一种可实现加工间隙平衡的电解加工工具

1.本发明涉及电解加工领域，具体涉及一种可实现加工间隙平衡的电解加工工具。


背景技术：

2.随着机械制造业的快速发展，大量高强度、高硬度的难加工合金材料的应用越来越广泛，对零件的加工精度和表面质量要求也越来越高，在航天、武器、机械、医疗及仪器等领域，这些难加工材料的应用越来越广泛。
3.目前对于这些难加工材料一般采用机械切削、激光、电火花等方法加工，但传统的机械加工存在热变形，而激光加工和电火花加工则会生成重铸层和微裂纹等缺陷。电解加工技术是一种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形的非接触式加工方法。电解加工技术无冷作硬化层、电极损耗、热再铸层、没有毛刺和飞边,且其加工范围不受材料强度、硬度、韧性、熔点、导热性等的限制，适合于难加工材料的加工。
4.在电解加工过程中，阴极和阳极之间的加工间隙至关重要。若加工间隙过小，随着加工深度的增加，电解产物的排出越来越困难，会造成产物堆积进而导致短路。若加工间隙过大，电解产物虽然更容易排出，但会影响工件的形状精度及其表面质量，使其加工效果较差。目前的电解加工设备均不能保证加工过程中间隙的平衡，经常由于加工间隙的不稳定导致工件加工质量较差，因此迫切需要一种可实现加工间隙平衡的电解加工工具。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种可实现加工间隙平衡的电解加工工具，该电解加工工具可实现加工间隙的动态平衡。
6.为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：包括用于放置工件的工作台，所述的工作台置于电解池内，还包括用于加工工件的阴极，所述的阴极为中空结构，所述阴极的加工端与工件之间的加工间隙通过间隙平衡机构实现动态平衡，所述的间隙平衡机构整体呈竖直方向布置，包括自上向下依次设置且连接的驱动机构、位移放大机构及阴极机构，所述的驱动机构包括滑杆及套设在滑杆上的压电陶瓷，所述的位移放大机构包括与滑杆相连的连杆组件，所述的阴极机构包括与连杆组件相连的阴极连杆，所述的阴极连杆为中空结构，阴极连杆的一端与进液管连通，阴极连杆的另一端由止水塞密封，阴极的非加工端穿过止水塞后位于阴极连杆的内腔中，电解液经由进液管流入阴极连杆的内腔，在止水塞的作用下由阴极的内部流出，加工间隙的改变使压电陶瓷产生形变，该形变通过滑杆传递给连杆组件，连杆组件驱使与阴极机构相连的阴极形成上下方向的位移以实现加工间隙的动态平衡。
7.所述的驱动机构包括顶端敞口底端封闭的第一轴承座以及与第一轴承座相配合的第一直线运动轴承，所述第一轴承座的顶端为法兰结构且该端通过螺栓与连板固定，所述的滑杆设置在第一直线运动轴承的内部，所述的滑杆为阶梯状且呈竖直方向布置，包括依次连接的第一滑杆段、第二滑杆段、第三滑杆段及第四滑杆段，所述的第二滑杆段、第一
滑杆段、第三滑杆段、第四滑杆段的直径依次减小，所述的第一滑杆段上套设有第一弹簧，所述第一弹簧的一端抵靠在连板上，第一弹簧的另一端抵靠在第一滑杆段与第二滑杆段形成的轴肩上，所述第一弹簧的初始状态为预紧状态，所述的第二滑杆段与第一直线运动轴承相配合，所述的第三滑杆段上套设有压电陶瓷，压电陶瓷的一端抵靠在第二滑杆段与第三滑杆段形成的轴肩上，压电陶瓷的另一端抵靠在第一轴承座的底板上，所述的第四滑杆段贯穿第一轴承座的底板设置，且第四滑杆段的端部设有与位移放大机构相连的第五滑轮。
