氣膜冷卻孔電火花加工用電性電源的設(shè)計(jì)

氣膜冷卻孔電火花加工用電性電源的設(shè)計(jì)

為了提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重量比，降低油耗，先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重量比為15860.1680。由于渦輪葉片材料的熔點(diǎn)低于燃?xì)鉁囟?需要利用冷卻技術(shù)保證葉片安全工作。氣膜冷卻技術(shù)利用從氣膜冷卻孔(氣膜孔)噴出的冷卻氣體將葉片與燃?xì)飧綦x,起到冷卻和散熱作用,這是目前應(yīng)用于渦輪葉片冷卻的主要方式目前氣膜孔加工主要采用激光加工、電火花加工、電化學(xué)加工、水射流加工等特種加工方法對(duì)于氣膜孔電火花加工工藝及裝備,主軸機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化加工工藝的核心模塊,要求電極具有一定轉(zhuǎn)速(80~120r/min)、較高的旋轉(zhuǎn)精度(小于30μm)、高壓沖液(沖液壓力大于2MPa)、電極損耗補(bǔ)償?shù)墓δ?以快速排出加工產(chǎn)物、提高放電效率和加工精度采用夾頭夾在電極前端的雙夾子蠕動(dòng)式進(jìn)給方式,可以有效避免電極進(jìn)給運(yùn)動(dòng)時(shí)的剛度低和變形大的問(wèn)題為提高中國(guó)氣膜孔電火花加工水平,在已開(kāi)發(fā)并應(yīng)用于柴油機(jī)噴油嘴微細(xì)噴孔電火花加工的蠕動(dòng)式主軸基礎(chǔ)上1旋轉(zhuǎn)電極供電技術(shù)復(fù)合功能主軸首先要能夠?qū)崿F(xiàn)電極的旋轉(zhuǎn)和蠕動(dòng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng),其次要實(shí)現(xiàn)高壓工作液密封、電極供電的功能,主軸機(jī)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)如圖1所示。其工作原理和過(guò)程為:氣膜孔加工前,通過(guò)Z軸定位主軸機(jī)構(gòu)相對(duì)于工件的相對(duì)位置;在氣膜孔加工中,通過(guò)S軸伺服控制電極保持放電間隙,同時(shí)電極轉(zhuǎn)動(dòng)和中空沖液以提高排屑和加工效率;每個(gè)氣膜孔加工完成后,停止電極旋轉(zhuǎn)和中空沖液,通過(guò)工作臺(tái)和Z軸重新定位電極到下一個(gè)氣膜孔,然后通過(guò)電極蠕動(dòng)進(jìn)給實(shí)現(xiàn)電極損耗補(bǔ)償。根據(jù)工作原理和過(guò)程可知:電極運(yùn)動(dòng)包括伺服加工的軸向運(yùn)動(dòng)與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、補(bǔ)償電極損耗的蠕動(dòng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。電極軸向運(yùn)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)分別通過(guò)伺服軸S和旋轉(zhuǎn)軸R實(shí)現(xiàn)?？紤]到電機(jī)引線方便性,整體方案為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)置于軸向運(yùn)動(dòng)上。電極蠕動(dòng)利用常開(kāi)夾子和常閉夾子雙夾子結(jié)構(gòu)的交替徑向開(kāi)合運(yùn)動(dòng)與S軸驅(qū)動(dòng)的軸向相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向器的配合精度和配合長(zhǎng)度對(duì)于保證電極旋轉(zhuǎn)精度起決定性作用。而且,電極旋轉(zhuǎn)精度還受到常閉夾子旋轉(zhuǎn)時(shí)的徑跳誤差、常閉夾子與導(dǎo)向器的同軸度誤差的影響。采用孔徑比電極外徑大25μm、長(zhǎng)度為30mm的導(dǎo)向器限制電極徑跳,并通過(guò)顯微鏡觀測(cè)的裝配方法,達(dá)到較高的裝配精度,以減小常閉夾子本身旋轉(zhuǎn)誤差,以及其與導(dǎo)向器同軸度誤差的影響。