精密微細倒錐孔電火花加工機床機械系統(tǒng)的研究

劉建勇，楊大勇,，郭 妍，蔡延華，王 浩

（1.北京市電加工研究所，北京 100191；2.北京迪蒙數(shù)控技術(shù)有限責(zé)任公司，北京 100191）

隨著汽車、醫(yī)療器械、軍工和航空航天等工業(yè)的飛速發(fā)展，微小孔的應(yīng)用日趨廣泛，微細精密加工已成為電火花加工技術(shù)的重要研究和發(fā)展方向。20 世紀60 年代起，荷蘭研究人員首先利用微細電火花加工技術(shù)成功加工出了直徑30 μm、精度0.5 μm 的微孔。而后，Masuzawa 等[1-3]對電火花微小孔加工技術(shù)進行了深入研究，并加工出了孔徑0.1 mm、深徑比為10 的微孔。Diver 等[4]對倒錐微小孔加工進行了研究，并用其新技術(shù)加工出了電極入口孔徑為0.1 mm、電極出口孔徑為0.16 mm 的微小孔。20 世紀90 年代后，多家國際著名電加工機床生產(chǎn)廠家相繼推出了商品化的微細電火花加工機床；國內(nèi)研究機構(gòu)也研制出了蠕動式的微型電火花加工裝置、蠕動式和超聲直接驅(qū)動式的微型電火花加工裝置[5-6]。這些電極直接驅(qū)動的微小型電火花加工裝置，有效地降低了進給驅(qū)動系統(tǒng)的慣性，較好地推動了微細電火花加工技術(shù)在中國的發(fā)展。

本文研制了一種七軸精密微細電火花加工機床，以實現(xiàn)精密微細倒錐孔的批量電火花加工，重點針對噴油嘴上的精密微細倒錐孔。

1 機械系統(tǒng)方案設(shè)計

針對空間位置復(fù)雜的小孔加工技術(shù)特點，應(yīng)用TRIZ[7－8]創(chuàng)新方法中Segmentation 發(fā)明原理，可擬定出機床機械系統(tǒng)模塊化結(jié)構(gòu)（圖1），進而擬定機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案（圖2）。其中，X、Y、Z、W 軸為直線運動軸，B、C、R 軸為旋轉(zhuǎn)軸。除R 軸以外的其他各軸均為數(shù)控軸，用于加工位置的定位。

圖1 機床機械系統(tǒng)模塊化結(jié)構(gòu)

圖2 機床機械系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)方案

2 關(guān)鍵部件研制

根據(jù)基本結(jié)構(gòu)方案和電火花加工的技術(shù)特點，可確定機床的床身為主要承重部件，R 軸是實現(xiàn)倒錐孔加工的核心部件，C 軸是電火花加工過程中必須進行重點防護的部件。因此，可認為床身、R 軸和C 軸是七軸精密微細電火花加工機床的關(guān)鍵部件。

2.1 床身結(jié)構(gòu)設(shè)計

床身的剛性和精度對機床的加工精度有很大影響。參照TRIZ 方法給出的引起系統(tǒng)沖突和矛盾的39 個重要參數(shù)可確定，形狀、受力和變形是設(shè)計過程中需重點考慮的因素。

由于零件的抗彎、抗扭強度和剛度不僅與其截面面積相關(guān)，還與截面形狀相關(guān)。對于床身來說，合理的截面形狀可增大其慣性矩和截面系數(shù)，從而提高強度和剛度，充分發(fā)揮材料作用。在材料消耗相同的情況下，空心截面的慣性矩比實心截面的慣性矩大。因此，為了在保證結(jié)構(gòu)抗彎剛度和抗扭剛度的前提下降低材料消耗量，床身應(yīng)選用空心截面的結(jié)構(gòu)形式（圖3）。

圖3 床身可能的截面形式

由精密微細倒錐孔電火花加工機床的機械結(jié)構(gòu)方案和電火花加工的技術(shù)特點可知，該床身主要承受彎矩的作用。假設(shè)上述3 種空心截面的截面積為A，壁厚為δ，則其抗彎截面系數(shù)分別為：

圓環(huán)形

方形

矩形

各種截面的最大彎曲正應(yīng)力都可根據(jù)式（4）求得：

式中∶σmax為截面的最大彎曲正應(yīng)力；Mmax為最大彎矩；W 為抗彎截面系數(shù)。故截面的最大彎曲正應(yīng)力與其抗彎截面系數(shù)成反比。

