電加工絕緣轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

林陽,王連煬,江世琳

(大連科德數(shù)控股份有限公司，遼寧 大連 116600)*

電火花產(chǎn)生是基于電火花腐蝕原理，通過工具電極與導(dǎo)電工件之間的電火花放電，產(chǎn)生高溫的等離子體，使得局部區(qū)域內(nèi)工件材料在高溫下融化甚至汽化，蝕除產(chǎn)物通過工作液噴流而排出[1].微觀放電過程大致可分為介質(zhì)擊穿和通道形成、能量轉(zhuǎn)換和傳遞、材料熔化汽化和拋出、極間介質(zhì)消電離等一系列過程.由于該加工方法的特點(diǎn)是加工性能與工件材料的硬度和強(qiáng)度等機(jī)械性能無關(guān)，所以非常適合加工淬硬工具鋼、硬質(zhì)合金、聚晶金剛石以及航空航天領(lǐng)域中常用的鎳基高溫合金鈦合金等難加工材料[2].

目前我國數(shù)控電火花成型機(jī)床以立柱式結(jié)構(gòu)為主，即X、Y、Z三軸控制.這種加工方式已實(shí)現(xiàn)了成熟應(yīng)用，例如沙迪克、牧野、三菱等公司的數(shù)控電火花系列產(chǎn)品.由于基本的X、Y、Z三軸控制電火花機(jī)床的主軸只能做上下垂直運(yùn)動，對傾斜特征的面、孔等無法加工，限制了機(jī)床的適用范圍[3].伴隨著我國航空航天軍工能源工業(yè)的發(fā)展，難加工材料、復(fù)雜型面零件的應(yīng)用越來越廣泛.眾多大型型面空間扭曲類關(guān)鍵零件，如大型閉式渦輪盤、大型整體閉式葉輪、整體帶冠渦輪盤等，市面上常用的三軸電加工機(jī)床無法滿足加工要求[4-5].

針對此種情況，最佳解決方案就是采用在五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行放電加工，以滿足復(fù)雜形狀的零件制造需要.目前國外廠家的做法，大多是在原有電火花絕緣臺面上增加了一個獨(dú)立的轉(zhuǎn)臺作為轉(zhuǎn)動軸使用，臨時拼湊出額外的旋轉(zhuǎn)軸[6-9].這種臨時搭建的獨(dú)立轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)極大的占用了工作臺面，縮小了機(jī)床的極限加工尺寸，并可能由于多次裝夾而增大加工誤差.

針對現(xiàn)有市場關(guān)于加工復(fù)雜零件時在原有工作臺添加獨(dú)立轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)多軸電加工平臺的搭建，以滿足復(fù)雜零件加工需求的情況，本文對五軸加工中心的回轉(zhuǎn)工作臺進(jìn)行改造，采用轉(zhuǎn)臺內(nèi)部供電方法.提出一種新的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，將機(jī)床的整個轉(zhuǎn)臺作為電加工的工作臺，取代在機(jī)床工作臺臨時添加額外轉(zhuǎn)臺的方法，使整個電火花加工平臺結(jié)構(gòu)融為一體，真正實(shí)現(xiàn)多軸電火花加工，滿足現(xiàn)代機(jī)械制造對復(fù)雜形狀零件的生產(chǎn)需求.

1 絕緣轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

回轉(zhuǎn)工作臺結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示.該設(shè)計將原有的轉(zhuǎn)臺工作臺拆分成導(dǎo)電層、絕緣層和連接層，并通過特殊的絕緣結(jié)構(gòu)連接.上層臺面為導(dǎo)電層，與工件接觸建立電加工通電回路，用于導(dǎo)電引流；中間層為絕緣層，防止電加工過程中電流進(jìn)入機(jī)床床體，影響機(jī)床整體運(yùn)行；底層為連接層，用于連接轉(zhuǎn)臺其他零件.此結(jié)構(gòu)可以在保護(hù)電機(jī)及編碼器正常運(yùn)轉(zhuǎn)的條件下達(dá)到旋轉(zhuǎn)供電的目的.

圖2 工作臺結(jié)構(gòu)說明

轉(zhuǎn)臺的基礎(chǔ)部分是市面常見的力矩電機(jī)直驅(qū)轉(zhuǎn)臺，圖中虛線部分為外殼、力矩電機(jī)及光柵尺.電機(jī)及連接盤與軸承相連帶動工作臺旋轉(zhuǎn).

供電電流通過電纜進(jìn)入轉(zhuǎn)臺內(nèi)腔，電纜與安裝在絕緣底座下端的紫銅板相連，通過的電刷將電流導(dǎo)入隨工作臺旋轉(zhuǎn)的芯軸上，進(jìn)而導(dǎo)入工作臺的導(dǎo)電層.絕緣底座由聚四氟乙烯制成，一端安裝在固定座上，一端與電刷及其支架連接，保證電加工供電與電機(jī)及編碼器等零件的相對絕緣.在電刷安裝板上增加溫度傳感器，用于實(shí)時監(jiān)控工作溫度.轉(zhuǎn)臺右下方配有側(cè)收集器，該零件另一端連接著氣泵向外吸氣，用于回收電刷旋轉(zhuǎn)過程中的銅屑.

