專利名稱：精密微細孔電火花加工裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種精密微細孔電火花加工裝置，屬機械加工技術領域。
電火花加工作為一種特種機械加工手段，自40年代問世以來迅速在機械加工領域中得到實用化。隨著其加工技術的不斷開發與完善，電火花加工在工業技術領域獲得日益廣泛的應用。電火花加工的基本機理是利用工件和工具電極之間的脈沖性火花放電，產生瞬間高溫使工件材料表面有選擇地局部熔化和汽化蝕除，從而獲得一定形狀尺寸和表面粗糙度要求的零部件。因此在加工高硬度、高強度等難加工金屬材料，特別是模具加工方面，電火花加工的應用引人注目。
電火花加工由于其非接觸加工的特點，適于微小零部件的加工制作。微細電火花加工的實現，在工業技術領域特別是在精密機械工程及微型機械、微電子技術、生物醫學工程以及航空航天、通信等領域中有著日益廣泛的應用前景。例如用于精密液壓控制元件、超小型模具、刀具的精微加工，以及化纖噴絲板異型微小孔加工；用于發動機燃料噴嘴和渦輪葉片上冷卻小孔的加工；用于集成電路引線模、圖象顯示器、電子槍和半導體焊頭上的微小孔加工；用于光導纖維連接器和噴墨打印頭微小孔加工等。
迄今已在工業上應用的使用空心電極的小孔電火花加工機床所能加工的最小尺寸約為φ0.2～0.3mm，其特點是加工速度較高但加工精度一般；近年來微細電火花加工技術的研究開發使得微小孔電火花加工在精度和尺寸上取得長足進展，可加工最小孔徑達數微米，尺寸精度達到微米量級，表面粗糙度達到亞微米量級，但在加工速度和實際應用方面有待進一步探討。
本發明的目的是設計一種綜合小孔電火花加工機床和微細電火花加工技術長處的面向工業應用的微細孔電火花加工機，旨在從加工效率和加工精度兩方面將微細孔電火花加工推向實用化水平。
本發明設計的精密微細孔電火花加工裝置，由進給機構、運動聯接件、進絲復合機構和高能脈沖放電電源組成；所述的進給機構通過運動聯結件驅動進絲復合機構，進而控制電極絲；高頻脈沖放電電源提供放電加工能量和脈沖波形；所述的進給機構包括側向預緊機構、驅動軸、摩擦從動輪、減速輸出摩擦輪和直線運動輸出桿，驅動軸由預緊機構的預緊輪使其壓緊在摩擦從動輪上，摩擦從動輪與減速輸出摩擦輪同軸一體安裝，直線運動輸出桿被壓緊在減速輸出摩擦輪與預緊輪之間，輸出桿的一端與運動聯結件中的上聯結盤相對固定；所述的運動聯接件包括上、下聯結盤、滾珠、環形永磁鋼，滾珠置于上、下聯接盤之間，環形永磁鋼嵌于下聯接盤的上端，下聯接盤與進絲復合機構中的活塞相對固定；所述的進絲復合機構包括活塞、常閉夾絲機構、常開夾絲機構、套筒、軸承、轉動機構，活塞中間開有孔，電極絲從孔中依次穿過常閉夾絲機構、常開加絲機構和導絲頭，活塞置于套筒內，套筒由軸承支撐，轉動機構與活塞端部相連；所述的高頻脈沖電源包括可編程脈寬計數器、基頻時鐘發生器、可編程脈間計數器、使能控制邏輯電路、高頻開關驅動器、直流電源和電子開關，可編程脈寬計數器和可編程脈間計算器接收用于控制脈沖的數字信號，基頻時鐘發生器向兩個計數器發出時鐘信號，使能控制邏輯電路控制二個計數器的工作，兩個計數器向高頻開關驅動器發生脈沖信號，電子開關根據該脈沖信號使直流源通斷而成為脈沖。
