CN107378156B - 双非接触式旋转超声电火花复合加工系统 - Google Patents

双非接触式旋转超声电火花复合加工系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种双非接触式旋转超声电火花复合加工系统，包括非接触式旋转电火花加工电能导入系统及非接触式旋转超声电能导入系统，非接触式旋转电火花加工电能导入系统采用内外分离式结构，非接触式旋转超声电能导入系统采用上下分离式结构。本发明非接触式电能导入系统消除了由于接触导致的电极振动，提高了电火花加工的精度，与非接触式超声系统的有机集成，有望在提高加工效率和表面完整性方面取得突破，做到高效与高精度的兼顾和平衡，对超声电火花复合加工在微孔领域中的发展具有重大意义。

Description

双非接触式旋转超声电火花复合加工系统
技术领域
本发明属于超声电火花复合加工技术领域，具体涉及一种基于电磁感应原理的双非接触式超声电火花复合加工电能导入系统。
背景技术
微细电火花加工在微小尺寸和难加工材料去除方面具有较大优势，是微小孔加工的重要手段。但是微细电火花加工存在工作液循环困难，排屑困难，容易引起电弧放点，导致加工效率和表面完整性差。这极大地制约了微细电火花加工的应用范围。一些学者针对这一问题，提出了超声电火花复合加工方法，试图改善微小孔的加工效率和表面完整性。利用超声加工的空化作用促进工作液的循环，同时超声加工的微幅振动有利于电火花加工的电能利用，提高火花放电率。可见在微细电火花加工中加入超声加工能够有效提高加工效率和表面完整性。
由于传统的超声和电火花电能传输多采用碳刷、集流环连接等物理接触式的电能传输方式，这种方式存在碳刷、集流环滑动磨损较快、发热量大、导线裸露、转速不宜过高易产生接触火花等问题。同时，使用碳刷、集流环在电极上存在接点和作用力，附加了电极的振动，降低了回转精度，所以目前大部分研究都是在电极不旋转或低转速情况下进行的。
主轴的高速旋转能够使得放电点的分布更加分散，能够有效地避免放电位置在空间和时间上的集中，同时主轴的高速旋转能够进一步加快极间工作液的流动，使得放电屑能够迅速排出，进一步提高微细电火花加工效率。随着转速的增加，相邻放电点之间的距离会增大，放电产生的热量可以迅速的被极间工作液带走从而减缓电极局部表面温度的上升，进一步抑制放电集中和异常拉弧放电的发生，有利于提高脉冲利用率，使得加工速度进一步的提高。
所以，传统的接触式电能导入系统严重限制了主轴的转速和回转精度，目前迫切需要一种新的电能导入方式，即可实现高效供电同时对主轴转速和回转精度没有限制。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种基于电磁感应原理的双非接触式旋转超声电火花复合加工系统，能够解决现有的接触式电能导入系统严重限制了主轴的转速和回转精度，制约着超声电火花复合加工的加工效率和表面完整性提高的问题。
实现本发明目的的技术方案为：
一种基于电磁感应原理的双非接触式旋转超声电火花复合加工系统，主要包括非接触式旋转电火花加工电能导入系统、非接触式旋转超声电能导入系统、工件系统和液体系统组成。所述非接触式旋转电火花加工电能导入系统使得在电极与工件之间产生电位差，实现电火花加工；所述非接触式旋转超声电能导入系统实现工件的微幅激振，提高电火花加工的脉冲利用率和表面质量；所述工件系统由工件、夹具以及工作槽组成；所述液体系统包括工作液循环系统和冷却液循环系统，工作液循环系统具有冷却、消电离等功能，冷却液循环系统用于主轴的冷却。
而且，所述非接触式电火花电能导入系统在主轴静止端部加入主级电火花上电线圈，主级电火花上电线圈连接在电火花脉冲电源上，在旋转刀柄端部加入副级电火花上电线圈，副级电火花上电线圈连接限流电阻和电极上。线圈绕制于罐形磁芯内，感应方式采用内外分离式结构，两线圈有间隙。
