CN106041232B - 一种加工方孔的电火花加工装置的主轴执行机构及采用该执行机构实现的加工方法 - Google Patents
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Abstract
一种加工方孔的电火花加工装置的主轴执行机构及采用该执行机构实现的加工方法，属于电火花加工领域。解决了电火花成型加工方法，因加工过程中排屑困难，加工效果差，无法满足加工要求的问题。本发明利用具有勒洛三角形截面形状的勒洛三角形电极在进行自转运动的同时，勒洛三角形电极中心轴绕方形套筒中心轴旋转，作公转运动，从而可以使勒洛三角形电极沿横截面方向扫过一个正方形区域，加工过程中产生的电蚀产物通过勒洛三角形电极自转运动、公转运动及工作液的冲洗携带出来，有利于冲液和排屑，可显著提高深方孔加工效率。它主要用于对工件进行方孔加工。
Description
技术领域
本发明属于电火花加工领域。
背景技术
方孔具有传递转矩大、导向性好、传动平稳等优点，方孔是航空航天、仪表仪器、模具等行业中的常见结构，在能源化工、制造装备等行业也有不可替代的作用。但相对于圆孔而言，其加工难度大、生产效率低、加工费用高，限制了其使用范围，盲孔加工更为困难。研究方孔加工可以改善机械结构的结构工艺性，使得方孔结构可以被大量应用，为设计制造带来更多可能性。
目前加工方孔的方法主要有：钻削加工、电解加工、电火花成型加工等方法，其中钻削加工只能用于大尺寸方孔的加工且无法加工高硬度的材料，电解加工方法加工的方孔精度低、设备成本高且存在污染。电火花加工具有非接触式加工、加工过程不受材料硬度限制、能加工的材料广泛等诸多优点，特别适用于机械切削加工难以胜任的高硬度、高强度、高熔点、高韧性、高脆性等特殊材料，但当加工尺寸过小或长径比过大的方孔时，现有的电火花成型加工方法，因加工过程中排屑困难，加工效果不好，无法满足加工要求。
发明内容
本发明是为了解决电火花成型加工方法，加工过程中排屑困难，加工效果差，无法满足加工要求的问题，本发明提供了一种加工方孔的电火花加工装置的主轴执行机构及采用该执行机构实现的加工方法。
一种加工方孔的电火花加工装置的主轴执行机构，它包括外伸支架、直流电机、直流电机支架、万向联轴器、上连接板、勒洛三角形凸轮、方形套筒、下连接板、电极夹头和勒洛三角形电极；
勒洛三角形凸轮和勒洛三角形电极的径向截面均为勒洛三角形，所述的上连接板、勒洛三角形凸轮、下连接板、电极夹头和勒洛三角形电极从上至下依次同轴设置；
直流电机支架固定在外伸支架上，直流电机固定在直流电机支架上，直流电机的输出轴通过万向联轴器与上连接板固定连接，上连接板和下连接板之间固定设置的勒洛三角形凸轮位于方形套筒内，且勒洛三角形凸轮的三个圆弧面与方形套筒的内壁接触，方形套筒的外侧壁与外伸支架固定连接，
下连接板的下表面固定设置电极夹头，电极夹头用于夹持勒洛三角形电极，
勒洛三角形凸轮带动电极夹头和勒洛三角形电极自转和绕方形套筒的中心轴线公转的运动。
所述的勒洛三角形凸轮和勒洛三角形电极的结构完全相同。
所述的上连接板、勒洛三角形凸轮、下连接板、电极夹头和勒洛三角形电极构成一体件。
采用一种加工方孔的电火花加工装置的主轴执行机构实现加工方孔的方法，该加工方孔的方法的具体过程为：
步骤一：将加工方孔的电火花加工装置的主轴执行机构安装在电火花机床的Z轴上，将待加工工件固定在工作液槽中的工件架上，向工作液槽中充入工作液；
步骤二：通过伺服控制系统调节主轴执行机构上的勒洛三角形电极与待加工工件间的间隙至初始加工位置；
步骤三：使勒洛三角形电极和待加工工件分别与脉冲电源的两端连接，直流电机工作，使勒洛三角形电极进行公转和自转，所述的勒洛三角形电极以方形套筒的中心轴线为中心进行公转，同时通过极间电压检测装置实时的检测待加工工件与勒洛三角形电极间的电压，并将检测到的极间电压反馈至伺服控制系统，伺服控制系统通过伺服电机控制主轴执行机构沿电火花机床的Z轴运动，从而控制勒洛三角形电极与待加工工件间的间隙，进行加工深度方向上的伺服给进，从而完成方孔的加工。
