劉建勇，鄒愛敏，翟力軍，蔡延華，孫東江，丁連同

（1.北京市電加工研究所，北京100191；2.國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作北京中心，北京100081）

反饋桿精密微細(xì)電火花加工工藝技術(shù)研究

劉建勇1，鄒愛敏2，翟力軍1，蔡延華1，孫東江1，丁連同1

（1.北京市電加工研究所，北京100191；2.國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作北京中心，北京100081）

為了解決電液伺服閥中關(guān)鍵功能部件反饋桿的加工難題，提出了對(duì)其進(jìn)行精密電火花加工工藝的方案。通過分析反饋桿的實(shí)際工作狀態(tài)，將其分為懸桿和球頭兩部分并分別進(jìn)行電火花加工，制定出一次裝夾同時(shí)實(shí)現(xiàn)反饋桿懸桿加工、反饋桿球頭加工和在位檢測的微細(xì)電火花加工解決方案。通過對(duì)加工工藝、加工精度和檢測精度的分析，確定了R軸徑向跳動(dòng)、A軸端面跳動(dòng)、Y軸定位精度和重復(fù)定位精度、Z軸定位精度和直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的剛度檢測平臺(tái)是影響產(chǎn)品加工效率和加工質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

反饋桿；微細(xì)電火花加工；在位檢測

電液伺服系統(tǒng)由于具有控制精度高、響應(yīng)速度快、能適應(yīng)惡劣工況等優(yōu)點(diǎn)，因此在航空、航天、航海等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。電液伺服閥是電液伺服系統(tǒng)中的核心部件，它能將微弱的電信號(hào)轉(zhuǎn)換并放大為大功率的液壓信號(hào)，對(duì)系統(tǒng)中的液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)來說也是控制元件［1-4］。

反饋桿是影響電液伺服閥性能的關(guān)鍵功能元件，其裝配精度要求非常高，球頭部分的裝配間隙一般要求在0.001～0.003 mm，因而球頭的加工精度要求更高。但由于該類零件具有一定的彈性，且硬度高，機(jī)械加工難以完成，尤其是球頭部分的加工，目前只能依靠人工研磨完成。人工研磨方法加工效率低、成品率低，造成了大量的人力、物力浪費(fèi)。而精密微細(xì)電火花加工技術(shù)屬于非接觸精密加工技術(shù)，加工作用力小，基本不受零件自身剛度和材料屬性的影響，因此特別適合于該類彈性零件的精密加工。

針對(duì)反饋桿的加工難題，本文擬采用精密微細(xì)電火花加工技術(shù)，通過在位檢測和精密微細(xì)電火花加工相互配合的工藝方法，完成該類零件的高效、高成品率加工。

1　加工方案設(shè)計(jì)

圖1是反饋桿工作原理圖。在電液伺服閥工作過程中，反饋桿隨著銜鐵受到轉(zhuǎn)矩的變化而產(chǎn)生撓曲變形，閥芯的位置也隨之改變，圖1所示θ即為反饋桿工作狀態(tài)下的扭轉(zhuǎn)角度。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)閥芯位置的精確控制，反饋桿和閥芯的配合精度必須非常高，反饋桿的剛度值也須控制得非常精確。由反饋桿的裝配位置及作用可確定影響閥芯精確位置控制的地方為反饋桿的懸桿部分和球頭部分（圖2）。因此，本文通過精密微細(xì)電火花加工方法對(duì)這兩部分進(jìn)行精密加工。

圖1反饋桿工作原理圖

圖2反饋桿

根據(jù)反饋桿的加工需求，本文擬定了如圖3所示的反饋桿加工平臺(tái)布局方案［5］。該方案主要由X軸、Y軸、Z軸、R軸、A軸和剛度檢測平臺(tái)等組成。反饋桿的精密微細(xì)加工電極分為懸桿加工電極和球頭加工電極兩部分。

圖3　反饋桿加工平臺(tái)布局方案

2　加工工藝分析

反饋桿加工工藝流程見圖4。裝夾完畢后，先加工反饋桿的懸桿部分，再加工反饋桿的球頭部分，最后檢測反饋桿的剛度是否滿足要求。若滿足剛度要求，則將反饋桿拆下；若不滿足，則返回至反饋桿懸桿加工工位，進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行微細(xì)加工。如此反復(fù)，直至反饋桿剛度滿足要求。該工藝方法的特點(diǎn)是在不進(jìn)行二次裝夾的前提下，完成反饋桿的兩道電火花加工工序，并可確保其剛度滿足性能指標(biāo)。

