CN1088142A - 展成式电火花精密加工设备 - Google Patents

Abstract

一种展成式电火花精密加工设备，该设备包括三 个回转机构和四个直线移动机构，工件芯轴、工具电 极芯轴和转台均可按需要回转，坐标工作台可作纵向 和横向移动，工件头架可作轴向和竖向移动。该设备 可设计成多种复合运动方式和相应的结构布局，具有 很丰富的加工功能，可用来加工内外圆柱面、圆锥面、 各种回转曲面、平面、共轭曲面、棱柱面、棱锥面、球 面、超半球面、螺旋面、等速螺旋面、齿形面及多种组 合型面等。便于加工薄壁、小孔及微小型工件，精度 达微米级并实现电火花镜面加工。

Description

一种展成式电火花精密加工设备属于电火花加工技术领域，该设备包括三个回转机械和四个直线移动机构，工件芯轴、工具电极芯轴和转台均可按需要回转，座标工作台可作纵向和横向移动，工件头架可作轴向和竖向移动。该设备可设置成多种复合运动方式和相应的结构布局，具有很丰富的加工功能，可用来加工内外圆柱面、圆锥面、各种回转曲面、平面、共轭曲面、棱柱面、棱锥面、球面、超半球面、螺旋面、等速螺旋面、齿形面及多种组合型面等，便于加工薄壁、小孔及微小型工件，精度达微米级，并实现电火花镜面加工。

现有的单台电火花加工机床（包括成型加工和线切割等机床）或机械加工机床都不具备本发明所述设备能适应类型如此广泛的加工功能，而且其中有些类型工件用已有各种机床均无法达到本设备能达到的工作效能或技术指标。

电火花加工由于能弥补机械加工方法的不足而得愈来愈广泛的应用。与机械加工相比，它有两项主要技术优势：一是对各种金属材料，不受其物理性能（硬度、韧性、脆性等）的限制，均可进行加工;二是加工过程没有明显的机械作用力，从而能适应薄壁、小孔、内型腔、小型复杂等工件的精密加工，一般来说，绝大部分能够用切削成形的金属零件加工，用电火花加工也能完成，再加上上述优势，它应该还能解决一些机械方法所不能解决的加工问题。然而，已经广为发展的电火花加工所采用的加工运动方式构成形式太少，限制了其工艺能力的发挥。

机械加工的许多成型运动方式大致上是由直线和圆周两种基本运动所构成，一般都能为电火花加工所借鉴（当然由于加工机理不同，不能直接照搬），从而完成类似的加工。然而更为重要的是根据电火花加工本身的技术优势采取某些机械方法所无法采用的运动方式。目前已广泛发展的成型电火花加工和线切割加工仅仅是借鉴了类似于冲、挤压和线锯中的直线运动为主的成型运动，这样，它所能适用的加工类型就有一定的局限性，成形尺寸精度也有一定的限度。

本发明的目的是提供一种展成式电火花精密加工设备，该设备包括三个回转机构和四个直线移动机构，利用各机构间的协调配合，可组成多种运动形式，使该设备具有很丰富的加工功能，实现目前切削加工和特种加工设备所未能实现的工艺目标。能在淬硬钢、不锈钢、常用金属材料和硬质合金等特种材料或特种结构工件上加工出许多种精密型面。精度达微米级，表面粗糙度Ra 0.32-0.04微米（相当于

9-

11）。

本发明展成式电火花精密加工设备的运动方式和结构布局示意图见图1，设备包括三个转动机构，即工件头架芯轴（5）、工具电极头架芯轴（4）和转台（2），四个直线移动机构，即座标工作台（3）中的纵、横向移动机构，工件头架座中的水平移动机构和竖向移动机构。

本发明所述设备的主要结构如下：

基座（1）承接载整台设备部件，中空所留空间可安置配套件。转台（2）承载座标工作台（3）及电极头架（4），又作转角分度用，也可作转角进给加工。该转台附有锁紧固定装置，用来锁紧固定转台，转台带位置刻度读数装置。对某些专用场合，可以将座标工作台调整固定在所需要的方位而不设能连续转位分度的转台。

座标工作台（5）承载工具电极头架，有移位及定向进给机构，具有往复运动行程控制功能。可采用步进电机、伺服电机、自整角电机或力矩电机等微电机驱动，用步进电机时以数控方式驱动，用自整角电机时可与工件头架、电极头架的自整角电机按一定比例转速联动。

