倒锥形微细喷孔电火花加工研究*

佟 浩,李 勇,刘美玲,张 龙

(清华大学精密仪器与机械学系制造工程研究所摩擦学国家重点实验室,北京100084)

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,其关键部件的先进制造技术备受关注。喷油嘴偶件是影响发动机性能、寿命及可靠性的关键部件[1],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0.2 mm[2],还要求孔径沿喷射方向逐渐变小形成 0°～ 2°锥角的“倒锥孔”(图 1)[3-4],以达到欧 Ⅳ(国4)以上的排放标准[5-6]。

图1 喷油嘴上微细倒锥孔示意图(φ a＞φ b)

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[7]。然而,由于电火花加工中加工屑与孔壁的侧向放电,使加工出的喷孔一般呈“正锥形”孔径形状[8]。

国内外在倒锥形微细喷孔加工方面取得了一些研究成果。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[9]。本课题组前期采用微细电极丝导向套倒锥偏摆及自旋转的方式,在微细电火花加工实验系统上加工出锥顶角1.6°的倒锥形微细孔[6]。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。

为实现微细倒锥形喷孔加工,解决倒锥角度高分辨率连续可调、无自转电极丝伺服进给的同时在锥形包络面内摆动、微小锥角顶点精确定位等关键性技术问题,本研究设计了一种微细倒锥孔电火花加工电极丝锥角推摆机构模块,并利用该机构模块进行了多组不同倒锥角微细孔的加工实验。

1 微细倒锥角推摆机构原理和结构设计

1.1 原理设计

设计的微细电极丝无自转的倒锥面运动原理见图2。利用误差缩小原理,在锥角顶点 O的确定距离上采用电极丝偏心量连续可调方法,精确调控微细倒锥角大小;通过控制微细电极丝绕偏心圆轨迹的摇摆运动形成加工倒锥孔包络面(图2b);为满足批量化加工应用需求,采用常闭夹丝协调控制进给及其与常开夹丝协调开启和关闭,实现微细电极丝的伺服进给和电极丝损耗的积累补偿。

图2 倒锥孔加工时电极丝沿倒锥面摇摆运动原理图

为实现倒锥推摆运动,推摆机构设计的关键在于:①为保证微细倒锥孔径的控制精度,倒锥角顶点O的位置应在加工中保持稳定;②在微细电极丝无自转的情况下,电极丝推摆运动的驱动和传递应可靠;③考虑到细长电极丝刚度低和实际应用中电极丝的有效利用长度,要求调节偏心位置与锥角顶点O之间的距离应尽可能小,即要求倒锥角推摆机构设计应紧凑。

1.2 结构设计

基于倒锥推摆机构的原理性设计和机构关键点分析,设计的微细电极丝倒锥角推摆机构模块见图3。通过偏转轴套内圆锥面与球形定位块凸球面拟合方式,以固定球心精确定位微小锥角顶点,可保证锥角顶点的稳定性;通过螺钉调节偏转轴套上端偏心距离,实现微小锥角大小的精确调节;通过两个轴承的类行星运动,达到传递动力、使偏转轴套在锥角偏摆时无自转运动的目的,使导向陶瓷柱带动电极丝做无自转的圆锥面摆动;利用定位销精确定位固定轴套与球形定位块的相对位置,达到推力传动块(太阳轮)自转中心与球形定位块凸球面球心所在竖直轴线的重合;偏转轴套内配合安装导向陶瓷管,用于约束电极丝轴向进给和锥角摆动;采用小型直流调速电机驱动运动,整体结构较小巧、紧凑。

图3 倒锥顶角2°时推摆机构示意图

此机构以固定球心精确定位微小锥角顶点,可精确控制锥角顶点与工件待加工表面位置,满足批量化加工倒锥孔入口尺寸大小一致并可控的目的;精密螺纹连续调节锥角方法,易于直孔加工和倒锥孔加工的功能切换,使该机构模块具有更广的适用范围;电极丝和导向陶瓷柱均无自转的倒锥孔加工过程,可避免由于其自转引入的偏心误差,有利于提高微细倒锥孔加工精度。

将锥角推摆机构安装在微细电火花加工装置主轴上(图4)。在倒锥孔加工过程中,电极丝在调速电机驱动和导向陶瓷柱带动下沿圆锥面推摆运动,同时在常闭夹丝机构伺服进给驱动下轴向放电加工,从而在工件上加工出设定锥角的倒锥孔。进行批量化多孔加工时,常闭和常开夹丝机构协调切换并结合轴向伺服进给,能补偿各孔加工后的电极损耗。当推摆机构只起导向作用时(无推摆运动),可方便加工微细直孔。

图4 推摆机构安装于主轴示意图

2 微细倒锥角推摆机构性能测试

加工装配完成的倒锥推摆机构实物照片见图5。为检验机构精度及后续倒锥孔加工应用,采用显微镜系统对该机构的固有锥角顶点位置、零度锥角的调节螺钉位置、推摆径向跳动误差、倒锥角调节精度进行了测试和标定。

