大長徑比異形深孔電熔爆加工工具電極的設(shè)計(jì)

劉軍強(qiáng),吳伏家,康 盼,王 帥

(西安工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安 710021)

隨著機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展，產(chǎn)品更新?lián)Q代頻繁，具有特殊用途的大長徑比異形深孔在現(xiàn)代深孔領(lǐng)域隨處可見，在諸如遠(yuǎn)距離傳輸介質(zhì)、能量、信息等方面發(fā)揮著不可替代的作用[1]。但傳統(tǒng)深孔加工是以工件和刀具之間的相對螺旋運(yùn)動(dòng)為基礎(chǔ)的被加工材料的余量剝離過程，加工出的孔型基本上是以圓形截面為主，對復(fù)雜異形面加工顯得無能為力[2];針對異形截面深孔加工，有許多特種加工技術(shù)應(yīng)用于異形深孔加工中，如:電火花加工、電解加工、激光加工等，起到了對傳統(tǒng)異形深孔加工技術(shù)空白部分的補(bǔ)充作用[3]，但上述方法加工成本高和效率低在一定程度上對其應(yīng)用范圍形成了限制。電熔爆加工是利用正負(fù)電極間等離子弧放電的電熱效應(yīng)去除材料的一種特種加工技術(shù)，具有適應(yīng)性廣、加工效率高、節(jié)約能源且結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)。

文中針對高硬度材料大長徑比異形截面深孔加工，提出了采用傳統(tǒng)機(jī)械鉆削加工與電熔爆特種加工相結(jié)合的加工方法，即根據(jù)深孔加工機(jī)理設(shè)計(jì)電熔爆工具電極，應(yīng)用深孔機(jī)床作為實(shí)現(xiàn)電熔爆加工的載體。以某大長徑比異形截面孔的加工為例，通過加工難點(diǎn)分析，基于深孔加工刀具工作機(jī)理，提出了工具電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

1 深孔加工原理及分析

深孔加工是刀具在密閉有限的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)大量材料去除的過程，因而存在著有限通道排屑、工藝系統(tǒng)剛度不足和極限空間散熱的問題[4]，深孔刀具在結(jié)構(gòu)上正是針對這些問題，采用空心或缺口刀體排屑，刀頭上的導(dǎo)向條以及加工孔壁為導(dǎo)向保證直線度，通過封閉內(nèi)部通道供高壓切削液實(shí)現(xiàn)切削區(qū)冷卻潤滑和輔助排屑。深孔刀具的以上結(jié)構(gòu)可以為電熔爆加工工具電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

某一長距傳輸流體的異形孔零件，異形孔截面如圖1所示，零件長度8 000 mm，工件外部為不規(guī)則幾何形狀，待加工內(nèi)孔為上下大小不同的兩半橢圓孔，零件材料為鈹青銅，其硬度為HRC40，內(nèi)孔表面粗糙度Ra≤12.5 μm，加工直線度≤3 mm·m-1，長徑比為200。加工難點(diǎn)如下：① 截面形狀復(fù)雜?？椎膸缀涡螤顬樯舷聝砂霗E圓型孔，大徑相同(40 mm)，小徑分別為7 mm和14 mm。要保證其孔型特征，需設(shè)計(jì)與孔型一致的工具電極，以保證異形孔的幾何形狀特征。② 長徑比大?？椎拈L徑比超過180，有較高的加工直線度要求。由于刀桿系統(tǒng)自身剛度有限，要保證孔軸線的直線度，必須增加可靠的工具自導(dǎo)向裝置。③ 長度大?？讖接邢蓿庸み^程中排屑困難[5]，因此在工具電極上增加排屑通道，并有輔助排屑方案。④ 材料去除量大。需要高材料去除率的加工方法，加工區(qū)散熱條件差，要增加快速冷卻系統(tǒng)。

圖1 異形深孔零件截面圖

2 工具電極設(shè)計(jì)

為了解決加工過程中工具的自導(dǎo)向問題，有效實(shí)現(xiàn)異形深孔加工，先用機(jī)械加工方式實(shí)現(xiàn)圓孔加工，然后采用電熔爆加工擴(kuò)出異形孔的加工工藝。已加工出的圓形截面孔作為電熔爆加工中工具電極的導(dǎo)向孔。加工利用現(xiàn)有的深孔加工機(jī)床，在內(nèi)排屑機(jī)床上刀頭與工具電極連接，實(shí)現(xiàn)加工。異形孔截面的成形加工采用旋轉(zhuǎn)電極脈沖放電的方式去除材料，電極還應(yīng)具備自導(dǎo)向功能，同時(shí)增加冷卻與排屑通道。

3 旋轉(zhuǎn)電極結(jié)構(gòu)分析

3.1 整體結(jié)構(gòu)

