超深小孔電火花加工機(jī)床的研制

蔣亨順,靳德福,王德新,馬名峻

(1.北京易通電加工技術(shù)研究所,北京 100078;2.沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造公司,遼寧 沈陽(yáng) 110043)

當(dāng)前,深小孔加工特別是直徑3mm以下超深小孔的加工,已日益引起各國(guó)的重視,不少高校及研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行了相關(guān)的研究,推動(dòng)了一系列技術(shù)進(jìn)展。如近年報(bào)道的日本加工出了直徑1.5mm、深度達(dá)500mm的小孔 。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步,對(duì)更大深度的小孔加工提出了要求。例如深海石油鉆井鉆機(jī)的鉆桿處需鉆削直徑2mm的盲孔,以放置傳感器及導(dǎo)線,深度要求達(dá)1500mm。為此,我所在大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,研制了一臺(tái)超深小孔電火花加工機(jī)床,利用這臺(tái)機(jī)床,在直徑10mm×2008mm的棒料上加工出直徑2mm通孔,達(dá)到了加工2008mm的空前深度,且孔軸線的徑向偏移量只有0.35～0.70mm。現(xiàn)將有關(guān)研制過(guò)程介紹如下。

1 主要技術(shù)參數(shù)的確定及設(shè)計(jì)構(gòu)思

(1)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的高速電火花小孔機(jī)床,其加工范圍大多為直徑0.3～3mm、深度在30～300mm左右,無(wú)法滿足更大深度的小孔加工需要。本機(jī)加工尺寸范圍選定在孔徑1.0～3.0mm、加工深度擬定為2010mm,既能滿足當(dāng)前的加工需要,又留有進(jìn)一步開(kāi)發(fā)的余地。

(2)主軸頭機(jī)械結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有高速小孔機(jī)結(jié)構(gòu)大體相同,只是根據(jù)前期實(shí)驗(yàn)情況,將伺服行程擴(kuò)大到1000mm,這樣在加工深孔時(shí),可大大減少工具電極的更換次數(shù),有助于提高加工效率。同時(shí),為了確保主軸頭能適應(yīng)頻繁正反向運(yùn)動(dòng)的加工需求,主軸頭需具有較快的響應(yīng)速度,在立柱內(nèi)設(shè)計(jì)了配重裝置,使其平衡主軸頭溜板結(jié)構(gòu)重量,提高了伺服系統(tǒng)的靈敏度,改善了間隙放電狀態(tài),從而有助于改善加工孔的直線度及提高加工速度。

(3)為了滿足不同深度孔的加工要求,主軸頭設(shè)計(jì)有采用雙導(dǎo)柱導(dǎo)套的二次行程結(jié)構(gòu)。二次行程為1000mm。具體加工時(shí),可根據(jù)工件的加工要求,靈活地調(diào)整主軸頭的起點(diǎn)位置,減少輔助時(shí)間。

(4)為了方便工件軸線的垂直找正,設(shè)計(jì)了專用光學(xué)找正系統(tǒng)。光學(xué)系統(tǒng)的軸線與主軸頭進(jìn)給軸線重合,其光束“靶心”即是工件待加工孔的圓心。

(5)主機(jī)工作臺(tái)根據(jù)工件形狀專門(mén)設(shè)計(jì),樣機(jī)采用了十字圓臺(tái)結(jié)構(gòu),用 4個(gè)呈90°放置的螺釘,調(diào)整夾具軸線的垂直度。主軸頭溜板座安裝在橫梁上,由伺服電機(jī)進(jìn)行調(diào)整,確保工具電極能準(zhǔn)確移動(dòng)到工件待加工孔的中心處。

(6)為了滿足深達(dá)2000mm小孔的加工要求,主機(jī)設(shè)計(jì)有1000mm高走臺(tái),便于操作者更換或找正工具電極。

(7)對(duì)深小孔加工來(lái)說(shuō),伺服系統(tǒng)的性能極為重要。伺服系統(tǒng)的基本要求:①調(diào)速范圍要寬;②位置精度要高;③速度響應(yīng)要快,即能承受頻繁的正反向運(yùn)動(dòng),要求電機(jī)具有較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、較大的制動(dòng)力矩及盡可能小的機(jī)電時(shí)間常數(shù);④低速大轉(zhuǎn)矩,即要求電機(jī)應(yīng)具有大的、較長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)載能力。本機(jī)從實(shí)際情況出發(fā),決定采用性價(jià)比高的半閉環(huán)伺服控制系統(tǒng),其伺服系統(tǒng)精度足以滿足目前深小孔加工要求。

2 機(jī)床結(jié)構(gòu)及工藝要點(diǎn)

機(jī)床的具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 超深小孔加工機(jī)床結(jié)構(gòu)示意圖

(1)主軸頭5安裝在滑塊座組合4上,由伺服電機(jī)1通過(guò)絲杠3旋轉(zhuǎn),驅(qū)動(dòng)螺母座(固定在滑塊滑動(dòng)組合上)帶動(dòng)主軸頭作伺服進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。為了防止長(zhǎng)度1000mm以上的工具電極在工作時(shí)晃動(dòng)過(guò)大,導(dǎo)致放電狀態(tài)惡化,甚至發(fā)生短路燒傷,在主軸頭與導(dǎo)向器8之間設(shè)計(jì)有浮動(dòng)限幅器(圖2,已申請(qǐng)國(guó)家專利)。

圖2 浮動(dòng)限幅器示意圖

(2)開(kāi)始加工前,先由主軸頭伺服電機(jī)1將主軸頭5升至最高點(diǎn),根據(jù)工件高度,通過(guò)二次行程電機(jī)13驅(qū)動(dòng)升降絲杠15將導(dǎo)向器8座升至距工件上端面5～10mm處,鎖緊主軸頭拖板12,上下移動(dòng)主軸頭5,找正夾具10,再利用光學(xué)找正系統(tǒng)6找正工件9的待加工孔中心后,將工件與夾具固定。

