削加工区，快速地带走加工区域的加工屑和热量，并且能够有效地消电离，保证放电加工过程的持续进行。综上，根据本发明第一方面实施例的旋转电弧的电弧铣削加工装置，能够高速工作，效率高，设备简单，节约成本且便于对机床的改造。

根据本发明第一方面的一个实施例，所述静态纵向磁场产生装置为直流电磁线圈、直流励磁装置和永磁体中任意一种，所述工具电极穿设于所述直流电磁线圈、所述直流励磁装置或所述永磁体中。

根据本发明第一方面的一些实施例，所述静态纵向磁场产生装置可沿纵向移动地设置在所述工具电极上。

根据本发明第一方面的一些实施例，还包括电机，所述电机与所述工具电极相连以驱动所述工具电极旋转运动。

根据本发明第一方面进一步的实施例，所述电机为空心电机。

根据本发明第一方面的一些实施例，还包括侧面辅助冲流装置，所述侧面辅助冲流装置用于从所述工具电极与所述工件电极之间的侧面向加工区域持续供高压冲液或高压气体。

根据本发明第一方面的一些实施例，还包括转接头，所述转接头安装在所述工具电极的所述第一端。

根据本发明第一方面的一些实施例，所述工具电极和所述工件电极采用的直流电源为脉冲直流电源。

本发明第二方面还提出了如上述任意一个第一方面实施例的所述旋转电弧的电弧铣削加工装置的加工方法。

根据本发明第二方面实施例的所述旋转电弧的电弧铣削加工装置的加工方法，包括如下步骤：

准备：将所述工件电极放置在水平运动平台上；将所述的旋转电弧的电弧铣削加工装置纵向设置在所述工件电极的上方，并使所述工具电极的第二端朝下；

铣削加工：使所述静态纵向磁场产生装置产生静态纵向均匀磁场，同时向所述工具电极和所述工件电极供给直流电，向所述工具电极的所述高压冲流通道中持续输送高压冲液或高压气体，使得高压冲液或高压气体从所述工具电极的所述第二端流出，以带走加工区域的加工屑和热量，并进行有效的极间消电离。

根据本发明第二方面实施例的旋转电弧的电弧铣削加工装置的加工方法，重点提高了铣削加工的速度与质量，由于工具电极周围设置了静态纵向磁场产生装置，外加的纵向静态磁场在工具电极加工端均匀分布，能够让运动电弧均匀受力，且所受的洛伦兹力均为最大值，即使工具电极不旋转，洛伦兹力也可以拉动电弧作绕工具电极轴线的高速螺旋运动，可以连续性地蚀除材料。此外，纵向静态磁场能够使电弧实现匀质化和收缩，有效控制电弧形态，使电弧放电能量更加集中在工具电极的第二端，旋转电弧在加工位置处高速稳定旋转，持续蚀除工件电极，提高了电弧铣削加工难切削材料的加工效率。高压冲流通道可以输送高压液体或高压气体，高压液体或高压气体可以从第一端进入高压冲流通道并从第二端流出，冲向正在进行的铣削加工区，快速地带走加工区域的加工屑和热量，并且能够有效地消电离，保证放电加工过程的持续进行。综上，根据本发明第一方面实施例的旋转电弧的电弧铣削加工装置，能够高速工作，效率高，设备简单，节约成本且便于对机床的改造。

根据本发明第二方面进一步的实施例，所述铣削加工的过程中，还包括利用所述侧面辅助冲流装置从所述工具电极与所述工件电极之间的侧面向加工区域持续输送高压冲液或高压气体。

根据本发明第二方面进一步的实施例，所述铣削加工的过程中，所述工具电极做旋转运动。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明一个实施例的加工装置结构示意图。

图2为本发明一个实施例的加工装置的电磁线圈产生的均分布的静态磁场的示意图。

图3为本发明一个实施例的工作原理示意图。

附图标记：

旋转电弧的电弧铣削加工装置1000

工具电极1

工件电极2

静态纵向磁场产生装置3 直流电源31 电磁线圈32

高压冲流通道4

侧面辅助冲流装置5

转接头6

空心直流电机7

水平运动平台8

直流电源9

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面结合图1至图3来描述根据本发明实施例的旋转电弧的铣削加工装置1000。

