CN104607729B - 高速电弧放电冲液旋转主轴装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速电弧放电冲液旋转主轴装置，包括芯轴、壳体、导电轴承，导电盘、绝缘轴承、绝缘法兰、带轮、旋转接头等。本发明给出了可实现旋转、放电、冲液的主轴结构，解决了高压流体的流通及配给、旋转导电的实现及其放电腐蚀等问题。本发明使用绝缘轴承支承配合芯轴轻量化设计，提高主轴旋转速度与精度，增强主轴绝缘可靠性；通过空心芯轴结构结合旋转接口解决高压流体的供给及密封问题；克服电刷过流容量有限、导电滑环转速低或结构庞大复杂等旋转导电的缺陷；最大化降低旋转导电难度及实现成本。本发明公开的高速电弧放电冲液旋转主轴装置结构简单，维护方便，制造成本低，可有效用于包括电弧在内的各种放电铣削加工。

Description

高速电弧放电冲液旋转主轴装置

技术领域

本发明属于放电加工装备领域，具体是一种高速电弧放电冲液旋转主轴装置。

背景技术

高速电弧放电利用工件和工具电极之间放电形成电弧等离子体，辅以高压流体排除熔融的工件材料，实现各种难切削金属材料的高效去除(参见文献W.Zhao,L.Gu,H.Xu,et.al.A novel high efficiency electrical erosion process--Blasting erosionarc machining[c].Procedia CIRP 6(2013)621-625)。

高速电弧放电铣削加工利用形状简单的工具电极按设定轨迹进给，同时将高压流体通过工具电极上的冲液孔，并在工具电极和工件之间施加电压，当工具电极和工件之间的距离接近到一定程度时，两者之间的流体被击穿并产生电弧放电，生成的电弧等离子体熔化材料，所熔融的材料在高压流体的作用下被排除，继而实现复杂轮廓、型腔等不同工艺特征的高效加工。在高速电弧放电铣削过程中，如下条件至关重要：一，电极的旋转运动。电极的旋转运动可以均化电极损耗，在一定程度上降低相对电极损耗率。二，电极的内冲液。电极的内冲液可以在电弧等离子熔化金属材料的同时，及时将熔融的金属碎屑排出工件和电极之间，避免了短路及工件烧蚀。三，电极的通电。由于电弧放电的必备条件是在工具电极和工件之间形成击穿电位，并在电弧维持过程中通过大电流(数百安培或以上)。

为实现电极的旋转运动，可通过将工具电极安装于机床主轴上，通过主轴带动电极无极旋转调速，但是工具电极需接电源的正极或负极，因而不可以直接安装到机床的主轴上，否则一旦机床主轴带电会将电流传递到床身或机床附件上，带来极大的安全隐患。并且，工具电极在旋转加工过程中需要通过高压的冲液介质，而通用的机床主轴不会带有冲液通道或者不具备流体和工具电极的接口通道。现有的方法是使用专门的旋转冲液机构(参见专利申请文件CN201310541512.4)，并将该机构通过绝缘介质连接到机床主轴上，该机构可实现电极的旋转、冲液及导电功能，但其和机床主轴的连接存在一定误差，容易导致电极跳动超差，并且通过两侧管件供给高压流体增强冲液紊乱，同时该机构利用轴承内圈、外圈和滚珠之间的旋转接触，将固定的电刷供电转化为电极的旋转供电，极易因为装配误差、密封失效及滚珠和内圈、外圈之间的放电导致轴承损坏，进而引起旋转精度丧失，因而其使用寿命短。

为彻底解决上述问题，需设计一种全新的主轴系统，该主轴系统可以安装工具电极并带动电极旋转，并且在主轴中可以通过高压冲液流体，将流体直接通过主轴灌输于工具电极上，此外，需具备将固定的电栓(电源通过导电供电，供电的导线无法跟随电极旋转)转化为电极旋转运动的导电装置。需说明的是，现有旋转导电方式常见有电刷导电，但是电刷导电过流容量有限，适用于小电流的接触导电，此外，还有各种类型的导电滑环，如大电流风电专用滑环，水银导电滑环等，此类滑环可通过大电流(如500A或以上)，然而其使用转速极低(如常见的100-200rpm)，难以胜任高速电弧放电所需的上千转每分钟。若开发专门的高转速的滑环机构，则需要大量接触芯体实现电流传导，并且需要较好的导电材料降低接触电阻防止接触点放电腐蚀，并且对于通过如500A以上的电流，则其体积庞大，结构笨重，研制成本高。如文献(薛萍，罗新华，冷勇等.大电流旋转电滑环的研制[J]，光纤与电缆及其应用技术，2008，6：9-12)披露的一种可传导大电流的旋转滑环结构，该结构利用35对接触芯体导电，其中33对接触芯用于传输DC10A电流，2对接触芯用于传输DC100A电流，即传导电流并联叠加在530A左右，而该滑环结构庞大，整体外径220mm，总长650mm，重量达70Kg。

