電火花加工精密平面和球面新技術的製作方法

2024-03-22 18:01:05

專利名稱：電火花加工精密平面和球面新技術的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種電火花加工精密平面和球面的新技術方法。屬於電火花加工(ElectricDischargeMachining)技術領域。
用本發明所述方法加工時工件和工具電極同時分別繞各自的位於同一平面的兩條軸線作迴轉運動。用迴轉的薄壁圓筒形(整體或局部)工具電極解決電極損耗對加工精度的影響，由工件迴轉軸和工具電極迴轉軸之間的夾角及工具電極直徑決定球面成形曲率半徑及平面成形精度。
現有的機械加工方法，如精車某些金屬材料的某些類型的平面和球面，可以達到微米級尺寸和形位精度，但是難以達到鏡面效果，對於淬硬的材料，通常用磨削方法能達到精密加工要求，然而對於一些難切削材料如硬質合金、不鏽鋼、鈦合金等工件的有些形面，如凹入式小平面、多臺階形面、凹超半球面、大半徑球面等，無論用車削、磨削或其他機械加工方法均難實現精密級平面和球面加工。
現有的電火花加工技術方法可以克服常規機械加工方法對金屬材料適應性不足的缺點，但對精密平面，特別是較大平面和各種精密球面加工時，工件的幾何尺寸精度和表面質量不能同時達到微米級鏡面加工要求，現有的成型電火花加工技術方法能夠加工工件上較小的平面，但是不能加工較大的面積或深凹的精密平面或由若干平面組成的精密多臺階面。現有的電火花加工技術只能加工出一般精度要求的球面，不能加工出高精度球面，現有的成型電火花加工技術方法存在的主要問題是加工運動方式不能適應精密平面和球面的成形要求，而且加工區的排屑排氣，工具電極的損耗及極間電容的影響等問題也難以解決。現有的電火花線切割技術能切割工件上的一般平面和凸球面，但受其加工運動方式的限制不能切割凹入式平面、盲孔類環狀多臺階平面、組合型面。加工凸球面時效率極低，也難達到高精度要求，而且不能加工凹球面。
本發明的目的是解決現有的電火花加工技術方法和機械加工方法在加工精密平面和球面方面長期存在的上述問題，提供一種電火花加工精密平面和球面的新技術方法。
本發明提供一項電火花加工精密平面和球面的新技術方法，其特徵是工具電極和工件分別繞自身轉軸作迴轉運動，兩條迴轉軸位於同一平面內相交成某一角度，該角度等於零度即兩條迴轉軸平行時用來加工平面，該角度不等於零度時用來加工球面，加工平面時工具電極或工件作軸向進給或再附加徑向運動，加工球面時工具電極或工件只作軸向進給，工具電極的形狀是薄壁圓筒形(整體或局部)。加工整體平面時薄壁圓筒形工具電極的筒壁通過工件迴轉軸心，以軸向進給方式加工。加工中空或中部凸起的環狀平面時薄壁圓筒形工具電極的筒壁可以通過或不通過工件迴轉軸心，加工形狀完整的局部凸球面或凹球面，薄壁圓筒形工具電極軸向進給到最終位置時，其筒壁通過工件迴轉軸心，加工環形凸球面或環形凹球面時薄壁圓筒形工具電極筒壁可以通過或不通過工件迴轉軸心。
用本發明所述方法加工球面時，調整工件轉軸和工具電極轉軸之間的夾角和選擇工具電極的直徑來獲得需要的球面半徑，由設備的運動精度保證工件的成形精度。
本發明所述技術方法加工平面時的成形運動方式和原理如下(參看

圖1)。工件(1)繞軸線O1O1迴轉。工具電極(2)繞軸線O2O2迴轉，該兩條軸線相互平行，通常位於與坐標工作檯面平行的同一平面內。
