CN111283279A - 一种适用于高速旋转的微细电火花/电解加工主轴 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于高速旋转的微细电火花/电解加工主轴。所述微细电火花/电解加工主轴以NSK生产的BM320F电主轴做为动力源，在高的回转精度下可以实现1000‑80000r/min连续可调，实现微细电火花/电解的高速、超高速旋转加工；其引电支撑件采用绝缘的PLA材料3D打印，可以实现复杂结构一体打印成型，确保主轴整体简单、结构紧凑；其动力传动装置采用T型转接金属件与绝缘套筒紧密配合螺纹贯穿连接结构，在保证高的传动精度下实现与电主轴的有效绝缘。

Description

一种适用于高速旋转的微细电火花/电解加工主轴

技术领域

本发明涉及微细特种加工技术领域，特别是涉及一种适用于高速旋转的微细电火花/电解加工主轴。

背景技术

微细电火花加工(Electrical Discharge Machining，EDM)又称为放电加工或电蚀加工，它是在加工过程中，使工具和工件之间不断产生脉冲性的火花放电，利用放电时产生的瞬时、局部高温将金属材料蚀掉；加工过程中，工具与工件不接触。该技术已经广泛应用于诸如硬质合金、模具钢、淬火钢、聚晶金刚石等硬质、难加工材料的微细加工，亦可用于加工低刚度和复杂表面形状工件的微细加工。

微细电解加工(Microelectrochemical machining)是指在微细加工范围内(1μm～1mm)，应用电解加工得到高精度、微小尺寸零件的加工方法，现已广泛应用筒形零件、花键孔、内齿轮、模具、阀片等异形零件的精密超精密微细加工。

微细电火花加工和微细电解加工的实施基础是相对应的微细电火花加工机床和微细电解加工机床，而微细电火花加工和微细电解加工机床关键核心部件是其对应的主轴。微细电火花加工主轴和微细电解加工主轴需要实现的功能共同点为：一是主轴需要高精度旋转、二是需要将微细电火花电源或者微细电解电源的一极引入到微细工具上。目前，微细电火花加工和微细电解加工中应用的比较普遍的是电机驱动的V块主轴，这种V块主轴虽然能实现比较高精度的回转，但也存在以下一些问题：一是电机驱动的主轴转速不高，一般最高转速为4000-5000r/min，难以实现高速、超高速旋转加工；二是加工装置比较复杂，结构不是很紧凑；三是主轴与机床本体之间不能良好的电绝缘，影响加工效率和加工质量。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于高速旋转的微细电火花/电解加工主轴，以解决传统V块主轴转速低、装置复杂、结构不紧凑、与机床本体之间无法实现良好电绝缘的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种适用于高速旋转的微细电火花/电解加工主轴，所述微细电火花/电解加工主轴包括：动力源模块、动力传动模块、引电模块；

所述动力源模块为日本NSK生产的BM320F电主轴；所述动力传动模块包括T型转接金属件、绝缘套筒和贯穿螺栓；所述T型转接金属件的小端和大端均为圆柱形；所述小端位于所述大端顶部；所述大端具有一个水平贯穿的大端螺栓孔；所述绝缘套筒顶部中间具有与所述T型转接金属件的所述大端配合的光孔，所述绝缘套筒顶部还具有与所述T型转接金属件的所述大端的所述大端螺栓孔对应的水平螺栓通孔；所述绝缘套筒底部具有不锈钢螺栓孔；所述不锈钢螺栓孔与所述光孔之间不接触；所述引电模块包括引电支撑件、旋紧撑开螺栓、旋紧撑开螺母、工具电极夹头、工具电极、碳刷、导电螺栓、导电弹簧和导电铜片；