而且，所述非接触式超声电能导入系统在主轴静止端部加入上级超声上电线圈，上级超声上电线圈连接在超声电源上，在旋转刀柄端部加入下级超声上电线圈，下级超声上电线圈连接在超声换能器上，换能器与变幅杆连接。线圈绕制于罐形磁芯内，感应方式采用上下分离式结构，两线圈有间隙。
而且，所述在非接触式超声电能导入系统和非接触式电火花电能导入系统之间加入利用高磁导率的铁磁材料做成屏蔽罩以屏蔽磁场之间的相互干扰。
而且，所述非接触式超声电能导入系统用一对超声上电线圈将超声频电信号从主轴固定端传输到旋转工具电极上，使得工具电极做超声振动的同时也随着主轴做高速旋转。
而且，所述非接触式超声电能导入系统和非接触式电火花电能导入系统的信号测量采用示波器，同时对加工结果进行测量，通过两者的对应结果，进行优化参数处理。
而且，所述工件系统的工件通过夹具定位夹紧后完全浸入工作槽内，工件与机床主体固接，感生电动势一端通过旋转刀柄端部与机床本体相连并接地，使得工件电极电位为零，另一端接工具电极，从而产生电势差进行电火花放电加工。
而且，所述工作液循环系统采用煤油做工作液，油泵将工作液导入到工作槽，通过调节阀进行调速，同时定时将工作液回流进工作液箱体，通过内部的过滤装置进行过滤回收循环再使用。
而且，所述冷却液循环系统采用水做冷却液，当主轴转动时，冷却循环开始工作，当检测到温控箱内部回流水温超限时，温控箱开启降温模式，对箱体内的冷却液进行降温处理，从而循环到主轴内部进行主轴冷却。
本发明的有益效果是：
1、本发明采用无线传输的方式将电能转导至工具电极，用此方式可使结构紧凑、刀柄动平衡性好，有利于实现高主轴转速。同时主轴的高速旋转能够进一步加快极间工作液的流动，使得放电屑能够迅速排出，进一步提高微细电火花加工效率。主轴转速的增加，可以抑制放电集中和异常拉弧放电的发生，有利于提高脉冲利用率，使得加工速度进一步的提高。
2、本发明利用高磁导率的镁合金材料做成的超声屏蔽罩和电火花屏蔽罩以屏蔽磁场之间的相互干扰。
3、通过非接触式电能导入系统在电极与工件之间产生电位差，实现电火花加工。由于取消了工具电极上利用电刷直接给电的方式，消除了由于接触导致的电极振动，可以实现主轴的高速转动，提高主轴回转精度，有利于进一步提高电火花加工的精度。同时电极的高速旋转可以促进极间的排屑、增大材料去除率并且电极损耗率和表面粗糙度都有所降低。
4、通过非接触式旋转超声电能导入系统实现工件的微幅激振，从而改善微细电火花加工工作液的循环，使间隙充分消电离；间隙间很大的压力变化导致更有效的放电，这样就能从弧坑中去除更多融化的金属，使热影响层减小，热残余应力降低，微裂纹减小，进而提高电火花加工的脉冲利用率和表面质量。
5、工件系统用于工件的夹持定位以及工件电极的连接，液体系统用于冷却和消电离等功能，两个系统与双非接触式旋转超声电火花系统有机结合，形成双非接触式旋转超声电火花复合加工系统，使得其加工特性优于传统的超声电火花加工系统。
6、本发明不同于目前的电火花加工能量供给方式，通过与非接触式超声系统的有机集成，有望在提高加工效率和表面完整性方面取得突破，做到高效与高精度的兼顾和平衡，对超声电火花复合加工在微孔领域中的发展具有重大意义。
附图说明
图1是本发明非接触式电火花电能导入系统方案一的结构图；
图2是本发明非接触式电火花电能导入系统方案二的结构图；
图3是本发明非接触式电火花电能导入系统的结构及安装示意图；
图4是本发明双非接触式超声电火花电能导入系统结构图；
附图中各部件标记如下：1、介质感应线圈；2、主级电火花上电线圈(方案1)；2-1主级电火花上电线圈磁芯；3、工件电极；4、限流电阻；5、电极；6、副级电火花上电线圈(方案1)；6-1、副级电火花上电线圈磁芯；7、主级电火花上电线圈(方案2)；8、相位调整器；9、副级电火花上电线圈(方案2)；10、主轴；11、主轴标准接口；12、上级超声上电线圈；13、超声屏蔽罩；14下级超声上电线圈；15、副级电火花上电线圈；16、主级电火花上电线圈；17、电火花屏蔽罩；18、旋转刀柄；19、超声变幅杆；20、工具电极；21、工作液；22、工作槽；23、夹具；24、工件；25、工作液出液口；26、工作液回液管；27、工作液箱体回液口；28、工作液过滤装置；29、工作液箱体；30、油泵；31、工作液出液口；32、调节阀；33、工作液出液管；34、工作液进液口；35、温控箱；36、温控箱出液口；37、温控箱回液口；38、温控箱出液管；39、温控箱回液管；40、主轴出液口；41、主轴进液口。
