電火花小孔加工機(jī)床自動更換電極裝置的設(shè)計(jì)

劉李東，賈志新，高堅(jiān)強(qiáng)，時解放，劉譯允

（1.北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，北京100083；2.蘇州新火花機(jī)床有限公司，江蘇蘇州215128）

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電火花小孔加工機(jī)床自動更換電極裝置的設(shè)計(jì)

劉李東1，賈志新1，高堅(jiān)強(qiáng)2，時解放2，劉譯允1

（1.北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，北京100083；2.蘇州新火花機(jī)床有限公司，江蘇蘇州215128）

摘要：設(shè)計(jì)了一種電火花小孔機(jī)自動更換電極的裝置，主要由主軸頭快速接頭結(jié)構(gòu)和平置式鏈?zhǔn)诫姌O庫組成。通過設(shè)置鏈條張緊器和支撐部件，使鏈?zhǔn)诫姌O庫運(yùn)行順暢，并解決了移動單元一側(cè)偏重的問題。該裝置具有運(yùn)行平穩(wěn)、流暢、噪音小、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，還能提高電火花小孔機(jī)的生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：電火花小孔加工機(jī)床；鏈?zhǔn)诫姌O庫；電極夾頭

通常，電火花小孔加工機(jī)床是將大理石工作臺設(shè)置在機(jī)架基座頂面，待加工零件裝夾在大理石工作臺上，加工時通過夾頭和眼模定位的空心管狀電極在旋轉(zhuǎn)主軸的帶動下高速旋轉(zhuǎn)，并通過內(nèi)部孔道中的高壓去離子水清除放電加工中蝕除的金屬，常用來加工直徑0.3～3 mm的小孔，加工速度可達(dá)20～60 mm/min。相對于其他小孔加工方法，電火花小孔加工具有以下優(yōu)勢［1］：①可加工任何導(dǎo)電材料，不受工件材料硬度的約束；②可在斜面上加工盲孔、深孔、斜孔及異形孔等；③加工過程中切削力很小，對工具的強(qiáng)度和剛度要求低；④加工后的零件重熔層薄，表面質(zhì)量好，經(jīng)濟(jì)效益突出。

隨著航空航天、汽車工業(yè)、模具制造及電子工業(yè)的發(fā)展，對葉片、渦輪外環(huán)的氣膜孔、火焰筒及安裝邊的冷卻孔、燃油噴注器的燃油噴射孔、化纖噴絲板、印制電路板、陀螺儀的群孔和微孔加工提出了更高的要求［2-3］。為滿足零件設(shè)計(jì)要求，提高小孔加工精度、效率及自動化、智能化水平，目前國外高檔電火花小孔加工機(jī)已實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)位數(shù)控、自動檢測加工零件、自動更換規(guī)準(zhǔn)、自動控制加工深度、監(jiān)測電極損耗、任意單孔選擇加工、樣件孔位采集自學(xué)習(xí)編程及自動更換電極和眼模等功能。

然而，國內(nèi)電火花小孔加工機(jī)的自動化水平雖有較大提升，但電極的更換仍采用傳統(tǒng)的人工手動方式。由于電火花小孔加工機(jī)的電極受剛度限制，常用規(guī)格長度一般約為300 mm或400 mm，除去用于夾持密封不能利用的料頭約100 mm，實(shí)際利用長度有限，加之放電加工中有相當(dāng)大的電極損耗，通常電極損耗與小孔加工深度約為1∶1。因此，在使用電火花小孔機(jī)加工群孔時需頻繁更換電極，且每次人工更換電極時的夾緊、校正都會消耗大量時間［4］。為提高電火花小孔加工機(jī)的自動化水平及加工效率，節(jié)省輔助時間，本文設(shè)計(jì)了一種可容納32支管狀電極的鏈?zhǔn)诫姌O庫。