高壓工作液密封結(jié)構(gòu)和電極供電結(jié)構(gòu)在滿(mǎn)足密封、供電的基本要求前提下,還應(yīng)與電極旋轉(zhuǎn)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)相適應(yīng),避免運(yùn)動(dòng)干涉問(wèn)題。密封機(jī)構(gòu)要解決電極旋轉(zhuǎn)中的動(dòng)密封和蠕動(dòng)進(jìn)給中動(dòng)密封兩方面問(wèn)題。本文利用旋轉(zhuǎn)動(dòng)密封結(jié)構(gòu)件將工作液引入旋轉(zhuǎn)軸內(nèi),然后在工作液中利用蠕動(dòng)密封結(jié)構(gòu)件實(shí)現(xiàn)加工時(shí)密封壓緊電極、電極蠕動(dòng)進(jìn)給時(shí)密封松開(kāi)電極,如圖1所示。對(duì)于旋轉(zhuǎn)電極供電,常規(guī)方式為利用電刷直接接觸摩擦常閉夾子或旋轉(zhuǎn)軸方案。電刷直接頂在常閉夾子上,不僅會(huì)造成常閉夾子磨損,而且易產(chǎn)生常閉夾子和電極變形。電刷直接頂在旋轉(zhuǎn)軸上,常規(guī)通過(guò)內(nèi)部構(gòu)件傳導(dǎo)電流方式,電阻較大而影響高頻脈沖電的傳輸效率。因此,本文采用電刷頂在旋轉(zhuǎn)軸R上的導(dǎo)電環(huán),導(dǎo)電環(huán)通過(guò)兩個(gè)半圓式絕緣套筒與旋轉(zhuǎn)軸R固定連接,再利用導(dǎo)線將導(dǎo)電環(huán)和與旋轉(zhuǎn)軸絕緣的常閉夾子可靠連接,如圖1所示。上述設(shè)計(jì)方案從原理上已可實(shí)現(xiàn)主軸機(jī)構(gòu)功能,但為進(jìn)一步解決雙夾子夾緊力大小和開(kāi)閉行程精確控制、旋轉(zhuǎn)常閉夾子開(kāi)合的驅(qū)動(dòng)、工作液傳輸和可靠密封等問(wèn)題,本文對(duì)主軸部件中雙夾子、驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)及密封結(jié)構(gòu)的核心模塊進(jìn)行了分析和細(xì)化設(shè)計(jì)。2主要癥狀的復(fù)合功能2.1定位孔控制設(shè)計(jì)雙夾子設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于夾緊力與開(kāi)合精度的精確可控。傳統(tǒng)的雙夾子結(jié)構(gòu)為徑向預(yù)緊與驅(qū)動(dòng)的方式(見(jiàn)圖3),利用彈簧預(yù)緊動(dòng)壓塊,動(dòng)壓塊被驅(qū)動(dòng)相對(duì)于靜壓塊徑向移動(dòng)以實(shí)現(xiàn)開(kāi)合轉(zhuǎn)換。這種徑向預(yù)緊與驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)通過(guò)預(yù)緊力或驅(qū)動(dòng)力來(lái)控制夾緊力,開(kāi)合精度由靜壓塊中的定位孔調(diào)節(jié),具有傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)槌ｉ_(kāi)夾子僅在蠕動(dòng)進(jìn)給時(shí)夾緊電極來(lái)克服電極重力,以實(shí)現(xiàn)常閉夾子與常開(kāi)夾子之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng),所以常開(kāi)夾子可以采用這種徑向驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。但具有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)要求的常閉夾子采用這種結(jié)構(gòu)時(shí),由于此結(jié)構(gòu)不對(duì)稱(chēng)且預(yù)緊彈簧與旋轉(zhuǎn)中心有一定距離,預(yù)緊力會(huì)受到離心力影響,造成夾緊力減弱,特別是轉(zhuǎn)速較高時(shí)可能導(dǎo)致常閉夾子松開(kāi)電極而失效。