基于嵌入式平臺的電火花小孔機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

林麗英 蔣 毅 化春鍵 安 偉

（江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇無錫 214000）

0 引言

隨著新時(shí)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，醫(yī)療器械、航空航天、汽車、電子產(chǎn)品等多個(gè)領(lǐng)域?qū)τ诰苄驮O(shè)備和零件的需求日益增加。而微小孔作為常見的難加工特征，是限制相關(guān)領(lǐng)域裝備發(fā)展的關(guān)鍵所在[1]。同時(shí)，隨著加工材料朝著高硬度、高強(qiáng)度的方向發(fā)展，傳統(tǒng)的切削加工方式切削阻力增大，刀具壽命嚴(yán)重縮短，制孔難度增加。電火花加工能夠利用光能和熱能進(jìn)行非接觸式加工，不受材料硬度和強(qiáng)度的影響，能避免工件因切削力而產(chǎn)生變形。電火花加工能夠加工任何導(dǎo)電材料，在復(fù)雜結(jié)構(gòu)的微小孔加工中具有較大的優(yōu)勢。

目前市面上的電火花小孔機(jī)體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且維修成本高，不便于移動和安裝。高昂的價(jià)格和維修費(fèi)用給許多高校和小型實(shí)驗(yàn)室?guī)砹顺林氐慕?jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)[2]。此外，精密型零件的體積和質(zhì)量普遍較小，使用中大型機(jī)床會造成資源上的浪費(fèi)。

針對以上問題，國內(nèi)外許多學(xué)者致力于研發(fā)更加緊湊、便攜的電火花小孔機(jī)。國外電火花小孔機(jī)的加工工藝水平已經(jīng)較為成熟，日本牧野（MAKINO）、瑞士阿奇夏米爾（Agie Charmilles）、日本三菱等公司的電火花加工機(jī)床具有卓越的加工性能。Rizwee等人研究了加工參數(shù)對加工特性的影響[3]。蘇州電加工機(jī)床研究所張勃等人針對渦輪葉片上的氣膜孔加工設(shè)計(jì)了一款數(shù)控電火花小孔機(jī)床[4]。北京市電加工研究所蔡延華等人發(fā)明了電火花小孔機(jī)導(dǎo)向裝置[5]，提高了電極加工的穩(wěn)定性。哈爾濱工業(yè)大學(xué)劉晉春等人研制了一系列便攜式、多功能、模塊化的小型數(shù)控機(jī)床[2]。

1 整體設(shè)計(jì)方案

電火花小孔機(jī)采用立式結(jié)構(gòu)，整體框架由鋁合金型材搭建，框架尺寸為800 mm×800 mm×800 mm，包括X、Y、Z三個(gè)軸，采用伺服電機(jī)和滾珠絲杠結(jié)構(gòu)，X軸行程350 mm，Y軸行程300 mm，Z軸行程200 mm。機(jī)床主要由整體框架、主軸模塊、工作臺模塊、工作液循環(huán)系統(tǒng)以及其他結(jié)構(gòu)組成，如圖1所示。該設(shè)計(jì)方案充分利用空間，實(shí)現(xiàn)了電火花小孔機(jī)的小型化設(shè)計(jì)。采用嵌入式數(shù)控系統(tǒng)，監(jiān)測電極進(jìn)行電火花加工的狀態(tài)；并設(shè)計(jì)相應(yīng)的安全保護(hù)措施，使結(jié)構(gòu)更加安全合理。

圖1 機(jī)床整體結(jié)構(gòu)

1.1 主軸模塊

主軸模塊是進(jìn)行電火花小孔加工的主要結(jié)構(gòu)，由主軸升降板、Z軸滑臺、主軸連接板、主軸等組成，如圖2所示。主軸由電機(jī)、同步帶、電極、電極夾頭、軸套等多個(gè)部分組成，通過連接板與Z軸滑臺相連。將電極穿過電極夾芯置于軸套中，并將電極套旋緊固定。電機(jī)通過同步帶帶動軸套旋轉(zhuǎn)，軸套再將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動傳遞給電極，則可實(shí)現(xiàn)加工過程中電極高速旋轉(zhuǎn)。主軸連接板用于連接主軸和Z軸升降滑臺，Z軸滑臺控制主軸進(jìn)行升降運(yùn)動。

圖2 主軸模塊

1.2 工作臺模塊

如圖3所示，工作臺模塊由液槽、工作臺、夾具、X-Y軸滑臺等部分組成。為防止加工過程中廢屑堵塞小孔影響加工，需要將工件浸在工作液中進(jìn)行加工，因此，工作臺結(jié)構(gòu)置于液槽中。工作臺尺寸300 mm×300 mm，選用花崗巖材料；液槽長400 mm，寬400 mm，槽深170 mm，使用亞克力材質(zhì)。

