微細電火花塊反拷加工機床關鍵零部件設計與實驗*

連海山，郭鐘寧，羅紅平，何俊峰，王賀賓

(廣東工業大學 機電工程學院，廣州 510006)

0 引言

隨著科學技術的發展，在電子、光學、機械、生物技術、汽車、通信等工業領域對微結構、微小零部件及微細產品的需求日益增加［1-3］。目前適合于微細加工的方法主要有LIGA 技術、電子束和離子束微細加工、精密微細電鑄加工、微細電火花加工、微細電解加工、微細超聲加工、微細激光加工以及微細車銑削加工。微細電極的制作是實現微細超聲加工、微細電火花加工與微細電解加工的基礎。

目前較為實用的加工微細電極的方法主要有切削加工技術和電加工技術。微細切削加工技術雖然能夠加工極小的微細軸［4-5］，但微細工具的二次裝夾誤差會極大的影響后續加工工藝的加工精度，因此其應用受到了一定的局限性。微細電加工技術能夠實現微細軸的在線加工，能夠修正主軸的回轉精度誤差和工具頭的裝夾偏心，保證了加工后微細軸與主軸同軸，以利于后續的工藝加工。微細電加工技術有微細電火花加工技術［6-7］與微細電化學加工技術［8-9］。微細電火花塊電極反拷是一種較為傳統的在線制作微細軸的方法，采用的是逆電火花加工技術。加工時，電極毛坯安裝在旋轉運動的主軸上，以反拷塊為工具，通過控制電極與反拷塊之間的相對運動實現微細電火花加工以蝕除毛坯材料。根據相對運動方式的不同，進給方式可以采取徑向進給、軸向進給、切向進給以及圓周搖擺進給。哈爾濱工業大學的賈寶賢等利用塊電極軸向進給的方式加工出了φ10μm 的銀鎢微細電極［10］，并利用研制的高精度微細電火花加工系統成功的加工出了直徑為φ4.5μm 的銀鎢微細電極［11］。南京航空航天大學的張云鵬等利用切向進給法，加工出了φ44μm，長約1.5mm，長徑比達到34 的不銹鋼微細軸［12］。

高精度微細電火花塊反拷加工機床的設計是實現微細電極塊反拷制作的基礎。主軸的回轉精度與塊電極的安裝位置精度都是影響微細電極加工質量的關鍵因素。本文采用鑲嵌陶瓷V 型主軸系統以保證主軸的回轉精度;采用可轉動的塊電極輔助夾具以修正工具電極與塊電極之間的安裝位置關系，實現了大長徑比微細電極的電火花塊反拷制作。

1 鑲嵌陶瓷V 型主軸系統設計

主軸系統是微細電火花塊反拷加工機床的核心部件，回轉精度主要是靠主軸系統保證的。應用V 型塊作為軸承對主軸起支撐和定位作用，具有以下幾個顯著的優點:①可以變常規的滾動軸承的面接觸為線接觸，提高對主軸的定位精度;②結構簡單，避免了選用高精度的軸承，降低了制造成本。鑲嵌陶瓷V 型主軸系統設計主要包括動力系統及傳動設計、陶瓷滑動軸承結構設計與進電裝置設計。

1.1 動力系統設計與校核

鑲嵌陶瓷V 型主軸系統結構示意圖如圖1 所示，主軸空載時的受力分析如圖2 所示。主軸的動力是由伺服電機提供的，電機驅動圓皮帶輪使主軸做回轉運動，動力系統的校核主要是校核扭矩是否滿足主軸系統穩定運行。

圖1 主軸系統結構示意圖

圖2 主軸受力分析

要使主軸穩定運行，需要伺服電機滿足式(1)所示的校核公式:

其中:k-安全系數;T-克服系統阻力所需的扭矩;［T］-電機的額定轉矩。根據受力平衡分析，得到下列的靜力平衡方程式:

