一种用于深小孔电火花加工的多功能主轴机构的制作方法
【专利摘要】本发明公开了属于微细特种加工【技术领域】的一种用于深小孔电火花加工的多功能主轴机构。该多功能主轴机构包括旋转主轴机构、传动机构、常闭夹子机构、密封机构、电刷机构、换丝机构、常开夹子机构、导向机构、连接机构；旋转主轴机构、传动机构、常闭夹子机构、密封机构、电刷机构及换丝机构固定安装在上安装板上，常开夹子机构安装在下安装板上；上安装板通过导向机构与下安装板连接，保持z向一个相对移动自由度；上安装板通过连接机构与z轴顶板连接，下安装板通过连接机构连接到z轴底板。该机构面向航空发动机和燃气轮机的热端部件上气膜冷却群孔加工，可实现工具电极的前推式蠕动进给、高精度旋转、中空高压冲液，及电极在线更换的多种功能。
【专利说明】—种用于深小孔电火花加工的多功能主轴机构
【技术领域】
[0001]本发明属于微细特种加工【技术领域】，特别涉及一种用于深小孔电火花加工的多功能主轴机构。
【背景技术】
[0002]航空发动机正在朝大推重比、低油耗的方向发展，提高发动机性能的关键是提高涡轮前燃气温度。由于涡轮前温度已超过涡轮叶片材料可承受的温度极限，气膜冷却技术被广泛采用来降低涡轮叶片壁面温度。为提高冷却效率、降低冷却气体用量，航空发动机涡轮叶片和火焰筒上气膜孔要求孔径小、孔径多变(Φ0.2?0.8mm)、空间位置复杂，而且数量多(单个零件上几十个到几百个)。与航空发动机涡轮叶片相似，燃气轮机涡轮叶片上也设计有气膜冷却群孔。
[0003]电火花加工气膜孔等深小孔，具有设备成本较低、加工效率高、重铸层厚度较薄等优点。但由于气膜冷却孔等深小孔深径比大、电极损耗快，这不仅要采用长度200?400mm的细长空心电极，而且要求进丝主轴具有电极进给补偿、电极空心高压内冲液、电极高精度旋转、电极便于更换的多种功能。
[0004]目前，气膜孔等深小孔电火花加工用主轴机构，主要采用将电极夹头和高压冲液密封结构集成在旋转主轴上，夹头夹住电极后端并在导向器约束电极前端情况下，进给补偿电极损耗。这种后推式主轴结构存在夹头和导向器间电极长、刚度低的问题，这可能造成两种不利情况:如果导向器和电极间隙过大，则电极端部旋转径跳误差较大，影响孔径精度和加工效率；如果导向器和电极间隙过小，则电极进退摩擦阻力较大且容易发生弯曲。而且，这种主轴机构常采用密封塞压紧电极方式，使电极更换的操作过程不够简便。
[0005]在较小尺寸的微细孔(孔径Φ0.1?0.3mm)电火花加工中，已采用蠕动式进给主轴机构，通过常闭夹子、常开夹子的交替开合及双夹子相对进给运动，可实现在微细电极下端直接推动电极与导向器近距离进给。这样电极夹头和导向器间的电极短、刚度较高，可避免微细电极进给弯曲。但对于航空发动机和燃气轮机特殊高温材料、单个叶片上大量气膜冷却孔加工，为实现高效率、高尺寸精度、一次装夹加工出群孔，还要求将电极中空高压冲液、高精度旋转、自动更换电极功能与蠕动进给功能相复合的多功能主轴机构。
【发明内容】
[0006]针对上述现有技术存在的问题，本发明提出一种用于深小孔电火花加工的多功能主轴机构，其特征在于，该多功能主轴机构包括旋转主轴机构、传动机构、常闭夹子机构、密封机构、电刷机构、换丝机构、常开夹子机构、导向机构、连接机构；旋转主轴机构、传动机构、常闭夹子机构、密封机构、电刷机构及换丝机构固定安装在上安装板16上，常开夹子机构安装在下安装板11上；上安装板16通过导向机构与下安装板11连接，保持z向一个相对移动自由度；上安装板16通过连接机构与z轴顶板6连接，下安装板11通过连接机构连接到z轴底板I。[0007]所述旋转主轴机构的具体连接关系为:套筒54与旋转主轴45间隙配合，旋转主轴45与上角接触轴承49、下角接触轴承58内圈过盈配合，上角接触轴承49外圈与上轴承座50过渡配合，下角接触轴承58外圈与下轴承座59过渡配合，上轴承压盖48与上轴承座50用第八螺钉47固连,上轴承压盖48压紧上角接触轴承49外圈预紧上角接触轴承49、下角接触轴承58，下轴承压盖57与下轴承座59用第九螺钉56固连，第四密封圈46与旋转主轴45圆槽、上轴承压盖48挤压连接，防尘密封圈55与下轴承压盖57圆槽、套筒54挤压连接，上轴承座50、下轴承座59与过渡板19用第四螺钉23固连,过渡板19与上安装板16用第五螺钉24固连，大同步带轮53与旋转主轴45用平键51、第二弹性挡圈52固连。
[0008]所述传动机构的具体连接关系为:推杆65穿过旋转主轴45矩形横孔周向定位，与下压块84、压块83间隙配合径向定位，上压盘64、下压盘66与推杆65通过螺栓67、螺母68固连，径向锁紧螺母70与旋转主轴45细螺纹配合固连，径向锁紧螺母70与下压盘66用第二压缩弹簧69连接，调心盘71与径向锁紧螺母70粘接固连，第一电磁铁62与电磁铁支架63用螺纹连接，电磁铁支架63与上安装板16用第二螺钉15固连,2个第一电磁铁62相对于旋转主轴45对称安装，上压盘64、下压盘66传递的动力由第一电磁铁62提供，使第一电磁铁62推动推杆65合力方向向下。
[0009]所述常闭夹子机构的具体连接关系为:常闭夹子构件安装在常闭夹子套筒79上，常闭夹子套筒79与旋转主轴45用紧定螺钉82固连，锁紧箍77与常闭夹子套筒79过盈配合固连；压块83与两爪夹头78过盈配合固连，压块83与常闭夹子套筒79间隙配合，与常闭夹子套筒79用第三压缩弹簧81连接，第三压缩弹簧81与常闭夹子套筒79用第一垫片80隔离，锁紧箍77与两爪夹头78外锥面配合，推杆65与压块83间隙配合；