工具电极头架（芯轴）（4）电气上与基座上的转台绝缘，工具电极头架中的芯轴一端有锥孔，工具电极用锥柄装夹到芯轴上，用电机通过机械变速装置驱动。电机可采用自整角机、力矩电机、步进电机或伺服电机等微电机与电极芯轴作同步或比例驱动，或用伺服电机等微电机作独立回转驱动，

工件头架（芯轴）（5）电气上与基座上的转台绝缘，工件芯轴一端有锥孔，工件用锥柄装夹，用电机变速驱动。电机可采用自整角电机、力矩电机、步进电机或伺服电机等微电机与电极芯轴作同步或比例驱动，用伺服电机等微电机作独立回转驱动。头架座连接水平和竖向移动机构，以适应不同加工类型和不同规格尺寸的工件加工时作调整用。

工件芯轴和电极芯轴在使用时功能可以互换，即工件芯轴上可装工具电极，电极芯轴上可装工件。可按加工类型、工件和电极尺寸大小、进给方式合理性、成形需要、装夹方便程度等具体情况灵活运用。

本设备附设工作液循环过滤箱及加工区域盛油槽，采用煤油等工作液。过滤性能需满足连续工作要求并保持加工件能达到镜面要求所需的滤清度。加工区域盛液槽应能满足浸没式或和注液式两种工作状态的需要，并能适应转台在转位及转动状态下工作。

与设备配套的脉冲电源箱粗、中加工范围与常规电火花加工设备町类似，在精加工范围，能量压缩减小方面应有延伸，以适应超精镜面加工要求。

本设备还附有多种装夹工具电极和工件用的典型、常用、通用夹具以及工具电极修切整形工具等附件。

本设备的机构设置如下：

a    工件芯轴和工具电极芯轴轴线平行设置。

（a）两轴以差动方式回转，用于1）加工平面;2）加工圆柱面;3）加工圆孔;4）加工微小孔;5）加工薄壁零件（圆筒等）;6）加工锥面;7）加工平底、V形、曲线型底环形槽（图2）;8）加工旋转曲面（图3）;9）加工薄片;10）加工环形梳刀;11）加工凸肩状零件;12）加工台阶孔。

（b）两轴以共轭方式回转，用机械或机电实现同步、倍角、比例差动回转。用于1）加工各种牙形的内外螺纹，包括米制、英制、梯形、矩形、锯齿形、圆弧形及其他特殊牙型等（图4）;2）加工分头及牙形对称精度很高的内外多头螺纹;3）加工内外锥度螺纹及圆锥管螺纹;4）加工内外齿轮，特别是淬硬的小模数精密内齿轮及硬质合金齿轮，包括直齿和螺旋齿轮（图5）;5）加工变模数齿轮（图6）;6）加工人字形齿轮;7）加工静压轴承油腔，包括直孔形、锥形。球面形（图7）;8）加工字码及标记符号类滚压模（图8）;9）其他类型的共轭回转体，如回转泵体。

（c）单轴回转，并作直线往复平移展成运动，用于1）展成平面;2）展成直线棱柱面（V形槽等）;3）展成曲线棱柱面（二次曲线柱面反射镜型面等）（图9）;4）平面和圆柱面上字符转移（图10）;5）加工小模数齿条（图11）;6）齿条状电极加工齿轮（图12）;7）加工搓丝板。

（d）一轴回转，另一轴回转运动与径向（或再加轴向）直线运动联锁（机械联动或数控方式），用于1）加工等速螺旋线型面（成型刀具、弧面滚齿刀等铲背（图13）;2）凸轮曲线工作面加工;3）空间等速螺旋面凸轮加工（图14）;4）工件等分槽加工;5）其他多工位加工（对称手轮模具等）

b    工件芯轴和工具电极芯轴线相交成一定角度设置（利用转台）

（a）轴以差动方式回转，用于1）加工凸、凹球面（轴承球面、单球体轴承等），2）加工内、外锥形面;3）加工展成型旋转曲面（用圆柱形电极等）

（b）两轴以共轭方式回转，用于1）加工内外锥度螺纹（图15）;2）加工锥齿轮（图16）;3）加工锥形静压轴承油腔（图17）;4）其他锥形及交接式共轭回转体加工;5）异型孔扩锥加工（拉丝模锥腔等）。

