一種等截面葉型微尺度渦輪電火花加工裝置及其工藝方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種等截面葉型微尺度渦輪電火花加工裝置及其工藝方法，屬于微尺度渦輪加工領域。本發(fā)明等截面葉型微尺度渦輪電火花加工裝置包括夾持桿，集成定位板，分度棱柱和基準底座，在工件上數(shù)控車削加工出渦輪葉頂圓型面，將工件定位夾緊于分度棱柱上并使二者形成一個剛體，將分度棱柱安裝于集成定位板上，再將集成定位板安裝于基準底座上，旋轉調整好一定角度定位后夾緊，使用電火花加工對稱式加工出所有葉片以及葉根圓型面。本發(fā)明有效地解決了微尺度渦輪加工難題，提高了微尺度渦輪的加工精度與穩(wěn)定性。
【專利說明】—種等截面葉型微尺度渦輪電火花加工裝置及其工藝方法【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種等截面葉型微尺度渦輪電火花加工裝置及其工藝方法，其屬于微尺度渦輪加工領域。
【背景技術】
[0002]微尺度渦輪將廣泛應用于工業(yè)、農業(yè)、環(huán)境保護、醫(yī)療衛(wèi)生等各行各業(yè)中，是微型發(fā)動機，微型泵等微型動力裝置中的關鍵部件。而這種微型、攜帶式的動力裝置的研制成功，將不僅對微機電系統(tǒng)產業(yè)，而且對以現(xiàn)代微電子、信息和生物技術為支柱的產業(yè)產生巨大的影響。
[0003]微尺度渦輪一般為高硬度的難加工材料，所以微尺度渦輪加工的首要問題是能否加工，其次如何精確，穩(wěn)定，高效地加工出具有復雜自由曲面的渦輪葉片及其他型面是微尺度渦輪加工的關鍵問題。
[0004]目前，微尺度渦輪常用的制造方法主要有數(shù)控銑削加工、電解加工和電火花加工。
[0005]數(shù)控銑削加工可以通過數(shù)控高速銑削與功能強大的運動軌跡控制功能的結合加工出一般葉片的精確輪廓和光滑表面，并獲得較高的材料去除率。但是由于微尺度渦輪的葉片很薄且型面復雜，材料的高硬度和受刀具加工可達性的限制，使對微尺度渦輪的銑削加工變得更加困難，并且微細銑刀的制作也是目前的難點之一，加工出微小銑刀是十分復雜和困難的，往往還要借助于其他的加工方法。
[0006]電解加工是基于電化學陽極溶解原理去除材料，不受金屬材料硬度和強度的限制，加工速度快，工具陰極無損耗。但是，電解加工難以穩(wěn)定獲得高精度。對于形狀復雜、精度要求又高的微尺度渦輪來講，采用電解加工，其工藝研發(fā)難度較大，周期較長。
[0007]電火花成形加工是 通過電火花放電蝕除材料，材料的可加工性與其力學性能無關，適合于加工難切削金屬材料，加工時由于電極與工件不接觸，故沒有宏觀切削力，裝夾過程的夾緊力可以很小，基本上可以忽略夾緊變形，適宜加工低剛度微尺度零件；對于復雜微尺度零件特別是帶有曲面結構的加工，可以設計相應的成形或近成形電極，使用一組電規(guī)準，在保證表面質量及加工精度的前提下提高了加工速度；電火花成形加工工藝研發(fā)周期較短，可以快速響應市場需求。
[0008]電火花加工工藝是目前微尺度渦輪加工的首選工藝之一，但在使用這項工藝的過程中，電極與工藝裝置的設計制造，加工工藝流程的選擇，如何設置有效的電火花加工參數(shù)等都需要進行更深一步的研究。

【發(fā)明內容】

[0009]本發(fā)明針對微尺度渦輪的加工難題，提供了一種等截面葉型微尺度渦輪電火花加工裝置及其工藝方法，用于解決微尺度渦輪葉片加工精度低與變形大的問題，實現(xiàn)了對等截面葉型微尺度渦輪的高精度加工。
[0010]本發(fā)明采用如下技術方案:一種等截面葉型微尺度渦輪電火花加工裝置，包括夾持桿、集成定位板、分度棱柱和基準底座，用螺釘和螺母將所述電極安裝于夾持桿上，調整好位置后夾緊，將所述夾持桿連接于機床主軸上，將工件定位于分度棱柱上，用鎖緊螺釘鎖緊使工件和分度棱柱成為一個剛體，將所述分度棱柱定位夾緊于集成定位板上，將所述集成定位板安裝于基準底座上旋轉調整好角度后鎖緊。
