一體式電火花加工專用電極夾具設(shè)計與應(yīng)用

徐彩麗，王利東，李金廷，楊立光

（北京迪蒙數(shù)控技術(shù)有限責(zé)任公司，北京 100191）

0 引言

近年來隨著航天航空、軍工能源、模具領(lǐng)域的快速發(fā)展，眾多大型扭曲多特征關(guān)鍵零件不斷增多，如舵面、大型殼體、汽車缸體等。這類零件的特點是不規(guī)則的空間形狀，在橫向、縱向、斜面、內(nèi)部均有不同特征尺寸的沉孔、錐孔、小孔、深孔、鍵槽等，強(qiáng)剛性部位的尺寸可采用銑削、鉆削加工，但弱剛性部位、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、小尺寸槽等難以通過銑削加工實現(xiàn)，有些部位刀具難以加工到位，而電火花加工則有技術(shù)優(yōu)勢[1]。

在電火花加工中，由于不同特征尺寸和加工工藝條件需要使用不同的電極，而電極夾具是加工中不可或缺的部件，其主要作用是完成電極快速而準(zhǔn)確的定位和裝夾，如何提高裝夾效率和定位精度是電極夾具設(shè)計的關(guān)鍵[2-4]。現(xiàn)以舵面類零件為例，結(jié)合不同空間位置、不同特征尺寸且需用到電火花加工的位置，設(shè)計了多位姿一體式電火花加工專用夾具，并在實際電火花加工中進(jìn)行了應(yīng)用驗證。驗證結(jié)果表明：加工部位不僅達(dá)到了圖紙要求的幾何精度、位置精度，而且縮短了電極裝夾找正時間，降低了電極制作成本。

1 舵面零件結(jié)構(gòu)特點和加工特征

舵面一般采用3D打印工藝方法制作，外形尺寸較大，為不規(guī)則的扁平空間形狀，由上下蒙皮、多條桁條、多條翼肋等薄壁結(jié)構(gòu)組成，桁條與翼肋厚度約為2 mm，蒙皮厚度約為1 mm，屬于薄壁弱剛性殼體結(jié)構(gòu)。舵面與其他軸或軸套固定部位的尺寸精度、形狀和相對位置精度要求高，結(jié)構(gòu)中在橫向、縱向、斜面、內(nèi)部的沉孔、錐孔、小孔、深孔、鍵槽、型腔較多。材料多為鈦合金、高溫耐熱合金、不銹鋼等難加工材質(zhì)。

圖1所示是舵面零件與其他軸件固定部位的局部結(jié)構(gòu)，其主要加工特征均在U 形區(qū)域的左、右側(cè)，空間尺寸較小，機(jī)械鉆削、銑削刀具難以到達(dá)，不易實現(xiàn)加工，主要加工內(nèi)容和技術(shù)要求如下。

圖1 舵面零件局部結(jié)構(gòu)

（1）左面：在距M基準(zhǔn)面33 mm 位置加工深14.5 mm圓孔，間距（15±0.01）mm位置加工、錐度1∶20深14 mm 錐孔，錐孔大徑端口倒圓角R0.5 mm。

（2）右面：在距M基準(zhǔn)面33 mm 位置加工深26 mm 圓孔，圓孔內(nèi)有寬深26 mm 的鍵槽，間距（15±0.01）mm 位置加工、錐度1∶20 深14 mm 錐孔，錐孔前端倒圓角R0.5 mm。

（3）零件要求形狀公差為0.01 mm，位置公差為0.015 mm，表面粗糙度Ra≤1.6 μm。

（4）在裝夾和定位零件時，不得夾傷和磕碰蒙皮表面，找正定位基準(zhǔn)面各方向誤差≤0.01 mm。

2 多位姿一體式夾具設(shè)計

從圖1可以看出，零件具有的特點：①外形尺寸較大（770 mm×205 mm×30 mm），為扁平結(jié)構(gòu)，一般應(yīng)平放在工作臺上裝夾，利用X軸側(cè)向伺服及YOZ平面的搖動進(jìn)行各特征尺寸加工；②加工位置相對緊湊，U 形區(qū)域的空間較小，難以進(jìn)行機(jī)械加工；③每個加工位置加工量小，所用電火花加工時間短。基于上述3 點因素，設(shè)計了一種多位姿一體式電火花加工專用電極夾具，可一次在夾具的兩端分別裝夾不同電極，同時完成左右面各一個特征尺寸的加工，減少加工時間和人為操作頻次，以提高加工效率。