所述引电支撑件顶部两翼板通过所述旋紧撑开螺栓和所述旋紧撑开螺母安装在所述BM320F电主轴的轴身上；所述T型转接金属件通过顶部的所述小端与所述BM320F电主轴的主轴联接；所述T型转接金属件的所述大端位于所述绝缘套筒顶部的所述光孔内；所述贯穿螺栓通过所述绝缘套筒顶部的所述水平螺栓通孔和所述大端螺栓孔将所述T型转接金属件与所述绝缘套筒连接在一起；所述工具电极夹头通过其顶部螺纹旋入所述绝缘套筒底部的所述不锈钢螺栓孔内；所述工具电极夹装在所述工具电极夹头底部；所述引电支撑件底部设有通孔；所述导电螺栓、所述导电铜片、所述导电弹簧以及所述碳刷依次连接设置在所述通孔内；所述碳刷首部与所述工具电极接触，所述碳刷尾部连接所述导电弹簧的一端；所述导电弹簧的另一端连接所述导电铜片一侧；所述导电螺栓首部顶着所述导电铜片另一侧，所述导电螺栓尾部连接电火花电源或电解电源的一极。

可选的，所述BM320F电主轴的转速范围为1000-80000r/min。

可选的，所述T型转接金属件的所述小端的直径为3.175mm；所述大端的直径大于所述小端的直径。

可选的，所述工具电极夹头为调质钢沉头锥螺栓。

可选的，所述工具电极为直径1mm的碳化钨圆柱棒。

可选的，所述碳刷采用石墨材料制成；所述引电支撑件采用PLA材料3D打印制成。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供一种适用于高速旋转的微细电火花/电解加工主轴，该主轴以NSK生产的BM320F电主轴做为动力源，在高的回转精度下可以实现1000-80000r/min连续可调，实现微细电火花/电解的高速、超高速旋转加工；其引电支撑件采用绝缘的PLA材料3D打印，可以实现复杂结构一体打印成型，确保主轴整体简单、结构紧凑；其动力传动装置采用T型转接金属件与绝缘套筒紧密配合螺纹贯穿连接结构，在保证高的传动精度下实现与电主轴的有效绝缘。

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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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为本发明提供的微细电火花/电解加工主轴的整体结构示意图；其中图1(a)为整体结构的正视图；图1(b)为整体结构的立体结构图；

图2为本发明提供的T型转接金属件的结构示意图；其中图2(a)为T型转接金属件的剖面图；图2(b)为T型转接金属件的立体结构图；

图3为本发明提供的绝缘套筒的结构示意图；其中图3(a)为绝缘套筒的剖面图；图3(b)为绝缘套筒的立体结构图；

图4为本发明提供的工具电极夹头与工件电极安装示意图；

图5为本发明提供的引电装置的部分结构示意图；其中图5(a)为其剖面图；图5(b)为其立体结构图；

图中标号分别为：1、BM320F电主轴；2、引电支撑件；3、旋紧撑开螺栓；4、旋紧撑开螺母；5、T型转接金属件；6、贯穿螺栓；7、绝缘套筒；8、工具电极夹头；9、工具电极；10、导电螺栓；11、碳刷；12、导电弹簧；13、导电铜片；14、小端；15、大端；16、大端螺栓孔；17、水平螺栓通孔；18、光孔；19、不锈钢螺栓孔。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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。

本发明的目的是提供一种适用于高速旋转的微细电火花/电解加工主轴，以解决传统V块主轴转速低、装置复杂、结构不紧凑、与机床本体之间无法实现良好电绝缘的问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明提供的适用于高速旋转的微细电火花/电解加工主轴的整体结构示意图。如图1所示，所述适用于高速旋转的微细电火花/电解加工主轴包括：动力源模块、动力传动模块、引电模块。

其中，所述动力源模块采用日本NSK(日本精工株式会社)生产的BM320F电主轴1作为动力源，其转速1000-80000r/min连续可调。本发明采用NSK生产的BM320F电主轴(简称电主轴)1做为动力源，在高的回转精度下可以实现1000-80000r/min连续可调，能够实现微细电火花/电解的高速、超高速旋转加工。

