专利名称：一种弯曲孔的电火花/电解加工方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明属机械加工中的特种加工领域，具体涉及采用电火花/电解加工原理对弯曲孔进行微细加工的方法，还涉及实现该方法的装置。
背景技术：
弯曲孔的加工问题是现代制造技术中不容回避的一个问题。例如在设计铸造模具时，为保证工件的浇铸质量，必须考虑如何严格控制其冷却过程。为此，需要在金属铸模中型腔周围开出具有特定截面和走向的冷却孔，用以通入冷却液。通过控制冷却液的流速和温度，就可以控制工件的冷却过程。经科学计算可以得出冷却孔的截面和走向，但这些孔往往都在三维空间里发生弯曲，用现有的制造手段加工出的冷却孔很难完全符合设计要求。现在一般的做法是，用几条简单的直孔相互连接构成的多边形来近似理论上的弯曲孔，再用封口赌住工艺孔口。这种多边形孔虽可以起到一定的冷却作用，却产生了两个不良后果①由于使用直孔近似弯孔，导致冷却孔和工件的距离不等，冷却不均匀，易引发铸造缺陷。②冷却孔的连接处液体流动情况复杂，导致冷却效果不稳定(Tohru ISHIDA，Yoshimi TAKEUCHI.″Development of Automatic Discharge Gap Controller for Curved Hole Machining″，Proceedings of The 13th International Symposium for Electromachining ISEM XIII，vol.1，pp63-73，2001.)。因此必须建立新的弯曲孔加工方法，才能保证铸造质量。
传统的切削加工方法很难完成弯曲孔的加工，而电火花和电解加工因其以柔刻刚的特点成为现阶段弯曲孔加工的首选方法。电火花/电解弯曲孔加工方面的研究主要集中在日本。日本电子通信大学的科学家(Tohru ISHIDA，Yoshimi TAKEUCHI.″Development of AutomaticDischarge Gap Controller for Curved Hole Machining″，Proceedings of The 13thInternational Symposium for Electromachining ISEM VIII，vol.1，pp63-73，2001.)提出了利用形状记忆合金实现放电距离控制，利用伺服电机、细金属线和螺旋弹簧组成的蠕动式爬行机构作为进给控制的电火花弯曲孔加工方案。三菱电子和丰田汽车公司的科学家(A Goto，KWatanabe，A Takeuchi.″A Method to Machine a Curved Tunnel With EDM″，InternationalJournal of Electrical Machining，No.7，pp43-46，2002.)提出了使用预先弯制的弹簧作为电极进给驱动和转向驱动的电火花弯曲孔加工方案。日产汽车公司的科学家也提出了把电解电极分块来实现弯曲孔加工的方案。这些方案在电极方向的控制方面，都无一例外地采用开环控制方式，加工的精度受到限制。三菱电子和丰田汽车公司科学家提出的方案甚至难以实现三维空间任意方向孔的加工。这些问题产生的原因在于没有把电极的方向控制功能和电极的进给功能分开来，把这两个功能都集中在电极上，希望它既能实现进给，又能自动调整指向，而在调整指向的过程中又没有一个准确的参照，所以按照这种思路设计的方案只能采用开环的电极方向控制方式，甚至还难于实现三维任意方向孔的加工。
发明内容
针对现有弯曲孔加工方法加工精度差、加工三维空间弯曲孔困难的问题，本发明提出一种弯曲孔的电火花/电解加工方法及其装置，能够很容易地实现三维空间弯曲孔的加工，同时提出实现该方法的装置。
本发明的技术方案如下1)将待加工的工件固定在工作台上，工件和工作台都浸没在工作液中，所述工作台具有两个转动自由度；2)加工开始前，采用辅助装置帮助进给驱动装置进入工件内部，辅助装置上预先制备出和目标孔具有相同截面形状的预制直孔，将进给驱动装置连同电极放入预制直孔内，通过电液信号管道中的电信号线向进给驱动装置发出进给信号，驱动电极逐步进入工件内部；3)进给驱动装置驱动电极沿目标孔的轴线进给，使电极始终指向铅垂方向；4)若要加工直孔，则需要在电极进给过程中使工作台和工件的方向保持不变；若要加工弯曲孔，则需在电极进给的过程中使工作台和工件不断发生转动。
本发明方法步骤2)中进给驱动装置采用蠕动式爬行机构。