（c）一轴回转，另一轴回转运动与轴向直线运动联锁（机械联动或数控方式），用于1）螺旋槽加工（刀具螺旋槽等）;2）多工位型槽加工。

C、工件芯轴和工具电极芯轴线相互垂直设置。

（a）两轴以差动方式回转用于1）加工旋转圆弧面;2）加工曲线型环槽;3）加工曲线型环形凸肩;4）加工端面环形槽（V形槽、圆弧槽等）（图18）

（b）两轴以共轭方式回转，用于1）全啮合蜗轮蜗杆副对合加工（图19）;2）加工端面齿轮;3）加工圆锥齿轮（图20）;4）端面静压轴承油腔加工。

（c）一轴回转，另一轴回转运动与轴向直线运动联锁（机械联动或数控方式），用于1）靠模螺旋槽加工（图21）;2）加工端面凸轮（图22）。

本设备中部分结构的简化，如减少一个直线移位机构或减少一个转动机构，仍能保留所述的部分加工运动方式和功能，从而使本设备成为进行某些类型的加工的专用设备。

本设备的优点如下：

利用本发明所述设备设置的多种运动方式和此结构布局可借电火花加工形成内外圆柱面，圆锥面，各种旋转曲面、端平面、共轭曲面、棱柱面、球面、超半球面、螺旋面、等速螺旋面、齿形面及多种组合型面等，便于加工薄壁、小孔及微小型零件。用本设备加工件的尺寸精度和几何精度均能达到微米数量级，表面粗糙度Ra0.32-0.04微米（相当于

9- 11）。能在多种型面较大面积上实现电火花镜面加工。因此，特别适用于加工硬质合金、淬硬钢、不锈钢等各种机械方法难加工的金属材料制造的精密零件。

本设备作展成加工时通常是工具电极与工件或二者之一除作回转运动外相互间还同时作展成成形运动，可以是没有固定对应加工点关系的差动式，也可以是具有固定对应加工关系的共轭式。展成加工中有一些成形运动方式与通常的磨削展成运动相似，如加工刀具的等速螺旋线型部分及各种凸轮线型等。但由于采用的加工手段不一样，便产生新的功能，如本设备用电火花加工可以顺利地加工硬质合金精密刀具，这一方面技术能力就明显地比磨削技术强。本设备的另一些展成加工方式则往往是磨削所无法采用而属于新开辟的工艺途径，如用齿条状工具电极直接加工齿轮零件或插齿刀（即不需用传统的滚齿机或磨齿机就能很方便地加工出淬硬的精密齿轮状工件），用蜗轮状工具电极可直接加工出全啮合蜗杆，一次展成成型二次曲面，加工搓丝板、星点板等复杂型面，实现各种薄壁、小孔及微小型工件的精密尺寸加工，某些运动偶合件的对合精加工等。

从技术本质来分析，本展成式电火花加工设备与传统机械磨削设备相比有以下优点：

1、工件与工具电极间切向相对运动线速度的值可以很小，有时几乎接近于零，有些情况与磨削运动状态已有很大的不同，因此能取用一些通常磨削所不宜或不能直接采用的工件方式，如共轭回转式。

2、加工部位不产生明显的机械作用力，能够适应许多传统机械加工方式不易或不能解决的加工件类型，与第一点结合起来，使本设备能够设计和制造得具有很高的精度，并得到很高的加工工艺指标。

3、工具电极特别是成型电极比砂轮制造方便，容易整修，尤其是对于一些复杂型面和多环状电极，它的技术效果更为明显，使它在许多方面有逐步取代磨削的趋势。因为常常可以制造出很多型面复杂精确的工具电极，但是无法制造出同样精确的磨轮。也正由于这一点，使得许多情况下，用两种方法加工同一种工件，则电火花加工的展成运动有时可以比机械磨削简单得多，运动精度也就容易掌握，如用石墨电极加工成型刀具。