[0011]所述集成定位板是用于加工電極和工件的定位板，用慢走絲線切割在所述集成定位板上加工出用于定位分度棱柱的正多邊形孔和用于定位電極毛坯的電極毛坯定位圓孔，所述電極毛坯定位圓孔的一側設有通槽。
[0012]所述分度棱柱是一個與集成定位板上正多邊形孔進行定位配合的正多邊形棱柱，所述正多邊形的邊數(shù)等于一個渦輪的葉片數(shù)量，所述分度棱柱上還設有與所述工件定位配合的圓孔。
[0013]所述集成定位板旋轉調整好角度是指通過調整使渦輪待加工葉片的拉伸成形方向平行于主運動軸進給方向，在加工過程中電極的運動軌跡為平行于主運動軸進給方向的直線運動。
[0014]本發(fā)明還采用如下技術方案:一種等截面葉型微尺度渦輪電火花加工裝置的工藝方法，其包括如下步驟:
第一步:設所加工渦輪的葉片個數(shù)為n，準備圓柱狀工件毛坯；
第二步:用數(shù)控車削加工出渦輪葉頂圓；
第三步:設計制造電極；
第四步:用能允許的最大電規(guī)準完成第一個葉片的電火花粗加工，完成后將工件與分度棱柱形成的剛體取出后旋轉(360/n) *A度，A為n/2取整，安裝定位后進行電火花粗加工，完成后取出旋轉到第二個葉片的加工位置進行電火花粗加工，完成后取出旋轉(360/n)*A度，安裝定位后進行電火花粗加工，如此循環(huán)直到完成整個渦輪的電火花粗加工，重復循環(huán)，使用逐次減小的電規(guī)準依次完成渦輪的半精加工和精加工。
[0015]所述電極設計包括如下步驟:首先分析得到渦輪葉片為一固定截面沿一固定矢量方向拉伸所得，設計套料電極，同時完成一葉片的葉盆和葉背以及部分葉根圓區(qū)域的加工，所述葉盆，葉背和葉根圓面偏置后形成葉盆加工近成形面、葉背加工近成形面及葉根圓加工近成形面，所述偏置距離為電火花加工初始間隙。
[0016]所述電極制造包括以下步驟:準備圓柱狀電極坯料，用數(shù)控車削在坯料中心加工出葉根圓加工近成形面，將加工好的坯料定位夾緊于集成定位板上的電極毛坯定位圓孔中，旋轉調整好集成定位板角度，用慢走絲加工出葉盆加工近成形面和葉背加工近成形面并加工出電極外圍形狀。
[0017]所述在制造電極時旋轉調整好的集成定位板角度，與進行渦輪電火花加工時集成定位板的調整角度一致
本發(fā)明具有如下有益效果:
(1)套料電極的設計能同時完成一葉片葉盆面和葉背面以及部分葉根圓區(qū)域的加工，消除了因不同電極加工不同區(qū)域帶來的電極換轉誤差，并提高了加工效率；
(2)對稱地加工出渦輪上所有葉片，使加工變形相互抵消，有效地減小了渦輪整體加工變形；
(3)集成定位板將電極和工件的加工集成于一體，從而保證了整個過程的加工精度，集成定位板旋轉到確定角度，進行電極和工件的加工，降低了電極的設計制造難度，并簡化了加工工件時電極的運動軌跡。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明一種等截面葉型微尺度渦輪電火花加工裝置的正面結構示意圖。
[0019]圖2為集成定位板的結構示意圖。
[0020]圖3為本發(fā)明一種等截面葉型微尺度渦輪電火花加工裝置的側面結構示意圖。
[0021]圖4為電極正面和反面結構示意圖。
[0022]圖5為集成定位板夾持電極坯料的結構示意圖。
[0023]其中:
1-基準底座，2-集成定位板，3-分度棱柱，4-鎖緊螺釘，5-工件，6-夾持桿，7-螺釘，8-電極，9-螺母，10-通槽，11-正六邊形孔，12-電極毛坯定位圓孔，13-葉背加工近成形面，14-葉盆加工近成形面，15-輪盤加工近成形面，16-電極坯料。
【具體實施方式】
[0024]請參照圖1所示，一種等截面葉型微尺度渦輪電火花加工裝置，包括夾持桿6，集成定位板2，分度棱柱3和基準底座1，用螺釘7和螺母9將電極8安裝于夾持桿6上，調整好位置后夾緊，再將夾持桿6連接于機床主軸上；將工件5定位于分度棱柱3上，用鎖緊螺釘4鎖緊使二者成為一個剛體，將分度棱柱3定位夾緊于集成定位板2上；最后將集成定位板2安裝于基準底座I上，旋轉調整好角度后鎖緊。
