李 巖 李文卓 柴永生 劉加光

（煙臺(tái)大學(xué)機(jī)電汽車工程學(xué)院，山東煙臺(tái)264005）

高熔點(diǎn)、高硬度、高韌性、高脆性等高性能新材料加工的機(jī)械零件和模具，機(jī)械加工方式已難以或無(wú)法加工。因此，具有大型面、大型腔的機(jī)械零件和模具需要一種高效、節(jié)能的特種加工方式。然而電火花成型加工需要制備大的成型電極，加工成本高，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，加工適應(yīng)性差，不適應(yīng)現(xiàn)代產(chǎn)品快速更新?lián)Q代的特點(diǎn);電火花銑削加工亦不能滿足對(duì)大型零部件大余量高效加工的要求［1－2］。

電熔爆銑削加工是在綜合考慮電火花成型加工和電火花銑削加工兩種工藝優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上提出的。采用專用低電壓、大電流直流脈沖電源，電流最高值可達(dá)3 000 A，是一種高效的強(qiáng)電加工方式，加工效率顯著提高，可以作為解決大型零部件大余量高效加工問(wèn)題的理想選擇［3－5］。

然而電熔爆銑削加工對(duì)電極導(dǎo)電連接裝置提出了新的要求，傳統(tǒng)的導(dǎo)電連接裝置無(wú)法滿足大電流的要求。本文設(shè)計(jì)了一種電熔爆銑削機(jī)床的便捷拆裝集電裝置，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證:本裝置可以滿足電熔爆銑削加工對(duì)大電流的要求，進(jìn)而提高了電熔爆銑削加工的工作效率。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 電熔爆銑削原理及裝置

電熔爆銑削加工基于一種正負(fù)極放電現(xiàn)象，工件接某種電性（+/－），電極接另一種電性。電極安裝在高速旋轉(zhuǎn)的電極頭上，外接電源給電極和工件供電。電極和被加工工件表面間產(chǎn)生劇烈的放電，極間的電弧受到強(qiáng)烈的收縮效應(yīng)，達(dá)到很高的能量密度。在電弧通道中瞬時(shí)產(chǎn)生很高的溫度和熱量，足以使工件表面金屬局部熔化和氣化。在工作液的作用下，使熔化和氣化的金屬爆離工件基體，從而達(dá)到去除工件表層金屬，使工件具有一定的表面粗糙度、尺寸精度及輪廓的目的［6－7］。

電熔爆銑削機(jī)床主要由電熔爆電源、機(jī)床本體、控制系統(tǒng)3個(gè)基本部分組成，如圖1所示。

機(jī)床本體:床體采用“C”型結(jié)構(gòu)，進(jìn)給系統(tǒng)由交流伺服電動(dòng)機(jī)、滾珠絲杠等精密部件構(gòu)成一個(gè)半閉環(huán)系統(tǒng);電極頭的下端帶有三角卡盤來(lái)夾緊電極（外徑為1～20 mm的紫銅管），由同步電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，實(shí)現(xiàn)電極的高速旋轉(zhuǎn);沖液管通自來(lái)水，進(jìn)水口連接潛水泵，出水口對(duì)準(zhǔn)放電部位，自來(lái)水通過(guò)回流管進(jìn)入機(jī)床旁的水箱，實(shí)現(xiàn)水的循環(huán)利用。

電熔爆電源:采用基于IGBT封裝的逆變脈沖恒流電源，電流的調(diào)節(jié)范圍為0～380 A。

控制系統(tǒng):采用NC（Numerical Control）嵌入PC的方式，即由開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制卡NextMove ES和功能強(qiáng)大的PC機(jī)組成，實(shí)時(shí)控制電熔爆銑削加工過(guò)程。實(shí)踐表明，本系統(tǒng)具有較強(qiáng)的開(kāi)放性和可擴(kuò)展性。

