一體式電火花加工專用電極夾具設計與應用

徐彩麗，王利東，李金廷，楊立光

（北京迪蒙數控技術有限責任公司，北京 100191）

0 引言

近年來隨著航天航空、軍工能源、模具領域的快速發展，眾多大型扭曲多特征關鍵零件不斷增多，如舵面、大型殼體、汽車缸體等。這類零件的特點是不規則的空間形狀，在橫向、縱向、斜面、內部均有不同特征尺寸的沉孔、錐孔、小孔、深孔、鍵槽等，強剛性部位的尺寸可采用銑削、鉆削加工，但弱剛性部位、內部結構、小尺寸槽等難以通過銑削加工實現，有些部位刀具難以加工到位，而電火花加工則有技術優勢[1]。

在電火花加工中，由于不同特征尺寸和加工工藝條件需要使用不同的電極，而電極夾具是加工中不可或缺的部件，其主要作用是完成電極快速而準確的定位和裝夾，如何提高裝夾效率和定位精度是電極夾具設計的關鍵[2-4]。現以舵面類零件為例，結合不同空間位置、不同特征尺寸且需用到電火花加工的位置，設計了多位姿一體式電火花加工專用夾具，并在實際電火花加工中進行了應用驗證。驗證結果表明：加工部位不僅達到了圖紙要求的幾何精度、位置精度，而且縮短了電極裝夾找正時間，降低了電極制作成本。

1 舵面零件結構特點和加工特征

舵面一般采用3D打印工藝方法制作，外形尺寸較大，為不規則的扁平空間形狀，由上下蒙皮、多條桁條、多條翼肋等薄壁結構組成，桁條與翼肋厚度約為2 mm，蒙皮厚度約為1 mm，屬于薄壁弱剛性殼體結構。舵面與其他軸或軸套固定部位的尺寸精度、形狀和相對位置精度要求高，結構中在橫向、縱向、斜面、內部的沉孔、錐孔、小孔、深孔、鍵槽、型腔較多。材料多為鈦合金、高溫耐熱合金、不銹鋼等難加工材質。

圖1所示是舵面零件與其他軸件固定部位的局部結構，其主要加工特征均在U 形區域的左、右側，空間尺寸較小，機械鉆削、銑削刀具難以到達，不易實現加工，主要加工內容和技術要求如下。

圖1 舵面零件局部結構

（1）左面：在距M基準面33 mm 位置加工深14.5 mm圓孔，間距（15±0.01）mm位置加工、錐度1∶20深14 mm 錐孔，錐孔大徑端口倒圓角R0.5 mm。

（2）右面：在距M基準面33 mm 位置加工深26 mm 圓孔，圓孔內有寬深26 mm 的鍵槽，間距（15±0.01）mm 位置加工、錐度1∶20 深14 mm 錐孔，錐孔前端倒圓角R0.5 mm。

（3）零件要求形狀公差為0.01 mm，位置公差為0.015 mm，表面粗糙度Ra≤1.6 μm。

（4）在裝夾和定位零件時，不得夾傷和磕碰蒙皮表面，找正定位基準面各方向誤差≤0.01 mm。

2 多位姿一體式夾具設計

從圖1可以看出，零件具有的特點：①外形尺寸較大（770 mm×205 mm×30 mm），為扁平結構，一般應平放在工作臺上裝夾，利用X軸側向伺服及YOZ平面的搖動進行各特征尺寸加工；②加工位置相對緊湊，U 形區域的空間較小，難以進行機械加工；③每個加工位置加工量小，所用電火花加工時間短。基于上述3 點因素，設計了一種多位姿一體式電火花加工專用電極夾具，可一次在夾具的兩端分別裝夾不同電極，同時完成左右面各一個特征尺寸的加工，減少加工時間和人為操作頻次，以提高加工效率。

2.1 夾具組成及工作原理

圖2所示是設計的多位姿一體式電火花加工專用電極夾具。該專用夾具主要由電極安裝塊、電極固定螺釘、3R快換套裝（夾座、裝夾板）等組成，其工作原理是借助3R 快換套裝的高精度和便捷性能的優勢，首先將設計的電極安裝塊與其固定為一體，并調整電極安裝塊與快換套裝的相對位置，然后整體安裝在電火花加工機床主軸上，再根據特征尺寸安裝不同的電極進行電火花加工。電極安裝板設計的定位精度、形位精度均在0.01 mm內。

圖2 專用電極夾具三維結構

2.2 夾具各部分作用

（1）電極安裝塊如圖3所示，它是夾具設計的核心零件，設計了用于圓形狀、矩形狀電極的安裝方式，圓形狀電極是利用90°V 形槽進行定位，矩形狀電極是利用長方孔相互垂直的3個凸起平面進行定位，同時設計了3 組4×M4 mm 螺紋孔，從不同方向固定電極。該零件的外形和2個安裝部位的主要尺寸是采用高精度單向走絲電火花線切割機床加工完成。

圖3 電極安裝塊

（2）電極固定螺釘選用M4 mm×10 mm 圓柱內六角螺釘的標準件，通過電極安裝塊上的M4 mm 螺紋孔對電極進行固定。

（3）3R 快換套裝由一個快換基座和快換裝夾板組成，該套裝的定位精度和重復定位精度較高（可控制在2 μm內），不僅能提高電極定位精度，還節省安裝拆卸調整時間，也為后續電火花自動化加工奠定基礎。

3 多位姿一體式夾具電火花加工應用

3.1 電極設計

針對圖1 所示零件的加工特征，設計了φ10.5 mm 錐孔、φ10、φ17 mm 圓孔、鍵槽4 種電極，如圖4所示，電極材料為紫銅。

圖4 電極結構

3.2 電火花加工步驟

電火花加工步驟如下。

（1）將圖2 所示電極夾具安裝在電火花加工機床主軸上，并打表校對。

（2）編制各電極確定相對位置程序和加工程序。

（5）電火花加工右面φ17 mm 圓孔內寬深26 mm 的鍵槽，借助電極定位塊將圖4（d）所示的電極裝在圖3 中長方孔的右側內，其他過程同步驟（3）。

（6）利用數控電火花機床在機檢測功能，對所有加工特征尺寸進行在機檢測，應注意零件加工后不拆卸，清理干凈后再進行檢測。

4 結束語

提出的多位姿一體式電火花加工專用電極夾具是實現舵面類零件加工的有效方法，對類似零件的電火花加工有一定的借鑒作用，通過加工驗證和檢測結果分析，得出如下結論。

（1）多位姿一體式夾具特點可以實現多特征尺寸、不同形狀、不同空間位置電極的快速而準確定位和裝夾，還能通過3R 快裝夾具的微米級精確定位，任意調整90°方向，可實現XOY平面4 個方向的加工。

（2）借助3R 快換套裝的優勢，可以完成與電極安裝塊的準確連接，還可以快速安裝在機床主軸上，簡化了操作，提高了生產效率。

（3）夾具可一次在兩端分別裝夾不同的電極，一次裝夾完成左右面各一個特征尺寸的加工，減少加工時間和人為操作頻次，可提高30%的加工效率。

（4）通過電火花加工驗證和檢測數據可以得出，設計的夾具達到了預期目的，檢測結果符合圖紙要求，現已應用于多種舵面零件及類似結構零件的加工。