圖4　反饋桿加工流程圖

2.1懸桿加工工藝分析

懸桿加工電極為一個(gè)橫截面加工部分輪廓線由中心至外圓處傾斜角度與懸桿母線傾斜角度一致的圓盤形電極。加工開始前，通過X軸、Y軸和Z軸完成加工位置的精確定位。加工過程中，精密旋轉(zhuǎn)軸R軸、A軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，電極沿X方向伺服加工（圖5）。由于懸桿上端和下端的直徑不同，所以單位時(shí)間內(nèi)懸桿上端被加工表面的加工量比下端大，若A軸不旋轉(zhuǎn)，則會(huì)造成懸桿加工電極外徑處的電極損耗較大，從而降低懸桿加工質(zhì)量。采用R軸和A軸同時(shí)旋轉(zhuǎn)的方式，可使單位時(shí)間內(nèi)懸桿加工電極外徑處的接觸面積增大，從而確保懸桿加工電極沿徑向方向的損耗更均勻，提高加工質(zhì)量。

圖5　反饋桿懸桿加工示意圖

2.2球頭加工工藝分析

為了保證球頭與閥芯的精密配合，需對(duì)其進(jìn)行精密微細(xì)加工，加工方案見圖6。其中，球頭加工電極為一個(gè)圓柱形電極，其橫截面中心點(diǎn)為O1；δ為球頭與閥芯的配合范圍，即需進(jìn)行精密加工的區(qū)域；θ1為該區(qū)域上限與球心之間的角度；i為反饋桿在YOZ平面插補(bǔ)軌跡的起點(diǎn)；j為反饋桿在YOZ平面插補(bǔ)軌跡的終點(diǎn)。

圖6　反饋桿球頭加工示意圖

加工前，可通過移動(dòng)X軸、Y軸和Z軸確定反饋桿加工起點(diǎn)i。加工過程中，球頭加工電極保持不動(dòng)，R軸作連續(xù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并以i為起點(diǎn)、j為終點(diǎn)，沿球頭加工電極橫截面中心點(diǎn)作圓弧插補(bǔ)［6］。O1i與水平線、O1j與水平線所成角度均為θ1，這樣即可加工完成球頭與閥芯配合的部分。該方法的優(yōu)點(diǎn)是只需制作一個(gè)同軸度較高的圓柱電極即可完成球頭加工，大大降低了電極設(shè)計(jì)難度。同時(shí)，由于只需Y軸和Z軸在小范圍內(nèi)作簡單的圓弧插補(bǔ)，加工精度得到了有效保證。

2.3剛度檢測方法分析

反饋桿剛度的在位檢測裝置是實(shí)現(xiàn)其高效、高合格率加工的關(guān)鍵裝置。一般通過力和位移的關(guān)系來確定反饋桿剛度是否滿足要求。針對(duì)這一特點(diǎn)，本文制定的在位檢測裝置方案主要由全閉環(huán)控制的直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和壓力采集模塊組成。直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊主要由直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)平臺(tái)、光柵尺、全閉環(huán)驅(qū)動(dòng)器及運(yùn)動(dòng)控制軟件等組成。壓力采集模塊主要由壓力傳感器、信號(hào)放大模塊、信號(hào)采集板卡和數(shù)據(jù)處理軟件等組成。壓力傳感器安裝在直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊上。

在進(jìn)行剛度檢測時(shí)，首先移動(dòng)X軸、Y軸和Z軸，將反饋桿和剛度檢測平臺(tái)移動(dòng)到合適位置；然后，移動(dòng)直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，直至壓力傳感器有壓力信號(hào)反饋到數(shù)據(jù)采集裝置。以此為起點(diǎn)，將剛度檢測平臺(tái)移動(dòng)一定的相對(duì)距離后，采集壓力值。通過分析測試平臺(tái)相對(duì)距離與壓力值之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系確定反饋桿剛度是否符合要求。具體的數(shù)據(jù)采集方案見圖7。

圖7　剛度測量方案

3　加工及測試精度分析

在放電參數(shù)給定的情況下，反饋桿懸桿部分的加工精度取決于R軸的徑向跳動(dòng)和A軸的端面跳動(dòng)。對(duì)于跳動(dòng)要求在0.01 mm的懸桿部分，徑向跳動(dòng)為0.001 mm的R軸和端面跳動(dòng)為0.002 mm的A軸，最大耦合誤差為0.003 mm，完全能滿足加工精度要求。

在加工球頭時(shí)，設(shè)圓柱電極直徑為R，球頭直徑為r，放電間隙為h，以水平方向?yàn)槠瘘c(diǎn)，在運(yùn)動(dòng)角度α后，球頭中心Z方向相對(duì)移動(dòng)的距離為：

