CN108723527B - 一种超声辅助电火花磨削装置及其磨削方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种超声辅助电火花磨削装置及其磨削方法，装置包括工作台，其上固定有工作液箱、固定支架和夹持机构；超声振动机构，包括超声换能器，超声换能器的末端连接变幅杆，变幅杆的端部固定工件为加工过程中工具电极提供超声振动；夹持机构，主轴为卧式布置通过主轴夹具安装到Z轴方向螺母座上，主轴夹具与螺母座固定，滚珠丝杠通过联轴器与步进电机Ⅰ固定，螺母座与滚珠丝杠间通过丝杠螺母传动，从而通过控制步进电机Ⅰ的正反转实现主轴在Z轴方向的运动；同样地，可在X轴方向或Y轴方向实现不同余量的磨削进给。工具电极由主轴的末端夹持，通过主轴带动工具电极对工件进行旋转磨削。本发明的结构及方法解决了现有技术中电火花加工稳定差的问题。

Description

一种超声辅助电火花磨削装置及其磨削方法
技术领域
本发明涉及超声电火花复合加工技术领域，具体而言，尤其涉及一种超声辅助电火花磨削装置及其磨削方法。
背景技术
硬质合金材料由于其耐高温、高强度、高硬度等性能特征，被广泛应用于航空航天、模具制造等领域。但受目前生产工艺水平的限制，压制成形的硬质合金材料零部件形状简单、精度及表面质量不高，而由于其极高的硬度和强度，对硬质合金材料进行机械加工以实现高精度高质量复杂形状的制造也是非常困难的。
电火花加工虽然不受被加工材料强度和硬度的限制，但存在其加工效率低，电极损耗大且被加工表面易产生微裂纹等缺陷。为此研究一种应用电火花技术实现对硬质合金材料高效、无裂纹加工的新装置，是一个尚待解决的问题。
发明内容
根据上述提出传统电火花加工中加工效率低、电极损耗大以及加工稳定性差导致的加工表面易产生微裂纹等技术问题，而提供一种有效加工硬质合金的新装置，即一种超声辅助电火花磨削装置及其磨削方法。本发明主要利用工具电极及其夹持机构整体与旋转电机相连，获得加工过程中工具电极的高转速，以及被加工工件与超声变幅杆相连，为加工过程中被加工工件提供超声振动，具有三轴联动功能，在X轴、Y轴及Z轴三个方向上进行不同的进给，从而实现对硬质合金材料的高效、无裂纹加工。
本发明采用的技术手段如下：
一种超声辅助电火花磨削装置，其特征在于，包括：
工作台，其上固定有工作液箱、固定支架和用于夹持工具电极的夹持机构，所述固定支架固定在所述工作液箱的一侧；
超声振动机构，包括夹持在所述固定支架上的超声换能器，所述超声换能器的末端连接变幅杆，所述变幅杆的端部固定有工件，为所述工件提供水平超声振动；
夹持机构，包括主轴夹具、螺母座及滚珠丝杠，主轴为卧式布置通过所述主轴夹具安装到Z轴方向螺母座上；所述主轴夹具通过螺栓与Z轴方向螺母座固定在一起，所述滚珠丝杠通过联轴器与步进电机Ⅰ固定在一起，所述Z轴方向螺母座与所述滚珠丝杠间通过丝杠螺母进行传动，通过控制所述步进电机Ⅰ的正反转实现所述主轴在Z轴方向的运动；同样地，所述滚珠丝杠通过联轴器与步进电机Ⅱ固定在一起，X轴方向螺母座与Z轴整体通过螺栓固定在一起，所述X轴方向螺母座与所述滚珠丝杠间通过丝杠螺母进行传动，通过控制所述步进电机Ⅱ的正反转实现所述主轴在X轴方向的运动；同样地，所述滚珠丝杠通过联轴器与步进电机III相连，Y轴方向螺母座与龙门机架整体通过螺栓固定在一起，所述Y轴方向螺母座与所述滚珠丝杠间通过丝杠螺母进行传动，通过控制所述步进电机III的正反转实现所述主轴在Y轴方向的运动；