該發明結構設計緊湊易于實現機床的小型化，摩擦傳動機構用于精密進給提高了運動傳遞的平穩性和可靠性，微細電極的旋轉進絲復合機構3使電極絲30的旋轉與進給運動的復合有利于提高加工的穩定性和加工精度，高頻脈沖放電電源可在保證加工精度的同時提高加工效率。該機床結構設計面向工業實際應用，適于精密微細孔的電火花加工。
圖1為本發明設計的微細孔電火花加工裝置的結構示意圖。
圖2為本裝置中的摩擦傳動精密進給機構示意圖。
圖3為本裝置中的微細電極的旋轉進絲復合機構示意圖。
圖4為本裝置的進絲機構原理結構示意圖，其中圖4(a)、圖4(b)、圖4(c)分別為加工時的進給狀態圖。
圖5為本裝置中的永磁鋼運動聯結件結構示意圖。
圖6為本裝置中的高頻數控脈沖電源原理示意圖。
以下結合附圖，詳細介紹本發明的內容。
在圖1-圖5中，1是摩擦傳動精密進給機構，2是永磁鋼運動聯結件，3是微細電極的旋轉進絲復合機構，4是加工部。10是微步距步進電機及其驅動軸，11是摩擦從動輪，12是與摩擦從動輪11同軸一體結構的減速輸出摩擦輪，13和15是側向預緊機構，14和16是預緊輪，17是直線運動輸出桿；21是上聯結盤，22是滾珠，23是下聯結盤，24是環形永磁鋼；30是電極絲，31是進給活塞，32是常閉式夾絲機構，33是常開式夾絲機構，34是限位柱銷，35是旋轉套筒，36是軸承，37是軸承支座，38是轉動機構，39是導絲頭；40是導絲套，41是工作液供給管，42是被加工工件。
本發明的精密微細孔電火花加工機床，包括摩擦傳動精密進給機構1、永磁鋼運動聯結件2、微細電極的旋轉進絲復合機構3、高頻脈沖放電電源、加工狀態檢測與加工控制系統等。摩擦傳動精密進給機構1通過永磁鋼運動聯結件2驅動微細電極的旋轉進絲復合機構3控制電極絲30在進給方向的進退運動，永磁鋼運動聯結件2將摩擦傳動機構的精密進給傳遞給微細電極的旋轉進絲復合機構3但同時不牽連其旋轉運動，微細電極的旋轉進絲復合機構3在使電極絲30旋轉的同時推動電極絲30連續加工進給，高頻脈沖放電電源提供微細電火花加工所需的放電能量和脈沖波形，計算機加工控制系統通過檢測電路反饋的放電電流和電壓值識別出加工狀態，并經驅動電路控制摩擦傳動機構的精密伺服進給、進絲機構中對電極絲30的夾緊切換動作、放電電源的脈沖頻率和能量等，從而進行穩定正常的放電加工。
用于電極絲30進給驅動的摩擦傳動精密進給機構1出微步距步進電機及其驅動軸10、摩擦從動輪11、與摩擦從動輪11同軸一體結構的減速輸出摩擦輪12、側向預緊機構13、15和直線運動輸出桿17構成。步進電機輸出的旋轉運動通過其驅動軸10、摩擦從動輪11和與摩擦從動輪11同軸一體結構的減速輸出摩擦輪12構成的摩擦輪減速機構，輸出微轉角，該轉角通過減速輸出摩擦輪12與直線運動輸出桿17之間的滾動摩擦，轉變為直線運動輸出桿17的高位移分辨率、大工作行程、運動均勻的直線位移進給。
摩擦傳動精密進給機構1的直線運動輸出桿17通過永磁鋼運動聯結件2驅動微細電極的旋轉進絲復合機構3從而控制電極絲30在進給方向的進退運動。永磁鋼運動聯結件2由兩端聯接盤21和23、滾珠22和環形永磁鋼24構成閉合磁路，上下相吸引，僅將摩擦傳動機構1的精密進給傳遞給微細電極的旋轉進絲復合機構3但同時不牽連影響其旋轉運動。