針對(duì)徑向預(yù)緊結(jié)構(gòu)夾緊力容易受到旋轉(zhuǎn)影響的問(wèn)題,設(shè)計(jì)了圖4的軸向?qū)ΨQ(chēng)結(jié)構(gòu)的常閉夾子。采用易于保證加工精度的雙瓣兩爪夾頭作為執(zhí)行件。為實(shí)現(xiàn)常閉夾子的夾緊和開(kāi)閉控制功能,保證電極可靠的伺服進(jìn)給加工,需要常閉夾子實(shí)現(xiàn)較大的徑向夾緊力。兩爪夾頭與絕緣套筒間采用外錐面定位夾緊方式,利用外錐面的錐角φ小的特點(diǎn)(見(jiàn)圖4b),可以在較小的軸向彈簧預(yù)緊力F2.2常閉發(fā)酵原理在電極蠕動(dòng)進(jìn)退時(shí),需要實(shí)現(xiàn)常閉夾子的打開(kāi)和閉合運(yùn)動(dòng)。為避免由于常閉夾子開(kāi)合驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)造成的難于引線問(wèn)題,設(shè)計(jì)方案將常閉夾子驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)分離。常閉夾子驅(qū)動(dòng)的具體結(jié)構(gòu)如圖5所示。由于常閉夾子位于旋轉(zhuǎn)軸內(nèi),所需的壓塊驅(qū)動(dòng)需要將旋轉(zhuǎn)軸外部驅(qū)動(dòng)力傳遞到內(nèi)部。于是,設(shè)計(jì)了上圓盤(pán)和下圓盤(pán)的圓形傳動(dòng)構(gòu)件,旋轉(zhuǎn)軸在任意周向位置上都可以通過(guò)電磁鐵推動(dòng)內(nèi)部推桿,實(shí)現(xiàn)內(nèi)部?jī)勺κ匠ｉ]夾子打開(kāi)。因此旋轉(zhuǎn)軸不需要具有分度功能,可采用簡(jiǎn)單的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。電磁鐵軸對(duì)稱(chēng)布置以保證驅(qū)動(dòng)合力沿軸向方向,可以避免推桿傾斜。預(yù)壓彈簧推動(dòng)推桿處于上限位置,這時(shí)推桿與壓塊之間仍保持一定間隙,常閉夾子即可保持閉合狀態(tài)。2.3工作液壓力自補(bǔ)償密封的結(jié)構(gòu)密封結(jié)構(gòu)一方面要防止高壓工作液泄露,另一方面還要滿(mǎn)足電極運(yùn)動(dòng)要求。旋轉(zhuǎn)動(dòng)密封采用傳統(tǒng)的密封柱塞結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖6),利用中空密封柱塞在預(yù)壓彈簧作用下壓緊旋轉(zhuǎn)軸表面實(shí)現(xiàn)平面密封。并且工作液壓力會(huì)增大密封柱對(duì)旋轉(zhuǎn)軸的壓力,進(jìn)而增強(qiáng)密封效果。但由于密封柱為低摩擦系數(shù)的聚四氟乙烯材料,因而與旋轉(zhuǎn)軸之間轉(zhuǎn)動(dòng)阻力小。為了解決細(xì)長(zhǎng)電極加工時(shí)密封壓緊電極、蠕動(dòng)時(shí)密封松開(kāi)電極的蠕動(dòng)密封問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一種根據(jù)工作液壓力自補(bǔ)償密封壓力的密封結(jié)構(gòu),具體結(jié)構(gòu)與原理如圖7所示。橡膠活塞壓緊旋轉(zhuǎn)軸內(nèi)腔并與電極過(guò)盈配合以密封上部工作液,于是加工時(shí)工作液便會(huì)推動(dòng)活塞向下運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)導(dǎo)向壓塊。而導(dǎo)向壓塊通過(guò)內(nèi)錐面擠壓橡膠密封塞外端,使密封塞徑向變形抱緊電極,實(shí)現(xiàn)對(duì)電極的進(jìn)一步密封。因此即使高壓工作液造成活塞與電極間發(fā)生泄露,密封塞仍然可以為電極提供密封。并且工作液壓力越大,密封塞對(duì)電極壓力越大,密封能力越強(qiáng),從而實(shí)現(xiàn)根據(jù)工作液壓力的自補(bǔ)償密封。當(dāng)工作液壓力去除時(shí),復(fù)位彈簧驅(qū)動(dòng)導(dǎo)向壓塊移動(dòng),使得彈性密封塞恢復(fù)變形與電極間隙配合。