超深小孔电火花加工机床的研制.pdf

电加工与模具 2 o l o 年增刊 工 艺 装备 超深小 孑 L 电火花加工机床 的研 制 蒋亨顺 ， 靳德福 ， 王德新 ， 马名峻 1 ． 北京易通电加工技术研究所 ， 北京 1 0 0 0 7 8 ； 2 ． 沈 阳黎 明航 空发 动机 制造公 司 ， 辽 宁沈 阳 1 1 0 0 4 3 摘要 为 了满足 直径 3 mlT l 以下 、 深度 达 2 0 0 0 mn q_ 以上超 深 小孔 的加 工 需要 ， 研 制 了超 深 小 孔 电火花加 工机床 。 为解 决细 长电极 管旋转进 给 时晃 动所 造成 的放 电状 态 恶化 现 象 ， 提 出 了采 用 浮动 限幅 器的新 方法 ， 并加 大 了主 轴头 一次伺服 行 程 ， 有 效 地减 少 了加 工深孔 时更换 电极 的 次数 ， 解 决 了 2 0 0 0 I T I I -I ] ． 深 小孔 的加 工 问题 ， 并提 高 了加 工效率 与加 工精度 关键词 超 深小孔 ； 电火 花加 工 ； 浮动 限 幅器 ； 细 长 电极 管 中图分 类号 T G6 6 1 文献标 识码 B 文章编 号 1 0 0 9 2 7 9 X 2 0 1 0 S O 一0 0 8 8 0 3 当前 ， 深d , f L 加工特别是直径 3 mm 以下超深 小孔的加工 ， 已 日益引起各国的重视 ， 不少高校及研 究机构进行了相关的研究 ， 推动了一系列技术进展 。 如 近年报 道 的 日本 加工 出 了直 径 1 ． 5 I T t IT I 、 深度 达 5 0 0 mm 的, b f L。随着科学技术 的不断发展进步 ， 对更大深度的, hf L J J n 工提出了要求。例如深海石油 钻井 钻机 的钻杆 处 需 钻 削直 径 2 mm 的盲 孑 L ， 以放 置传感器及导线， 深度要求达 1 5 0 0／ q “ l T D _ 。为此， 我 所在 大量试验 的基础 上 ， 研 制 了一 台超 深 小孑 L 电火 花加工机床， 利用这台机床 ， 在直径 l 0 mm2 0 0 8 mm的棒 料 上 加 工 出 直 径 2 1 T I 1T I 通 孔 ， 达 到 了 加 工 2 0 0 8 mm的空前深度 ， 且孑 L 轴线的径向偏移量只有 0 ． 3 5 ～0 ． 7 0 mm。现将有关研制过程介绍如下。 1 主要技 术参 数的确定及设计构思 1 国内现有 的高速电火花小孔机床， 其加工 范 围大 多为 直 径 0 ． 3 ～3 mm、 深 度 在 3 0 ～3 0 0 IT l l l q_ 左右 ， 无法满足更大深度 的小孔加工需要。本机加 工尺 寸范 围选定 在孔 径 1 ． 0 ～3 ． 0 mm、 加 工 深 度 拟 定为 2 0 1 0 mm， 既能 满 足 当前 的加 工 需 要 ， 又留有 进一步开发的余地 。 2 主轴头机械结构与现有高速小孔机结构大 体相同， 只是根据前期实验情况 ， 将伺服行程扩大到 1 0 0 0 mm， 这样 在加 工深孔 时 ， 可大大减少工具 电 收稿 日期 2 0 0 9 1 02 5 第一作者简介 蒋亨顺 ， 男， 1 9 4 0年生 ， 教授级高级工程师 。 一 8 8一 极 的更 换 次数 ， 有 助 于提高加 工效 率 。同时 ， 为 了确 保主轴 头能适 应 频繁 正 反 向运 动 的加 工需 求 ， 主轴 头需具有较快的响应速度 ， 在立柱内设计了配重装 置 ， 使其平衡主轴头溜板结构重量 ， 提高了伺服系统 的灵敏度， 改善了间隙放电状态， 从而有助于改善加 工 孔 的直线 度及提 高加工 速度 。 3 为 了满 足 不 同 深度 孔 的加 工 要 求 ， 主 轴 头 设 计有采 用双 导柱 导套 的二 次行 程结 构 。二 次行程 为 1 0 0 0 ml T l 。具体 加工时 ， 可 根据工件 的加工要 求 ， 灵活地调整主轴头的起点位置， 减少辅助时间。 4 为了方便工件轴线 的垂直找正， 设计 了专 用光学找正系统。光学系统的轴线与主轴头进给轴 线重合， 其光束“ 靶心” 即是工件待加工孔的圆心。 5 主机 工 作 台根 据 工 件 形 状 专 门设 计 ， 样 机 采用 了十字 圆 台结 构 ， 用 4个 呈 9 0 。 放 置 的螺 钉 ， 调 整夹具 轴 线 的垂 直 度 。 