变频二次脉冲微细电液磨料射流数控机床的改造及创新设计*

邹红亮

（吉林电子信息职业技术学院机械工程学院，吉林 吉林 132021）

随着科学技术的发展，产品的精密化和小型化程度越来越高[1]，现代社会中微小型产品的应用也越来越广泛，最明显的就是芯片尺寸越来越微小[2]。磨料射流加工技术是最近几十年发展起来的一门新的特种加工技术[3]，目前已在煤炭开采、石油钻井、冶金制造、航空技术、建筑、交通、化工、机械、建材、医疗、市政工程、水利工程以及轻工业等领域广泛应用[4]，主要用来对物料进行切割、破碎和清洗[5]。与一般的磨料射流加工技术相比，脉冲磨料射流加工在微细精密特种加工方面有着传统工艺和普通磨料射流技术不可比拟的优点，如能耗低、加工性能优异、形成的水刀极其锋利、加工效率特别高、切口质量好、无污染、切缝整齐[6]，在钻井、矿层切割、隧道掘进等方面的优势更加明显[7]。因为有水的参与，加工时温度低于100 ℃，也是唯一的冷切割方法[8]。另外，脉冲磨料射流抛光技术在抛光超硬金属材料和精密零件的表面光整加工中获得了广泛的应用[9]，是一种具有很大应用前景的超精密特种微细加工技术[10]。

1 变频二次脉冲微细电液磨料射流数控机床的研发概述

变频二次脉冲微细电液磨料射流数控机床是在上一代“可调频率前混合脉冲磨料射流系统样机”的基础上，对产品技术进行大幅度改进与创新，研发出的全新万能精密数控机床，能够实现多项超精密特种微细加工技术的多元化组合与优化，结构原理图如图1所示。

图1 变频二次脉冲微细电液磨料射流数控机床结构原理图

1）融入电液束特种加工技术，增设脉冲电源，将上一代技术中纯水与磨料混合变为碳酸钠电解液与磨料混合，改变了系统加工原理。

2）将可调频率脉冲喷嘴升级改造为可调频率双脉冲喷嘴系统，高速运动的电液磨料射流束不仅具备两次脉冲发生效果，而且对二级脉冲喷嘴系统的下游喷嘴结构进行了优化创新，加工难度大幅降低；同时还在二级脉冲喷嘴系统的下游喷嘴末端连接了超微细玻璃喷嘴，喷嘴直径可缩小至0.01 mm~0.05 mm，形成的磨料刀极其锋利，满足超精密特种微细加工的万能加工条件。

3）加工系统增加了磨料浆液的连续上料装置，极大地提高了加工效率与加工的持续性。

2 变频二次脉冲微细电液磨料射流数控机床的详细技术分析

变频二次脉冲微细电液磨料射流数控机床因为融合了多种超精密特种加工技术，是一种极为先进的新型超精密特种微细复合加工技术，并完美融合了前混合脉冲微细磨料射流技术、电液束微细加工技术、可调频率脉冲发生技术、磨料浆液连续上料技术、超微细玻璃喷嘴锻制技术等多种先进技术的优点。本文创新的复合技术更是具备极强的切削能力和强大的加工能量，可应用于超精密特种微细加工全部领域，实现万能加工效应，具有节能环保性好、安全性高、加工精度高、加工质量好、加工效率极高、加工能力极强、技术先进等优点。不仅可以进行微细超精密加工与材料抛光，而且因为复合了电液束技术以及超微细玻璃喷嘴，极大地提高了射流束的锋利性，扩大了加工范围，因此特别适合超硬金属和超硬材料的特种加工，并且可替代多种数控机床。与普通磨料射流技术相比，不仅能够消除加工后残留的“水垫”现象、满足微细超精密加工精度要求，而且极大幅度地提高了加工能力，尤其是对超硬材料的切割能力。变频二次脉冲微细电液磨料射流数控机床的二次脉冲喷嘴系统具有振荡腔参数可调的优点（已经获得专利），可实现多种自激振荡脉冲频率，调节射流束的加工能量，应用范围更广、更灵活。本项目目前已经初步制造完成系统原理性样机一套，组装改造完成变频二次脉冲微细电液磨料射流数控机床一台，并进行了初步的加工试验，获得了优异的加工效果，得到了企业的认可。