4、同一工具电极既可完成粗加工，也可完成精加工。因此，有些场合易于机动灵活地发挥加工能力，工作效率能比磨削有大幅度提高。

5、同一台设备能加工多种类型很不相同的精密型面和工件。如精密平面、圆柱面、圆锥面、球面、旋转曲面、共轭曲面、内外螺纹、齿轮、静压轴承油腔和复杂型面刀具等。

6、用本发明所述设备可以进行综合加工，并且可以在一次装夹条件下完成多种型面的精密加工，如工件包含有端平面、锥面、外圆柱面、内孔面、螺纹、齿形、球面、旋转曲面、棱面等类中的几种型面，利用本设备加工，通常可使各型面的形位公差和尺寸公差均达到微米级精度。

本展成式电火花加工设备与现有的电火花成型加工机床和线切割两大类机床相比其优点在于最有利于实现精加工。由于具有多种有利的技术条件，能够较好地发挥电火花加工的特点，它所能达到的工艺质量指标，比其他两类加工高，例如，对于同一台加工电源设备，配用在本机床上能达到的表面粗糙度会比配用在其他类型的机床上改善得多（当然由于各类加工各有不同的应用面，可加工的对象也有不同。因此并不能取代其他类加工）。本设备的主要技术优点如下：

1、由于回转运动造成的液流扰动和适宜的加工布局，使得狭长的加工区域附近具有足够的空间，可以做到在加工过程中始终保持加工区域具有良好的排屑、排气条件。这一点对于能得到高的加工精度和表面质量非常重要，这样能够彻底避免通常电火花加工中由于存在排屑、排气不良产生二次放电而形成锥度等偏差以及造成工具电极各部分相对损耗不一致而影响加工精度。另外，也几乎不会因排屑、排气不良而产生拉电弧烧伤工件的现象。

2、本电火花加工设备具有许多种成形运动方式，选用合理的运动方式，可使型面得到精确成形。对于一些如齿轮或泵体转子等工件，组配对合加工后能够具有极好的传动啮合性能，某些情况下还可消除工具电极本身的微量制造偏差，利用运转和加工进给时对应部位存在的滑移差动，使得被加工件的表面粗糙度可以远比工具电极对应工作面的原始粗糙度低，这在其他类型的电火花加工中是较难做到的。如工具电极Ra＝2.5微米，使工件加工至Ra＝0.05微米。工具电极加工面的粗糙度在加工过程中也同时会得到提高。

3、利用形状简单的工具电极，通过展成运动，能加工出较为复杂的工件型面。

4、可以在极小的放电间隙下进行正常加工，减少包络线成形偏差影响，利用迫近法实现如渐开线，摆线型和螺旋面等复杂型面的精密加工。

5、便于对工具电极的损耗采取多种有效的精确补偿措施。有些情况下，利用制造精工不很高的工具电极，通过加工过程中展成运动补偿自修正作用，可以加工出精度很高的工件型面。

6、加工时属于窄区放电的情况较多，极间电容的影响可以忽略不计，能够利用很小的单个脉冲放电能量顺利地进行精加工和超精加工。

7、可以实现电规程的连续转换和加工尺寸的连续进给，使精加工余量减至最小的限度，对提高平均电蚀生产率和加工效率有很大好处。

综上所述，从有关设备的结构、特征、功能、精度设计、用途、加工精度和加工表面质量等方面看本发明同现有技术相比所具有的优点和积极效果就十分明显，还有下列几点：

1、结构新颖。创造性地在电火花加工设备上运用了多轴转动和转角联动，使运动成形组合条件多样化、且优化了工艺技术条件。

2、加工类型广泛，可以说绝大部分机械加工厂或具有规模的机加工车间，均能利用本发明解决该单位需要解决而过去无法解决的加工工艺难题，仅是以行业的不同，利用面大小有所不同而已。

3、综合技术指标高以及其能同时兼得。如实现微米级精度大平面、曲面等的镜面加工，这项工艺目标一直是国际电加工界企求解决而未能实际解决的问题。

4、对工件材料有广泛的加工适应性，能弥补传统机械加工方法的不足。如一些设备或仪器大的易损件，机械加工方法只能加工淬硬钢制工件，利用本设备可加工硬质合金制工件，后者使用寿命能提高20-30倍。