所述工具电极由所述主轴的末端所夹持，通过所述主轴带动所述工具电极对所述工件进行旋转磨削。
进一步地，所述工具电极随同所述主轴高速旋转且采用所述工具电极的侧面与所述工件进行磨削加工，使工具电极损耗较为均匀。
进一步地，所述磨削装置还设有喷水装置，所述喷水装置是在所述工作液箱中放置一个水泵为所述工具电极和所述工件的磨削提供液体放电环境，在所述主轴的右侧部分安装挡水板防止液体飞溅。
本发明还公开了上述的超声辅助电火花磨削装置的磨削方法，其特征在于包括如下步骤：
S1、开始时，通过转动X轴方向的步进电机Ⅱ使工具电极向工件靠近，通过设定所述工具电极和所述工件之间的距离控制电火花磨削的量；
S2、设定好所述工具电极和所述工件的距离，然后打开主轴开关使所述主轴旋转，再打开水泵使工作液箱内的工作液介质喷到所述工具电极和所述工件上，为其提供放电环境；
S3、在Z轴方向引入伺服控制系统控制Z轴方向的步进电机Ⅰ带动所述主轴由上向下进给磨削所述工件表面；
S4、重复步骤S3直至最终形成所需的磨削后的表面。
进一步地，所述步骤S3中的伺服控制系统的控制方法为设定两个阈值电压，即一个开路电压和一个短路电压，将极间的电压信号与两个阈值电压相比较，当极间电压处于两阈值电压之间时属于正常放电；当极间电压大于开路电压时，极间间隙过大，伺服控制系统带动所述主轴向下运动；当极间电压小于短路电压时，极间间隙过小，伺服控制系统带动所述主轴向上运动。
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明提供的工具电极可随同主轴一起旋转，获得加工过程中的高转速，同时旋转的离心力有利于将加工后的电蚀产物带离极间间隙，改善极间放电状态。
2、本发明提供的超声振动机构加载到工件上，为工件提供水平超声振动，直接作用于工件上而不是工具电极上，有效的避免了超声振动对工具电极的干扰，同时还将有效改善极间放电状态，同时也解决了工具电极的安装和连接较困难的问题。
3、本发明设置的主轴为卧式布置，并通过编程来控制三个步进电机的正反转，从而实现卧式主轴在X轴、Y轴和Z轴方向上的运动；本发明通过提供的装置具有三轴联动功能，加工装置可带动旋转主轴在Z轴方向进给，Z轴方向进给引入伺服控制系统，可根据放电状态实时调整放电间隙。工具电极可在X轴方向进给以改变工件的电火花磨削加工余量，也可在Y轴方向进给以改变被磨削工件的面积。
4、本发明设置的喷水装置，加速了工作液的循环，且能将加工后的电蚀产物带离极间间隙，改善极间放电状态。
综上所述，本发明具有结构简单，易于实现等优点，尤其适用于机床改造。通过超声振动与旋转电极的联合作用改善传统电火花加工中的不足，实现对硬质合金的高效、无裂纹加工。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明超声辅助电火花磨削装置的结构示意图。
图2为本发明电火花磨削工件的示意图。
图中：1、主轴；2、工具电极；3、工作液箱；4、工件；5、变幅杆；6、固定支架；7、超声换能器；8、工作台；9、水泵；10、挡水板；11、主轴夹具；12、滚珠丝杠；13、步进电机I；14、步进电机II；15、步进电机III；16、龙门机架；17、磨削后的表面。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种超声辅助电火花磨削装置，包括：
工作台8，其上固定有工作液箱3、固定支架6和用于夹持工具电极2的夹持机构，所述固定支架6固定在所述工作液箱3的一侧；