[0025]請參照圖1和圖2所示，集成定位板2，是用于加工電極8和工件5的定位板，用慢走絲線切割加工出用于定位分度棱柱3的正六邊形孔11和用于定位電極毛坯的電極毛坯定位圓孔12。其中集成定位板2上用于定位電極毛坯的電極毛坯定位圓孔12，在其一側開有通槽10，避免在加工電極毛坯過程中電極絲同時加工到集成定位板2。
[0026]所述分度棱柱3，是一個可以與集成定位板上正多邊形孔進行定位配合的正多邊形棱柱，而正多邊形的邊數(shù)等于渦輪葉片的數(shù)量，并在棱柱上加工出用于工件定位配合的圓孔(未標示)。
[0027]請參照圖3所示，集成定位板2旋轉調整好角度，是指通過調整使渦輪待加工葉片的拉伸成形方向平行于主運動軸進給方向，在加工過程中電極的運動軌跡為平行于主運動軸進給方向的直線運動。
[0028]請參照圖1至圖3所示，一種等截面葉型微尺度渦輪電火花加工工藝方法，其包括如下步驟:
第一步:設所加工渦輪的葉片個數(shù)為η (本發(fā)明所列舉的實施例中η=6)，準備圓柱狀工件毛坯；
第二步:用數(shù)控車削加工出渦輪葉頂圓；
第三步:設計制造電極；
第四步:用能允許的最大電規(guī)準完成第一個葉片的電火花粗加工，完成后將工件與分度棱柱形成的剛體取出后旋轉(360/n)*Α度，A為n/2取整，安裝定位后進行電火花粗加工，完成后取出旋轉到第二個葉片的加工位置進行電火花粗加工，完成后取出旋轉(360/n)*A度，安裝定位后進行電火花粗加工，如此循環(huán)直到完成整個渦輪的電火花粗加工，重復循環(huán)，使用逐次減小的電規(guī)準依次完成渦輪的半精加工和精加工。
[0029]在前述第四步中，設所加工渦輪的葉片個數(shù)n=6時，其具體的過程為:用能允許的最大電規(guī)準完成第一個葉片的電火花粗加工，完成后將工件與分度棱柱形成的剛體取出后旋轉180度至第四個葉片位置，安裝定位后進行電火花粗加工，完成后取出旋轉到第二個葉片的位置進行電火花粗加工，完成后取出旋轉180度至第五個葉片位置，安裝定位后進行電火花粗加工，完成后取出旋轉到第三個葉片的位置進行電火花粗加工，完成后取出旋轉180度至第六個葉片位置，安裝定位后進行電火花粗加工；重復循環(huán)，使用逐次減小的電規(guī)準依次完成渦輪電火花半精加工和精加工。
[0030]請參照圖4所示，所述電極設計包括如下步驟:首先分析得到渦輪葉片為一固定截面沿一固定矢量方向拉伸所得，設計套料電極，同時完成一葉片的葉盆和葉背以及部分葉根圓區(qū)域的加工；其中電極的葉背加工近成形面13、葉盆加工近成形面14及葉根圓加工近成形面15是指由葉背，葉盆和葉根圓面偏置后共同形成，偏置距離為電火花加工初始間隙。
[0031]其中部分葉根圓區(qū)域，是指相鄰兩個葉片之間的葉根圓區(qū)域是由電極分別加工兩個相鄰葉片時共同形成，為了能加工出完整葉根圓區(qū)域，設計有一定重疊加工區(qū)域。
[0032]請參照圖4至圖5所示，所述電極制造包括以下步驟:準備圓柱狀電極坯料16，用數(shù)控車削在坯料中心加工出葉根圓加工近成形面(輪盤加工近成形面15是其中的一部分)，將加工好的坯料定位夾緊于集成定位板2上的電極毛坯定位圓孔12中，旋轉調整好集成定位板2角度，用慢走絲加工出葉盆加工近成形面14和葉背加工近成形面13并加工出電極外圍形狀。
[0033]所述電極葉盆加工近成形面14和葉背加工近成形面13的慢走絲線切割加工，是指先在電極非加工區(qū)域用電火花穿孔機加工出小孔，再以此小孔為起點和終點完成兩近成形面的閉式回路的加工，加工過程為閉式回路是為了減小由于應力釋放而導致電極變形。
[0034]所述電極外圍形狀，是指慢走絲加工電極時同時加工出的電極非成形面，主要用于電極與夾持桿的定位裝配，以及避免在加工一葉片的過程中干涉到相鄰葉片。
