基于电极侧壁绝缘的喷油嘴倒锥孔微细电火花加工装置的制作方法

本发明属于机械工程领域，具体涉及一种基于电极侧壁绝缘的喷油嘴倒锥孔微细电火花加工装置。

背景技术：

微细电火花加工技术作为先进制造技术的一个重要分支，已成为制造技术领域不可或缺的重要组成部分。尤其是进入21世纪后，随着信息技术、材料科学技术等高新技术的发展，微细电火花加工技术也朝着更深层次、更高水平的方向发展。虽然传统的微细电火花加工技术通过自身的不断更新发展以及与其它相关技术的融合，在一些特殊加工领域表现出了加工效率高等优势，但这种技术仍存在一定的不足。相反，微细电火花成形加工技术通过借鉴其它加工技术的发展经验，正不断向微细化、高效化、精密化、自动化、智能化等方向发展。

微细电火花加工主要指尺寸小于300μm的轴孔、凹槽和型腔等的加工。实现微细电火花加工的一个重要条件是加工单位(即每次放电的蚀除量)尽可能小，其加工单位只取决于单个脉冲的放电能量。而微细电火花加工“倒锥孔”的先进制造技术对柴油发动机向着高速、高喷射压力、低排放等高性能方向发展备受关注。喷油嘴偶件是影响发动机性能、寿命及可靠性的关键部件，为有效改善喷油嘴微细喷孔喷射过程的流量系数和雾化效果，不仅要求其喷孔孔径小于0.2mm，还要求孔径沿喷射方向逐渐变小形成0°～2°锥角的“倒锥孔”，以达到欧Ⅳ(国4)以上的排放标准。传统的机械钻削已无法满足高标准微细喷孔的加工需求。电火花加工微细喷孔具有无机械加工力、喷孔直径小、精度较高、压力室无毛刺、可在热处理后加工等优点。瑞士某公司在电火花加工机床主轴上集成了旋转电极丝的偏转倾斜块，加工出锥顶角0°～1.4°的倒锥形微细孔。但实践表明，微细电极丝或导向套的自旋转实现倒锥孔放电加工时，由于微细电极丝刚度低、自旋转精度难以精确控制，引入的随机误差易造成较大的孔径和锥角误差，且旋转中难以持续进给微细电极丝。非绝缘电极加工随着加工时间变长，导致“倒锥孔”在加工入口处电蚀过多使入口过大。同时，随加工的进行电蚀产物增多也会放电，使倒锥孔呈现“腰鼓”形状。并且，加工出口由于非绝缘电极端部自身损耗变得细长而加工较少，不能形成标准的“倒锥孔”。所以加工出孔径沿喷射方向逐渐变小形成0°～2°锥角的合格“倒锥孔”对柴油发动机正向着高速、高喷射压力、低排放等高性能方向发展是非常重要的。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于电极侧壁绝缘的喷油嘴倒锥孔微细电火花加工装置，以克服现有技术中的问题，本发明提高了喷油嘴倒锥孔加工过程中的工作效率，降低了生产成本，保证了生产质量，并减少了生产安全隐患。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于电极侧壁绝缘的喷油嘴倒锥孔微细电火花加工装置，包括底板，底板上设置有用于夹持喷油嘴的工件夹持装置，且底板上安装有对工件夹持装置进行定位的工作台定位装置，底板上还连接有支撑架，支撑架上安装有用于进给电极的快速进给装置以及连接在快速进给装置上的微进给装置，喷油嘴和电极分别连接至开路电压动态可调的可控式RC脉冲电源的正极和负极；

所述的工作台定位装置包括设置在底板上的X向滑板，X向滑板上装有由XY向转轴轴承支撑的XY向转轴，XY向转轴通过XY向联轴器连接有XY向伺服电机。

进一步地，XY向转轴上设有主动锥齿轮，主动锥齿轮通过从动锥齿轮连接至X向转轴的一端，所述X向转轴由X向转轴支撑板和X向转轴轴承支撑于X向滑板上，且从动锥齿轮和X向转轴支撑板之间设有X向电磁离合器，X向转轴的另一端设有X向驱动齿轮，X向驱动齿轮与设于底板上的X向齿条相啮合；

X向滑板上设有Y向滑板，Y向滑板下部装有Y向齿条，Y向齿条与设于XY向转轴中部的Y向驱动齿轮相啮合，Y向驱动齿轮一侧装有Y向电磁离合器。

进一步地，所述的工件夹持装置包括对称设置在Y向滑板上的两个耳板，两个耳板通过转轴连接，转轴的一端通过转轴联轴器连接有角度伺服电机，转轴上还连接有角度桶，角度桶上连接有用于夹持喷油嘴的工件夹盘，工件夹盘上连接有旋转伺服电机。