主轴 头 溜 板 座 安 装 在 横 梁 上 ， 由伺服电机进行调整， 确保工具电极能准确移动 到工件 待加 工孔 的 中心 处 。 6 为了满足深达 2 0 0 0 F I 1 l T t 小孔的加工要求， 主机设计有 1 0 0 0 mm 高走 台， 便 于操作者更换或 找 正工具 电极 。 7 对深小孔加工来说， 伺服系统 的性能极为 重要 。伺 服系统的基本要求 ① 调速范 围要宽； ② 位置精度要高 ； ③ 速度响应要快 ， 即能承受频繁的 正反向运动 ， 要求电机具有较小的转动惯量 、 较大的 制 动力矩及尽可能小的机电时间常数 ； ④低速大转 工 艺 装备 电加工与模具} 2 0 1 0 年增刊 矩 ， 即要求电机应具有大 的、 较长时间的过载能力。 本机从实际情况出发， 决定采用性价 比高的半闭环 伺服控制系统 ， 其伺服系统精度足 以满足 目前深小 孔加 工要求 。 2 机床结构及工艺要点 机床的具体结构见 图 1 。 1 ．工作 台2 ．夹 具3 ．工 件4 ． 导 向器5 ．工 具 电极 6 ． 光 学找正系统7 ． 主轴头8 ．滑块滑座组 合9 ． 直线 导轨 副 l 0 ． 丝杠 主轴头伺服用 l 1 ．主轴头伺服电机1 2 ．主轴头拖板 1 3 ． 二次行程电机 1 4 ．配重滑轮组 1 5 ．导柱导套副 1 6 ． 二次行程升降丝杠1 7 ．配重块 1 8 ．立柱 1 9 ． 底座 图 1 超深d f L J J I 工机床结构示意 图 1 主轴头 5安装在滑块座组合 4上， 由伺服 电机 1 通过丝杠 3旋转 ， 驱动螺母座 固定在滑块滑 动组合上 带动主轴头作伺服进 给运动。为 了防止 长度 1 0 0 0 mm 以 上 的工 具 电极 在 工 作 时 晃 动 过 大， 导致放电状态恶化 ， 甚至发生短路烧伤， 在主轴 头与导向器 8之间设计有浮动限幅器 图 2 ， 已申请 国家专利 。 图 2 浮动限幅器示意图 2 开始加工前 ， 先 由主轴头伺服电机 1将主 轴头 5升至最高点 ， 根据工件高度 ， 通过二次行程电 机 1 3驱动升降丝杠 l 5将导向器 8座升至距工件上 端 面 5 ～1 0 mm 处 ， 锁 紧主轴 头拖板 1 2 ， 上下移 动 主 轴 头 5 ， 找 正夹具 1 0 ， 再 利用光 学找 正系统 6找 正工 件 9的待D n z L 中心后 ， 将工件与夹具固定。 3 工作时 ， 将几个浮动限幅器近似均匀地布 置在工具电极工作段上 ， 使每一段 自由态悬伸 的电 极长度 不 超 过 2 0 0 mm。 随 着 加 工 进 给 及 电极 损 耗， 均布的浮动限幅器自上而下地逐次被推向下端， 直至全部叠在一处， 再更换新电极管 ， 重新布置限幅 器 ， 开 始下 一轮加 工 。实践 证 明 浮动 限幅器 有效 地 限制了工具电极旋转 时的晃动幅度 ， 使 电极下端部 放电间隙状态平稳 ， 从而提高 了深小孑 L 加工的质量 与加工 速度 。 4 工作液系统与普通高速电火花d , f L 机稍有 不同， 提高了水泵的出水压力 ， 以保证超长电极管具 备足够的冲水排屑能力 ； 同时更换了多级过滤装置 ， 防止因杂质阻塞断水 ， 造成间隙中的意外短路烧伤。 5 工具电极采用 多孑 L 管状 电极管 ， 长度依工 件孔深选定 ， 例如加工 1 5 0 0 mm深孔 ， 需要 1 0 0 0 ～ 2 0 0 0 mm 的电极若 干根 。 6 伺 服控 制 系统 的关 键是 对 间 隙放 电状 态 的 准确检测判别 。由于间隙放电过程极其复杂， 诸 多 因素均会影响到放电状态 ， 如脉冲参数 、 伺服状态 、 电极对材料等 ， 给间隙放 电状态的及时识别带来极 大困难， 龙其是如何将对加工质量影响极大的电弧 放 电从 正 常火花 放 电中 区分 出来 更 为 困难 ， 因此 在 本台设备的控制 电路上， 仍 选择 间隙电压作为控制 参数。 日后有条件时， 再进一步探讨更佳控制方案 。 为了减少回路 电阻 ， 对于细长工件 ， 大多采用 3 ～4 个进电点供电。实践证 明， 这样作 比单 一供 电点有 明显好 处 。 7 加工过程 中， 要注意观测间隙放电过程 ， 注 意 听放 电的声 音是 否 有 异 常 ， 如 发 现进 给速 度 突然 加大 、 应查看脉 冲电流是否异常变 大， 甚至短路焊 死。通过测量工具 电极 的剩余长 度及实际加工孔 深 ， 可判别 电极损耗是否正 常。