微細電火花加工用電磁驅動高頻激振輔助進絲機構的製作方法

2023-05-28 16:36:26

專利名稱：微細電火花加工用電磁驅動高頻激振輔助進絲機構的製作方法
微細電火花加工用電磁驅動高頻激振輔助進絲機構技術領域
本發明屬於微細特種加工技術領域，面向使用微細長電極絲的微細電火花加工， 特別涉及一種微細電火花加工用電磁驅動高頻激振輔助進絲機構。
背景技術：
微細電火花加工作為一種非接觸式特種加工技術，具有低加工應力、無加工毛刺、 可加工高硬度導電材料等工藝優勢，可應用於微細孔、微細槽、微三維結構的加工。
然而，在微細電火花加工中，由於放電能量和放電間隙更加微小，使得極間電介質液體循環和電蝕產物移出不暢，引起加工中短路、拉弧等非正常現象頻繁出現，造成微細電火花加工效率較低。
研究表明在工具電極和工件兩極之間附加高頻率低幅值振動的工藝方法，有利於電介質液體內產生高頻壓力波、空化和泵吸效果，促進加工區電介質液體流動和電蝕產物排出，以改善極間放電條件和放電點轉移，能夠有效提高電火花放電率，從而提高微細電火花加工效率。
高頻低幅振動可以施加於工件或工具電極上。工件輔助振動方式難於應用於具有多維空間工位要求的工件加工，比如柴油機噴油嘴的空間角度內多噴孔加工。與伺服進給相結合的微細電極絲(工具電極)軸向輔助振動方式，具有通用性和振動負載輕的優點。
目前，應用於電火花加工的輔助振動機構主要採用壓電陶瓷驅動。實踐表明，壓電式輔助振動機構及其驅動電源不僅價格較貴，而且振動傳遞和發熱問題造成可靠性差和壽命低，這限制了其工業應用。發明內容
為提高微細電火花加工時的效率以及補償電極絲損耗，解決微細電極絲 (Φ0. 1 0. 3mm)輔助高頻(1 4kHz)低幅(1 5 μ m)振動及夾持進給的技術問題，並達到振動直接傳遞、結構小巧、易於電控、較低成本等性能，本發明提供一種微細電火花加工用電磁驅動高頻激振輔助進絲機構。
本發明採用的技術方案為
該結構包括常開夾子和常閉夾子兩部分，圓管式常開夾子電磁鐵的推桿與常開夾子絕緣壓絲塊固連，圓管式常開夾子電磁鐵與常開夾子固定支架螺紋連接，常開夾子固定支架與常開夾子絕緣導絲塊通過螺釘連接；吸盤式常閉夾子電磁鐵通過電磁鐵固定螺釘與常閉夾子端蓋固連，常閉夾子端蓋通過端蓋固定螺釘與外框座固連，常閉夾子電磁鐵外圓面與外框座內圓面間隙配合。
常閉夾子銜鐵和常閉夾子絕緣壓絲塊固接，作為常閉夾絲的一側可開啟夾塊；絕緣支撐塊、導電夾絲塊、激振電磁鐵動鐵芯固接，作為常閉夾絲的另一側夾塊；常閉夾子絕緣壓絲塊與絕緣支撐塊通過設定預緊力常閉夾子扭簧壓緊電極絲，通過電磁驅動控制激振電磁鐵動鐵芯的高頻振動，實現常閉夾絲夾子與電極絲一體化高頻振動。
導電接線片通過螺釘與導電夾絲塊固連，導電夾絲塊壓緊電極絲，將供電電極傳導到電極絲上；絕緣墊圈和絕緣墊圈將帶電的支撐板簧與外框座絕緣隔離，常閉夾子絕緣壓絲塊將帶電的電極絲的一側絕緣隔離，絕緣支撐塊將帶電的導電夾絲塊和電極絲的另一側絕緣隔離；絕緣支撐塊與導電夾絲塊、激振電磁鐵動鐵芯固接，以傳遞高頻低幅振動。
導電夾絲塊由板簧支撐在外框座上，常閉夾子絕緣壓絲塊通過扭簧支撐並將電極絲壓緊在導電夾絲塊上；常閉夾子絕緣壓絲塊與導電夾絲塊之間為燕尾槽結構間隙配合， 以精確控制電極絲的夾緊與鬆開動作範圍。