其中:F-皮帶對主軸的拉力;θ -皮帶的傾角;N-V 型陶瓷軸承對主軸的支撐力;G-主軸部分的重力(包含主軸、主軸帶輪、ER 夾頭和工具電極等的總重量)。因此，如圖2 所示，只要傾斜皮帶的傾角θ(經過多次試驗，得出最穩定運行狀態下的θ 角為17°)和主軸部分的重量是一定的，在主軸不受不銹鋼球向下的壓力的臨界狀態，主軸受到V 型陶瓷軸承的支撐力N(即界面壓力)是一定的，而這個壓力就是形成接觸摩擦過程中的界面壓力。在主軸旋轉的運行過程中，要克服摩擦阻力的扭矩T的大小為:

其中:T-正常運轉所需的扭矩;f-主軸旋轉所承受的摩擦阻力;r-主軸的半徑;μ -陶瓷和陶瓷之間的滑動摩擦系數。

綜合式(1)和式(5)可得電機扭矩的總校核公式為:

經數據運算得所選伺服電機的扭矩滿足能夠使主軸系統穩定運行。

1.2 傳動皮帶的張力自動調節

穩定的系統參數是微細電火花塊反拷加工得以順利進行的必要條件，如果系統參數經常發生變化，穩定性和精度就很難保證。由于傾斜角的存在，傳動方案中使用略帶彈性的圓皮帶來傳動。然而圓皮帶也有其自身的缺點，在運行的過程中會發生微小程度的蠕變，蠕變的過程會使皮帶相對變長，從而使主軸相對于原來穩定的位置向下移動，進而破壞當前的穩定狀態。因此設計了如圖3 所示的皮帶自動調節裝置，即在皮帶發生蠕變的過程中，彈簧會自動伸長，補充皮帶蠕變變長的長度，使主軸上端連接的不銹鋼球可以穩定地接觸頂頭，保證主軸位置的穩定。圖4 為滾珠導套，皮帶通過電機帶輪對電機產生斜向下的拉力，使電機存在翻轉的趨勢，這個過程會阻礙電機沿著光桿順利滑動。滾珠導套的套管上均勻地分布著若干滾珠，可以有效的減小摩擦力，變滑動摩擦為滾動摩擦，有效緩解了電機翻轉趨勢對自動調節的阻礙作用。

圖3 皮帶自動調節裝置結構示意圖

圖4 滾珠導套結構圖

1.3 陶瓷滑動軸承結構設計

主軸系統的支撐結構采用一對鑲嵌的、可更換的V 型陶瓷滑動軸承。陶瓷軸承片通過V 面上的精密定位槽和軸承固定架接觸定位，采用小過盈配合安裝固定。目的是為了避免整個陶瓷軸承固定基體都采用陶瓷材料。陶瓷材料雖然具有較好的硬度和耐磨性，且作為滑動軸承材料來說性能良好，但是相比于普通鋼鐵材料加工更困難。選用這樣的鑲嵌結構，則可以在陶瓷軸承的金屬固定基體上進行鉆孔等一系列工藝，大大降低了加工難度，進而減少了成本，其結構如圖5所示。

1.4 進電裝置設計

進電裝置是微細電火花塊反拷加工裝備的重要組成部分，加工過程中電參數的穩定性就要靠這部分結構來保證的。如果進電裝置的傳輸路徑中有接觸不可靠的部位，則會導致在此部位出現火花放電而破壞系統的精度。不同于其他裝備的導電滑環和電刷進電結構，本裝備的進電部分采用在頂頭與主軸上端之間用一不銹鋼球連接，實現電從固定的頂頭傳輸到旋轉的主軸的功能，如圖6 所示。