(3)工作時(shí),將幾個(gè)浮動(dòng)限幅器近似均勻地布置在工具電極工作段上,使每一段自由態(tài)懸伸的電極長(zhǎng)度不超過(guò)200mm。隨著加工進(jìn)給及電極損耗,均布的浮動(dòng)限幅器自上而下地逐次被推向下端,直至全部疊在一處,再更換新電極管,重新布置限幅器,開(kāi)始下一輪加工。實(shí)踐證明:浮動(dòng)限幅器有效地限制了工具電極旋轉(zhuǎn)時(shí)的晃動(dòng)幅度,使電極下端部放電間隙狀態(tài)平穩(wěn),從而提高了深小孔加工的質(zhì)量與加工速度。

(4)工作液系統(tǒng)與普通高速電火花小孔機(jī)稍有不同,提高了水泵的出水壓力,以保證超長(zhǎng)電極管具備足夠的沖水排屑能力;同時(shí)更換了多級(jí)過(guò)濾裝置,防止因雜質(zhì)阻塞斷水,造成間隙中的意外短路燒傷。

(5)工具電極采用多孔管狀電極管,長(zhǎng)度依工件孔深選定,例如加工1500mm深孔,需要1000～2000mm的電極若干根。

(6)伺服控制系統(tǒng)的關(guān)鍵是對(duì)間隙放電狀態(tài)的準(zhǔn)確檢測(cè)判別。由于間隙放電過(guò)程極其復(fù)雜,諸多因素均會(huì)影響到放電狀態(tài),如脈沖參數(shù)、伺服狀態(tài)、電極對(duì)材料等,給間隙放電狀態(tài)的及時(shí)識(shí)別帶來(lái)極大困難,龍其是如何將對(duì)加工質(zhì)量影響極大的電弧放電從正?；鸹ǚ烹娭袇^(qū)分出來(lái)更為困難,因此在本臺(tái)設(shè)備的控制電路上,仍選擇間隙電壓作為控制參數(shù)。日后有條件時(shí),再進(jìn)一步探討更佳控制方案。為了減少回路電阻,對(duì)于細(xì)長(zhǎng)工件,大多采用3～4個(gè)進(jìn)電點(diǎn)供電。實(shí)踐證明,這樣作比單一供電點(diǎn)有明顯好處。

(7)加工過(guò)程中,要注意觀測(cè)間隙放電過(guò)程,注意聽(tīng)放電的聲音是否有異常,如發(fā)現(xiàn)進(jìn)給速度突然加大、應(yīng)查看脈沖電流是否異常變大,甚至短路焊死。通過(guò)測(cè)量工具電極的剩余長(zhǎng)度及實(shí)際加工孔深,可判別電極損耗是否正常。通過(guò)查看工具電極端部狀態(tài),也可判別加工是否正?；蚴怯蟹e炭、燒傷。

當(dāng)加工孔深度超過(guò)1300～1500mm時(shí),由于廢液排出不暢,進(jìn)給應(yīng)調(diào)至偏空載狀態(tài),以防止短路燒傷及過(guò)進(jìn)給造成的偏離正常軸線的傾斜加工。

3 幾點(diǎn)體會(huì)

(1)對(duì)于超深小孔加工,主軸頭的一次伺服進(jìn)給行程應(yīng)比通常高速小孔機(jī)床作較大幅度提高,但也不適宜增加過(guò)大,否則因工具電極懸伸長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng),電極的整體剛度降低,會(huì)直接影響到加工孔的直線度,且加工時(shí)放電狀態(tài)也不穩(wěn)定。

(2)主軸頭伺服應(yīng)靈敏、可靠,電極夾頭中心與導(dǎo)向器中心軸線應(yīng)完全重合,不應(yīng)偏斜。這對(duì)提高工件孔軸線的直線度至關(guān)重要。

(3)工件待加工孔軸線與工具電極軸線應(yīng)能方便地找正及調(diào)整。

(4)浮動(dòng)限幅器對(duì)于超深小孔加工是十分必要的,其正確布置能有效地限制電極的晃動(dòng)幅度,有助于改善間隙放電狀態(tài)。

(5)若發(fā)現(xiàn)取下的工具電極前端有灼傷或呈偏斜狀,換新電極后,進(jìn)給要有意放緩,以逐漸修正內(nèi)孔底面,防止已發(fā)生偏斜的孔不致進(jìn)一步惡化而導(dǎo)致“側(cè)穿”。

(6)試驗(yàn)中采用過(guò)多種水基工作液,其中使用普通自來(lái)水時(shí)由于北京地區(qū)水質(zhì)較硬,含有大量鈣、鎂離子,采用自來(lái)水作工作介質(zhì)時(shí),工作一段時(shí)間后,水中的礦物質(zhì)會(huì)沉積到工具電極表面,形成一薄層水垢“白膜”,這層水垢電阻很大,包在電極的側(cè)壁,對(duì)減少雜散電流有一定作用。如何盡可能發(fā)揮其正面效應(yīng),尚待今后在實(shí)踐中進(jìn)一步探索。

(7)由于深小孔加工時(shí),影響間隙放電狀態(tài)的因素極多,在實(shí)踐中應(yīng)加強(qiáng)觀測(cè)與研究,以盡快掌握放電規(guī)律,將必要的控制參數(shù)真正控制起來(lái),使深小孔的加工精度達(dá)到更高水平。

[1]蔣亨順,馬名峻,靳德福.深小孔電火花高速加工工藝研究[J].電加工與模具,2008(增刊):66-67.