进一步地，所述的XY向伺服电机、角度伺服电机和旋转伺服电机均由PLC控制。

进一步地，所述的快速进给装置包括连接在支撑架上的升降板，升降板通过滚珠丝杆螺母连接有Z向滚珠丝杆，Z向滚珠丝杆的上端通过Z向联轴器连接有Z向伺服电机，Z向滚珠丝杆的底部与底板相连。

进一步地，所述的微进给装置包括设置在升降板上的导向筒，导向筒下端装有导向头，上端设有紧固端盖，导向头中安装有第一弹簧以及套设在第一弹簧内侧的第二弹簧，第一弹簧和第二弹簧上部设有与其配合的弹簧座，弹簧座的外侧设有下支撑套，下支撑套上设有膜片弹簧，弹簧座的上侧设有铁芯座，铁芯座上设有用于夹持电极的常闭电磁夹，常闭电磁夹上设有与膜片弹簧配合的膜片弹簧压盖，膜片弹簧压盖内侧设有活动铁芯绕组，且膜片弹簧边缘压有上支撑套，上支撑套内侧与活动铁芯绕组上边缘内侧配合，上支撑套与紧固端盖之间设有固定铁芯绕组，活动铁芯绕组内孔、固定铁芯绕组内孔和紧固端盖内孔中设置有用于对电极进行导向的上导向管，导向头的内侧设有供电极通过的常开电磁夹，常开电磁夹上侧设有用于对电极进行导向的下导向管。

进一步地，Z向伺服电机由PLC控制。

进一步地，电极为侧壁绝缘电极。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明布局简单，结构紧凑，降低了整个装置的整体尺寸。采用侧面绝缘的电极能够完全杜绝由于加工时间的变长使加工入口处产生的过度电蚀和电蚀产物所造成的“腰鼓”现象。电极丝只在垂直方向进给，消除了以往加工中电极由于刚度低在自旋转中所带来的误差。同时，利用电极头部放电侧面不放电的条件，使电蚀产物在底部放电来消除出口加工不足的情况。而绝缘层则在电极底部放电时逐渐电蚀，进而加工出符合要求的“倒锥孔”。

进一步地，采用开路电压动态可调的可控式RC脉冲电源来产生微细电火花，由调压器控制开路电压来改变脉冲能量，从而实现能量逐步连续增大的放电加工。

进一步地，整个装置动力由伺服电机提供，机械惯性小，精度高，使整个装置在工作过程中稳定可靠，并提高了工件的定位精度。

进一步地，Z向伺服电机可以驱动滚珠丝杆，利用其运动的可逆性带动升降板沿支撑架导向槽上下快速准确移动。而伺服电机的抱闸功能则可以保证升降板的悬停。

进一步地，升降板与支撑架的配合部分不仅为升降板提供导向作用，而且承受升降板机构自身重力所引起的弯矩，从而减小升降板对丝杆螺母的作用力。

进一步地，微进给机构通过利用两个同向通电线圈所产生的磁场排斥，消除装配产生的机械间隙，防止膜片弹簧翻转，来挤压膜片弹簧实现微进给。膜片弹簧和大小弹簧安装时有一定的压缩量。且大小弹簧安装旋向相反，可防止其脱座缠绕。

进一步地，设置长短不一有一定预紧力的大小弹簧可以消除初通电时磁场排斥的突然性，消除装配产生的机械间隙，并使得膜片弹簧的弹性形变更加柔和，保证微细进给的平稳性。

进一步地，X向滑板和Y向滑板采用齿轮齿条传动承载力大、精度高、速度快。同时，工作台通过利用电磁离合器，可用一个伺服电机实现两方向的运动，降低了机构的繁杂度。

进一步地，采用角度伺服电机可以准确控制喷油嘴中心线与倒锥孔中心线的夹角。而旋转伺服电机则可控制喷油嘴绕自身轴向转动，来实现喷油嘴一嘴多锥孔的加工。

进一步地，所有伺服电机与传动轴采用联轴器连接，可消除转配精度不高所引起的误差，减少机械传动系统的振动、降低冲击尖峰载荷。联轴器还具有一定的缓冲减震性能，也兼有过载安全保护作用。

