變頻二次脈沖微細(xì)電液磨料射流數(shù)控機(jī)床的改造及創(chuàng)新設(shè)計(jì)*

鄒紅亮

（吉林電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，吉林 吉林 132021）

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)品的精密化和小型化程度越來(lái)越高[1]，現(xiàn)代社會(huì)中微小型產(chǎn)品的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，最明顯的就是芯片尺寸越來(lái)越微小[2]。磨料射流加工技術(shù)是最近幾十年發(fā)展起來(lái)的一門新的特種加工技術(shù)[3]，目前已在煤炭開采、石油鉆井、冶金制造、航空技術(shù)、建筑、交通、化工、機(jī)械、建材、醫(yī)療、市政工程、水利工程以及輕工業(yè)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[4]，主要用來(lái)對(duì)物料進(jìn)行切割、破碎和清洗[5]。與一般的磨料射流加工技術(shù)相比，脈沖磨料射流加工在微細(xì)精密特種加工方面有著傳統(tǒng)工藝和普通磨料射流技術(shù)不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，如能耗低、加工性能優(yōu)異、形成的水刀極其鋒利、加工效率特別高、切口質(zhì)量好、無(wú)污染、切縫整齊[6]，在鉆井、礦層切割、隧道掘進(jìn)等方面的優(yōu)勢(shì)更加明顯[7]。因?yàn)橛兴膮⑴c，加工時(shí)溫度低于100 ℃，也是唯一的冷切割方法[8]。另外，脈沖磨料射流拋光技術(shù)在拋光超硬金屬材料和精密零件的表面光整加工中獲得了廣泛的應(yīng)用[9]，是一種具有很大應(yīng)用前景的超精密特種微細(xì)加工技術(shù)[10]。

1 變頻二次脈沖微細(xì)電液磨料射流數(shù)控機(jī)床的研發(fā)概述

變頻二次脈沖微細(xì)電液磨料射流數(shù)控機(jī)床是在上一代“可調(diào)頻率前混合脈沖磨料射流系統(tǒng)樣機(jī)”的基礎(chǔ)上，對(duì)產(chǎn)品技術(shù)進(jìn)行大幅度改進(jìn)與創(chuàng)新，研發(fā)出的全新萬(wàn)能精密數(shù)控機(jī)床，能夠?qū)崿F(xiàn)多項(xiàng)超精密特種微細(xì)加工技術(shù)的多元化組合與優(yōu)化，結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

圖1 變頻二次脈沖微細(xì)電液磨料射流數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)原理圖

1）融入電液束特種加工技術(shù)，增設(shè)脈沖電源，將上一代技術(shù)中純水與磨料混合變?yōu)樘妓徕c電解液與磨料混合，改變了系統(tǒng)加工原理。

2）將可調(diào)頻率脈沖噴嘴升級(jí)改造為可調(diào)頻率雙脈沖噴嘴系統(tǒng)，高速運(yùn)動(dòng)的電液磨料射流束不僅具備兩次脈沖發(fā)生效果，而且對(duì)二級(jí)脈沖噴嘴系統(tǒng)的下游噴嘴結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化創(chuàng)新，加工難度大幅降低；同時(shí)還在二級(jí)脈沖噴嘴系統(tǒng)的下游噴嘴末端連接了超微細(xì)玻璃噴嘴，噴嘴直徑可縮小至0.01 mm~0.05 mm，形成的磨料刀極其鋒利，滿足超精密特種微細(xì)加工的萬(wàn)能加工條件。

