柔性波纹结构件大深径比阵列微孔电火花加工装置及方法与流程

本发明属于特种加工技术领域，具体涉及一种柔性波纹结构件大深径比阵列微孔电火花加工装置及方法。

背景技术：

金属柔性波纹结构件作为敏感元件、减震元件、补偿元件、密封元件、阀门元件及管路连接件，由于其良好的弹性稳定性、耐腐蚀性、焊接性能，被广泛应用于自动控制和测量仪表、真空技术、机械工业、电力工业、交通运输及原子能工业等领域。由于其可挠性大，装夹容易变形，轴向微孔加工一直是制约其应用的难题。传统钻削加工受柔性波纹结构件材料硬度及钻头长径比限制，经常出现钻头折断和孔径误差偏大的问题，无法实现大深径比微孔加工。

由于电火花加工工艺可加工性取决于材料的导电性和热学特性，与机械性能无关，因此适合于任何难切削导电材料的加工。目前，电火花加工已成为导电材料大深径比微孔加工最常用的方法之一。tanjilul等人研制一种将工作液冲洗与真空辅助除屑系统结合的电蚀碎屑排出系统，可使深孔电火花加工的排屑效果更佳，提高了电火花微孔钻削效率和孔表面粗糙度。afzaal等人提出了一种将电火花加工与电化学加工相结合的复合加工方法，采用双孔管电极结构提高微孔加工材料去除率，进一步提高电火花加工性能。

虽然很多学者对微小孔电火花加工开展了深入研究，但目前大深径比微小孔电火花高效精密加工仍然是难点。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，为了解决难加工材料大深径比阵列微孔电火花高效精密加工难题，本发明的目的是提出了一种柔性波纹结构件大深径比阵列微孔电火花加工装置及方法。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

本发明提出了一种柔性波纹结构件大深径比阵列微孔电火花加工装置，其特征在于，包括：z向移动平台、主轴系统、工具电极、双侧导向装置、夹具、3r夹具、机床a/b轴、工作平台、x/y向移动平台及喷油嘴，所述z向移动平台固定在机床立柱上；所述主轴系统用于装夹工具电极，并通过脉冲电源提供持续稳定的电能，供给放电加工；主轴系统包括旋转电主轴、电极安装器、电极夹头及脉冲电源，旋转电主轴与z向移动平台相连；电极安装器与旋转电主轴相连，电极安装器用于工具电极的导向安装；电极夹头通过螺纹与旋转电主轴相连，电极夹头用于工具电极的装夹；所述双侧导向装置与机床床身相连，用于在加工过程对工具电极进行导向，双侧导向装置包括上导向臂、下导向臂、上导嘴、下导嘴、紧固螺栓、绝缘垫片、弹簧固定螺栓、垂直度调整螺栓、导向架及二维平面调整螺栓，上导向臂通过弹簧固定螺栓固定在导向架上；下导向臂通过紧固螺栓与上导向臂固定连接，并在下导向臂与上导向臂接触处设置有绝缘垫片；上导嘴安装在上导向臂上；下导嘴安装在下导向臂上，且下导嘴与上导嘴正对；垂直度调整螺栓设置在导向架的底面上，垂直度调整螺栓用于调整导向架整体的垂直度；二维平面调整螺栓设置在导向架的侧面上，用于调整导向架在二维平面的位置，确保工具电极、上导嘴及下导嘴轴线重合；所述夹具用于装夹柔性波纹结构件，夹具包括夹具体、连杆及顶丝，夹具体上开设有第一冲油口和第二冲油口，第一冲油口和第二冲油口相互垂直布置；顶丝通过开设在夹具体侧壁上的螺纹孔安装在夹具体上，顶丝用于固定柔性波纹结构件；连杆用于连接夹具体与3r夹具；所述3r夹具通过拉钉与机床a/b轴连接，3r夹具包括弹簧夹头、3r夹具体及定位片，弹簧夹头与连杆相连，弹簧夹头用以连接夹具和3r夹具体；定位片与3r夹具体相连；所述机床a/b轴包括机床b轴和机床a轴，机床b轴和机床a轴刚性连接；所述工作平台安装在x/y向移动平台上；所述x/y向移动平台用于提供加工所需的二维平面运动，x/y向移动平台包括x向移动平台和y向移动平台，x向移动平台设置在y向移动平台上，用于实现x向和y向的联动；所述喷油嘴用于将高压电火花油运输到放电加工区域，喷油嘴通过压力阀控制火花油压力，通过火花油开关控制火花油的通与断，流出喷油嘴的火花油经火花油循环泵过滤，实现重复利用。