[0010]常闭夹子机构通过第一电磁铁62提供动力，通过上压盘64、下压盘66传递动力，实现电极蠕动进给和高精度旋转分离控制，实现在旋转主轴45任意旋转周向位置开合控制；常闭夹子机构的执行件为带有锥面配合的两爪夹头78，实现电极10的夹紧力、开闭位置和行程的精准控制；在实现电火花加工中，常闭夹子机构带动电极10同时伺服进给和旋转运动。
[0011]所述密封机构的具体连接关系为:导向压块88、弹性密封塞85、下压块84与旋转主轴45间隙配合,依次装入旋转主轴45内孔,通过旋转主轴45内轴肩轴向定位；弹性密封塞85与导向压块88通过第四压缩弹簧87、第二垫片86连接，弹性密封塞85凸起轴与导向压块88锥面配合，下压块84与推杆65间隙配合；
[0012]密封机构通过电极10外圆柱面和弹性密封塞85内锥面配合方式，实现电极10进给时高压工作液在主轴内腔密封；为实现弹性密封塞85与电极10脱离，弹性密封为开合可控方式。
[0013]所述电刷机构的具体连接关系为:两个半圆式绝缘套筒60对接与旋转主轴45间隙配合，轴向定位，导电环61与绝缘套筒60粘接固连；电刷座91与电磁铁支架63固连，电刷89与绝缘管90间隙配合，绝缘管90与电刷座91间隙配合，十字螺钉92与电刷座91用螺纹连接，电刷89与十字螺钉92用第五压缩弹簧94连接，十字螺钉92与第五压缩弹簧94用绝缘垫片93连接；电刷89与脉冲电源一极用导线连接，电刷89与导电环61挤压连接，导电环61与锁紧箍77用导线连接；
[0014]电刷机构采用分离式绝缘结构连接旋转主轴45和导电环61，实现导电环61和旋转主轴45电隔离，从而实现电极10供电的同时旋转主轴45电隔离。
[0015]所述换丝机构的具体的连接关系为:水箱29与上安装板16用第七螺钉40固连，水管25与上安装板16用第六螺钉28固连，通过第一密封圈27、第一挡圈26和水箱29挤压连接，旋转主轴45与水箱29通过第三密封圈43、第二挡圈44挤压连接，旋转主轴45轴线和水箱29下丝孔轴线重合；上导向37与换丝轴39过渡配合，下导向42和换丝轴39间隙配合并用花键连接，η根储丝管38周向均布，与上导向37、下导向42间隙配合；换丝轴39与固连在上安装板16的套筒间隙配合径向定位，换丝轴39与水箱29用第二密封圈41挤压连接，水箱压盖30与水箱29用第七螺钉40固连，水箱压盖30与换丝轴39用第一压缩弹簧32连接，第一压缩弹簧32与换丝轴39用耐磨垫片31隔离，下导向42与水箱29挤压连接，水箱29内下丝孔轴线处在储丝管38周圆上；棘轮33与换丝轴39通过平键34、第一弹性挡圈35固连,手柄36与换丝轴39间隙配合径向定位,手柄36与右支撑96内的矩形槽间隙配合轴向定位；棘爪101与手柄36用销轴113、开口销112连接，扭簧114两端分别伸入棘爪101、手柄36键槽保证棘爪101与棘轮33稳定压合；定位块95、第三垫片98与右支撑96用第十一螺钉97固连；销轴100与右支撑96间隙配合，与手柄36用拉簧99连接；
[0016]换丝机构通过棘轮33推动换丝轴39旋转工位，通过定位块95限位保证棘轮33转动角度，使电极自动下落来更换电极；在换丝轴39旋转换丝后，通过下导向42转动挤压，实现换丝、换丝轴39和水箱29密封功能切换。
[0017]所述耐磨垫片31、下导向42采用聚四氟乙烯材料，减小与水箱29的滑动摩擦，降低损耗。
[0018]所述常开夹子机构的具体连接关系为:常开夹子支架72与下安装板11用第一螺钉12固连，常开夹子套筒73与常开夹子支架72固连，导向器座74与常开夹子套筒73间隙配合、螺纹连接，导向器75与导向器座74间隙配合，常开夹子套筒73将导向器75轴向固定；常开夹子静压块102与常开夹子套筒73粘接固连,常开夹子动压块103与常开夹子套筒73间隙配合，常开夹子动压块103与常开夹子套筒73用第六压缩弹簧104、第四垫片105连接；销轴座109与常开夹子支架72固连，销轴107与销轴座109间隙配合，通过开口销定位，连杆108与销轴107间隙配合，滚珠106与常开夹子动压块103间隙配合，连杆108与常开夹子动压块103通过滚珠106连接，第二电磁铁110与常开夹子支架72螺纹连接，压紧连杆108 ；
[0019]常开夹子机构通过更换不同厚度第四垫片105调节第六压缩弹簧104预紧力，与第二电磁铁Iio推力平衡改变连杆108转动角度，实现对常开夹子动压块103的行程控制，从而实现常开夹子机构对电极10夹紧力的控制；利用滚珠106滚动连接连杆108圆周运动转化为常开夹子动压块103的直线运动，避免连杆108和常开夹子动压块103直接连接时产生的相对滑动，减小磨损，提高重复运动精度；通过常开夹子动压块103和常开夹子静压块102的相对运动，实现常开夹子机构开合，从而实现电极10的夹紧、松开。
[0020]所述导向机构为两个圆柱销111，圆柱销111与下安装板11螺纹连接，销轴导向，圆柱销111与上安装板16间隙配合，销轴导向；
[0021]导向机构中的圆柱销111保证上安装板16上的常闭夹子机构和下安装板11上常开夹子机构相对运动时的轴向对准精度；[0022]通过导向机构导向、常闭夹子机构和常开夹子机构协调开闭、常闭夹子轴向进给驱动来综合实现电极蠕动进给。
[0023]所述连接机构包括夹紧机构、水连接机构、电连接机构；
[0024]所述夹紧机构为组合夹头，上气动夹头8、上拉钉22、上定位片21为组合夹头，上安装板16与z轴顶板6通过上气动夹头8、定位片21、上拉钉22固连；下气动夹头3、下拉钉14、下定位片13为组合夹头，下安装板11与z轴底板I通过下气动夹头3、下定位片13、下拉钉14固连；
[0025]所述水连接机构包括转接水管9、水管25,转接水管9与z轴顶板6固连,水管25与上安装板16固连，水管25与转接水管9通过第一密封圈27、第一挡圈26挤压连接；