如图1至图3所示，根据本发明第一方面实施例的旋转电弧的铣削加工装置1000，包括：工具电极1，工具电极1具有第一端和第二端，工具电极1设有自第一端向第二端贯通的高压冲流通道4，工具电极1用于对作为工件电极2的待铣削加工工件进行加工，工具电极1和工件电极2采用直流电源9供电；静态纵向磁场产生装置3，静态纵向磁场产生装置3设置在工具电极1上，用于产生静态纵向均匀磁场以使工具电极1的第二端在静态纵向均匀磁场中利用旋转电弧对工件电极2进行电弧铣削加工。

具体而言，工具电极1具有第一端和第二端，工具电极1设有自第一端向第二端贯通的高压冲流通道4，也就是说，该高压冲流通道4是设置在工具电极1的内部形成空心电极，可以输送高压液体或高压气体，高压液体或高压气体等可以从第一端进入高压冲流通道4并从第二端流出冲向正在进行的铣削加工区，快速地带走加工屑和热量，并且能够有效地消电离，保证放电加工过程的持续进行。工具电极1用于对作为工件电极2的待铣削加工工件进行加工，工件电极2可以为航空、航天等重要领域的难切削材料，但不限于此，工具电极1与工件电极2接入直流电源9，用来加工难切削加工材料。可以极大的提高电弧铣削加工的速度。

静态纵向磁场产生装置3设置在工具电极1上，用于产生静态纵向均匀磁场以使工具电极1的第二端在静态纵向均匀磁场中利用旋转电弧对工件电极2进行电弧铣削加工。铣削加工时，由于静态纵向磁场装置3在工具电极1周围形成了均匀分布的静态磁场，电弧在均匀分布的磁场中运动时，带电粒子作切割磁感线运动产生的洛伦兹力始终相等且均为最大值，在洛伦兹力的作用下，即使工具电极1不旋转，带电粒子也会作绕工具电极1轴线的高速螺旋运动，因此，在工具电极1和工件电极2最接近的环形表面上发生均匀的电弧放电，放电区域内的工件电极2在电弧放电群组产生的高温下不断被蚀除。

根据本发明第一方面实施例的旋转电弧的电弧铣削加工装置1000，重点提高铣削加工的速度与质量，在工具电极1周围设置静态纵向磁场产生装置3，外加的纵向静态磁场在工具电极1加工端均匀分布，能够让运动电弧均匀受力，且所受的洛伦兹力均为最大值，即使工具电极1不旋转，洛伦兹力也可以拉动电弧作绕工具电极1轴线的高速螺旋运动，可以连续性地蚀除材料。此外，纵向静态磁场能够使电弧实现匀质化和收缩，有效控制电弧形态，使电弧放电能量更加集中在工具电极1的第二端，旋转电弧在加工位置处高速稳定旋转，持续蚀除工件电极2，提高了电弧铣削加工难切削材料的加工效率。高压冲流通道4可以输送高压液体或高压气体，高压液体或高压气体可以从第一端进入高压冲流通道4并从第二端流出，冲向正在进行的铣削加工区，快速地带走加工区域的加工屑和热量，并且能够有效地消电离，保证放电加工过程的持续进行。综上，根据本发明第一方面实施例的旋转电弧的电弧铣削加工装置1000，能够高速工作，效率高，设备简单，节约成本且便于对机床的改造。

根据本发明第一方面的一个实施例，静态纵向磁场产生装置3为直流电磁线圈32、直流励磁装置和永磁体中任意一种，工具电极1穿设于直流电磁线圈32、直流励磁装置或永磁体中。

