一种超声振动复合低压微弧电解五轴加工中心

本发明属于复合加工中心，具体涉及一种超声振动复合低压微弧电解五轴加工中心。

背景技术：

1、近年来，航空航天、国防军工、医疗器械及化工等领域对高端装备的性能要求不断提高，推动镍基高温合金、钛合金、碳化硅陶瓷基复合材料等难加工材料的应用范围持续扩大，这类材料普遍具备高硬度、高韧性、耐高温、耐腐蚀等典型特征，给加工工艺带来了严峻挑战。

2、传统机械切削作为金属材料大余量去除的主要方式，在加工上述难加工材料时暴露出一系列突出问题：刀具急剧磨损、切削区温度过高、加工硬化现象严重、残余应力显著以及表面完整性难以保证，这些问题导致加工效率低、成本高，严重时甚至无法实现精密成形加工的要求。

3、低压微弧加工通过降低放电电压实现稳定的微尺度电弧放电，显著降低了热输入密度，有效抑制材料表面的烧蚀与微裂纹扩展，该技术利用高能电弧放电产生的高温等离子体实现材料的热蚀除，兼具高效率、低成本、低能耗的优势，已成为难切削材料大余量高效去除的有效手段，然而，该技术仍受制于电蚀产物滞留、放电间隙失稳及热积累等瓶颈问题，加工精度与表面质量有待进一步提升。

4、电解加工利用电化学阳极溶解原理去除材料，具有无工具损耗、无热影响层、表面质量好等优点，适合精加工，但其材料去除效率较低，且对易钝化材料（如钛合金、高温合金）加工时稳定性较差，往往需要辅助手段来破坏钝化膜。

5、超声振动加工通过高频微冲击与空化效应，可有效改善加工界面的介质循环状态，辅助去除钝化膜和电蚀产物，抑制表面微裂纹扩展，特别适用于硬脆材料的成形加工，但单独使用时材料去除效率有限，难以满足大余量加工需求。

6、由此可见，将低压微弧高效蚀除、电解高质量成形与超声振动辅助调控三种能场进行深度复合，有望实现难加工材料复杂零件的高效率、高精度、高表面完整性加工，然而，目前尚未见到将上述三种能场有机集成于同一台五轴机床上的成熟方案，现有特种加工机床往往仅具备单一或双能场加工能力，而通用五轴加工中心又无法直接实施电化学或放电加工，导致整体叶盘、涡轮叶片等复杂曲面零件往往需要在多种设备间多次装夹，严重影响加工精度与效率。

7、因此，开发一种能够集成超声振动、低压微弧放电与电解加工三种能场，并具备五轴联动能力的新型复合加工中心，具有重要的工程应用价值和理论研究意义。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种超声振动复合低压微弧电解五轴加工中心，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种超声振动复合低压微弧电解五轴加工中心，包括机床床身、设于机床床身上的五轴联动运动机构、安装于所述五轴联动运动机构的z轴进给机构下端的低压微弧加工电主轴、环设于低压微弧加工电主轴外侧的低压微弧阳极上电装置、自动换刀装置、可拆卸装配在低压微弧加工电主轴下端的复合加工刀柄机构、低压微弧多功能电源、工作液循环系统以及数控系统；

3、所述数控系统分别与五轴联动运动机构、自动换刀装置、低压微弧多功能电源、工作液循环系统、复合加工刀柄机构电气连接并实现联动控制；

4、所述低压微弧多功能电源分别与复合加工刀柄机构底端的电极、五轴联动运动机构的c轴旋转工作台上的工件电性连接，形成加工供电回路。

5、作为一种优选的实施方式，所述五轴联动运动机构包含x轴进给机构、y轴进给机构、z轴进给机构以及a/c轴摇篮式双回转工作台；

6、所述x轴进给机构包括x轴伺服驱动电机、x轴床身铸件、x轴移动滑台、x轴直线导轨、x轴滚珠丝杠和x轴u型伸缩风琴防护罩；

7、所述y轴进给机构包括y轴伺服驱动电机、y轴床身基座、y轴滑动拖板、y轴直线导轨、y轴滚珠丝杠和y轴伸缩防护罩；

8、所述z轴进给机构包括z轴伺服电机、z轴固定立柱、z轴滚珠丝杠和z轴u型伸缩风琴防护罩；

9、所述a/c轴摇篮式双回转工作台包括a/c轴伺服电机、摇篮固定基座、摇篮摆动架、a轴回转轴承组、c轴旋转工作台和摇篮u型伸缩风琴防护罩；

10、各直线轴由对应伺服电机配合滚珠丝杠与直线导轨实现直线进给，各防护罩随对应运动部件同步伸缩以实现防尘防屑防护，a/c轴由a/c轴伺服电机驱动实现工件的摆动与回转运动。

11、作为一种优选的实施方式，所述自动换刀装置包含机械手旋转电机、机械手伸缩拔刀电机、链条回转驱动电机、刀库固定机架、滚子链条、刀套、机械手和换刀口；

12、所述刀库固定机架固定在z轴固定立柱的侧壁，三台电机分别驱动滚子链条分度循环运转、机械手旋转换位以及伸缩拔刀动作，滚子链条上阵列布置有多组用于装载刀具或电极的刀套。

