CN107931757B - 基于运动电弧的电火花加工装置和电火花加工机床 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于运动电弧的电火花加工装置和电火花加工机床。该电火花加工装置包括：旋转电极单元，包括旋转驱动机构、中空主轴、中空连接轴和管状电极，中空主轴、中空连接轴和管状电极依次连接且内部形成介质通道，旋转驱动机构驱动安装在主轴安装座上的中空主轴；电能输送单元，包括直流电源、保护电阻和导电滑环，导电滑环套在中空主轴外，直流电源的负极与导电滑环连接，正极通过保护电阻与工件连接；冲液单元，通过旋转接头与中空主轴连通；主轴冷却单元，与主轴安装座内的冷却腔连通。本发明可应用到电火花加工技术领域，其可在管状电极与工件之间形成高速运动的稳定电弧，该运动电弧可以对工件实现高效率的蚀除。

Description

基于运动电弧的电火花加工装置和电火花加工机床

技术领域

本发明涉及电火花加工技术领域，特别是一种基于运动电弧的电火花加工装置和包括该电火花加工装置的电火花加工机床。

背景技术

电火花加工技术，是指在介质中，利用两极(工具电极和工件电极)之间脉冲性火花放电时的电腐蚀现象对材料进行加工，使零件的尺寸、形状和表面质量达到预定要求的加工方法。电火花加工技术发展至今，虽然已有半个多世纪的历史，并成功演化出多种应用形式。尽管它们在应用场合上千差万别，但从材料去除方式上看，它们均采用脉冲放电方式。这是因为，根据传统电火花加工原理，一个完整的放电周期由放电击穿延时、材料熔化及热膨胀、材料抛出、工作液消电离四个阶段组成。它们在时间上有序排列，互不重叠，而又缺一不可；被加工材料的去除过程主要发生在材料熔化及热膨胀、材料抛出两个阶段，而其余两个阶段未发生材料去除。为提高加工速度，理论上希望尽可能地缩短未发生材料去除阶段的时间，但这往往又受到加工稳定性的限制，这是因为在传统电火花加工里，工作液的消电离阶段应足够长，否则将会因工作液消电离不充分而发生集中放电烧伤工件表面，从而影响表面质量和加工稳定性。正因如此，传统电火花加工主要表现为逐点、间歇性的材料去除特征，即使脉冲电源放电频率很高，已经达到上万赫兹，其加工速度与机械切削加工相比仍有极大的差距。为此，国内外学者基于脉冲电源、加工过程控制、复合辅助加工、工作介质等进行了大量的研究，这些工作对电火花加工速度的提高都具有十分积极的意义。尽管如此，所有这些尝试都是以脉冲电源为基础的，他们并没有改变电火花加工逐点、间歇性这种低效的材料去除方式，因而他们只能在一定程度上缓解电火花加工效率低下的状况。为了解决加工效率低和加工间断等问题，近年来国内外学者逐渐开始对具有更大能量输出和加工效率的电弧加工方法展开研究并取得了一系列积极成果，尤其是短电弧、动电弧的研究都推动了电弧加工的不断进步与成熟。基于运动电弧的电火花加工加工属于普通电火花加工技术的延伸，其典型特点就是加工效率比普通电火花加工更高。

基于运动电弧的电火花加工技术核心是产生运动电弧的电火花加工装置，该装置的主要作用就是产生稳定的运动电弧，从而保证加工过程的稳定。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于运动电弧的电火花加工装置，其可以产生稳定的运动电弧、提高材料的去除效率。

本发明还提供了一种电火花加工机床。

为了达到本发明的目的，本发明的实施例提供了一种基于运动电弧的电火花加工装置，包括：旋转电极单元、电能输送单元、冲液单元和主轴冷却单元，其中：

所述旋转电极单元包括旋转驱动机构、中空主轴、中空连接轴和管状电极，所述中空主轴、所述中空连接轴和所述管状电极依次连接并且内部形成介质通道，所述中空主轴安装在主轴安装座上，所述旋转驱动机构驱动所述中空主轴旋转；