附图说明

图1为本发明的整体结构主视图；

图2为本发明的整体结构主视图的C-C向剖视图；

图3为本发明的整体结构主视图的D-D向剖视图；

图4为本发明的整体结构俯视图；

图5为本发明的整体结构俯视图的A-A向剖视图；

图6为本发明的整体结构俯视图的B-B向剖视图；

图7为本发明的整体结构右视图；

图8为本发明的整体结构左视图；

图9为本发明的升降板的俯视图；

图10为本发明的升降板的右视图；

图11为本发明的膜片弹簧的俯视图；

图12为可控式RC脉冲电源示意图。

其中，1、底板，2、XY向伺服电机，3、XY向联轴器，4、XY向转轴，5、X向转轴，6、X向转轴轴承，7、Z向滚珠丝杆，8、导向头，9、开路电压动态可调的可控式RC脉冲电源，10、导向筒，11、升降板，12、紧固端盖，13、Z向伺服电机，14、电极，15、支撑架，16、喷油嘴，17、工件夹盘，18、角度桶，19、角度伺服电机，20、耳板，21、旋转伺服电机，22、Y向滑板，23、Y向齿条，24、Y向驱动齿轮，25、X向滑板，26、常开电磁夹，27、第一弹簧，28、第二弹簧，29、下导向管，30、下支撑套，31、弹簧座，32、铁芯座，33、膜片弹簧，34、常闭电磁夹，35、膜片弹簧压盖，36、上支撑套，37、活动铁芯绕组，38、固定铁芯绕组，39、上导向管，41、Z向联轴器，42、滚珠丝杆螺母，43、X向齿条，44、XY向转轴轴承，45、主动锥齿轮，46、Y向电磁离合器，47、从动锥齿轮，48、X向转轴支撑板，49、X向电磁离合器，50、X向驱动齿轮，51、转轴，52、转轴联轴器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

参见图1-图11，基于电极侧壁绝缘的喷油嘴倒锥孔微细电火花加工装置，包括安装于支撑架15和底板1上的快速进给装置、微进给装置、工作台定位装置、工件夹持装置和与喷油嘴16和电极14分别连接的开路电压动态可调的可控式RC脉冲电源9，还包括侧壁绝缘的电极14；其中，支撑架15设置于底板1上。

开路电压动态可调的可控式RC脉冲电源9(如图12)采用较小的放电电容C，(放电能量E＝12CV²，其中C为放电电容，V为开路电压)来实现微细电火花放电，而其开路电压V由程序控制的调压器逐步持续增大，其加工单位(蚀除量)也逐步持续增大。加工单位由小变大，进而实现倒锥孔的加工。

侧壁绝缘的电极14可消除非绝缘电极加工随着加工时间变长，加工入口处电蚀过多而导致的加工入口处过大的缺点和电蚀产物所造成的“腰鼓”现象。电极14只在垂直方向进给，消除了以往加工中电极14由于刚度低在自旋转中所带来的误差。同时，利用电极14头部放电侧面不放电的条件，使电蚀产物在底部放电来消除出口加工不足的情况。而绝缘层则在电极14底部放电时逐渐电蚀，进而加工出符合要求的微孔。

快速进给装置包括支撑架15上设置的Z向伺服电机13，Z向伺服电机13与Z向联轴器41相连，Z向联轴器41与Z向滚珠丝杆7相连，Z向滚珠丝杆7与底板1相连。伺服电机具有抱闸功能，可以在伺服电机停转时克服滚珠丝杆的可逆性悬停升降板。同时，Z向滚珠丝杆7与滚珠丝杆螺母42相连，滚珠丝杆螺母42与升降板11相连，升降板11与支撑架15相连，升降板与支撑架15的配合部分不仅为升降板11提供导向作用，而且承受升降板机构自身重力所引起的弯矩，从而减小升降板11对丝杆螺母的作用力。

微进给装置包括升降板11上设置的导向筒10，导向筒10下端装有导向头8，其上端设有紧固端盖12。导向头8上装有第一弹簧27和第二弹簧28，第一弹簧27和第二弹簧28与弹簧座31相连。长短不一的第一弹簧27和第二弹簧28可以消除初通电时磁场排斥的突然性，消除装配产生的机械间隙，防止膜片弹簧33翻转，并使得膜片弹簧33的弹性形变更加柔和，保证微进给的平稳性。导向头8外围设有下支撑套30，下支撑套30内表面与弹簧座31外表面配合，为活动铁芯绕组37提供导向作用。同时，下支撑套30上设有膜片弹簧33。弹簧座31上设有铁芯座32，铁芯座32上装有常闭电磁夹34，并夹持电极14，常闭电磁夹34上设有膜片弹簧压盖35，膜片弹簧压盖35的上边缘压与膜片弹簧33上，膜片弹簧压盖35内侧与活动铁芯绕组37外侧配合。膜片弹簧33边缘压有上支撑套36，上支撑套36内侧与活动铁芯绕组37上边缘内侧配合。上支撑套36与固定铁芯绕组38相连，固定铁芯绕组38与紧固端盖12相连。活动铁芯绕组37内孔、固定铁芯绕组38内孔和紧固端盖12内孔与上导向管39配合，导向头8的内侧设有供电极14通过的常开电磁夹26，常开电磁夹26上侧设有用于对电极14进行导向的下导向管29。

