一种电磁控制式整体叶盘电解加工装置及方法
阅读说明：本技术 一种电磁控制式整体叶盘电解加工装置及方法 (Electromagnetic control type blisk electrolytic machining device and method ) 是由 张聚臣 刘洋 陈顺华 常伟杰 唐火红 杨海东 张俊生 于 2021-08-13 设计创作，主要内容包括：本发明涉及电解加工领域,具体涉及一种电磁控制式整体叶盘电解加工装置及方法。包括五轴并联机器人和回转工作台,回转工作台上转动安装有三爪卡盘,回转工作台的护罩上端固定安装有加工夹具,阴极工具包括进液连接块和水平布置的阴极头,阴极头储液腔的下端上开设有出液长槽,导板在磁控机构的作用下可沿着出液长槽来回移动；电解加工时,五轴并联机器人带动阴极头自上而下一次成型电解加工出整体叶盘的叶栅通道,因此本发明的整体叶盘电解加工装置及方法可一次加工生成整体叶盘的叶栅通道,电解液从工具阴极底部流出,其流动方式为正流式,能够获得高尺寸精度的叶盆、叶背和轮毂,同时提高加工精度和加工效率。(The invention relates to the field of electrolytic machining, in particular to an electromagnetic control type blisk electrolytic machining device and method. The device comprises a five-axis parallel robot and a rotary worktable, wherein a three-jaw chuck is rotatably mounted on the rotary worktable, a processing clamp is fixedly mounted at the upper end of a shield of the rotary worktable, a cathode tool comprises a liquid inlet connecting block and a cathode head which is horizontally arranged, a liquid outlet long groove is formed in the lower end of a liquid storage cavity of the cathode head, and a guide plate can move back and forth along the liquid outlet long groove under the action of a magnetic control mechanism; during electrolytic machining, the five-axis parallel robot drives the cathode head to form and perform electrolytic machining on the blade grid channel of the blisk in one step from top to bottom, so that the blade grid channel of the blisk can be machined and generated in one step by the aid of the electrolytic machining device and method for the blisk, electrolyte flows out from the bottom of the tool cathode in a positive flow mode, a blade basin, a blade back and a hub with high dimensional accuracy can be obtained, and machining accuracy and machining efficiency are improved.)
技术领域
