CN111230236B - 一种超声振动旋转磁场辅助微细电火花加工装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声振动旋转磁场辅助微细电火花加工装置及方法，属于特种加工技术领域，装置包括火花放电单元、Z向移动平台、超声振动装置、旋转磁场装置、X/Y向移动平台、集成控制单元、火花油循环装置及隔振平台，本发明采用超声振动辅助微细电火花加工深微孔，利用超声的空化泵吸作用，加速放电通道的形成，提升材料去除率，提高了加工效率，促进工作液的循环，使电蚀碎屑高效排出而减少拉弧放电的产生，提高加工精度及质量；采用旋转磁场辅助微细电火花加工深微孔，利用磁场产生的磁化力作用，促进电蚀碎屑排出，减小二次放电几率，提高深微孔孔壁质量。

Description

一种超声振动旋转磁场辅助微细电火花加工装置及方法

技术领域

本发明属于特种加工技术领域，具体涉及到一种超声振动旋转磁场辅助微细电火花加工装置及方法。

背景技术

孔加工是机械加工中所占比例比较大的一种加工工艺，约占机械加工总量的三分之一。在孔加工中尤其以小孔、深孔加工最为困难，特别是近年来材料向高强度、高硬度的方向发展，经常需要在一些难加工材料上加工小孔、深孔，如军用高能炸药黑索金的逐级导爆孔、高压共轨柴油机喷油嘴、卫星轴对称发动机喷孔、空间飞行器导流散热孔及嵌入式头锥微流孔等。

利用传统的机械加工方法效率比较低，而且由于刀具的磨损极大降低了孔的加工精度，有时甚至很难实现加工。电火花加工是利用极间脉冲放电产生的瞬时高温熔化、汽化材料，达到加工的目的。电火花加工不受材料硬度与强度限制，只与材料的导电与热学性能有关，能加工一切导电材料。利用电火花加工优势可以对小孔进行加工，但是电火花加工过程中因电蚀产物排除不良造成的拉弧、短路等不正常放电现象，使加工变得不稳定，严重影响加工效率及表面粗糙度。在满足电加工机床本身的加工能力下，考虑通过采用其他辅助方式来进一步提高加工性能。

超声与磁场均可以改善电火花加工过程极间放电状态，提高材料去除率，降低电极损耗，提高加工精度，有许多学者对超声与磁场辅助电火花深微孔加工进行研究，但迄今为止，超声与磁场同时作用对电火花加工产生的影响并未进行研究，未形成比较完善的超声与磁场辅助电火花深微孔加工的理论体系与方法。

因此，通过搭建超声与磁场辅助微细电火花加工装置，利用工件超声振动与旋转变磁场对电火花深微孔加工的促进作用，提升电火花深微孔加工效率及精度，对拓宽高强、高硬材料深微孔的应用至关重要。

发明内容

本发明的目的是提出了一种超声振动旋转磁场辅助微细电火花加工装置及方法，通过超声振动系统、旋转磁场系统的搭建，实现超声或磁场单一辅助微细电火花加工，或超声和磁场复合辅助微细电火花加工。该装置还能够实现旋转磁场辅助加工，变磁场辅助加工。通过装置提供的超声和磁场，充分发挥超声、磁场的加工优势，利用超声的空化、泵吸作用及磁场的磁化力和洛仑兹力的作用，改善间隙放电状态，增加放电通道半径，促进电蚀碎屑高效排出加工区域，提升电火花加工稳定性，解决深微孔电火花加工效率低、精度差难题，实现深微孔高效精密加工。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