所述的采用一种加工方孔的电火花加工装置的主轴执行机构实现加工方孔的方法，所述的步骤三中，勒洛三角形电极自转和公转运动轨迹的综合，在待加工工件上扫过区域的形状为正方形，在加工过程中，勒洛三角形电极的旋转运动搅拌工作液将加工产生的电蚀产物冲洗携带出来。
本发明所述的一种加工方孔的电火花加工装置的主轴执行机构可安装在普通电火花加工机床的Z轴上。本发明对工件加工的孔是正方形的。
原理分析：本发明利用具有勒洛三角形截面形状的工具电极在进行自转运动的同时，工具电极中心轴绕方形套筒中心轴旋转作公转运动，从而可以使工具电极沿横截面方向扫过一个正方形区域，将本发明所述的一种加工方孔的电火花加工装置的主轴执行机构安装在电火花加工机床的Z轴上，通过控制电极底面与工件之间的放电间隙，进行深度方向的伺服进给，实现方孔的自动加工。
本发明加工方法使用异形工具电极旋转的方法加工方孔，将加工产生的电蚀产物通过勒洛三角形电极自转运动、公转运动及工作液的冲洗携带出来，有利于冲液和排屑，可显著提高深方孔加工效率。
本发明带来的有益效果是，通过利用勒洛三角形电极公转运动及自转运动，从而可以使电极沿横截面方向扫过一个正方形区域实现方孔加工；通过勒洛三角形电极的旋转运动搅拌工作液，有利于促进电蚀产物的顺利排出、提高有效放电率，从而提高加工效率；利用电火花加工原理可实现小尺寸、大长径比方孔以及难加工材料方孔的加工。
附图说明
图1为本发明所述的一种加工方孔的电火花加工装置的主轴执行机构的结构示意图；
图2为本发明所述的一种加工方孔的电火花加工装置的结构示意图；附图标记A表示加工方孔的电火花加工装置的主轴执行机构，附图标记15表示固定板，附图标记21表示伺服电机，附图标记16表示导轨和电火花机床的Z轴，附图标记17表示滑块，附图标记18表示机架，附图标记19表示机床底座；
图3为本发明对方孔进行加工的原理示意图；
图4为勒洛三角形电极加工工件的原理示意图；附图标记21表示勒洛三角形电极中心公转形成的轨迹，L表示勒洛三角形凸轮的宽度，
图5为勒洛三角形电极逆时针旋转加工方孔的状态图。
具体实施方式
具体实施方式一：参见图1、图4和图5说明本实施方式，本实施方式所述的一种加工方孔的电火花加工装置的主轴执行机构，它包括外伸支架1、直流电机2、直流电机支架3、万向联轴器4、上连接板5、勒洛三角形凸轮6、方形套筒7、下连接板8、电极夹头9和勒洛三角形电极10；
勒洛三角形凸轮6和勒洛三角形电极10的径向截面均为勒洛三角形，所述的上连接板5、勒洛三角形凸轮6、下连接板8、电极夹头9和勒洛三角形电极10从上至下依次同轴设置；
直流电机支架3固定在外伸支架1上，直流电机2固定在直流电机支架3上，直流电机2的输出轴通过万向联轴器4与上连接板5固定连接，上连接板5和下连接板8之间固定设置的勒洛三角形凸轮6位于方形套筒7内，且勒洛三角形凸轮6的三个圆弧面与方形套筒7的内壁接触，方形套筒7的外侧壁与外伸支架1固定连接，
下连接板8的下表面固定设置电极夹头9，电极夹头9用于夹持勒洛三角形电极10，
勒洛三角形凸轮6带动电极夹头9和勒洛三角形电极10自转和绕方形套筒7的中心轴线公转的运动。
本实施方式，所述的勒洛三角形凸轮6的宽度与方形套筒7的方孔的宽度相同。勒洛三角形电极10自转和公转运动轨迹的综合，在待加工工件20上扫过区域的形状为正方形，并在自转和公转的过程中，将加工产生的电蚀产物通过勒洛三角形电极10自转、公转及工作液的冲洗携带出来，使加工过程中产生的电蚀产物及时排出，从而提高加工效率，并提高加工精度。
通过勒洛三角形电极10的旋转运动搅拌工作液，有利于促进电蚀产物的顺利排出、提高有效放电率，从而提高加工效率；利用电火花加工原理可实现小尺寸方孔、大长径比方孔以及难加工材料方孔的加工。
万向联轴器4具有极强的自由度，能够可靠地传递转矩和运动，其结构有较大的角向补偿能力，可使被连接的两个轴之间有一定的轴线夹角，勒洛三角形凸轮6宽度与方形套筒7的内方形孔宽度相同，勒洛三角形凸轮6在方形套筒7中受到正方形的约束，绕方形套筒7中心轴线公转运动，并绕自身轴线做自转运动，勒洛三角形凸轮6三个圆弧面与方形套筒7内壁始终存在接触。勒洛三角形凸轮6与下连接板8可通过螺纹连接。电机夹头9顶部与下连接板8的可通过螺纹连接，夹持部可夹紧勒洛三角形电极10，勒洛三角形凸轮6带动电机夹头9和勒洛三角形电极10自转及公转运动，则勒洛三角形电极10的底面扫过区域的形状为正方形。