2.1 夾具組成及工作原理

圖2所示是設(shè)計的多位姿一體式電火花加工專用電極夾具。該專用夾具主要由電極安裝塊、電極固定螺釘、3R快換套裝（夾座、裝夾板）等組成，其工作原理是借助3R 快換套裝的高精度和便捷性能的優(yōu)勢，首先將設(shè)計的電極安裝塊與其固定為一體，并調(diào)整電極安裝塊與快換套裝的相對位置，然后整體安裝在電火花加工機(jī)床主軸上，再根據(jù)特征尺寸安裝不同的電極進(jìn)行電火花加工。電極安裝板設(shè)計的定位精度、形位精度均在0.01 mm內(nèi)。

圖2 專用電極夾具三維結(jié)構(gòu)

2.2 夾具各部分作用

（1）電極安裝塊如圖3所示，它是夾具設(shè)計的核心零件，設(shè)計了用于圓形狀、矩形狀電極的安裝方式，圓形狀電極是利用90°V 形槽進(jìn)行定位，矩形狀電極是利用長方孔相互垂直的3個凸起平面進(jìn)行定位，同時設(shè)計了3 組4×M4 mm 螺紋孔，從不同方向固定電極。該零件的外形和2個安裝部位的主要尺寸是采用高精度單向走絲電火花線切割機(jī)床加工完成。

圖3 電極安裝塊

（2）電極固定螺釘選用M4 mm×10 mm 圓柱內(nèi)六角螺釘?shù)臉?biāo)準(zhǔn)件，通過電極安裝塊上的M4 mm 螺紋孔對電極進(jìn)行固定。

（3）3R 快換套裝由一個快換基座和快換裝夾板組成，該套裝的定位精度和重復(fù)定位精度較高（可控制在2 μm內(nèi)），不僅能提高電極定位精度，還節(jié)省安裝拆卸調(diào)整時間，也為后續(xù)電火花自動化加工奠定基礎(chǔ)。

3 多位姿一體式夾具電火花加工應(yīng)用

3.1 電極設(shè)計

針對圖1 所示零件的加工特征，設(shè)計了φ10.5 mm 錐孔、φ10、φ17 mm 圓孔、鍵槽4 種電極，如圖4所示，電極材料為紫銅。

圖4 電極結(jié)構(gòu)

3.2 電火花加工步驟

電火花加工步驟如下。

（1）將圖2 所示電極夾具安裝在電火花加工機(jī)床主軸上，并打表校對。

（2）編制各電極確定相對位置程序和加工程序。

（5）電火花加工右面φ17 mm 圓孔內(nèi)寬深26 mm 的鍵槽，借助電極定位塊將圖4（d）所示的電極裝在圖3 中長方孔的右側(cè)內(nèi)，其他過程同步驟（3）。

（6）利用數(shù)控電火花機(jī)床在機(jī)檢測功能，對所有加工特征尺寸進(jìn)行在機(jī)檢測，應(yīng)注意零件加工后不拆卸，清理干凈后再進(jìn)行檢測。

4 結(jié)束語

提出的多位姿一體式電火花加工專用電極夾具是實現(xiàn)舵面類零件加工的有效方法，對類似零件的電火花加工有一定的借鑒作用，通過加工驗證和檢測結(jié)果分析，得出如下結(jié)論。

（1）多位姿一體式夾具特點可以實現(xiàn)多特征尺寸、不同形狀、不同空間位置電極的快速而準(zhǔn)確定位和裝夾，還能通過3R 快裝夾具的微米級精確定位，任意調(diào)整90°方向，可實現(xiàn)XOY平面4 個方向的加工。

（2）借助3R 快換套裝的優(yōu)勢，可以完成與電極安裝塊的準(zhǔn)確連接，還可以快速安裝在機(jī)床主軸上，簡化了操作，提高了生產(chǎn)效率。

（3）夾具可一次在兩端分別裝夾不同的電極，一次裝夾完成左右面各一個特征尺寸的加工，減少加工時間和人為操作頻次，可提高30%的加工效率。

（4）通過電火花加工驗證和檢測數(shù)據(jù)可以得出，設(shè)計的夾具達(dá)到了預(yù)期目的，檢測結(jié)果符合圖紙要求，現(xiàn)已應(yīng)用于多種舵面零件及類似結(jié)構(gòu)零件的加工。