1　主軸頭快速接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)電極夾頭以螺帽、螺絲結(jié)合于加工旋轉(zhuǎn)軸下方，不易與其他更換裝置搭配，且螺紋連接精度低，鎖緊時松緊程度稍有差異就會對電極夾頭的校正精度產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響加工質(zhì)量。為解決該問題，適應(yīng)平置式鏈?zhǔn)诫姌O庫的需要，根據(jù)液壓式快速接頭形式設(shè)計(jì)了主軸頭快速接頭結(jié)構(gòu)。由圖1可見，在旋轉(zhuǎn)主軸上開有多個槽位，每個槽位內(nèi)裝有一個鎖緊鋼珠。鎖緊套套在旋轉(zhuǎn)主軸上，通過撥叉的帶動可利用鎖緊鋼珠實(shí)現(xiàn)對電極夾頭的鎖緊與松開。具體原理為：當(dāng)伸縮氣缸收縮時，撥叉帶動鎖緊套向上運(yùn)動，旋轉(zhuǎn)主軸槽孔內(nèi)的鎖緊鋼珠退到鎖緊套的容退空間中，電極夾頭與旋轉(zhuǎn)主軸松開；同理，可將電極夾頭鎖緊在旋轉(zhuǎn)主軸內(nèi)。

圖1　主軸頭快速接頭結(jié)構(gòu)圖（電極夾頭鎖緊狀態(tài)）

為適應(yīng)主軸頭快換接頭裝置的需要，設(shè)計(jì)了兩種夾緊結(jié)構(gòu)的電極夾頭。鉆夾頭型式結(jié)構(gòu)簡單、裝夾方便，可裝夾直徑0.3～3 mm的電極絲（圖2a）；彈性夾頭型式選用1A型固定式彈簧夾頭，夾緊可靠，具有極高的夾持精度和系統(tǒng)剛性。夾持體連接桿上分布3個凹槽，自上而下依次為：刀座夾槽、鎖緊槽和手爪夾槽，分別供電極庫刀夾夾持、旋轉(zhuǎn)軸鋼珠鎖緊和機(jī)械手夾持。由于放電加工管狀電極的內(nèi)孔需充入高壓水，為防止工作液外泄，在夾持體頂管安裝E041橡膠止水塞，通過與旋轉(zhuǎn)主軸上相應(yīng)錐面的壓緊實(shí)現(xiàn)密封。

圖2　兩種電極夾頭結(jié)構(gòu)

2　自動更換電極裝置的結(jié)構(gòu)及原理

2.1鏈?zhǔn)诫姌O庫的設(shè)計(jì)

為適應(yīng)管狀電極又細(xì)又長的特點(diǎn)，鏈?zhǔn)诫姌O庫采用平置式布局，具體結(jié)構(gòu)見圖3。由4080工業(yè)鋁型材12作為基體，通過滑塊螺母連接上底板4、下底板13和鏈條張緊器2。電極庫的驅(qū)動采用步進(jìn)電機(jī)5、減速器6及鏈輪轂、鏈條完成任意電極夾頭的選取。鏈?zhǔn)诫姌O庫的主動鏈輪10采用上下底板支撐，具有良好的剛性；從動鏈輪1由鏈條張緊器采用懸臂支撐，可方便地補(bǔ)償因磨損造成的鏈條伸長，防止振跳、嚙合不準(zhǔn)確及跳齒、脫鏈等現(xiàn)象產(chǎn)生。目前，鏈條張緊器已有專業(yè)廠商生產(chǎn)，不必自行設(shè)計(jì)，本文采用了Span-Box Size1型重型鏈條張緊器。為保障鏈?zhǔn)诫姌O庫的定位剛性，將抓取位置設(shè)置在主動鏈輪側(cè)。