根據(jù)異形深孔孔型上下幾何結(jié)構(gòu)不同，該異形深孔旋轉(zhuǎn)電極包含上旋轉(zhuǎn)電極和下旋轉(zhuǎn)電極，上、下旋轉(zhuǎn)電極旋轉(zhuǎn)部分各不相同，其余部分均相同，以上旋轉(zhuǎn)電極為例，旋轉(zhuǎn)電極整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

旋轉(zhuǎn)電極采用內(nèi)排屑方式，主要由導(dǎo)向條、連接孔、連接銷體、旋轉(zhuǎn)部分、電極框體、平面體、連接體、排屑通道等組成。根據(jù)異形深孔孔型特征，旋轉(zhuǎn)部分為半橢圓面，上、下旋轉(zhuǎn)部分大小不同，旋轉(zhuǎn)葉片之間均勻相隔30°，各個(gè)旋轉(zhuǎn)葉片之間相隔部分為排屑通道，中間設(shè)有連接孔，采用過盈配合的方式使連接銷體與電極框體相連接于電極框架凹槽內(nèi);電極框架中間設(shè)有上下貫通的內(nèi)排屑通道，前端設(shè)有4根周向均勻相隔90°的導(dǎo)向條，中部開有框架凹槽，凹槽中間開有使電極連接段通過的連接孔，框體后部為平面體，平面上設(shè)置有絕緣層，可有效防止二次放電，保證加工質(zhì)量;圓柱形連接銷體的長度應(yīng)足以穿過電極旋轉(zhuǎn)部分和電極框架部分，銷體的大小應(yīng)比電極旋轉(zhuǎn)部分和電極框體部分通孔大小略大0.01～0.02 mm;旋轉(zhuǎn)電極后端部為連接體，設(shè)有內(nèi)螺紋與刀桿相連接。

1—導(dǎo)向條;2—連接孔;3—連接銷體;4—旋轉(zhuǎn)部分;5—電極框體;6—平面體;7—連接體;8—排屑通道。

異形深孔截面幾何形狀不規(guī)則，為上下大小不同兩半橢圓，大徑相同(40 mm)，小徑分別為14 mm和7 mm。為保證其孔型特征，提高加工效率，采用旋轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)，根據(jù)異形深孔孔型上下幾何結(jié)構(gòu)不同，該異形深孔旋轉(zhuǎn)電極包含上旋轉(zhuǎn)電極和下旋轉(zhuǎn)電極，上、下旋轉(zhuǎn)電極為半橢圓形結(jié)構(gòu)，大徑即為異形深孔大徑，上旋轉(zhuǎn)電極小徑為14 mm,下旋轉(zhuǎn)電極小徑為7 mm，旋轉(zhuǎn)葉片之間相隔30°，如圖3所示。

圖3 上下旋轉(zhuǎn)電極旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)圖

3.2 導(dǎo)向分析

設(shè)計(jì)合理的導(dǎo)向裝置是旋轉(zhuǎn)電極的關(guān)鍵，特別是在直線度要求較高的深孔零件，在加工大長徑比異形孔零件時(shí)，由于旋轉(zhuǎn)電極在工作中要承受一定的軸向力、徑向力、摩擦力、擠壓力等，合理的布置導(dǎo)向條實(shí)現(xiàn)異形孔的高質(zhì)量、高精度加工尤為重要[6]。

因電極應(yīng)用于大長徑比零件中，在電極設(shè)計(jì)中采用前端多排導(dǎo)向條導(dǎo)向，保證在加工中始終有精確的自導(dǎo)向，有效平衡受力，保證加工效率，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)加工。

導(dǎo)向條的設(shè)置采取徑向合力作用在各個(gè)導(dǎo)向條上單位面積的壓力最小，且導(dǎo)向條承受的壓力大致相等的原則，以保證加工中的穩(wěn)定鉆削和導(dǎo)向條之間磨損均勻[7]。導(dǎo)向條的設(shè)計(jì)不應(yīng)太長或過短，根據(jù)導(dǎo)向條長度設(shè)計(jì)原則，確定長度為12 mm，導(dǎo)向條寬度以不破壞導(dǎo)向條與工件之間的潤滑油膜為準(zhǔn)，保證導(dǎo)向條與孔壁始終處于滑動(dòng)摩擦狀態(tài)，取導(dǎo)向條寬度為0.5 mm,旋轉(zhuǎn)電極導(dǎo)向條的軸向設(shè)計(jì)上，導(dǎo)向條不能超前于電極框體的前端，否則會(huì)加快導(dǎo)向條的磨損;導(dǎo)向條與電極框體前端的滯后量不能太大，根據(jù)電極的總體結(jié)構(gòu)確定導(dǎo)向條位于距電極前端為0.8 mm處;為了利于油膜的形成，導(dǎo)向條要進(jìn)行倒棱。導(dǎo)向條尺寸結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 導(dǎo)向條尺寸結(jié)構(gòu)