設點a是薄壁圓筒形工具電極圓筒前緣最凸出的一個點，當電極繞自身的軸迴轉時點a的運動軌跡是一個垂直於該電極轉軸O2O2的圓，工件邊緣端面上點b的運動軌跡是一個垂直於工件轉軸O1O1的圓，當工具電極和工件同時迴轉時工具電極的邊緣對準工件迴轉軸線並作軸向進給。由圖2可見，點a的圓形運動軌跡可以覆蓋整個工件在點b的圓形運動軌跡範圍內的被加工端面，工件被加工端面上的最凸起部位將首先被電蝕除去，在軸向進給過程中，工件的受蝕面逐漸擴展，最後形成一個完整的平面。加工過程中工具電極本身的損耗使其端面得到自動修整。進入正常穩定加工狀態時，工具電極端部形成窄環面，對準工件端面進行火花放電加工，如圖2所示若薄壁圓筒形電極筒壁通過工件迴轉軸心，則可以加工出整體平面(圖1和圖3)，若筒壁不通過工件迴轉軸心則可加工中空的平面(圖4)或中部凸起的環狀平面(圖5)，若需精修與平面相鄰的圓柱面，可使電極再附加徑向運動，被加工平面的幾何形狀精度主要取決於工具機的動態精度和工件轉軸和工具電極轉軸的平行度。
加工球面時的成形運動方式和原理如圖10和圖11所示，工件(1)繞軸線O1O1迴轉，工具電極(2)繞軸線O2O2迴轉，軸線O1O1和軸線O2O2位於同一平面內，並相交成θ角，該兩條軸線所在的平面通常與坐標工作檯面平行、加工時工具電極作軸向進給，設軸線O1O1和軸線O2O2的交點為O、工件經加工後形成的球面半徑為R、薄壁圓筒形工具電極的外徑為d，加工成形區在圖上用有細點子的區域表示、由於薄壁圓筒形工具電極的迴轉軸線O2O2通過工件球心O，因此該電極圓筒端面周邊與工件球面能夠貼合，因為球面被任一平面相切割時其截面均為圓形面、由此得出，加工開始時工件上需蝕除的加工餘量總是凸出在球面之外，工具電極的初始位置是沿自身轉軸後退一段距離。如圖10和圖11中虛線所示，在加工過程中迴轉的工件上需去除的餘量逐漸被蝕除，工具電極本身由於損耗，同時自動修整成為窄環形面對工件進行火花放電加工，而位於工件球形界面以內的任何部分均不會孤立的被蝕除。最後必然形成需要的球面。若工具電極到達最終進給位置時電極的筒壁通過工件迴轉軸心，則可以加工出完整形狀的局部凸球面(圖10)，或局部凹球面(圖11)，對於環形凸球面(圖16)和環形凹球面(圖17)，電極筒壁可以通過或不通過工件迴轉軸心。
球面成形幾何參數間的關係圖12中有細點的部分是工件需加工形成的球面，其球面半徑為R，薄壁圓筒形工具直徑為d，工件的迴轉軸和工具電極的迴轉軸之間的夾角為θ，從圖中可以得出如下關係式sinθ＝d/2R對於加工件半徑為確定值的球面來說，隨著選用電極直徑d的增大，夾角θ亦需相應加大。
電火花加工過程中電規程的選擇在使用本發明所述技術方法加工過程中的各個階段應該選擇不同的電規程，對於電蝕加工餘量較大的工件，在初始階段通常選用電極低損耗的粗規程加工，以提高加工效率，使工件很快成形、然後逐漸減弱規程，兼顧加工精度和表面粗糙度兩個方面。最終使兩者同時達到工藝指標要求。
與現有的電火花加技術方法相比本發明所述技術方法有下列突出的技術進步1、展成成形方式中薄壁圓筒形工具電極的筒壁前緣通過工件迴轉軸心，加工過程中工具電極繞自身轉軸迴轉和作軸向進給，運動形式簡單，平面及球面的成形精度主要取決於軸系轉動時的動態精度。目前機械行業對軸系轉動精度的控制技術和接近亞微米級精度的實用機構均已發展到相當成熟的程度。因此用本發明所述方法十分有利於加工高精度的平面和球面。