[0026]所述电连接机构包括电插头18与电插座5，电插头支架17与上安装板16固连，电插头18与电插头支架17固连，电插头18与电插座5为航空插头，电插座支架4与z轴顶板6固连，电插座5与电插座支架4固连。
[0027]所述密封水箱29结构用于电极中空高压冲液，实现电极10旋转时的高压冷却液流动和供给；转接水管9、水管25通过O型密封圈静密封对水箱29高压供液；旋转主轴45通过O型密封圈动密封实现水箱29内高压工作液在旋转主轴45带动电极旋转时流向旋转主轴45内腔。
[0028]本发明的有益效果是:
[0029]1、本发明可以实现电极前推式蠕动进给、高精度旋转、中空高压冲液等功能，有利于提高电极进给刚度和主轴伺服稳定性、提高深小孔的尺寸精度和深径比，改善排屑能力，提高加工效率。
[0030]2、利用电磁铁对称布置提供动力，通过盘形块(上压盘、下压盘)与推杆、旋转主轴固连传递动力，实现电极蠕动进给和高精度旋转分离控制，并可在旋转主轴任意周向位置控制密封机构和常闭夹子机构的开合。这种对称结构有利于传递动力和输出动力控制，并无需主轴旋转角度的定位要求，可降低硬件成本并且易于控制。
[0031]3、锥面配合的两爪夹头可以实现电极夹紧力、开闭位置、行程精确控制，并且两爪夹头的对称结构可以提高主轴旋转运动和电极伺服进给运动的稳定性。
[0032]4、将高压冲液在电极上密封设计为开合可控方式，既实现了闭合时对旋转主轴内腔的密封，又能在打开时便于电极蠕动进给和更换。使用盘形块传递动力、推杆同步驱动常闭夹子机构、密封机构开合，有效简化了结构，使控制更加简便。
[0033]5、采用分离式绝缘结构来实现电极供电与旋转主轴绝缘，并且采用径向尺寸较小的导电环将加工用脉冲电直接与工具电极相连。这样在主轴旋转时，导电环径向尺寸小可降低与其接触的电刷滑动摩擦速度，以减小电刷磨损；脉冲电的直接连接方式，可降低脉冲电传导过程中的电阻，有利于降低脉冲电传导过程的功率损失。
[0034]6、通过换丝机构可以实现多根电极在线更换，并利用棘轮机构精确控制旋转角度、下导向和水箱挤压连接来实现换丝、密封功能切换。这种在线换丝方式，可减少换丝时间，并且解决了换丝造成的高压工作液密封问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0035]图1为多功能主轴整体结构图；[0036]图2为上安装板结构图；
[0037]图3为常闭夹子闭合结构图；
[0038]图4为常开夹子打开结构图；
[0039]图5为密封闭合结构图；
[0040]图6为密封打开结构图；
[0041]图7为推杆结构图；
[0042]图8为电刷结构图；
[0043]图9为换丝轴结构图；
[0044]图10为换丝轴花键结构图；
[0045]图11为换丝轴棘轮结构图；
[0046]图12为棘爪定位结构图；
[0047]图13为下安装板结构图；
[0048]图14为常开夹子打开结构图；
[0049]图15为常开夹子闭合结构图；
[0050]图16为Z轴结构图；
[0051]其中:l-z轴底板；2_下气动夹头垫块；3_下气动夹头；4_电插座支架；5_电插座；6-z轴顶板；7-z轴导轨；8_上气动夹头；9_转接水管；10_电极；11-下安装板；12_第一螺钉；13-下定位片；14-下拉钉；15-第二螺钉；16-上安装板；17_电插头支架；18_电插头；19_过渡板；20_第三螺钉；21_上定位片；22_上拉钉；23_第四螺钉；24_第五螺钉；25-水管；26-第一挡圈；27_第一密封圈；28_第六螺钉；29-水箱；30-水箱压盖；31-耐磨垫片；32_第一压缩弹簧；33_棘轮；34_平键；35_第一弹性挡圈；36_手柄；37_上导向；38_储丝管；39_换丝轴；40_第七螺钉；41_第二密封圈；42_下导向；43_第三密封圈；44-第二挡圈；45_旋转主轴；46_第四密封圈；47_第八螺钉；48_上轴承压盖；49_上角接触轴承；50_上轴承座；51_平键；52_第二弹性挡圈；53_大同步带轮；54_套筒；55_防尘密封圈；56_第九螺钉；57_下轴承压盖；58_下角接触轴承；59_下轴承座；60_绝缘套筒；61-导电环；62_第一电磁铁；63_电磁铁支架；64_上压盘；65_推杆；66_下压盘；67_螺栓；68-螺母；69_第二压缩弹簧；70_径向锁紧螺母；71_调心盘；72_常开夹子支架；73_常开夹子套筒；74_导向器座；75_导向器；76_工件；77_锁紧箍；78_两爪夹头；79_常闭夹子套筒；80_第一垫片；81_第三压缩弹簧；82_紧定螺钉；83_压块；84_下压块；85_弹性密封塞；86_第二垫片；87_第四压缩弹簧；88_导向压块；89_电刷；90_绝缘管；91_电刷座；92-第十螺钉；93_绝缘垫片；94_第五压缩弹簧；95_定位块；96_右支撑；97_第十一螺钉；98-第三垫片；99_拉簧；100_第一销轴；101-棘爪；102_常开夹子静压块；103_常开夹子动压块；104-第六压缩弹簧；105-第四垫片；106-滚珠；107-第二销轴；108-连杆；109_销轴座；110_第二电磁铁；111-圆柱销；112-开口销；113_第三销轴；114_扭簧。
【具体实施方式】
[0052]下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
[0053]1、本发明的机械构成和装配连接关系
