CN1266764A - 精密微细孔电火花加工装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种精密微细孔电火花加工装置,由进给机构、运动联接件、进丝复合机构和高能脉冲放电电源组成。进给机构通过运动联结件驱动进丝复合机构,进而控制电极丝;高频脉冲放电电源提供放电加工能量和脉冲波形。本发明结构设计紧凑易于实现机床的小型化,摩擦传动机构用于精密进给提高了运动传递的平稳性和可靠性,适于精密微细孔的电火花加工。
Description
本发明涉及一种精密微细孔电火花加工装置，属机械加工技术领域。
电火花加工作为一种特种机械加工手段，自40年代问世以来迅速在机械加工领域中得到实用化。随着其加工技术的不断开发与完善，电火花加工在工业技术领域获得日益广泛的应用。电火花加工的基本机理是利用工件和工具电极之间的脉冲性火花放电，产生瞬间高温使工件材料表面有选择地局部熔化和汽化蚀除，从而获得一定形状尺寸和表面粗糙度要求的零部件。因此在加工高硬度、高强度等难加工金属材料，特别是模具加工方面，电火花加工的应用引人注目。
电火花加工由于其非接触加工的特点，适于微小零部件的加工制作。微细电火花加工的实现，在工业技术领域特别是在精密机械工程及微型机械、微电子技术、生物医学工程以及航空航天、通信等领域中有着日益广泛的应用前景。例如用于精密液压控制元件、超小型模具、刀具的精微加工，以及化纤喷丝板异型微小孔加工；用于发动机燃料喷嘴和涡轮叶片上冷却小孔的加工；用于集成电路引线模、图象显示器、电子枪和半导体焊头上的微小孔加工；用于光导纤维连接器和喷墨打印头微小孔加工等。
迄今已在工业上应用的使用空心电极的小孔电火花加工机床所能加工的最小尺寸约为φ0.2～0.3mm，其特点是加工速度较高但加工精度一般；近年来微细电火花加工技术的研究开发使得微小孔电火花加工在精度和尺寸上取得长足进展，可加工最小孔径达数微米，尺寸精度达到微米量级，表面粗糙度达到亚微米量级，但在加工速度和实际应用方面有待进一步探讨。
本发明的目的是设计一种综合小孔电火花加工机床和微细电火花加工技术长处的面向工业应用的微细孔电火花加工机，旨在从加工效率和加工精度两方面将微细孔电火花加工推向实用化水平。
本发明设计的精密微细孔电火花加工装置，由进给机构、运动联接件、进丝复合机构和高能脉冲放电电源组成；所述的进给机构通过运动联结件驱动进丝复合机构，进而控制电极丝；高频脉冲放电电源提供放电加工能量和脉冲波形；所述的进给机构包括侧向预紧机构、驱动轴、摩擦从动轮、减速输出摩擦轮和直线运动输出杆，驱动轴由预紧机构的预紧轮使其压紧在摩擦从动轮上，摩擦从动轮与减速输出摩擦轮同轴一体安装，直线运动输出杆被压紧在减速输出摩擦轮与预紧轮之间，输出杆的一端与运动联结件中的上联结盘相对固定；所述的运动联接件包括上、下联结盘、滚珠、环形永磁钢，滚珠置于上、下联接盘之间，环形永磁钢嵌于下联接盘的上端，下联接盘与进丝复合机构中的活塞相对固定；所述的进丝复合机构包括活塞、常闭夹丝机构、常开夹丝机构、套筒、轴承、转动机构，活塞中间开有孔，电极丝从孔中依次穿过常闭夹丝机构、常开加丝机构和导丝头，活塞置于套筒内，套筒由轴承支撑，转动机构与活塞端部相连；所述的高频脉冲电源包括可编程脉宽计数器、基频时钟发生器、可编程脉间计数器、使能控制逻辑电路、高频开关驱动器、直流电源和电子开关，可编程脉宽计数器和可编程脉间计算器接收用于控制脉冲的数字信号，基频时钟发生器向两个计数器发出时钟信号，使能控制逻辑电路控制二个计数器的工作，两个计数器向高频开关驱动器发生脉冲信号，电子开关根据该脉冲信号使直流源通断而成为脉冲。
该发明结构设计紧凑易于实现机床的小型化，摩擦传动机构用于精密进给提高了运动传递的平稳性和可靠性，微细电极的旋转进丝复合机构3使电极丝30的旋转与进给运动的复合有利于提高加工的稳定性和加工精度，高频脉冲放电电源可在保证加工精度的同时提高加工效率。该机床结构设计面向工业实际应用，适于精密微细孔的电火花加工。
附图说明：
图1为本发明设计的微细孔电火花加工装置的结构示意图。