2、用本發明所述技術方法加工時，工具電極對工件的被加工部位不施加明顯的作用力，因此實施本發明所用設備的設計和製造技術較易解決。
3、用本發明所述技術方法可以方便地加工凹入式精密平面和精密凸、凹球面，用傳統方法加工這類型面通常難以達到精密級加工的要求。
4、薄壁圓筒形工具電極、加工運動方式和布局、加工過程中形成的工作液液流等使排屑、排氣條件始終處於良好狀態，從而有效地防止因排屑、排氣不良造成拉弧燒傷現象的發生與通常的電火花成型加工相比，二次放電的機率明顯減少。
5、薄壁圓筒形工具電極設計製造方便，利用率高，通用性好，成本低，取材方便。用普通的銅材即可以滿足需要。
6、薄壁圓筒形工具電極的幾何形狀和表面質量通過迴轉和軸向進給以及電極自身的損耗得到自動修整，徹底克服了常規電火花成型加工中電極損耗和電極的初始幾何形狀精度對加工精度的影響。即使工具電極的端面製造質量稍差，在加工過程中會自動整形，工件和電極的表面質量會同步提高，工件最終的表面粗糙度與工具電極端面原始的表面質量狀況無關，也就是說能以原始粗糙的工具電極加工出最終精密光潔的工件表面。
7、加工較大的面型時，由於採用薄壁圓筒形(整體或局部)電極，仍可使瞬時放電加工面積相對減小，工件和工具電極間的電容量也相應減小，便於選擇很弱的電規程，有利於在極小的放電間隙下進行大面積鏡面加工。
8、成形運動方式簡煉，實用機構精度容易得到保證，排屑排氣條件好，便於在加工過程中實現電規程的分級或連續轉換，從粗加工精加工直到超精加工可以平穩過渡。
9、本發明所述技術對特殊材料(如不鏽鋼、硬質合金、脆性金屬等)工件的一些型面類型加工，其加工效率和精度均超過傳統的電火花加工方法和機械加工方法。
對附圖的說明圖1是加工平面的成形運動方式和原理圖。
圖2說明工具電極端面外緣上的一點(a)的運動軌跡和工件端面邊緣上的一點(b)的運動軌跡及其相互關係。
圖3所示加工方式和布局可加工凹入式平面，圓筒形電極還能同時加工相接的內圓柱面，而且接合處的稜角清晰。
圖4所示是加工臺階孔的方法，工件一次性裝夾到芯軸上，工具電極分若干次移位或更換電極加工形成多臺階孔、各個孔的同軸度和各平面間的平行度精度很高、平面和圓柱面接合處的稜角清晰，圖中OO是移位後的工具電極的迴轉軸線。
圖5所示是加工平底環形槽的方法、用圓筒形工具電極的外圓柱面加工環形槽外側圓柱面，用電極的內圓柱面加工環形槽內側圓柱面，用電極的端面加工環形槽底平面，當電極筒壁厚度與槽寬的尺寸選配合適時，形成的環狀底平面平面度好，槽底稜角成形清晰，特別適用於端面軸承滾道及密封聯接件密合面等的加工。
圖6所示是加工組合型面的方法，工件一次性裝夾到芯軸上，用幾個電極分次加工各型面。各型面同軸精度高，底平面相互間的平行精度高，間距公差容易控制，能達到微米級精度。
圖7所示是加工帶凸肩的工件的方法，分三個階段進行加工。
圖8所示是加工外圓環形槽的方法。槽的兩側為平面、槽底是圓柱面，工具電極的形狀與以前所述形狀略有不同。圓筒形工具電極的筒底在圓筒中間，即筒底兩側相當於兩個圓筒。
筒底在圓筒中間，即筒底兩側相當於兩個圓筒。
圖9所示是加工兩面平行的薄片的方法。工件的兩面預先磨平行。先加工一面，然後將工件翻身再加工另一面。用本發明所述方法可以加工出厚度僅為幾十微米兩面平行的薄片。
圖10所示是加工凸球面的方法。
圖11所示是加工凹球面的方法。
圖12用來解釋工件球面半徑R、圓筒形工具電極直徑d和兩條迥轉軸的夾角θ三者之間的函數關係。
sinθ＝d/2R，或R＝d/2sinθ.
