基于嵌入式平台的电火花小孔机结构设计

林丽英 蒋 毅 化春键 安 伟

（江南大学机械工程学院，江苏无锡 214000）

0 引言

随着新时代科学技术的发展，医疗器械、航空航天、汽车、电子产品等多个领域对于精密型设备和零件的需求日益增加。而微小孔作为常见的难加工特征，是限制相关领域装备发展的关键所在[1]。同时，随着加工材料朝着高硬度、高强度的方向发展，传统的切削加工方式切削阻力增大，刀具寿命严重缩短，制孔难度增加。电火花加工能够利用光能和热能进行非接触式加工，不受材料硬度和强度的影响，能避免工件因切削力而产生变形。电火花加工能够加工任何导电材料，在复杂结构的微小孔加工中具有较大的优势。

目前市面上的电火花小孔机体积大、结构复杂，且维修成本高，不便于移动和安装。高昂的价格和维修费用给许多高校和小型实验室带来了沉重的经济负担[2]。此外，精密型零件的体积和质量普遍较小，使用中大型机床会造成资源上的浪费。

针对以上问题，国内外许多学者致力于研发更加紧凑、便携的电火花小孔机。国外电火花小孔机的加工工艺水平已经较为成熟，日本牧野（MAKINO）、瑞士阿奇夏米尔（Agie Charmilles）、日本三菱等公司的电火花加工机床具有卓越的加工性能。Rizwee等人研究了加工参数对加工特性的影响[3]。苏州电加工机床研究所张勃等人针对涡轮叶片上的气膜孔加工设计了一款数控电火花小孔机床[4]。北京市电加工研究所蔡延华等人发明了电火花小孔机导向装置[5]，提高了电极加工的稳定性。哈尔滨工业大学刘晋春等人研制了一系列便携式、多功能、模块化的小型数控机床[2]。

1 整体设计方案

电火花小孔机采用立式结构，整体框架由铝合金型材搭建，框架尺寸为800 mm×800 mm×800 mm，包括X、Y、Z三个轴，采用伺服电机和滚珠丝杠结构，X轴行程350 mm，Y轴行程300 mm，Z轴行程200 mm。机床主要由整体框架、主轴模块、工作台模块、工作液循环系统以及其他结构组成，如图1所示。该设计方案充分利用空间，实现了电火花小孔机的小型化设计。采用嵌入式数控系统，监测电极进行电火花加工的状态；并设计相应的安全保护措施，使结构更加安全合理。

图1 机床整体结构

1.1 主轴模块

主轴模块是进行电火花小孔加工的主要结构，由主轴升降板、Z轴滑台、主轴连接板、主轴等组成，如图2所示。主轴由电机、同步带、电极、电极夹头、轴套等多个部分组成，通过连接板与Z轴滑台相连。将电极穿过电极夹芯置于轴套中，并将电极套旋紧固定。电机通过同步带带动轴套旋转，轴套再将旋转运动传递给电极，则可实现加工过程中电极高速旋转。主轴连接板用于连接主轴和Z轴升降滑台，Z轴滑台控制主轴进行升降运动。

图2 主轴模块

1.2 工作台模块

如图3所示，工作台模块由液槽、工作台、夹具、X-Y轴滑台等部分组成。为防止加工过程中废屑堵塞小孔影响加工，需要将工件浸在工作液中进行加工，因此，工作台结构置于液槽中。工作台尺寸300 mm×300 mm，选用花岗岩材料；液槽长400 mm，宽400 mm，槽深170 mm，使用亚克力材质。

图3 工作台模块

工作台中部设有槽，便于固定安装夹具滑块。工作台为电火花加工提供了一个平稳的表面，使操作人员能够在其表面进行精确的测量和加工操作。液槽作为电火花加工的主要区域，主要作用有冷却、冲洗、绝缘等。电火花加工过程中产生的高温、高能量会导致工件变形、硬度降低等质量问题，液槽可以通过循环冷却水来降低工件温度，保证加工精度和质量。同时，液槽中的水流能够清除金属屑和碎屑，保持加工环境清洁。液槽具有一定深度，不仅能将工件浸没，还能有效防止加工时工作液飞溅，破坏腐蚀其他结构。液槽两侧开口，与阀连接，通过管道、阀门、过滤器等与水箱连接。

X-Y轴滑台由两个直线滑台组成，X轴滑台安装在Y轴滑台下方，安装时需保证X轴和Y轴的垂直度。通过精密导轨和驱动装置精准控制工作台的运动方向和加工位置，X-Y滑台通过数控系统控制，以提高加工效率。滑台由滚珠丝杠、导轨、滑块、伺服电机、底板等组成，结构简单，拆卸、安装灵活方便。选用滚珠丝杠导轨，减小运动摩擦，减少磨损，延长使用寿命，同时保证定位精度，提高设备的可靠性。

1.3 工作液系统

工作液系统包括阀门、抽水泵、液槽、水箱、过滤器、喷头等结构，是传输、存储、回收工作液的重要部分。抽水泵和水管能够控制水箱和液槽之间的工作液定向流通，减少人工操作。水箱可用于存储充足的工作液，保证加工过程中工作液不间断，大大提高了生产效率。液槽为电火花加工提供了良好的条件，在及时清除加工过程中产生的废屑的同时还具有冷却作用，提高了加工质量；还可用于工作液的暂时存储，以备后续使用。

1.4 其他结构

电火花小孔机还包含防水板、侧板、显示器等结构。防水板使用亚克力材质，具有良好的防水性，且密度小、质量轻，可用于保护X-Y滑台等结构，防止工作液对其精度和使用寿命造成影响。侧板将机床加工部分遮挡，起到了一定的隔音和防护作用，提高了机床的安全性。显示器能够实时监控电火花小孔机的加工过程，显示加工状态、加工进度以及加工结果等信息。

2 实物搭建

核对设计的相关细节、验证设计合理性后，完成对基于嵌入式平台的电火花小孔机的实物模型的搭建。用铝合金型材搭建机床整体框架，框架是整个机床的支撑结构，确保其稳定性和刚度是保证机床安全性的关键。由下而上将底板、X轴滑台、Y轴滑台、液槽、工作台等主要结构安装固定，注意各个部件之间的配合连接，确保精度和稳定性。主轴是嵌入式小孔机的核心部件，需要保证较高的垂直度和稳定性。主轴安装不当可能导致加工小孔倾斜、孔径增大等，降低小孔的加工质量。主要结构安装完成后，根据需要安装阀门、管道、水箱、夹具等部分。

机械结构安装时需为控制系统的硬件设备预留空间，同时安装结构应尽量紧凑。为电火花小孔机连接各个电气组件，安装调试伺服驱动器，为电极加上脉冲电源，电极和工件分别接上正极和负极。根据实际安装情况对机床各部件进行调整，合理利用空间，最终完成安装。实物图如图4、图5所示。

图4 小孔机实物正面

图5 小孔机实物背面

3 结束语

本文对基于嵌入式平台的电火花小孔机进行了结构设计，包括主轴模块、工作台模块、工作液循环系统等结构，并对结构功能进行了详细介绍。对滚珠丝杠、伺服电机、伺服驱动器等进行选型，确定需要加工的部件材料，最终完成了嵌入式电火花小孔机的实物搭建。该设计满足小型化、集成化的要求，且能够达到一定的加工精度，具有较高的实用价值。