倒錐形微細噴孔電火花加工研究*

佟 浩,李 勇,劉美玲,張 龍

(清華大學精密儀器與機械學系制造工程研究所摩擦學國家重點實驗室,北京100084)

柴油發(fā)動機正向著高速、高噴射壓力、低排放等高性能方向發(fā)展,其關鍵部件的先進制造技術備受關注。噴油嘴偶件是影響發(fā)動機性能、壽命及可靠性的關鍵部件[1],為有效改善噴油嘴微細噴孔噴射過程的流量系數(shù)和霧化效果,不僅要求其噴孔孔徑小于0.2 mm[2],還要求孔徑沿噴射方向逐漸變小形成 0°～ 2°錐角的“倒錐孔”(圖 1)[3-4],以達到歐 Ⅳ(國4)以上的排放標準[5-6]。

圖1 噴油嘴上微細倒錐孔示意圖(φ a＞φ b)

傳統(tǒng)的機械鉆削已無法滿足高標準微細噴孔的加工需求。電火花加工微細噴孔具有無機械加工力、噴孔直徑小、精度較高、壓力室無毛刺、可在熱處理后加工等優(yōu)點[7]。然而,由于電火花加工中加工屑與孔壁的側(cè)向放電,使加工出的噴孔一般呈“正錐形”孔徑形狀[8]。

國內(nèi)外在倒錐形微細噴孔加工方面取得了一些研究成果。瑞士某公司在電火花加工機床主軸上集成了旋轉(zhuǎn)電極絲的偏轉(zhuǎn)傾斜塊,加工出錐頂角0°～1.4°的倒錐形微細孔[9]。本課題組前期采用微細電極絲導向套倒錐偏擺及自旋轉(zhuǎn)的方式,在微細電火花加工實驗系統(tǒng)上加工出錐頂角1.6°的倒錐形微細孔[6]。但實踐表明,微細電極絲或?qū)蛱椎淖孕D(zhuǎn)實現(xiàn)倒錐孔放電加工時,由于微細電極絲剛度低、自旋轉(zhuǎn)精度難以精確控制,引入的隨機誤差易造成較大的孔徑和錐角誤差,且旋轉(zhuǎn)中難以持續(xù)進給微細電極絲。

為實現(xiàn)微細倒錐形噴孔加工,解決倒錐角度高分辨率連續(xù)可調(diào)、無自轉(zhuǎn)電極絲伺服進給的同時在錐形包絡面內(nèi)擺動、微小錐角頂點精確定位等關鍵性技術問題,本研究設計了一種微細倒錐孔電火花加工電極絲錐角推擺機構(gòu)模塊,并利用該機構(gòu)模塊進行了多組不同倒錐角微細孔的加工實驗。

1 微細倒錐角推擺機構(gòu)原理和結(jié)構(gòu)設計

1.1 原理設計

設計的微細電極絲無自轉(zhuǎn)的倒錐面運動原理見圖2。利用誤差縮小原理,在錐角頂點 O的確定距離上采用電極絲偏心量連續(xù)可調(diào)方法,精確調(diào)控微細倒錐角大小;通過控制微細電極絲繞偏心圓軌跡的搖擺運動形成加工倒錐孔包絡面(圖2b);為滿足批量化加工應用需求,采用常閉夾絲協(xié)調(diào)控制進給及其與常開夾絲協(xié)調(diào)開啟和關閉,實現(xiàn)微細電極絲的伺服進給和電極絲損耗的積累補償。

圖2 倒錐孔加工時電極絲沿倒錐面搖擺運動原理圖

為實現(xiàn)倒錐推擺運動,推擺機構(gòu)設計的關鍵在于:①為保證微細倒錐孔徑的控制精度,倒錐角頂點O的位置應在加工中保持穩(wěn)定;②在微細電極絲無自轉(zhuǎn)的情況下,電極絲推擺運動的驅(qū)動和傳遞應可靠;③考慮到細長電極絲剛度低和實際應用中電極絲的有效利用長度,要求調(diào)節(jié)偏心位置與錐角頂點O之間的距離應盡可能小,即要求倒錐角推擺機構(gòu)設計應緊湊。