所述动力传动模块包括T型转接金属件5、绝缘套筒7和贯穿螺栓6。图2为本发明提供的T型转接金属件的结构示意图。如图2所示，本发明所述T型转接金属件5由顶部小端14和底部大端15构成。其中小端14和大端15均为圆柱形，小端14直径为3.175mm，大端15的直径大于小端14的直径。所述小端14位于所述大端15顶部；所述大端15中部具有一个水平贯穿的大端螺栓孔16。在使用时，所述小端14安装在BM320F电主轴1上，T型转接金属件5的大端15中部的水平贯穿的螺栓孔16用于与绝缘套筒7上的水平螺栓通孔17对应连接。

图3为本发明提供的绝缘套筒的结构示意图。如图3所示，所述绝缘套筒7顶部中间具有与所述T型转接金属件5的所述大端15配合的光孔18，所述绝缘套筒7顶部还具有与所述T型转接金属件5的所述大端15的所述大端螺栓孔16位置对应的水平螺栓通孔17；所述绝缘套筒7底部还具有不锈钢螺栓孔19，并且所述不锈钢螺栓孔19与所述光孔18之间不接触。

在使用时，所述T型转接金属件5通过顶部的所述小端14与所述BM320F电主轴1的主轴联接；所述T型转接金属件5的所述大端15位于所述绝缘套筒7顶部的所述光孔18内；所述贯穿螺栓6通过所述绝缘套筒7顶部的所述水平螺栓通孔17和所述大端螺栓孔16将所述T型转接金属件5与所述绝缘套筒7连接在一起。

所述引电模块包括引电支撑件2、旋紧撑开螺栓3、旋紧撑开螺母4、工具电极夹头8、工具电极9、碳刷11、导电螺栓10、导电弹簧12和导电铜片13。

图4为本发明提供的工具电极夹头与工件电极安装示意图。所述工具电极夹头8为调质钢沉头锥螺栓，其顶部具有螺纹。所述工具电极9为直径1mm的碳化钨圆柱棒，组装结构图如图4所示。

本发明所述绝缘套筒7为塑料材料加工而成，结构如图3所示，上半部分有与T型转接金属件5大端15配合的光孔18，且有与T型转接金属件5大端15配合的水平螺栓通孔17，T型转接金属件5的大端15与绝缘套筒7的光孔18的配合为过渡配合，间隙趋近于0，这样能够保证两者之间的同轴度。绝缘套筒7下半部分嵌入不锈钢螺栓孔19但未与上半部分贯穿，且需要保证螺栓孔19与光孔18的同轴度要求。螺栓孔19入口设置一定的锥度，其锥度与工具电极夹头8的锥度相等，利用锥孔的配合来保证绝缘套筒7和工具电极9的同轴度，达到保证工具电极9和BM320F电主轴1同轴度的要求。

图5为本发明提供的引电装置的部分结构示意图。本发明所述碳刷11为石墨材料，所述引电支撑件2采用塑料PLA(polylactic acid，聚乳酸)材料3D打印制成，组装结构如图5所示。所述引电支撑件2顶部具有结构为U型的两翼板，两翼板下方设置L形的支撑杆，L形支撑杆底部横杆内设有通孔，所述导电螺栓10、所述导电铜片13、所述导电弹簧12以及所述碳刷11依次连接设置在所述通孔内。其中，所述碳刷11装在引电支撑件2内，碳刷11尾部接有导电弹簧12，导电弹簧12保证碳刷11能与工具电极9始终接触，导电弹簧12另一端连接导电铜片13，导电螺栓10顶着导电铜片13，导电螺栓10尾部接电火花电源/电解电源一极。

本发明适用于高速旋转的微细电火花/电解加工主轴的整体装配图如图1所示，所述T型转接金属件5通过螺栓6与绝缘套筒7连接，通过T型转接金属件5的小端14与电主轴1联接，工具电极9装在工具电极夹头8上，工具电极夹头8通过螺纹旋入绝缘套筒7的螺纹孔19内，所述引电支撑件2通过顶部两翼板安装在BM320F电动高速主轴1的轴身上，通过旋紧撑开螺栓3与螺母4固定在BM320F电主轴上。

