CN108655519A - 电弧放电加工冲液区域调控系统 - Google Patents

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Abstract

一种电弧放电加工冲液区域调控系统，包括冲液区域可控电极装置、机床刀柄冲液接口、主轴基座、控制单元、机床数控系统与控制单元的接口及工作液供给单元。本发明的控制单元通过与机床数控系统通信读取加工轨迹，并根据加工轨迹自动生成电磁铁控制指令，为每个电磁铁提供启停状态的控制信号；使冲液区域位置与加工进给方向保持一致。本发明通过对冲液区域的控制，可避免电弧加工中电极损耗后大量工作液在非放电加工区域泄压流出，保证了放电加工间隙内始终维持强力内冲液，减少因冲液流速低、压力小而带来的加工短路、稳定电弧现象发生次数，提高加工效率和改善工件表面质量。

Description

电弧放电加工冲液区域调控系统
技术领域
本发明涉及电弧放电加工，特别是一种电弧放电加工冲液区域调控系统。
背景技术
高速电弧放电加工利用工件与工具电极间放电形成电弧等离子体来实现各类难切削导电材料的高效去除，流体动力断弧是实现该技术的关键机制。在工具电极上开设内孔，并通过高压流体介质，除了实现流体动力断弧外，还可有效带走放电蚀除产物及冷却工件加工表面。高速电弧放电铣削加工结合了电弧放电的高效性及铣削加工的灵活性，是当前的研究热点。高速电弧放电铣削加工过程中，电极会逐渐发生轴向及径向放电损耗，其中径向损耗会导致电极端面的非放电加工区域面积增加，由于非放电加工区域的冲液出口无背压，存在明显泄压效应，大量冲液经由非放电加工区域的冲液出口流出，从而导致加工间隙内有效冲液流量少、流速低，加工状态不稳定、放电短路现象频繁发生，影响加工效率及工件表面质量。
据专利检索可知，陈吉朋等在专利CN104759716A中公开了一种高速电弧放电加工自适应冲液系统，包括储液箱、冲液单元、电液控制阀、流体参数检测传感器、放电参数检测传感器、开孔电极和控制单元。放电加工过程中，工作液的流量或压力由控制单元根据放电状态的优劣、进给速率的变化梯度、冲液管道液体介质特性的波动速率自适应改变电液控制阀的调控参数而实现闭环控制。但是该系统的缺点在于，当电极发生放电损耗后，由于非加工区域对冲液的泄压效应明显，对工作液流量和压力的闭环调节无法实现加工间隙内的良好冲液效果。
据专利检索可知，刘永红等在专利CN102990172A中提出了一种高速电弧放电铣削加工用冲液系统。该冲液系统在工具电极的圆周方向上均匀布置8～16路外冲液喷嘴，每路喷嘴都通过管线与流量分配执行单元中的不同的比例阀相连。根据加工轨迹的变化，该冲液系统可通过控制单元和流量分配执行单元自动调整每一路喷嘴所提供工作液的液流特性，进而达到提高加工效率和加工精度的目的。但是，经由喷嘴流出的工作液为外冲液，与内冲液相比，其进入放电加工间隙的工作液的流速低、流量小，蚀除产物排出和加工区域冷却效果差，同时该冲液系统并未解决电极放电损耗后，非放电加工区域对冲液的泄压效应所带来的一系列问题，造成该系统不能很好地适用于电极放电损耗后的加工情况，尤其是进行具有三维特征的复杂形貌工件多轴联动高速电弧放电加工。
为改善电极发生放电损耗后加工间隙内的冲液状态，提高加工效率及工件表面质量，需要对电弧放电加工过程中的冲液区域进行控制，避免冲液受非放电加工区域泄压效应的影响。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种电弧放电加工冲液区域调控系统，该系统的控制单元通过与机床数控系统的接口读取加工轨迹，并根据加工轨迹自动生成电磁铁控制指令，为每个电磁铁提供启停状态的控制信号；使冲液区域位置与加工进给方向保持一致。可避免电弧加工中电极损耗后大量工作液在非放电加工区域泄压流出，保证了放电加工间隙内始终维持强力内冲液，减少因冲液流速低、压力小而带来的加工短路、稳定电弧现象发生次数，提高加工效率和改善工件表面质量。