3.3 冷卻、排屑及加工區(qū)的絕緣

加工時(shí)采用深孔加工機(jī)床的冷卻系統(tǒng)，由于電熔爆加工單次去除量大，加工時(shí)爆離的屑體需要得到及時(shí)的冷卻并排出體外，應(yīng)采用冷卻性較好、黏度較低的冷卻液[8]，經(jīng)選擇采用乳化液。

異形深孔長徑比大，電極上需增加用于冷卻液和排屑的通道及結(jié)構(gòu)，以應(yīng)對難排屑、冷卻不及時(shí)等問題。旋轉(zhuǎn)電極采用內(nèi)排屑的方法，葉片式旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)之間的間隔為排屑通道，通過旋轉(zhuǎn)葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)可以把從被加工工件上蝕除的屑體通過葉片之間的間隙帶出體外，同時(shí)也保證了及時(shí)的冷卻。

旋轉(zhuǎn)電極工作時(shí)通過封閉內(nèi)部通道供高壓切削液實(shí)現(xiàn)切削區(qū)冷卻潤滑和輔助排屑。旋轉(zhuǎn)電極采用高壓冷卻液來推動(dòng)旋轉(zhuǎn)葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)，工作中刀桿通過授油器并與授油器后端采用骨架及O型圈進(jìn)行密封，可在工件與授油器之間形成密閉空間，提供帶有一定壓力切削液的輸入輸出，保證了旋轉(zhuǎn)葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)。

電熔爆是利用正負(fù)電極間等離子弧放電的電熱效應(yīng)去除材料的一種特種加工技術(shù)。在加工中會(huì)產(chǎn)生二次放電而影響加工質(zhì)量[9]。

為了杜絕二次放電，在電極的后端框架的平面體上需有絕緣層，絕緣層的設(shè)計(jì)不應(yīng)過厚或過薄，過厚會(huì)加大摩擦，影響加工，過薄則起不了絕緣作用;絕緣層的設(shè)計(jì)應(yīng)在不妨礙工作的前提下起到絕緣作用。根據(jù)設(shè)計(jì)原則，噴涂0.2 mm厚的用于絕緣、耐高溫的陶瓷層，以有效防止二次放電，保證孔的加工質(zhì)量。

3.4 加工實(shí)驗(yàn)分析

構(gòu)建大長徑比異形截面孔加工實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示，旋轉(zhuǎn)電極末端采用深孔刀具夾持結(jié)構(gòu)，將其安裝在深孔機(jī)床的后裝置上，用以替代刀頭，采用螺紋連接方式與BTA刀具的刀桿連接，工件固定、輔助排屑油壓系統(tǒng)均利用深孔機(jī)床已有裝置進(jìn)行加工實(shí)驗(yàn)。

通過加工實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對于大長徑比異形深孔加工采取先用機(jī)械加工方式實(shí)現(xiàn)圓孔加工，然后采用電熔爆加工擴(kuò)出異形孔的加工工藝，可以滿足異形深孔加工需求。設(shè)計(jì)開發(fā)的內(nèi)排屑異形深孔旋轉(zhuǎn)加工電極，加大了排屑、冷卻效果，具有自導(dǎo)向功能，加工過程中材料去除率可達(dá)0.6 g·s-1，加工過程較穩(wěn)定。一次加工后，孔表面粗糙度Ra≤12.5 μm，直線度≤3 mm·m-1，符合異形深孔加工質(zhì)量要求，可以應(yīng)對異形深孔的擴(kuò)孔加工，且電極結(jié)構(gòu)簡單，加工制造方便，可有效解決異形深孔擴(kuò)孔加工。

圖5 實(shí)驗(yàn)裝置

4 結(jié) 論

通過對異形深孔零件特點(diǎn)及加工難點(diǎn)分析，提出采用深孔機(jī)械加工與電熔爆加工結(jié)合的方法并應(yīng)用深孔刀具設(shè)計(jì)方法對工具電極進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，應(yīng)用深孔加工機(jī)床的結(jié)構(gòu)，將BTA刀具的刀頭用工具電極替代，并開發(fā)了具有自導(dǎo)向、且能夠連續(xù)自動(dòng)冷卻內(nèi)排屑功能的加工工具電極，實(shí)現(xiàn)了工件材料硬度為HRC40、長度為8 000 mm、長徑比為200的某零件異形深孔的加工。加工過程能夠保證加工零件的幾何形狀、加工質(zhì)量要求，有效提高了加工效率，降低加工成本，并拓寬電熔爆加工技術(shù)的應(yīng)用范圍。