CN104942384A - 一种微电火花加工机的旋转主轴装置 - Google Patents

Abstract

一种应用于微细加工极限的微机械制造技术领域中的微电火花加工机的旋转主轴装置，包括旋转主轴、精密轴承、上电装置、电刷、绝缘塑料、上端盖、第一绝缘体、陶瓷材料、第二绝缘体、绝缘内管、通液管外套、电机、同步带、主轴外壳、下端盖、螺栓，电机安装在主轴外壳的支架上，同步带一端套装在电机的输出轴上，另一端套装在旋转主轴的皮带轮上，在上端盖上安装第二绝缘体，在第二绝缘体内安装绝缘内管，在第二绝缘体上部和绝缘内管的外部安装通液管外套。该发明在淬火钢硬质合金、不锈钢等超硬、超软的导电材料上加工直径在0.1mm以下的微孔、沟槽、曲面，旋转主轴采用高频超声振动技术，提高生产效率，降低生产成本和电极损耗，提高加工质量。

Description

一种微电火花加工机的旋转主轴装置

技术领域

本发明涉及微细加工极限的微机械制造技术领域中的一种微电火花加工机的旋转主轴装置。

背景技术

目前，现代制造技术是一个国家发展经济的重要手段之一，也是衡量一个国家工业水平高低的重要依据。从目前来看，现代制造技术的发展主要呈现两个趋势：一个是追求制造系统自动化的计算机集成制造技术；另一个就是寻求制造系统微细加工极限的微机械制造技术。

微细加工技术源于平面硅工艺，随着半导体器件、集成电路、微型机械等技术的发展与需求，微细加工技术已经发展成为一门多学科交叉和高新技术为一体的制造综合系统工程,广泛应用于医疗器械、生物工程、信息、航空航天、半导体工业、汽车等领域，给国民经济、人民生活等带来了深远的影响，被列为21世纪关键的技术领域之一。

现在，微细加工技术的研究大多集中在半导体制造工艺、光刻技术、蚀刻技术和LIGA技术上，并且取得了相当大的实用性进展。非传统加工技术是除传统切削加工之外的各种新型加工方法的统称。它不是依靠机械能而是通过其他能量方式(如电、化学、光、声、热等)去除金属或非金属材料，适合加工复杂、微细表面和低刚度零件；采用某些特种加工方法可实现精密和超精密加工、镜面光整加工及微纳米级加工。

而电火花微细加工技术(MEDM)作为一种实用的微细特种加工技术，具有加工精度高、表面损伤小、加工中无显著的切削力、切削热、可实施性强等特点，在微细轴、孔加工及微三维结构制作，尤其是对难切削导电材料及难加工结构的成形，已经显示出了相当大的发展潜力。由于电火花微细加工属于非接触式加工，加工过程没有切削力的附加影响，非常适合于微小尺寸零件的成形，目前，不论是在国内还是国外，这种加工技术都日益受到重视。

当今微细加工在医疗器械、生物工程、信息、航空航天、半导体工业、汽车等领域的应用越来越多，要求的精度、效率、结构的工艺性、表面质量等越来越高，采用传统的机械式钻孔工艺难以满足上述要求，主要存在以下问题：

（1）在微细孔加工中，传统的工艺采用的阶梯型钻头钻孔，其孔径小于0.2mm以下的加工困难；

（2）由于在加工过程中单位面积上的切削力较大，会导致切削温度高、变形大、刀具寿命短、严重的毛刺等缺陷；

（3）如果加工的表面是斜面或者是曲面，钻孔可能是斜孔，甚至根本无法加工，钻头也容易折断，对一些特殊材料如：不锈钢、钛合金、硬质合金等无法加工。

（4）对于结构复杂微小器件和各种难加工导电材料的三维曲面的加工，由于该加工方式具有传统加工方法比拟的优势。小切削力甚至无切削力，切削力引起的变形可加工底刚度、薄壁、窄缝的零件，热影响小，无显著的表面物理机械性能的变化，加工精度高和无毛刺加工。

随着技术的进步，研究领域的拓展，新材料的不断应用，零件加工的复杂性、精度、效率、表面质量等要求不断提高，对传统工艺提出挑战。正如Merchant所指出的那样，只有制造技术和工艺不断的突破和创新，采用非传统的工艺技术，才能应对这种挑战，满足科研和生产的要求。因此，研制一种微电火花加工机的旋转主轴装置一直是急待解决的新课题。

发明内容

本发明的目的提供一种微电火花加工机的旋转主轴装置，采用先进的微细放电电火花加工技术，通过解决压电陶瓷宏微驱动、微细电极夹持、高速旋转、自动进丝技术和微细孔电火花加工工艺等关键技术难题，开发微细电火花数控系统，解决高精度微细零件的加工难题；在微细非传统加工装备的发展，解决在复杂微小器件加工技术的难题，通过该项目的研究及关键技术的突破形成系列化的产品和装备，提升航空航天、医疗器械、生物工程、信息、半导体工业、汽车等相关行业的技术进步。