此時(shí)電極軸向移動(dòng)時(shí)僅受到活塞摩擦力,便于電極蠕動(dòng)進(jìn)退。3主軸部件的設(shè)計(jì)和裝配用于實(shí)驗(yàn)加工Φ0.6mm氣膜孔所設(shè)計(jì)的復(fù)合功能主軸的設(shè)計(jì)夾持電極直徑為Φ0.5mm,主軸部件的裝配實(shí)物如圖8所示。通過(guò)測(cè)試該設(shè)計(jì)功能和性能指標(biāo),并進(jìn)行深小孔加工實(shí)驗(yàn),以驗(yàn)證復(fù)合功能主軸的可行性。3.1電極性能表征性能測(cè)試包括高壓工作液密封、脈沖電源供電、蠕動(dòng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)四個(gè)方面。1)密封性能。通過(guò)測(cè)試最大密封工作液壓力及電極中空沖液的揚(yáng)程,評(píng)價(jià)主軸機(jī)構(gòu)密封性能及加工產(chǎn)物排除能力。利用壓力可調(diào)的高壓水泵對(duì)主軸機(jī)構(gòu)供液,當(dāng)供液壓力p由0MPa增高至4.2MPa,旋轉(zhuǎn)動(dòng)密封及蠕動(dòng)密封均沒(méi)有泄露;在4.2MPa壓力下連續(xù)供液14h,主軸機(jī)構(gòu)無(wú)泄露。主軸機(jī)構(gòu)對(duì)加工產(chǎn)物排除能力通過(guò)測(cè)量電極出口工作液揚(yáng)程h表征,測(cè)試結(jié)果如圖9所示。h隨著p增大呈增加趨勢(shì),p為3MPa時(shí),h為2m(工作液流速為6.26m/s),可以滿(mǎn)足加工產(chǎn)物排出要求。2)蠕動(dòng)性能。蠕動(dòng)進(jìn)給性能包括常閉夾子與常開(kāi)夾子對(duì)電極的夾持力、電極蠕動(dòng)速度及行程。夾子夾持力采用拉力計(jì)測(cè)量夾子閉合時(shí)電極與夾子移動(dòng)摩擦力來(lái)表征。旋轉(zhuǎn)軸對(duì)電極夾持力F蠕動(dòng)速度與行程和S軸的性能相關(guān),S軸最大運(yùn)動(dòng)速度10mm/s,最大進(jìn)給行程為150mm。當(dāng)電極蠕動(dòng)距離為8mm時(shí),常開(kāi)夾子、常閉夾子動(dòng)作和S軸移動(dòng)總時(shí)間小于2s,平均蠕動(dòng)進(jìn)給速度大于4mm/s。3)旋轉(zhuǎn)性能。電極旋轉(zhuǎn)性能包括旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速與電極底端旋轉(zhuǎn)徑跳。由于工作液對(duì)旋轉(zhuǎn)軸軸向壓力的存在,支撐用軸承的預(yù)緊力及滾珠摩擦力增大,因此在同樣轉(zhuǎn)矩條件下旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速隨著供液壓力增大而減小。供液壓力為0MPa時(shí),旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍為50~220r/min。供液壓力為4.2MPa時(shí),旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍為50~160r/min。電極底端旋轉(zhuǎn)徑跳采用顯微鏡測(cè)量,顯微鏡測(cè)量精度為1μm。當(dāng)電極伸出導(dǎo)向器長(zhǎng)度1mm時(shí),旋轉(zhuǎn)徑跳小于8μm;電極伸出長(zhǎng)度小于11mm時(shí),旋轉(zhuǎn)徑跳小于25μm,由于目前葉片厚度小于4mm,電極伸出長(zhǎng)度11mm時(shí)能夠滿(mǎn)足目前電極旋轉(zhuǎn)精度及孔深加工要求;當(dāng)旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速?gòu)?0r/min增大到220r/min,旋轉(zhuǎn)徑跳無(wú)明顯變化。4)供電性能。利用萬(wàn)用表測(cè)量電刷和電極連接電阻、電極與非供電結(jié)構(gòu)絕緣性能。