变频二次脉冲微细电液磨料射流数控机床设计的最大亮点是频率可调的融合双脉冲发生技术的磨料射流喷嘴。喷嘴的结构极为精密，关键设计参数多元化，难以仿造，整个系统融合了流体力学、机械设计、气压传动、液压技术、合金技术、密封技术、变频脉冲技术、双脉冲发生技术、玻璃喷嘴锻制技术等专业知识，运用了回归事物客观本质特点的第一性原理、拉瓦尔管技术原理，并在二级脉冲喷嘴系统中设计了振荡腔调整垫片来调节振荡腔的尺寸参数，以生成不同脉冲频率的电液磨料射流束，形成不同切削力度的加工效果。双脉冲发生技术顾名思义，即喷嘴系统发生两次脉冲效应并进行叠加，形成能量超高的磨料射流束最终从微细玻璃喷嘴喷出。两部分脉冲喷嘴的结构都是由上游喷嘴、振荡腔和下游喷嘴组成的，其中，二级脉冲喷嘴结构中增加了调整垫圈，用来调节振荡腔尺寸，进而调整脉冲频率。

变频二次脉冲微细电液磨料射流数控机床的另一技术亮点是融合了电液束特种加工技术，电解液与外置脉冲电源是该技术的两大要素。电解液与磨料微粉混合制成电液磨料浆液，取代目前使用的纯水与磨料微粉混合制成的普通磨料浆液，为电液束加工技术的融入打下基础；外置脉冲电源的正极连接工件或者被加工材料，负极连接喷嘴，实际就是连接电液磨料浆液形成的磨料刀，应用的原理是电加工领域中的极性效应与阳极电化学溶解效应，这两种效应的结果都是对阳极的金属材料进行蚀除，这也是双脉冲电液磨料射流技术加工超硬金属的“底气”之一。使用脉冲电源的优点是可消除电离。在电加工过程中必然产生电离效应，电离温度极高，瞬间可达到上万摄氏度，极易拉电弧烧伤工件表面产生打电弧效应，形成电弧斑。对于微细超精密特种加工，打电弧后产生的电弧斑将直接导致工件报废，因此必须采用脉冲电源间歇放电，消除电离，保证加工过程的可靠性。

变频二次脉冲微细电液磨料射流数控机床加工精度高达IT5-4 级，对于机床的参数配置与温度控制要求极高，加工环境与加工区域的温度变化、机械振动、噪声控制必须在极小的变化范围内，否则会影响机床的加工精度，导致无法达到技术要求。鉴于此，本项目研发过程中将数控加工中心普通铁质铸造机床的床身改为花岗岩材质床身，花岗岩床身是制造超高精度三坐标测量仪等各种超高精度设备的必选配置，具有吸振性能优良的特性。因此，本项目选用花岗岩材质改造立式数控加工中心的床身可最大限度降低抛光加工过程中产生的振动与噪声。另外，随着抛光加工的延续，立式数控加工中心工作台下方的润滑油温度会出现一定的升高，润滑油膨胀后工作台被顶起，出现平面度误差。因此，在立式数控加工中心工作台的润滑区设计自动恒温控制传感器，实时监控润滑区的温度，保证润滑油的温度在抛光过程中的变化值控制在0.1 ℃之内。

磨料材料与规格的选择也是技术亮点之一，选择粒度为W0.5 的二氧化铈磨料微粉作为磨料材料，显微观测后发现有极其锋利的棱角，可切削金属材料。磨料微粉粒度越小，加工后材料表面的精度越高，经济价值越突出。因此，磨料规格的选取与期望的加工精度等级及经济效益对应。对于变频二次脉冲微细电液磨料射流数控机床的加工范围，选择粒度为W0.5的二氧化铈磨料微粉已经足够。

3 结语

本研究设计的变频二次脉冲微细电液磨料射流数控机床在使用过程中绿色环保、节约能耗，契合国家倡导的节能减排方针，因为有水的参与，不会形成气体喷丸式的粉尘效应污染空气，也不会对操作者的呼吸系统造成危害，导致尘肺；磨料的成分是普通的金刚砂或者棕刚砂，即普通硅酸盐，所以排放后不会造成对水体或土地的污染，可直接处理，没有任何危害与污染；电解液使用降解材料进行化学中和，生成无害物质后亦可直接排放处理。