[0054]用于深小孔电火花加工的多功能主轴机构，如图1-图16所示，该多功能主轴机构包括旋转主轴机构、传动机构、常闭夹子机构、密封机构、电刷机构、换丝机构、常开夹子机构、导向机构、连接机构；旋转主轴机构、传动机构、常闭夹子机构、密封机构、电刷机构及换丝机构固定安装在上安装板16上，常开夹子机构安装在下安装板11上；上安装板16通过导向机构与下安装板11连接，保持z向一个相对移动自由度；上安装板16通过连接机构与z轴顶板6连接,下安装板11通过连接机构连接到z轴底板I。
[0055]旋转主轴机构如图1-图2所示，旋转主轴机构的具体连接关系为:套筒54与旋转主轴45间隙配合，旋转主轴45与上角接触轴承49、下角接触轴承58内圈过盈配合，上角接触轴承49外圈与上轴承座50过渡配合，下角接触轴承58外圈与下轴承座59过渡配合，上轴承压盖48与上轴承座50用第八螺钉47固连，上轴承压盖48压紧上角接触轴承49外圈预紧上角接触轴承49、下角接触轴承58，下轴承压盖57与下轴承座59用第九螺钉56固连，第四密封圈46与旋转主轴45圆槽、上轴承压盖48挤压连接，防尘密封圈55与下轴承压盖57圆槽、套筒54挤压连接，上轴承座50、下轴承座59与过渡板19用第四螺钉23固连，过渡板19与上安装板16用第五螺钉24固连，大同步带轮53与旋转主轴45用平键51、第二弹性挡圈52固连。
[0056]传动机构如图2-图8所示，传动机构的具体连接关系为:推杆65穿过旋转主轴45矩形横孔周向定位，与下压块84、压块83间隙配合径向定位，上压盘64、下压盘66与推杆65通过螺栓67、螺母68固连，径向锁紧螺母70与旋转主轴45细螺纹配合固连，径向锁紧螺母70与下压盘66用第二压缩弹簧69连接，调心盘71与径向锁紧螺母70粘接固连，第一电磁铁62与电磁铁支架63用螺纹连接，电磁铁支架63与上安装板16用第二螺钉15固连，2个第一电磁铁62相对于旋转主轴45对称安装,第一电磁铁62断电与上压盘64有一定距离，电磁铁62通电伸长推动上压盘64、推杆65向下移动。
[0057]其中，第一电磁铁62断电与上压盘64之间的一定距离根据电磁铁推杆移动范围而定，目前使用电磁铁推杆通电后可移动1mm，第一电磁铁62断电与上压盘64的距离约为
0.5mm,即在断电时第一电磁铁62和上压盘64有间隙0.5mm,通电时第一电磁铁62推杆移动Imm,推动上压盘64移动0.5mm。
[0058]常闭夹子机构如图3、图4所示，常闭夹子机构的具体连接关系为:常闭夹子构件(锁紧箍77、两爪夹头78、第一垫片80、第三压缩弹簧81、压块83)安装在常闭夹子套筒79上，常闭夹子套筒79与旋转主轴45用紧定螺钉82固连，锁紧箍77与常闭夹子套筒79过盈配合固连；压块83与两爪夹头78过盈配合固连，压块83与常闭夹子套筒79间隙配合，与常闭夹子套筒79用第三压缩弹簧81连接，第三压缩弹簧81与常闭夹子套筒79用第一垫片80隔离，锁紧箍77与两爪夹头78外锥面配合，推杆65与压块83间隙配合；当推杆65在旋转主轴45横孔上极限位置，推杆65与压块83轴向有一定距离，两爪夹头78压紧锁紧箍77，夹紧电极10;推杆65向下移动，推动压块83、两爪夹头78向下移动离开锁紧箍77，两爪夹头78恢复形状，松开电极10。
[0059]常闭夹子执行件为带有锥面配合的两爪夹头78，可实现电极10的夹紧力、开闭位置和行程的精确控制。常闭夹子通过锥面和内圆柱面的配合方式，使两爪夹头78弹性变形夹紧、松开电极10 ;通过更换不同厚度垫片80调节压缩弹簧81的预紧力，可以调节锁紧箍77对两爪夹头78的压紧力，从而实现两爪夹头78对电极10夹紧力大小精确控制,保证两爪夹头78稳定夹紧电极10。开闭位置和行程通过改变两爪夹头78两爪开槽宽度、夹头外锥面锥角的方式进行精确控制。
[0060]密封机构如图5、图6所示，密封机构的具体连接关系为:导向压块88、弹性密封塞85、下压块84与旋转主轴45间隙配合，依次装入旋转主轴45内孔，通过旋转主轴45内轴肩轴向定位，弹性密封塞85凸起轴与导向压块88锥面配合，下压块84与推杆65间隙配合；弹性密封塞85与导向压块88通过第四压缩弹簧87、第二垫片86连接，第四压缩弹簧87预紧。推杆65与旋转主轴45矩形横孔间隙配合周向定位，与下压块84、压块83间隙配合径向定位，推杆65在旋转主轴45矩形横孔内轴向移动。
[0061]密封机构采用工具电极10外圆柱面和弹性密封塞85内锥面配合方式，即在推杆65压力作用下弹性密封塞85变形压紧电极，实现电极10进给时高压工作液在主轴内腔密封。无变形状态下弹性密封塞85内孔比电极10直径大约0.3mm，推杆65推动下压块84、弹性密封塞85向上移动，弹性密封塞85内凸起轴外圆柱面压紧导向压块88内锥面，凸起轴向内弹性变形，弹性密封塞85内孔收缩压紧电极10，弹性密封塞85外圈与导向压块88底面挤压，弹性密封塞85外圈向外弹性变形压紧旋转主轴45内腔，实现弹性密封塞85上部旋转主轴45内腔高压工作液密封，高压工作液通过电极10中空内腔流向工件76。
[0062]在电极蠕动进给或更换电极时，为实现高压冲液弹性密封塞85与工具电极10脱离，将弹性密封设计为开合可控方式；通过盘形块64、66传递动力到达推杆65，推杆65同步驱动常闭夹子开闭和弹性弹性密封塞85开合。推杆65在旋转主轴45矩形横孔上极限位置，压块83与推杆65有一定距离，常开夹子机构闭合，推杆65推动下压块84，密封闭合。推杆65沿旋转主轴45矩形横孔向下移动，推动压块83，常闭夹子机构打开，弹性密封塞85在第四压缩弹簧87预紧力作用下离开导向压块88，弹性密封塞85恢复形状，密封打开。