圖5 鑲嵌陶瓷V 塊軸承與主軸嵌套陶瓷結構

圖6 進電結構示意圖

主軸的內嵌鋼棒和上端頂頭的材料均為D2 模具鋼材料，具有較好的硬度和耐磨性;而中間的不銹鋼球選用SUS304 不銹鋼材料，相比之下硬度和耐磨性較差。主軸的上端加工出了和不銹鋼球相同直徑的凹坑，可以保證不銹鋼球在主軸軸端的準確定位。進電裝置設計可以保證主軸旋轉的過程中，鋼球和主軸一起旋轉，而相對運動發生在鋼球和頂頭的接觸點處。這樣的設計結構具有以下所述的明顯優勢:①結構簡單，降低了裝備設計制造的成本;②理論上旋轉部位的接觸為點接觸，相對線速度為零，可以實現很小的磨損，增強系統的耐磨性進而提高了系統的壽命;③當發生磨損破壞時，磨損會發生在硬度和耐磨性均相對較差的不銹鋼球上，而該球是活動的，可以方便的取下進行更換，便于維護。

2 可轉動的塊電極輔助夾具設計

微細電火花塊反銬加工原理如圖7 所示，接微細電火花電源陽極的工具電極安裝在主軸上并隨主軸一起做旋轉運動，接陰極的塊電極安裝在輔助夾具上，在伺服運動控制下使工具電極與塊電極靠近，在加工間隙內火花放電以蝕除工具電極材料。實際裝配后的工具電極與塊電極存在安裝誤差，不能保證工具電極的回轉軸線與塊電極的加工平面平行，加工出來的微細電極為錐型或者是倒錐形。為了解決這一問題，設計出了可轉動的塊電極輔助夾具，如圖8 所示。可以在線調整輔助夾具的安裝位置，減小工具電極的回轉軸線與塊電極加工平面的平行度誤差，加工出階梯型的微細工具。

圖7 微細電火花塊反拷原理圖

圖8 可轉動的塊電極輔助夾具

3 加工試驗

關鍵零部件設計加工并裝配后的微細電火花塊反拷加工機床如圖9 所示，該機床主要由鑲嵌陶瓷V 型主軸系統、立式滑臺、高精密的微三維運動平臺、杯狀工作液槽以及可轉動的塊電極輔助夾具構成。V 型主軸的回轉精度為1μm;立式滑臺的最小分辨率為1μm，微三維運動平臺為德國PI 公司提供，其X軸、Y軸與Z軸的行程分別為100mm、100mm、10mm，三軸的最小分辨率都為0.1μm;可轉動的塊電極輔助夾具安裝于杯狀工作液槽中，加工時調節輔助電極夾具使塊電極浸沒于工作液中。

圖9 微細電火花塊反拷加工機床

工具電極的材料為碳化鎢圓棒，直徑為1mm，長度為35mm，通過ER 夾頭將工具電極安裝在V 型主軸上;銅塊電極的材料為紫銅，長寬高分別為20mm、15mm 與1mm，將其固定在可轉動的塊電極輔助夾具上。對刀過程分步進行，首先控制立式滑臺與三維運動平臺進行粗對刀，使塊電極與工具電極相互靠近;接著再控制微三維平臺運動，使塊電極靠近工具電極直至剛好接觸。由于機床各部分都存在安裝誤差，此時的工具電極的回轉軸線與塊電極的加工平面是不平行。控制工具電極低速旋轉，在線轉動塊電極輔助夾具，使銅塊電極表面盡量與工具電極的回轉軸線平行，減小二則之間的平行度誤差。采用徑向進給的方式，進給速度為0.5μm/s，加工后的微細工具如圖10 所示。

圖10 大長徑比微細電極

4 結論

通過V 型主軸系統以保證工具電極的回轉精度;采用可轉動的塊電極輔助夾具在線調整塊電極的安裝位置，以減小工具電極的回轉軸線與塊電極反拷平面的平行度誤差。采用徑向進給的方式，加工出了直徑約為400μm，長為18.2mm，長徑比約為45 的大長徑比微細電極。采用本文提供的制作微細電極加工工藝，可以加工高精度的微細電極用于微細電火花加工、微細電化學加工與微細超聲加工。

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