所述电能输送单元包括直流电源、保护电阻和导电滑环，所述导电滑环套设在所述中空主轴外，所述直流电源的正极与所述保护电阻连接，所述保护电阻设置成通过导线与工件连接，所述直流电源的负极与所述导电滑环连接；

所述冲液单元包括旋转接头、冲液管路和冲液泵，所述旋转接头与所述中空主轴连接，且所述旋转结构内部中空并与所述中空主轴连通，所述冲液泵通过所述冲液管路与所述旋转结构连接；

所述主轴冷却单元包括冷却泵和冷却管路，所述主轴安装座内设有冷却腔，所述冷却泵通过所述冷却管路与所述冷却腔连通。

本实施例提供的电火花加工装置，其旋转驱动机构驱动中空主轴旋转，并通过中空连接轴带动管状电极转动；转动的中空主轴通过旋转接头与冲液管路连接，这样在冲液泵的动力驱动下，冲液介质(如离子水或者乳化液等)可依次通过冲液管路、旋转接头、中空主轴、中空连接轴，最终从管状电极流出，流入到管状电极和工件之间的区域中，此外当冲液介质流经中空主轴时可对中空主轴进行冷却降温；导电滑环套设在中空主轴上，并可将电流传递到中空主轴，进而通过中空连接轴传递至管状电极，使管状电极带电，这样管状电极和工件可带上不同电荷，进而可在管状电极和工件之间产生火花放电，利用电腐蚀对工件进行加工；主轴安装座内设有冷却腔，冷却液可在冷却泵的驱动下通过冷却管路后流动到冷却腔内，对中空主轴进行冷却降温，通过冷却液和冲液介质同时对中空主轴进行冷却，使得冷却效果好。

本实施例中，从管状电极内部进行冲液比普通的外部冲液具有更好的排屑效果，同时可以保证放电间隙中介质更短时间内更充分的消电离，防止发生集中放电烧伤工件表面，该内部冲液结构可与直流电源配合，使电火花加工装置能够产生持续稳定的运动电弧，大幅度提高被工件的蚀除效率，提高加工效率。

可选地，所述旋转驱动机构包括带传动机构和电机，所述主轴安装座和所述电机均安装在安装板上，所述主轴安装座和所述电机位于所述安装板的一侧，所述带传动机构位于所述安装板的另一侧。

安装板的设置，为旋转电极单元提供安装的基板，便于旋转电极单元的固定。

可选地，所述安装板上固定有连接杆，所述连接杆设置成可与电火花加工机床连接。

利用连接杆可实现电火花加工装置与机床的连接，使组装后的电火花加工装置可以直接安装在电火花加工机床上进行电火花加工，这样，电火花加工装置可设置成独立的模块化设计单元，具有较好的适用性，便于与各种型号的电火花加工机床组装使用。

可选地，所述安装板水平设置，所述中空主轴、所述中空连接轴、所述管状电极、所述电机和所述连接杆均竖直设置，所述连接杆设置成可与所述电火花加工机床的Z轴固定。

可选地，所述连接杆的上端设有凸缘，所述凸缘上设置有固定孔，所述凸缘设置成与所述电火花加工机床的Z轴上的连接块通过螺栓固定连接。

连接杆上的凸缘通过螺栓与机床Z轴上的连接块固定，使得固定操作简单，且固定牢固，电火花加工装置与电火花加工机床的装配操作简便，更提升了电火花加工装置的适用性。

可选地，所述主轴安装座固定在所述安装板的一端，所述电机安装在所述安装板的另一端，所述连接杆固定在所述安装板的中部。

主轴安装座和电机分别安装在安装板的两端，由于电机通过带传动机构传输动力，使得主轴安装座和电机之间具有一定距离，这样可充分利用主轴安装座和电机之间的空间，将连接杆固定在安装板的中部，并且位于主轴安装座和电机之间，使得主轴安装座、电机和连接杆布局合理，电火花加工装置整体结构紧凑，体积小。