本发明的技术解决方案如下：
一种电弧放电加工冲液区域调控系统，包括机床刀柄冲液接口、主轴基座、工作液供给单元，其特点在于，还包括冲液区域可控电极装置、控制单元、机床数控系统与控制单元的接口；
用于电弧放电加工的工作液由所述工作液供给单元提供，经机床刀柄冲液接口流入电极装置，由冲液区域可控电极装置中的冲液区域调控部件对冲液区域进行控制并从电极冲液出口流向工件，实现电弧放电加工，最终回流至工作液供给单元；
所述的冲液区域可控电极装置包括固定部件、旋转部件及冲液区域调控部件；所述的固定部件包含电磁铁安装基座和多个电磁铁，所述的旋转部件包含电极转接头和开孔电极，所述的冲液区域调控部件包含调控环和轴承，所述的多个电磁铁均匀地布置于所述的电磁铁安装基座的内壁，多个电磁铁的磁吸面正对调控环，电磁铁安装基座固定在所述的主轴基座上，所述的开孔电极通过电极转接头安装于机床刀柄冲液接口上，跟随主轴做旋转运动；所述的调控环为一带缺口零件，位于开孔电极的上方，通过轴承安装在电极转接头内壁；
所述的控制单元的输出端与所述的多个电磁铁相连，所述的控制单元通过机床数控系统与控制单元的接口与机床数控系统相连，读取加工轨迹，并根据加工轨迹自动生成电磁铁控制指令，为每个电磁铁提供启停状态的控制信号；使冲液区域位置与加工进给方向保持一致。
所述的电极转接头、轴承为非磁性材料；所述的调控环为磁性材料。
所述的轴承为具有密封功能的轴承。
所述电磁铁的数量可根据加工过程中需求的冲液区域位置可变化数目确定。
所述的调控环缺口大小、形状可根据冲液区域尺寸确定。
与现有技术相比，本发明有益效果是：
1、本发明通过控制电磁铁的启停状态可达到控制调控环缺口位置的目的，进而实现不同区域冲液的控制。
2、本发明控制单元通过与机床数控系统通讯、读取机床加工轨迹，并根据机床加工轨迹自动生成相应的电磁铁启停状态控制指令，使冲液区域跟随加工进给方向改变，避免电极损耗后大量工作液在非放电加工区域泄压，保证了放电加工间隙内始终维持强力内冲液，减少因冲液流速低、压力小而带来的加工短路、稳定电弧现象发生次数，提高加工效率和改善工件表面质量。
3、本系统中冲液方式为强力内冲液，相比外冲液而言，进入加工间隙中的冲液的流速高、流量大，蚀除产物排出和加工区域冷却效果好。
附图说明
图1为本发明电弧放电加工冲液区域调控系统的结构示意图
图2为冲液区域可控电极装置整体结构和拆分结构的示意图
图3为冲液区域可控电极装置的剖视图
图4为本发明实施例1采用8个电磁铁时不同冲液区域分布示意图
图5为本发明实施例2采用4个电磁铁时进行电弧放电加工过程中不同冲液区域分布示意图
图中：1-冲液区域可控电极装置、2-机床刀柄冲液接口、3-主轴基座、4-控制单元、5-机床数控系统与控制单元的接口、6-工作液供给单元、7-加工工件、8-电磁铁安装基座、9-调控环、10-电磁铁、11-轴承、12-电极转接头、13-开孔电极。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明进一步说明，但不因此限制本发明的保护范围。
请参阅图1，图1为本发明电弧放电加工冲液区域调控系统的结构示意图，如图所示，本发明电弧放电加工冲液区域调控系统，包括机床刀柄冲液接口2、主轴基座3、工作液供给单元6，其特点在于，还包括冲液区域可控电极装置1、控制单元4、机床数控系统与控制单元的接口5；