本发明涉及电解加工领域，具体涉及一种电磁控制式整体叶盘电解加工装置及方法。
背景技术
航空发动机作为飞机的核心组件，其性能的优劣将直接影响飞机整体的性能。而整体叶盘尤其是大尺寸整体叶盘则是航空发动机不可或缺的零部件之一，但大尺寸整体叶盘由于使用难加工材料、型面复杂、加工精度要求高，其加工制造成为世界性难题。
整体叶盘由于结构复杂、叶片型面扭曲、叶栅通道狭窄，且广泛采用钛合金、镍基高温合金等难加工材料，其具有难加工的特点。而电解加工技术具有不受材料硬度影响、工件加工表面质量好，可获得复杂几何形状等特点，故电解加工技术非常适用于整体叶盘的加工。电解加工是利用金属在电解液中的电化学阳极溶解原理将工件加工成型的一种加工方法，具有不受材料力学性能影响、不产生切削力、无工具损耗和加工范围广等优点，已经较为广泛地应用于航空航天、兵器工业等领域。
现有的叶栅通道电解加工技术主要有以下三类：套料电解加工、径向进给电解加工和旋转进给电解加工。目前套料电解加工在轮毂上两次加工的衔接位置接刀痕严重，影响加工精度，同时该方法只能加工截面变化不大，仅轻微扭曲的叶盘，适用性不好；径向电解加工采用可直线移动的成形阴极，成型精度高，但只适用于加工开敞性较好的叶栅通道，难以加工型面扭曲复杂的叶栅通道。旋转进给电解加工能够实现成型阴极在直线旋转复合进给加工中稳定电解液流场，实现扭曲叶栅通道的加工，并且显著减少叶片型面的加工余量差。但是以上电解加工方法都存在缺陷，由于新型整体叶盘的叶片型面为复杂的空间自由曲面，现有的电解加工方法从原理上无法通过一次加工获得高精度的复杂型面整体叶盘。因此，迫切需要新型的整体叶盘电解加工技术，获得具有更高的尺寸精度、更好的表面质量，大幅度提高工具阴极的加工可达性等优点，有效完成复杂曲面工件的电解加工。
发明内容
本发明为了避免上述现有技术所存在的不足之处，提供了一种电磁控制式整体叶盘电解加工装置及方法，不同于传统的套料式、径向式或旋转进给式整体叶盘加工方法，可一次加工生成整体叶盘的叶栅通道。
具体的技术方案为：一种电磁控制式整体叶盘电解加工装置及方法，包括五轴并联机器人1和回转工作台2，且五轴并联机器人1和回转工作台2外均罩设有护罩，并通过机床外罩3安装在机床的对应位置处；
所述回转工作台2上转动安装有三爪卡盘21，工作台2的护罩上端一侧通过一对L形支板22固定安装有加工夹具4；
所述加工夹具4对应三爪卡盘21的一侧开设有水平圆弧段的夹具槽口41，加工夹具4另一侧开设有竖向的矩形口42，且矩形口42和夹具槽口41贯通；
所述五轴并联机器人1的执行端通过绝缘板11固定连接有阴极工具5，所述阴极工具5包括进液连接块51和水平布置的阴极头52，且进液连接块51的进液腔511和阴极头52的储液腔521贯通，储液腔521的下端开设有出液长槽522，且储液腔521内设有磁性粒子62，磁性粒子62的下端带有导板621，磁性粒子62在磁控板61的作用下沿储液腔521移动，使得导板621在出液长槽522上来回移动；
所述阴极头52从矩形口42位置伸进夹具槽口41内，并在进液连接块51和矩形口42之间设有用于密封的伸缩式护罩421；
电解加工时，毛坯叶盘7边缘待加工部位对应布置于夹具槽口41内，所述五轴并联机器人1带动阴极头52自上而下一次成型电解加工出整体叶盘的叶栅通道。
进一步，所述磁性粒子为椭圆形，且为磁铁芯外包裹塑料层；
所述阴极头52包括上阴极板524和下阴极板525，上阴极板524和下阴极板525对合连接形成扁圆柱形阴极头52，且阴极头52中间带有圆柱形的储液腔521；
所述上阴极板524的上端开设有安装面，使得磁控板61沿着上阴极板524方向水平布置；
所述磁性粒子62位于储液腔521内，当磁控板61接通电源时，使得磁性粒子62在磁场的作用下带着导板621沿着所述出液长槽522来回移动。
进一步，所述上阴极板524由环氧树脂材料制成，所述下阴极板525由不锈钢材料制成，使得磁控板61通电时产生的磁场穿过上阴极板524作用于所述磁性粒子62。
进一步，所述阴极头52通过一对安装板526和进液连接块51对应端固定连接，且阴极头52连接端截面积大于阴极头52伸出端截面积；
进一步，所述夹具槽口41对应所述矩形口42上、下端分别水平开设有导液槽43，且矩形口42上端对应的导液槽43通过出液管44和外界连通。