具体的，如图1所示，所述动力源模块为日本NSK生产的BM320F电主轴1；所述动力传动模块包括T型转接金属件5、绝缘套筒7和贯穿螺栓6；所述T型转接金属件5的小端14和大端15均为圆柱形；所述小端14位于所述大端15顶部；所述大端15具有一个水平贯穿的大端螺栓孔16；所述绝缘套筒7顶部中间具有与所述T型转接金属件5的所述大端14配合的光孔18，所述绝缘套筒7顶部还具有与所述T型转接金属件5的所述大端15的所述大端螺栓孔16对应的水平螺栓通孔17；所述绝缘套筒7底部具有不锈钢螺栓孔19；所述不锈钢螺栓孔19与所述光孔18之间不接触。

所述引电支撑件2顶部两翼板通过所述旋紧撑开螺栓3和所述旋紧撑开螺母4安装在所述BM320F电主轴1的轴身上；所述T型转接金属件5通过顶部的所述小端14与所述BM320F电主轴1的主轴联接；所述T型转接金属件5的所述大端15位于所述绝缘套筒7顶部的所述光孔18内；所述贯穿螺栓6通过所述绝缘套筒7顶部的所述水平螺栓通孔17和所述大端螺栓孔16将所述T型转接金属件5与所述绝缘套筒7连接在一起；所述工具电极夹头8通过其顶部螺纹旋入所述绝缘套筒7底部的所述不锈钢螺栓孔19内；所述工具电极9夹装在所述工具电极夹头8底部；所述引电支撑件2底部设有通孔；所述导电螺栓10、所述导电铜片13、所述导电弹簧12以及所述碳刷11依次连接设置在所述通孔内；所述碳刷11首部与所述工具电极9接触，所述碳刷11尾部连接所述导电弹簧12的一端；所述导电弹簧12的另一端连接所述导电铜片13一侧；所述导电螺栓10首部顶着所述导电铜片13另一侧，所述导电螺栓10尾部连接电火花电源或电解电源的一极。

其中，所述BM320F电主轴1的转速范围为1000-80000r/min。

所述T型转接金属件5的所述小端14的直径为3.175mm；所述大端15的直径大于所述小端14的直径。

所述工具电极夹头8为调质钢沉头锥螺栓。

所述工具电极9为直径1mm的碳化钨圆柱棒。

所述碳刷11采用石墨材料制成；所述引电支撑件2采用PLA材料3D打印制成。

本发明提供的是一种适用于高速旋转的微细电火花或微细电解加工主轴，可以安装在微细电火花加工机床或者微细电解加工机床上使用，进行微细电火花加工或者微细电解加工。

微细电火花加工实施例：

将适用于高速旋转的微细电火花加工主轴安装到微细电火花加工机床上，工具电极9通过工具电极夹头8安装到电主轴1上。微细电火花加工前，需对工具电极9进行块/线电极电火花磨削加工，这样能够保证加工后的微细工具电极9与电主轴1有很好的同轴度。

电火花在线磨削加工时，电火花电源的阳极通过碳刷11引电到工具电极9上，根据加工需要将工具电极9磨削到需要的微细尺寸。

微细电火花加工时，将微细电火花加工电源的阴极通过碳刷11引电到微细工具电极9上，然后通过BM320F电主轴1控制器设置主轴需要的转速，转速范围为1000-80000r/min，一般在20000r/min以内，然后在控制系统的控制下进行微细电火花加工。

微细电解加工实施例：

将适用于高速旋转的微细电解加工主轴安装到微细电解加工机床上，工具电极9通过工具电极夹头8安装到电主轴1上。微细电解加工前，需对工具电极9进行块/线电极电火花磨削加工，这样能够保证加工后的微细工具电极9与电主轴1有很好的同轴度。

电火花在线磨削加工时，电火花电源的阳极通过碳刷11引电到工具电极9上，根据加工需要将工具电极9磨削到需要的微细尺寸。

微细电解加工时，将微细电解加工电源的阴极通过碳刷11引电到微细工具电极9上，然后通过BM320F电主轴1控制器设置主轴需要的转速，转速范围为1000-80000r/min，一般在20000r/min以内，然后在控制系统的控制下进行微细电解加工。

