CN108581107A - 一种微细电火花混粉加工微孔的方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种微细电火花混粉加工微孔的方法及其装置，属于机械加工及工具技术领域。此方法以混有一定浓度磨粒的混粉工作液作为加工介质，通过柱塞泵将混粉工作液经过管电极送入电火花加工区域。加工前，将工件、管电极与脉冲发生器的对应极性相连接，配置一定浓度的混粉工作液倒入工作液容器中，开启柱塞泵并调节管路压力至一定值，调整管电极与工件之间的相对距离。本发明提出了一种微细电火花混粉加工微孔的方法及其装置，可在相同的加工条件下，获得比未添加粉末的工作液更低的电极损耗量和更小的穿孔加工时间，同时孔壁质量更好。
Description
技术领域
本发明涉及一种微细电火花混粉加工微孔的方法及其装置，属于机械加工及工具技术领域。
背景技术
微细电火花可以加工任意导电材料，而不考虑工件材料的物理性能，并且加工设备低廉，加工孔尺寸精度高，圆度好，具有较高的经济性。目前微细电火花在深孔加工方面取得较好的成果，1989年Masuzawa等在卧式电火花机床上采用去离子水代替煤油作为工作液，在SK5工件上加工出直径约50μm，深径比达10的微孔(Masuzawa T,Tsukamoto J,FujinoM.Drilling of Deep Microholes by EDM[J].CIRP Annals-Manufacturing Technology,1989,38(1):195-198.)。微细电火花深孔加工时，孔底加工间隙非常小，通常只有几微米至十几微米。在狭小的区域内，工作液介质阻力较大，加工产生的气泡和加工屑无法及时排出，大量堆积在放电间隙内导致短路等非正常放电现象频繁发生，同时造成电极损耗异常，降低加工精度。针对微细电火花深孔加工中排屑困难的问题，业内提出一种高速电火花加工工艺。工作液通过增压后从管状电极内部以一定压力进入加工间隙，强迫孔底电蚀产物排出，改善放电环境，提高加工效率。由于高速电火花加工的电流密度较高，因此电极损耗率远超普通电火花加工的电极损耗率，可达数十至数百倍之多。同时，由于放电能量较大，高速电火花穿孔加工的孔壁质量较差，使用场景受限。
针对微细电火花深小孔加工中排屑困难，以及电极损耗率较高，孔壁质量较差的情况，创新性提出管电极内冲液混粉加工微孔的方法，并针对该方法研发设计相应加工装置。其工作原理：将工作液中混入一定浓度的磨粒，通过高压泵将混合工作液经不锈钢管电极送入加工区域，形成加工介质，强迫排屑。同时，工作液中的磨粒具有一定速度，与加工孔壁表面产生作用，以改善孔壁质量。该种加工方法工艺简单，安全环保，能够提高穿孔加工效率，大幅降低电极损耗率，改善孔壁质量。关于这方面的研究，至今未见报道。
发明内容
本发明旨在提出一种提高穿孔效率，改善孔壁质量的微细电火花孔加工方法，该方法设备简单、成本低廉、对环境没有损害，是一种可持续制造方法。一种微细电火花混粉加工微孔的方法，通过旋转主轴将混粉工作液经过管电极送入电火花加工间隙，提高深孔加工能力，同时工作液中的粉末颗粒与孔壁作用，减小电极损耗，改善孔壁质量。
本发明还提供一种进行上述微细电火花混粉加工微孔的装置，该装置结构简单、成本低廉、操作方便，使用安全可靠。
本发明的技术方案：
一种微细电火花混粉加工微孔的装置，包括电火花机床、旋转主轴和工作液管路；
所述旋转主轴包括锁紧帽12-1、橡胶压紧锥12-2、下端盖12-3、密封圈12-4、散热器12-5、旋转轴12-6、组合密封12-7、双列角接触球轴承12-8、绝缘垫12-9、固定座12-10、绝缘套12-11、密封塞12-12、轴承定位套12-13、上端盖12-14、外壳体12-15、管电极6和电机11；