[0063]电刷机构如图2、图8所示，电刷机构的具体连接关系为:两个半圆式绝缘套筒60对接与旋转主轴45间隙配合，轴向定位，导电环61与绝缘套筒60粘接固连；电刷座91与电磁铁支架63固连，电刷89与绝缘管90间隙配合，绝缘管90与电刷座91间隙配合，十字螺钉92与电刷座91用螺纹连接，电刷89与十字螺钉92用第五压缩弹簧94连接，十字螺钉92与第五压缩弹簧94用绝缘垫片93连接；电刷89与脉冲电源一极用导线连接，电刷89与导电环61挤压连接，导电环61与锁紧箍77用导线连接。
[0064]电刷机构采用分离式绝缘结构连接旋转主轴45和导电环61，实现导电环61和旋转主轴45电隔离，从而实现电极10供电的同时旋转主轴45电隔离。
[0065]换丝机构如图2、图9-图12所示，换丝机构的具体的连接关系为:水箱29与上安装板16用第七螺钉40固连，水管25与上安装板16用第六螺钉28固连，通过第一密封圈27、第一挡圈26和水箱29挤压连接，旋转主轴45与水箱29通过第三密封圈43、第二挡圈44挤压连接，旋转主轴45轴线和水箱29下丝孔轴线重合；上导向37与换丝轴39过渡配合，下导向42和换丝轴39间隙配合并用花键连接，η根储丝管38周向均布，与上导向37、下导向42间隙配合；换丝轴39与固连在上安装板16的套筒间隙配合径向定位，换丝轴39与水箱29用第二密封圈41挤压连接，水箱压盖30与水箱29用第七螺钉40固连，水箱压盖30与换丝轴39用第一压缩弹簧32连接，第一压缩弹簧32与换丝轴39用耐磨垫片31隔离，下导向42与水箱29挤压连接，水箱29内下丝孔轴线处在储丝管38周圆上；棘轮33与换丝轴39通过平键34、第一弹性挡圈35固连,手柄36与换丝轴39间隙配合径向定位，手柄36与右支撑96内的矩形槽间隙配合轴向定位；棘爪101与手柄36用销轴113、开口销112连接，扭簧114两端分别伸入棘爪101、手柄36键槽保证棘爪101与棘轮33稳定压合；定位块95、第三垫片98与右支撑96用第十一螺钉97固连；销轴100与右支撑96间隙配合，与手柄36用拉簧99连接；
[0066]换丝机构设计为可圆周布置多根电极的换丝轴39方式，通过棘轮33推动换丝轴39旋转工位，通过定位块95限位保证棘轮33转动角度，使电极自动下落来更换电极。通过更换不同厚度第三垫片98改变定位块95位置，可以调节手柄36极限旋转角度，从而控制换丝轴39旋转角度，保证换丝时储丝管38和水箱29下丝孔的相对位置。
[0067]具体动作过程为:电极10在旋转主轴45轴线上部无约束自由下落，到达闭合的常开夹子机构停止，实现电极10的在线安装。储丝管38轴线和旋转主轴45轴线重合，储丝管38内电极10在重力作用下自由下落，在密封打开、常闭夹子打开、常开夹子闭合的条件下，电极10到达常开夹子机构的位置停止，换丝机构蠕动将电极10进给到设定位置；旋转主轴45内电极10损耗，打开常闭夹子机构、密封机构、常开夹子机构，启动高压工作液将电极10冲出换丝机构，从而实现装丝、卸丝的更换过程。
[0068]换丝轴39旋转换丝后，通过聚四氟乙烯材料的下导向42转动挤压，实现换丝、换丝轴39和水箱29密封功能切换。水箱29表面与下导向42底面通过第一压缩弹簧32挤压连接，下导向42周向均布与η个储丝管38对应下丝孔，当下导向42下丝孔的孔间平面覆盖水箱29下丝孔，换丝轴39与水箱29内腔隔离，实现密封；定位块95限定手柄36、换丝轴39每次极限旋转角度为1/2η周，通过棘轮33间歇转动，水箱29下丝孔分别对应下导向42下丝孔、下导向42下丝孔的孔间平面，实现换丝、密封功能切换；下导向42采用聚四氟乙烯材料，减小与水箱29滑动摩擦。
[0069]具体动作过程:下导向42随换丝轴39转动，储丝管38轴线与水箱29下丝孔轴线重合，电极10下落更换；换丝轴39转动1/2η圈，水箱29下丝孔与下导向42孔间平面压紧，实现对水箱29密封；换丝轴39继续转动1/2η圈，更换下一根电极，从而通过推动换丝轴39转动1/2η圈实现换丝和密封功 能切换。耐磨垫片31、下导向42材料为聚四氟乙烯，可以减小滑动摩擦，降低磨损。
[0070]常开夹子机构、导向机构如图1、图13-图15所示，常开夹子机构的具体连接关系为:常开夹子构件(常开夹子静压块102、常开夹子动压块103、压紧弹簧104、垫片104、滚珠106)安装于常开夹子套筒73上，常开夹子套筒73与常开夹子支架72固连，常开夹子支架72与下安装板11用第一螺钉12固连，导向器座74与常开夹子套筒73间隙配合、螺纹连接，导向器75与导向器座74间隙配合,常开夹子套筒73将导向器75轴向固定；常开夹子静压块102与常开夹子套筒73粘接固连，常开夹子动压块103与常开夹子套筒73间隙配合，常开夹子动压块103与常开夹子套筒73用第六压缩弹簧104、第四垫片105连接；销轴座109与常开夹子支架72固连，销轴107与销轴座109间隙配合，通过开口销定位，连杆108与销轴107间隙配合，滚珠106与常开夹子动压块103间隙配合，连杆108与常开夹子动压块103通过滚珠106连接，第二电磁铁110与常开夹子支架72螺纹连接，压紧连杆108 ；
[0071]常开夹子机构通过更换不同厚度第四垫片105调节第六压缩弹簧104预紧力，与第二电磁铁Iio推力平衡改变连杆108转动角度，实现对常开夹子动压块103的行程控制，从而实现常开夹子机构对电极10夹紧力的控制。
[0072]常开夹子机构利用滚珠106滚动连接将连杆108圆周运动转化为常开夹子动压块103直线运动。连杆108转动压紧滚珠106，滚动106转动同时推动常开夹子动压块103向常开夹子静压块102直线运动；同理常开夹子动压块103背向常开夹子静压块102直线运动，压紧滚珠106直线运动并转动，推动连杆108转动。滚珠106转动，避免连杆108和常开夹子动压块103直接连接时产生相对滑动，减小磨损，提高重复运动精度。