旋轉(zhuǎn)軸靜止時(shí),電刷與電極連接電阻為1.1Ω;旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速為220r/min時(shí),連接電阻變化范圍為1~1.3Ω,供電穩(wěn)定。電極與非供電結(jié)構(gòu)間連接電阻大于200MΩ,滿(mǎn)足絕緣要求。3.2高溫合金工件制備實(shí)驗(yàn)為驗(yàn)證復(fù)合功能主軸的可行性,利用設(shè)計(jì)的主軸機(jī)構(gòu)加工深小孔。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)見(jiàn)圖11,機(jī)械機(jī)構(gòu)由X、Y軸工作臺(tái)、Z軸、伺服軸S、高壓水泵及復(fù)合功能主軸組成,其中X、Y軸的定位精度為2μm,Z、S軸定位精度為1μm,高壓水泵的供液壓力范圍為0~4.2MPa。脈沖電源具有脈沖放電及反饋檢測(cè)放電平均電壓功能,脈寬、脈間分別有8個(gè)檔位,占空比可調(diào)范圍為1(脈寬10μs,脈間10μs)至1.675(脈寬650μs,脈間400μs)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由工控機(jī)和PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡組成的電控柜控制。在2.93mm厚的45#鋼工件上通過(guò)復(fù)合功能主軸蠕動(dòng)補(bǔ)償加工一組6×2陣列通孔,實(shí)驗(yàn)條件如表1所示。陣列孔、典型通孔出入口孔徑及通孔脫模顯微鏡測(cè)量結(jié)果如圖12所示。結(jié)果顯示,入口直徑為Φ591~607μm,出口直徑為Φ555~566μm。加工時(shí)間為27~31s,最大加工速度為6.51mm/min。在7mm厚的某型號(hào)葉片材料GH4169高溫合金工件上通過(guò)復(fù)合功能主軸蠕動(dòng)補(bǔ)償加工一組6×2陣列通孔,陣列孔、典型通孔出入口孔徑顯微鏡測(cè)量結(jié)果如圖13所示。結(jié)果顯示,入口直徑為Φ588~603μm,出口直徑為Φ615~634μm,深徑比達(dá)到11.3。加工時(shí)間為120~130s,最大加工速度為3.5mm/min。加工中蠕動(dòng)進(jìn)給穩(wěn)定,工作液沒(méi)有泄露。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)主軸機(jī)構(gòu)復(fù)合功能的可行性,加工效率可以通過(guò)提高脈沖電源峰值電流、優(yōu)化工藝參數(shù)進(jìn)一步改善。4旋轉(zhuǎn)電極復(fù)合非織造布的特點(diǎn)為滿(mǎn)足氣膜孔電火花加工對(duì)先進(jìn)主軸機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)需求,設(shè)計(jì)了一種具有電極高精度旋轉(zhuǎn)、蠕動(dòng)進(jìn)給補(bǔ)償、高壓內(nèi)沖液等復(fù)合功能的主軸機(jī)構(gòu),通過(guò)性能測(cè)試和深小孔加工實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性,得到如下主要結(jié)論:1)常閉夾子設(shè)計(jì)為兩爪夾頭結(jié)構(gòu),并通過(guò)外錐面定位方式實(shí)現(xiàn)軸向預(yù)緊與驅(qū)動(dòng)。對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的兩爪夾頭易于保證加工精度,且可避免旋轉(zhuǎn)離心力對(duì)夾緊力影響。外錐面定位方式能夠保證常閉夾子開(kāi)閉后,夾緊電極的軸線與旋轉(zhuǎn)軸線的同軸精度。2)連接圓盤(pán)的軸向推桿結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)常閉夾子開(kāi)閉方式能在旋轉(zhuǎn)軸任意位置將常閉夾子打開(kāi),解決了電極旋轉(zhuǎn)與蠕動(dòng)進(jìn)給分離控制問(wèn)題。3)自補(bǔ)償式密封結(jié)構(gòu)隨工作液壓力變化的而自動(dòng)調(diào)節(jié)密封壓力,