旋转轴12-6与外壳体12-15间隙配合，上下通过一对双列角接触球轴承12-8支承，实现旋转轴12-6较高的转速，同时能够较好地限制旋转轴12-6与外壳体12-15的轴向位移，避免因高速转动导致旋转轴12-6轴向滑移影响电火花加工间隙；外壳体12-15的内壁有四个截面为矩形的圆环槽，圆环槽中安装组合密封12-7；所述组合密封12-7由一个填充PTFE材料的齿形滑环和一个O型圈组成，最高允许液体压强为70MPa，最高转速为1364rpm；旋转轴12-6是一根中空轴，上下两端皆需要密封，上端采用带有管螺纹的密封塞12-12与旋转轴12-6内孔配合，下端通过锁紧帽12-1与旋转轴12-6外螺纹配合将橡胶压紧锥12-2紧压在旋转轴12-6上完成密封；外壳体12-15上端与上端盖12-14通过螺栓连接，上端盖12-14与固定座12-10通过螺栓连接；固定座12-10与绝缘垫12-9连接，并将整个旋转主轴12与悬架10刚性连接，由于电火花加工过程中旋转主轴带电，因此绝缘垫12-9的材质是PTFE；旋转轴12-6上端套有绝缘套12-11，通过联轴器与电机11弹性连接；因此，旋转主轴12中的下端盖12-4、外壳体12-15、上端盖12-14、固定座12-10、绝缘垫12-9相互刚性连接，并最终与悬架10刚性连接保持固定；所述旋转主轴12和悬架10与Z运动主轴连接，并最终与大理石台座9刚性连接；旋转轴12-6在电机11的驱动下由一对双列角接触球轴承12-8支承完成回转运动；由于安装组合密封12-7，旋转轴12-6在转动时与外壳体12-15之间的摩擦阻力较大，致使旋转一定时间旋转主轴12发热严重，因此，在外壳体12-15外壁上安装散热器12-5；散热器12-5由紫铜管制成，缠绕在外壳体12-15外壁上，同时散热器12-5与外壳体12-15之间涂有硅脂以增加热传导能力，通过潜水泵形成水冷回路实现散热；
将粉末与自来水按照一定比例配比倒入工作液容器17，通过搅拌器16和超声振动器18使工作液中的粉末颗粒始终处于悬浮状态；柱塞泵15将工作液经溢流阀14输送进入旋转主轴12，该过程可通过压力表13检测工作液压强；旋转轴12-6中部有一截面为矩形的圆环槽，环槽上有一个沿直径方向的通孔，该通孔与旋转轴12-6内部通孔连接贯通；工作液进入旋转主轴12，经过旋转轴12-6外壁的圆环槽进入圆环槽上的通孔，从而进入旋转轴12-6内部通孔；橡胶压紧锥12-2回转中心有一通孔，将管电极5插入该通孔使橡胶压紧锥12-2两端皆有管电极露出；由于旋转轴12-6内部通孔上端已被密封塞12-12密封，下端由被紧压的橡胶压紧锥12-2密封，工作液仅能通过插在橡胶压紧锥12-2上的管电极5流出；
导向器7采用硬质合金制成，具有较好的耐磨性，并与导向器悬架6连接，并最终与大理石台座9刚性连接。
一种微细电火花混粉加工微孔的方法，利用微细电火花混粉加工微孔装置将混粉工作液经过管电极送入电火花加工区域；加工前，将管电极接脉冲发生器的负极，工件接脉冲发生器的正极；将一定浓度的混粉工作液倒入工作液容器中搅拌振动均匀，工作液通过柱塞泵加压从管电极口流出；加工时，通过控制计算机将运动指令发送至机床运动平台，并根据加工反馈信号及时调整进给速度等；加工完成后关闭柱塞泵，清理工作液回路中的工作液，关闭电火花加工机床。
本发明的有益效果：本发明中所用混粉为自来水中混入一定浓度金刚石粉末，通过高压泵将混粉工作液经过管电极送入电火花加工区域，工作液中的金刚石粉末由于镀覆现象粘着在电极壁上减缓补偿了电极损耗，降低了加工区域蚀除颗粒浓度，降低短路率，提高了加工效率和孔出入口尺寸精度。同时，金刚石粉末在放电高温下部分转化为含碳颗粒分散在工作液中，降低工作液绝缘强度，从而增大放电间隙，减小单个放电凹坑放电能量，最终导致加工孔壁粗糙度改善，入口重熔层厚度减小。同时，工作液中的粉末以一定速度在加工区域对已加工孔壁进行刮削，改善孔壁质量。因此，本发明可在相同的加工能量下，获得更高的材料去除率和较小的电极损耗率，且尺寸精度较高，孔壁质量较好。