勒洛三角形具有等宽性，勒洛三角形凸轮6可以在方形套筒7中平稳运动，勒洛三角形电极10可以在工件上通过放电蚀除作用加工出方孔。
如附图4所示，勒洛三角形凸轮6与勒洛三角形电极10形状相同，大小可以不同。当勒洛三角形凸轮6与勒洛三角形电极10形状尺寸完全相同时，用宽度为L的勒洛三角形电极10加工的方孔边长为L，勒洛三角形电极的公转运动的轨迹为一个近似的圆形，可用圆形代替，其半径约为1/12L。
本发明中，当勒洛三角形电极的尺寸确定，则所加工方孔的尺寸是唯一确定的，不同尺寸的方孔的加工通过更换勒洛三角形凸轮、方形套筒和勒洛三角形电极实现或只更换勒洛三角形电极10实现。
如附图5所示为中勒洛三角形电极10逆时针旋转，每转动45°时电极的位置。勒洛三角形中心绕正方形中心旋转，并且勒洛三角形电极10绕自身中心作自转运动。其扫过的区域为正方形，由于勒洛三角形的三等分性，勒洛三角形自转角速度ω1与其公转角速度ω2之比为ω1:ω2＝3:1，本发明通过勒洛三角形电极10的旋转作用以及工作液的循环作用实现被蚀除的金属的排出。
具体实施方式二：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的一种加工方孔的电火花加工装置的主轴执行机构的区别在于，所述的勒洛三角形凸轮6和勒洛三角形电极10的结构完全相同。
本实施方式，所述的勒洛三角形凸轮6和勒洛三角形电极10的结构完全相同，从而实现勒洛三角形电极10的运动与勒洛三角形凸轮6在方形套筒7中的运动一致，则勒洛三角形电极10底面扫过的区域形状为正方形，并且勒洛三角形电极10底面所扫过的区域方形与方形套筒7内的方孔的大小、形状完全相同。
具体实施方式三：参见图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一或二所述的一种加工方孔的电火花加工装置的主轴执行机构的区别在于，所述的上连接板5、勒洛三角形凸轮6、下连接板8、电极夹头9和勒洛三角形电极10构成一体件。
本实施方式，所述的上连接板5、勒洛三角形凸轮6、下连接板8、电极夹头9和勒洛三角形电极10构成一体件，可使勒洛三角形凸轮6与勒洛三角形电极10同步运动，增强力的传递，保持运动的一致性。
具体实施方式四：参见图1至图3说明本实施方式，采用具体实施方式一所述的一种加工方孔的电火花加工装置的主轴执行机构实现加工方孔的方法，该加工方孔的方法的具体过程为：
步骤一：将加工方孔的电火花加工装置的主轴执行机构安装在电火花机床的Z轴上，将待加工工件20固定在工作液槽14中的工件架上，向工作液槽14中充入工作液；
步骤二：通过伺服控制系统11调节主轴执行机构上的勒洛三角形电极10与待加工工件20间的间隙至初始加工位置；
步骤三：使勒洛三角形电极10和待加工工件20分别与脉冲电源12的两端连接，直流电机2工作，使勒洛三角形电极10进行公转和自转，所述的勒洛三角形电极10以方形套筒7的中心轴线为中心进行公转，同时通过极间电压检测装置13实时的检测待加工工件20与勒洛三角形电极10间的电压，并将检测到的极间电压反馈至伺服控制系统11，伺服控制系统11通过伺服电机21控制主轴执行机构沿电火花机床的Z轴运动，从而控制勒洛三角形电极10与待加工工件20间的间隙，进行加工深度方向上的伺服给进，从而完成方孔的加工。
本实施方式中，加工方孔时，首先将主轴执行机构安装在电火花机床的Z轴上，向工作液槽中加入工作液，将工件定位夹紧，固定于工作液槽中的工件架上。
加工过程中勒洛三角形电极10与待加工工件20发生电蚀作用，蚀除掉一层金属后，通过伺服控制系统中的伺服电机21控制主轴执行机构沿电火花机床的Z轴运动，从而控制勒洛三角形电极10与待加工工件20间的间隙，进行加工深度方向上的伺服给进。
如附图3所示，电火花加工中放电间隙需要维持在一定的距离，距离过大无法发生电蚀作用，间隙过小会发生短路，因此保证放电间隙处于最佳状态对于电火花加工而言十分重要。