进一步，所述加工夹具4包括水平布置的上夹板和下夹板，且上夹板下底面和下夹板上底面对应一侧分别开设有圆弧形台阶，每个圆弧形台阶的中部开设有U形口，当上夹板的圆弧形台阶和下夹板的圆弧形台阶上下对应接合时，上夹板和下夹板形成加工夹具4，使得加工夹具4的一侧形成所述水平圆弧段的夹具槽口41，另一侧形成所述矩形口42。
进一步，所述上夹板的两侧均开设有圆弧形台阶，使得上夹板的中部形成水平布置的圆环形凹槽。
本发明还包括上述电解加工装置的加工方法，
加工前，待加工的毛坯叶盘7通过三爪卡盘21安装在回转工作台2上，并通过调整回转工作台2使毛坯叶盘7的待加工位置对应至夹具槽口41内；
加工时，通过进液管向进液连接块51的进液腔511内通入电解液，电解液通入阴极头52的储液腔521内，并从出液长槽522流出，同时阴极头52在五轴并联机器人1带动下按照提前设定的轨迹运动，并配合回转工作台2的旋转自上而下一次成型电解加工出整体叶盘的一个叶栅通道；
加工完成后，阴极头52回到初始位置，等待毛坯叶盘7旋转至下个待加工位置后，继续进行加工，循环往复至完成所有叶栅通道；且在加工过程中，流入导液槽43的电解液经出液管44导出至外界。
进一步，在加工过程中，导板621在磁控板61的作用下不断做往复运动，从而不断扰动从出液长槽522流出的电解液，使电解液的流动呈现脉动态，更加均匀且无法形成空区。
本发明的有益效果体现在以下方面：
（1）本发明的电磁控制式整体叶盘电解加工装置，包括五轴并联机器人和回转工作台，且五轴并联机器人和回转工作台外均罩设有护罩，并通过机床外罩安装在机床的对应位置处；回转工作台转动安装有三爪卡盘，回转工作台的护罩上端一侧通过一对L形支板固定安装有加工夹具，五轴并联机器人的执行端通过绝缘板固定连接有阴极工具，阴极工具包括进液连接块和水平布置的阴极头，阴极头储液腔的下端上开设有出液长槽，导板在磁控机构的作用下可沿着出液长槽来回移动；电解加工时，阴极头从矩形口位置伸进夹具槽口内，毛坯叶盘边缘待加工部位对应布置于夹具槽口内，五轴并联机器人带动阴极头自上而下一次成型电解加工出整体叶盘的叶栅通道，因此不同于传统的套料式、径向式或旋转进给式整体叶盘加工装置，本发明的阴极工具安装于五轴并联机器人执行端，配合机床转盘带动待加工工件的转动使阴极头从上至下按一定的轨迹自上而下进给，可一次加工生成整体叶盘的叶栅通道，并且电解液从工具阴极底部流出，其流动方式为正流式，能够获得高尺寸精度的叶盆、叶背和轮毂，同时提高加工精度和加工效率；
同时本发明进行整体叶盘的一体化电解加工成型方法，相较于传统的机械加工，具有无宏观切削力，能够加工高硬度的难切削材料、工具阴极无损耗的优势，加工效率也能极大地提高，可以有效填补传统机械加工在这些方面的不足。
（2）本发明的电磁控制脉动式整体叶盘电解加工装置，通过在阴极头的储液腔内设置磁性粒子及在上阴极板上方设置磁控板，使得在加工过程中磁性粒子在磁控板的控制下不断做往复运动，带动导板在出液长槽中不断滑动，从而不断扰动流动的电解液，使电解液的流动呈现脉动态，更加均匀且无法形成空区，达到改善流场、提高电解加工精度和效率的目的。
（3）本发明中的阴极工具安装于五轴并联机器人的执行端上，通过五轴并联机器人带动阴极头精确实现任意轨迹的进给运动，极大地提高阴极头的可达性，另外五轴并联机器人相比串联机器人能够承受的压力更大，因此加工过程中阴极头能够承受电解液流动时的压力，可以极大程度地自由设计阴极头的形状和尺寸，有利于加工大尺寸的整体叶盘，同时具备优秀的加工柔性和适应性，能够完成复杂曲面工件的电解加工成型。
附图说明
图1 为本发明的结构示意图。
图2 为本发明去除机床外罩、机器人护罩和工作台外罩的结构示意图。
图3为图2的局部的图。
图4为本发明加工夹具安装在工作台上的结构示意图。
图5为本发明加工夹具的结构示意图。
图6为本发明加工夹具的上夹板结构示意图。
图7为本发明阴极工具的结构示意图。
图8为本发明阴极工具的侧向视图。
图9为本发明阴极工具的剖视图。
图10为图9的A-A示意图。
图11为本发明导板安装在磁性粒子上的结构示意图。
图12为本发明磁控板的内部结构示意图。
图13为本发明加工径向叶片整体叶盘时的状态图。