超声振动机构，包括夹持在所述固定支架6上的超声换能器7，所述超声换能器7的末端连接变幅杆5，所述变幅杆5的端部固定有工件4，为所述工件4提供水平超声振动；
夹持机构，包括主轴夹具11、螺母座及滚珠丝杠12，主轴1为卧式布置通过所述主轴夹具11安装到Z轴方向螺母座上；所述主轴夹具11通过螺栓与Z轴方向螺母座固定在一起，所述滚珠丝杠12通过联轴器与步进电机Ⅰ13固定在一起，所述Z轴方向螺母座与所述滚珠丝杠12间通过丝杠螺母进行传动，通过控制所述步进电机Ⅰ13的正反转实现所述主轴1在Z轴方向的运动；
同样地，所述滚珠丝杠12通过联轴器与步进电机Ⅱ14固定在一起，X轴方向螺母座与Z轴整体(所述Z轴整体是指主轴1、工具电极2、主轴夹具11、滚珠丝杠12、步进电机I13和挡水板10等构成在Z轴方向上运动的整体)通过螺栓固定在一起，所述X轴方向螺母座与所述滚珠丝杠12间通过丝杠螺母进行传动，通过控制所述步进电机Ⅱ14的正反转实现所述主轴1在X轴方向的运动；同样地，所述滚珠丝杠12通过联轴器与步进电机III15相连，Y轴方向螺母座与龙门机架16整体通过螺栓固定在一起，所述Y轴方向螺母座与所述滚珠丝杠12间通过丝杠螺母进行传动，通过控制所述步进电机III15的正反转实现所述主轴1在Y轴方向的运动；
上述的滚珠丝杠12作为主动件，丝杠螺母会随滚珠丝杠12的转动角度按照对应规格的导程转化成直线运动(即Z轴的上下运动，X轴的左右运动，Y轴的前后运动)，所述主轴夹具、Z轴整体、龙门机架作为被动工件通过螺母座与螺母连接，从而实现对应的直线运动。
所述工具电极2由所述主轴1的末端所夹持，通过所述主轴1带动所述工具电极2对所述工件4进行旋转磨削。所述工具电极2随同所述主轴1高速旋转且采用所述工具电极2的侧面与所述工件4进行磨削加工，使工具电极2损耗较为均匀。
所述磨削装置还设有喷水装置，所述喷水装置是在所述工作液箱3中放置一个水泵9为所述工具电极2和所述工件4的磨削提供液体放电环境，在所述主轴1的右侧部分安装挡水板10防止液体飞溅。
实施例1
本发明为一种超声辅助电火花磨削装置，可实现对硬质合金材料的磨削加工。工作时，将超声波发生器通过导线与超声换能器7连接，将50Hz交流电转换为超声频交变电流信号传输至超声换能器7，超声换能器7将超声频交变电流信号转换为超声频机械振动，后经变幅杆5进行放大并作用于工件4上，为工件4提供水平超声振动。在旋转的主轴1上安装碳刷来进行供电，电火花电源的一极接工件，另一极接碳刷，为工具电极2和工件4提供脉冲信号。
开始时，通过转动X轴方向的步进电机Ⅱ14使工具电极2向工件4靠近，工具电极2和工件4的距离决定了电火花磨削的量，当设定好工具电极2和工件4的距离时，打开主轴1开关使主轴1旋转，再打开水泵9使工作液箱3内的工作液介质喷到工具电极2和工件4上提供放电环境。然后控制Z轴方向的步进电机Ⅰ13带动主轴1由上向下进给磨削工件表面，在Z轴方向引入伺服控制系统，即设定两个阈值电压，一个开路电压和一个短路电压。将极间的电压信号与两个阈值电压相比较，当极间电压处于两阈值电压之间时属于正常放电；当极间电压大于开路电压时，说明极间间隙过大，伺服控制系统带动主轴1向下运动；当极间电压小于短路电压时，说明极间间隙过小，伺服控制系统带动主轴1向上运动。不断重复这一过程最终形成磨削后的表面17(如图2所示)。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种超声辅助电火花磨削装置，其特征在于，包括：