圖13表示當工具電極直徑d固定時，改變θ角加工半徑R不同的球面的方法，球面的立體包角將隨R的增大而減小。
圖中 R1＜R2;α1＞α2圖14表示兩條迴轉軸的夾角θ固定時，用直徑為d的圓筒形工具電極加工球面。當電極端面在Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ三個不同位置時加工形成的球面用細點標出。在Ⅰ和Ⅱ的情況下，由於電極筒邊緣不與工件迴轉軸接合，sinθ＝d/2R的關係式不再成立，而且加工形成的是以兩平行截面為界限的環形球面。
圖15進一步表明工具電極筒緣不與工件轉軸接合，對以假想輪廓線包圍的工件毛坯進行加工的結果。在工件的迴轉軸周圍會形成局部凸起錐狀體，但它並不影響球面部分的成形精度。
圖16說明加工局部環形凸球面主方法。
圖17說明加工局部環形凹球面的方法。
圖18表示兩條迴轉軸相交成90度時加工對稱形局部環形球面的方法。
圖19說明加工凸超半球面的方法。
圖20說明加工凹超半球面的方法。
權利要求
1.一種電火花加工精密平面或球面的技術方法，其特徵是工具電極和工件分別繞自身轉軸作迴轉運動，兩條迴轉軸位於同一平面內相交成某一角度，該角度等於零度即兩條迴轉軸平行時用來加工平面，該角度不等於零度時用來加工球面，加工平面時工具電極或工件作軸向進給或再附加徑向運動，加工球面時工具電極或工件只作軸向進給，工具電極的形狀是薄壁圓筒形(整體或局部)。
2.權利要求1所述的技術方法，其特徵是加工整體平面時薄壁圓筒形工具電極的筒壁端面通過工件迴轉軸心，以軸向進給方式加工。
3.權利要求1所述的技術方法，其特徵是加工中空或中部凸起的環狀平面時薄壁圓筒形工具電極的筒壁端面可以通過或不通過工件迴轉軸心。
4.權利要求1所述的技術方法，其特徵是加工形狀完整的局部凸球面或凹球面，薄壁圓筒形工具電極軸向進給到最終位置時，其筒壁端面通過工件迴轉軸心。
5.權利要求1所述的技術方法，其特徵是加工環形凸球面或環形凹球面時薄壁圓筒形工具電極筒壁端面可以通過或不通過工件迴轉軸心。
全文摘要
本發明涉及一種電火花加工精密平面和球面新技術的方法，工件和工具電極同時分別繞各自位於同一平面的兩軸線作迴轉運動，用圓筒形工具電極解決電極損耗對加工精度的影響。由工件和電極兩轉軸間的夾角和電極直徑決定球面成型曲率半徑及平面成型精度。與現有的電火花加工方法相比，本方法簡單，加工精度高，工件球面半徑可靈活調整選定，可加工各種金屬工件的平面、任意大直徑的凸凹球面、超半球球面、多臺階面及多種組合型面、精度達微米級，能實現大面積鏡面加工。
文檔編號B23H1/00GK1088141SQ92107849
公開日1994年6月22日 申請日期1992年12月16日 優先權日1992年12月16日
發明者孫昌樹 申請人:國營江南光學儀器廠