微細電極的旋轉進絲復合機構3由旋轉套筒35、置于旋轉套筒35內可沿軸向相對運動的進給活塞31、固定于進給活塞31前端的常閉式夾絲機構32和固定于旋轉套筒35下端的導絲頭底盤39上的常開式夾絲機構33等組成。夾絲機構采用電磁銜鐵結構，其夾緊松開動作由電磁線圈驅動控制，在與旋轉套筒35和電極絲30一起旋轉的同時實現電極絲30的連續加工進給。
高頻脈沖放電電源提供微細電火花加工所需的放電能量和脈沖波形。高頻數控脈沖電源由計算機控制兩個可編程計數器設定需要產生的脈沖電流的脈寬和脈間，使用具有高速開關特性的MOSFET功率器件，產生最小脈寬250ns、最小脈間250ns、最高脈沖頻率2MHz的脈沖電流用于微細電火花加工。
計算機加工控制系統通過檢測電路反饋的放電電流和電壓值識別出加工狀態，并經驅動電路控制摩擦傳動機構的精密伺服進給、進絲機構中對電極絲30的夾緊切換動作、放電電源的脈沖頻率和能量等，從而進行穩定正常的放電加工。
圖1是微細孔電火花加工機床機械結構示意圖。該微細孔電火花加工機床的機械結構主要由摩擦傳動精密進給機構1、永磁鋼運動聯結件2、微細電極的旋轉進絲復合機構3、加工部4等組成。摩擦傳動精密進給機構1的直線運動輸出桿17通過永磁鋼運動聯結件2驅動微細電極的旋轉進絲復合機構3的進給活塞31控制電極絲30的進給。由上下聯接盤21和23、滾珠22和環形永磁鋼24構成閉合磁路的永磁鋼運動聯結件2將摩擦傳動機構1的精密進給傳遞給微細電極的旋轉進絲復合機構3但同時不牽連其旋轉運動。由旋轉套筒35、置于旋轉套筒35內可軸向相對運動的進給活塞31、固定于進給活塞31前端的常閉式夾絲機構32和固定于旋轉套筒35下端的導絲頭底盤39上的常開式夾絲機構33等組成的微細電極旋轉進絲復合機構3在使電極絲30旋轉的同時實現連續加工進給。微細電極絲30通過同軸配合在導絲頭上的導絲套40接近工件42，從而保持放電加工所需的間隙狀態。在加工過程中，工作液通過工作液供給管41進入加工區，維持正常的電火花加工。
在圖2所示的摩擦傳動精密進給機構1中，用于電極絲30進給驅動源的摩擦傳動精密進給機構1由微步距步進電機及其驅動軸10、摩擦從動輪11、與摩擦從動輪11同軸一體結構的減速輸出摩擦輪12、側向預緊機構13和15及其預緊輪14和16、和壓緊在減速輸出摩擦輪12上且沿其切向的直線運動輸出桿17構成。步進電機輸出的旋轉運動通過摩擦驅動軸10和摩擦從動輪11構成的摩擦輪減速機構，輸出微轉角，該微轉角通過減速輸出摩擦輪12與直線運動輸出桿17之間的滾動摩擦，轉變為直線運動輸出桿17的高位移分辨率、大工作行程、運動均勻的直線位移。
步進電機驅動軸10的轉角輸出可采用具有步距微分性能的步進電機驅動器細分到所需精度，但當與通常采用的絲杠螺母、齒輪齒條等傳動方式結合使用時，由于運動傳遞環節存在傳動不均勻、回程間隙，難以實現高精度的運動傳遞。
采用摩擦輪傳動機構，通過施加適當的預緊力，預緊輪14和16可使摩擦驅動軸10和摩擦從動輪11之間、減速輸出摩擦輪12和直線運動輸出桿17之間的相對運動為純滾動，避免回程間隙，從而實現高精度的運動傳遞。
在摩擦傳動中，輸出力的大小取決于摩擦副接觸面上所施加的正壓力，在要求直線運動輸出桿17輸出力較大、帶動一定負載的情況下，摩擦驅動軸10、摩擦從動輪11、減速輸出摩擦輪12、直線運動輸出桿17上所需要的法向預緊力也較大。因此摩擦驅動軸10、摩擦從動輪11、減速輸出摩擦輪12、直線運動輸出桿17的摩擦副材料需選用表面硬度和強度較高的金屬材料，以避免預緊力產生的金屬材料的彈性變形和破壞，從而保證傳動機構具有穩定均勻的傳動比。