1.2 常規(guī)的電極集電裝置

隨著電熔爆銑削機(jī)床的研制成功，對(duì)電極導(dǎo)電聯(lián)接裝置提出了承受大電流的要求，而現(xiàn)在市面上的裝置基本上是用于電火花加工等小電流應(yīng)用的集電裝置，如圖2所示。工作原理是在電極頭相應(yīng)部位安裝電刷，電流通過(guò)接電螺釘、導(dǎo)線和電刷導(dǎo)通，再依次經(jīng)皮帶輪、滾花螺母、錐度軸、鉆夾頭傳導(dǎo)，最終實(shí)現(xiàn)電流與電極的導(dǎo)通。然而此種裝置存在固有缺點(diǎn):一方面電流在中間傳導(dǎo)過(guò)程中會(huì)造成電流損耗;更重要的是此裝置受外形大小的限制，導(dǎo)線不可能太粗，電刷的體積也不可能太大。即使解決了導(dǎo)線和電刷的問(wèn)題，大電流在傳導(dǎo)的過(guò)程中，在接電螺釘、滾花螺母等一系列螺紋連接處也會(huì)發(fā)生放電現(xiàn)象，導(dǎo)致螺紋蝕除而破壞聯(lián)接，甚至使裝置變形乃至起火而無(wú)法正常工作。當(dāng)電流施加在80 A以上，電極頭便出現(xiàn)不同程度的放電破壞現(xiàn)象，遠(yuǎn)不能滿足電熔爆銑削加工大電流的要求。

此外，液態(tài)汞上電方式雖然具有無(wú)電刷、無(wú)磨損、節(jié)能、高效等優(yōu)點(diǎn)，但是汞很容易揮發(fā)到空氣中引起危害，并且電極旋轉(zhuǎn)摩擦及加工放電產(chǎn)生的熱還會(huì)加劇汞的揮發(fā)［8］。

1.3 便捷拆裝集電裝置

為解決上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種能承受大電流的便捷拆裝集電裝置。因?yàn)槭哂幸韵聝?yōu)點(diǎn)，所以選用石墨作為導(dǎo)電塊材料。

（1）耐高溫性 石墨的熔點(diǎn)為3 850±50℃，沸點(diǎn)為4 250℃，超高溫下電弧灼燒，重量的損失很小，熱膨脹系數(shù)也很小，并且石墨強(qiáng)度隨溫度提高而加強(qiáng)。

（2）導(dǎo)電、導(dǎo)熱性好 石墨的導(dǎo)電性優(yōu)于一般金屬材料，導(dǎo)熱性超過(guò)鋼、鐵、鉛等金屬材料。

（3）潤(rùn)滑性 石墨的潤(rùn)滑性能取決于石墨鱗片的大小，鱗片越大，摩擦系數(shù)越小，潤(rùn)滑性能越好。

（4）化學(xué)穩(wěn)定性好 石墨在常溫下有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，能耐酸、耐堿和耐有機(jī)溶劑的腐蝕。

便捷拆裝集電裝置各部件的相互關(guān)系如圖3所示:支撐板內(nèi)部安裝電極的導(dǎo)向器，殼與支撐板面配合良好，可以直接安放在支撐板上;彈簧套在裝有螺母的螺栓外端，其壓縮量可以通過(guò)螺栓與殼連接的旋入量調(diào)節(jié);兩根導(dǎo)線連接電源的同一極性，增大了電流的流通量。殼的開(kāi)口為導(dǎo)線的引出位置，開(kāi)口位置兩邊的薄板與石墨導(dǎo)電塊部分貼合，控制導(dǎo)電塊相應(yīng)的3個(gè)自由度，使其無(wú)法隨電極旋轉(zhuǎn)。螺栓、螺母與彈簧構(gòu)成自適應(yīng)結(jié)構(gòu)，作用是將上下兩電刷在相應(yīng)方向上有一定的錯(cuò)位，以保證電刷與電極的良好接觸，其松緊度可根據(jù)彈簧的長(zhǎng)度適當(dāng)旋轉(zhuǎn)螺栓便可方便調(diào)節(jié)。

其動(dòng)作關(guān)系:兩根導(dǎo)線按照?qǐng)D3中關(guān)系分別焊接在兩個(gè)石墨導(dǎo)電塊上。安裝電極時(shí)，將導(dǎo)電塊、殼按相應(yīng)關(guān)系裝好，直接將外殼放在支座上，并調(diào)整螺栓使彈簧處于零形變狀態(tài)，將電極直接插入此裝置，將上端用鉆夾頭夾好。適當(dāng)旋轉(zhuǎn)電極，調(diào)整螺栓使彈簧頂緊導(dǎo)電塊，使之與電極良好地接觸，即完成電極的安裝，從而為電熔爆銑削加工做好準(zhǔn)備。如果電極過(guò)長(zhǎng)無(wú)法放入鉆夾頭時(shí)，可調(diào)整此裝置安放在支撐板上的順序，并將支撐板里的導(dǎo)向器取出，將電極放入鉆夾頭后再將此裝置安放在支撐板上，最后將導(dǎo)向器重新安裝在支撐板上即可。