具体实施方式
为使本发明的技术手段、创作特征、工作流程、使用方法、达成目的与功效易于明白了解，下面结合图1～图4，进一步阐述本发明。
该实施方案中方案一采用的是双感应式原理，采用转换的方式是通过松耦合式设计的变压器线圈，其磁芯是设计成异形的铁氧体材料。如图1所示，介质感应线圈(1)固定在主轴(9)静止端部，不随着主轴转动。将介质感应线圈(1)与产生一定频率的脉冲电源连接，在线圈中产生变化的电压和电流，通过电磁感应原理在介质感应线圈(1)中产生一定的电动势和电流，从而将能量从传输端转移到接收端。感应线圈分两部分，一部分为主级电火花上电线圈A(2)固定在主轴静止部分通过串联限流电阻(4)与工件电极(3)相连，并与机床本体一起接地，保证工件端电位为零。一部分为副级电火花上电线圈A(6)固定在旋转刀柄(18)旋转端部，其中正极端连入到电极(5)上，负极端通过旋转刀柄(18)连入到机床本体接地。保证工具电极高电位，此时电极和工件之间产生电位差，当间隙被击穿后实现火花放电。方案二，如图2所示，通过松耦合式设计的变压器线圈，实现能量的转移。方案二的副级电火花上电线圈B(9)作为旋转部分与方案一相同，静止端为主级电火花上电线圈B(7)与脉冲电源相连接通过相位调整器(8)实现与加工脉冲电源相差半个周期的相位，并将工件(3)接地。通过非接触式电能导入系统在电极与工件电极之间产生电位差，实现电火花加工。图3为非接触式电火花电能导入系统的结构及安装示意图。
图4是双非接触式超声电火花电能导入系统结构图。非接触式超声电能导入系统采用上下式结构，上级超声上电线圈(12)固定在静止的主轴(10)端部，下级超声上电线圈(14)固定在旋转刀柄(18)处，通过超声变幅杆(19)使得工具电极(20)做超声振动。非接触式电火花电能导入系统采用内外式结构，外部的主级电火花上电线圈(16)固定在静止的主轴(10)端部，内部的副级电火花上电线圈(15)固定在旋转刀柄(18)处。感生电动势一端通过旋转刀柄(18)接头与机床本体相连后接地，另一端连接到工具电极(20)上。利用高磁导率的镁合金材料做成的超声屏蔽罩(13)和电火花屏蔽罩(17)以屏蔽磁场之间的相互干扰。所述屏蔽罩均为圆筒形，线圈除感应面外全部被屏蔽罩包覆。通过内外级线圈，利用脉冲电源在主级电火花上电线圈(16)中产生变化的电压和电流，利用异性磁芯防止漏磁，通过电磁感应原理，在副级电火花上电线圈(15)产生感生电动势，实现能量从传输端转移到接收端，避免了传统的接触点。将电极连接到高电位处和工件连接到低电位处，保证工具电极(20)与工件(24)之间的电位差，实现电火花加工。在刀柄高速旋转过程中也可以保持高效的电能传输。
在该实施方案中工件系统用于工件(24)的定位夹紧、冷却、加速腐蚀排除等功能，工作槽(22)采用不导电的有机塑料结构，固定在水平定位的工作滑台上，夹具(23)通过3个压板以及螺钉与工作槽(22)固接，夹具(23)上的固定端用于工件(24)的定位，移动端用于工件的夹紧。工作液(21)通过工作液进液口(34)进入工作槽(22)将工件(24)完全浸入，定时通过工作液出液口(31)排出。