2 絕緣方案設(shè)計

2.1 絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計

整體結(jié)構(gòu)設(shè)計完成后，此轉(zhuǎn)臺部分結(jié)構(gòu)仍存在一些問題.首先，電加工過程是一個頻繁的打火放電過程，會產(chǎn)生大量電磁干擾影響控制系統(tǒng)穩(wěn)定性.選用屏蔽層包裹整個芯軸保護(hù)轉(zhuǎn)臺的數(shù)據(jù)線和控制元件.其次，從經(jīng)驗(yàn)來看，轉(zhuǎn)臺在工作過程中，不可避免會產(chǎn)生密封失效滲水、潤滑油或溫差導(dǎo)致的冷凝水等滲入床體內(nèi)部的情況，這些污染堆積在導(dǎo)電的芯軸附近可能會造成系統(tǒng)短路.因此應(yīng)該用絕緣材料將導(dǎo)電芯軸與轉(zhuǎn)臺其他金屬零件隔離開.

目前來說，市面上不存在同時具備屏蔽、絕緣的零件,因此額外設(shè)計了絕緣屏蔽套這一復(fù)合鑄造零件.絕緣屏蔽套結(jié)構(gòu)如圖3所示，該零件整體絕緣，中心的銅網(wǎng)用于屏蔽電子干擾，同時滿足了絕緣和屏蔽的作用.

圖3 屏蔽絕緣套

該零件分2次鑄造：

(1)鑄出內(nèi)層絕緣套，加工成所需形狀;

(2)將支撐環(huán)涂膠以過度配合嵌入零件下端，在上端抹膠包裹屏蔽層;

(3)二次鑄造外層絕緣套;

(4)加工整體外輪廓、鉆孔及前端尖角成品.

如圖3所示，零件在容易發(fā)生污染短路位置加工了一個前端尖角.工作中產(chǎn)生的液體污染流經(jīng)此處時，隨著芯軸在加工中的旋轉(zhuǎn)，液體沿著尖角靠近芯軸或者屏蔽套的外層向下流淌最終從側(cè)收集器或整機(jī)泄漏口排出，避免芯軸與附近零件連通造成短路.此尖角設(shè)計無法抵抗芯軸常年積累的黏稠油污污染.但是由于轉(zhuǎn)臺電刷與芯軸有一定的摩擦壽命，需要定期更換，因此相對廉價可靠的尖角設(shè)計更適用于此轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu).

設(shè)計中考慮到雖然絕緣屏蔽套自身較輕，但其下方需要定期拆卸電刷，因此在下方增加一個碳素鋼材料的支撐環(huán).從圖3上可以看出，連接螺釘安裝在支撐環(huán)上，從而解決絕緣材料自身強(qiáng)度低不適合重復(fù)拆裝的問題.連接螺釘用絕緣絲堵封死，避免支撐環(huán)由于密封不足造成短路.

轉(zhuǎn)臺上端由于同時要滿足工作臺供電、水冷降溫、工作臺旋轉(zhuǎn)、與其他部件的相對絕緣，因此結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜.轉(zhuǎn)臺上端的工作臺為鑄造復(fù)合材料，金屬層與絕緣層分別鑄造成型.工作臺的導(dǎo)電層、絕緣層和連接層通過絕緣結(jié)構(gòu)連接在一起.絕緣結(jié)構(gòu)連接處如圖4所示.

圖4 絕緣結(jié)構(gòu)

工作臺導(dǎo)電層上的工作電流通過螺釘及彈簧墊傳遞到水冷工作臺金屬嵌件，被冷卻工作臺理石嵌件所阻擋，達(dá)到絕緣的目的.絲堵下端帶有密封墊，用于防止類似切削液等液體流入螺釘沉孔造成短路.工作臺通過絕緣機(jī)構(gòu)連接完成后，將轉(zhuǎn)臺整體外殼接地.

2.2 絕緣強(qiáng)度校核

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)[10]，動力電路與保護(hù)接地間施加電壓500 V，要求絕緣電阻不應(yīng)小于1 MΩ.如圖4所示，連接螺釘處的絕緣層最薄弱，因此主要校核此處.

對于截面電阻的計算，可由直接積分法[11]計算.根據(jù)電阻率

已知絕緣嵌件的電阻率為ρ，設(shè)絕緣嵌件內(nèi)徑為r1，外徑為r2，由上式可求得單位長度的電阻.其中自制理石嵌件的電阻率ρ實(shí)測大于1×109Ω，絕緣嵌件的最大內(nèi)徑r1=10 mm，最小外徑r2=14 mm.代入方程式：

計算得單嵌件最小電阻R=53.5 MΩ.單個絕緣嵌件的電阻已知，絕緣嵌件數(shù)量為n個.電阻結(jié)構(gòu)為并聯(lián)結(jié)構(gòu).并聯(lián)電阻公式：

本裝置絕緣柱數(shù)量為16個，所有絕緣柱的形狀與材料均相同，則所有絕緣柱電阻相同.根據(jù)上述公式，由R1=R2=…=Rn=53.5 MΩ，n=16，計算理論總電阻R總應(yīng)為3.3 MΩ，大于國家標(biāo)準(zhǔn)1MΩ，符合國家標(biāo)準(zhǔn).至此轉(zhuǎn)臺絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計理論校核計算完成.