附图说明
图1是本发明实施例中所用设备结构组成及连接示意图。
图2是实施例中所用旋转主轴装配图及与工作液回路连接示意图。
图3是实施例中在自来水中分别添加不同粒径金刚石粒径和未添加金刚石粉末电火花穿孔加工的电极损耗长度对比图。
图4是实施例中在自来水中分别添加不同粒径金刚石粒径和未添加金刚石粉末电火花穿孔加工的穿孔加工时间对比图。
图中：1X 运动主轴；2Y 运动主轴；3 升降台；4 加工槽；5 管电极；6 导向器悬架；7 导向器；8Z 运动主轴；9 大理石台座；10 悬架；11 电极；12 旋转主轴；12-1 锁紧帽；12-2 橡胶压紧锥；12-3 下端盖；12-4 密封圈；12-5 散热器；12-6 旋转轴；12-7 组合密封；12-8 双列角接触球轴承；12-9 绝缘垫；12-10 固定座；12-11 绝缘套；12-12 密封塞；12-13 轴承定位套；12-14 上端；12-15 外壳体；13 压力表；14 溢流阀；15 柱塞泵；16 搅拌器；17 工作液容器；18 超声振动器；19 脉冲发生器；20 极间状态检测装置；21A/D 转换卡；22 控制计算机。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
本发明涉及一种微细电火花混粉加工微孔的方法及其装置，所用的设备为电火花机床、旋转主轴和工作液管路。电火花机床包括：X运动主轴1、Y运动主轴2、升降台3、加工槽4、导向器悬架6、导向器7、Z运动主轴8、大理石台座9、悬架10、脉冲发生器19、极间状态检测装置20、A/D转换卡21、控制计算机22。
旋转主轴包括：锁紧帽12-1、橡胶压紧锥12-2、下端盖12-3、密封圈12-4、散热器12-5、旋转轴12-6、组合密封12-7、双列角接触球轴承12-8、绝缘垫12-9、固定座12-10、绝缘套12-11、密封塞12-12、轴承定位套12-13、上端盖12-14、外壳体12-15、管电极6、电机11。
工作液管路包括：压力表13、溢流阀14、柱塞泵15、搅拌器16、工作液容器17、超声振动器18。
进行微细电火花加工前，按照附图将所述设备分别连接：
按照附图2对旋转主轴12进行组装。外壳体12-15的内壁上有四个截面为矩形的圆环槽，用以安装组合密封12-7，同时圆环槽中可以储存一定量润滑油，由于组合密封12-7与旋转轴12-6和外壳体12-15配合较紧，致使旋转轴12-6转动时阻力较大，润滑油可以减小组合密封12-7相对滑动时的摩擦阻力，提高使用寿命；安装时，先将四个组合密封12-7通过工具压入外壳体12-15圆环槽中，再将旋转轴12-6由下至上压入外壳体12-15中，压入前应先在旋转轴12-6壁面和外壳体12-15内壁涂抹润滑油，压入过程中将外壳体12-15水平放置，并用夹具固定，压入过程直至旋转轴12-6中部矩形截面圆环槽到达外壳体12-15中部进液口；通过专用工具将一对双列角接触球轴承12-8装入旋转轴12-6上，安装下端盖12-3，完成下端轴承定位；旋转轴12-6上部轴壁上有螺纹，通过专用工具将轴承定位套拧在旋转轴12-6上并与轴肩共同完成对上端轴承的定位；至此，旋转轴12-6与外壳体12-15的相对位置已固定；安装上端盖12-14、固定座12-10和绝缘垫12-9；由于旋转阻力较大，旋转主轴12的发热较为严重，这将影响密组合密封12-7和密封圈12-4的使用寿命，降低密封效果，同时也容易烫伤实验操作者；散热器12-5由材质较软的紫铜制成，紫铜管规格为外径6mm，内径4mm，有效散热容积为16327.5mm3，其弯折成与外壳体12-15外壁相同尺寸螺旋形状，并在散热器12-5与外壳体12-15之间的缝隙中涂抹硅脂，以增大散热效果，采用30W潜水泵下进上出的方式散热；将已完成组装部分安装固定在悬架10上，同时安装绝缘套12-11、联轴器和电机11；