1.2 結(jié)構(gòu)設計

基于倒錐推擺機構(gòu)的原理性設計和機構(gòu)關鍵點分析,設計的微細電極絲倒錐角推擺機構(gòu)模塊見圖3。通過偏轉(zhuǎn)軸套內(nèi)圓錐面與球形定位塊凸球面擬合方式,以固定球心精確定位微小錐角頂點,可保證錐角頂點的穩(wěn)定性;通過螺釘調(diào)節(jié)偏轉(zhuǎn)軸套上端偏心距離,實現(xiàn)微小錐角大小的精確調(diào)節(jié);通過兩個軸承的類行星運動,達到傳遞動力、使偏轉(zhuǎn)軸套在錐角偏擺時無自轉(zhuǎn)運動的目的,使導向陶瓷柱帶動電極絲做無自轉(zhuǎn)的圓錐面擺動;利用定位銷精確定位固定軸套與球形定位塊的相對位置,達到推力傳動塊(太陽輪)自轉(zhuǎn)中心與球形定位塊凸球面球心所在豎直軸線的重合;偏轉(zhuǎn)軸套內(nèi)配合安裝導向陶瓷管,用于約束電極絲軸向進給和錐角擺動;采用小型直流調(diào)速電機驅(qū)動運動,整體結(jié)構(gòu)較小巧、緊湊。

圖3 倒錐頂角2°時推擺機構(gòu)示意圖

此機構(gòu)以固定球心精確定位微小錐角頂點,可精確控制錐角頂點與工件待加工表面位置,滿足批量化加工倒錐孔入口尺寸大小一致并可控的目的;精密螺紋連續(xù)調(diào)節(jié)錐角方法,易于直孔加工和倒錐孔加工的功能切換,使該機構(gòu)模塊具有更廣的適用范圍;電極絲和導向陶瓷柱均無自轉(zhuǎn)的倒錐孔加工過程,可避免由于其自轉(zhuǎn)引入的偏心誤差,有利于提高微細倒錐孔加工精度。

將錐角推擺機構(gòu)安裝在微細電火花加工裝置主軸上(圖4)。在倒錐孔加工過程中,電極絲在調(diào)速電機驅(qū)動和導向陶瓷柱帶動下沿圓錐面推擺運動,同時在常閉夾絲機構(gòu)伺服進給驅(qū)動下軸向放電加工,從而在工件上加工出設定錐角的倒錐孔。進行批量化多孔加工時,常閉和常開夾絲機構(gòu)協(xié)調(diào)切換并結(jié)合軸向伺服進給,能補償各孔加工后的電極損耗。當推擺機構(gòu)只起導向作用時(無推擺運動),可方便加工微細直孔。

圖4 推擺機構(gòu)安裝于主軸示意圖

2 微細倒錐角推擺機構(gòu)性能測試

加工裝配完成的倒錐推擺機構(gòu)實物照片見圖5。為檢驗機構(gòu)精度及后續(xù)倒錐孔加工應用,采用顯微鏡系統(tǒng)對該機構(gòu)的固有錐角頂點位置、零度錐角的調(diào)節(jié)螺釘位置、推擺徑向跳動誤差、倒錐角調(diào)節(jié)精度進行了測試和標定。

圖5 倒錐推擺機構(gòu)的實物照片

固有錐角頂點O的位置由球形定位塊球心決定(圖3),其加工裝配誤差直接影響微細倒錐孔加工時主軸定位位置。在較大倒錐角條件下,利用顯微鏡觀測電極絲推擺運動,實測電極絲的3個推擺位置(圖6),得到錐角頂點與導向陶瓷柱之間的距離L為1.3 mm。同理,在顯微鏡下觀測并調(diào)節(jié)錐角螺釘,標定0°倒錐角的調(diào)節(jié)螺釘零點位置,以確定錐角調(diào)節(jié)和設定的參考點。

推擺徑向跳動誤差是指推擺運動過程中,電極絲上錐角頂點位置(理論上為不動點)的實際徑跳系統(tǒng)誤差(圖7),這個誤差直接影響微細倒錐孔的孔徑加工精度。將電極絲伸出1.3 mm,即伸出到倒錐推擺的固有錐角頂點位置,利用顯微鏡觀測到的電極端部運動徑跳軌跡見圖8,測得推擺徑向跳動誤差＜±3 μm 。

圖6 顯微鏡觀測固有錐角頂點位置

圖7 推擺徑向跳動誤差(D-d)示意圖

圖8 顯微鏡觀測電極端部運動徑跳軌跡

通過顯微鏡測量的調(diào)節(jié)螺釘偏心量與實際輸出的電極絲推擺頂角關系曲線見圖9?？梢缘贸?該推擺機構(gòu)的倒錐角調(diào)節(jié)精度和分辨率較高。當調(diào)節(jié)倒錐角頂角＞0.4°時,錐角調(diào)節(jié)誤差＜0.037°。若以調(diào)節(jié)螺釘易于實現(xiàn)的1/8圈作為調(diào)節(jié)分辨率,則錐角連續(xù)調(diào)節(jié)分辨率可達0.2°。

倒錐機構(gòu)的實際測試和標定表明:設計的機構(gòu)可實現(xiàn)電極絲無自轉(zhuǎn)的錐角推擺運動,且倒錐角調(diào)節(jié)分辨率和電極絲推擺運動精度達到了設計要求。