参见图2和图3，本发明采用伺服控制系统通过检测工件间电压来反映间隙大小，检测装置可检测到工具电极与工件之间空载、短路、以及工作三种电压状态，被检测到的信号可经信号放大电路输入至伺服控制系统中的驱动装置，驱动装置驱动伺服电机，通过伺服电机的运动带动导轨中的丝杠转动，滑块与丝杠连接，滑块在导轨上做上下运动从而实现放电间隙的调节，极间电压与给定值的比较环节构成伺服控制系统的反馈环节。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四所述的采用一种加工方孔的电火花加工装置的主轴执行机构实现加工方孔的方法的区别在于，所述的步骤三中，勒洛三角形电极10自转和公转运动轨迹的综合，在待加工工件20上扫过区域的形状为正方形，在加工过程中，勒洛三角形电极10的旋转运动搅拌工作液将加工产生的电蚀产物冲洗携带出来。
本发明利用勒洛三角形电极10绕方形套筒7中心轴做公转运动并绕自身中心做自转运动，电极底面扫过方形区域，利用勒洛三角形电极10的底面与工件放电作用，通过伺服控制系统控制垂直方向的进给，实现方孔的加工。
Claims (5)
1.一种加工方孔的电火花加工装置的主轴执行机构，其特征在于，它包括外伸支架(1)、直流电机(2)、直流电机支架(3)、万向联轴器(4)、上连接板(5)、勒洛三角形凸轮(6)、方形套筒(7)、下连接板(8)、电极夹头(9)和勒洛三角形电极(10)；
勒洛三角形凸轮(6)和勒洛三角形电极(10)的径向截面均为勒洛三角形，所述的上连接板(5)、勒洛三角形凸轮(6)、下连接板(8)、电极夹头(9)和勒洛三角形电极(10)从上至下依次同轴设置；
直流电机支架(3)固定在外伸支架(1)上，直流电机(2)固定在直流电机支架(3)上，直流电机(2)的输出轴通过万向联轴器(4)与上连接板(5)固定连接，上连接板(5)和下连接板(8)之间固定设置的勒洛三角形凸轮(6)位于方形套筒(7)内，且勒洛三角形凸轮(6)的三个圆弧面与方形套筒(7)的内壁接触，方形套筒(7)的外侧壁与外伸支架(1)固定连接，
下连接板(8)的下表面固定设置电极夹头(9)，电极夹头(9)用于夹持勒洛三角形电极(10)，
勒洛三角形凸轮(6)带动电极夹头(9)和勒洛三角形电极(10)自转和绕方形套筒(7)的中心轴线公转的运动。
2.根据权利要求1所述的一种加工方孔的电火花加工装置的主轴执行机构，其特征在于，所述的勒洛三角形凸轮(6)和勒洛三角形电极(10)的结构完全相同。
3.根据权利要求1或2所述的一种加工方孔的电火花加工装置的主轴执行机构，其特征在于，所述的上连接板(5)、勒洛三角形凸轮(6)、下连接板(8)、电极夹头(9)和勒洛三角形电极(10)构成一体件。
4.采用权利要求1所述的一种加工方孔的电火花加工装置的主轴执行机构实现加工方孔的方法，其特征在于，该加工方孔的方法的具体过程为：
步骤一：将加工方孔的电火花加工装置的主轴执行机构安装在电火花机床的Z轴上，将待加工工件(20)固定在工作液槽(14)中的工件架上，向工作液槽(14)中充入工作液；
步骤二：通过伺服控制系统(11)调节主轴执行机构上的勒洛三角形电极(10)与待加工工件(20)间的间隙至初始加工位置；
步骤三：使勒洛三角形电极(10)和待加工工件(20)分别与脉冲电源(12)的两端连接，直流电机(2)工作，使勒洛三角形电极(10)进行公转和自转，所述的勒洛三角形电极(10)以方形套筒(7)的中心轴线为中心进行公转，同时通过极间电压检测装置(13)实时的检测待加工工件(20)与勒洛三角形电极(10)间的电压，并将检测到的极间电压反馈至伺服控制系统(11)，伺服控制系统(11)通过伺服电机(21)控制主轴执行机构沿电火花机床的Z轴运动，从而控制勒洛三角形电极(10)与待加工工件(20)间的间隙，进行加工深度方向上的伺服给进，从而完成方孔的加工。
5.根据权利要求4所述的采用一种加工方孔的电火花加工装置的主轴执行机构实现加工方孔的方法，其特征在于，所述的步骤三中，勒洛三角形电极(10)自转和公转运动轨迹的综合，在待加工工件(20)上扫过区域的形状为正方形，在加工过程中，勒洛三角形电极(10)的旋转运动搅拌工作液将加工产生的电蚀产物冲洗携带出来。
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