本发明提出了一种超声振动旋转磁场辅助微细电火花加工装置，其特征在于，包括：火花放电单元、Z向移动平台、超声振动装置、旋转磁场装置、X/Y向移动平台、集成控制单元、火花油循环装置及隔振平台，所述火花放电单元用于提供持续稳定的电能，供给放电加工，火花放电单元包括脉冲电源、旋转主轴、夹头及电极，旋转主轴与Z向移动平台相连，用于提供电极的旋转运动；脉冲电源安装于旋转主轴上，脉冲电源提供电极放电加工所需电能；夹头通过螺纹与旋转主轴连接，夹头用于装夹电极；所述Z向移动平台固定在机床立柱上；所述超声振动装置用于提供放电加工过程中工件沿竖直方向的周期振动，超声振动装置包括压电陶瓷片、前盖板、预紧力螺栓、立柱、后盖板及超声波发生器，压电陶瓷片与超声波发生器电连接，压电陶瓷片用于接收超声波发生器发出的电信号，实现电能与振动能的转换；前盖板与后盖板上均具有声阻抗匹配层，前盖板与后盖板通过声阻抗匹配对振动能进行放大；前盖板、压电陶瓷片及后盖板依次通过预紧力螺栓进行连接构成整体；立柱固定在后盖板上，前盖板、压电陶瓷片及后盖板组成的整体通过立柱固定于X/Y向移动平台上；所述旋转磁场装置用于提供放电加工过程中垂直于放电通道方向的旋转磁场，旋转磁场装置包括步进电机、转台、调整螺栓、支架、固定螺栓及永磁铁，步进电机的输出轴与转台连接，步进电机用于驱动转台旋转；永磁铁通过支架与转台相连，并采用固定螺栓固定在支架上，永磁铁的数量为两个，两个永磁铁呈对称布置，支架通过调整螺栓固定在转台上；旋转磁场装置通过连接柱固定于X/Y向移动平台上；所述X/Y向移动平台包括X向移动平台和Y向移动平台，X向移动平台设置在Y向移动平台上，用于实现X向和Y向的联动；所述集成控制单元分别与火花放电单元、Z向移动平台、X/Y向移动平台及转台电连接，集成控制单元用于控制火花放电单元、Z向移动平台、X/Y向移动平台及转台的运动与放电，实现旋转磁场与放电加工的耦合；所述火花油循环装置用于提供火花放电加工所需的火花油，火花油循环装置包括油箱、油泵、喷油管、回油管、油槽及开关，油箱用于存放火花油；油泵安装于油箱上部；喷油管的一端与油泵连接，喷油管的另一端为火花油出口端；开关设置在喷油管上；油槽安装于立柱上；回油管的一端与油槽连接，回油管的另一端与油箱连接；所述隔振平台用于承载火花放电单元、Z向移动平台、超声振动装置、旋转磁场装置、X/Y向移动平台、集成控制单元及火花油循环装置。

进一步，所述电极的材质为硬质合金或铜，电极的表面涂覆有均匀厚度的陶瓷材料层。

进一步，所述步进电机的步进角为1.8°。

进一步，所述转台的角分辨率为0.0005°，重复定位精度0.002°。

进一步，所述连接柱的数量为四个，四个连接柱呈矩形布置。

进一步，所述隔振平台的材质为大理石。

本发明还提出了一种超声振动旋转磁场辅助微细电火花加工方法，其特征在于，所述方法采用上述超声振动旋转磁场辅助微细电火花加工装置进行加工，具体包括以下步骤，且以下步骤顺次进行：

步骤一、检查机床供电、供气情况，试运行火花油循环装置，检查无异常后将待加工工件通过卡具安装固定在超声振动装置上；

步骤二、根据加工需要选择相应永磁铁，将其安装固定于支架上；

步骤三、根据加工需要选择相应电极，将其安装固定于夹头上，通过电极导向装置引导电极；

步骤四、执行分中程序，设定工件坐标系，移动X/Y向移动平台和Z向移动平台，使电极端部精确定位到工件待加工位置上方；

步骤五、打开超声波发生器电源，使待加工工件沿Z轴方向振动；

步骤六、执行加工程序，通过预先编制的控制程序依次开启旋转主轴、脉冲电源及转台，进行超声磁场辅助微细电火花深微孔加工；

步骤七、工件加工完成后，依次关闭转台、脉冲电源及旋转主轴。

通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：

1、采用超声振动辅助微细电火花加工深微孔，利用超声的空化泵吸作用，加速放电通道的形成，提升材料去除率，提高了加工效率，促进工作液的循环，使电蚀碎屑高效排出而减少拉弧放电的产生，提高加工精度及质量。

2、采用旋转磁场辅助微细电火花加工深微孔，利用磁场产生的磁化力作用，促进电蚀碎屑排出，减小二次放电几率，提高深微孔孔壁质量。利用磁场产生的洛伦兹力作用，改变带电粒子运动轨迹，增加粒子碰撞几率，带电粒子雪崩式增多，单脉冲的放电能量变大，材料去除率提高。