图5 倒锥推摆机构的实物照片

固有锥角顶点O的位置由球形定位块球心决定(图3),其加工装配误差直接影响微细倒锥孔加工时主轴定位位置。在较大倒锥角条件下,利用显微镜观测电极丝推摆运动,实测电极丝的3个推摆位置(图6),得到锥角顶点与导向陶瓷柱之间的距离L为1.3 mm。同理,在显微镜下观测并调节锥角螺钉,标定0°倒锥角的调节螺钉零点位置,以确定锥角调节和设定的参考点。

推摆径向跳动误差是指推摆运动过程中,电极丝上锥角顶点位置(理论上为不动点)的实际径跳系统误差(图7),这个误差直接影响微细倒锥孔的孔径加工精度。将电极丝伸出1.3 mm,即伸出到倒锥推摆的固有锥角顶点位置,利用显微镜观测到的电极端部运动径跳轨迹见图8,测得推摆径向跳动误差＜±3 μm 。

图6 显微镜观测固有锥角顶点位置

图7 推摆径向跳动误差(D-d)示意图

图8 显微镜观测电极端部运动径跳轨迹

通过显微镜测量的调节螺钉偏心量与实际输出的电极丝推摆顶角关系曲线见图9。可以得出:该推摆机构的倒锥角调节精度和分辨率较高。当调节倒锥角顶角＞0.4°时,锥角调节误差＜0.037°。若以调节螺钉易于实现的1/8圈作为调节分辨率,则锥角连续调节分辨率可达0.2°。

倒锥机构的实际测试和标定表明:设计的机构可实现电极丝无自转的锥角推摆运动,且倒锥角调节分辨率和电极丝推摆运动精度达到了设计要求。

图9 螺钉偏心量与推摆角关系曲线

3 倒锥形微细孔电火花加工实验验证

为验证所设计的倒锥推摆机构的实际应用效果,进行多组不同倒锥角微细孔的加工实验研究。考虑到评价倒锥孔圆度、倒锥角度、多孔一致性的方便性,采用易于测量加工入出口尺寸和形状的平片工件进行加工实验。实验参数见表1。

表1 微细孔加工实验参数

集成倒锥推摆机构的微细电火花加工实验系统见图10,主要由X、Y、Z三轴数控定位平台、主轴机构、脉冲放电电源、开放式数控系统组成。X、Y轴定位平台实现多孔加工的工件定位;Z轴定位平台实现倒锥机构与工件之间的相对定位,即将推摆机构上固有的锥角顶点O定位于工件表面;主轴集成了电极丝微进给机构、常开和常闭夹丝机构、倒锥推摆机构,可实现电极丝的进给、回退和倒锥推摆运动;脉冲电源用于加工放电及其间隙电信号反馈;数控系统实现整个加工过程的协调控制。

利用推摆机构只起导向作用(无推摆运动),微细孔加工结果见图11。从加工入口和出口尺寸可知:当电极丝无倒锥推摆运动时,电火花加工出的微细孔呈现出“正锥形”孔径,这是由于电火花加工中加工屑与孔壁的侧向二次放电造成的。

图10 实验系统实物图

图11 无倒锥推摆的微细孔加工结果

将锥角调节螺钉分别调节1/4、1/2、3/4、1圈,分别调出电极丝倒锥推摆顶角0.43°、0.84°、1.24°、1.61°(图9),倒锥形微细孔电火花加工结果见图12,计算得出对应的倒锥顶角分别为 0.12°、0.40°、0.83°、1.32°。这些加工结果与电极丝实际推摆角之间具有一定的差值,这主要是由于上述“正锥形”加工过程叠加的结果。而且,由于倒锥角数值较小,也受到了测量和计算误差的影响。

图12 倒锥形微细孔电火花加工结果

同批多个倒锥形微细喷孔加工的一致性精度,直接决定了设计的倒锥推摆机构在喷油嘴喷孔加工中实际应用的可行性。因此,进行了同批多个喷孔连续加工实验,在设置调节螺钉1圈时加工出的示例见图13。同批多个倒锥形微细孔连续加工结果测量得出:加工入口直径一致性精度＜2 μm,加工出口直径一致性精度＜4 μm,达到喷油嘴喷孔的加工要求。

图13 多个倒锥形微细孔加工示例

4 结论

为实现倒锥形微细喷孔加工,本研究设计了一种用于微细倒锥孔电火花加工的电极丝推摆机构模块,并对该机构模块进行了性能测试和倒锥形微细喷孔电火花加工应用实验研究,得到以下主要结论。

(1)倒锥推摆机构实现了精确定位微小锥角顶点、微细倒锥角连续可调、无自转电极丝的推摆动力传递等功能,满足了直孔和倒锥孔加工的切换需求。

(2)倒锥推摆机构连续调节分辨率可达0.2°,显微镜测试和标定了固有锥角顶点位置、零度锥角调节参考点、推摆径向跳动误差＜±3 μm、倒锥角调节误差＜0.037°。

(3)采用直径127 μm的电极丝和1 mm厚的工件 ,实现了锥顶角 0.12°、0.40°、0.83°、1.32°的倒锥形微细孔加工。同批多个倒锥形微细孔加工表明:加工入口直径一致性精度＜2 μm,加工出口直径一致性精度＜4 μm。

倒锥推摆机构具有倒锥形微细喷孔电火花加工应用的可行性,为欧Ⅳ(国4)标准以上高质量喷油嘴微细喷孔加工提供了技术途径。

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