王明磊，孫少偉

（1.瑪獅工程機(jī)械有限公司，合肥 230051；2.安徽江淮專用汽車有限公司，合肥 230051）

0 引言

自20 世紀(jì)90 年代以來(lái)，隨著智能機(jī)器人的迅猛發(fā)展，短短不足30 年的時(shí)間，機(jī)器人柔性元件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論不斷構(gòu)建和發(fā)展，形成了現(xiàn)代機(jī)構(gòu)學(xué)的一個(gè)重要分支［1－2］。電解加工具有加工效率高、陰極無(wú)損耗、不存在殘余應(yīng)力等優(yōu)點(diǎn)，且以離子形式去除工件材料，在微結(jié)構(gòu)制造領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)［3］。但柔性元件的微細(xì)結(jié)構(gòu)在微細(xì)電解加工過(guò)程中，微小加工間隙內(nèi)部電解產(chǎn)物的排除、電解液更新困難制約了加工精度和穩(wěn)定性的提高，限制了其在工業(yè)生產(chǎn)中的推廣應(yīng)用［4］。所以設(shè)計(jì)用于加工柔性元件的電解加工裝置是十分必要的。

目前已有用于加工群縫結(jié)構(gòu)的裝置。王峰［5］設(shè)計(jì)了一種帶有圓形出液孔和筋狀凸起的整體工具陰極用于加工微尺度群縫結(jié)構(gòu)，以電解液正流為主要沖液方式，筋狀凸起高度為1 mm。工具陰極可以承受高速電解液沖擊，加工時(shí)的變形和震動(dòng)小，但是只適合于加工處于同一平面的群縫結(jié)構(gòu)，不適合于加工處于曲面的群縫結(jié)構(gòu)。齊新新［6］設(shè)計(jì)了一種鎢片狀陣列微電極作為工具陰極加工微群槽，其加工精度高，加工均勻性好，但是加工速度慢，不適用于批量加工制造。

相似的微尺度群縫電解加工裝置有些不適合于位于曲面的群縫，有些加工速度慢，只能適用于小批量生產(chǎn)。通過(guò)深入分析問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種加工柔性元件微尺度群縫的電解加工裝置，工具陰極采用恒定速度向工件進(jìn)給，一次性加工出窄縫，電解液以側(cè)流式方式排出。由于柔性元件的微細(xì)結(jié)構(gòu)縫隙小，電解產(chǎn)物的排出困難，所以采用機(jī)械式振動(dòng)進(jìn)給方式，能加強(qiáng)電解產(chǎn)物排出，加快電解液流動(dòng)更新，進(jìn)而提高加工系統(tǒng)穩(wěn)定性和加工精度。裝置最大創(chuàng)新點(diǎn)在于工具陰極的設(shè)計(jì)，既保證了加工精度，又保證了加工速度。

1 零件結(jié)構(gòu)

微尺度群縫結(jié)構(gòu)如圖1 所示，結(jié)構(gòu)組成為10個(gè)僅為1.6 mm的窄縫，窄縫呈螺旋排列，工件壁厚為0.33 mm。

圖1 加工零件

2 裝置總成

柔性元件電解加工裝置主要由底座、平臺(tái)、滑枕、機(jī)械震動(dòng)裝置和夾具等組成。大理石平臺(tái)安裝在底座上，平臺(tái)之上安裝x軸移動(dòng)平臺(tái)和工作臺(tái)，通過(guò)工作臺(tái)楔塊機(jī)構(gòu)來(lái)調(diào)整夾具的高度，加工零件被安裝定位在夾具里。底座利用鑄鐵材料，其具有吸收振動(dòng)的良好性能。工件定位采用一個(gè)帶支撐端面的菱形銷限制工件4 個(gè)自由度，加一個(gè)浮動(dòng)圓柱銷限制工件2 個(gè)自由度，并且可以實(shí)現(xiàn)工件翻轉(zhuǎn)180°準(zhǔn)確定位加工另一面。工件的夾緊采用帶擺動(dòng)壓塊的螺旋夾緊機(jī)構(gòu)，可以有效防止夾緊力不均勻作用時(shí)破壞工件表面，壓塊與夾緊螺桿頭部全部采用螺紋結(jié)合方式。裝置總成如圖2 所示。

