微细电火花机床蠕动式主轴装置的研究

摘要

微细电火花以其加工过程无宏观作用力产生,工具电极和工件非接触放电,单次放电能量小的特点,在加工微细阵列孔中有着独特的优势。但是微细电火花加工所用的微细工具电极一般需要在线制作,消耗时间长,而加工时存在电极损耗,尤其是微细电火花铣削、微细阵列孔加工中电极损耗更加严重。这极大地影响着微结构的加工效率和加工精度。因此研制可直接夹持不同直径市售微细电极丝,可对电极丝损耗实现自动补偿的高回转精度主轴,对于减少微细工具电极制备时间,提高微结构加工效率有着重要的现实意义。
　　本文首先从电极丝夹持范围、回转精度、响应频率、电极丝损耗自动补偿几个角度对国内外微细电火花主轴装置进行分析。提出一种结合精密二维调心装置的蠕动式主轴方案。方案中微细工具电极采用微 V型槽夹持;电极丝与主轴的同轴精度通过二维调心装置调节;电极丝的夹紧、松开和进给使用音圈电机驱动。
　　面向可夹持直径为100～300μm微细电极丝夹持功能,分析微 V型槽几何尺寸对不同直径电极丝定位的影响,完成尺寸设计。针对微 V型槽尺寸小加工精度要求高的难题,分析比较其加工方案。对微 V型槽夹持机构进行设计,并进行有限元和理论分析,计算出电极丝夹紧所需的作用力为9.9N;验证了变形和强度条件均能满足要求。
　　采用 ANSYS有限元分析软件对精密二维调心装置进行参数化建模,并对其进行优化设计。分析主轴角速度、角加速度对优化后装置的影响,发现2000r/min的角速度和1500rad/s2的角加速度对其变形影响在0.3μm之内。进行模态分析,得到优化后二维调心装置一阶自然频率为742.9Hz,二阶自然频率为951.67Hz,三阶自然频率为2277.9Hz,满足动态响应能力的要求。对调心装置 X、Y向变形的相互影响进行分析,发现当在 X向调节82.51μm时,耦合产生 Y向变形达到7.26μm,而在Y向调节101.7μm时,耦合产生X向变形很小,可忽略。
　　最后以音圈电机高度、直径、气隙磁感应强度、力常数 BL和永磁体消耗量等为评价指标,对聚磁式和径向充磁式音圈电机进行分析和优化设计,发现聚磁式音圈电机气隙磁场更加均匀,输出力也更稳定,被确定为最终方案。对优化后的音圈电机进行试制,测得其最大输出力为21.96N,满足要求,3mm量程内输出力最大变化为1N。

目录

微细电火花机床蠕动式主轴装置的研究

RESEARCH ON THE INCHWORM SPINDLE DEVICE USED IN MICRO-EDM

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题来源和研究意义

1.2 微细电火花加工主轴装置国内外研究现状

1.3 课题的主要研究内容

第2章 蠕动式微细电火花主轴及关键模块方案的研究

2.1 主轴装置功能要求

2.2 蠕动式微细电火花主轴总体方案拟定

2.3 电极夹头方案的确定及设计分析

2.4 精密二维调心装置方案的确定

2.5 驱动器方案的确定

2.6 本章小结

第3章 精密二维调心装置的设计及优化分析

3.1 精密二维调心装置的设计要求

3.2 基于ANSYS的二维调心装置优化设计

3.3 调心平台的静态特性分析

3.4 调心平台的模态分析

3.5 杠杆位移输入机构的设计

3.6 调心平台的耦合特性分析

3.7 本章小结

第4章 音圈电机的设计及优化分析

4.1 主轴装置对音圈电机的性能要求

4.2 音圈电机的不同磁路结构

4.3 音圈电机的优化设计

4.4 音圈电机尺寸的确定及实验验证分析

4.5 箍位模块A和驱动模块中音圈电机的优化设计

4.6 本章小结

结论

参考文献

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