3）加工系統(tǒng)增加了磨料漿液的連續(xù)上料裝置，極大地提高了加工效率與加工的持續(xù)性。

2 變頻二次脈沖微細(xì)電液磨料射流數(shù)控機(jī)床的詳細(xì)技術(shù)分析

變頻二次脈沖微細(xì)電液磨料射流數(shù)控機(jī)床因?yàn)槿诤狭硕喾N超精密特種加工技術(shù)，是一種極為先進(jìn)的新型超精密特種微細(xì)復(fù)合加工技術(shù)，并完美融合了前混合脈沖微細(xì)磨料射流技術(shù)、電液束微細(xì)加工技術(shù)、可調(diào)頻率脈沖發(fā)生技術(shù)、磨料漿液連續(xù)上料技術(shù)、超微細(xì)玻璃噴嘴鍛制技術(shù)等多種先進(jìn)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。本文創(chuàng)新的復(fù)合技術(shù)更是具備極強(qiáng)的切削能力和強(qiáng)大的加工能量，可應(yīng)用于超精密特種微細(xì)加工全部領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)萬(wàn)能加工效應(yīng)，具有節(jié)能環(huán)保性好、安全性高、加工精度高、加工質(zhì)量好、加工效率極高、加工能力極強(qiáng)、技術(shù)先進(jìn)等優(yōu)點(diǎn)。不僅可以進(jìn)行微細(xì)超精密加工與材料拋光，而且因?yàn)閺?fù)合了電液束技術(shù)以及超微細(xì)玻璃噴嘴，極大地提高了射流束的鋒利性，擴(kuò)大了加工范圍，因此特別適合超硬金屬和超硬材料的特種加工，并且可替代多種數(shù)控機(jī)床。與普通磨料射流技術(shù)相比，不僅能夠消除加工后殘留的“水墊”現(xiàn)象、滿足微細(xì)超精密加工精度要求，而且極大幅度地提高了加工能力，尤其是對(duì)超硬材料的切割能力。變頻二次脈沖微細(xì)電液磨料射流數(shù)控機(jī)床的二次脈沖噴嘴系統(tǒng)具有振蕩腔參數(shù)可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)（已經(jīng)獲得專利），可實(shí)現(xiàn)多種自激振蕩脈沖頻率，調(diào)節(jié)射流束的加工能量，應(yīng)用范圍更廣、更靈活。本項(xiàng)目目前已經(jīng)初步制造完成系統(tǒng)原理性樣機(jī)一套，組裝改造完成變頻二次脈沖微細(xì)電液磨料射流數(shù)控機(jī)床一臺(tái)，并進(jìn)行了初步的加工試驗(yàn)，獲得了優(yōu)異的加工效果，得到了企業(yè)的認(rèn)可。

變頻二次脈沖微細(xì)電液磨料射流數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)的最大亮點(diǎn)是頻率可調(diào)的融合雙脈沖發(fā)生技術(shù)的磨料射流噴嘴。噴嘴的結(jié)構(gòu)極為精密，關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)多元化，難以仿造，整個(gè)系統(tǒng)融合了流體力學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)、氣壓傳動(dòng)、液壓技術(shù)、合金技術(shù)、密封技術(shù)、變頻脈沖技術(shù)、雙脈沖發(fā)生技術(shù)、玻璃噴嘴鍛制技術(shù)等專業(yè)知識(shí)，運(yùn)用了回歸事物客觀本質(zhì)特點(diǎn)的第一性原理、拉瓦爾管技術(shù)原理，并在二級(jí)脈沖噴嘴系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了振蕩腔調(diào)整墊片來(lái)調(diào)節(jié)振蕩腔的尺寸參數(shù)，以生成不同脈沖頻率的電液磨料射流束，形成不同切削力度的加工效果。雙脈沖發(fā)生技術(shù)顧名思義，即噴嘴系統(tǒng)發(fā)生兩次脈沖效應(yīng)并進(jìn)行疊加，形成能量超高的磨料射流束最終從微細(xì)玻璃噴嘴噴出。兩部分脈沖噴嘴的結(jié)構(gòu)都是由上游噴嘴、振蕩腔和下游噴嘴組成的，其中，二級(jí)脈沖噴嘴結(jié)構(gòu)中增加了調(diào)整墊圈，用來(lái)調(diào)節(jié)振蕩腔尺寸，進(jìn)而調(diào)整脈沖頻率。