本裝置突破以往電刷安裝在電極頭相應(yīng)部位的局限性，通過(guò)兩根導(dǎo)線加大了電流的流通量，并且直接將電流導(dǎo)通在電極上，避免了大電流從電極頭往下傳導(dǎo)的過(guò)程中，在螺紋連接部件放電的現(xiàn)象，從而有效解決了以往裝置無(wú)法施加大電流這一技術(shù)問(wèn)題。

2 實(shí)驗(yàn)條件及內(nèi)容

2.1 實(shí)驗(yàn)條件

（1）工件材料是熱作模具鋼4Cr5MoSiV1，工具電極是紫銅管（外徑φ10 mm、內(nèi)徑φ8 mm），電極轉(zhuǎn)速為80 r/min。

（2）電壓信號(hào):額定電壓100 V，采用CHV－25P/100霍爾電壓傳感器采集，線形精度＜0.2%。

（3）電流信號(hào):采用CHB－500S型霍爾電流傳感器采集，響應(yīng)時(shí)間 ＜1 μs。

（4）電極進(jìn)給:電極補(bǔ)償測(cè)量采用實(shí)時(shí)和延時(shí)預(yù)測(cè)的并存混合自動(dòng)優(yōu)化策略。X、Y、Z軸的控制運(yùn)動(dòng)精度為0.02 mm，運(yùn)動(dòng)響應(yīng)周期為5 ms。

（5）冷卻液為普通自來(lái)水。

2.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

設(shè)計(jì)關(guān)于電流的單因素實(shí)驗(yàn)，如表1所示。實(shí)驗(yàn)采用直線槽加工方式，加工行程為1 000單位（30單位=1 mm）。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中電流從140 A逐級(jí)加載到380 A（受電源限制電流最大值為380 A），并留意集電裝置的工作情況，如發(fā)現(xiàn)異常立即斷電。

實(shí)驗(yàn)指標(biāo):加工速率（正常工作時(shí)工件每分鐘的去除體積）

表1 關(guān)于電流的單因素實(shí)驗(yàn)

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，將工件從工作臺(tái)取下并將加工表面擦拭干凈。用50分度的游標(biāo)卡尺測(cè)量直線槽的加工寬度b（為15.00 mm，實(shí)驗(yàn)條件中給出的電極加工獲得直線槽的寬度為恒定值）和深度h，經(jīng)計(jì)算得出加工速率

直觀起見(jiàn)將計(jì)算數(shù)據(jù)繪制成如圖4所示的關(guān)系曲線圖。

經(jīng)驗(yàn)證，本裝置確實(shí)提高了電熔爆銑削加工的工作電流，在一定程度上滿足了電熔爆銑削加工大電流的要求。隨著工作電流的增大，工件的加工速率顯著提高，有效地解決了大型工件大余量加工的難題。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）本裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝維護(hù)方便。易耗損部位為導(dǎo)電塊和電極，其中電極隨著加工的進(jìn)行不斷地被消耗，因此對(duì)電極的損耗可以忽略不計(jì);而導(dǎo)電塊不僅價(jià)格低廉而且維護(hù)方便。

（2）本裝置將電極頭的導(dǎo)電連接部分從旋轉(zhuǎn)頭中進(jìn)行功能分離，將電流直接導(dǎo)通在電極上，省掉了中間的電流耗損，。

（3）本裝置允許大電流通過(guò)。導(dǎo)電塊與電極通過(guò)自適應(yīng)張緊配合、多電刷結(jié)構(gòu)保證了大電流直接導(dǎo)通在電極上，避免了大電流在螺紋聯(lián)接處放電對(duì)導(dǎo)電裝置的破壞。

本裝置大大提高了電熔爆銑削機(jī)床的工作電流，顯著提高了電熔爆銑削加工的工作效率，有效地解決了大型工件大余量加工的難題。

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