為確保摩擦傳動的精密度，如圖2所示，預緊機構對稱配置于由摩擦驅動軸10、摩擦從動輪11、減速輸出摩擦輪12、直線運動輸出桿17構成的運動傳遞環節的兩側，摩擦驅動軸10和直線運動輸出桿17的徑向無軸承支撐約束，兩側預緊機構提供的相等的預緊力對稱地加于一體結構的摩擦從動輪11和減速輸出摩擦輪12上，使作用在其支撐軸承上的徑向合力為零，從而使精密支撐軸承轉動誤差對摩擦傳動精度的影響減至最小。
在圖3的微細電極的旋轉進絲復合機構3中，微細電極的旋轉進絲復合機構3由軸承支座37和主軸軸承36支撐的旋轉套筒35、置于旋轉套筒35內可相對旋轉套筒35軸向運動的進給活塞31、固定于進給活塞31前端的常閉式夾絲機構32和固定于旋轉套筒35下端的導絲頭底盤39上的常開式夾絲機構33等組成。進給活塞31、固定于進給活塞31前端的常閉式夾絲機構32、固定于導絲頭底盤39上的常開式夾絲機構33、后述的導絲頭39和導絲套40、以及穿于其中的電極絲30被置于旋轉套筒35內，并與旋轉套筒35一起在皮帶38帶動下，在軸承支座37和一對主軸軸承36的支撐下旋轉。
在加工進給過程中，固定于進給活塞31前端的常閉式夾絲機構32夾緊電極絲30，與進給活塞31一起在摩擦進給機構1的驅動下，使電極絲30沿軸向進給。嵌在旋轉套筒35上與進給活塞31導向槽配合的限位柱銷34一方面約束了進給活塞31與旋轉套筒35的相對旋轉，同時決定進給活塞31的進給行程。
如圖4所示，固定于進給活塞31前端的常閉式夾絲機構32和固定于導絲頭底盤39上的常開式夾絲機構33組成電極絲進給控制機構。如圖4(a)中所示，在加工進給狀態下，左側的固定于進給活塞31前端的常閉式夾絲機構32夾緊電極絲30，右側的固定于導絲頭底盤39上的常開式夾絲機構33處于松開狀態，被固定于進給活塞31前端的常閉式夾絲機構32夾緊的電極絲30，與進給活塞31一起在摩擦進給機構的驅動下沿軸向進給。如圖4(b)中所示，當左側的固定于進給活塞31前端的常閉式夾絲機構32夾緊電極絲30，進給到與右側的固定于導絲頭底盤39上的常開式夾絲機構33接近的極限位置時，使常開式夾絲機構33夾緊電極絲30，常閉式夾絲機構32松開電極絲30。然后如圖4(c)所示，摩擦進給機構驅動常閉式夾絲機構32與進給活塞31一起反向運動至初始位置。此時，再使左側的固定于進給活塞31前端的常閉式夾絲機構32夾緊電極絲30，右側的固定于導絲頭底盤39上的常開式夾絲機構33處于松開狀態，即回到如圖4(a)所示的加工進給狀態。循環往復上述過程，可實現電極絲30的連續進給加工。
前述的常閉式夾絲機構32和常開式夾絲機構33可采用電磁銜鐵結構，其夾緊松開動作由電磁線圈驅動控制。