附图说明

以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步说明：

图1为本发明实施例中超声振动旋转磁场辅助微细电火花加工装置的轴测图；

图2为本发明实施例中超声振动旋转磁场辅助微细电火花加工装置的加工区域局部放大图；

图3为本发明实施例中超声振动装置的结构示意图；

图4为本发明实施例中旋转磁场装置的结构示意图；

图5本发明实施例中超声振动辅助加工原理图；

图6本发明实施例中旋转磁场辅助加工原理图。

图中：1-火花放电单元；101-脉冲电源；102-旋转主轴；103-夹头；104-电极；2-Z向移动平台；3-超声振动装置；301-压电陶瓷片；302-前盖板；303-预紧力螺栓；304-立柱；305-后盖板；306-超声波发生器；4-旋转磁场装置；401-步进电机；402-转台；403-调整螺栓；404-支架；405-固定螺栓；406-永磁铁；407-连接柱；5-X/Y向移动平台；501-X向移动平台；502-Y向移动平台；6-集成控制单元；7-火花油循环装置；701-油箱；702-油泵；703-喷油管；704-回油管；705-油槽；706-开关；8-隔振平台。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解。下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程及元件并没有详细的叙述。

如图1、图2、图3及图4所示，超声振动旋转磁场辅助微细电火花加工装置，包括火花放电单元1、Z向移动平台2、超声振动装置3、旋转磁场装置4、X/Y向移动平台5、集成控制单元6、火花油循环装置7及隔振平台8；

所述火花放电单元1可提供持续稳定的电能，供给放电加工，火花放电单元1包括脉冲电源101、旋转主轴102、夹头103及电极104，旋转主轴102与Z向移动平台2相连，用于提供电极104的旋转运动，可实现0～5000rad/min的稳定转动，有利于深微孔加工过程电蚀碎屑的高效排出；脉冲电源101安装于旋转主轴102上，脉冲电源101提供电极104放电加工所需电能；夹头103通过螺纹与旋转主轴102连接，夹头103用于装夹电极104，根据电极104的直径尺寸不同，夹头103可进行更换；电极104材质根据被加工材料可选用硬质合金或铜，电极104可进行涂覆处理，即在电极104表面涂覆均匀厚度的陶瓷材料，实现深微孔的无锥度加工。

所述Z向移动平台2固定在机床立柱上，Z向移动平台2用于提供放电加工过程中火花放电单元1的竖直运动，Z向移动平台2采用高精密高分辨率滑台，交流伺服电极进行驱动，精度±1μm，重复定位精度0.1μm。

所述超声振动装置3用于提供放电加工过程中工件沿竖直方向的周期振动，超声振动装置3包括压电陶瓷片301、前盖板302、预紧力螺栓303、立柱304、后盖板305及超声波发生器306，所述压电陶瓷片301与超声波发生器306电连接，压电陶瓷片301接收超声波发生器306发出的电信号，实现电能与振动能的转换；前盖板302与后盖板305上均具有声阻抗匹配层，前盖板302与后盖板305通过声阻抗匹配对振动能进行放大；前盖板302、压电陶瓷片301及后盖板305依次通过预紧力螺栓303进行连接构成整体，并设置预紧力矩，保证振动性能；立柱304固定在后盖板305上，前盖板302、压电陶瓷片301及后盖板305组成的整体通过立柱304固定于X/Y向移动平台5。

所述旋转磁场装置4用于提供放电加工过程中垂直于放电通道方向旋转磁场，旋转磁场装置4包括步进电机401、转台402、调整螺栓403、支架404、固定螺栓405及永磁铁406，步进电机401的输出轴与转台402连接，步进电机401用于驱动转台402旋转，步进电机401的步进角1.8°；磁场的旋转由转台402提供，转台402的角分辨率0.0005°，重复定位精度0.002°，永磁铁406通过支架404与转台402相连，并采用固定螺栓405固定在支架404上，可根据加工需求更换，实现变磁场加工，永磁铁406的数量为两个，两个永磁铁406呈对称布置，支架404通过调整螺栓403固定在转台402上，永磁铁406的旋转半径由调整螺栓403进行调整；旋转磁场装置4通过连接柱407固定于X/Y向移动平台5上，连接柱407数量为四个，四个连接柱407呈矩形布置。

所述X/Y向移动平台5采用高精密移动平台，用于提供加工所需的二维平面运动，X/Y向移动平台5包括X向移动平台501和Y向移动平台502，X向移动平台501设置在Y向移动平台502上，用于实现X向和Y向的联动。

所述集成控制单元6分别与火花放电单元1、Z向移动平台2、X/Y向移动平台5及转台402电连接，集成控制单元6用于控制火花放电单元1、Z向移动平台2、X/Y向移动平台5及转台402的运动与放电，实现旋转磁场与放电加工的耦合。