變頻二次脈沖微細(xì)電液磨料射流數(shù)控機(jī)床的另一技術(shù)亮點(diǎn)是融合了電液束特種加工技術(shù)，電解液與外置脈沖電源是該技術(shù)的兩大要素。電解液與磨料微粉混合制成電液磨料漿液，取代目前使用的純水與磨料微粉混合制成的普通磨料漿液，為電液束加工技術(shù)的融入打下基礎(chǔ)；外置脈沖電源的正極連接工件或者被加工材料，負(fù)極連接噴嘴，實(shí)際就是連接電液磨料漿液形成的磨料刀，應(yīng)用的原理是電加工領(lǐng)域中的極性效應(yīng)與陽(yáng)極電化學(xué)溶解效應(yīng)，這兩種效應(yīng)的結(jié)果都是對(duì)陽(yáng)極的金屬材料進(jìn)行蝕除，這也是雙脈沖電液磨料射流技術(shù)加工超硬金屬的“底氣”之一。使用脈沖電源的優(yōu)點(diǎn)是可消除電離。在電加工過(guò)程中必然產(chǎn)生電離效應(yīng)，電離溫度極高，瞬間可達(dá)到上萬(wàn)攝氏度，極易拉電弧燒傷工件表面產(chǎn)生打電弧效應(yīng)，形成電弧斑。對(duì)于微細(xì)超精密特種加工，打電弧后產(chǎn)生的電弧斑將直接導(dǎo)致工件報(bào)廢，因此必須采用脈沖電源間歇放電，消除電離，保證加工過(guò)程的可靠性。

變頻二次脈沖微細(xì)電液磨料射流數(shù)控機(jī)床加工精度高達(dá)IT5-4 級(jí)，對(duì)于機(jī)床的參數(shù)配置與溫度控制要求極高，加工環(huán)境與加工區(qū)域的溫度變化、機(jī)械振動(dòng)、噪聲控制必須在極小的變化范圍內(nèi)，否則會(huì)影響機(jī)床的加工精度，導(dǎo)致無(wú)法達(dá)到技術(shù)要求。鑒于此，本項(xiàng)目研發(fā)過(guò)程中將數(shù)控加工中心普通鐵質(zhì)鑄造機(jī)床的床身改為花崗巖材質(zhì)床身，花崗巖床身是制造超高精度三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x等各種超高精度設(shè)備的必選配置，具有吸振性能優(yōu)良的特性。因此，本項(xiàng)目選用花崗巖材質(zhì)改造立式數(shù)控加工中心的床身可最大限度降低拋光加工過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)與噪聲。另外，隨著拋光加工的延續(xù)，立式數(shù)控加工中心工作臺(tái)下方的潤(rùn)滑油溫度會(huì)出現(xiàn)一定的升高，潤(rùn)滑油膨脹后工作臺(tái)被頂起，出現(xiàn)平面度誤差。因此，在立式數(shù)控加工中心工作臺(tái)的潤(rùn)滑區(qū)設(shè)計(jì)自動(dòng)恒溫控制傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)控潤(rùn)滑區(qū)的溫度，保證潤(rùn)滑油的溫度在拋光過(guò)程中的變化值控制在0.1 ℃之內(nèi)。

磨料材料與規(guī)格的選擇也是技術(shù)亮點(diǎn)之一，選擇粒度為W0.5 的二氧化鈰磨料微粉作為磨料材料，顯微觀測(cè)后發(fā)現(xiàn)有極其鋒利的棱角，可切削金屬材料。磨料微粉粒度越小，加工后材料表面的精度越高，經(jīng)濟(jì)價(jià)值越突出。因此，磨料規(guī)格的選取與期望的加工精度等級(jí)及經(jīng)濟(jì)效益對(duì)應(yīng)。對(duì)于變頻二次脈沖微細(xì)電液磨料射流數(shù)控機(jī)床的加工范圍，選擇粒度為W0.5的二氧化鈰磨料微粉已經(jīng)足夠。

3 結(jié)語(yǔ)

本研究設(shè)計(jì)的變頻二次脈沖微細(xì)電液磨料射流數(shù)控機(jī)床在使用過(guò)程中綠色環(huán)保、節(jié)約能耗，契合國(guó)家倡導(dǎo)的節(jié)能減排方針，因?yàn)橛兴膮⑴c，不會(huì)形成氣體噴丸式的粉塵效應(yīng)污染空氣，也不會(huì)對(duì)操作者的呼吸系統(tǒng)造成危害，導(dǎo)致塵肺；磨料的成分是普通的金剛砂或者棕剛砂，即普通硅酸鹽，所以排放后不會(huì)造成對(duì)水體或土地的污染，可直接處理，沒(méi)有任何危害與污染；電解液使用降解材料進(jìn)行化學(xué)中和，生成無(wú)害物質(zhì)后亦可直接排放處理。