综上，为实现高速电弧放电旋转主轴，必须解决如下问题：

1)主轴的传动结构及精度保障；

2)高压流体的流通及配给；

3)旋转导电的实现及其放电腐蚀的应对；

4)制造成本及导电结构的绝缘防护。

发明内容

针对上述需解决的问题，本发明提供一种高速电弧放电冲液旋转主轴装置。

本发明解决技术问题所采取的技术方案如下：

高速电弧放电冲液旋转主轴装置，包括壳体、芯轴，壳体端盖，其特征在于：

所述的壳体和芯轴之间装有绝缘轴承组件，绝缘轴承的内圈通过芯轴上的轴肩定位，外圈通过壳体上的台阶定位并通过壳体端盖预紧；

所述的芯轴为空心结构，其上端开口处连接有旋转接头，下端开口处连接有定制刀柄，定制刀柄和芯轴之间通过锥面定位与密封，并通过螺纹紧固；芯轴上端在旋转接头和壳体端盖之间装有带轮；

所述的壳体下端开口处设有绝缘法兰，绝缘法兰连接导电盘，导电盘内装有导电轴承，导电轴承外圈与导电盘内孔定位，通过导电盘端盖紧固；导电轴承内圈与芯轴存在配合关系，导电轴承外圈与导电盘内孔有配合关系；

所述的导电盘、导电盘端盖、绝缘法兰紧固于壳体上，并且导电盘、导电盘端盖、绝缘法兰的内孔均不与芯轴接触，所述的导电盘连接放电线。

进一步地，所述的所述的导电盘和绝缘法兰之间绝缘，不可导电；所述的绝缘轴承内圈和外圈之间绝缘，不可导电；所述的导电轴承为球轴承或滚子轴承，其内圈、外圈及滚动体之间可导电。

进一步地，所述的导电轴承内圈与芯轴配合面以及导电轴承外圈与导电盘配合面涂有导电膏。

与现有技术相比，本发明有益效果在于：

1)使用精密绝缘轴承支承配合芯轴轻量化设计，一方面可以提高主轴旋转速度与精度，一方面使导电芯轴与壳体及机床绝缘；

2)通过芯轴的通过结构结合旋转接口可有效解决高压流体的供给及密封问题；

3)用轴承代替导电滑环，避免了普通导电滑环转速低、专用导电滑环结构庞大复杂的缺陷；

4)将导电轴承作为损耗件，并通过可更换的导电结构，配合导电膏优化导电接触面，可以最大化的降低旋转导电难度及实现成本，使用该结构，即便在导电轴承内部放电失效后亦可方便予以更换，进一步提高装置的可靠性与维护保障的简易性。

附图说明

图1为本发明剖视结构示意图；

图2为本发明的主视图；

图中：1定制刀柄，2导电盘端盖，3导电轴承，4导电盘，5绝缘法兰，6绝缘轴承，7壳体，8芯轴，9壳体端盖，10旋转接头，11带轮，12放电导线，13止水夹头组件，14工具电极。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进一步说明。

高速电弧放电冲液旋转主轴装置，包括壳体7、芯轴8，壳体端盖9；

所述的壳体7和芯轴8之间装有绝缘轴承6组件，绝缘轴承6的内圈通过芯轴8上的轴肩定位，外圈通过壳体7上的台阶定位并通过壳体端盖9预紧；

所述的芯轴8为空心结构，其上端开口处连接有旋转接头10，下端开口处连接有定制刀柄1，定制刀柄1和芯轴8之间通过锥面定位与密封，并通过螺纹紧固；芯轴8上端在旋转接头10和壳体端盖9之间装有带轮11；

所述的壳体7下端开口处设有绝缘法兰5，绝缘法兰5连接导电盘4，导电盘4内装有导电轴承3，导电轴承3外圈与导电盘4内孔定位，通过导电盘端盖2紧固；导电轴承3内圈与芯轴8存在配合关系，导电轴承3外圈与导电盘4内孔有配合关系；

所述的导电盘4、导电盘端盖2、绝缘法兰5紧固于壳体7上，并且导电盘4、导电盘端盖2、绝缘法兰5的内孔均不与芯轴8接触。

所述的所述的导电盘4和绝缘法兰5之间绝缘，不可导电；所述的绝缘轴承6内圈和外圈之间绝缘，不可导电；所述的导电轴承3为球轴承或滚子轴承，其内圈、外圈及滚动体之间可导电；所述的导电盘4连接放电线12。