进一步，所述工具电极的材质为钨钴合金或铜，工具电极的表面涂覆有均匀厚度的陶瓷材料层。

进一步，所述上导嘴和下导嘴均由陶瓷材料制成。

进一步，所述垂直度调整螺栓数量为四个，四个垂直度调整螺栓呈矩形布置。

本发明还提出了一种柔性波纹结构件大深径比阵列微孔电火花加工方法，其特征在于，该方法采上述柔性波纹结构件大深径比阵列微孔电火花加工装置进行加工，具体包括如下步骤，且以下步骤按顺序进行：

步骤一、根据加工需求，选择相应直径工具电极、电极夹头、上导嘴及下导嘴；

步骤二、装夹柔性波纹结构件：

通过夹具装夹柔性波纹结构件，旋紧顶丝，将夹具通过3r夹具与机床a/b轴连接；

步骤三、调整喷油嘴的位置及喷油压力，保证加工过程火花油完全到达加工区域；

步骤四、根据加工需求，将预先编制的加工程序输入到数控机床中，所述加工程序包括穿孔程序和扩孔程序，选择相应电加工参数，所述电加工参数包括脉冲宽度、脉冲频率、峰值电流及峰值电压；

步骤五、穿孔加工工序：

依次开启火花油循环泵、火花油开关及旋转电主轴，执行步骤四所述穿孔程序，进行穿孔加工；

步骤六、停止穿孔程序，更换新的工具电极，手动穿丝，使工具电极从电极夹头依次穿过上导嘴、柔性波纹结构件及下导嘴，旋紧电极夹头，固定工具电极，继续执行步骤四所述扩孔程序，进行扩孔加工，扩孔程序采用分段电极补偿方法，用于保证微孔圆度与尺寸精度；

步骤七、重复步骤五和步骤六，实现柔性波纹结构件大深径比阵列微孔加工；

步骤八：加工程序终止，依次关闭旋转电主轴、火花油开关及火花油循环泵，加工完成。

上述柔性波纹结构件大深径比阵列微孔电火花加工方法中所述步骤五中在穿孔加工工序中采用分步穿孔加工工艺，具体过程如下：设定穿孔深度为总深度的一半执行穿孔加工程序加工预留孔，然后更换新的工具电极，将已加工预留孔孔底作为零点，加工剩余部分材料预留孔。

上述柔性波纹结构件大深径比阵列微孔电火花加工方法中所述扩孔加工过程使用加工系统程序g61r-s-i-命令，工具电极以预留孔中心为初始位置采用螺旋的形式向外扩孔，直到要求的微孔直径尺寸，其中，r为执行螺旋运动工具电极中心初始半径，s为执行螺旋运动工具电极中心终止半径，s的实际值由微孔最终尺寸d、工具电极直径d、单边放电间隙δ确定，即：2s＝d-d-2δ，i为螺旋加工旋转圈数。

上述柔性波纹结构件大深径比阵列微孔电火花加工方法中所述步骤六中分段电极补偿方法为：将工具电极在柔性波纹结构件间隙内长度l分三次向下进给补偿，每次进给补偿量为l1，剩余l-3l1长度工具电极不参与加工，即：工具电极向下进给l1同时螺旋向外扩孔，后返回初始位置，完成粗加工；工具电极再向下进给l1同时螺旋向外运动到设定位置，以圆形轨迹进行扩孔精修，后返回初始位置；工具电极再向下进给l1同时螺旋向外运动到设定位置，以圆形轨迹进行二次精修。

通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：

1、本发明设计的专用夹具避免了工件在加工过程中的变形，提升了微孔的加工精度；冲油孔的设计保证了放电区域火花油的及时更替，减少短路现象发生；

2、3r夹具的使用实现了加工过程微孔形貌实时检测，提升了加工过程的可控性，降低了废品率；

3、设计双侧导向装置降低了电极端部的偏摆程度，提升了微孔加工过程稳定性，提高了微孔入口、出口孔径一致性，极大的提升了电火花加工微孔深径比；

4、本发明采用先穿孔后扩孔工艺实现了标准直径电极加工非标微孔；采用的分段电极补偿方法，提高了微孔圆度与尺寸精度。

附图说明

以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步说明：

图1为本发明实施例中所述柔性波纹结构件大深径比阵列微孔电火花加工装置的轴测图；

图2为本发明实施例中所述柔性波纹结构件大深径比阵列微孔电火花加工装置加工区域局部放大图；

图3为本发明实施例中所述双侧导向装置的结构示意图；

图4为本发明实施例中所述夹具的结构示意图；

图5为本发明实施例中扩孔加工电极运动轨迹图；

图6为本发明实施例中扩孔粗加工电极运动轨迹图；

图7为本发明实施例中扩孔精加工电极运动轨迹图；

图8为本发明实施例中电极分段进给加工模型图。

图中：1-z向移动平台；2-主轴系统；201-旋转电主轴；202-电极安装器；203-电极夹头；204-脉冲电源；3-工具电极；4-双侧导向装置；401-上导向臂；402-下导向臂；403-上导嘴；404-下导嘴；405-紧固螺栓；406-绝缘垫片；407-弹簧固定螺栓；408-垂直度调整螺栓；409-导向架；410-二维平面调整螺栓；5-夹具；501-夹具体；502-连杆；503-第一冲油口；504-第二冲油口；505-顶丝；6-3r夹具；601-弹簧夹头；602-3r夹具体；603-定位片；7-机床a/b轴；701-机床b轴；702-机床a轴；8-工作平台；9-x/y向移动平台；901-x向移动平台；902-y向移动平台；10-喷油嘴。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解。下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程及元件并没有详细的叙述。本发明中使用的“第一”及“第二”并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。