也就是说，静态径向磁场产生装置3可以为直流电磁线圈32，直流电磁线圈32套接工具电极1上，通直流电后，在工具电极1的第二端底部形成了均匀分布的静态纵向磁场，电弧在均匀分布的磁场中运动时，带电粒子作切割磁感线运动产生的洛伦兹力始终相等且均为最大值，在洛伦兹力的作用下，即使工具电极1不旋转，带电粒子也会作绕工具电极1轴线的高速螺旋运动，因此，在工具电极1和工件电极2最接近的环形表面上发生均匀的电弧放电，放电区域内的工件电极2电弧放电群组产生的高温下不断被蚀除，因此，旋转电弧铣削过程是连续进行的，弥补了电火花加工过程中间断性放电蚀除材料而导致加工效率低的缺点。同时，由于电弧是旋转的，所以放电加工的位置是时刻变化的，并不会在某一点持续放电，因此，对电弧旋转过程中的某一点来说，电弧是脉冲性的，不会在该点发生工件烧伤的现象。

静态纵向磁场产生装置3还可以为直流励磁装置，自流电磁励磁装置由于直流电流的大小可以改变，因此，产生的静态纵向均匀磁场大小也可以改变。

由带电粒子在磁场中的运动半径R＝mv/qB公式可知，外加的纵向静态均匀的磁场强度B越大，带电粒子螺旋运动的半径越小，因此，施加合适强度的纵向静态磁场还可以有效控制电弧的扩散，使电弧在工具电极1第二端即高速旋转的运动时会整体收缩，电弧的能量更加集中在加工区域，对工件电极2更强，加工效率更高。

静态纵向磁场产生装置3还可以为永磁体，此时，不需要为永磁体提供额外的供电电源。根据本发明第一方面的一个实施例，静态纵向磁场产生装置3可沿纵向移动地设置在工具电极1上。由于静态纵向磁场可以有效的控制电弧的扩散，使电弧在工具电极1加工端作高速旋转的运动时会整体收缩，所以静态纵向磁场产生装置3的纵向移动可以增大或缩小电弧的加工范围。

根据本发明第一方面的一些实施例，还包括电机，电机与工具电极1相连以驱动工具电极1旋转运动。由此可以实现工具电极1工作时处于旋转运动状态，从而有利于保证电弧旋转，形成旋转电弧，利用旋转电弧对工件电极2铣削加工，效率更高。

根据本发明第一方面进一步的实施例，电机为空心直流电机7。可以理解的是，当电机为空心直流电机7时，空心直流电机7的轴孔和工具电极1的高压冲流通道4共同作为内部冲流通道。

当然，在其他的一些实施例中，电机也可以为非空心轴电机，同样也可以驱动工具电极1旋转。

根据本发明第一方面的一些实施例，还包括侧面辅助冲流装置5，侧面辅助冲流装置5用于从工具电极1与工件电极2之间的侧面向加工区域持续供高压冲液或高压气体。可以理解的是，在旋转电弧铣削过程中，侧面辅助冲流装置5可以输送高压液体或高压气体，高压液体或高压气体经侧面辅助冲流装置5从工具电极1与工件电极2之间的侧面持续喷向加工区域，与高压冲流通道4喷出的高压冲液或高压气体相结合，可以更加快速地带走加工区域的加工屑和热量，并且能够更有效地消电离，保证放电加工过程的持续进行，提高运动电弧铣削难切削材料时的加工效率。

根据本发明第一方面的一些实施例，还包括转接头6，转接头6安装在工具电极1的第一端。通过转接头6可以将工具电极1与外部的高压冲液设备或高压气体设备连接起来。

可选的，转接头6可以为高速转接头。可以理解的是，在高压冲液或高压气体高速流动状态下使用高速转接头将工具电极1与外部的高压冲液设备或高压气体设备连接，连接处密封性好，可以避免液体或气体泄漏。