[0073]常开夹子机构通过动静压块相对运动实现常开夹子开合，常开夹子动压块103相对常开夹子静压块102运动,夹紧、松开电极10。
[0074]所述导向机构为两个圆柱销111，第一个圆柱销111与下安装板11螺纹连接，销轴导向，第二个圆柱销111与上安装板16间隙配合，销轴导向；
[0075]导向机构中的圆柱销111保证上安装板16上的常闭夹子机构和下安装板11上常开夹子机构相对运动时的轴向对准精度。
[0076]连接机构如图1、图13、图16所示，连接机构包括夹紧机构、水连接机构、电连接机构。
[0077]夹紧机构为组合夹头，上气动夹头8、上拉钉22、上定位片21为组合夹头，上安装板16与z轴顶板6通过上气动夹头8、定位片21、上拉钉22固连；下气动夹头3、下拉钉14、下定位片13为组合夹头，下安装板11与z轴底板I通过下气动夹头3、下定位片13、下拉钉14固连。
[0078]水连接机构包括转接水管9、水管25，转接水管9与z轴顶板6固连，水管25与上安装板16固连，水管25与转接水管9通过第一密封圈27、第一挡圈26挤压连接。
[0079]电连接机构包括电插头18与电插座5，电插头支架17与上安装板16固连，电插头18与电插头支架17固连，电插头18与电插座5为航空插头，电插座支架4与z轴顶板6固连，电插座5与电插座支架4固连。
[0080]密封水箱29结构用于电极中空高压冲液，实现电极10旋转时的高压冷却液流动和供给；转接水管9、水管25通过O型密封圈静密封对水箱29高压供液；旋转主轴45通过O型密封圈动密封实现水箱29内高压工作液在旋转主轴45带动电极旋转时流向旋转主轴45内腔。
[0081]该主轴机构通过常开夹子机构和常闭夹子机构双夹子协调常开、常闭夹子轴向进给驱动、导向机构中的两个圆柱销111导向来综合实现电极蠕动进给。常闭夹子机构开闭驱动通过第一电磁铁62提供动力和盘形块(上压盘64、下压盘66)传递动力，实现电极蠕动进给和高精度旋转分离控制，而且常闭夹子机构可实现在主轴45任意旋转周向位置开合控制。盘形块传递的动力由对称布置的第一电磁铁62提供，使第一电磁铁62推动推杆65合力方向向下。实现电火花加工中，常闭夹子机构带动电极同时伺服进给和旋转运动；每个孔加工后，电极旋转运动停止，通过电极蠕动进给运动来补偿积累的电极损耗。两个圆柱销111保证安装板16上的常闭夹子机构与安装板11上常开夹子机构相对运动时的轴向对准精度。
[0082]电火花加工中伺服进给和旋转运动的具体动作过程为:推杆65、上压盘64中心重合固连，两个第一电磁铁62相对推杆65中心对称放置,第一电磁铁62断电,第一电磁铁62和上压盘64有一固定距离，推杆65在第二压缩弹簧69预紧力作用下处于旋转主轴45横孔上极限位置，常闭夹子机构闭合、密封机构闭合，旋转主轴45旋转，电极10随旋转主轴45转动并随上安装板16轴向运动进给补偿；[0083]电极蠕动进给运动的具体动作过程为:旋转主轴45停止转动，推杆65停在旋转主轴45轴周向任意角度位置，第一电磁铁62通电，第一电磁铁62推杆伸出推动上压盘64、推杆65向下移动，打开常闭夹子机构、密封机构，闭合常开夹子机构，常闭夹子机构随上安装板16向上运动；第一电磁铁62断电，推杆65在第二压缩弹簧69预紧力作用下向上移动到旋转主轴45横孔上极限位置，常闭夹子机构闭合、密封机构闭合，打开常开夹子机构，完成电极螺动进给。
[0084]实施例
[0085]2、气膜孔加工的具体操作步骤和动作过程
[0086]如图1所示，以加工一排与叶片表面倾角40°，Φ0.5mm气膜孔为例，说明具体操作步骤和动作过程。
[0087]( I)电极安装
[0088]将主轴与Z轴连接，储丝管38内各有一根待换Φ 0.4mm电极，下导向42密封水箱29;第一电磁铁62通电、第二电磁铁110通电,常闭夹子机构、密封机构打开,常开夹子机构闭合，推动手柄36使电极10自由下落至常开夹子机构位置，将电极10进给到设定位置，第一电磁铁62通电、第二电磁铁110断电；推动手柄36使下导向42密封水箱29。
[0089](2)工件定位
[0090]首先对工件76待加工孔位进行定位，如图1所示，粗定位电机驱动Z轴底板I移动，带动主轴使导向器75距工件76表面一定距离，调节工件的工装夹头角度定位轴，使电极10和工件76表面倾角为40°。
[0091](3)伺服加工
[0092]启动脉冲电源，一极连接工件76, —极通过电插座5、电插头18、电刷89、导电环61、导线、锁紧箍77、两爪夹头78连接电极10 ;z轴电机带动上安装板16、电极10向下运动，直到电极10与工件76放电；启动水泵通过转接水管9、水管25、水箱29对旋转主轴45、电极10供液,启动旋转电机通过大同步带轮53带动旋转主轴45、电极10旋转,启动伺服加工程序驱动主轴运动加工孔；完成该孔加工后，关闭脉冲电源、水泵、旋转电机、伺服加工程序，通过蠕动进给使电极10回退；移动工件至下一孔位。重复执行(3)直至电极10损耗达到预定值。
[0093](4)更换电极
[0094]第一电磁铁62通电、第二电磁铁110断电，常闭夹子机构、密封机构打开，常开夹子机构打开，启动水泵，利用水压将残留电极冲出，关闭水泵；第一电磁铁62通电、第二电磁铁110通电，推动手柄36使待换电极自由下落至常开夹子机构位置，将待换电极进给到设定位置，第一电磁铁62通电、第二电磁铁110断电；推动手柄36使下导向42密封水箱29。重复执行(3) (4)直至全部孔加工完成。
【权利要求】
