基于嵌入式平臺的電火花小孔機結構設計

林麗英 蔣 毅 化春鍵 安 偉

（江南大學機械工程學院，江蘇無錫 214000）

0 引言

隨著新時代科學技術的發展，醫療器械、航空航天、汽車、電子產品等多個領域對于精密型設備和零件的需求日益增加。而微小孔作為常見的難加工特征，是限制相關領域裝備發展的關鍵所在[1]。同時，隨著加工材料朝著高硬度、高強度的方向發展，傳統的切削加工方式切削阻力增大，刀具壽命嚴重縮短，制孔難度增加。電火花加工能夠利用光能和熱能進行非接觸式加工，不受材料硬度和強度的影響，能避免工件因切削力而產生變形。電火花加工能夠加工任何導電材料，在復雜結構的微小孔加工中具有較大的優勢。

目前市面上的電火花小孔機體積大、結構復雜，且維修成本高，不便于移動和安裝。高昂的價格和維修費用給許多高校和小型實驗室帶來了沉重的經濟負擔[2]。此外，精密型零件的體積和質量普遍較小，使用中大型機床會造成資源上的浪費。

針對以上問題，國內外許多學者致力于研發更加緊湊、便攜的電火花小孔機。國外電火花小孔機的加工工藝水平已經較為成熟，日本牧野（MAKINO）、瑞士阿奇夏米爾（Agie Charmilles）、日本三菱等公司的電火花加工機床具有卓越的加工性能。Rizwee等人研究了加工參數對加工特性的影響[3]。蘇州電加工機床研究所張勃等人針對渦輪葉片上的氣膜孔加工設計了一款數控電火花小孔機床[4]。北京市電加工研究所蔡延華等人發明了電火花小孔機導向裝置[5]，提高了電極加工的穩定性。哈爾濱工業大學劉晉春等人研制了一系列便攜式、多功能、模塊化的小型數控機床[2]。

1 整體設計方案

電火花小孔機采用立式結構，整體框架由鋁合金型材搭建，框架尺寸為800 mm×800 mm×800 mm，包括X、Y、Z三個軸，采用伺服電機和滾珠絲杠結構，X軸行程350 mm，Y軸行程300 mm，Z軸行程200 mm。機床主要由整體框架、主軸模塊、工作臺模塊、工作液循環系統以及其他結構組成，如圖1所示。該設計方案充分利用空間，實現了電火花小孔機的小型化設計。采用嵌入式數控系統，監測電極進行電火花加工的狀態；并設計相應的安全保護措施，使結構更加安全合理。

圖1 機床整體結構

1.1 主軸模塊

主軸模塊是進行電火花小孔加工的主要結構，由主軸升降板、Z軸滑臺、主軸連接板、主軸等組成，如圖2所示。主軸由電機、同步帶、電極、電極夾頭、軸套等多個部分組成，通過連接板與Z軸滑臺相連。將電極穿過電極夾芯置于軸套中，并將電極套旋緊固定。電機通過同步帶帶動軸套旋轉，軸套再將旋轉運動傳遞給電極，則可實現加工過程中電極高速旋轉。主軸連接板用于連接主軸和Z軸升降滑臺，Z軸滑臺控制主軸進行升降運動。

圖2 主軸模塊

1.2 工作臺模塊

如圖3所示，工作臺模塊由液槽、工作臺、夾具、X-Y軸滑臺等部分組成。為防止加工過程中廢屑堵塞小孔影響加工，需要將工件浸在工作液中進行加工，因此，工作臺結構置于液槽中。工作臺尺寸300 mm×300 mm，選用花崗巖材料；液槽長400 mm，寬400 mm，槽深170 mm，使用亞克力材質。