可选地，所述安装板的靠近所述中空主轴的一端固定有安装侧板，所述导电滑环通过导电滑环安装座固定至所述安装侧板。

导电滑环具有旋转部和固定部，其中旋转部套在中空主轴上并通过螺钉紧固在中空主轴上，安装侧板用于固定导电滑环的固定部，其通过导电滑环安装座固定该固定部；安装侧板固定在安装板上且设置在靠近中空主轴的一侧，进而使得安装侧板与导电滑环的距离较近，使得电火花加工装置整体结构紧凑，体积小。

可选地，所述中空连接轴与所述中空主轴螺接，所述管状电极与所述中空连接轴螺接。

螺接操作简单，且连接牢固，使得中空主轴、中空连接轴和管状电极能够牢固连接，以便通过旋转驱动机构驱动中空主轴高速转动后，能够带动中空连接轴和管状电极高速转动，进而产生稳定的电弧进行材料去除；此外，螺接能够产生密封效果，使得中空主轴、中空连接轴和管状电极的连接处密封，这样当介质流过内部的介质通道时不会在连接处发生泄漏。

可选地，所述管状电极采用紫铜或石墨材料，所述管状电极的壁厚范围为0.5mm-2mm。

本发明的实施例还提供了一种电火花加工机床，包括机床主体和电火花加工装置，其中，所述电火花加工装置为本文上述的基于运动电弧的电火花加工装置。

本实施例提供的电火花加工机床包括上述的基于运动电弧的电火花加工装置，因此具有上述基于运动电弧的电火花加工装置的全部有益效果。

本发明和现有技术相比，具有如下有益效果：

本发明的实施例提供的基于运动电弧的电火花加工装置，可设置成独立的模块化设计单元，组装后的电火花加工装置可以直接安装在机床上进行电火花加工，使电火花加工装置有较好的适用性；该电火花加工装置实现了在中空主轴上输送冲液介质和传输电能的耦合；从管状电极内部冲液比普通的外部冲液具有更好的排屑效果，同时可以保证放电间隙中冲液介质更短时间内更充分的消电离；导电滑环的应用相对于普通石墨电刷可以降低中空主轴的温度，限制中空主轴的温升。该电火花加工装置产生的运动电弧持续稳定，可以大幅度提高被加工材料的蚀除效率。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。

图1是根据本发明的实施例的基于运动电弧的电火花加工装置的结构示意图；

图2为图1所示的基于运动电弧的电火花加工装置的剖视结构示意图；

图3为图1所示的基于运动电弧的电火花加工装置加工工件时的结构示意图。

其中，图1-图3中附图标记与部件名称之间的关系为：

1-旋转接头、2-中空主轴、3-轴承、4-主轴安装座盖板、5-轴承挡圈、6-轴承、7-主轴安装座、8-密封圈、9-主轴安装座底座、10-安装板、11-安装侧板、12-导电滑环、13-导电滑环安装座、14-中空连接轴、15-管状电极、16-导电滑环安装座盖板、17-带轮、18-皮带、19-电机、20-连接杆、22-直流电源、23-保护电阻、24-工件、25-冲液管路、26-冲液泵、27-冷却管路、28-冷却泵。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

本发明的实施例提供了一种基于运动电弧的电火花加工装置，如图1-图3所示，其中图1是基于运动电弧的电火花加工装置的结构示意图，图2为基于运动电弧的电火花加工装置的剖视结构示意图，图3为基于运动电弧的电火花加工装置加工工件时的结构示意图。

该基于运动电弧的电火花加工装置主要包括旋转电极单元、电能输送单元、冲液单元和主轴冷却单元。

旋转电极单元主要包括中空主轴2、轴承3和6、主轴安装座7、安装板10、中空连接轴14、管状电极15、带轮17、皮带18、电机19等；

电能输送单元主要包括直流电源22、保护电阻23和导电滑环12等；

冲液单元主要包括旋转接头1、冲液管路25和冲液泵26等；

主轴冷却单元主要包括冷却泵28和冷却管路27等。

旋转电极单元中，轴承3和6安装在中空主轴2上，并一同被安装在主轴安装座7中，并用轴承挡圈5进行紧固。具体地，主轴安装座7上开设有上下贯通的安装腔，中空主轴2通过轴承3和6安装在该安装腔内，且该安装腔上下两端的开口处分别固定有主轴安装座盖板4和主轴安装座基座9，且主轴安装座盖板4和主轴安装座基座9上均设有通孔，以便中空主轴的上下两端分别通过该通孔实现与中空连接轴和旋转接头连接。