1.一种用于深小孔电火花加工的多功能主轴机构，其特征在于，该多功能主轴机构包括旋转主轴机构、传动机构、常闭夹子机构、密封机构、电刷机构、换丝机构、常开夹子机构、导向机构、连接机构；旋转主轴机构、传动机构、常闭夹子机构、密封机构、电刷机构及换丝机构固定安装在上安装板(16 )上，常开夹子机构安装在下安装板(11)上；上安装板(16 )通过导向机构与下安装板(11)连接，保持z向一个相对移动自由度；上安装板(16)通过连接机构与z轴顶板(6)连接,下安装板(11)通过连接机构连接到z轴底板(I)。
2.根据权利要求1中所述的一种用于深小孔电火花加工的多功能主轴机构，其特征在于，所述旋转主轴机构的具体连接关系为:套筒(54)与旋转主轴(45)间隙配合，旋转主轴(45)与上角接触轴承(49)、下角接触轴承(58)内圈过盈配合，上角接触轴承(49)外圈与上轴承座(50 )过渡配合，下角接触轴承(58 )外圈与下轴承座(59 )过渡配合，上轴承压盖(48 )与上轴承座(50)用第八螺钉(47)固连，上轴承压盖(48)压紧上角接触轴承(49)外圈预紧上角接触轴承(49 )、下角接触轴承(58 )，下轴承压盖(57 )与下轴承座(59 )用第九螺钉(56 )固连，第四密封圈(46)与旋转主轴(45)圆槽、上轴承压盖(48)挤压连接，防尘密封圈(55)与下轴承压盖(57)圆槽、套筒(54)挤压连接，上轴承座(50)、下轴承座(59)与过渡板(19)用第四螺钉(23)固连，过渡板(19)与上安装板(16)用第五螺钉(24)固连，大同步带轮(53)与旋转主轴(45)用平键(51)、第二弹性挡圈(52)固连。
3.根据权利要求1中所述的一种用于深小孔电火花加工的多功能主轴机构，其特征在于，所述传动机构的具体连接关系为:推杆(65)穿过旋转主轴(45)矩形横孔周向定位，与下压块(84)、压块(83)间隙配合径向定位，上压盘(64)、下压盘(66)与推杆(65)通过螺栓(67)、螺母(68)固连，径向锁紧螺母(70)与旋转主轴(45)细螺纹配合固连，径向锁紧螺母(70)与下压盘(66)用第二压缩弹簧(69)连接，调心盘(71)与径向锁紧螺母(70)粘接固连，第一电磁铁(62)与电磁铁支架(63)用螺纹连接，电磁铁支架(63)与上安装板(16)用第二螺钉(15)固连，2个第一电磁铁(62)相对于旋转主轴(45)对称安装，上压盘(64)、下压盘(66 )传递的动力由第一电磁铁(62 )提供，使第一电磁铁(62 )推动推杆(65 )合力方向向下。
4.根据权利要求1中所述的一种用于深小孔电火花加工的多功能主轴机构，其特征在于，所述常闭夹子机构的具体连接关系为:常闭夹子构件安装在常闭夹子套筒(79)上，常闭夹子套筒(79)与旋转主轴(45)用紧定螺钉(82)固连，锁紧箍(77)与常闭夹子套筒(79)过盈配合固连；压块(83)与两爪夹头(78)过盈配合固连，压块(83)与常闭夹子套筒(79)间隙配合，与常闭夹子套筒(79)用第三压缩弹簧(81)连接，第三压缩弹簧(81)与常闭夹子套筒(79)用第一垫片(80)隔离，锁紧箍(77)与两爪夹头(78)外锥面配合，推杆(65)与压块(83)间隙配合； 常闭夹子机构通过第一电磁铁(62)提供动力，通过上压盘(64)、下压盘(66)传递动力，实现电极蠕动进给和高精度旋转分离控制，实现在旋转主轴(45)任意旋转周向位置开合控制；常闭夹子机构的执行件为带有锥面配合的两爪夹头(78)，实现电极(10)的夹紧力、开闭位置和行程的精准控制；在实现电火花加工中，常闭夹子机构带动电极(10)同时伺服进给和旋转运动。
5.根据权利要求1中所述的一种用于深小孔电火花加工的多功能主轴机构，其特征在于，所述密封机构的具体连接关系为:导向压块(88)、弹性密封塞(85)、下压块(84)与旋转主轴(45)间隙配合,依次装入旋转主轴(45)内孔,通过旋转主轴(45)内轴肩轴向定位；弹性密封塞(85)与导向压块(88)通过第四压缩弹簧(87)、第二垫片(86)连接，弹性密封塞(85)凸起轴与导向压块(88)锥面配合，下压块(84)与推杆(65)间隙配合； 密封机构通过电极(10)外圆柱面和弹性密封塞(85)内锥面配合方式，实现电极(10)进给时高压工作液在主轴内腔密封；为实现弹性密封塞(85 )与电极(10 )脱离，弹性密封为开合可控方式。
6.根据权利要求1中所述的一种用于深小孔电火花加工的多功能主轴机构，其特征在于，所述电刷机构的具体连接关系为:两个半圆式绝缘套筒(60)对接与旋转主轴(45)间隙配合，轴向定位，导电环(61)与绝缘套筒(60 )粘接固连；电刷座(91)与电磁铁支架(63 )固连，电刷(89)与绝缘管(90)间隙配合，绝缘管(90)与电刷座(91)间隙配合，十字螺钉(92)与电刷座(91)用螺纹连接，电刷(89)与十字螺钉(92)用第五压缩弹簧(94)连接，十字螺钉(92)与第五压缩弹簧(94)用绝缘垫片(93)连接；电刷(89)与脉冲电源一极用导线连接，电刷(89)与导电环(61)挤压连接，导电环(61)与锁紧箍(77)用导线连接； 电刷机构采用分离式绝缘结构连接旋转主轴(45)和导电环(61)，实现导电环(61)和旋转主轴(45)电隔离，从而实现电极(10)供电的同时旋转主轴(45)电隔离。