2.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

將絕緣耐壓測試儀的一端接在絕緣柱上，另一端接在轉(zhuǎn)臺臺面上，加512 V電壓通電一段時間，直到耐壓測試儀數(shù)值穩(wěn)定為止.記錄相關(guān)數(shù)值如表1所示.

表1 絕緣柱電阻測試值

實(shí)測中發(fā)現(xiàn)，除了三號位試件是39.7 MΩ，其余絕緣柱電阻普遍在150～260 MΩ之間，甚至個別達(dá)到500 MΩ以上.為避免計算不準(zhǔn)確，咨詢材料相關(guān)制造商，得到回復(fù)：對于人造理石這種復(fù)合材料在混合過程中是有一定成品率，通常情況下給出的電阻率數(shù)值是比較保守的，但不能排除偶然出現(xiàn)廢品的情況.所以實(shí)驗(yàn)測得電阻值雖然偏大但符合實(shí)際.

3 冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計

為平衡轉(zhuǎn)臺在大功率切削時產(chǎn)生的熱量，轉(zhuǎn)臺配有水冷機(jī)構(gòu)用于冷卻.整體結(jié)構(gòu)如圖5所示，黑色部分為臺面的冷卻水環(huán)路.

圖5 冷卻結(jié)構(gòu)

水冷工作臺的上表面加工出具有一定深度的冷卻環(huán)槽，絕緣層下端嵌入密封板.內(nèi)外圈用O形圈密封.工作時，冷卻水沿水冷底盤上的冷卻入口進(jìn)入.冷卻水先到達(dá)水冷工作臺圓柱面的旋轉(zhuǎn)格萊圈處，沿著環(huán)槽向上旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，冷卻與軸承貼合的整個圓柱面.填滿環(huán)槽之后沿著通孔繼續(xù)向上運(yùn)動，到達(dá)上平面，在冷卻環(huán)槽中做循環(huán)運(yùn)動，隔離開整個工作臺面與軸承安裝面.最后從冷卻出口向下排出返回水冷機(jī).

4 加工試驗(yàn)

在理論設(shè)計結(jié)束后，進(jìn)行了實(shí)際電加工試驗(yàn)，如圖6所示.為檢驗(yàn)實(shí)際工作性能，待零件加工完成后拆卸臺面觀察效果.

圖6 實(shí)際加工工作臺

如圖7所示，拆卸工裝夾具及中心蓋.觀察臺面，工作臺導(dǎo)電中心蓋內(nèi)部保護(hù)良好沒有污染痕跡，密封完好，但臺面污染較為嚴(yán)重，污染物呈現(xiàn)為青綠色或黃綠色，類似銅合金.

圖7 加工后臺面

現(xiàn)場大多污染物用百潔布或者塑料刮板輕輕剮蹭即可脫離.污染脫離后，工作臺表面未留下較大痕跡.因此考慮為加工后的粉末脫落附著在表面，并非工作臺自身銹蝕.

5 結(jié)論

本文提出一種絕緣轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)作為加工中心的配套轉(zhuǎn)臺.絕緣轉(zhuǎn)臺采用內(nèi)部供電，解決了轉(zhuǎn)臺在旋轉(zhuǎn)加工時的電線纏繞問題，避免在普通電火花機(jī)床工作臺上添加獨(dú)立轉(zhuǎn)臺，真正實(shí)現(xiàn)多軸電火花加工.該結(jié)構(gòu)可以在一次裝夾的情況下完成零件的電加工和切削加工，避免了二次裝夾帶來的誤差，提高了生產(chǎn)效率.

實(shí)際設(shè)計中，人造理石作為復(fù)合材料其機(jī)械強(qiáng)度和絕緣性能與攪拌、鑄造、震動等制造工藝有直接關(guān)系，會有成品率問題，所以毛坯料必須檢驗(yàn).

工作臺加工后，臺面污染較為嚴(yán)重，但清除污染方式較為簡單，清除污染效果也較為理想.基于這種情況為應(yīng)對長期使用，應(yīng)嚴(yán)格要求：零件加工完畢后應(yīng)及時清理工作臺，避免附著的切屑進(jìn)一步深入污染.對于批量零件也可以考慮裝夾完成后在工作臺其余表面涂刷類似脫模劑的保護(hù)層以便更好地保護(hù)工作臺.

電加工相對于傳統(tǒng)切削加工是一種完全不同的加工方式，從它產(chǎn)生時起一直在不斷地發(fā)展成熟，精度和效率不斷提高.科學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生了新興的技術(shù)，市場的需求促進(jìn)了技術(shù)的發(fā)展更新.類似的轉(zhuǎn)臺也會在市場需求中不斷提出問題解決問題，逐步發(fā)展完善.