图2为本装置中的摩擦传动精密进给机构示意图。
图3为本装置中的微细电极的旋转进丝复合机构示意图。
图4为本装置的进丝机构原理结构示意图，其中图4(a)、图4(b)、图4(c)分别为加工时的进给状态图。
图5为本装置中的永磁钢运动联结件结构示意图。
图6为本装置中的高频数控脉冲电源原理示意图。
以下结合附图，详细介绍本发明的内容。
在图1-图5中，1是摩擦传动精密进给机构，2是永磁钢运动联结件，3是微细电极的旋转进丝复合机构，4是加工部。10是微步距步进电机及其驱动轴，11是摩擦从动轮，12是与摩擦从动轮11同轴一体结构的减速输出摩擦轮，13和15是侧向预紧机构，14和16是预紧轮，17是直线运动输出杆；21是上联结盘，22是滚珠，23是下联结盘，24是环形永磁钢；30是电极丝，31是进给活塞，32是常闭式夹丝机构，33是常开式夹丝机构，34是限位柱销，35是旋转套筒，36是轴承，37是轴承支座，38是转动机构，39是导丝头；40是导丝套，41是工作液供给管，42是被加工工件。
本发明的精密微细孔电火花加工机床，包括摩擦传动精密进给机构1、永磁钢运动联结件2、微细电极的旋转进丝复合机构3、高频脉冲放电电源、加工状态检测与加工控制系统等。摩擦传动精密进给机构1通过永磁钢运动联结件2驱动微细电极的旋转进丝复合机构3控制电极丝30在进给方向的进退运动，永磁钢运动联结件2将摩擦传动机构的精密进给传递给微细电极的旋转进丝复合机构3但同时不牵连其旋转运动，微细电极的旋转进丝复合机构3在使电极丝30旋转的同时推动电极丝30连续加工进给，高频脉冲放电电源提供微细电火花加工所需的放电能量和脉冲波形，计算机加工控制系统通过检测电路反馈的放电电流和电压值识别出加工状态，并经驱动电路控制摩擦传动机构的精密伺服进给、进丝机构中对电极丝30的夹紧切换动作、放电电源的脉冲频率和能量等，从而进行稳定正常的放电加工。
用于电极丝30进给驱动的摩擦传动精密进给机构1出微步距步进电机及其驱动轴10、摩擦从动轮11、与摩擦从动轮11同轴一体结构的减速输出摩擦轮12、侧向预紧机构13、15和直线运动输出杆17构成。步进电机输出的旋转运动通过其驱动轴10、摩擦从动轮11和与摩擦从动轮11同轴一体结构的减速输出摩擦轮12构成的摩擦轮减速机构，输出微转角，该转角通过减速输出摩擦轮12与直线运动输出杆17之间的滚动摩擦，转变为直线运动输出杆17的高位移分辨率、大工作行程、运动均匀的直线位移进给。
摩擦传动精密进给机构1的直线运动输出杆17通过永磁钢运动联结件2驱动微细电极的旋转进丝复合机构3从而控制电极丝30在进给方向的进退运动。永磁钢运动联结件2由两端联接盘21和23、滚珠22和环形永磁钢24构成闭合磁路，上下相吸引，仅将摩擦传动机构1的精密进给传递给微细电极的旋转进丝复合机构3但同时不牵连影响其旋转运动。
微细电极的旋转进丝复合机构3由旋转套筒35、置于旋转套筒35内可沿轴向相对运动的进给活塞31、固定于进给活塞31前端的常闭式夹丝机构32和固定于旋转套筒35下端的导丝头底盘39上的常开式夹丝机构33等组成。夹丝机构采用电磁衔铁结构，其夹紧松开动作由电磁线圈驱动控制，在与旋转套筒35和电极丝30一起旋转的同时实现电极丝30的连续加工进给。
高频脉冲放电电源提供微细电火花加工所需的放电能量和脉冲波形。高频数控脉冲电源由计算机控制两个可编程计数器设定需要产生的脉冲电流的脉宽和脉间，使用具有高速开关特性的MOSFET功率器件，产生最小脉宽250ns、最小脉间250ns、最高脉冲频率2MHz的脉冲电流用于微细电火花加工。
计算机加工控制系统通过检测电路反馈的放电电流和电压值识别出加工状态，并经驱动电路控制摩擦传动机构的精密伺服进给、进丝机构中对电极丝30的夹紧切换动作、放电电源的脉冲频率和能量等，从而进行稳定正常的放电加工。