在圖5的永磁鋼運動聯結件結構示意圖中，永磁鋼運動聯結件2由固定于摩擦傳動機構的直線運動輸出桿17前端的上聯接盤21、固定于旋轉進絲復合機構3中的進給活塞31上的下聯結盤23、滾珠22和環形永磁鋼24構成閉合磁路，上下相吸引。在磁力的作用下，上下聯結盤21和23相向壓緊放置于之間的滾珠22，下聯結盤23以滾珠22為軸心相對上聯結盤21旋轉，同時上下聯結盤21、23和滾珠22依靠磁力在軸向緊密結合傳遞摩擦進給機構的的直線運動輸出桿17的進給運動。僅將摩擦傳動機構1的精密進給傳遞給微細電極的旋轉進絲復合機構3但同時不牽連其旋轉運動。并且允許摩擦進給機構1的直線運動輸出桿17和旋轉進絲復合機構3中的進給活塞31的軸線之間有一定的偏移，從而降低對機構的裝配精度要求。
圖6所示的高頻數控脈沖電源，其原理如下基頻時鐘發生器通過振蕩電路產生頻率為8MHz的基準時鐘信號，作為計數器的時鐘。主控計算機通過對可編程脈寬計數器和可編程脈間計數器編程設定需要產生的脈沖的脈寬和脈間的時鐘單位個數。使能控制邏輯控制兩個計數器協調工作。計數器的輸出通過高頻開關驅動器驅動電子開關打開和關閉，將直流電源的輸出變成具有設定脈寬和脈間的脈沖電流。為使高頻數控電源能夠實現快速的響應，電子開關使用具有高速開關特性的MOSFET功率器件，使得該電源可以產生最小脈寬250ns、最小脈間250ns、最高脈沖頻率2MHz的脈沖電流用于電火花加工。
脈沖電源中還包括電火花加工電參數(電壓、電流)采樣電路，將采樣處理后的電參數作為加工狀態檢測量傳送到主控計算機，用于控制電火花加工正常進行。
權利要求
1.一種精密微細孔電火花加工裝置，其特征在于，該裝置由進給機構、運動聯接件、進絲復合機構和高能脈沖放電電源組成；所述的進給機構通過運動聯結件驅動進絲復合機構，進而控制電極絲；高頻脈沖放電電源提供放電加工能量和脈沖波形；所述的進給機構包括側向預緊機構、驅動軸、摩擦從動輪、減速輸出摩擦輪和直線運動輸出桿，驅動軸由預緊機構的預緊輪使其壓緊在摩擦從動輪上，摩擦從動輪與減速輸出摩擦輪同軸一體安裝，直線運動輸出桿被壓緊在減速輸出摩擦輪與預緊輪之間，輸出桿的一端與運動聯結件中的上聯結盤相對固定；所述的運動聯接件包括上、下聯結盤、滾珠、環形永磁鋼，滾珠置于上、下聯接盤之間，環形永磁鋼嵌于下聯接盤的上端，下聯接盤與進絲復合機構中的活塞相對固定；所述的進絲復合機構包括活塞、常閉夾絲機構、常開夾絲機構、套筒、軸承、轉動機構，活塞中間開有孔，電極絲從孔中依次穿過常閉夾絲機構、常開加絲機構和導絲頭，活塞置于套筒內，套筒由軸承支撐，轉動機構與活塞端部相連；所述的高頻脈沖電源包括可編程脈寬計數器、基頻時鐘發生器、可編程脈間計數器、使能控制邏輯電路、高頻開關驅動器、直流電源和電子開關，可編程脈寬計數器和可編程脈間計算器接收用于控制脈沖的數字信號，基頻時鐘發生器向兩個計數器發出時鐘信號，使能控制邏輯電路控制二個計數器的工作，兩個計數器向高頻開關驅動器發生脈沖信號，電子開關根據該脈沖信號使直流源通斷而成為脈沖。
全文摘要
本發明涉及一種精密微細孔電火花加工裝置,由進給機構、運動聯接件、進絲復合機構和高能脈沖放電電源組成。進給機構通過運動聯結件驅動進絲復合機構,進而控制電極絲;高頻脈沖放電電源提供放電加工能量和脈沖波形。本發明結構設計緊湊易于實現機床的小型化,摩擦傳動機構用于精密進給提高了運動傳遞的平穩性和可靠性,適于精密微細孔的電火花加工。
文檔編號B23H7/00GK1266764SQ00105639
公開日2000年9月20日 申請日期2000年4月14日 優先權日2000年4月14日
發明者李勇, 郭旻, 李芳 申請人:清華大學