如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7及图8所示，柔性波纹结构件大深径比阵列微孔电火花加工装置包括z向移动平台1、主轴系统2、工具电极3、双侧导向装置4、夹具5、3r夹具6、机床a/b轴7、工作平台8、x/y向移动平台9及喷油嘴10，

所述z向移动平台1采用高精密高分辨率滑台，在z向能够实现精确移动，最大进给速度：700mm/min，重复定位精度：+/-2μm，分辨率：0.1μm，z向移动平台1固定在机床立柱上，使主轴系统2沿z向精密移动，以实现放电加工过程中工具电极3的竖直运动。

所述主轴系统2用于装夹工具电极3，并通过脉冲电源204提供持续稳定的电能，供给放电加工，其能量可实现精密控制，以达到精密加工的目的；主轴系统2包括旋转电主轴201、电极安装器202、电极夹头203及脉冲电源204；旋转电主轴201与z向移动平台1相连，其可实现0～5000rad/min的稳定转动，有利于深微孔加工过程电蚀碎屑的高效排出；电极安装器202与旋转电主轴201相连，电极安装器202用于工具电极3的导向安装；电极夹头203通过螺纹与旋转电主轴201相连，电极夹头203用于工具电极3的装夹。

所述工具电极3的材质为钨钴合金、铜等，可根据被加工材料的不同而选择不同材质，工具电极3可进行涂覆处理，即在工具电极3表面涂覆均匀厚度的陶瓷材料，实现深微孔的无锥度加工。

所述双侧导向装置4与机床床身相连，用于在加工过程对工具电极3进行导向，减少工具电极3旋转加工过程偏摆程度，提高微孔一致性，双侧导向装置4包括上导向臂401、下导向臂402、上导嘴403、下导嘴404、紧固螺栓405、绝缘垫片406、弹簧固定螺栓407、垂直度调整螺栓408、导向架409及二维平面调整螺栓410，上导向臂401通过弹簧固定螺栓407固定在导向架409上；下导向臂402通过紧固螺栓405与上导向臂401固定连接，并在下导向臂402与上导向臂401接触处设置有绝缘垫片406，上导嘴403和下导嘴404均由陶瓷材料制成，避免发生放电短路，其中上导嘴403安装在上导向臂401上，下导嘴404安装在下导向臂402上，且下导嘴404与上导嘴403正对；垂直度调整螺栓408设置在导向架409的底面上，垂直度调整螺栓408数量为四个，四个垂直度调整螺栓408呈矩形布置，垂直度调整螺栓408用于调整导向架409整体的垂直度，保证工具电极3无应力变形；二维平面调整螺栓410设置在导向架409的侧面上，用于调整导向架409在二维平面的位置，确保工具电极3、上导嘴403及下导嘴404轴线重合；

所述夹具5用于装夹柔性波纹结构件，实现柔性波纹结构件的无变形装夹，夹具5包括夹具体501、连杆502及顶丝505，夹具体501上开设有第一冲油口503和第二冲油口504，第一冲油口503和第二冲油口504相互垂直布置，便于火花油能快速进入放电加工区域，提高排屑与消电离效率；顶丝505通过开设在夹具体501侧壁上的螺纹孔安装在夹具体501上，顶丝505用于固定柔性波纹结构件，防止其轴向窜动与转动；连杆502用于连接夹具体501与3r夹具6。

所述3r夹具6可实现快换，便于加工过程微孔尺寸形貌检测，3r夹具6通过拉钉与机床a/b轴7连接，3r夹具6包括弹簧夹头601、3r夹具体602及定位片603，弹簧夹头601与连杆502相连，弹簧夹头601用以连接夹具5和3r夹具体602；定位片603与3r夹具体602相连，用于3r夹具6的精确定位。

所述机床a/b轴7采用两个高精度电控旋转台刚性连接，实现绕x轴的旋转与绕y轴的摆动，调整待加工柔性波纹结构件的垂直度，机床a/b轴7包括机床b轴701和机床a轴702，机床b轴701采用高精度摆台，其角分辨率可达0.0001度，机床a轴702采用高精度转台，其角分辨率可达0.0001度。