根据本发明第一方面的一些实施例，工具电极1和工件电极2采用的直流电源9为脉冲直流电源。由此，在进行旋转电弧的电弧铣削加工时，通过改变脉冲就能够改变电弧强度。

本发明第二方面还提供了一种上述任意一个实施例的旋转电弧的电弧铣削加工装置1000的加工方法。

如图1至图3所示，根据本发明第二方面实施例的旋转电弧的电弧铣削加工装置1000的加工方法，包括如下步骤：

准备：将工件电极2放置在水平运动平台8上；将旋转电弧的电弧铣削加工装置1000纵向设置在工件电极2的上方，并使工具电极1的第二端朝下；

铣削加工：使静态纵向磁场产生装置3产生静态纵向均匀磁场，同时向工具电极1和工件电极2供给直流电，向工具电极1的高压冲流通道4中持续输送高压冲液或高压气体，使得高压冲液或高压气体从工具电极1的第二端流出，以带走加工区域的加工屑和热量，并进行有效的极间消电离。

具体而言，在准备的步骤中，将工件电极2放置在水平运动平台8上，铣削加工时，可以通过水平运动平台8带动带动工件电极2在水平方向上运动；将旋转电弧的电弧铣削加工装置1000纵向设置在工件电极2的上方，并使工具电极1的第二端朝下，以便利用旋转电弧铣削工件电极2。

在铣削加工的步骤中，由于静态纵向磁场产生装置3设置在工具电极1上，可以产生静态纵向均匀磁场以使工具电极1的第二端在静态纵向均匀磁场中利用旋转电弧对工件电极2进行电弧铣削加工。铣削加工时，由于静态纵向磁场产生装置3在工具电极1周围形成了均匀分布的静态磁场，电弧在均匀分布的磁场中运动时，带电粒子作切割磁感线运动产生的洛伦兹力始终相等且均为最大值，在洛伦兹力的作用下，即使工具电极1不旋转，带电粒子也会作绕工具电极1轴线的高速螺旋运动，因此，在工具电极1和工件电极2最接近的环形表面上发生均匀的电弧放电，放电区域内的工件电极2在电弧放电群组产生的高温下不断被蚀除。

根据本发明第二方面实施例的旋转电弧的电弧铣削加工装置1000的加工方法，重点提高了铣削加工的速度与质量，由于工具电极1周围设置了静态纵向磁场产生装置3，外加的纵向静态磁场在工具电极1加工端均匀分布，能够让运动电弧均匀受力，且所受的洛伦兹力均为最大值，即使工具电极1不旋转，洛伦兹力也可以拉动电弧作绕工具电极1轴线的高速螺旋运动，可以连续性地蚀除材料。此外，纵向静态磁场能够使电弧实现匀质化和收缩，有效控制电弧形态，使电弧放电能量更加集中在工具电极1的第二端，旋转电弧在加工位置处高速稳定旋转，持续蚀除工件电极2，提高了电弧铣削加工难切削材料的加工效率。高压冲流通道4可以输送高压液体或高压气体，高压液体或高压气体可以从第一端进入高压冲流通道4并从第二端流出，冲向正在进行的铣削加工区，快速地带走加工区域的加工屑和热量，并且能够有效地消电离，保证放电加工过程的持续进行。综上，根据本发明第一方面实施例的旋转电弧的电弧铣削加工装置1000，能够高速工作，效率高，设备简单，节约成本且便于对机床的改造。

根据本发明第二方面进一步的实施例，铣削加工的过程中，还包括利用侧面辅助冲流装置5从工具电极1与工件电极2之间的侧面向加工区域持续输送高压冲液或高压气体。可以理解的是，在旋转电弧铣削过程中，侧面辅助冲流装置5可以输送高压液体或高压气体，高压液体或高压气体经侧面辅助冲流装置5从工具电极1与工件电极2之间的侧面持续喷向加工区域，与高压冲流通道4喷出的高压冲液或高压气体相结合，可以更加快速地带走加工区域的加工屑和热量，并且能够更有效地消电离，保证放电加工过程的持续进行，提高运动电弧铣削难切削材料时的加工效率。

根据本发明第二方面进一步的实施例，铣削加工的过程中，工具电极1做旋转运动。由此，旋转电弧绕工具电极1作高速旋转运动，提高了工作效率。例如工具电极1做旋转运动可以通过电机驱动来实现。

需要说明的是，工具电极1在不旋转的状态下，带电粒子也会作绕工具电极1轴线的高速螺旋运动。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。