圖4 是3 種空心截面隨各自截面積的變化曲線。可看出，在截面積相同的情況下，抗彎截面系數(shù)W3＞W(wǎng)2＞W(wǎng)1。因此，在相同材料消耗的情況下，矩形空心截面的抗彎截面系數(shù)最大，即承受同樣大小的彎矩時，矩形空心截面的最大彎曲正應(yīng)力最小。根據(jù)受載情況分析和機床布局的特點，可確定床身的最佳截面形式為矩形空心截面。

圖4 抗彎截面系數(shù)隨截面積的變化曲線

機床機械系統(tǒng)的主要振源為擬定最高轉(zhuǎn)速為v1的R 軸。若取v1=1500 r/min，則機床最大激振頻率為fmax=1500/60=25（Hz）。因此，床身的固有頻率應(yīng)遠離0～25 Hz 的區(qū)間范圍。

此外，床身主要承受來自立柱安裝基面和導(dǎo)軌安裝基面作用的載荷。根據(jù)給定機械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案，擬定立柱安裝基面上的最大載荷N1=2000 N，床身導(dǎo)軌安裝基面上的最大載荷N2=1500 N，擬定床身通過5 個地腳螺栓來支撐。床身材料選定為HT250，其密度為7.2×103kg/m3，彈性模量為1.13×105MPa，泊松比為0.28。通過workbench 靜力學(xué)仿真分析可得到床身變形云圖（圖5），床身的最大變形量為0.0026 mm。通過workbench 模態(tài)仿真分析可得床身前五階模態(tài)（表1）。由有限元仿真結(jié)果可知，機床床身變形足夠小，固有頻率遠離激振頻率作用區(qū)間。因此，床身結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。

圖5 床身變形云圖

表1 床身前五階固有頻率

2.2 R 軸結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了使電極絲的運動軌跡滿足微細倒錐孔的加工要求，根據(jù)TRIZ 創(chuàng)新方法中的mediator 原理可知，需設(shè)計旋轉(zhuǎn)軸（R 軸）來滿足加工要求。R 軸的作用是在放電加工過程中，使電極絲以某一確定的傾斜角度θ和某一確定的錐頂位置繞旋轉(zhuǎn)軸線作旋轉(zhuǎn)或搖轉(zhuǎn)運動（圖6）。因此，R 軸應(yīng)具有一定的傾斜角度、錐頂位置可調(diào)和繞某一軸線高速旋轉(zhuǎn)的功能。根據(jù)機床機械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點和R 軸的功能需求，研制出R 軸的基本結(jié)構(gòu)（圖7）。

圖6 電極絲運動簡圖

圖7 R 軸結(jié)構(gòu)圖

主軸5 由鎖緊螺母9和限位墊環(huán)11 固定安裝在背對背角接觸球軸承12 的內(nèi)圈上，皮帶輪10 通過螺釘鎖緊在主軸末端，進而通過皮帶傳動實現(xiàn)主軸5、導(dǎo)向器1、夾頭2和可調(diào)滑座3 的旋轉(zhuǎn)運動。背對背角接觸球軸承12 的外圈通過軸承端蓋8 的壓緊作用固定在軸承座7 內(nèi)，軸承座通過螺栓連接固定在安裝支架上。夾頭2 通過螺紋連接固定在可調(diào)滑座3 上，夾頭中心孔軸線與夾頭上端面之間的夾角為（90°-θ）?？烧{(diào)滑座與主軸之間通過燕尾槽連接，可調(diào)滑座可在燕尾槽內(nèi)滑動，因此可通過調(diào)節(jié)錐頂調(diào)節(jié)螺釘13 將電極絲旋轉(zhuǎn)錐頂調(diào)節(jié)到合理位置（圖8），其中，O 為電極絲錐頂，h 為電極絲錐頂與導(dǎo)向器頂端之間的距離。

圖8 R 軸調(diào)節(jié)示意圖

2.3 C 軸結(jié)構(gòu)設(shè)計

C 軸的主要作用是為了實現(xiàn)被加工件的分度運動，以滿足沿油嘴軸線周向陣列的微細倒錐孔加工。本文研制的C 軸采用力矩電機直驅(qū)工件卡具的結(jié)構(gòu)形式。同時，為了防止加工液沖淋到力矩電機及機床主體構(gòu)件上，C 軸還具備加工液收集和防護功能。以TRIZ 創(chuàng)新方法中的nesting 原理為指導(dǎo)，將C 軸的加工液收集、電極防護和工件卡具整合為一個整體系統(tǒng)（圖9）。