圖3 工作臺模塊

工作臺中部設有槽，便于固定安裝夾具滑塊。工作臺為電火花加工提供了一個平穩的表面，使操作人員能夠在其表面進行精確的測量和加工操作。液槽作為電火花加工的主要區域，主要作用有冷卻、沖洗、絕緣等。電火花加工過程中產生的高溫、高能量會導致工件變形、硬度降低等質量問題，液槽可以通過循環冷卻水來降低工件溫度，保證加工精度和質量。同時，液槽中的水流能夠清除金屬屑和碎屑，保持加工環境清潔。液槽具有一定深度，不僅能將工件浸沒，還能有效防止加工時工作液飛濺，破壞腐蝕其他結構。液槽兩側開口，與閥連接，通過管道、閥門、過濾器等與水箱連接。

X-Y軸滑臺由兩個直線滑臺組成，X軸滑臺安裝在Y軸滑臺下方，安裝時需保證X軸和Y軸的垂直度。通過精密導軌和驅動裝置精準控制工作臺的運動方向和加工位置，X-Y滑臺通過數控系統控制，以提高加工效率。滑臺由滾珠絲杠、導軌、滑塊、伺服電機、底板等組成，結構簡單，拆卸、安裝靈活方便。選用滾珠絲杠導軌，減小運動摩擦，減少磨損，延長使用壽命，同時保證定位精度，提高設備的可靠性。

1.3 工作液系統

工作液系統包括閥門、抽水泵、液槽、水箱、過濾器、噴頭等結構，是傳輸、存儲、回收工作液的重要部分。抽水泵和水管能夠控制水箱和液槽之間的工作液定向流通，減少人工操作。水箱可用于存儲充足的工作液，保證加工過程中工作液不間斷，大大提高了生產效率。液槽為電火花加工提供了良好的條件，在及時清除加工過程中產生的廢屑的同時還具有冷卻作用，提高了加工質量；還可用于工作液的暫時存儲，以備后續使用。

1.4 其他結構

電火花小孔機還包含防水板、側板、顯示器等結構。防水板使用亞克力材質，具有良好的防水性，且密度小、質量輕，可用于保護X-Y滑臺等結構，防止工作液對其精度和使用壽命造成影響。側板將機床加工部分遮擋，起到了一定的隔音和防護作用，提高了機床的安全性。顯示器能夠實時監控電火花小孔機的加工過程，顯示加工狀態、加工進度以及加工結果等信息。

2 實物搭建

核對設計的相關細節、驗證設計合理性后，完成對基于嵌入式平臺的電火花小孔機的實物模型的搭建。用鋁合金型材搭建機床整體框架，框架是整個機床的支撐結構，確保其穩定性和剛度是保證機床安全性的關鍵。由下而上將底板、X軸滑臺、Y軸滑臺、液槽、工作臺等主要結構安裝固定，注意各個部件之間的配合連接，確保精度和穩定性。主軸是嵌入式小孔機的核心部件，需要保證較高的垂直度和穩定性。主軸安裝不當可能導致加工小孔傾斜、孔徑增大等，降低小孔的加工質量。主要結構安裝完成后，根據需要安裝閥門、管道、水箱、夾具等部分。

機械結構安裝時需為控制系統的硬件設備預留空間，同時安裝結構應盡量緊湊。為電火花小孔機連接各個電氣組件，安裝調試伺服驅動器，為電極加上脈沖電源，電極和工件分別接上正極和負極。根據實際安裝情況對機床各部件進行調整，合理利用空間，最終完成安裝。實物圖如圖4、圖5所示。

圖4 小孔機實物正面

圖5 小孔機實物背面

3 結束語

本文對基于嵌入式平臺的電火花小孔機進行了結構設計，包括主軸模塊、工作臺模塊、工作液循環系統等結構，并對結構功能進行了詳細介紹。對滾珠絲杠、伺服電機、伺服驅動器等進行選型，確定需要加工的部件材料，最終完成了嵌入式電火花小孔機的實物搭建。該設計滿足小型化、集成化的要求，且能夠達到一定的加工精度，具有較高的實用價值。