激振電磁鐵定鐵芯採用上下面過盈配合固定於外框座上，激振永磁鐵與激振電磁鐵定鐵芯通過前後面過盈配合固定，激振電磁線圈沿水平方向繞在激振電磁鐵定鐵芯上， 外框端蓋通過螺釘固定於外框座上，外框端蓋在水平方向壓緊激振電磁鐵定鐵芯。激振電磁鐵動鐵芯同時受到激振永磁鐵和激振電磁線圈產生的磁力線作用，當激振電磁線圈產生的逆時針磁力線作用時，激振電磁鐵動鐵芯的下作用面的磁場強度將加強(同方向磁力線疊加)，在激振電磁鐵動鐵芯的上作用面的磁場強度將減弱(異方向磁力線抵消)，這將使激振電磁鐵動鐵芯的下作用面的拉力(吸引力)大於上作用面的拉力，即產生向下運動的合力；根據此原理，通過正弦波或方波交流電信號切換激振電磁線圈的電流方向，並控制激振電磁線圈的電流大小，即可在激振電磁鐵動鐵芯上產生設定頻率和幅值的強迫振動。
所述外框座通過螺釘固定於微進給驅動滑塊上，常開夾子固定支架固定於固定支1 ο
所述支撐板簧通過軸向階梯配合支撐常閉夾子銜鐵、常閉夾子絕緣壓絲塊、導電夾絲塊、絕緣支撐塊、激振電磁鐵動鐵芯，支撐板簧通過板簧固定螺釘固定於外框座上。
所述常開夾子絕緣壓絲塊與常開夾子絕緣導絲塊的凹槽上下表面無幹涉。
所述常閉夾子銜鐵與常閉夾子絕緣壓絲塊之間通過膠粘固連；所述導電夾絲塊與絕緣支撐塊之間通過前後配合面過盈配合及側面高強度膠粘固連；所述絕緣支撐塊與激振電磁鐵動鐵芯之間通過上下配合面過盈配合及側面高強度膠粘固連。
所述常閉夾子銜鐵採用導磁材料，常閉夾子絕緣壓絲塊採用絕緣材料，導電接線片採用導電材料，絕緣支撐塊採用高硬度絕緣材料，導電夾絲塊採用導電材料，激振電磁鐵定鐵芯和激振電磁鐵動鐵芯採用軟磁材料，激振永磁鐵採用永磁材料。
本發明的有益效果是
1、本發明為微細電火花加工提供了一種微細電火花加工用電磁驅動高頻激振輔助進絲機構模塊，集成了微細電極絲高頻低幅振動和蠕動式夾持進給雙重功能，結構小巧緊湊並易於安裝於微細電火花加工設備主軸上。
2、機構模塊的輔助高頻低幅振動功能應用於微細電火花加工過程中，可以有效增加電火花放電率，即大幅提高加工效率。
3、通過正弦波或方波交流電信號控制強迫振動頻率和幅值，通過電平信號控制常閉和常開夾絲機構的開啟和閉合，使輔助振動頻率和幅值、電極絲蠕動進給或回退都易於電控，即操作控制簡便。
4、常閉夾絲機構上設計了燕尾槽結構，可以提高微細電極絲夾緊與鬆開的動作精度，有利於提高微細電極絲與導向器的對準精度。
5、在產生相同振動頻率和幅值情況下，與現有的壓電陶瓷驅動輔助振動機構及其驅動電源相比，本發明機構模塊及其驅動電源的成本較低且發熱較少，有望提高工業應用的可靠性。


圖1電磁驅動高頻激振輔助進絲機構的主視圖2為圖1所示電磁驅動高頻激振輔助進絲機構的俯視圖3為圖1所示電磁驅動高頻激振輔助進絲機構的側視圖4為圖1的A-A向剖視圖5為圖1的局部視圖6為正應力電磁驅動高頻振動原理示意圖7為電極絲蠕動式夾持進給控制過程示意圖中標號
1-板簧固定螺釘；2-絕緣墊圈；3-支撐板簧；4-絕緣墊圈；5-外框座；6_常閉夾子端蓋；7-電磁鐵固定螺釘；8-常閉夾子電磁鐵；9-端蓋固定螺釘；10-常閉夾子銜鐵； 11-常閉夾子絕緣壓絲塊；12-常開夾子電磁鐵；13-常開夾子絕緣壓絲塊；14-常開夾子固定支架；15-常開夾子絕緣導絲塊；16-電極絲；17-微進給驅動滑塊；18-導電接線片； 19-絕緣支撐塊；20-導電夾絲塊；21-常閉夾子扭簧；22-激振電磁鐵定鐵芯；23-激振電磁鐵動鐵芯；24-激振電磁線圈；25-激振永磁鐵；26-外框端蓋；27-固定支架；28-常開夾子固定螺釘。
具體實施方式