工作台(8)，其上固定有工作液箱(3)、固定支架(6)和用于夹持工具电极(2)的夹持机构，所述固定支架(6)固定在所述工作液箱(3)的一侧；
超声振动机构，包括夹持在所述固定支架(6)上的超声换能器(7)，所述超声换能器(7)的末端连接变幅杆(5)，所述变幅杆(5)的端部固定有工件(4)，为所述工件(4)提供水平超声振动；
夹持机构，包括主轴夹具(11)、螺母座及滚珠丝杠(12)，主轴(1)为卧式布置通过所述主轴夹具(11)安装到Z轴方向螺母座上；所述主轴夹具(11)通过螺栓与Z轴方向螺母座固定在一起，所述滚珠丝杠(12)通过联轴器与步进电机Ⅰ(13)固定在一起，所述Z轴方向螺母座与所述滚珠丝杠(12)间通过丝杠螺母进行传动，通过控制所述步进电机Ⅰ(13)的正反转实现所述主轴(1)在Z轴方向的运动；同样地，所述滚珠丝杠(12)通过联轴器与步进电机Ⅱ(14)固定在一起，X轴方向螺母座与Z轴整体通过螺栓固定在一起，所述X轴方向螺母座与所述滚珠丝杠(12)间通过丝杠螺母进行传动，通过控制所述步进电机Ⅱ(14)的正反转实现所述主轴(1)在X轴方向的运动；同样地，所述滚珠丝杠(12)通过联轴器与步进电机III(15)相连，Y轴方向螺母座与龙门机架(16)整体通过螺栓固定在一起，所述Y轴方向螺母座与所述滚珠丝杠(12)间通过丝杠螺母进行传动，通过控制所述步进电机III(15)的正反转实现所述主轴(1)在Y轴方向的运动；
所述工具电极(2)由所述主轴(1)的末端所夹持，通过所述主轴(1)带动所述工具电极(2)对所述工件(4)进行旋转磨削。
2.根据权利要求1所述的超声辅助电火花磨削装置，其特征在于，所述工具电极(2)随同所述主轴(1)高速旋转且采用所述工具电极(2)的侧面与所述工件(4)进行磨削加工，使工具电极(2)损耗较为均匀。
3.根据权利要求1所述的超声辅助电火花磨削装置，其特征在于，所述磨削装置还设有喷水装置，所述喷水装置是在所述工作液箱(3)中放置一个水泵(9)为所述工具电极(2)和所述工件(4)的磨削提供液体放电环境，在所述主轴(1)的右侧部分安装挡水板(10)防止液体飞溅。
4.一种权利要求1-3任意一项权利要求所述的超声辅助电火花磨削装置的磨削方法，其特征在于包括如下步骤：
S1、开始时，通过转动X轴方向的步进电机Ⅱ(14)使工具电极(2)向工件(4)靠近，通过设定所述工具电极(2)和所述工件(4)之间的距离控制电火花磨削的量；
S2、设定好所述工具电极(2)和所述工件(4)的距离，然后打开主轴(1)开关使所述主轴(1)旋转，再打开水泵(9)使工作液箱(3)内的工作液介质喷到所述工具电极(2)和所述工件(4)上，为其提供放电环境；
S3、在Z轴方向引入伺服控制系统控制Z轴方向的步进电机Ⅰ(13)带动所述主轴(1)由上向下进给磨削所述工件(4)表面；
S4、重复步骤S3直至最终形成所需的磨削后的表面(17)。
5.根据权利要求4所述的磨削方法，其特征在于：所述步骤S3中的伺服控制系统的控制方法为设定两个阈值电压，即一个开路电压和一个短路电压，将极间的电压信号与两个阈值电压相比较，当极间电压处于两阈值电压之间时属于正常放电；当极间电压大于开路电压时，极间间隙过大，伺服控制系统带动所述主轴(1)向下运动；当极间电压小于短路电压时，极间间隙过小，伺服控制系统带动所述主轴(1)向上运动。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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