所述火花油循环装置7用于提供火花放电加工所需的火花油，根据加工需求，可实现油压的变化；火花油循环装置7包括油箱701、油泵702、喷油管703、回油管704、油槽705及开关706，油箱701用于存放火花油；油泵702安装于油箱701上部，喷油管703的一端与油泵702连接，喷油管703的另一端为火花油出口端；开关706设置在喷油管703上；油泵702的作用是将火花油输送到喷油管703，通过调整喷油管703出口方向，将火花油喷射到加工区域，为放电加工提供条件，火花油的通断由安装在喷油管703上的开关706控制；油槽705安装于立柱304上，其作用是避免火花油接触转台402，造成其损坏；回油管704的一端与油槽705连接，回油管704的另一端与油箱701连接，喷射出的火花油通过油槽705收集，流经回油管704流回油箱701，实现火花油循环更替。

所述隔振平台8用于承载火花放电单元1、Z向移动平台2、超声振动装置3、旋转磁场装置4、X/Y向移动平台5、集成控制单元6及火花油循环装置7，降低地面振动对超声振动旋转磁场辅助微细电火花加工装置的影响，提升加工精度与稳定性；隔振平台8由大理石制成，其受热膨胀系数低、硬度极高不容易因环境变化而发生改变，具有一定的吸振性能。

采用上述超声振动旋转磁场辅助微细电火花加工装置进行超声振动旋转磁场辅助微细电火花加工方法，具体操作如下：检查机床供电、供气情况，试运行火花油循环装置7，检查无异常后将待加工工件通过卡具安装固定于超声振动装置3上；根据加工需要选择相应永磁铁406，将其安装固定于支架404上；根据加工需要选择相应直径电极104，通过夹头103将其安装固定于旋转主轴102上；执行分中程序，设定工件坐标系，移动X/Y向移动平台5和Z向移动平台2，使电极104端部精确定位到工件待加工位置上方；打开超声波发生器306电源，使待加工工件沿Z轴方向振动；执行加工程序，通过预先编制的控制程序依次开启旋转主轴102、脉冲电源101及转台402，进行超声磁场辅助微细电火花深微孔加工；加工过程中，旋转主轴102的转速和转台402的转速可通过集成控制单元6进行实时调整，工件加工完成后，依次关闭转台402、脉冲电源101及旋转主轴102。通过对待加工工件施加超声振动，在放电间隙产生空化、泵吸效应，促使电蚀碎屑高效排出，改善放电状态，提高加工精度及表面粗糙度，超声振动辅助加工原理如图5所示，图5中，a表示电蚀碎屑，b表示工件电极；通过施加旋转磁场，使带电粒子在磁场中受洛伦兹力作用，进而改变带电粒子运动轨迹，增加粒子碰撞几率，使带电粒子雪崩式增多，单脉冲的放电能量变大，材料去除率提高，旋转磁场辅助加工原理如图6所示，图6中b表示工件电极。

Claims (7)