本發明提供了一種微細電火花加工用電磁驅動高頻激振輔助進絲機構，下面結合附圖和具體實施方式
，詳細描述本發明的實施步驟、機械連接與配合關係、動作過程和操作步驟。首先說明機械構成、裝配連接及實施步驟；然後，說明微細電火花加工過程中輔助高頻低幅振動和蠕動進絲的動作過程和控制方式。
1、說明本發明的機械構成、裝配連接及實施步驟
(1)如圖1 圖5所示本發明機械結構，相關零部件裝配連接關係
圓管式常開夾子電磁鐵12的推桿與常開夾子絕緣壓絲塊13固連，圓管式常開夾子電磁鐵12與常開夾子固定支架14螺紋連接，常開夾子固定支架14與常開夾子絕緣導絲塊15通過螺釘連接，裝配常開夾子固定支架14與常開夾子絕緣導絲塊15時，保證常開夾子絕緣壓絲塊13與常開夾子絕緣導絲塊15的凹槽上下表面無幹涉，常開夾子固定支架14 通過常開夾子固定螺釘觀與固定支架27固連。吸盤式常閉夾子電磁鐵8通過電磁鐵固定螺釘7與常閉夾子端蓋6固連，常閉夾子端蓋6通過端蓋固定螺釘9與外框座5固連，常閉夾子電磁鐵8外圓面與外框座5內圓面間隙配合。常閉夾子銜鐵10與常閉夾子絕緣壓絲塊11通過膠粘固連；導電夾絲塊20與絕緣支撐塊19通過前後配合面過盈配合及側面高強度膠粘固連，絕緣支撐塊19與激振電磁鐵動鐵芯23通過上下配合面過盈配合及側面高強度膠粘固連，常閉夾子絕緣壓絲塊11與絕緣支撐塊19通過設定預緊力常閉夾子扭簧21壓緊電極絲16，導電接線片18通過螺釘與導電夾絲塊20固連，通過支撐板簧3與導電夾絲塊 20的軸向階梯配合支撐常閉夾子銜鐵10、常閉夾子絕緣壓絲塊11、導電夾絲塊20、絕緣支撐塊19、激振電磁鐵動鐵芯23，支撐板簧3通過板簧固定螺釘1固定於外框座5上，絕緣墊圈2和絕緣墊圈4將支撐板簧3與外框座5絕緣。激振電磁鐵定鐵芯22採用上下面過盈配合固定於外框座5上，激振永磁鐵25與激振電磁鐵定鐵芯22通過前後面過盈配合固定， 激振電磁線圈M沿水平方向繞在激振電磁鐵定鐵芯22上，外框端蓋沈通過螺釘固定於外框座5上，外框端蓋沈在水平方向壓緊激振電磁鐵定鐵芯22，外框座5通過螺釘固定於微進給驅動滑塊17。
(2)確定電磁激振驅動的關鍵零部件材料
常閉夾子銜鐵10為電磁純鐵DT4C，常閉夾子絕緣壓絲塊11為高分子量聚乙烯，導電接線片18為磷銅片，絕緣支撐塊19為95%氧化鋁陶瓷，導電夾絲塊20為耐磨鉛黃銅，激振電磁鐵定鐵芯22為軟磁材料1J21，激振電磁鐵動鐵芯23為軟磁材料1J21，激振永磁鐵 25為釹鐵硼N38H。
(3)通過數值仿真計算激振驅動電信號參數
根據電磁激振相關零部件結構尺寸和材料，以及主要初始參數(如圖6所示)激振電磁線圈M的匝數沈0、激振電磁鐵定鐵芯22與激振電磁鐵動鐵芯23之間的作用間隙 A = O. 005、激振電磁鐵動鐵芯23與激振永磁鐵25之間的作用間隙B = 0. 05。
利用有限元磁路仿真求解出驅動電流與激振電磁鐵動鐵芯驅動力關係為
驅動電流IA1. 5Α2Α2. 5Α3Α動鐵芯驅動力15. 4Ν16. 7Ν17. 88Ν18. 96Ν20Ν
根據運動部件常閉夾子銜鐵10、常閉夾子絕緣壓絲塊11、導電接線片18、絕緣支撐塊19、導電夾絲塊20、常閉夾子扭簧21、激振電磁鐵動鐵芯23的總質量22kg，利用慣性力原理F = ma和上述求解出的動鐵芯驅動力F，即可以計算出激振部件能達到的加速度a， 再利用簡諧振動原理，即可計算出運動部件的理論振動頻率和幅值。