本发明的目的是这样实现的：一种微电火花加工机的旋转主轴装置，包括旋转主轴、精密轴承、上电装置、电刷、绝缘塑料、上端盖、第一绝缘体、陶瓷材料、第二绝缘体、绝缘内管、通液管外套、电机、同步带、主轴外壳、下端盖、螺栓，电机安装在主轴外壳的支架上，同步带一端套装在电机的输出轴上，另一端套装在旋转主轴的皮带轮上，在上端盖上安装第二绝缘体，在第二绝缘体内安装绝缘内管，在第二绝缘体上部和绝缘内管的外部安装通液管外套，在上端盖内安装第一绝缘体、陶瓷材料，陶瓷材料的上部与绝缘内管邻接，在旋转主轴上安装精密轴承，并将其安装到主轴外壳中，在旋转主轴上部安装第一绝缘体、陶瓷材料，并装入上端盖内，陶瓷材料的上部与绝缘内管邻接，将下端盖装入旋转主轴上并用螺栓固定在主轴外壳上，在旋转主轴的下端有主轴下端带锥孔螺纹A，在主轴外壳的左部装有上电装置、电刷、绝缘塑料；

所述的微电火花加工机的旋转主轴装置的加工方法是，在微细电火花放电加工的过程中，脉冲电流流经主轴外壳、轴承外圈、轴承滚动体、轴承内圈、旋转主轴最终传输到工具电极上；加工过程中，工件被装夹在工作台上，夹具金属制作并是导电的，脉冲电流能够在工作台、夹具与工件之间流动；当脉冲电流流经轴承会产生一些不良的问题，轴承滚动体与轴承外圈、轴承内圈之间接触不良时，轴承滚动体会与轴承外圈、轴承内圈产生放电现象，损坏精密轴承的旋转精度，使旋转主轴的回转误差加大；脉冲电源的一极直接与旋转主轴连接，脉冲电流不会再继续流经精密轴承，上电装置中存在部分绝缘塑料，使脉冲电流不会从电刷直接流入主轴外壳，脉冲电流直接进入旋转主轴；在旋转主轴上部通液绝缘内管与机床上端盖的连接处添加第一绝缘体、陶瓷材料；在旋转主轴部分与机床Z轴进给箱连接处添加第一绝缘体、陶瓷材料；在旋转主轴与上端盖之间处添加第一绝缘体、陶瓷材料，在这四处添加绝缘材料第一绝缘体、陶瓷材料，彻底做到旋转主轴与其它零部件之间的绝缘，使脉冲电流只能从电刷流经旋转主轴，再流经工具电极，然后放电脉冲对工件进行火花放电加工；

所述的微电火花加工机的旋转主轴装置的工作原理是，旋转主轴的左侧是开放的，采用旋转主轴侧边上电的方式；将脉冲电源的一极接到电刷上，电刷处在一个槽中，此槽起到导向作用，槽中具有一个弹簧，这个弹簧将铜合金材料的电刷压在旋转主轴的侧端，电流就通过电刷、旋转主轴往下传到旋转工具电极上；电刷与旋转主轴之间接触,存在滑动摩擦阻力,会导致电刷和旋转主轴磨损较为严重,导致旋转主轴的温度升高，产生一定的变形,影响旋转主轴的旋转精度，选择导电性能良好、导热性良好、耐磨性好、自润滑性能好、熔点高的电刷材料；选择使用锡磷青铜作为电刷材料。

本发明的要点在于它的结构、加工方法及工作原理。其工作原理是：旋转主轴的左侧是开放的，采用旋转主轴侧边上电的方式；将脉冲电源的一极接到电刷上，电刷处在一个槽中，此槽起到导向作用，槽中具有一个弹簧，这个弹簧将铜合金材料的电刷压在旋转主轴的侧端，电流就通过电刷、旋转主轴往下传到旋转工具电极上；电刷与旋转主轴之间接触,存在滑动摩擦阻力,会导致电刷和旋转主轴磨损较为严重,导致旋转主轴的温度升高，产生一定的变形,影响旋转主轴的旋转精度，选择导电性能良好、导热性良好、耐磨性好、自润滑性能好、熔点高的电刷材料；选择使用锡磷青铜作为电刷材料。

一种微电火花加工机的旋转主轴装置与现有技术相比，具有在淬火钢硬质合金、不锈钢等超硬、超软的导电材料上加工直径在0.1mm以下的微孔、沟槽、曲面，精度在±0.005mm 以内；加工时间为20-30s，在汽车喷油嘴、 节流阀、油泵上打出的微孔可满足欧Ⅲ-Ⅳ以上标准的排放要求，旋转主轴采用高频超声振动技术，克服放电过程中的存在二次放电所造成的危害，提高生产效率，降低生产成本和电极损耗，提高加工质量，追求轻型、高效的目标将加工方法打破传统加工理念等优点，将广泛地应用于微细加工极限的微机械制造技术领域中。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。