圖9 力矩電機直驅(qū)C 軸

C 軸通過力矩電機支座1 固定安裝在工作臺上，力矩電機2 固定安裝在力矩電機支座1 上。為防止加工電流、電壓對力矩電機的影響，提高加工穩(wěn)定性，在力矩電機轉(zhuǎn)子和輸出轉(zhuǎn)軸之間固定安裝了絕緣墊4。通過固定安裝在輸出轉(zhuǎn)軸5 上的專用卡具夾持工件。水槽6 固定安裝在力矩電機定子外殼上，其作用是收集加工液，并將加工液通過管路回流到加工液儲存箱中。進電機構(gòu)8 通過進電機構(gòu)固定架11 固定安裝在水槽的外緣上。防水罩7 固定安裝在輸出轉(zhuǎn)軸上，在加工過程中與輸出轉(zhuǎn)軸一起作旋轉(zhuǎn)運動，對力矩電機進行有效防護。密封圈12 可有效防止加工液滲漏到力矩電機上。

根據(jù)七軸精密微細電火花加工機床的基本結(jié)構(gòu)方案，機床機械系統(tǒng)的其他模塊設(shè)計較易完成。根據(jù)理論分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計，在充分考慮制造精確性和可制造性的基礎(chǔ)上，最終加工裝配完成了七軸精密微細電火花加工機床機械系統(tǒng)（圖10）。

圖10 七軸精密微細電火花加工機床機械系統(tǒng)

3 實驗驗證

通過孔板加工實驗，驗證該機械系統(tǒng)是否滿足精密微細倒錐孔的加工需求。圖11 是實驗用孔板，其材料為18CrNi8，板厚0.8 mm；選用直徑0.19 mm、長300 mm 的電極絲，其他加工條件見表2。

表2 孔板加工條件

圖11 孔板加工實驗

根據(jù)以上實驗參數(shù)，在裝配完成的精密微細倒錐孔電火花加工機床上加工60 個微細倒錐孔。圖12 是加工完成后測得的微細倒錐孔上下表面的孔徑分布曲線。

圖12 微細倒錐孔上下表面孔徑分布曲線

由圖12 可看出，微細倒錐孔上表面的最大孔徑為0.225 mm，最小孔徑為0.22 mm；下表面的最大孔徑為0.24 mm，最小孔徑為0.245 mm。上下表面的孔徑散差均在±0.003 mm 范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

本文針對七軸精密微細電火花加工機床的機械系統(tǒng)進行了分析，對其關(guān)鍵部件進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計。通過實驗驗證了方案的可行性，設(shè)計的機械系統(tǒng)能滿足精密微細倒錐孔的加工要求。同時，TRIZ創(chuàng)新方法可很好地用于指導(dǎo)機床機械系統(tǒng)的設(shè)計。

[1]Masuzawa T，Heuvelman C J.A self－flushing method with spark－erosion machining[J].CIRP Annals－Manufacturing Technology，1983，32（1）：109－111.

[2]Masuzawa T，Heuvelman C J，F(xiàn)ujino M.Drilling of deep microholes by EDM [J].CIRP Annals－Manufacturing Technology，1989，38（1）：195－198.

[3]Masuzawa T，Cui Xiaoxin，Taniguchi N.Improved jet flushing for EDM [J].CIRP Annals－Manufacturing Technology，1992，41（1）：239－242.

[4]Diver C，Atkinson J，Helml H J，et al.Micro－EDM drilling of tapered holes for industrial applications [J].Journal of Materials Processing Technology，2004，149（1－3）：296－303.

[5]趙萬生，李論，李志勇.六軸聯(lián)動電火花加工數(shù)控系統(tǒng)的研究[J].計算機集成制造系統(tǒng)，2004，10（10）：1263－1268.

[6]佟浩，李勇，劉美玲，等.倒錐形微孔電火花加工研究[C]//第14 屆全國特種加工學(xué)術(shù)會議論文集[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2011.

[7]張士運，林岳.TRIZ 創(chuàng)新理論研究與應(yīng)用[M].北京：華齡出版社，2010.

[8]檀潤華，丁輝.創(chuàng)新技法與實踐[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.