用于电弧放电加工的工作液由所述工作液供给单元6输出、经机床刀柄冲液接口2流入冲液区域可控电极装置1，由冲液区域可控电极装置1中的冲液区域调控部件对冲液区域进行控制并从电极冲液出口流向工件，实现电弧放电加工，并最终回流至工作液供给单元6；
请参阅图2、图3，图2和图3分别为冲液区域可控电极装置的整体结构和拆分结构的示意图及剖视图，如图所示，所述的冲液区域可控电极装置1包括固定部件、旋转部件及冲液区域调控部件；所述的固定部件包含电磁铁安装基座8和多个电磁铁10，所述的旋转部件包含电极转接头12和开孔电极13，所述的冲液区域调控部件包含调控环9和轴承11，所述的多个电磁铁10均匀地布置于电磁铁安装基座8的内壁，多个电磁铁10的磁吸面正对调控环9，所述的电磁铁安装基座8固定在主轴基座3上，固定部件不跟随主轴做旋转运动；所述的旋转部件包含电极转接头12和开孔电极13，所述的开孔电极13通过电极转接头12安装于机床刀柄冲液接口2上，可跟随主轴做旋转运动；所述的冲液区域调控部件包含调控环9和轴承11，所述的调控环9为一带缺口零件，位于开孔电极的上方，通过轴承11安装在电极转接头12内壁；
所述控制单元4的输出端与电磁铁10相连，提供每个电磁铁10启停状态的控制信号；所述的控制单元4可通过机床数控系统与控制单元的接口5读取加工轨迹，并根据加工轨迹自动生成电磁铁控制指令，进而实现冲液区域位置与加工进给方向保持一致。
所述的电极转接头12、轴承11为非磁性材料；所述的调控环9为磁性材料。
所述的轴承11为具有密封功能的轴承。
可根据加工过程中要求的冲液区域可变化位置数目确定所述电磁铁10的数量。
所述的调控环9缺口大小、形状可根据冲液区域尺寸确定。
本发明原理阐述如下：
由于调控环9为磁性材料，且其上有一缺口，因此其在多个电磁铁10共同形成的磁场引力作用下将沿轴承轴线转动并最终保持在某一特定位置，当控制单元4改变电磁铁10的启停状态时，磁场引力方向会发生改变，此时调控环9的缺口位置也会随之改变。同时由于冲液区域可控电极装置中的轴承11具有密封功能，冲液仅经过调控环9缺口进入开孔电极13，因此调控环9缺口位置将决定开孔电极13的冲液区域。综上所述，控制单元4通过控制每一个电磁铁10的启停状态可实现开孔电极冲液区域的调控。在加工过程中，控制单元4通过与机床数控系统接口5周期性读取加工轨迹，根据加工进给方向自动生成每个电磁铁10启停状态的控制指令，使冲液区域可控电极装置1中调控环9的缺口位置始终与加工进给方向保持一致，进而实现冲液区域位置与加工进给方向一致，消除大量工作液在非加工区域泄压流出的现象，维持加工间隙中的强力内冲液，最终达到减少加工短路、稳定电弧现象发生次数，提高加工效率和改善工件表面质量的目的。
实施例1
在电磁铁安装基座上均匀布置8个微型圆盘状电磁铁，电磁铁直径20mm，高度15mm，吸力25N，通过M4的螺纹孔安装固定。冲液区域可控电极装置中的电极转接头材料为黄铜、轴承材料为陶瓷、调控环材料为马氏体不锈钢、电极为直径20mm的多孔内冲液石墨电极、工件材料为镍基高温合金，将所述系统的所有部件按要求安装连接完毕。进行高速电弧放电铣削加工时，将电极、工件分别与放电电源的两极相连，使用的电源参数为：开路电压90V、峰值电流600A、脉冲宽度8ms以及脉冲间隔2ms，电极旋转速度1200rpm，冲液供给单元提供压力为5MPa的强力工作液。加工过程中，控制单元与机床数控系统通讯并周期性读取加工轨迹，根据当前的进给方向分别控制8个电磁铁的启停状态，使冲液区域可控电极装置中调控环的缺口位置在所有电磁铁共同形成的磁场引力作用下与加工进给方向保持一致。工作液依次经冲液供给单元、机床刀柄冲液接口流入电极装置，并经由调控环缺口位置流入开孔电极的部分冲液孔，随后流向加工间隙，实现强力内冲液。在加工过程中改变加工进给方向共可形成如图4所示的8种不同冲液区域位置。实验表明，随着放电加工的进行，电极发生损耗后，加工间隙内仍能维持良好的冲液状态，冲液在非放电加工区域泄压的现象得到有效避免，加工短路现象发生频率大大降低。