本发明还提供了一种实现上述方法的弯曲孔电火花/电解加工装置，其特征在于该装置包括具有两个转动自由度的工作台、固定在工作台上的工件、电极、进给驱动装置和电极方向控制机构以及盛有工作液的工作液容器；所述的电极方向控制机构包括与电极刚性连接的双喷嘴、设置在双喷嘴之间的悬垂重物、滑阀式液压换向阀、液压驱动装置以及液压油源，液压驱动装置由液压缸和柱塞组成；所述的液压缸刚性连接在进给驱动装置上；柱塞通过滑动副与电极连接；所述的滑阀式液压换向阀的输入端和输出端分别通过液压管道与液压油源和液压驱动装置相连，滑阀式液压换向阀通过液压控制管道路与双喷嘴的输出端相连，所述的双喷嘴通过固定节流孔与液压油源相连。
本发明所述的进给驱动装背采用蠕动式爬行机构，该蠕动式爬行机构由前卡紧体、后卡紧体和设置在前后卡紧体之间的电致伸缩陶瓷组成。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果采用工件和工作台转动而电极的指向不变的方案，使弯曲孔加工中电极方向的控制得到简化，能够容易地实现三维弯曲孔的加工，扩大孔加工的范围和提高弯曲孔加工的精度。
图1为利用辅助装置帮助爬行机构进入工件过程的工作示意图。
图2为本发明加工直孔时的工作示意图。
图3为本发明加工弯曲孔时的工作示意图。
图4a、4b、4c、4d分别表示了蠕动式爬行机构在一个爬行周期内的动作顺序。
图5为本发明的电极方向控制机构的结构示意图。
图中1-电液信号管道；2-工作液；3-工件；4-工作台；5-电极；6-电极方向控制机构；7-蠕动式爬行机构；8-起始表面；9-目标孔；10-工作液容器；11-后卡紧体；12-电致伸缩陶瓷；13-前卡紧体；14-柱塞；15-液压缸；16-滑阀式液压换向阀；17-悬垂重物；18-双喷嘴的右输出口；19-双喷嘴；20-固定节流孔；21-双喷嘴阀的左输出口；22-液压油源；23-辅助装置；24-预制直孔。
具体实现方式下面结合附图对本发明的工作原理、工作过程和具体实施方式
作进一步的说明本发明提供的弯曲孔的电火花/电解加工装置，包括具有两个转动自由度的工作台4、固定在工作台上的工件3、电极5、电极方向控制机构6、进给驱动装置、辅助装置23以及盛有工作液2的工作液容器10，进给驱动装置可采用蠕动式爬行机构7。
弯曲孔电火花/电解加工的具体实现方法如图1、图2和图3所示加工开始前，采用辅助装置23帮助进给驱动装置进入工件3内部。辅助装置23上预先制有和目标孔9具有相同截面形状的预制直孔24，蠕动式爬行机构7连同电极5、电极方向控制机构6都被放在预制直孔24中。辅助装置23有一个表面和工件上目标孔9的起始表面8相贴合，预制直孔24刚好对准目标孔9的起始位置，且电极5朝向起始表面8。先通过电液信号管道1中的电信号线向蠕动式爬行机构7发出向贴合表面8爬行的驱动信号，带动电极5向目标孔9的起始位置靠近。同时工作台4带动工件3调整好姿态，使目标孔9在起始位置处也处于铅垂方向。
直孔部分加工的实现如图2所示加工直孔时，需要在电极进给过程中使工作台和工件的方向保持不变。电极5由电极方向控制机构6保证处于铅垂方向。在蠕动式爬行机构7的驱动下，电极5将铅垂向下打孔，由于此时工件3可以固定地朝向空间任意方位，故所打出的目标孔9在与工件固连的坐标系中可以朝向任意方位。而这里的方位完全由工作台4来控制。也就是说，当电极5在工件坐标系中到达特定位置时，通过调整工作台4的摆角调整工件3的空间方位，就可以在工件中所要求的任意位置打出所需要的直孔部分。
弯曲孔部分加工的实现如图3所示加工弯曲孔时，需要在电极进给的过程中使工作台和工件不断发生转动。蠕动式爬行机构驱动电极作爬行运动，工件3的方位在不同时间段内不同，而电极5一直指向铅锤方向，所以在与工件固连的坐标系中，电极5的运动方向在不同的时间段内是不同的，打出的目标孔9也将是弯曲的。改变工作台4摆动的速度，就可以改变所打出的弯曲孔9的曲率。通过协调控制工作台4摆动角、摆动速度和蠕动式爬行机构7的爬行，就可以在工件3中指定的位置加工出所要求的弯曲孔。
蠕动式爬行机构的结构以及工作过程如图4所示，该机构由前卡紧体13、后卡紧体11和设置在前后卡紧体之间的电致伸缩陶瓷12组成。图中自左至右的四幅图分别表示了蠕动式爬行机构7在一个爬行周期内的动作顺序。结构中的前卡紧体13、后卡紧体11分别由电磁力或电致伸缩陶瓷控制，可以卡紧孔壁，也可以松开。工作时先由后卡紧体11卡紧孔壁，而前卡紧体13松开，然后进给电致伸缩陶瓷12伸长，从而使前面的电极方向控制机构6及电极5向前进给。在常态(掉电状态)下前后卡紧体都能可靠地卡紧孔壁。卡紧体的外形不必是圆形或某一特定的简单形状，它可以根据实际做成所需要的形状。