旋转主轴12一旦组装完成，除非维修或者改造，一般不需要再拆卸，再装配，只需要一次装配，以后直接使用即可。
将导向器7竖直，将管电极5插入导向器中，同时管电极5上端依次插入锁紧帽12-1、橡胶压紧锥12-2，将上述导向器7、管电极5、锁紧帽12-1和橡胶压紧锥12-2同时拿起，并先将导向器7安装在导向器悬架6上，再将橡胶压紧锥12-2装入旋转轴12-6，并用锁紧帽12-1锁紧；通过控制计算机22控制Z运动主轴8向上运动以使管电极5下端仅伸出导向器7下端面0.1mm；安装工件，同时调整升降台3使得工件待加工表面与管电极5下端距离约0.2mm，锁死升降台3。
按照一定浓度配置混粉工作液并倒入工作液容器17，打开搅拌器16和超声振动器18，以保证工作液容器17中的粉末在加工过程中处于悬浮状态，不出现沉降、凝聚等现象；打开柱塞泵15，旋拧溢流阀14调整供液压力至1～4MPa，通过压力表13检测；
加工时，工件和管电极5分别与脉冲发生器19的正负极相连，调节脉冲发生器参数，旋转轴12-6带动管电极5旋转，混粉工作液通过管电极5流入加工区域；开启控制计算机22将运动指令传递给Z运动主轴8，同时极间状态检测装置20会将检测到的放电信号经A/D转换卡21传递给控制计算机22，控制计算机22则根据放电信号及时调整运动指令，以保证放电加工稳定进行。
加工完成后，依次关闭脉冲发生器19、柱塞泵15、电机11；同时下调升降台3，拆卸工作液管路与旋转主轴12的连接处，清理工作液回路和旋转主轴中的残余工作液；关闭控制计算机22。
实施例
将结合微细电火花混粉微孔加工实验的实例，说明本发明对加工效率和电极损耗的影响。首先将实验设备按照图1、图2所示安装连接。本实施例中管电极5的材料为不锈钢，工件的材料为H62黄铜，工件和管电极5分别连接脉冲发生器19的正负极。脉冲发生器19设置本次电火花加工实验的加工能量，其中开路电压100V、脉冲宽度0.25μs、脉冲周期10μs、峰值电流20A。混粉工作液为自来水与金刚石粉末的混合液，混粉工作液浓度为10g/L，所用金刚石粉末粒径有1、2.5、5、7、10μm。工作液压强1.5MPa，旋转轴12-6转速为304rpm。
图3为在所述加工能量条件下，工作液中添加不同金刚石粒径，穿孔加工电极损耗长度对比。从图3可以看出工作液中添加金刚石粉末后，电极损耗长度相比于未添加金刚石粉末明显减少；随着工作液中添加的金刚石粒径的增大，电极损耗长度逐渐减小。工作液中添加粒径为10μm金刚石的电极损耗长度相比于未添加粉末，减少了76.7％，电极损耗降低非常明显。
图4为在所述加工能量条件下，工作液中添加不同金刚石粒径，穿孔加工时间对比。从图4可以看出工作液中添加金刚石粉末后，穿孔加工时间缩短；当添加5μm粒径金刚石，穿孔加工时间相比于未添加粉末缩短了22.5％。
因此，使用微细电火花混粉加工微孔的方法可以获得更小的电极损耗量和穿孔加工时间。
申请人声明，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以作出其他不同形式的变化或变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同特换和改进等，均应包含在本发明权利要求的范围之内。