实施例2
将电磁铁的数目改变为4个，保持实施例1中其他条件不变，进行如图5所示的正方形轨迹电弧放电加工，正方形边长100mm，槽深3mm。加工过程中，加工进给方向依次为Y轴正方向、X轴正方向、Y轴负方向、X轴负方向，通过读取加工轨迹信息，控制单元自动生成4个电磁铁启停状态的控制指令，可依次形成如图5所示的4种不同冲液区域位置。
实验表明，本发明电弧放电加工冲液区域调控系统的控制单元通过机床数控系统与控制单元的接口与机床数控系统相连，读取加工轨迹，并根据加工轨迹自动生成电磁铁控制指令，为每个电磁铁提供启停状态的控制信号；使冲液区域位置与加工进给方向保持一致。采用本发明冲液系统能够得到更好的工件表面质量、缩短加工时间。

Claims (6)

1.一种电弧放电加工冲液区域调控系统，包括机床刀柄冲液接口(2)、主轴基座(3)、工作液供给单元(6)，其特征在于，还包括冲液区域可控电极装置(1)、控制单元(4)、机床数控系统与控制单元的接口(5)；
用于电弧放电加工的工作液由所述工作液供给单元(6)提供，经机床刀柄冲液接口(2)流入电极装置(1)，由冲液区域可控电极装置(1)中的冲液区域调控部件对冲液区域进行控制并从电极冲液出口流向工件，实现电弧放电加工，最终回流至工作液供给单元(6)；
所述的冲液区域可控电极装置(1)包括固定部件、旋转部件及冲液区域调控部件；所述的固定部件包含电磁铁安装基座(8)和多个电磁铁(10)，所述的旋转部件包含电极转接头(12)和开孔电极(13)，所述的冲液区域调控部件包含调控环(9)和轴承(11)，所述的多个电磁铁(10)均匀地布置于所述的电磁铁安装基座(8)的内壁，多个电磁铁(10)的磁吸面正对调控环(9)，所述的电磁铁安装基座(8)固定在所述的主轴基座(3)上，所述的开孔电极(13)通过电极转接头(12)安装于机床刀柄冲液接口(2)上，跟随主轴做旋转运动；所述的调控环(9)为一带缺口零件，位于开孔电极(13)的上方，通过轴承(11)安装在电极转接头(12)内壁；
所述的控制单元(4)的输出端与所述的多个电磁铁(10)相连，所述的控制单元(4)通过机床数控系统与控制单元的接口(5)与机床数控系统相连，读取加工轨迹，并根据加工轨迹自动生成电磁铁控制指令，为每个电磁铁(10)提供启停状态的控制信号，使冲液区域位置与加工进给方向保持一致。
2.根据权利要求1所述的电弧放电加工冲液区域调控系统，其特征是：所述的电极转接头(12)、轴承(11)为非磁性材料。
3.根据权利要求1所述的电弧放电加工冲液区域调控系统，其特征是：所述的调控环(9)为磁性材料。
4.根据权利要求1所述的电弧放电加工冲液区域调控系统，其特征是：所述的轴承(11)为具有密封功能的轴承。
5.根据权利要求1所述的电弧放电加工冲液区域调控系统，其特征是：所述多个电磁铁(10)的数量根据加工过程中需求的冲液区域位置的数目确定。
6.根据权利要求1至5任一项所述的电弧放电加工冲液区域调控系统，其特征是：所述的调控环(9)的缺口大小、形状根据冲液区域的尺寸确定。
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