7.根据权利要求1中所述的一种用于深小孔电火花加工的多功能主轴机构，其特征在于，所述换丝机构的具体的连接关系为:水箱(29)与上安装板(16)用第七螺钉(40)固连，水管(25)与上安装板(16)用第六螺钉(28)固连，通过第一密封圈(27)、第一挡圈(26)和水箱(29)挤压连接，旋转主轴(45)与水箱(29)通过第三密封圈(43)、第二挡圈(44)挤压连接，旋转主轴(45)轴线和水箱(29)下丝孔轴线重合；上导向(37)与换丝轴(39)过渡配合，下导向(42)和换丝轴(39)间隙配合并用花键连接，η根储丝管(38)周向均布，与上导向(37)、下导向(42)间隙配合； 换丝轴(39)与固连在上安装板(16)的套筒间隙配合径向定位，换丝轴(39 )与水箱(29 )用第二密封圈(41)挤压连接，水箱压盖(30 )与水箱(29 )用第七螺钉(40)固连，水箱压盖(30)与换丝轴(39)用第一压缩弹簧(32)连接，第一压缩弹簧(32)与换丝轴(39)用耐磨垫片(31)隔离，下导向(42)与水箱(29)挤压连接，水箱(29)内下丝孔轴线处在储丝管(38)周圆上；棘轮(33)与换丝轴(39)通过平键(34)、第一弹性挡圈(35)固连,手柄(36)与换丝轴(39)间隙配合径向定位,手柄(36)与右支撑(96)内的矩形槽间隙配合轴向定位；棘爪(101)与手柄(36)用销轴(113)、开口销(112)连接，扭簧(114)两端分别伸入棘爪(101 )、手柄(36)键槽保证棘爪(101)与棘轮(33)稳定压合；定位块(95)、第三垫片(98)与右支撑(96)用第十一螺钉(97)固连；销轴(100)与右支撑(96)间隙配合，与手柄(36 )用拉簧(99 )连接； 换丝机构通过棘轮(33)推动换丝轴(39)旋转工位，通过定位块(95)限位保证棘轮(33)转动角度，使电极自动下落来更换电极；在换丝轴(39)旋转换丝后，通过下导向(42)转动挤压，实现换丝、换丝轴(39)和水箱(29)密封功能切换。
8.根据权利要求7中所述的一种用于深小孔电火花加工的多功能主轴机构，其特征在于，所述耐磨垫片(31)、下导向(42)采用聚四氟乙烯材料，减小与水箱(29)的滑动摩擦，降低损耗。
9.根据权利要求1中所述的一种用于深小孔电火花加工的多功能主轴机构，其特征在于，所述常开夹子机构的具体连接关系为:常开夹子支架(72)与下安装板(11)用第一螺钉(12)固连，常开夹子套筒(73)与常开夹子支架(72)固连，导向器座(74)与常开夹子套筒(73)间隙配合、螺纹连接，导向器(75)与导向器座(74)间隙配合，常开夹子套筒(73)将导向器(75)轴向固定；常开夹子静压块(102)与常开夹子套筒(73)粘接固连，常开夹子动压块(103)与常开夹子套筒(73)间隙配合，常开夹子动压块(103)与常开夹子套筒(73)用第六压缩弹簧(104)、第四垫片(105)连接；销轴座(109)与常开夹子支架(72)固连，销轴(107)与销轴座(109)间隙配合，通过开口销定位，连杆(108)与销轴(107)间隙配合，滚珠(106)与常开夹子动压块(103)间隙配合，连杆(108)与常开夹子动压块(103)通过滚珠(106)连接，第二电磁铁(110)与常开夹子支架(72)螺纹连接，压紧连杆(108); 常开夹子机构通过更换不同厚度第四垫片(105)调节第六压缩弹簧(104)预紧力，与第二电磁铁(110)推力平衡改变连杆(108)转动角度，实现对常开夹子动压块(103)的行程控制，从而实现常开夹子机构对电极(10)夹紧力的控制；利用滚珠(106)滚动连接连杆(108)圆周运动转化为常开夹子动压块(103)的直线运动，避免连杆(108)和常开夹子动压块(103)直接连接时产生的相对滑动，减小磨损，提高重复运动精度；通过常开夹子动压块(103)和常开夹子静压块(102)的相对运动，实现常开夹子机构开合，从而实现电极(10)的夹紧、松开。
10.根据权利要求1中所述的一种用于深小孔电火花加工的多功能主轴机构,其特征在于，所述导向机构为两个圆柱销(111)，圆柱销(111)与下安装板(11)螺纹连接，销轴导向，圆柱销(111)与上安装板(16)间隙配合，销轴导向； 导向机构中的圆柱销(111)保证上安装板(16 )上的常闭夹子机构和下安装板(11)上常开夹子机构相对运动时的轴向对准精度； 通过导向机构导向、常闭`夹子机构和常开夹子机构协调开闭、常闭夹子轴向进给驱动来综合实现电极螺动进给。
11.根据权利要求1中所述的一种用于深小孔电火花加工的多功能主轴机构，其特征在于，所述连接机构包括夹紧机构、水连接机构、电连接机构； 所述夹紧机构为组合夹头，上气动夹头(8)、上拉钉(22)、上定位片(21)为组合夹头，上安装板(16)与z轴顶板(6)通过上气动夹头(8)、定位片(21)、上拉钉(22)固连；下气动夹头(3)、下拉钉(14)、下定位片(13)为组合夹头，下安装板(11)与z轴底板(I)通过下气动夹头(3)、下定位片(13)、下拉钉(14)固连； 所述水连接机构包括转接水管(9 )、水管(25 ),转接水管(9 )与z轴顶板(6 )固连,水管(25)与上安装板(16)固连，水管(25)与转接水管(9)通过第一密封圈(27)、第一挡圈(26)挤压连接； 所述电连接机构包括电插头(18)与电插座(5),电插头支架(17)与上安装板(16)固连，电插头(18)与电插头支架(17)固连，电插头(18)与电插座(5)为航空插头，电插座支架(4)与z轴顶板(6)固连，电插座(5)与电插座支架(4)固连。
12.根据权利要求7或11中所述的一种用于深小孔电火花加工的多功能主轴机构，其特征在于，所述密封水箱(29)结构用于电极中空高压冲液，实现电极(10)旋转时的高压冷却液流动和供给；转接水管(9)、水管(25)通过O型密封圈静密封对水箱(29)高压供液；旋转主轴(45)通过O型密封圈动密封实现水箱(29)内高压工作液在旋转主轴(45)带动电极旋转时流向旋转主轴(45)内腔。
【文档编号】B23H1/00GK103769705SQ201410023226
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2014年1月17日 优先权日:2014年1月17日
【发明者】佟浩, 王志强, 李勇, 李朝将 申请人:清华大学