图14为图13的待加工件和加工夹具结构示意图。
图15为本发明加工轴向叶片整体叶盘时的状态图。
图16为本发明加工轴向叶片整体叶盘的上夹板结构示意图。
图17为本发明加工区的电解液流动方向原理示意图。
其中： 1五轴并联机器人、11绝缘板、12充气泵、2回转工作台、21三爪卡盘、22一对L形支板、3机床外罩、4加工夹具、41夹具槽口、42矩形口、421伸缩式护罩、43导液槽、44出液管、5阴极工具、51进液连接块、511进液腔、52阴极头、521储液腔、522出液长槽、524上阴极板、525下阴极板、526一对安装板、61磁控板、62磁性粒子、621导板、7毛坯叶盘、8毛坯叶盘。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
见图1和图2，五轴并联机器人1和回转工作台2，且五轴并联机器人1和回转工作台2外均罩设有护罩，并通过机床外罩3安装在机床的对应位置处；
五轴并联机器人1外罩设的护罩为机器人护罩，且在顶部安装有一个充气泵12给机器人护罩形成的密闭空间充气，使该密闭空间产生一个正压，防止电解加工过程中产生的一些气体如氢气损害五轴并联机器人1，回转工作台2外罩设的护罩为工作台护罩，防止电解液泄漏损坏回转工作台2。
见图3，所述五轴并联机器人1的执行端通过绝缘板11固定连接有阴极工具5。且绝缘板11的上端为圆形板，圆形板的径向两端竖直向下设有一对支板，一对支板夹在进液连接块51的两侧，并和连接块51固定连接。
见图4～图6，所述回转工作台2上转动安装有三爪卡盘21，工作台2护罩上端的一侧通过一对L形支板22固定安装有加工夹具4；
所述加工夹具4对应三爪卡盘21的一侧开设有水平圆弧段状的夹具槽口41，加工夹具4另一侧开设有竖向的矩形口42，且矩形口42和夹具槽口41贯通；
所述加工夹具4包括水平布置的上夹板和下夹板，且上夹板下底面和下夹板上底面对应一侧分别开设有圆弧形台阶，每个圆弧形台阶的中部开设有U形口，当上夹板的圆弧形台阶和下夹板的圆弧形台阶上下对应接合时，上夹板和下夹板形成加工夹具4，使得加工夹具4的一侧形成所述水平圆弧段的夹具槽口41，另一侧形成所述矩形口42。
所述夹具槽口41对应所述矩形口42上、下端分别水平开设有导液槽43，且矩形口42上端对应的导液槽43通过出液管44和外界连通。
见图7～图8，所述阴极工具5包括进液连接块51和水平布置的阴极头52，且进液连接块51的进液腔511和阴极头52的储液腔521贯通，储液腔521的下端上开设有出液长槽522，且出液长槽522上配合插设有导板621，导板621在磁控机构的作用下可沿着出液长槽522的来回移动；
所述阴极头52通过一对安装板526和进液连接块51对应端固定连接，且阴极头52连接端截面积大于阴极头52伸出端截面积。
见图9～图11，所述磁控机构包括磁控板61和椭圆形的磁性粒子62，且磁性粒子62为磁铁芯外包裹塑料层；
所述阴极头52包括上阴极板524和下阴极板525，上阴极板524和下阴极板525对合连接形成扁圆柱形阴极头52，且阴极头52中间带有圆柱形的储液腔521；
所述上阴极头524的上端开设有安装面，使得磁控板61通过安装面沿着上阴极头524方向水平布置。
所述磁性粒子62位于储液腔521内，所述导板621的上端和磁性粒子62的下端连接，当磁控板61接通电源时，使得磁性粒子62在磁场的作用下带着导板621沿着所述出液长槽522来回移动。
同时所述上阴极板524由环氧树脂材料制成，所述下阴极板525由不锈钢材料制成，使得磁控板61通电时产生的磁场穿过上阴极板524作用于所述磁性粒子62。
见图12，磁控板61为长方体磁铁外缠绕线圈，并在外长方体磁铁外层设置环氧树脂的外壳，从线圈侧面引出两根导线用于连接电源；加工时通过改变通向磁控板的电流方向来改变长方体磁铁产生的磁场方向，使得磁性粒子61在加工过程中能够受磁场的控制改变方向进行运动。
见图13和图14，电解加工时，所述阴极头52从矩形口42位置伸进夹具槽口41内，并在进液连接块51和矩形口42之间设有用于密封的伸缩式护罩421，毛坯叶盘7边缘待加工部位对应布置于夹具槽口41内，使得在进夹具槽口41、阴极头52和毛坯叶盘7边缘待加工部位之间形成相对密闭的加工区，便于电解液流经加工区域并形成稳定的流场；