在鏈?zhǔn)诫姌O庫的上底板裝有零點(diǎn)接近傳感器3和定位傳感器7。本鏈?zhǔn)诫姌O庫采用增量型編碼器，為避免斷電時電極夾頭發(fā)生移動，機(jī)床每次開機(jī)后，鏈?zhǔn)诫姌O庫必須進(jìn)行回零操作，使高位計(jì)數(shù)器找到標(biāo)準(zhǔn)參考點(diǎn)，在此選用E2B-M12KS02-M1-B1經(jīng)濟(jì)型接近傳感器，其檢測距離為2 mm。由于該鏈?zhǔn)诫姌O庫結(jié)構(gòu)小，不適宜用分度凸輪進(jìn)行機(jī)械式精確定位，且因鏈條磨損、節(jié)距發(fā)生變化，單靠電氣補(bǔ)償?shù)碾姎饪刂埔膊荒芙鉀Q電極庫的精確定位。目前，國內(nèi)外大多采用通過2個精定位感應(yīng)開關(guān)傳回模擬量，或是轉(zhuǎn)化為數(shù)字量后用差值來控制電極庫電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，最終實(shí)現(xiàn)電極庫的精確定位［5］，在此選用ZX-EM02T線性接近型智能傳感器，搭配ZX-EDA41放大型（PNP型）單元，其輸出電流為4～20 mA，檢測距離為2 mm。為檢測鏈?zhǔn)诫姌O庫抓取位置電極夾頭的有無，在下底板裝有E3Z-LS81距離設(shè)定型光電傳感器9，設(shè)定距離為90 mm。

圖3　鏈?zhǔn)诫姌O庫結(jié)構(gòu)圖

鏈?zhǔn)诫姌O庫中的鏈條單元均具有橫向與縱向的組裝間隙，加之電極夾頭懸掛在鏈條上，在重力作用下略有下垂，并對鏈條產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)力矩，使刀夾一端發(fā)生翹起，鏈條隨之扭轉(zhuǎn)，運(yùn)轉(zhuǎn)時易發(fā)生電極夾頭脫落事故及產(chǎn)生噪音，影響工作性能。為使鏈條運(yùn)轉(zhuǎn)順暢，提高傳動精度與可靠性，設(shè)計(jì)了鏈條支撐機(jī)構(gòu)（圖4）。在電極夾頭安裝架上裝有2個螺釘軸承，1號螺釘軸承與下底板的1號約束面接觸，2號螺釘軸承與環(huán)形導(dǎo)軌的2號接觸面接觸。2個螺釘軸承呈上下布置且一前一后，1號螺釘軸承起支撐作用，2號螺釘軸承克服了因偏重引起的翹起和對鏈條的扭轉(zhuǎn)作用，使鏈輪僅傳遞運(yùn)動。

圖4　支撐部件結(jié)構(gòu)圖

2.2機(jī)械手的設(shè)計(jì)

更換機(jī)械手安裝在鏈?zhǔn)诫姌O庫的下底板上，采用單臂式機(jī)械手形式，由薄型帶導(dǎo)桿直線氣缸11和氣爪8組成（圖3）。機(jī)械手工作過程中需對3個位置進(jìn)行檢測：

（1）起始位置：氣缸未伸出的位置。機(jī)械手在該位置不和工作中的鏈?zhǔn)诫姌O庫發(fā)生干涉。

（2）抓取位置：機(jī)械手在該位置控制擺動氣爪的夾緊與松開，用于在電極庫中取放指定的電極夾頭。

（3）更換位置：氣缸伸出的極限位置。主軸運(yùn)動到其正上方配合機(jī)械手實(shí)現(xiàn)更換電極夾頭。

上述3個位置由安裝在伸縮氣缸上的3個磁性開關(guān)實(shí)現(xiàn)控制，同時，氣爪上也配有氣爪開合檢測磁性開關(guān)。為使機(jī)械手與鏈?zhǔn)诫姌O庫及主軸頭配合流暢，不發(fā)生碰撞、噪聲，需對機(jī)械手的這3個工作位置進(jìn)行調(diào)校［6］。

3　電極夾頭交換過程

本文設(shè)計(jì)的自動更換電極裝置采用單臂式機(jī)械手進(jìn)行電極夾頭的更換，且適合采用固定更換方式，即電極夾頭編號和刀夾號始終對應(yīng)，電極夾頭在主軸上使用完畢后仍歸還到原來的刀夾上。