8.所述的位移放大机构包括竖直方向布置的套筒，所述套筒的筒壁上设有供进液管穿入的进液孔，所述套筒的顶端为法兰结构且该端通过螺栓固定在第一轴承座的底端，所述套筒的内壁沿其轴向对称开设有第一槽体和第二槽体，所述的连杆组件包括自上向下依次设置的第一连杆、第二连杆、第三连杆及第四连杆，所述第一连杆及第三连杆的一端分别与第一槽体的槽壁铰接相连，所述第二连杆及第四连杆的一端分别与第二槽体的槽壁铰接相连，所述第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆的铰接点自高向低依次布置；所述第一连杆的非铰接端设有第一滑轮，所述的第一滑轮置于第二连杆的杆体上且与第二连杆形成滚动配合，所述的第一滑轮与第二连杆的接触点靠近第二连杆的铰接端；所述第二连杆的非铰接端设有第二滑轮，所述的第二滑轮置于第三连杆的杆体上且与第三连杆形成滚动配合，所述的第二滑轮与第三连杆的接触点靠近第三连杆的铰接端；所述第三连杆的非铰接端设有第三滑轮，所述的第三滑轮置于第四连杆的杆体上且与第四连杆形成滚动配合，所述的第三滑轮与第四连杆的接触点靠近第四连杆的铰接端；所述第四连杆的非铰接端设有第四滑轮，所述的第四滑轮置于阴极机构上。
9.所述的阴极机构包括顶端封闭底端敞口的第二轴承座以及与第二轴承座相配合的第二直线运动轴承，所述第二轴承座的顶端为法兰结构且该端通过螺栓固定在套筒的底端，所述第二轴承座的底部设有与之连接的端盖，所述的阴极连杆设在第二直线运动轴承的内部，所述的阴极连杆为阶梯状且呈竖直方向布置的中空杆，包括依次连接的第一连杆段、第二连杆段、第三连杆段及第四连杆段，所述的第一连杆段贯穿设置在第二轴承座的顶板上，且第一连杆段的端部通过直角管接头与进液管连通，所述的直角管接头与第四滑轮相接触，所述的第二连杆段与第二直线运动轴承相配合，所述第二连杆段、第三连杆段、第四连杆段的直径依次减小，且第三连杆段的直径与第一连杆段的直径相同，所述的第三连杆段上套设有第二弹簧且第三连杆段贯穿端盖设置，所述第二弹簧的一端抵靠在第二连杆段与第三连杆段形成的轴肩上，第二弹簧的另一端抵靠在端盖上，所述第二弹簧的初始状态为预紧状态且第二弹簧的预紧力小于第一弹簧，所述的第四连杆段位于端盖外侧且第四连杆段的端部通过夹头与阴极相连。
10.所述阴极连杆的内腔中设有与阴极连杆的内壁形成过盈配合的止水塞，所述阴极的上端穿过止水塞伸入阴极连杆的内腔中，所述的阴极与止水塞过盈配合，电解液通过进液管流入阴极连杆的内腔并在止水塞的密封作用下通过阴极内部流出，形成正流式流动。
11.所述的夹头与阴极连杆的第四连杆段通过螺纹连接，所述的阴极由夹头锁紧，且夹头上设有导电螺钉，所述阴极的侧面为绝缘面，所述的夹头为不锈钢夹头。
12.所述的工作台为台面设有倒t型槽的工作台，所述的倒t型槽沿x轴方向平行设置多个，所述的工件通过金属压板固定在工作台上，所述的金属压板通过螺栓与倒t型槽连
接。
13.所述的阴极通过夹头上的导电螺钉与电源负极相连，所述的工件通过金属压板与电源正极相连，所述的压电陶瓷串联在电源负极与阴极之间，所述的阴极与工件之间通过电解液导通形成闭合回路，该闭合回路中还设有与压电陶瓷并联的电阻。
14.所述的工作台设置在沿x轴方向布置的第一移动机构上，所述的第一移动机构设置在沿y轴方向布置的第二移动机构上，所述的第二移动机构设置在机床底座上，所述的间隙平衡机构与水平方向设置的连板相连，且连板固定在沿z轴方向设置的第三移动机构上，所述的第三移动机构设置在机床床身上。
15.由上述技术方案可知，本发明利用压电陶瓷的逆压电效应，在输入电压的作用下，将电能转换成机械能，可使压电陶瓷产生形变对外输出位移，再经由位移放大机构驱动阴极沿上下方向移动，在加工过程中实现加工间隙的动态平衡，避免了由于加工间隙的不稳定导致工件加工质量较差的问题，提高了工件的加工精度。
附图说明
16.图1是本发明的整体结构示意图一。
17.图2是本发明的整体结构示意图二。
18.图3是本发明间隙平衡机构的结构示意图。
19.图4是本发明间隙平衡机构的内部结构示意图。
20.图5是本发明间隙平衡机构的加工状态图。
21.图6是本发明滑杆的结构示意图。
22.图7是本发明位移放大机构的原理图。
23.图8是本发明位移放大机构的套筒结构示意图。
24.图9是本发明电解液流动方式的结构示意图。
25.图10是本发明阴极连杆的结构示意图。
26.图11是本发明的电路原理图。
27.图12是本发明加工深窄槽所需的阴极结构图。