工作台定位装置包括底板1上设置的X向滑板25，X向滑板25上装有由XY向转轴轴承44支撑的XY向转轴4，XY向转轴4一端与XY向联轴器3相连，XY向联轴器3与XY向伺服电机2相连。同时，XY向转轴4上设有主动锥齿轮45，主动锥齿轮45与从动锥齿轮47相啮合，从动锥齿轮47装于X向转轴5的一端，X向转轴5由X向转轴支撑板48和X向转轴轴承6支撑于X向滑板25上。在从动锥齿轮47和X向转轴支撑板48之间设有X向电磁离合器49。X向转轴5的另一端设有X向驱动齿轮50，X向驱动齿轮50与设于底板1上的X向齿条43相啮合。采用齿轮齿条传动承载力大、精度高、速度快。X向滑板25上设有Y向滑板22，Y向滑板22下部装有Y向齿条23，Y向齿条23与设于XY向转轴4中部的Y向驱动齿轮24相啮合，Y向驱动齿轮24一侧装有Y向电磁离合器46。

工件夹持装置包括Y向滑板22上的两个耳板5，两个耳板20通过转轴51相连，转轴51与转轴联轴器52相连，转轴联轴器52与角度伺服电机19相连。同时，转轴51与角度桶18相连，角度桶18设有工件夹盘17，工件夹盘17夹持喷油嘴16，工件夹盘17与旋转伺服电机21相连。采用角度伺服电机可以准确控制喷油嘴中心线与倒锥孔中心线的夹角。而旋转伺服电机则可控制喷油嘴绕自身轴向转动，来实现喷油嘴多“倒锥孔”的加工。

Z向伺服电机13、XY向伺服电机2、角度伺服电机19和旋转伺服电机21均由PLC控制，Z向伺服电机13和角度伺服电机19带有抱闸功能。微进给机构通过活动铁芯绕组37、固定铁芯绕组38产生的电磁力压缩膜片弹簧33、第一弹簧27和第二弹簧28进行进给。电极14为外侧涂有环氧树脂的侧面绝缘电极。采用涂有环氧树脂的侧面绝缘电极，可消除非绝缘电极加工随着加工时间变长，加工入口处电蚀过多而导致的“倒锥孔”加工入口处过大的缺点和电蚀产物所造成的“腰鼓”现象。同时，利用电极头部放电侧面不放电的条件，使电蚀产物在底部放电来消除出口加工不足的情况。而绝缘层则在电极底部放电时逐渐电蚀，进而加工出符合要求的“倒锥孔”。

下面对本发明的操作过程做详细描述：

首先，将喷油嘴16夹持于工件夹盘17中，由角度伺服电机19驱动转轴51带动角度桶18转动，来确定喷油嘴16中心线与倒锥孔中心线的夹角。通过XY向伺服电机2驱动XY向转轴4，分别启动或关闭X向电磁离合器49和Y向电磁离合器46来带动X向驱动齿轮50和Y向驱动齿轮24，从而带动X向滑板25和Y向滑板22对加工位置进行粗定位。

其次，通过Z向伺服电机13驱动Z向滚珠丝杆7，由滚珠丝杆螺母42带动升降板11将侧面绝缘电极14快速粗进给至可加工位置。此时再通过XY向伺服电机2对加工位置进行校准。

最后，由Z向伺服电机13将电极14进给至与工件接触，打开开路电压动态可调的可控式RC脉冲电源9由程序控制调压器使脉冲能量在小能量范围内逐渐增大直至加工完成断电，在加工时产生的电蚀产物可增大放电范围，利用此特点可逐步扩大孔加工出口的直径。而电极14自身存在的损耗，可由微进给装置动态进给补偿损耗完成加工过程。在加工过程中，两个线圈绕组通逐渐增大的同向电流，产生同性磁场，从而排斥活动铁芯绕组37向下运动，通过铁芯座32和膜片弹簧压盖35压缩膜片弹簧33，从而进给电极14。当电极14损耗至快不能进给时，常开电磁夹26闭合，常闭电磁夹34打开，逐渐减小线圈电流，使膜片弹簧33恢复，再闭合常闭电磁夹34，打开常开电磁夹26，重复以上过程完成微进给，直至加工完成。