图1是微细孔电火花加工机床机械结构示意图。该微细孔电火花加工机床的机械结构主要由摩擦传动精密进给机构1、永磁钢运动联结件2、微细电极的旋转进丝复合机构3、加工部4等组成。摩擦传动精密进给机构1的直线运动输出杆17通过永磁钢运动联结件2驱动微细电极的旋转进丝复合机构3的进给活塞31控制电极丝30的进给。由上下联接盘21和23、滚珠22和环形永磁钢24构成闭合磁路的永磁钢运动联结件2将摩擦传动机构1的精密进给传递给微细电极的旋转进丝复合机构3但同时不牵连其旋转运动。由旋转套筒35、置于旋转套筒35内可轴向相对运动的进给活塞31、固定于进给活塞31前端的常闭式夹丝机构32和固定于旋转套筒35下端的导丝头底盘39上的常开式夹丝机构33等组成的微细电极旋转进丝复合机构3在使电极丝30旋转的同时实现连续加工进给。微细电极丝30通过同轴配合在导丝头上的导丝套40接近工件42，从而保持放电加工所需的间隙状态。在加工过程中，工作液通过工作液供给管41进入加工区，维持正常的电火花加工。
在图2所示的摩擦传动精密进给机构1中，用于电极丝30进给驱动源的摩擦传动精密进给机构1由微步距步进电机及其驱动轴10、摩擦从动轮11、与摩擦从动轮11同轴一体结构的减速输出摩擦轮12、侧向预紧机构13和15及其预紧轮14和16、和压紧在减速输出摩擦轮12上且沿其切向的直线运动输出杆17构成。步进电机输出的旋转运动通过摩擦驱动轴10和摩擦从动轮11构成的摩擦轮减速机构，输出微转角，该微转角通过减速输出摩擦轮12与直线运动输出杆17之间的滚动摩擦，转变为直线运动输出杆17的高位移分辨率、大工作行程、运动均匀的直线位移。
步进电机驱动轴10的转角输出可采用具有步距微分性能的步进电机驱动器细分到所需精度，但当与通常采用的丝杠螺母、齿轮齿条等传动方式结合使用时，由于运动传递环节存在传动不均匀、回程间隙，难以实现高精度的运动传递。
采用摩擦轮传动机构，通过施加适当的预紧力，预紧轮14和16可使摩擦驱动轴10和摩擦从动轮11之间、减速输出摩擦轮12和直线运动输出杆17之间的相对运动为纯滚动，避免回程间隙，从而实现高精度的运动传递。
在摩擦传动中，输出力的大小取决于摩擦副接触面上所施加的正压力，在要求直线运动输出杆17输出力较大、带动一定负载的情况下，摩擦驱动轴10、摩擦从动轮11、减速输出摩擦轮12、直线运动输出杆17上所需要的法向预紧力也较大。因此摩擦驱动轴10、摩擦从动轮11、减速输出摩擦轮12、直线运动输出杆17的摩擦副材料需选用表面硬度和强度较高的金属材料，以避免预紧力产生的金属材料的弹性变形和破坏，从而保证传动机构具有稳定均匀的传动比。
为确保摩擦传动的精密度，如图2所示，预紧机构对称配置于由摩擦驱动轴10、摩擦从动轮11、减速输出摩擦轮12、直线运动输出杆17构成的运动传递环节的两侧，摩擦驱动轴10和直线运动输出杆17的径向无轴承支撑约束，两侧预紧机构提供的相等的预紧力对称地加于一体结构的摩擦从动轮11和减速输出摩擦轮12上，使作用在其支撑轴承上的径向合力为零，从而使精密支撑轴承转动误差对摩擦传动精度的影响减至最小。
在图3的微细电极的旋转进丝复合机构3中，微细电极的旋转进丝复合机构3由轴承支座37和主轴轴承36支撑的旋转套筒35、置于旋转套筒35内可相对旋转套筒35轴向运动的进给活塞31、固定于进给活塞31前端的常闭式夹丝机构32和固定于旋转套筒35下端的导丝头底盘39上的常开式夹丝机构33等组成。进给活塞31、固定于进给活塞31前端的常闭式夹丝机构32、固定于导丝头底盘39上的常开式夹丝机构33、后述的导丝头39和导丝套40、以及穿于其中的电极丝30被置于旋转套筒35内，并与旋转套筒35一起在皮带38带动下，在轴承支座37和一对主轴轴承36的支撑下旋转。
在加工进给过程中，固定于进给活塞31前端的常闭式夹丝机构32夹紧电极丝30，与进给活塞31一起在摩擦进给机构1的驱动下，使电极丝30沿轴向进给。嵌在旋转套筒35上与进给活塞31导向槽配合的限位柱销34一方面约束了进给活塞31与旋转套筒35的相对旋转，同时决定进给活塞31的进给行程。