电极方向控制机构的结构如图5所示电极方向控制机构包括与电极刚性连接的双喷嘴19、设置在双喷嘴之间的悬垂重物17、滑阀式液压换向阀16、液压驱动装置以及液压油源22，液压驱动装置由液压缸15和柱塞14组成；所述的液压缸刚性连接在进给驱动装置上；柱塞通过滑动副与电极5连接；所述的滑阀式液压换向阀16的输入端和输出端分别通过液压管道与液压油源和液压驱动装置相连，滑阀式液压换向阀通过液压控制管道与双喷嘴19的输出端相连，所述的双喷嘴通过固定节流孔20与液压油源相连。电极5相对于悬垂重物17的转角可以反映在双喷嘴19距离悬垂重物17两侧的距离差上。实际的稳定过程为当工件3发生摆动时，位于目标孔9中的蠕动式爬行机构7将随工件发生转动，而悬垂重物17由于重力的作用保持铅垂方向。如果此时电极5没有位于铅锤方向(比如偏在铅垂线的左侧)，那么双喷嘴19中左边的喷嘴到悬垂重物17的距离将变大，右边喷嘴到悬垂重物的距离将减小。根据双喷嘴挡板阀原理，双喷嘴的右输出口18点处的液压将大于双喷嘴阀的左输出口21点处的液压。而这一液压差将作用于滑阀式液压换向阀16的阀芯两端，从而使阀芯向左移动，压力油经滑阀式液压换向阀16进入液压缸15的左边部分，从而推动电极5向右偏转，直至电极回到铅垂位置。此时，双喷嘴的右输出口18、双喷嘴阀的左输出口21两点压力相等，滑阀式换向阀16的阀芯在对中弹簧的作用下回复中位，使液压缸15闭死，电极5就稳定在铅垂方向。图5中只画出了在纸平面内电极方向控制机构7的工作原理，在垂直于纸平面方向上稳定电极方向的实现与此相同。
权利要求
1.一种弯曲孔的电火花/电解加工方法，其特征在于该方法按如下步骤进行1)将待加工的工件固定在工作台(4)上，工件和工作台都浸没在工作液(2)中，所述工作台具有两个转动自由度；2)加工开始前，采用辅助装置(23)帮助进给驱动装置进入工件(3)内部，辅助装置上预先制备出和目标孔(9)具有相同截面形状的预制直孔(24)，将进给驱动装置连同电极(5)放入预制直孔内，通过电液信号管道(1)中的电信号线向进给驱动装置发出进给信号，驱动电极逐步进入工件内部；3)进给驱动装置驱动电极(5)沿目标孔(9)的轴线进给，使电极始终指向铅垂方向；4)若要加工直孔，则需要在电极进给过程中使工作台和工件的方向保持不变；若要加工弯曲孔，则需在电极进给的过程中使工作台和工件不断发生转动。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于步骤2)中所述的进给驱动装置采用蠕动式爬行机构(7)。
3.一种实现如权利要求1所述方法的弯曲孔的电火花/电解加工装置，其特征在于该装置包括具有两个转动自由度的工作台(4)、固定在工作台上的工件(3)、电极(5)、电极方向控制机构(6)、进给驱动装置以及盛有工作液(2)的工作液容器(10)；所述的电极方向控制机构包括与电极(5)刚性连接的双喷嘴(19)、设置在双喷嘴之间的悬垂重物(17)、滑阀式液压换向阀(16)、液压驱动装置以及液压油源(22)，液压驱动装置由液压缸(15)和柱塞(14)组成；所述的液压缸刚性连接在进给驱动装置上；柱塞通过滑动副与电极(5)连接；所述的滑阀式液压换向阀(16)的输入端和输出端分别通过液压管道与液压油源和液压驱动装置相连，滑阀式液压换向阀通过液压控制管道与双喷嘴(19)的输出端相连，所述的双喷嘴通过固定节流孔(20)与液压油源相连。
4.按照权利要求3所述的弯曲孔的电火花/电解加工装置，其特征在于所述的进给驱动装置采用蠕动式爬行机构，该蠕动式爬行机构由前卡紧体(13)、后卡紧体(11)和设置在前后卡紧体之间的电致伸缩陶瓷(12)组成。
全文摘要
一种弯曲孔的电火花/电解加工方法及其装置，涉及弯曲孔的微细加工。该装置包括具有两个转动自由度的工作台、固定在工作台上的工件、电极、电极方向控制机构、进给驱动装置以及盛有工作液的工作液容器。电极方向控制机构能保持电极时刻指向铅垂方向，进给驱动装置则能驱动电极沿目标孔的轴线进给。若要加工直孔，则需要在电极进给过程中使工作台和工件的方向保持不变；若要加工弯曲孔，则需在电极进给的过程中使工作台和工件不断发生转动。与现有技术相比，本发明使弯曲孔加工中电极方向的控制得到简化，能够容易地实现三维弯曲孔加工，扩大孔加工的范围和提高弯曲孔加工的精度。
文档编号F15B13/00GK101015874SQ200710064289
公开日2007年8月15日 申请日期2007年3月9日 优先权日2007年3月9日
发明者韩福柱, 王用贤, 周明 申请人:清华大学