28.图13是本发明加工异形构件所需的阴极结构图。
29.上述附图中的标记为：工作台1、金属压板11、第一移动机构12、第二移动机构13、机床底座14、第三移动机构15、机床床身16、电解池2、阴极3、驱动机构4、第一轴承座41、第一直线运动轴承42、滑杆43、第一滑杆段431、第二滑杆段432、第三滑杆段433、第四滑杆段434、第一弹簧44、压电陶瓷45、第五滑轮46、位移放大机构5、套筒51、进液孔511、第一槽体512、第二槽体513、第一连杆52、第一滑轮521、第二连杆53、第二滑轮531、第三连杆54、第三滑轮541、第四连杆55、第四滑轮551、阴极机构6、第二轴承座61、第二直线运动轴承62、端盖63、阴极连杆64、第一连杆段641、第二连杆段642、第三连杆段643、第四连杆段644、止水塞65、第二弹簧66、进液管7、直角管接头71、连板8、夹头9、导电螺钉91、电阻10、工件100。
具体实施方式
30.下面结合附图对本发明做进一步说明：如图1、图2所示的一种可实现加工间隙平衡的电解加工工具，包括用于放置工件
100的工作台1，工作台1置于电解池2内，还包括用于加工工件100的阴极3，阴极3为中空结构，阴极3的加工端与工件100之间的加工间隙通过间隙平衡机构实现动态平衡，具体的，本发明中的工作台1为台面设有倒t型槽的工作台，倒t型槽沿x轴方向平行设置多个，工件100通过金属压板11固定在工作台1上，金属压板11通过螺栓与倒t型槽连接。工作台1设置在沿x轴方向布置的第一移动机构12上，第一移动机构12设置在沿y轴方向布置的第二移动机构13上，第二移动机构13设置在机床底座14上，间隙平衡机构与水平方向设置的连板8相连，且连板8固定在沿z轴方向设置的第三移动机构15上，第三移动机构15设置在机床床身16上。也就是第一移动机构12位于第二移动机构13上，用于驱动工作台1沿x轴方向运动；第二移动机构13位于机床底座14上，用于驱动工作台沿y轴方向运动；第三移动机构15位于机床床身16上，用于驱动间隙平衡机构沿z轴方向运动，三个移动机构联动可以调整阴极3与工件100之间的初始间隙。
31.进一步的，如图3、图4所示，间隙平衡机构整体呈竖直方向布置，包括自上向下依次设置且连接的驱动机构4、位移放大机构5及阴极机构6，驱动机构4包括滑杆43及套设在滑杆43上的压电陶瓷45，位移放大机构5包括与滑杆43相连的连杆组件，阴极机构6包括与连杆组件相连的阴极连杆64，阴极连杆64为中空结构，阴极连杆64的一端与进液管7连通，阴极连杆64的另一端由止水塞65密封，阴极3的非加工端穿过止水塞65后位于阴极连杆64的内腔中，电解液经由进液管7流入阴极连杆64的内腔，在止水塞65的作用下由阴极3的内部流出，加工间隙的改变使压电陶瓷45产生形变，该形变通过滑杆43传递给连杆组件，连杆组件驱使与阴极机构6相连的阴极3形成上下方向的位移以实现加工间隙的动态平衡。
32.具体的，驱动机构4包括顶端敞口底端封闭的第一轴承座41以及与第一轴承座41相配合的第一直线运动轴承42，第一轴承座41的顶端为法兰结构且该端通过螺栓与连板8固定，滑杆43设置在第一直线运动轴承42的内部，可以上下滑动，第一直线运动轴承42用以减小滑杆43滑动时的摩擦力；如图6所示，滑杆43为阶梯状且呈竖直方向布置，包括依次连接的第一滑杆段431、第二滑杆段432、第三滑杆段433及第四滑杆段434，第二滑杆段432、第一滑杆段431、第三滑杆段433、第四滑杆段434的直径依次减小，第一滑杆段431上套设有第一弹簧44，第一弹簧44的一端抵靠在连板8上，第一弹簧44的另一端抵靠在第一滑杆段431与第二滑杆段432形成的轴肩上，第一弹簧44的初始状态为预紧状态，第二滑杆段432与第一直线运动轴承42相配合，第三滑杆段433上套设有压电陶瓷45，压电陶瓷45的一端抵靠在第二滑杆段432与第三滑杆段433形成的轴肩上，压电陶瓷45的另一端抵靠在第一轴承座41的底板上，第四滑杆段434贯穿第一轴承座41的底板设置，且第四滑杆段434的端部设有与位移放大机构5相连的第五滑轮46。