附图简要说明如下：

图1是本设备的正面视图和顶视图，图中1-基座;2-转台;3-座标工作台;4-电极头架;5-工件头架;6-竖向移动机构;7-水平移动机构;8-微电机组。

图2是本设备的工件芯轴和工具电极芯轴轴线平行设置，两轴以差动方式回转，用圆筒形电极加工圆截面形密封橡胶圈的压模环道，可以将工件模块加工到很高的对合精度。

图3是两轴线平行设置，以差动方式回转，用曲线回转体形手柄状工具电极加工塑料压模，可以使型面线型过渡光洁圆滑。

图4是两轴线平行设置，以同步共轭方式回转，用外螺纹电极加工内螺纹的运动和进给方式的示意。

图5是两轴线平行设置，以比例差动共轭方式回转，用外齿轮电极加工内齿轮的运动和进给方式的示意。

图6是两轴线平行设置，以倍角共轭方式回转，用带缺口的齿轮状电极，加工变模数大齿轮的运动和进给方式的示意。采用这种方式还可进行一组齿轮的对合加工，能够加工出齿形对称精度很高，具有良好啮合性能的齿轮组件。

图7是两轴线平行设置，以倍角共轭方式回转，用图示形状电极加工静压轴承的高度对称形内油腔的运动和进给方式示意。

图8是两轴线平行设置，两轴以共轭方式回转，使对应加工部位的切向线速度接近相等，用容易制造的在外圆柱面上刻有凹字型，图案的电极在另一圆柱形淬硬滚压模上加工形成通常较难制造的凸型字和图案。

图9是以单轴回转并作直线往复平移展成运动，用旋转抛物线型电极加工抛物柱面反光镜压模的示图。

图10是以单轴回转并作直线往复平移展成运动，使转动与平移运动按一定比速协调动作，用易于制造的平面字型，图案的凹形电极在圆柱形淬硬滚压模上加工成凸型字和图案。

图11是以单轴回转并作直线往复平移展成运动用多环状电极加工淬硬精密齿条的加工方式示意。

图12是两轴线平行设置，以共轭展成方式控制转动与平移运动的比速，用齿条状工具电极加工齿轮的加工方式示图。

图13是两轴线平行设置，一轴回转，另一轴回转运动与径向直线运动联锁，用成型旋转电极一次性展成弧面齿滚刀上整排齿背的等速螺旋线型面。

图14是两轴线平行设置，一轴回转，另一轴回转运动与径向，轴向直线运动联锁，用圆柱形旋转电极加工空间等速螺旋面内凸轮的示图。

图15是工件芯轴和工具电极芯轴轴线相交成一定角度设置，两轴以同步共轭方式回转，用卷绕在圆柱体上的螺旋状金属丝作工具电极，在圆锥面上加工两端不通头的螺旋状油槽的加工方式示意，用类似方式可加工内，外锥度螺纹。

图16是两轴线相交成一定角度设置，两轴以比例差动共轭方式回转，用圆锥形齿轮电极加工内圆锥齿轮或两个齿轮的对合加工示意。

图17是两轴线相交成一定角度设置，两轴以倍角共轭方式回转，用带锥度的工具电极加工锥形静压轴承的高度对称形油腔的加工方式示意。

图18是工件芯轴和工具电极芯轴轴线相互垂直设置，两轴以差动方式回转，用转盘状电极加工圆截面形密封橡胶圈的压模环道，环道工作面的表面质量可达到很高的工艺指标。

图19是两轴线相互垂直设置，两轴以共轭方式回转，用蜗轮电极加工全啮合蜗杆的示意，然后再用类似方式使蜗轮、蜗杆副作对合加工，可以得到用机械方法很难制造的传动啮合性能和承截能力特别好的偶合件。