圖2 裝置總成

2.1 陰極

陰極采用分體式陰極，如圖3 所示。陰極由陰極連桿和陰極頭組成。陰極頭用2 個(gè)銷定位限制6 個(gè)自由度，并用螺栓擰緊。這樣可以方便陰極裝夾和拆卸。陰極頭中間的筋狀凸起就用來(lái)加工群縫。電解液從凸起之間縫隙流出，并且把電解產(chǎn)物帶離加工間隙區(qū)域。設(shè)計(jì)凸起的寬度為1.6 mm。筋狀突起設(shè)計(jì)為8 mm高。

圖3 工具陰極

2.2 工裝夾具

設(shè)計(jì)夾具時(shí)需要考慮電解液的密封問(wèn)題，防止電解液在加工時(shí)流出夾具，從而造成壓力損失，達(dá)到電解液穩(wěn)定流動(dòng)的目的。并且需要承受一定的動(dòng)載荷，其中還有腐蝕性的電解液流動(dòng)，并且需要在兩極之間通有一定的電流。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮以下因素［7］：

（1）夾具應(yīng)有比較好的絕緣、耐酸堿腐蝕和密封性能；

（2）夾具應(yīng)有足夠的剛度，用來(lái)確保電解加工進(jìn)給運(yùn)動(dòng)時(shí)工件定位安裝的可靠性，不至于夾具發(fā)生變形；

（3）為保證導(dǎo)電的穩(wěn)定性，夾具上的導(dǎo)電部分要有承受高溫和電解液不斷腐蝕的能力；

（4）當(dāng)電解液流到加工區(qū)時(shí)，電解液流動(dòng)穩(wěn)定、均勻。

密封設(shè)計(jì)主要是夾具蓋入口處與陰極連桿的運(yùn)動(dòng)密封。工具陰極會(huì)進(jìn)入夾具內(nèi)并有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，密封采用的是O 型密封圈，從而防止其他非接觸密封方式密封時(shí)泄漏量大的問(wèn)題。同時(shí)，其用密封擋板固定。密封示意圖如圖4 所示。

圖4 陰極通道密封

本文設(shè)計(jì)了如圖5 所示的夾具，保證加工時(shí)的剛度。夾具體采用裝配式夾具體。夾具主要包括夾具底座、夾具體、夾具蓋、出入接口、對(duì)刀塊、引電螺釘組成。電解液從流道入口進(jìn)入，再?gòu)牧鞯莱隹谔幜鞒觥ｋ娫凑龢O和引電螺釘相連接通電。夾具設(shè)計(jì)的夾具蓋具有進(jìn)行密封電解液的作用，可以起到有效防止電解液流失的作用。

圖5 工裝夾具

電解加工中的電解液具有相當(dāng)?shù)母g性，且?jiàn)A具受到比較大的動(dòng)載荷，因此對(duì)夾具材料的耐腐蝕性和剛度有比較高的要求。因玻璃鋼材料剛度好，不會(huì)產(chǎn)生變形，具有絕緣和耐腐蝕耐腐蝕等特點(diǎn)［8］，所以采用玻璃鋼材料制作夾具。

工件定位如圖6所示，采用一個(gè)帶支撐端面的菱形銷限制工件4個(gè)自由度，加一個(gè)浮動(dòng)圓柱銷限制工件2 個(gè)自由度，并且可以實(shí)現(xiàn)工件翻轉(zhuǎn)180°準(zhǔn)確定位加工另一面。工件的夾緊采用帶擺動(dòng)壓塊的螺旋夾緊饑構(gòu)。此機(jī)構(gòu)可以有效防止夾緊力不均勻作用時(shí)破壞工件表面。壓塊與夾緊螺桿頭部采用螺紋結(jié)合方式。