通过查看工具 电极 端部状态， 也可判别加工 是否正常或是有积炭 、 烧 伤。 当加工 孔 深 度超 过 1 3 0 0～1 5 0 0 mm 时 ， 由于 废液排出不畅， 进给应调至偏空载状态 ， 以防止短路 烧伤及过进给造成 的偏离正常轴线的倾斜加工。 一 89 电加工与模具} 2 0 1 0 年增刊 工 艺 装备 3 几点体会 1 对于 超 深 小 孔 加 工 ， 主 轴 头 的一 次 伺 服 进 给行程应比通常高速小孔机床作较大幅度提 高， 但 也 不适宜增 加过 大 ， 否则 因工具 电极悬 伸长度 过长 ， 电极的整体刚度降低 ， 会直接影响到加工孑 L 的直线 度 ， 且加 工时放 电状 态也不 稳定 。 2 主轴头伺服应灵敏、 可靠 ， 电极夹头中心与 导向器中心轴线应完全重合 ， 不应偏斜。这对提 高 工件孔轴线 的直线度至关重要。 3 工件 待加 工孔轴 线与 工具 电极 轴线 应 能方 便地找正及调整 。 4 浮动 限幅 器对 于超深 小孔 加 工是 十分 必要 的， 其正确布置能有效地限制电极的晃动幅度 ， 有助 于改 善间 隙放 电状 态 。 5 若发现取下的工具电极前端有灼伤或呈偏 斜状 ， 换新 电极后 ， 进 给要 有 意放 缓 ， 以逐 渐 修正 内 孔底 面 ， 防 止 已发 生 偏 斜 的孔 不 致进 一 步 恶 化 而导 上接第 7 5页 图 6 9点插值样条变幅杆有限元 初始模 型 图 7 1 1点插值样 条变 幅杆有 限元初 始模型 插值点逐渐增多时， 优化后 的变幅杆都将收敛于同 一 形 状与谐 振长度 。 一 9 0一 致“ 侧 穿 ” 。 6 试验 中采 用 过 多 种 水 基工 作 液 ， 其 中使 用 普通 自来水时由于北京地 区水质较硬， 含有大量钙、 镁离子 ， 采用 自来水 作工作介质时 ， 工作一段 时间 后 ， 水中的矿物质会沉积到工具电极表面， 形成一薄 层水垢 “ 白膜 ” ． 这 层 水 垢 电阻 很 大 ， 包 在 电极 的侧 壁， 对减少杂散 电流有一定作用。如何尽可能发挥 其正 面效应 ， 尚待今 后在 实践 中进一 步探索 。 7 由于 深 小 孑 L 加 工 时 ， 影 响 间 隙放 电状 态 的 因素极多， 在实践中应加强观测与研究 ， 以尽快掌握 放 电规律， 将必要的控制参数真正控制起来 ， 使深小 孔的加工精度达到更高水平。 参 考文 献 [ 1 ] 蒋 亨顺 ， 马名 峻， 靳 德福 ．深 小孔 电火 花高 速加 工工 艺研究 [ J ] ．电加工与模具 ， 2 0 0 8 增刊 6 66 7 ． [ 2 ] 田中正信 日 ．细穴放 鼋加 工 最新技孵 下 [ J ] ．13 本横 械 匕工具 ， 2 0 0 4 4 结论 基于传 统形状 变 幅杆 中阶梯 型变 幅杆 放大 系数 较大但形状 因数很小 一般都小于 1 ， 而圆锥形变 幅杆形状因数较大放大系数却很小 的原因， 本文通 过 以 3次样 条 曲线 作 为变 幅 杆轴 截 面 的母 线 形状 ， 采用二维轴对称建模 的方式 ， 在有限元动力学分析 基础上 利用优 化 设计 的方 法 ， 优 化 出 了一 种 既有 较 好形状 因数又有很大放大系数的新型变幅杆 ， 并通 过 9点插值 、 1 1点插值的形式对 6点插值进行了验 证， 证明了此方法的正确性 ， 为提高超声加工效率提 供 了一 种新 的思路 与方 法 。 参 考文献 [ 1 ] 曹凤 国 超声a n y ． 技术 [ M] ． 北京 化学工业出版社 ， 2 0 0 5 ． [ 2 ] 杨志斌 旋转超声加工装 置的设计 与新 型变幅杆 的研究 [ D] ． 山西 太原理工大学 ， 2 0 0 8 ． [ 3 ] 王新敏 ． A NS YS工程结构 数值分析 [ M] ． 北京 人民交通出版 社 ， 2 0 0 7 ． [ 4 ] 赵莉 ， 王时英 ， 轧刚．超声加工 中变幅杆 的动力学分析 [ J ] ．电 加工与模具 ， 2 0 0 5 2 3 53 8 ． [ 5 ] 林仲茂． 超 声变 幅杆 的原 理 和设计 [ M] ． 北京 科 学 出版 社， l 9 87 ． [ 6 ] 原丰霞 ， 张慧君 ， 朱 国 良基于 A NS YS的超 声变 幅杆 的优化 设计[ J ] ． 机械工程师 ， 2 0 0 4 1 1 2 42 6 ．