所述工作平台8采用高强度铸铁ht200，保证其刚度及硬度，工作平台8安装在x/y向移动平台9上；

所述x/y向移动平台9采用高精密移动平台，用于提供加工所需的二维平面运动，包括x向移动平台901和y向移动平台902，x向移动平台901设置在y向移动平台902上，用于实现x向和y向的联动；用于实现x向和y向的联动。

所述喷油嘴10用于将高压电火花油运输到放电加工区域，为放电加工提供条件，喷油嘴10能够源源不断的向放电加工区域提供火花油，通过压力阀控制火花油压力，通过火花油开关控制火花油的通与断，流出喷油嘴10的火花油经火花油循环泵过滤，实现重复利用。

柔性波纹结构件大深径比阵列微孔电火花加工方法，该方法采用上述柔性波纹结构件大深径比阵列微孔电火花加工装置进行加工，具体包括如下步骤，且以下步骤按顺序进行：

步骤一、根据加工需求，选择相应直径工具电极3、电极夹头203、上导嘴403及下导嘴404；

步骤二、装夹柔性波纹结构件：

通过夹具5装夹柔性波纹结构件，旋紧顶丝505，防止柔性波纹结构件轴向窜动及转动；将夹具5通过3r夹具6与机床a/b轴7连接；

步骤三、调整喷油嘴10的位置及喷油压力，保证加工过程火花油完全到达加工区域；

步骤四、根据加工需求，将预先编制的加工程序输入到数控机床中，所述加工程序包括穿孔程序和扩孔程序，选择相应电加工参数，所述电加工参数包括脉冲宽度、脉冲频率、峰值电流及峰值电压；

步骤五、穿孔加工：

依次开启火花油循环泵、火花油开关及旋转电主轴201，执行步骤四所述穿孔程序，进行穿孔加工；

步骤六、停止穿孔程序，更换新的工具电极3，手动穿丝，使工具电极3从电极夹头203依次穿过上导嘴403、柔性波纹结构件及下导嘴404，旋紧电极夹头203，固定工具电极3，继续执行步骤四所述扩孔程序，进行扩孔加工，扩孔过程采用分段电极补偿方法采用分段电极补偿方法，保证微孔圆度与尺寸精度；

步骤七、重复步骤五和步骤六，实现柔性波纹结构件大深径比阵列微孔加工；

步骤八：加工程序终止，依次关闭旋转电主轴201、火花油开关及火花油循环泵，加工完成。

柔性波纹结构件大深径比阵列微孔电火花加工方法中穿孔加工过程采用分步穿孔加工工艺，即设定穿孔深度为总深度的一半执行加工程序加工预留孔，然后更换新的工具电极3，将已加工预留孔孔底作为零点，加工剩余部分材料预留孔。采用分步穿孔加工工艺，克服了穿孔过程工具电极3偏摆问题，提高了预留孔的垂直度，为扩孔程序做好准备。

柔性波纹结构件大深径比阵列微孔电火花加工方法中扩孔加工过程使用加工系统程序g61r-s-i-命令，工具电极3以预留孔中心为初始位置采用螺旋的形式向外扩孔，直到要求的微孔直径尺寸；其中，r为执行螺旋运动工具电极3中心初始半径，s为执行螺旋运动工具电极3中心终止半径，s的实际值由微孔最终尺寸d、工具电极3直径d、单边放电间隙δ确定，即：2s＝d-d-2δ，i为螺旋加工旋转圈数；扩孔加工中工具电极3的运动轨迹为螺旋向下，如图5所示，包括粗加工与精加工，粗加工工具电极3的螺旋运动轨迹如图6所示，精加工工具电极3的螺旋运动轨迹如图7所示。

柔性波纹结构件大深径比阵列微孔电火花加工方法中扩孔加工电极补偿方法为将工具电极3在柔性波纹结构件间隙内长度l分三次向下进给补偿，每次进给补偿量为l1，剩余l-3l1长度工具电极3不参与加工，起到保证工具电极3刚度作用。即：工具电极3向下进给l1(加工后工具电极3形状如图8-ⅱ所示)同时螺旋向外扩孔，后返回初始位置，完成粗加工；工具电极3再向下进给l1(加工后工具电极3形状如图8-ⅲ所示)同时螺旋向外运动到设定位置，以圆形轨迹进行扩孔精修，后返回初始位置；工具电极3再向下进给l1(加工后工具电极3形状如图8-ⅳ所示)同时螺旋向外运动到设定位置，以圆形轨迹进行二次精修。由于电加工过程工具电极3存在损耗，每执行完一次进给程序工具电极3形貌都会发生变化，扩孔程序执行完后，工具电极3呈现类“糖葫芦”形貌，如图8-ⅳ所示，与图8-i所示原始未加工工具电极3形成鲜明对比。