在该实施方案中液体系统分为工作液系统和冷却液系统，工作液系统的出液过程是由工作液箱体(29)上的油泵(30)将工作液(21)抽出通过工作液出液口(31)进入工作液出液管(33)内传输从而流入工作槽(22)，通过调节阀(32)调节流速；工作液系统的回液过程是由工作液回液管(26)将工作槽(22)内的工作液(21)导入工作液箱体回液口(27)流入内部过滤装置(28)进行过滤处理，处理后的工作液(21)便可循环使用。冷却液系统的出液过程是由温控箱(35)将冷却液通过温控箱出液口(36)导入温控箱出液管(38)内传输到主轴进液口(41)进入主轴(10)内部；冷却液系统的出液过程是主轴出液口(40)将冷却液回流入温控箱回液管(39)内传输到温控箱回液口(37)进入温控箱(35)内，从而实现冷却液循环冷却工作。
非接触式电火花电能导入系统由于取消了工具电极上利用电刷直接给电的方式，消除了由于接触导致的电极振动，实现主轴的高速转动，提高主轴回转精度，有利于进一步提高电火花加工的精度。同时工具电极的高速旋转可以促进极间的排屑、增大材料去除率并且电极损耗率和表面粗糙度都有所降低。通过非接触式旋转超声电能导入系统实现工件的微幅激振，从而改善微细电火花加工工作液的循环，使间隙充分消电离；间隙间很大的压力变化导致更有效的放电，这样就能从弧坑中去除更多融化的金属，使热影响层减小，热残余应力降低，微裂纹减小，进而提高电火花加工的脉冲利用率和表面质量。不同于目前的电火花加工能量供给方式，通过与非接触式超声系统的有机集成，有望在提高加工效率和表面完整性方面取得突破，做到高效与高精度的兼顾和平衡，对超声电火花复合加工在微孔领域中的发展具有重大意义。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施方案的限制，上述实施方案和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进。

Claims (7)

1.一种双非接触式旋转超声电火花复合加工系统，其特征在于：包括非接触式旋转电火花加工电能导入系统及非接触式旋转超声电能导入系统，非接触式旋转电火花加工电能导入系统采用内外分离式结构，非接触式旋转超声电能导入系统采用上下分离式结构，所述非接触式旋转电火花加工电能导入系统包括主级电火花上电线圈、副级电火花上电线圈，在主轴静止端部安装主级电火花上电线圈，主级电火花上电线圈与电火花脉冲电源连接，在旋转刀柄端部安装副级电火花上电线圈，副级电火花上电线圈依次连接限流电阻及电极，线圈绕制于罐形磁芯内，主、副级电火花上电线圈之间有；所述非接触式旋转超声电能导入系统包括上级超声上电线圈、下级超声上电线圈，在主轴静止端部安装上级超声上电线圈，上级超声上电线圈与超声电源连接，在旋转刀柄端部安装下级超声上电线圈，下级超声上电线圈与超声换能器连接，超声换能器与变幅杆连接，线圈绕制于罐形磁芯内，上、下级超声上电线圈之间有间隙。
2.根据权利要求1所述的双非接触式旋转超声电火花复合加工系统，其特征在于：在非接触式旋转超声电能导入系统和非接触式旋转电火花加工电能导入系统的线圈的外部分别套装镁合金材料的超声屏蔽罩和电火花屏蔽罩。
3.根据权利要求1所述的双非接触式旋转超声电火花复合加工系统，其特征在于：所述主级电火花上电线圈通过相位调整期与电火花脉冲电源连接，实现与加工脉冲电源相差半个周期的相位。
4.根据权利要求1或2所述的双非接触式旋转超声电火花复合加工系统，其特征在于：所述非接触式旋转超声电能导入系统和非接触式旋转电火花加工电能导入系统的信号测量采用示波器，同时对加工结果进行测量，通过两者的对应结果，进行优化参数处理。
5.根据权利要求1或2所述的双非接触式旋转超声电火花复合加工系统，其特征在于：还包括工件系统，工件系统包括夹具，工件通过夹具定位夹紧，完全浸入工作槽内，工件与机床主体固接，感生电动势一端通过旋转刀柄端部与机床本体相连并接地，使工件电极电位为零，另一端接工具电极，产生电势差进行电火花放电加工。
6.根据权利要求1或2所述的双非接触式旋转超声电火花复合加工系统，其特征在于：还包括工作液循环系统。
7.根据权利要求1或2所述的双非接触式旋转超声电火花复合加工系统，其特征在于：还包括冷却液循环系统。
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