[0035]所述加工電極時旋轉調整好集成定位板角度，與之后進行渦輪電火花加工時集成定位板調整角度一致。
[0036]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下還可以作出若干改進，這些改進也應視為本發(fā)明的保護范圍。
【權利要求】
1.一種等截面葉型微尺度渦輪電火花加工裝置，包括夾持桿(6)、集成定位板(2)、分度棱柱(3)和基準底座(1)，其特征在于:用螺釘(7)和螺母(9)將所述電極(8)安裝于夾持桿(6)上，調整好位置后夾緊，將所述夾持桿(6)連接于機床主軸上，將工件(5)定位于分度棱柱(3)上，用鎖緊螺釘(4)鎖緊使工件(5)和分度棱柱(3)成為一個剛體，將所述分度棱柱(3 )定位夾緊于集成定位板(2 )上，將所述集成定位板(2 )安裝于基準底座(I)上旋轉調整好角度后鎖緊。
2.如權利要求1所述的一種等截面葉型微尺度渦輪電火花加工裝置，其特征在于:所述集成定位板是用于加工電極和工件的定位板，用慢走絲線切割在所述集成定位板上加工出用于定位分度棱柱的正多邊形孔和用于定位電極毛坯的電極毛坯定位圓孔，所述電極毛坯定位圓孔的一側設有通槽。
3.如權利要求2所述的一種等截面葉型微尺度渦輪電火花加工裝置，其特征在于:所述分度棱柱是一個與集成定位板上正多邊形孔進行定位配合的正多邊形棱柱，所述正多邊形的邊數(shù)等于一個渦輪的葉片數(shù)量，所述分度棱柱上還設有與所述工件定位配合的圓孔。
4.如權利要求3所述的一種等截面葉型微尺度渦輪電火花加工裝置，其特征在于:所述集成定位板旋轉調整好角度是指通過調整使渦輪待加工葉片的拉伸成形方向平行于主運動軸進給方向，在加工過程中電極的運動軌跡為平行于主運動軸進給方向的直線運動。
5.一種如權利要求4所述的等截面葉型微尺度渦輪電火花加工裝置的工藝方法，其特征在于，包括如下步驟: 第一步:設所加工渦輪的葉片個數(shù)為n，準備圓柱狀工件毛坯； 第二步:用數(shù)控車削加工出渦輪葉頂圓； 第三步:設計制造電極； 第四步:用能允許的最大電規(guī)準完成第一個葉片的電火花粗加工，完成后將工件與分度棱柱形成的剛體取出后旋轉(360/n) *A度，A為n/2取整，安裝定位后進行電火花粗加工，完成后取出旋轉到第二個葉片的加工位置進行電火花粗加工，完成后取出旋轉(360/n)*A度，安裝定位后進行電火花粗加工，如此循環(huán)直到完成整個渦輪的電火花粗加工，重復循環(huán)，使用逐次減小的電規(guī)準依次完成渦輪的半精加工和精加工。
6.如權利要求5所述的一種等截面葉型微尺度渦輪電火花加工裝置的工藝方法，其特征在于:所述電極設計包括如下步驟:首先分析得到渦輪葉片為一固定截面沿一固定矢量方向拉伸所得，設計套料電極，同時完成一葉片的葉盆和葉背以及部分葉根圓區(qū)域的加工，所述葉盆，葉背和葉根圓面偏置后形成葉盆加工近成形面、葉背加工近成形面及葉根圓加工近成形面，所述偏置距離為電火花加工初始間隙。
7.如權利要求5或6所述的一種等截面葉型微尺度渦輪電火花加工裝置的工藝方法，其特征在于:所述電極制造包括以下步驟:準備圓柱狀電極坯料，用數(shù)控車削在坯料中心加工出葉根圓加工近成形面，將加工好的坯料定位夾緊于集成定位板上的圓孔中，旋轉調整好集成定位板角度，用慢走絲加工出葉盆加工近成形面和葉背加工近成形面并加工出電極外圍形狀。
8.如權利要求7所述的一種等截面葉型微尺度渦輪電火花加工裝置的工藝方法，其特征在于:所述在制造電極時旋轉調整好的集成定位板角度，與進行渦輪電火花加工時集成定位板的調整角度一致。
【文檔編號】B23Q3/00GK103464988SQ201310374116
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年8月26日 優(yōu)先權日:2013年8月26日
【發(fā)明者】趙建社, 陳建寧, 郁子欣, 周旭嬌, 李文, 林虎 申請人:南京航空航天大學