13、作为一种优选的实施方式，所述工作液循环系统包括循环泵体、多级过滤组件、储液箱体、管路输送组件和集液槽；

14、所述储液箱体安装在y轴床身基座的底部，集液槽设于摇篮固定基座底端并环绕c轴旋转工作台布置，管路输送组件连通储液箱体与主轴加工工位，加工废液经集液槽汇入多级过滤组件过滤后回流至储液箱体，形成闭式循环回路。

15、作为一种优选的实施方式，所述低压微弧阳极上电装置包含电刷、电刷架、圆柱形螺旋压缩弹簧和铜管；

16、所述铜管固定套装于低压微弧加工电主轴的外侧壁，圆柱形螺旋压缩弹簧安装于电刷架上并顶推电刷，使电刷与铜管外壁持续贴合，实现主轴旋转状态下的连续导电。

17、作为一种优选的实施方式，所述复合加工刀柄机构集成有复合加工刀柄、超声振动装置和无线上电装置；

18、所述无线上电装置采用非接触方式接收电能并向超声振动装置供电，超声振动装置与底端的电极相连，将高频振动传导至电极；

19、复合加工刀柄机构整体做全路径绝缘处理，外表面涂布有耐电解液防腐涂层。

20、作为一种优选的实施方式，所述低压微弧多功能电源的壳体上设置有操作面板、运行指示灯、急停指示灯，且低压微弧多功能电源的壳体内部设置有冷却扇；

21、所述低压微弧多功能电源的电源输出端设置有低压微弧电源正极与低压微弧电源负极，低压微弧电源正极与低压微弧加工电主轴电性连接，低压微弧电源负极与c轴旋转工作台电性连接；

22、低压微弧多功能电源具备加工回路实时电压、电流采集功能，并将采集的工况数据反馈至数控系统。

23、作为一种优选的实施方式，所述z轴进给机构还包括氮气平衡缸总成，氮气平衡缸总成安装于z轴固定立柱的顶端中部，缸体内充入恒定压力的氮气，用于抵消滑枕与低压微弧加工电主轴的自重，降低z轴滚珠丝杠的轴向承载负荷。

24、作为一种优选的实施方式，所述数控系统内置多套工艺控制程序，可切换机械切削、低压微弧放电、电解加工、超声复合加工四种作业模式，并可根据低压微弧多功能电源反馈的电压、电流数据，动态调控各轴进给速度与放电加工参数。

25、作为一种优选的实施方式，所述多级过滤组件包含多级梯度滤材结构，可分级滤除加工废液中的铁屑、电解沉淀杂质与微细熔融颗粒，实现工作液的闭环循环复用。

26、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

27、1.本发明将机械切削、低压微弧放电加工、电解加工、超声振动四种加工方式集成在同一台五轴加工中心，工件一次装夹即可完成粗加工、精加工、特种复合加工等多道工序，省去工件多次拆装找正步骤，有效消除多次装夹带来的定位误差，大幅提升复杂曲面零件的加工精度与生产效率。

28、2.依托复合加工刀柄机构集成的超声振动辅助作用，加工过程中利用空化效应破除工件表面钝化膜、及时清除加工间隙内的电蚀产物；搭配非接触式无线输电为超声部件持续供电，避免引线缠绕干涉主轴回转，既改善电解加工易钝化、去除效率低的缺陷，又缓解低压微弧加工残渣滞留、间隙不稳和热影响区以及重铸层的问题，同步优化两种特种加工的加工稳定性与成品表面质量。

29、3.设备各运动轴均配置伸缩式防护罩，可随对应部件同步伸缩，全面遮盖导轨、丝杠等精密传动部件，有效隔绝加工铁屑、工作液与电解液侵入，保障传动精度，延长设备使用寿命。

30、4.设备配备独立闭环式工作液循环系统，配合多级过滤组件分级滤除铁屑、电解沉淀杂质与微细熔融颗粒，工作液可反复循环使用，降低耗材消耗，兼顾经济性与绿色环保要求。

31、5.低压微弧阳极上电装置借助弹簧顶紧电刷结构，在低压微弧加工电主轴高速回转工况下仍能持续稳定导电，解决旋转主轴连续供电难题；电刷磨损后可通过弹簧自动补偿，延长维护周期。

32、6.低压微弧多功能电源可实时采集加工回路电压、电流数据并上传至数控系统，数控系统依据工况参数动态调控进给速度与放电参数，有效规避短路、异常拉弧等故障，提升设备运行安全性。

33、7.搭配自动化链式换刀装置，可根据工艺需求快速切换切削刀具、微弧电极、电解电极，配合五轴联动动作灵活调整工件加工姿态，适配钛合金、高温合金等各类难加工复杂构件的多样化加工需求。

34、8.z轴配置氮气平衡缸结构，有效抵消主轴与滑枕自重，降低丝杠轴向载荷，提升z轴进给的运动平稳性与定位精度，延长传动部件使用寿命。