所述的导电轴承3内圈与芯轴8配合面以及导电轴承3外圈与导电盘4配合面涂有导电膏。

如图1所示，高速电弧放电冲液旋转主轴装置，其原理如下：

芯轴8通过绝缘轴承6组件定位支承，通过带轮11由外加动力源实现无极调速旋转；外部流体通过芯轴8上端的旋转接头10流入芯轴8的内孔，由于芯轴8为旋转体，而外部流体管道为静止结构，因此通过旋转接头10上的螺纹结构实现旋转体和静止结构的旋转连接，并且外加流体通过旋转接头10实现密封。

导电轴承3安装于导电盘4内，导电盘4为静止结构，可用于连接放电导线12，放电电源的电流通过导电盘4，流经导电轴承3外圈、滚动体、内圈后通过芯轴8后传导至定制刀柄1。由于芯轴8上带电，为防止电流传导至壳体7上，因此芯轴8和壳体7之间通过绝缘轴承3支承连接。

导电盘4为可拆卸结构，当导电轴承3内圈和外圈之间和滚动体发生放电而导致一定程度损坏时，则拆卸导电盘，更换导电轴承3。此外，为防止导电轴承3和导电盘4以及芯轴8之间，由于微观的表面间隙放电，则在相应的配合面上涂抹导电膏，以降低其接触电阻，藉此将有害放电集中控制在导电轴承3内。

用普通的金属导电轴承3代替导电滑环或电刷传递电流，可避免电刷导电过流容量小，而普通导电滑环转速低、专用导电滑环结构庞大复杂等问题。其使用成本低。

实施例1

将直径20mm的工具电极14通过止水夹头组件13固定在定制刀柄1上，同时将1英寸的水泵供水管通过管接口螺纹紧固在旋转接头10上，供水溢流阀调压1-2MPa，则芯轴8内部的流体在压差作用下通过定制刀柄1供给工具电极14，并由工具电极14上的冲液孔喷出，实现电极内冲液体；打开放电电源，设定放电电流，则放电导线12的电流经过导电盘4、导电轴承3后将静止导线供电转换为芯轴8的旋转供电，并由定制刀柄1及止水夹头组件13最终传导到工具电极14上，工具电极14和工件之间通过放电形成等离子蚀除工件材料，最终实现高效电弧放电铣削加工。

Claims (4)

1.高速电弧放电冲液旋转主轴装置，包括芯轴(8)和套设在该芯轴(8)外、上端具有壳体端盖(9)的壳体(7)，其特征在于，还包括与放电线(12)相 连的导电盘(4)；

所述的芯轴(8)为空心结构，其上端开口处设有旋转接头(10) ，下端开口处设有定制刀柄(1 )，在所述的芯轴(8)上部旋转接头(10)与壳体端盖(9)之间装有带轮(11) ；

所述的壳体(7)和芯轴(8)之间装有绝缘 轴承(6)，该绝缘轴承(6)的内圈通过芯轴(8)上的轴肩定位，绝缘轴承(6)的外圈通过壳体(7)上的台阶定位 ，并通过壳体端盖(9)预紧；

所述的壳体(7)下端开口处设有绝缘 法兰(5)，该绝缘法兰(5)的下方与所述的导电盘(4)连接，该导电盘(4)内设有导电轴承(3)，导电轴承(3)的外圈与导电盘(4)内孔定位，并通过导电盘端盖(2)紧固，导电轴承(3)的内圈与芯轴(8)配合；

所述的导电盘(4)、导电盘端盖(2)、绝缘法兰(5)固定在所述的壳体(7)下端开口处，并且导电盘(4)、导电盘端盖(2)、绝缘法兰(5)的内孔均不与芯轴(8)接触。

2.根据权利要求1所述的高速电弧放电冲液旋转主轴装置，其特征在于所述的导电盘(4)和绝缘法兰(5)之间绝缘，所述的绝缘轴承(6)内圈和外圈之间绝缘，所述的导电轴承(3)为球轴承或滚子轴承，其内圈、外圈及滚动体之间可导电。

3.根据权利要求1所述的高速电弧放电冲液旋转主轴装置，其特征在于：所述的导电轴承(3)内圈与芯轴(8)接触面以及导电轴承(3)外圈与导电盘(4)接触面涂有导电膏。

4.根据权利要求1所述的高速电弧放电冲液旋转主轴装置，其特征在于所述的定制刀柄(1)和芯轴(8)下端开口处通过锥面定位与密封，并通过螺纹紧固。