33.如图7、图8所示，位移放大机构5包括竖直方向布置的套筒51，套筒51的筒壁上设有供进液管7穿入的进液孔511，套筒511的顶端为法兰结构且该端通过螺栓固定在第一轴承座41的底端，套筒51的内壁沿其轴向对称开设有第一槽体512和第二槽体513，连杆组件包括自上向下依次设置的第一连杆52、第二连杆53、第三连杆54及第四连杆55，第一连杆52及第三连杆54的一端分别与第一槽体512的槽壁铰接相连，第二连杆53及第四连杆55的一端分别与第二槽体513的槽壁铰接相连，第一连杆52、第二连杆53、第三连杆54、第四连杆55的铰接点自高向低依次布置。
34.第一连杆52的非铰接端设有第一滑轮521，第一滑轮521置于第二连杆53的杆体上
且与第二连杆53形成滚动配合，第一滑轮521与第二连杆53的接触点靠近第二连杆53的铰接端；第二连杆53的非铰接端设有第二滑轮531，第二滑轮531置于第三连杆54的杆体上且与第三连杆54形成滚动配合，第二滑轮531与第三连杆54的接触点靠近第三连杆54的铰接端；第三连杆54的非铰接端设有第三滑轮541，第三滑轮541置于第四连杆55的杆体上且与第四连杆55形成滚动配合，第三滑轮541与第四连杆55的接触点靠近第四连杆55的铰接端；第四连杆55的非铰接端设有第四滑轮551，第四滑轮551置于阴极机构6上。本发明的位移放大机构5采用的是杠杆放大原理，连杆组件形成一个连续的杠杆，可将由滑杆43传递的微小位移放大后经阴极连杆64输出。
35.进一步的，阴极机构6包括顶端封闭底端敞口的第二轴承座61以及与第二轴承座61相配合的第二直线运动轴承62，第二轴承座61的顶端为法兰结构且该端通过螺栓固定在套筒51的底端，第二轴承座61的底部设有与之连接的端盖63，阴极连杆64设在第二直线运动轴承62的内部，可以上下滑动，第二直线运动轴承62用以减小阴极连杆64滑动时的摩擦力；如图10所示，阴极连杆64为阶梯状且呈竖直方向布置的中空杆，包括依次连接的第一连杆段641、第二连杆段642、第三连杆段643及第四连杆段644，第一连杆段641贯穿设置在第二轴承座61的顶板上，且第一连杆段641的端部通过直角管接头71与进液管7连通，直角管接头71与第四滑轮551相接触，第二连杆段642与第二直线运动轴承62相配合，第二连杆段642、第三连杆段643、第四连杆段644的直径依次减小，且第三连杆段643的直径与第一连杆段641的直径相同，第三连杆段643上套设有第二弹簧66且第三连杆段643贯穿端盖63设置，第二弹簧66的一端抵靠在第二连杆段642与第三连杆段643形成的轴肩上，第二弹簧66的另一端抵靠在端盖63上，第二弹簧66的初始状态为预紧状态且第二弹簧66的预紧力小于第一弹簧44，这样在压电陶瓷45的变形量减小时，阴极3才能够在第一弹簧44的作用下向下移动。第四连杆段644位于端盖63外侧且第四连杆段644的端部通过夹头9与阴极3相连。
36.进一步的，阴极连杆64的内腔中设有与阴极连杆64的内壁形成过盈配合的止水塞65，阴极3的上端穿过止水塞65伸入阴极连杆64的内腔中，阴极3与止水塞65过盈配合，如图9所示，电解液通过进液管7流入阴极连杆64的内腔并在止水塞65的密封作用下通过阴极3内部流出，形成正流式流动。这样即使加工深度较深，电解液也能够更好的流入加工间隙，带走电解产物，提高加工精度和表面质量。
37.进一步的，夹头9与阴极连杆64的第四连杆段644通过螺纹连接，具体的，第四连杆段644的底端设有外螺纹，夹头9设有与之配合的内螺纹。阴极3由夹头9锁紧，且夹头9上设有导电螺钉91，阴极3的侧面为绝缘面，也就是阴极3的侧面需进行绝缘处理，以减小工件100的杂散腐蚀，夹头9为不锈钢夹头。
38.进一步的，如图11所示，阴极3通过夹头9上的导电螺钉91与电源负极相连，工件100通过金属压板11与电源正极相连，压电陶瓷45串联在电源负极与阴极3之间，阴极3与工件100之间通过电解液导通形成闭合回路，该闭合回路中还设有与压电陶瓷45并联的电阻10，因为压电陶瓷45的电阻较大，所以并联一个电阻10用以分流。