圖6 工件定位

2.3 振動(dòng)裝置

機(jī)械振動(dòng)裝置在原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)或凸輪機(jī)構(gòu)，使電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)閺膭?dòng)件的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)從動(dòng)件的水平振動(dòng)［9－10］。工作原理簡(jiǎn)單，成本低。圖7 所示為幾種典型機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)原理。

圖7 機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)原理

為保證振動(dòng)裝置具有充足的連續(xù)推動(dòng)力、響應(yīng)速度快和精確控制參數(shù)，所以采用機(jī)械振動(dòng)模式。如圖8 所示，振動(dòng)裝置將原動(dòng)件與偏心軸相接，驅(qū)動(dòng)連桿進(jìn)行機(jī)械運(yùn)動(dòng)。并推動(dòng)陰極連桿前后運(yùn)動(dòng)，從而獲得水平直線振動(dòng)。振動(dòng)裝置由聯(lián)軸器、伺服電機(jī)、連桿、偏心軸組成?；迮c機(jī)床導(dǎo)軌連接。振動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)陰極連桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)。機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)帶動(dòng)滑板直線進(jìn)給，復(fù)合兩種平行運(yùn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)陰極連桿的振動(dòng)進(jìn)給。

圖8 振動(dòng)裝置

2.4 仿真研究

采用COMSOL軟件進(jìn)行仿真研究，首先選取加工參數(shù)：進(jìn)給速度1.5 mm／min、加工電壓20 V、電導(dǎo)率0.015 s／m、初始間隙0.5 mm，仿真模型如圖9 所示。

圖9 仿真模型

其次設(shè)定邊界條件和各個(gè)物理參數(shù)，并進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，劃分結(jié)果如圖10 所示。

圖10 模型網(wǎng)格劃分

最后在結(jié)果中創(chuàng)建三維繪圖組進(jìn)行間隙內(nèi)電場(chǎng)分布圖以及陽(yáng)極表面電流密度圖的繪制，分別如圖11～12 所示。

圖11 間隙內(nèi)電場(chǎng)分布

由圖11 可以看出模型兩端的電場(chǎng)強(qiáng)度明顯高于中間部分的電場(chǎng)強(qiáng)度，最高處電位達(dá)1 V。并且在轉(zhuǎn)角處電場(chǎng)強(qiáng)度均勻過(guò)渡。由圖12 可以看出模型兩側(cè)平均電流密度顯著大于模型上方平均電流密度，在加工時(shí)會(huì)發(fā)生比較大的電能損耗。并且電流密度在轉(zhuǎn)角處均勻過(guò)渡。

圖12 陽(yáng)極表面電流密度

3 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)柔性元件的螺旋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出了用于電解加工的整體群縫陰極，陰極以一定的速度向工件進(jìn)給一次性加工出窄縫，電解液為側(cè)流式。由于加工縫隙小，電解產(chǎn)物的排出困難，所以采用機(jī)械式振動(dòng)進(jìn)給方式。能加強(qiáng)電解產(chǎn)物排出，加快電解液流動(dòng)更新，進(jìn)而提高加工系統(tǒng)穩(wěn)定性和加工精度。并且機(jī)械式振動(dòng)具有綜合成本較低、結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)良特點(diǎn)。其次針對(duì)柔性元件設(shè)計(jì)了一套電解加工專用夾具，夾具體采用裝配式夾具體，主要由底座體底座、夾具體、夾具蓋、出入接口、對(duì)刀塊、引電螺釘組成。夾具體采用玻璃鋼制作，具有良好的耐腐蝕性、絕緣性和剛度。最后用COMSOL軟件對(duì)加工間隙電場(chǎng)強(qiáng)度以及電流密度進(jìn)行靜態(tài)分析。綜上所述，設(shè)計(jì)的電解加工裝置能夠滿足加工手術(shù)機(jī)器人柔性元件的需求。