比如，利用驅動電流2A時的驅動力17. 88N，計算得出加速度a = 813m/s2，計算出的運動部件的理論振動頻率和幅值為
振動頻率4. 53kHz3.21kHz2. 62kHz2.27kHz2.03kHz振動幅值1 μ m2 μ m3 μ m4 μ m5 μ m
通過調節輸入電流OA)和輸入頻率(2. 62kHz)的交流控制信號，即可以得到設定的輔助振動頻率(2.62kHz)和幅值(3μπι)的輸出。
(4)圓管式常開夾子電磁鐵12和吸盤式常閉夾子電磁鐵8，可以選用現有的符合電磁力和尺寸結構要求的部件產品。通過設計和實驗校核圓管式常開上夾子電磁鐵12和吸盤式常閉下夾子電磁鐵8的電磁力，保證常閉下夾子克服常閉夾子扭簧21預緊力可以實現打開，常開上夾子閉合電極絲16的壓緊力可以克服電極絲16重力和進退電極絲16時的摩擦阻力。
2、說明本發明在微細電火花加工過程中輔助高頻低幅振動和蠕動進絲的動作過程和控制方式
在微細電火花加工過程中，常開上夾子電磁鐵12失電保持鬆開電極絲16，常閉下夾子電磁鐵8失電保持夾緊電極絲16;根據激振電磁線圈M的電阻(8.2Ω)和得出的驅動電流為(2A)，採用設定幅值(16. 4V)和設定頻率(2.62kHz)的方波(或正弦波)交流電信號輸入給激振電磁線圈M，即可在激振電磁鐵動鐵芯23上產生設定頻率(2. 62kHz)和幅值(3μπι)的強迫振動，以有效增加微細電火花加工放電率。
在微細電火花加工前需要進行電極絲16蠕動式夾持進給，以補償電極絲16的積累損耗或進給電極絲16到加工區域，在加工完成後需要進行電極絲16蠕動式夾持回退，以從工件中將電極絲16退出加工區域。電極絲16蠕動式夾持進給控制動作過程(如圖7所示)在圖7(1)常態下，閉合常開上夾子夾緊電極絲16，打開常閉下夾子鬆開電極絲16 (如圖7( 所示)，微進給驅動滑塊17驅動打開的常閉下夾子回退一個行程(如圖7(3)所示)，閉合常閉下夾子夾緊電極絲16，打開常開上夾子鬆開電極絲16 (如圖7(4)所示)，微進給驅動滑塊17驅動常閉下夾子進給一個行程(如圖7 所示)，即實現電極絲16的蠕動式夾持進給一個行程。同理，可以協調控制實現電極絲16的蠕動式夾持回退一個行程。
權利要求
1.微細電火花加工用電磁驅動高頻激振輔助進絲機構，包括常開夾子和常閉夾子兩部分，圓管式常開夾子電磁鐵(12)的推桿與常開夾子絕緣壓絲塊(13)固連，圓管式常開夾子電磁鐵(12)與常開夾子固定支架(14)螺紋連接，常開夾子固定支架(14)與常開夾子絕緣導絲塊(1 通過螺釘連接；吸盤式常閉夾子電磁鐵(8)通過電磁鐵固定螺釘(7)與常閉夾子端蓋(6)固連，常閉夾子端蓋(6)通過端蓋固定螺釘(9)與外框座(5)固連，常閉夾子電磁鐵(8)外圓面與外框座(5)內圓面間隙配合，其特徵在於，常閉夾子銜鐵(10)和常閉夾子絕緣壓絲塊(11)固接，作為常閉夾絲的一側可開啟夾塊；絕緣支撐塊(19)、導電夾絲塊(20)、激振電磁鐵動鐵芯固接，作為常閉夾絲的另一側夾塊；常閉夾子絕緣壓絲塊(11)與絕緣支撐塊(19)通過設定預緊力常閉夾子扭簧壓緊電極絲(16)，通過電磁驅動控制激振電磁鐵動鐵芯的高頻振動，實現常閉夾絲夾子與電極絲(16) —體化高頻振動；導電接線片(18)通過螺釘與導電夾絲塊00)固連，導電夾絲塊OO)壓緊電極絲 (16)，將供電電極傳導到電極絲(16)上；絕緣墊圈(2)和絕緣墊圈⑷將帶電的支撐板簧 (3)與外框座( 