图1是本发明结构示意图。

图2是图1的局部放大图。

具体实施方式

参照附图，一种微电火花加工机的旋转主轴装置，包括旋转主轴1、精密轴承2、上电装置3、电刷4、绝缘塑料5、上端盖6、第一绝缘体7、陶瓷材料8、第二绝缘体9、绝缘内管10、通液管外套11、电机12、同步带13、主轴外壳14、下端盖15、螺栓16，电机12安装在主轴外壳14的支架上，同步带13一端套装在电机12的输出轴上，另一端套装在旋转主轴1的皮带轮上，在上端盖6上安装第二绝缘体9，在第二绝缘体9内安装绝缘内管10，在第二绝缘体9上部和绝缘内管10的外部安装通液管外套11，在上端盖6内安装第一绝缘体7、陶瓷材料8，陶瓷材料8的上部与绝缘内管10邻接，在旋转主轴1上安装精密轴承2，并将其安装到主轴外壳14中，在旋转主轴1上部安装第一绝缘体7、陶瓷材料8，并装入上端盖6内，陶瓷材料8的上部与绝缘内管10邻接，将下端盖15装入旋转主轴1上并用螺栓16固定在主轴外壳14上，在旋转主轴1的下端有主轴下端带锥孔螺纹A，在主轴外壳14的左部装有上电装置3、电刷4、绝缘塑料5。

所述的微电火花加工机的旋转主轴装置的加工方法是，在微细电火花放电加工的过程中，脉冲电流流经主轴外壳14、轴承外圈、轴承滚动体、轴承内圈、旋转主轴1最终传输到工具电极上；加工过程中，工件被装夹在工作台上，夹具金属制作并是导电的，脉冲电流能够在工作台、夹具与工件之间流动；当脉冲电流流经轴承会产生一些不良的问题，轴承滚动体与轴承外圈、轴承内圈之间接触不良时，轴承滚动体会与轴承外圈、轴承内圈产生放电现象，损坏精密轴承2的旋转精度，使旋转主轴1的回转误差加大；脉冲电源的一极直接与旋转主轴1连接，脉冲电流不会再继续流经精密轴承2，上电装置3中存在部分绝缘塑料5，使脉冲电流不会从电刷直接流入主轴外壳14，脉冲电流直接进入旋转主轴1；在旋转主轴1上部通液绝缘内管10与机床上端盖6的连接处添加第一绝缘体7、陶瓷材料8；在旋转主轴1部分与机床Z轴进给箱连接处添加第一绝缘体7、陶瓷材料8；在旋转主轴1与上端盖6之间处添加第一绝缘体7、陶瓷材料8，在这四处添加绝缘材料第一绝缘体7、陶瓷材料8，彻底做到旋转主轴1与其它零部件之间的绝缘，使脉冲电流只能从电刷流经旋转主轴1，再流经工具电极，然后放电脉冲对工件进行火花放电加工。

所述的微电火花加工机的旋转主轴装置的工作原理是，旋转主轴1的左侧是开放的，采用旋转主轴1侧边上电的方式；将脉冲电源的一极接到电刷4上，电刷4处在一个槽中，此槽起到导向作用，槽中具有一个弹簧，这个弹簧将铜合金材料的电刷4压在旋转主轴1的侧端，电流就通过电刷、旋转主轴1往下传到旋转工具电极上；电刷4与旋转主轴1之间接触,存在滑动摩擦阻力,会导致电刷4和旋转主轴1磨损较为严重,导致旋转主轴2的温度升高，产生一定的变形,影响旋转主轴1的旋转精度，选择导电性能良好、导热性良好、耐磨性好、自润滑性能好、熔点高的电刷4材料；选择使用锡磷青铜作为电刷4材料。

下面进一步详细叙述本发明：

所述的微电火花加工机的旋转主轴装置的微细电火花加工是微细电源、主轴和自适应进给控制、高精度主轴、微细电极的定位、导向、进给补偿，微细电源的频率、脉冲宽度、能量、脉冲间隙等性能与加工质量等工艺参数指标密切相关，采用数字式开关电源才能实现微细放电加工的指标要求，微细加工时使用的电极直径较小，一般在0-0.2mm，回转精度为±0.002mm，电极要求中空，转速为1000r/min，在工作时高压绝缘介质通过电极，保证正常的放电，在旋转主轴1设计和制造中采用陶瓷轴承作为主要支撑和集流环供电，高压旋转接头供液，精密宝石夹头能够达到旋转主轴1的要求。