當(dāng)電極絲消耗完畢或需加工不同直徑的小孔時，發(fā)出更換電極夾頭的指令。下面以主軸上1號電極夾頭管狀電極消耗完畢、需5號電極夾頭為例，說明自動更換電極裝置的工作過程。

（1）系統(tǒng)收到更換電極夾頭指令后，將鏈?zhǔn)诫姌O庫1號刀夾旋轉(zhuǎn)至抓取位置（圖5a）。鏈?zhǔn)诫姌O庫的光電傳感器檢測抓取位置有無電極夾頭，如果沒有電極夾頭，可繼續(xù)進(jìn)行，否則系統(tǒng)報(bào)警。

（2）W軸帶動其運(yùn)動底板上升至指定位置，Z軸帶動主軸頭上升至更換位置（圖5b）。

（3）機(jī)械手伸出至更換位置，氣爪夾緊主軸上的1號電極夾頭，主軸頭上的伸縮氣缸帶動鎖緊套向上運(yùn)動，鎖緊鋼珠脫出，主軸和電極夾頭松開。Z軸帶動主軸頭上升至零點(diǎn)位置（圖5c）。

（4）機(jī)械手收回至抓取位置，抓取到位磁性開關(guān)發(fā)訊，氣爪打開，1號電極夾頭放置在鏈?zhǔn)诫姌O庫中。機(jī)械手繼續(xù)收回至起始位置（圖5d）。

（5）采用最短路徑原則判斷鏈?zhǔn)诫姌O庫的旋轉(zhuǎn)方向，經(jīng)粗定位、精定位，將5號電極夾頭旋轉(zhuǎn)至抓取位置（圖5e）。

（6）機(jī)械手伸出至抓取位置，抓取到位磁性開關(guān)發(fā)訊，氣爪夾緊5號電極夾頭。機(jī)械手繼續(xù)伸出至更換位置停止。主軸頭下降至交換點(diǎn)，與電極夾頭夾持部位吻合，將5號電極夾頭裝入主軸頭，鎖緊氣缸帶動鎖緊套向下運(yùn)動，鎖緊鋼珠將電極夾頭鎖緊（圖5f）。

（7）機(jī)械手退回至起始位置（圖5g）。

（8）主軸頭帶動低速電機(jī)旋轉(zhuǎn)，自動穿入眼?？?，更換過程完畢（圖5h）。

圖5　自動更換電極裝置工作過程圖

4　結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了適用于電火花小孔加工機(jī)床的電極夾頭更換的鏈?zhǔn)诫姌O庫及與之配合的主軸頭快速接頭結(jié)構(gòu)，適用于群孔加工，提升了自動化水平和求心定位精度，滿足了市場需要。同時，對于小型平置式鏈?zhǔn)诫姌O庫的設(shè)計(jì)具有一定的參考價值。

參考文獻(xiàn)：

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Design of Replacing Automatically Electrode Device for Small Hole Drilling Electro-discharge Machines

Liu Lidong1，Jia Zhixin1，Gao Jianqiang2，Shi Jiefang2，Liu Yiyun1
（1. School of Mechanical Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China；2. Suzhou New Spark Machine Tool Co.，Ltd.，Suzhou 215128，China）

Abstract：The replacing automatically electrode device for small hole drilling electro-discharge machines was designed. This device consists of automatic replacement station and chain magazine. By using chain tightener and support unit，smoothness operation of the mechanism can be improved，and the problem that one sides of the movable units are heavier can be solved. The whole device was characterized by smooth operation，fluency，low noise and simple construction，also can improved the production efficiency of small hole drilling electro-discharge machines.

Key words：small hole drilling electro-discharge machines；chain magazine；electrode clamp

中圖分類號：TG661

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009－279X（2016）02－0063-04

收稿日期：2015-12-17

第一作者簡介：劉李東，男，1989年生，碩士研究生。