圖9 螺釘偏心量與推擺角關系曲線

3 倒錐形微細孔電火花加工實驗驗證

為驗證所設計的倒錐推擺機構(gòu)的實際應用效果,進行多組不同倒錐角微細孔的加工實驗研究?？紤]到評價倒錐孔圓度、倒錐角度、多孔一致性的方便性,采用易于測量加工入出口尺寸和形狀的平片工件進行加工實驗。實驗參數(shù)見表1。

表1 微細孔加工實驗參數(shù)

集成倒錐推擺機構(gòu)的微細電火花加工實驗系統(tǒng)見圖10,主要由X、Y、Z三軸數(shù)控定位平臺、主軸機構(gòu)、脈沖放電電源、開放式數(shù)控系統(tǒng)組成。X、Y軸定位平臺實現(xiàn)多孔加工的工件定位;Z軸定位平臺實現(xiàn)倒錐機構(gòu)與工件之間的相對定位,即將推擺機構(gòu)上固有的錐角頂點O定位于工件表面;主軸集成了電極絲微進給機構(gòu)、常開和常閉夾絲機構(gòu)、倒錐推擺機構(gòu),可實現(xiàn)電極絲的進給、回退和倒錐推擺運動;脈沖電源用于加工放電及其間隙電信號反饋;數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)整個加工過程的協(xié)調(diào)控制。

利用推擺機構(gòu)只起導向作用(無推擺運動),微細孔加工結(jié)果見圖11。從加工入口和出口尺寸可知:當電極絲無倒錐推擺運動時,電火花加工出的微細孔呈現(xiàn)出“正錐形”孔徑,這是由于電火花加工中加工屑與孔壁的側(cè)向二次放電造成的。

圖10 實驗系統(tǒng)實物圖

圖11 無倒錐推擺的微細孔加工結(jié)果

將錐角調(diào)節(jié)螺釘分別調(diào)節(jié)1/4、1/2、3/4、1圈,分別調(diào)出電極絲倒錐推擺頂角0.43°、0.84°、1.24°、1.61°(圖9),倒錐形微細孔電火花加工結(jié)果見圖12,計算得出對應的倒錐頂角分別為 0.12°、0.40°、0.83°、1.32°。這些加工結(jié)果與電極絲實際推擺角之間具有一定的差值,這主要是由于上述“正錐形”加工過程疊加的結(jié)果。而且,由于倒錐角數(shù)值較小,也受到了測量和計算誤差的影響。

圖12 倒錐形微細孔電火花加工結(jié)果

同批多個倒錐形微細噴孔加工的一致性精度,直接決定了設計的倒錐推擺機構(gòu)在噴油嘴噴孔加工中實際應用的可行性。因此,進行了同批多個噴孔連續(xù)加工實驗,在設置調(diào)節(jié)螺釘1圈時加工出的示例見圖13。同批多個倒錐形微細孔連續(xù)加工結(jié)果測量得出:加工入口直徑一致性精度＜2 μm,加工出口直徑一致性精度＜4 μm,達到噴油嘴噴孔的加工要求。

圖13 多個倒錐形微細孔加工示例

4 結(jié)論

為實現(xiàn)倒錐形微細噴孔加工,本研究設計了一種用于微細倒錐孔電火花加工的電極絲推擺機構(gòu)模塊,并對該機構(gòu)模塊進行了性能測試和倒錐形微細噴孔電火花加工應用實驗研究,得到以下主要結(jié)論。

(1)倒錐推擺機構(gòu)實現(xiàn)了精確定位微小錐角頂點、微細倒錐角連續(xù)可調(diào)、無自轉(zhuǎn)電極絲的推擺動力傳遞等功能,滿足了直孔和倒錐孔加工的切換需求。

(2)倒錐推擺機構(gòu)連續(xù)調(diào)節(jié)分辨率可達0.2°,顯微鏡測試和標定了固有錐角頂點位置、零度錐角調(diào)節(jié)參考點、推擺徑向跳動誤差＜±3 μm、倒錐角調(diào)節(jié)誤差＜0.037°。

(3)采用直徑127 μm的電極絲和1 mm厚的工件 ,實現(xiàn)了錐頂角 0.12°、0.40°、0.83°、1.32°的倒錐形微細孔加工。同批多個倒錐形微細孔加工表明:加工入口直徑一致性精度＜2 μm,加工出口直徑一致性精度＜4 μm。

倒錐推擺機構(gòu)具有倒錐形微細噴孔電火花加工應用的可行性,為歐Ⅳ(國4)標準以上高質(zhì)量噴油嘴微細噴孔加工提供了技術途徑。

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