Claims (4)
1.一种微细电火花混粉加工微孔的装置，其特征在于，在电火花加工机床基础上，改进旋转主轴(12)以及增设工作液管路；
所述旋转主轴(12)包括锁紧帽(12-1)、橡胶压紧锥(12-2)、下端盖(12-3)、密封圈(12-4)、散热器(12-5)、旋转轴(12-6)、组合密封(12-7)、双列角接触球轴承(12-8)、绝缘垫(12-9)、固定座(12-10)、绝缘套(12-11)、密封塞(12-12)、轴承定位套(12-13)、上端盖(12-14)、外壳体(12-15)、管电极(6)和电机(11)；
旋转轴(12-6)与外壳体(12-15)间隙配合，上下通过一对双列角接触球轴承(12-8)支承，实现旋转轴(12-6)高速旋转，同时限制旋转轴(12-6)与外壳体(12-15)的轴向位移，避免因高速旋转导致旋转轴(12-6)轴向滑移影响电火花加工间隙；外壳体(12-15)的内壁有四个截面为矩形的圆环槽，圆环槽中安装组合密封(12-7)；旋转轴(12-6)是一根中空轴，上端采用带有管螺纹的密封塞(12-12)与旋转轴(12-6)内孔配合，下端通过锁紧帽(12-1)与旋转轴(12-6)外螺纹配合将橡胶压紧锥(12-2)紧压在旋转轴(12-6)上完成密封；外壳体(12-15)上端与上端盖(12-14)通过螺栓连接，上端盖(12-14)与固定座(12-10)通过螺栓连接；固定座(12-10)与绝缘垫(12-9)连接，并将旋转主轴(12)与悬架(10)刚性连接；旋转轴(12-6)上端套有绝缘套(12-11)，通过联轴器与电机(11)弹性连接；旋转主轴(12)中的下端盖(12-4)、外壳体(12-15)、上端盖(12-14)、固定座(12-10)、绝缘垫(12-9)相互刚性连接，并最终与悬架(10)刚性连接保持固定；旋转主轴(12)和悬架(10)与Z运动主轴连接，并最终与大理石台座(9)刚性连接；旋转轴(12-6)在电机(11)的驱动下由一对双列角接触球轴承(12-8)支承完成回转运动；在外壳体(12-15)外壁上安装散热器(12-5)，散热器(12-5)与外壳体(12-15)之间涂有硅脂以增加热传导能力，通过潜水泵形成水冷回路实现散热；
所述工作液管路包括压力表(13)、溢流阀(14)、柱塞泵(15)、搅拌器(16)、工作液容器(17)和超声振动器(18)；
管电极(5)先插入导向器(7)中，管电极(5)上端插入橡胶压紧锥(12-2)中，并通过锁紧帽(12-1)锁紧以挤压橡胶压紧锥(12-2)固定管电极(5)。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的组合密封(12-7)是由一个填充PTFE材料的齿形滑环和一个O型圈组成。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述的橡胶压紧锥(12-2)的材质为聚氨酯；所述的散热器(12-5)的材质为紫铜；所述的绝缘垫(12-9)和绝缘套(12-11)的材质为PTFE；所述的密封塞(12-12)的材质为不锈钢；所述的导向器(7)的材质为CD-750。
4.一种微细电火花混粉加工微孔的方法，其特征在于，工作时，将管电极接脉冲发生器的负极，工件连接脉冲发生器的正极，将混粉工作液倒入工作液容器中并不停搅拌振动以保证粉末不发生沉降，打开柱塞泵调整管路压强，管电极出口有稳定的混粉工作液流出；通过控制计算机将运动指令传递给机床运动平台，并根据加工反馈信号及时调整进给速度；加工完成后关闭柱塞泵、脉冲发生器和电火花加工机床。
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