混粉镜面电火花加工工作液循环装置的研制

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1　问题的提出
　　混粉镜面电火花加工是近年来发展起来的一种改善大面积电火花加工表面粗糙度的先进技术，所谓混料镜面电火花加工即是在工作液中添加了微粉，譬如，硅粉、铝粉、铬粉，以及有关添加剂，以期使加工表面获得镜面效果。日本最早进行了研究，并取得了较好的效果。国内起步较晚，哈尔滨工业大学特种加工所近来也进行了这一领域的研究。由于在工作液中混入了微粉，因此不能用电火花机床原有的工作液循环装置。我们在前期的试验中应用简易工作液循环装置发现存在如下问题：（1）加工中混在工作液中的粉末有较严重的沉积的现象，影响了电极与工件的正常放电；（2）粉末在工作液中分布的均匀性也不理想，影响了放电的分散性，不利于提高工件的表面粗糙度；（3）冲油控制不便。因此需要重新设计工作液循环装置。
2　工作液循环装置的总休方案及指标
9 T5 x- u1 R* [( P2 y2 p' g2.1　总体方案
) F/ W/ h1 @, c/ |　　工作液循环装置由以下三部分组成：即供、回油部分、工作液槽部分和流量及压力调节部分，如图1所示。供、回油部分主要包括油箱、油泵、油箱及工作液槽中的搅拌器、滤油器等。流量及压力调节部分主要由溢流阀、节流阀、压力表等组成。图中，节流阀用来控制冲油还是补油，溢流阀用来调节冲油压力。工作液槽部分主要包括工作液槽箱体、工作台、液面调节机构和喷油嘴等。

图1　工作液循环装置示意图
1 K% R+ Q" p, S9 b" o. r2.2　指标和要求
" p4 {2 }' p! z7 j8 A6 T' ?9 ^　　对于新的循环装置，要求达到以下指标和要求:
! N- D' U/ ~) r7 s, G6 F3 |　　（1）既能冲油又能补油；
　　（2）冲油压力调节范围：0MPa～0.4MPa;
　　(3)油箱及工作液槽中的搅拌要充分；
' ~- K) r6 D8 c5 J3 G# [　　（4）冲油嘴主要尺寸如图2,图中：D= 3mm L=11mm;

* P' ]# n6 G% t图2　冲油嘴主要尺寸
　　(5)工作台上表面与底面的平行度为：0.0025mm;
; p% ?+ D1 g5 \6 {, k4 l　　(6)泄油方便且能调节液面高度。
8 n1 u2 }& q% j) u+ d3　关键零部件的计算、选择和设计
3.1　冲油的最大流量Q及冲油泵的选择
　　先求通过每个冲油口的油的流量Q1,由公式
% e9 v1 `% R$ }5 H- O
5 a% {+ g+ w& M- i3 n式中d=3mm, p=0.4MPa,g=10m/s2,查表得γ=800kg/m3,ζ=85
得：
Q1=2.18×10-4(m3/s)=13(L/min)
) X7 a% U+ G" M  r可得：
Q=2Q1=26(L/min)
为保证冲油压力，冲油泵选额定流量40L/min,出口压力为0.5MPa的涡流泵。
3.2　滤油器
　　为使工作液中的微粉（通常选用的微粉直径≤30μm）能够顺利通过滤油器，又能阻止较大的杂质颗粒通过，滤油器的滤网选用网眼尺寸≥50μm×50μm的筛网。
8 y9 \  ?. W) O" _3 q" X1 F6 D. j3.3　溢流阀的选择及改进
5 ^3 s6 Z% R0 w　　为降低费用，调压用溢流阀选用常用的低压溢流阀。由于本装置的最高调节压力（0.4MPa）远小于常用低压溢流阀的最大调节压力（2.5MPa），为减少压力损失，选择额定流量为63L/min(大于冲油泵的额定流量40L/min)、调压范围为0.3MPa～2.5MPa的板式低压溢流阀。
5 P7 p: ~8 g* ~! n　　由于此阀的调压范围为0.3MPa～2.5MPa,故需要更换其调压弹簧。经测量原调压弹簧尺寸如下：外径D=3mm，总长83.5mm(有效圈数n=23)。由弹簧刚度公式：
$ P8 z8 N% s3 @- f: ^
得：c=28(kg/cm)
, M$ C+ A6 |1 _4 l9 h1 J　　故新的弹簧刚度应为4.48(kg/cm)仿照原弹簧的外形尺寸，选择新弹簧的尺寸如下：
, @; w. b- a4 R/ S　　外径D=14mm,内径D＇=10mm,
# o  A+ j/ i3 t1 X　　弹簧丝直径d=2mm,
7 K8 _0 {# u$ `5 N  H( m　　总长85mm(有效圈数n=19)。
　　校核刚度得：c=4.77(kg/cm),略大于4.48(kg/cm),因此所选择的参数合理。
) y% f5 n* q9 N# Q6 i3 Q3.4　油箱搅拌器和工作液槽搅拌器的设计
1 F5 c6 j6 S1 L. z: \　　油箱搅拌器和工作液槽搅拌器是本工作液循环系统的关键，也是本实验装置与普通电火花机床的显著区别之处。油箱搅拌器在工作原理和结构上可以有三种方式，如图3、图4、和图5所示。图3的结构是利用电动机带动叶片做旋转运动，来搅动工作液。其优点是结构简单：缺点是由于离心力的作用，油箱中远离叶片中心处的微粉浓度要比靠近叶片中心处的高，造成微粉分布不均匀，另外，这种结构一经确定，不易调整搅拌器在油箱中的位置。图4利用油泵将工作液从油箱A向A中抽出，通过安装在油箱四周的喷油嘴注射回油箱中，形成湍流来达到搅拌工作液的目的。特点是微粉在工作液中分布比较均匀，而且结构简单，喷油嘴位置调整方便：缺点是由于增加了油泵，比前者成本高。图5综合了前两种搅拌方式，用电动机带动弯管旋转，再将工作液从弯管臂中喷出，因此搅拌后，工作液中微粉的分布要比前两者均匀；但结构复杂，成本也高得多。作者在本装置的设计中采用图4的结构，实践证明搅拌效果达到预期目标。工作液槽搅拌器的工作原理与油箱搅拌器大致相同，不再赘述。
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图3　机械搅拌示意图
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图4　液力搅拌示意图
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图5　机械-液力搅拌示意图
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