图20是两轴线相互垂直设置，两轴以共轭方式回转，用圆锥齿轮电极加工另一件难加工材料制造的圆锥齿轮或两个圆锥齿轮的对合加工的示意。

图21是两轴线相互垂直设置，一轴回转，另一轴回转运动与轴向直线运动联锁，用圆柱形电极精加工淬硬靠模螺旋槽的加工方式示意。

图22是两轴线相互垂直设置，一轴回转，另一轴回转运动与轴向直线运动联锁，用圆柱形电极加工端面凸轮的示图，可以得到过渡很匀滑，表面很光洁的曲面。

可以参照附图1和表1所列一组主要参数设计本设备。也可根据特定加工对象的技术要求进行调整，另行组配设计参数。

表1 本设备各主要部件设计参数

部件名称	设计参数
		工件芯轴	转速0－10转／分钟，可调
电极芯轴	转速0－500转／分钟，可调
		同步电机组	可同步、倍角或差动回转，主轴转速0－5转/分钟，连续可调
转台	台面直径1000毫米，有效回转角范围大于180度
		座标工作台	沿转台径向行程160毫米，切向行程200毫米，纵向及模向移动手轮读数分度0.01毫米，机动控制读数分度0.001毫米。
工件头架水平移动机构	移位行程150毫米，移位读数分度0.01毫米，可只用手动
		工件头架竖向移动机构	移位行程120毫米，移位读数分度0.01毫米

Claims (8)

1、一种展成式电火花精密加工设备其特征是该设备由三个回转机构和四个直线移动机构组成，三个回转机构包括工件芯轴的回转机构、工具电极芯轴的回转机构和转台的回转机构，四个直线移动机构包括工件头架座的水平直线移动机构和竖向直线移动机构、工具电极头架座的纵向直线移动机构和横向直线移动机构，上述机构能协调组合联动设置成多种展成运动方式，使该设备具有很丰富的加工功能，

a工件芯轴和工具电极芯轴轴线平行设置，

(a)两轴以差动方式回转，加工平面、圆柱面、微小孔和台阶孔等，

(b)两轴以共轭方式回转，用来加工螺纹、齿轮、静压轴承轴油腔、滚压模、共轭回转体等，

(c)单轴回转，头架座同时作直线往复平移展成运动，用来加工平面、棱柱面(如齿条)、平面和圆柱面上字符或图形的转移等，

(d)一轴回转，另一轴回转运动与头架座的径向(或再加轴向)直线运动联动(机械联动或机电联动或数控方式)，用来加工等速螺旋线型面和空间等速螺旋面凸轮等，

b工件芯轴和工具电极芯轴轴线相交成一定角度设置，

(a)两轴以差动方式回转，用来加工球面、锥面和旋转曲面等，

(b)两轴以共轭方式回转，用来加工锥度螺纹、锥齿轮、锥形静压轴承油腔及交接式共轭回转体等，

(c)一轴回转，另一轴回转运动与头架座的轴向直线运动联动，用来加工刀具螺旋槽等，

c工件芯轴和工具电极芯轴轴线相互垂直设置，

(a)两轴以差动方式回转，用来加工旋转圆弧面、环槽、凸肩等，

(b)两轴以共轭方式回转，用来加工全啮合蜗轮蜗杆副、端面齿轮和静压轴承油腔等，

(c)一轴回转，另一轴回转运动与头架座的轴向直线运动联动，用来加工靠模螺旋槽、端面凸轮等。

2、权利要求1所述的展成式电火花精密加工设备其特征是工件芯轴和工具电极芯轴均用微电机通过机械变速装置驱动，使用时两者功能可以互换，即工件芯轴上装工具电极，工具电极芯轴上装工件。

3、权利要求1所述的展成式电火花精密加工设备其特征是该设备中的转台既可作转角分度用，也可作转角进给加工用，能使工件转轴和电极转轴相互平行设置，相互垂直设置或相交成一定角度设置。

4、权利要求1所述的展成式电火花精密加工设备其特征是该设备能加工许多种类型很不相同的精密型面和工件，如精密平面、圆柱面、锥面、球面、旋转曲面、共轭曲面等速螺旋线型面、内外螺纹、齿轮、静压轴承油腔和复杂型面刀具等。

5、权利要求1所述的展成式电火花精密加工设备其特征是该设备中的工件头架座和工具电极头架座两者之中的一个头架座装在水平设置的直角座标工作台上，另一个头架座装在竖直设置的能按直角座标运动方式移位的基座上。

6、权利要求1所述的展成式电火花精密加工设备其特征是转台附有锁紧固定装置和位置刻度读数装置。

7、权利要求1所述的展成式电火花精密加工设备其特征是座标工作台可以直接调整固定在基座上而不设转台。

8、权利要求1所述的展成式电火花精密加工设备，其特征是本设备中部分结构的简化，如减少一个直线移位机构或减少一个转动机构，仍能保留所述的部分加工运动方式和功能，从而使本设备成为进行某些类型的加工的专用设备。

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