圖3 工作臺模塊

工作臺中部設(shè)有槽，便于固定安裝夾具滑塊。工作臺為電火花加工提供了一個(gè)平穩(wěn)的表面，使操作人員能夠在其表面進(jìn)行精確的測量和加工操作。液槽作為電火花加工的主要區(qū)域，主要作用有冷卻、沖洗、絕緣等。電火花加工過程中產(chǎn)生的高溫、高能量會導(dǎo)致工件變形、硬度降低等質(zhì)量問題，液槽可以通過循環(huán)冷卻水來降低工件溫度，保證加工精度和質(zhì)量。同時(shí)，液槽中的水流能夠清除金屬屑和碎屑，保持加工環(huán)境清潔。液槽具有一定深度，不僅能將工件浸沒，還能有效防止加工時(shí)工作液飛濺，破壞腐蝕其他結(jié)構(gòu)。液槽兩側(cè)開口，與閥連接，通過管道、閥門、過濾器等與水箱連接。

X-Y軸滑臺由兩個(gè)直線滑臺組成，X軸滑臺安裝在Y軸滑臺下方，安裝時(shí)需保證X軸和Y軸的垂直度。通過精密導(dǎo)軌和驅(qū)動裝置精準(zhǔn)控制工作臺的運(yùn)動方向和加工位置，X-Y滑臺通過數(shù)控系統(tǒng)控制，以提高加工效率。滑臺由滾珠絲杠、導(dǎo)軌、滑塊、伺服電機(jī)、底板等組成，結(jié)構(gòu)簡單，拆卸、安裝靈活方便。選用滾珠絲杠導(dǎo)軌，減小運(yùn)動摩擦，減少磨損，延長使用壽命，同時(shí)保證定位精度，提高設(shè)備的可靠性。

1.3 工作液系統(tǒng)

工作液系統(tǒng)包括閥門、抽水泵、液槽、水箱、過濾器、噴頭等結(jié)構(gòu)，是傳輸、存儲、回收工作液的重要部分。抽水泵和水管能夠控制水箱和液槽之間的工作液定向流通，減少人工操作。水箱可用于存儲充足的工作液，保證加工過程中工作液不間斷，大大提高了生產(chǎn)效率。液槽為電火花加工提供了良好的條件，在及時(shí)清除加工過程中產(chǎn)生的廢屑的同時(shí)還具有冷卻作用，提高了加工質(zhì)量；還可用于工作液的暫時(shí)存儲，以備后續(xù)使用。

1.4 其他結(jié)構(gòu)

電火花小孔機(jī)還包含防水板、側(cè)板、顯示器等結(jié)構(gòu)。防水板使用亞克力材質(zhì)，具有良好的防水性，且密度小、質(zhì)量輕，可用于保護(hù)X-Y滑臺等結(jié)構(gòu)，防止工作液對其精度和使用壽命造成影響。側(cè)板將機(jī)床加工部分遮擋，起到了一定的隔音和防護(hù)作用，提高了機(jī)床的安全性。顯示器能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控電火花小孔機(jī)的加工過程，顯示加工狀態(tài)、加工進(jìn)度以及加工結(jié)果等信息。

2 實(shí)物搭建

核對設(shè)計(jì)的相關(guān)細(xì)節(jié)、驗(yàn)證設(shè)計(jì)合理性后，完成對基于嵌入式平臺的電火花小孔機(jī)的實(shí)物模型的搭建。用鋁合金型材搭建機(jī)床整體框架，框架是整個(gè)機(jī)床的支撐結(jié)構(gòu)，確保其穩(wěn)定性和剛度是保證機(jī)床安全性的關(guān)鍵。由下而上將底板、X軸滑臺、Y軸滑臺、液槽、工作臺等主要結(jié)構(gòu)安裝固定，注意各個(gè)部件之間的配合連接，確保精度和穩(wěn)定性。主軸是嵌入式小孔機(jī)的核心部件，需要保證較高的垂直度和穩(wěn)定性。主軸安裝不當(dāng)可能導(dǎo)致加工小孔傾斜、孔徑增大等，降低小孔的加工質(zhì)量。主要結(jié)構(gòu)安裝完成后，根據(jù)需要安裝閥門、管道、水箱、夾具等部分。

機(jī)械結(jié)構(gòu)安裝時(shí)需為控制系統(tǒng)的硬件設(shè)備預(yù)留空間，同時(shí)安裝結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量緊湊。為電火花小孔機(jī)連接各個(gè)電氣組件，安裝調(diào)試伺服驅(qū)動器，為電極加上脈沖電源，電極和工件分別接上正極和負(fù)極。根據(jù)實(shí)際安裝情況對機(jī)床各部件進(jìn)行調(diào)整，合理利用空間，最終完成安裝。實(shí)物圖如圖4、圖5所示。

圖4 小孔機(jī)實(shí)物正面

圖5 小孔機(jī)實(shí)物背面

3 結(jié)束語

本文對基于嵌入式平臺的電火花小孔機(jī)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括主軸模塊、工作臺模塊、工作液循環(huán)系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)，并對結(jié)構(gòu)功能進(jìn)行了詳細(xì)介紹。對滾珠絲杠、伺服電機(jī)、伺服驅(qū)動器等進(jìn)行選型，確定需要加工的部件材料，最終完成了嵌入式電火花小孔機(jī)的實(shí)物搭建。該設(shè)計(jì)滿足小型化、集成化的要求，且能夠達(dá)到一定的加工精度，具有較高的實(shí)用價(jià)值。