球頭中心Y方向相對(duì)移動(dòng)的距離為：

設(shè)運(yùn)動(dòng)到角度θ1時(shí)，Z軸、Y軸的運(yùn)動(dòng)誤差分別為δz、δy（圖8），則反饋桿球頭的球心和球頭加工電極橫截面圓心之間的距離誤差為：

圖8　反饋桿位置誤差示意圖

分析可知，Z軸作直線運(yùn)動(dòng)，Y軸作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，反饋桿球頭的球心與球頭加工電極橫截面圓心之間的距離受到Z軸直線運(yùn)動(dòng)誤差、Y軸直線運(yùn)動(dòng)誤差和往復(fù)運(yùn)動(dòng)重復(fù)精度的影響。因此，若要滿足0.001 mm左右的球頭加工精度要求，應(yīng)采用全閉環(huán)控制和運(yùn)動(dòng)誤差補(bǔ)償技術(shù)來提高Z軸的定位精度、Y軸的定位精度和重復(fù)定位精度。

在進(jìn)行球桿剛度檢測時(shí)（圖9），L為變形起始點(diǎn)至球頭球心的距離，l為球心水平方向移動(dòng)的距離，θ為反饋桿的變形角度。一般情況下，L＞＞l，因此可忽略反饋桿在垂直方向的位移，認(rèn)為l即為反饋桿球心的變形量。對(duì)于測量位移散差最大范圍在0.01 mm以上（如：某反饋桿在加載力為150 g時(shí)，球頭位置變形量為0.54±0.005 mm；加載力為300 g時(shí)，球頭位置變形量為1.09±0.01 mm）的反饋桿來說，定位精度在0.002 mm以下的全閉環(huán)控制直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元能滿足檢測需求。

圖9　反饋桿加載變形示意圖

4　結(jié)束語

根據(jù)反饋桿的使用特點(diǎn)，其精密電火花加工可分為懸桿加工和球頭加工兩部分來分別完成。在確定的加工工藝參數(shù)下，懸桿部分的加工精度主要受R軸徑向跳動(dòng)和A軸端面跳動(dòng)的影響，球頭部分的加工精度主要受Y軸定位精度和重復(fù)定位精度、Z軸定位精度的影響；反饋桿剛度的在位檢測可在不拆卸的情況下，通過精密直線進(jìn)給平臺(tái)和精密壓力傳感器的配合來完成，從而大大提高檢測效率和產(chǎn)品合格率。因此，反饋桿的精密微細(xì)電火花加工工藝方案是可行的。

［1］陸向輝，高殿榮.兩級(jí)電液伺服閥雙噴嘴擋板閥內(nèi)流場計(jì)算與分析 ［J］.中國機(jī)械工程，2012，32（16）：1951-1956.

［2］任光融，張振華，周永強(qiáng).電液伺服閥制造工藝［M］.北京：宇航出版社，1988.

［3］耿春明.低剛度桿切向進(jìn)給電火花磨削工藝及其剛度檢測的研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2001.

［4］楊建新.基于CCD的彈簧管和反饋桿剛度檢測技術(shù)研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013.

［5］曹鳳國，翟力軍，伏金娟，等.電火花加工技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

［6］黃海鵬，遲關(guān)心，王振龍.多軸聯(lián)動(dòng)電火花加工數(shù)控系統(tǒng)可逆插補(bǔ)研究［J］.電加工與模具，2009（1）：4-8.

Study on Feedback Rod with Precision Micro Electro-discharge Machining Process

Liu Jianyong1，Zou Aimin2，Zhai Lijun1，Cai Yanhua1，Sun Dongjiang1，Ding Liantong1
（1.Beijing Institute of Electro-machining，Beijing 100191，China；2.Patent Examination Cooperation Center of the Patent Office，SIPO，Beijing 100081，China）

In order to machining the feedback rod of electro-hydraulic servo valve，a precision electro-discharge machining（EDM）process scheme was given.After analyzing the work condition of the feedback rod，the EDM process was done in two steps.First，machine the rod and then machine the ball.With this method，the feedback need not to be dismounted.The machining and on-line detection of the feedback rod could be finished meanwhile.Based on the analysis of the process，machining precision and detection precision，the key factors were ensured.The factors included the radial runout of R-axis，the face runout of A-axis，the positional accuracy and repeatability accuracy of Y-axis，the positional accuracy of Z-axis and the positional accuracy of detecting platform.

feedback rod；micro EDM；on-line detection

TG661

A

1009-279X（2016）04-0058-04

2016-01-21

國家科技重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目（2014ZX04001-111）；北京市自然科學(xué)基金委員會(huì)-北京市科學(xué)技術(shù)研究院聯(lián)合資助項(xiàng)目（L150006）

劉建勇，男，1983年生，副研究員。