所述五轴并联机器人1带动阴极头52自上而下一次成型电解加工出整体叶盘的叶栅通道。
实施例2
加工径向叶片整体叶盘的加工方法，如图13，
加工前，待加工的毛坯叶盘7通过三爪卡盘21安装在回转工作台2上，并通过调整回转工作台2使毛坯叶盘7的待加工位置对应至夹具槽口41内；三爪卡盘21接上正极电源夹，阴极工具5接上负极电源夹；
毛坯叶盘7为径向叶片整体叶盘，直径600mm、厚度为40mm、叶片数量为52、材料钛合金；
回转工作台2的最大回转角度360°、回转定位精度±5arc-sec，工件分度时转速为5-10rpm，加工过程中转速为0.05-1rpm；
并联机器人1的执行端带动阴极工具5自上而下做直线进给与转动的复合运动，对刀及快速进给过程中，直线运动速度为0-120mm/min，旋转运动速度为0-100rpm，加工过程中直线运动速度为0.2-2mm/min，旋转运动速度为0.3-2 rpm；
回转工作台2对被加工叶盘确定第一次分度，阴极头52进给至初始加工位置；加注电解液，接通电解加工电源；
加工时，阴极头52在五轴并联机器人1带动下按照提前设定的轨迹运动，并配合回转工作台2的旋转自上而下一次成型加工出整体叶盘的一个叶栅通道，加工完成后断开电解加工电源并停止供给电解液，阴极头52回到初始位置，等待毛坯叶盘7旋转至下个待加工位置后，继续进行加工，循环往复至完成所有叶栅通道；
在加工过程中，电解液通过进液连接块51流入阴极头52的储液腔521内，并从出液长槽522流出，最后从导液槽43经所述出液管44流出；所述导板621在所述磁控板61的作用下来回移动，保证出液长槽522出液均匀顺畅。
见图17，电解液从储液腔521经出液长槽522喷出，接触到毛坯叶盘7后从两边分散流动最终充满整个加工间隙形成均匀稳定的流场，在下阴极板525的作用下对毛坯叶盘7进行蚀除，最后在阴极头52与回转工作台2的配合下可获得高尺寸精度的叶盆、叶背和轮毂。
实施例3
加工轴向叶片整体叶盘的加工方法，如图15，
加工前，待加工的毛坯叶盘8通过三爪卡盘21安装在回转工作台2上，安装如图16的上夹板，此时上夹板的两侧均开设有圆弧形台阶，使得上夹板的中部形成水平布置的圆环形凹槽，起到更好的密封作用。
通过调整回转工作台2使毛坯叶盘8的待加工位置对应至夹具槽口41内；三爪卡盘21接上正极电源夹，阴极工具5接上负极电源夹；
毛坯叶盘8为轴向叶片整体叶盘，直径600mm、厚度为40mm、叶片数量为48、材料钛合金；
回转工作台2的最大回转角度360°、回转定位精度±5arc-sec，工件分度时转速为5-10rpm，加工过程中转速为0.05-1rpm；
并联机器人1的执行端带动阴极工具5自上而下做直线进给与转动的复合运动，对刀及快速进给过程中，直线运动速度为0-120mm/min，旋转运动速度为0-100rpm，加工过程中直线运动速度为0.2-2mm/min，旋转运动速度为0.1-2rpm；
回转工作台2对被加工叶盘确定第一次分度，阴极头52进给至初始加工位置；加注电解液，接通电解加工电源；
加工时，阴极头52在五轴并联机器人1带动下按照提前设定的轨迹运动，并配合回转工作台2的旋转自上而下一次成型进行轴向叶片整体叶盘的单个叶栅通道和对应的轮毂型面的一体化加工，加工完成后断开电解加工电源并停止供给电解液，阴极头52回到初始位置，等待毛坯叶盘8旋转至下个待加工位置后，继续进行加工，循环往复至完成所有叶栅通道；
在加工过程中，电解液通过进液连接块51流入阴极头52的储液腔521内，并从出液长槽522流出，最后从导液槽43经所述出液管44流出；所述导板621在所述磁控板61的作用下来回移动，保证出液长槽522出液均匀顺畅。
见图17，电解液从储液腔521经出液长槽522喷出，接触到毛坯叶盘8后从两边分散流动最终充满整个加工间隙形成均匀稳定的流场，在下阴极板525的作用下对毛坯叶盘8进行蚀除，最后在阴极头52与回转工作台2的配合下可获得高尺寸精度的叶盆、叶背和轮毂。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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