两个带轮17中一个安装在中空主轴2上，另一个安装在电机19上，两个带轮17和皮带18一同组成带传动结构；其中，主轴安装座7和电机19都(如通过螺钉)固定连接到安装板10上，且位于安装板10的上侧，带传动结构位于安装板10的下侧。

中空主轴2的下端与中空连接轴14的上端螺接，中空连接轴14的下端与管状电极15的上端螺接。

电能输送单元中：导电滑环12套在中空主轴2上，其中导电滑环12包括旋转部和固定部，旋转部通过螺钉紧固在中空主轴2上，固定部通过导电滑环安装座13和导电滑环安装座盖板16固定连接到设置在安装板10一侧的安装侧板11上。

直流电源22的正极通过保护电阻23与工件24连接，直流电源22的负极与导电滑环12连接，并通过导电滑环12将电流传递到中空主轴2上，电流然后通过中空连接轴14传递至管状电极15，使管状电极15带电。

冲液单元中：冲液泵26与冲液管路25的一端连接，冲液管路25的一端通过旋转接头1实现与中空主轴2连接。

冲液泵26工作时，将冲液介质(如离子水或者乳化液等)通过冲液管路25输送到旋转接头1，该冲液介质依次通过中空主轴2、中空连接轴14和管状电极15，最终到达管状电极15与工件24之间的放电间隙。

主轴冷却单元中，冷却泵28与冷却管路27连接，主轴安装座7中设有冷却腔，冷却腔有两个接口，分别为进口和出口，冷却管路27与冷却腔的进口连接。

冷却泵28通过冷却管路27将冷却液(如冷却水)输送到主轴安装座7中的冷却腔，对中空主轴2进行冷却，然后冷却液从出口流出冷却腔，实现了冷却液的循环，起到对中空主轴2的冷却作用。

在本实施方式中，电火花加工装置的装配过程如下：

首先，可将两个较大尺寸轴承6依次安装到中空主轴2上，并用轴承挡圈5进行紧固；之后，将轴承3安装到中空主轴2的上端；将上述已经安装好的零部件一同安装到主轴安装座7中，将密封圈8放入安装座7中的槽中，用螺钉将主轴安装座底座9与主轴安装座7紧固；将主轴安装座盖板4安装到主轴安装座7上部，并用螺钉紧固，上述安装好的部分被称为主轴单元。

然后，可将上述主轴单元用螺钉整体固定到安装板10上，将带轮17和皮带18安装到中空主轴2和电机19上，张紧皮带18，并将电机19固定到安装板10上；将安装侧板11用螺钉安装到安装板10上；将导电滑环12套在中空主轴2上，并用螺钉将导电滑环12的旋转部与中空主轴2紧固，使导电滑环12的旋转部和中空主轴2保持同步转动；借助导电滑环安装座13和导电滑环安装座盖板16将导电滑环12的固定部固定至到安装侧板11，以保证导电滑环12的位置精度；将中空连接轴14与中空主轴2连接螺接，管状电极15与中空连接轴14螺接。

其次，可将直流电源22的正极用导线经过保护电阻23连接到被加工的工件24上，将直流电源22的负极直接与导电滑环12的能量输入口相连。

最后，可将冷却管路27与主轴安装座7的冷却腔的进口连接，冷却泵28与冷却管路27连接；

将旋转接头1与中空主轴的上端连接，将冲液管路25与旋转接头1连接，将冲液泵2与冲液管路25连接。

进一步，电火花加工装置还可包括固定在安装板上的连接杆20，该连接杆20可与电火花加工机床的Z轴固定连接。

其中，连接杆20竖直设置，其下端通过螺钉固定到水平设置的安装板10上，且连接杆20固定在安装板10的中部，并且位于主轴安装座7和电机19之间，使整体结构紧凑；连接杆20的上端设有凸缘，凸缘上设置有固定孔，通过螺栓将连接杆20的凸缘与所述电火花加工机床的Z轴上的连接块固定连接。