如图4所示，固定于进给活塞31前端的常闭式夹丝机构32和固定于导丝头底盘39上的常开式夹丝机构33组成电极丝进给控制机构。如图4(a)中所示，在加工进给状态下，左侧的固定于进给活塞31前端的常闭式夹丝机构32夹紧电极丝30，右侧的固定于导丝头底盘39上的常开式夹丝机构33处于松开状态，被固定于进给活塞31前端的常闭式夹丝机构32夹紧的电极丝30，与进给活塞31一起在摩擦进给机构的驱动下沿轴向进给。如图4(b)中所示，当左侧的固定于进给活塞31前端的常闭式夹丝机构32夹紧电极丝30，进给到与右侧的固定于导丝头底盘39上的常开式夹丝机构33接近的极限位置时，使常开式夹丝机构33夹紧电极丝30，常闭式夹丝机构32松开电极丝30。然后如图4(c)所示，摩擦进给机构驱动常闭式夹丝机构32与进给活塞31一起反向运动至初始位置。此时，再使左侧的固定于进给活塞31前端的常闭式夹丝机构32夹紧电极丝30，右侧的固定于导丝头底盘39上的常开式夹丝机构33处于松开状态，即回到如图4(a)所示的加工进给状态。循环往复上述过程，可实现电极丝30的连续进给加工。
前述的常闭式夹丝机构32和常开式夹丝机构33可采用电磁衔铁结构，其夹紧松开动作由电磁线圈驱动控制。
在图5的永磁钢运动联结件结构示意图中，永磁钢运动联结件2由固定于摩擦传动机构的直线运动输出杆17前端的上联接盘21、固定于旋转进丝复合机构3中的进给活塞31上的下联结盘23、滚珠22和环形永磁钢24构成闭合磁路，上下相吸引。在磁力的作用下，上下联结盘21和23相向压紧放置于之间的滚珠22，下联结盘23以滚珠22为轴心相对上联结盘21旋转，同时上下联结盘21、23和滚珠22依靠磁力在轴向紧密结合传递摩擦进给机构的的直线运动输出杆17的进给运动。仅将摩擦传动机构1的精密进给传递给微细电极的旋转进丝复合机构3但同时不牵连其旋转运动。并且允许摩擦进给机构1的直线运动输出杆17和旋转进丝复合机构3中的进给活塞31的轴线之间有一定的偏移，从而降低对机构的装配精度要求。
图6所示的高频数控脉冲电源，其原理如下：基频时钟发生器通过振荡电路产生频率为8MHz的基准时钟信号，作为计数器的时钟。主控计算机通过对可编程脉宽计数器和可编程脉间计数器编程设定需要产生的脉冲的脉宽和脉间的时钟单位个数。使能控制逻辑控制两个计数器协调工作。计数器的输出通过高频开关驱动器驱动电子开关打开和关闭，将直流电源的输出变成具有设定脉宽和脉间的脉冲电流。为使高频数控电源能够实现快速的响应，电子开关使用具有高速开关特性的MOSFET功率器件，使得该电源可以产生最小脉宽250ns、最小脉间250ns、最高脉冲频率2MHz的脉冲电流用于电火花加工。
脉冲电源中还包括电火花加工电参数(电压、电流)采样电路，将采样处理后的电参数作为加工状态检测量传送到主控计算机，用于控制电火花加工正常进行。
Claims (1)
1、一种精密微细孔电火花加工装置，其特征在于，该装置由进给机构、运动联接件、进丝复合机构和高能脉冲放电电源组成；所述的进给机构通过运动联结件驱动进丝复合机构，进而控制电极丝；高频脉冲放电电源提供放电加工能量和脉冲波形；所述的进给机构包括侧向预紧机构、驱动轴、摩擦从动轮、减速输出摩擦轮和直线运动输出杆，驱动轴由预紧机构的预紧轮使其压紧在摩擦从动轮上，摩擦从动轮与减速输出摩擦轮同轴一体安装，直线运动输出杆被压紧在减速输出摩擦轮与预紧轮之间，输出杆的一端与运动联结件中的上联结盘相对固定；所述的运动联接件包括上、下联结盘、滚珠、环形永磁钢，滚珠置于上、下联接盘之间，环形永磁钢嵌于下联接盘的上端，下联接盘与进丝复合机构中的活塞相对固定；所述的进丝复合机构包括活塞、常闭夹丝机构、常开夹丝机构、套筒、轴承、转动机构，活塞中间开有孔，电极丝从孔中依次穿过常闭夹丝机构、常开加丝机构和导丝头，活塞置于套筒内，套筒由轴承支撑，转动机构与活塞端部相连；所述的高频脉冲电源包括可编程脉宽计数器、基频时钟发生器、可编程脉间计数器、使能控制逻辑电路、高频开关驱动器、直流电源和电子开关，可编程脉宽计数器和可编程脉间计算器接收用于控制脉冲的数字信号，基频时钟发生器向两个计数器发出时钟信号，使能控制逻辑电路控制二个计数器的工作，两个计数器向高频开关驱动器发生脉冲信号，电子开关根据该脉冲信号使直流源通断而成为脉冲。
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