本发明提供的一种适用于高速旋转的所述微细电火花/电解加工主轴，其设计巧妙，结构紧凑，性能优良，方便实用，可以实现电火花加工、电解加工，其优势如下：

1、以NSK电主轴1作为动力源，该电主轴1的转速1000-80000r/min连续可调，可以实现微细电火花/电解加工中主轴高速旋转。

2、通过绝缘套筒7和3D打印的PLA导电支撑件2将电主轴1与引电的工具电极9隔离开，结构紧凑且能够实现良好的电绝缘。

3、通过螺栓9顶着弹簧10连接碳刷11的结构，使得电传输具有半自动调节功能，能够保证碳刷11始终与工具电极9接触，保证电传输的稳定性。

4、T型转接金属件5与绝缘套筒7过渡配合，绝缘套筒7通过锥度与工具电极9配合，能够保证高的回转精度与加工稳定性。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种适用于高速旋转的微细电火花/电解加工主轴，其特征在于，所述微细电火花/电解加工主轴包括：动力源模块、动力传动模块、引电模块；

所述动力源模块为日本NSK生产的BM320F电主轴；所述动力传动模块包括T型转接金属件、绝缘套筒和贯穿螺栓；所述T型转接金属件的小端和大端均为圆柱形；所述小端位于所述大端顶部；所述大端具有一个水平贯穿的大端螺栓孔；所述绝缘套筒顶部中间具有与所述T型转接金属件的所述大端配合的光孔，所述绝缘套筒顶部还具有与所述T型转接金属件的所述大端的所述大端螺栓孔对应的水平螺栓通孔；所述绝缘套筒底部具有不锈钢螺栓孔；所述不锈钢螺栓孔与所述光孔之间不接触；所述引电模块包括引电支撑件、旋紧撑开螺栓、旋紧撑开螺母、工具电极夹头、工具电极、碳刷、导电螺栓、导电弹簧和导电铜片；

所述引电支撑件顶部两翼板通过所述旋紧撑开螺栓和所述旋紧撑开螺母安装在所述BM320F电主轴的轴身上；所述T型转接金属件通过顶部的所述小端与所述BM320F电主轴的主轴联接；所述T型转接金属件的所述大端位于所述绝缘套筒顶部的所述光孔内；所述贯穿螺栓通过所述绝缘套筒顶部的所述水平螺栓通孔和所述大端螺栓孔将所述T型转接金属件与所述绝缘套筒连接在一起；所述工具电极夹头通过其顶部螺纹旋入所述绝缘套筒底部的所述不锈钢螺栓孔内；所述工具电极夹装在所述工具电极夹头底部；所述引电支撑件底部设有通孔；所述导电螺栓、所述导电铜片、所述导电弹簧以及所述碳刷依次连接设置在所述通孔内；所述碳刷首部与所述工具电极接触，所述碳刷尾部连接所述导电弹簧的一端；所述导电弹簧的另一端连接所述导电铜片一侧；所述导电螺栓首部顶着所述导电铜片另一侧，所述导电螺栓尾部连接电火花电源或电解电源的一极。

2.根据权利要求1所述的微细电火花/电解加工主轴，其特征在于，所述BM320F电主轴的转速范围为1000-80000r/min。

3.根据权利要求1所述的微细电火花/电解加工主轴，其特征在于，所述T型转接金属件的所述小端的直径为3.175mm；所述大端的直径大于所述小端的直径。

4.根据权利要求1所述的微细电火花/电解加工主轴，其特征在于，所述工具电极夹头为调质钢沉头锥螺栓。

5.根据权利要求1所述的微细电火花/电解加工主轴，其特征在于，所述工具电极为直径1mm的碳化钨圆柱棒。

6.根据权利要求1所述的微细电火花/电解加工主轴，其特征在于，所述碳刷采用石墨材料制成；所述引电支撑件采用PLA材料3D打印制成。

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