絕緣隔離，常閉夾子絕緣壓絲塊(11)將帶電的電極絲(16)的一側絕緣隔離，絕緣支撐塊(19)將帶電的導電夾絲塊OO)和電極絲(16)的另一側絕緣隔離；絕緣支撐塊(19)與導電夾絲塊(20)、激振電磁鐵動鐵芯固接，以傳遞高頻低幅振動；導電夾絲塊OO)由板簧C3)支撐在外框座( 上，常閉夾子絕緣壓絲塊(11)通過扭簧支撐並將電極絲(16)壓緊在導電夾絲塊OO)上；常閉夾子絕緣壓絲塊(11)與導電夾絲塊OO)之間為燕尾槽結構間隙配合，以精確控制電極絲(16)的夾緊與鬆開動作範圍；激振電磁鐵定鐵芯0 採用上下面過盈配合固定於外框座( 上，激振永磁鐵05) 與激振電磁鐵定鐵芯0 通過前後面過盈配合固定，激振電磁線圈04)沿水平方向繞在激振電磁鐵定鐵芯0 上，外框端蓋06)通過螺釘固定於外框座( 上，外框端蓋06) 在水平方向壓緊激振電磁鐵定鐵芯02)。
2.根據權利要求1所述的微細電火花加工用電磁驅動高頻激振輔助進絲機構，其特徵在於，所述外框座( 通過螺釘固定於微進給驅動滑塊(17)上，常開夾子固定支架(14)固定於固定支架、2Τ)上。
3.根據權利要求1所述的微細電火花加工用電磁驅動高頻激振輔助進絲機構，其特徵在於，所述支撐板簧C3)通過軸向階梯配合支撐常閉夾子銜鐵(10)、常閉夾子絕緣壓絲塊 (11)、導電夾絲塊(20)、絕緣支撐塊(19)、激振電磁鐵動鐵芯(23)，支撐板簧(3)通過板簧固定螺釘(1)固定於外框座(5)上。
4.根據權利要求1所述的微細電火花加工用電磁驅動高頻激振輔助進絲機構，其特徵在於，所述常開夾子絕緣壓絲塊(1 與常開夾子絕緣導絲塊(1 的凹槽上下表面無幹涉。
5.根據權利要求1所述的微細電火花加工用電磁驅動高頻激振輔助進絲機構，其特徵在於，所述常閉夾子銜鐵(10)與常閉夾子絕緣壓絲塊(11)之間通過膠粘固連；所述導電夾絲塊OO)與絕緣支撐塊(19)之間通過前後配合面過盈配合及側面高強度膠粘固連；所述絕緣支撐塊(19)與激振電磁鐵動鐵芯之間通過上下配合面過盈配合及側面高強度膠粘固連。
6.根據權利要求1所述的微細電火花加工用電磁驅動高頻激振輔助進絲機構，其特徵在於，所述常閉夾子銜鐵(10)採用導磁材料，常閉夾子絕緣壓絲塊(11)採用絕緣材料，導電接線片(18)採用導電材料，絕緣支撐塊(19)採用高硬度絕緣材料，導電夾絲塊00)採用導電材料，激振電磁鐵定鐵芯0 和激振電磁鐵動鐵芯採用軟磁材料，激振永磁鐵 (25)採用永磁材料。全文摘要
微細電火花加工用電磁驅動高頻激振輔助進絲機構模塊屬於微細特種加工技術領域。該機構高頻振動和蠕動進絲採用全電磁驅動分離控制方式；通過電磁驅動控制激振電磁鐵動鐵芯的高頻振動，實現常閉夾絲夾子與電極絲一體化高頻振動；常閉下夾子通過扭簧壓緊夾塊實現常閉夾緊電極絲，並利用吸盤式吸力電磁鐵實現電控打開；常開上夾子利用圓管式推力電磁鐵實現電控夾緊；下夾子安裝在微進給驅動的滑塊上，上夾子安裝在固定支架上；協調控制上下夾子的夾緊和鬆開動作，並利用微進給驅動下夾子送給電極絲運動，實現微細電極絲的蠕動進給或回退。該機構用於微細電火花加工中，實現微細電極絲的高頻低幅強迫輔助振動及蠕動式夾持進給，以提高加工效率和補償電極絲損耗。
文檔編號B23H7/10GK102513625SQ20111043960
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月23日 優先權日2011年12月23日
發明者佟浩, 李勇, 金丹 申請人:清華大學