1.超声振动旋转磁场辅助微细电火花加工装置，其特征在于，包括：火花放电单元(1)、Z向移动平台(2)、超声振动装置(3)、旋转磁场装置(4)、X/Y向移动平台(5)、集成控制单元(6)、火花油循环装置(7)及隔振平台(8)，所述火花放电单元(1)用于提供持续稳定的电能，供给放电加工，火花放电单元(1)包括脉冲电源(101)、旋转主轴(102)、夹头(103)及电极(104)，旋转主轴(102)与Z向移动平台(2)相连，用于提供电极(104)的旋转运动；脉冲电源(101)安装于旋转主轴(102)上，脉冲电源(101)提供电极(104)放电加工所需电能；夹头(103)通过螺纹与旋转主轴(102)连接，夹头(103)用于装夹电极(104)；所述Z向移动平台(2)固定在机床立柱上；所述超声振动装置(3)用于提供放电加工过程中工件沿竖直方向的周期振动，超声振动装置(3)包括压电陶瓷片(301)、前盖板(302)、预紧力螺栓(303)、立柱(304)、后盖板(305)及超声波发生器(306)，压电陶瓷片(301)与超声波发生器(306)电连接，压电陶瓷片(301)用于接收超声波发生器(306)发出的电信号，实现电能与振动能的转换；前盖板(302)与后盖板(305)上均具有声阻抗匹配层，前盖板(302)与后盖板(305)通过声阻抗匹配对振动能进行放大；前盖板(302)、压电陶瓷片(301)及后盖板(305)依次通过预紧力螺栓(303)进行连接构成整体；立柱(304)固定在后盖板(305)上，前盖板(302)、压电陶瓷片(301)及后盖板(305)组成的整体通过立柱(304)固定于X/Y向移动平台(5)上；所述旋转磁场装置(4)用于提供放电加工过程中垂直于放电通道方向的旋转磁场，旋转磁场装置(4)包括步进电机(401)、转台(402)、调整螺栓(403)、支架(404)、固定螺栓(405)及永磁铁(406)，步进电机(401)的输出轴与转台(402)连接，步进电机(401)用于驱动转台(402)旋转；永磁铁(406)通过支架(404)与转台(402)相连，并采用固定螺栓(405)固定在支架(404)上，永磁铁(406)的数量为两个，两个永磁铁(406)呈对称布置，支架(404)通过调整螺栓(403)固定在转台(402)上；旋转磁场装置(4)通过连接柱(407)固定于X/Y向移动平台(5)上；所述X/Y向移动平台(5)包括X向移动平台(501)和Y向移动平台(502)，X向移动平台(501)设置在Y向移动平台(502)上，用于实现X向和Y向的联动；所述集成控制单元(6)分别与火花放电单元(1)、Z向移动平台(2)、X/Y向移动平台(5)及转台(402)电连接，集成控制单元(6)用于控制火花放电单元(1)、Z向移动平台(2)、X/Y向移动平台(5)及转台(402)的运动与放电，实现旋转磁场与放电加工的耦合；所述火花油循环装置(7)用于提供火花放电加工所需的火花油，火花油循环装置(7)包括油箱(701)、油泵(702)、喷油管(703)、回油管(704)、油槽(705)及开关(706)，油箱(701)用于存放火花油；油泵(702)安装于油箱(701)上部；喷油管(703)的一端与油泵(702)连接，喷油管(703)的另一端为火花油出口端；开关(706)设置在喷油管(703)上；油槽(705)安装于立柱(304)上；回油管(704)的一端与油槽(705)连接，回油管(704)的另一端与油箱(701)连接；所述隔振平台(8)用于承载火花放电单元(1)、Z向移动平台(2)、超声振动装置(3)、旋转磁场装置(4)、X/Y向移动平台(5)、集成控制单元(6)及火花油循环装置(7)。

2.根据权利要求1所述的超声振动旋转磁场辅助微细电火花加工装置，其特征在于：所述电极(104)的材质为硬质合金或铜，电极(104)的表面涂覆有均匀厚度的陶瓷材料层。

3.根据权利要求1所述的超声振动旋转磁场辅助微细电火花加工装置，其特征在于：所述步进电机(401)的步进角为1.8°。

4.根据权利要求1所述的超声振动旋转磁场辅助微细电火花加工装置，其特征在于：所述转台(402)的角分辨率为0.0005°，重复定位精度0.002°。

5.根据权利要求1所述的超声振动旋转磁场辅助微细电火花加工装置，其特征在于：所述连接柱(407)的数量为四个，四个连接柱(407)呈矩形布置。

6.根据权利要求1所述的超声振动旋转磁场辅助微细电火花加工装置，其特征在于：所述隔振平台(8)的材质为大理石。

7.超声振动旋转磁场辅助微细电火花加工方法，其特征在于，所述方法采用权利要求1-6中任意一项所述的超声振动旋转磁场辅助微细电火花加工装置进行加工，具体包括以下步骤，且以下步骤顺次进行：

步骤一、检查机床供电、供气情况，试运行火花油循环装置(7)，检查无异常后将待加工工件通过卡具安装固定在超声振动装置(3)上；

步骤二、根据加工需要选择相应永磁铁(406)，将其安装固定于支架(404)上；

步骤三、根据加工需要选择相应电极(104)，将其安装固定于夹头(103)上，通过电极导向装置引导电极(104)；

步骤四、执行分中程序，设定工件坐标系，移动X/Y向移动平台(5)和Z向移动平台(2)，使电极(104)端部精确定位到工件待加工位置上方；

步骤五、打开超声波发生器(306)电源，使待加工工件沿Z轴方向振动；

步骤六、执行加工程序，通过预先编制的控制程序依次开启旋转主轴(102)、脉冲电源(101)及转台(402)，进行超声磁场辅助微细电火花深微孔加工；

步骤七、工件加工完成后，依次关闭转台(402)、脉冲电源(101)及旋转主轴(102)。

Images