将该电火花加工装置装配至电火花机床的Z轴上后，进行工件加工时，可首先开启电机19以实现中空主轴7和管状电极15的转动；开启冲液泵26，使冲液介质(去离子水或者乳化液等)依次通过冲液管路25、旋转接头1、中空主轴2、中空连接轴14、管状电极15并最终进入放电间隙；开启冷却泵28，以实现主轴安装座7的冷却腔内的冷却液的循环；接通直流电源22，通过伺服控制，调节安装电火花加工装置的Z轴位置，当旋转的管状电极15与工件24足够接近，冲液介质被击穿，就可以产生运动电弧，该运动电弧可以对工件的材料实现连续的蚀除。

尽管已参照本发明的示例性实施例说明了本发明，但应当理解，本发明不限于上述的实施例或构造。此外，尽管以各种示例性的组合和构型示出了所公开发明的各种要素，但包括更多、更少或仅单个要素的其它组合和构型也在所附权利要求的范围内。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定为准。

Claims (8)

1.一种基于运动电弧的电火花加工装置，其特征在于，包括：旋转电极单元、电能输送单元、冲液单元和主轴冷却单元，其中：

所述旋转电极单元包括旋转驱动机构、中空主轴、中空连接轴和管状电极，所述中空主轴、所述中空连接轴和所述管状电极依次连接并且内部形成介质通道，所述中空主轴安装在主轴安装座上，所述旋转驱动机构驱动所述中空主轴旋转，且所述旋转驱动机构包括带传动机构和电机，所述主轴安装座和所述电机均安装在安装板上，所述主轴安装座和所述电机位于所述安装板的一侧，所述带传动机构位于所述安装板的另一侧，所述安装板上固定有连接杆，所述连接杆设置成与电火花加工机床连接；

所述电能输送单元包括直流电源、保护电阻和导电滑环，所述导电滑环套设在所述中空主轴外，所述直流电源的正极与所述保护电阻连接，所述保护电阻设置成通过导线与工件连接，所述直流电源的负极与所述导电滑环连接；

所述冲液单元包括旋转接头、冲液管路和冲液泵，所述旋转接头与所述中空主轴连接，且所述旋转接头内部中空并与所述中空主轴连通，所述冲液泵通过所述冲液管路与所述旋转接头连接；

所述主轴冷却单元包括冷却泵和冷却管路，所述主轴安装座内设有冷却腔，所述冷却泵通过所述冷却管路与所述冷却腔连通。

2.如权利要求1所述的基于运动电弧的电火花加工装置，其特征在于，所述安装板水平设置，所述中空主轴、所述中空连接轴、所述管状电极、所述电机和所述连接杆均竖直设置，所述连接杆设置成与所述电火花加工机床的Z轴固定。

3.如权利要求2所述的基于运动电弧的电火花加工装置，其特征在于，所述连接杆的上端设有凸缘，所述凸缘上设置有固定孔，所述凸缘设置成与所述电火花加工机床的Z轴上的连接块通过螺栓固定连接。

4.如权利要求2所述的基于运动电弧的电火花加工装置，其特征在于，所述主轴安装座固定在所述安装板的一端，所述电机安装在所述安装板的另一端，所述连接杆固定在所述安装板的中部。

5.如权利要求1-4中任一项所述的基于运动电弧的电火花加工装置，其特征在于，所述安装板的靠近所述中空主轴的一端固定有安装侧板，所述导电滑环通过导电滑环安装座连接至所述安装侧板。

6.如权利要求1-4中任一项所述的基于运动电弧的电火花加工装置，其特征在于，所述中空连接轴与所述中空主轴螺接，所述管状电极与所述中空连接轴螺接。

7.如权利要求1-4中任一项所述的基于运动电弧的电火花加工装置，其特征在于，所述管状电极采用紫铜或石墨材料，所述管状电极的壁厚范围为0.5mm-2mm。

8.一种电火花加工机床，包括机床主体和电火花加工装置，其特征在于，所述电火花加工装置为权利要求1-7中任一项所述的基于运动电弧的电火花加工装置。