所述的微电火花加工机的旋转主轴装置通过对加工过程的实时监控对可控变量的调整，如振幅、电压、电流、进给量和旋转速度，使控制系统能够保证加工过程安全顺利地进行，任何参数的微小变化都会被敏锐、及时地探测到，能够最大限度地避免工具电极破损和工件报废。

所述的微电火花加工机的旋转主轴装置的控制系统共有两种控制方式，即ADC和ACC控制方式；ADC（Adaptive control）是通过对工具电极的扭矩负载、放电参数等监测来进行控制的，这样能够使工具电极的进给量得到最佳的设定，以保证最高的生产效率、加工过程的稳定性、可靠性及加工质量；而ACC（Acoustic control）则是通过对零件在加工过程中所产生的压力反馈信号来进行控制的，得到较高的表面质量时，是ACC的控制方式。

所述的微电火花加工机的旋转主轴装置的ADC和ACC在加工过程中能够同时使用，为工件加工带来最大的灵活性；在零件的粗加工时，使用ADC控制方式，以采用最大的进给量提高加工效率，而在最后的精加工时，可将控制方式自动切换为ACC方式，以获得最佳的表面质量；解决微电火花放电加工时自适应进给控制技术问题。

Claims (3)

1.一种微电火花加工机的旋转主轴装置，包括旋转主轴、精密轴承、上电装置、电刷、绝缘塑料、上端盖、第一绝缘体、陶瓷材料、第二绝缘体、绝缘内管、通液管外套、电机、同步带、主轴外壳、下端盖、螺栓，其特征在于：电机安装在主轴外壳的支架上，同步带一端套装在电机的输出轴上，另一端套装在旋转主轴的皮带轮上，在上端盖上安装第二绝缘体，在第二绝缘体内安装绝缘内管，在第二绝缘体上部和绝缘内管的外部安装通液管外套，在上端盖内安装第一绝缘体、陶瓷材料，陶瓷材料的上部与绝缘内管邻接，在旋转主轴上安装精密轴承，并将其安装到主轴外壳中，在旋转主轴上部安装第一绝缘体、陶瓷材料，并装入上端盖内，陶瓷材料的上部与绝缘内管邻接，将下端盖装入旋转主轴上并用螺栓固定在主轴外壳上，在旋转主轴的下端有主轴下端带锥孔螺纹A，在主轴外壳的左部装有上电装置、电刷、绝缘塑料。

2.根据权利要求1所述的一种微电火花加工机的旋转主轴装置，其特征在于：所述的微电火花加工机的旋转主轴装置的加工方法是，在微细电火花放电加工的过程中，脉冲电流流经主轴外壳、轴承外圈、轴承滚动体、轴承内圈、旋转主轴最终传输到工具电极上；加工过程中，工件被装夹在工作台上，夹具金属制作并是导电的，脉冲电流能够在工作台、夹具与工件之间流动；当脉冲电流流经轴承会产生一些不良的问题，轴承滚动体与轴承外圈、轴承内圈之间接触不良时，轴承滚动体会与轴承外圈、轴承内圈产生放电现象，损坏精密轴承的旋转精度，使旋转主轴的回转误差加大；脉冲电源的一极直接与旋转主轴连接，脉冲电流不会再继续流经精密轴承，上电装置中存在部分绝缘塑料，使脉冲电流不会从电刷直接流入主轴外壳，脉冲电流直接进入旋转主轴；在旋转主轴上部通液绝缘内管与机床上端盖的连接处添加第一绝缘体、陶瓷材料；在旋转主轴部分与机床Z轴进给箱连接处添加第一绝缘体、陶瓷材料；在旋转主轴与上端盖之间处添加第一绝缘体、陶瓷材料，在这四处添加绝缘材料第一绝缘体、陶瓷材料，彻底做到旋转主轴与其它零部件之间的绝缘，使脉冲电流只能从电刷流经旋转主轴，再流经工具电极，然后放电脉冲对工件进行火花放电加工。

3.根据权利要求1所述的一种微电火花加工机的旋转主轴装置，其特征在于：所述的微电火花加工机的旋转主轴装置的工作原理是，旋转主轴的左侧是开放的，采用旋转主轴侧边上电的方式；将脉冲电源的一极接到电刷上，电刷处在一个槽中，此槽起到导向作用，槽中具有一个弹簧，这个弹簧将铜合金材料的电刷压在旋转主轴的侧端，电流就通过电刷、旋转主轴往下传到旋转工具电极上；电刷与旋转主轴之间接触,存在滑动摩擦阻力,会导致电刷和旋转主轴磨损较为严重,导致旋转主轴的温度升高，产生一定的变形,影响旋转主轴的旋转精度，选择导电性能良好、导热性良好、耐磨性好、自润滑性能好、熔点高的电刷材料；选择使用锡磷青铜作为电刷材料。