39.本发明的工作原理及工作过程如下：1、压电陶瓷的形变原理：压电陶瓷具有逆压电效应，可以将电能转换成机械能，即在压电陶瓷两端施加一定的电压，会使压电陶瓷产生微小的形变。在电解加工过程中，加工间隙变大会引起电路中
的电流减小，从而导致压电陶瓷两端的电压减小，进而使压电陶瓷的变形量减小。当压电陶瓷的变形量减小时，第一弹簧由预紧状态变为伸张状态，滑杆在第一弹簧弹力的作用下向下运动，并经由位移放大机构驱动阴极向下运动，从而减小加工间隙；反之，加工间隙变小会引起电路中的电流增大，从而导致压电陶瓷两端的电压增大，进而使压电陶瓷变形量增大。当压电陶瓷的变形量增大时，带动滑杆向上运动，在第二弹簧弹力的作用下，阴极连杆带动阴极向上移动，从而增大加工间隙，实现加工间隙的动态平衡，提高加工精度。
40.2、位移放大机构的工作原理：如图5所示，当压电陶瓷的变形量减小时，第一弹簧伸张，带动滑杆向下运动，滑杆底端的第五滑轮向下施力，从而依次使第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆的非铰接端下移，使得第四连杆端部的第四滑轮驱使直角管接头向下运动，通过连杆机构带动连杆下移。
41.当压电陶瓷的变形量增大时，带动滑杆向上运动，第二弹簧伸张，使得阴极连杆与直角管接头向上运动，从而依次使第四连杆、第三连杆、第二连杆、第一连杆的非铰接端上移，直到第一连杆与滑杆底部的滑轮重新接触。
42.位移放大机构的放大原理是：将第一连杆的一端固定，在连杆中间位置输入一个位移，连杆另一端输出位移，即可实现位移放大。
43.当压电陶瓷发生形变时，带动滑杆向上或向下运动，滑杆底端的第五滑轮将输入位移传递给第一连杆，这个输入位移即压电陶瓷的变形量，然后第一连杆依次将位移输出给第二连杆、第三连杆和第四连杆，第四连杆的输出位移一定大于输入位移，实现位移量的放大。
44.本发明在加工时，先将阴极通过夹头固定安装，将工件安装在t型槽工作台上，通过第一运动机构、第二运动机构、第三运动机构调整工件的位置以及阴极与工件之间的初始加工间隙。
45.其次接通电解液，电解液从进液管流入阴极连杆内部，在止水塞的作用下从阴极内部流出，实现电解液的正流式流动。
46.再将阴极通过夹头上的导电螺钉与电源负极相连，工件通过压板和螺钉与电源正极相连，接通电解加工电源。在电解加工过程中，加工间隙的变化直接影响压电陶瓷的形变，压电陶瓷的形变经过位移放大机构放大后作用在阴极连杆上，从而带动阴极上下移动，调整加工间隙，保证加工间隙的动态平衡，提高加工精度。
47.最后，加工完成时关闭电解加工电源，停止通入电解液，第三运动机构带动间隙平衡机构使阴极退出加工区，完成工件的电解加工。
48.本发明可通过更换不同阴极加工端的形状来实现各种工件的电解加工，如图12所示，该阴极3用于深窄槽的电解加工，如图13所示，该阴极3用于异形构件的电解加工。
49.本发明的有益效果在于：1、本发明的电解加工工具，能够在加工过程中实现加工间隙的动态平衡，避免了由于加工间隙的不稳定导致工件加工质量较差的问题，提高了工件的加工精度。
50.2、本发明的间隙平衡机构，利用压电陶瓷的逆压电效应，在输入电压的作用下，将电能转换成机械能，可使压电陶瓷产生形变对外输出位移，再经由位移放大机构驱动阴极沿上下方向移动，实现间隙平衡，布局简单，结构紧凑。
51.3、本发明的电解加工工具，电解液从阴极内部流出，其流动方式为正流式，即使加工深度较深，也能够更好的流入加工间隙，带走电解产物，提高加工精度和表面质量；同时，本发明为电解加工工具，与传统加工技术相比，具有无机械切削力、一次性成形、表面质量好、工具阴极无损耗以及不受材料、强度硬度等方面限制的特点，加工范围广，几乎可以加工所有的导电材料。
52.以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。