B型精密數控電火花成形加工機床的特性與應用

作者：信息來源:模具 2008-5-19

字體大小:小 中 大網友評論條 進入論壇

精密數控電火花成形加工機床是精密特種加工技術的重要設備之一，對精密機械、汽車、微電子、家電產品以及航空航天的精密零件和精密工模具制造具有重要意義。研制高精度數控電火花成形加工機床，對我國特種加工機床的整體技術水平接近或趕超國際先進水平有著非常重要的意義...

精密數控電火花成形加工機床精密特種加工技術的重要設備之一，對精密機械、汽車、微電子、家電產品以及航空航天的精密零件和精密工模具制造具有重要意義。研制高精度數控電火花成形加工機床，對我特種加工機床的整體技術水平接近或趕超國際先進水平有著非常重要的意義。

本文介紹了我所科技員經過十多年拼搏，完全掌握核心技術、具有自主知識產權的高新技術產品—B型精密數控電火花成形加工機床的特性與典型應用，愿與業界同仁交流和探討，共同為我國特種加工行業做出一定的貢獻。

精密數控電火花成形機床主機

主機是用于支承、固定工具電極及工件，實現電極在加工過程中穩定的伺服進給運動和高精度加工的硬件系統。

本所研制的B型精密數控電火花成形機床主機采用“C”型結構，中心負重形式，形成左右對稱的合理楔形結構。它具有較好的剛性，導軌受壓均勻，精度高。主機床身、立柱采用優質鑄鐵樹脂砂鑄造技術制造，經過兩次時效處理，保證了機床具有較高的靜態、動態剛性和減震性能，是精密數控機床精度保證的前提。

主機工作臺采用優質花崗巖材質制成的00級平板，種材質熱變形小，能確保機床精度久保持；絕緣性好，可大幅度降低在放電加工時兩極間存在的寄生電容，是進行高精度鏡面加工的保障。X 、Y、Z軸的絲杠、導軌副均采用進口研磨級（C2級）高精度滾珠絲杠、超精密級（HP級）直線滾動導軌以及高精度（P4級）雙向無間隙背推球軸承，其優點是摩擦力小、運動精度高、精度保持性好。

另外，其剛性和靈敏度較高，機電控制性能較好。基于上述結構所采取的措施，使機床的精度非常高，定位精度≦2μm/任意100mm，重復定位精度≦2μm。主軸頭采用高性能交流伺服電機和滾動導軌、滾珠絲杠的直拖結構，配置高精度的編碼器，可實現單脈沖的驅動當量≦0.1μm和最大移動速度可達10m/min的運動，從而確保高剛性的連接和高靈敏度的運動控制。同時，由于其具有摩擦力和反向間隙小、避免低速爬行等優點，提高了主軸的伺服性能。圖1是B50精密數控電火花成形機床的外形圖。

圖1 B50精密數控電火花成形機床外形圖智能化高精度數控電火花成形加工脈沖電源

脈沖電源是電火花成形加工機床的一個重要組成部分，幾乎所有的加工性能，例如，加工穩定性、加工速度、電極損耗、工件的表面粗糙度、表面變質層等都與脈沖電源有關。

1. 脈沖電源的總體框架

A2型智能化高精度數控電火花成形加工脈沖電源由數控系統、電火花加工控制系統、功率放大單元、主回路單元、自動調整電壓單元、運動軸驅動單元等部分構成。

電火花加工控制系統主要包括以下部分：時鐘控制與放電脈沖信號發生部分、電流電壓等數設定部分、特殊加工波形控制部分（等脈寬、階梯波）、抬刀控制部分、伺服間隙與放電狀態（電壓、電流）檢測部分、異常放電處理部分（增大脈間、切斷或減小脈寬、增大或減少電流）等。

主回路單元包括以下部分：低壓加工回路、高壓加工回路、高低壓復合回路、低損耗回路、超精加工回路、特殊材料加工回路等。同時可根據所提供的脈沖電源的主回路和附加回路得到多種波形的組合，針對不同的加工工藝要求，任意組合閥加到放電間隙，使加工對象得到最佳工藝效果。

圖2 精密數控電火花加工脈沖電源系統框圖

功率放大單元完成對加工脈沖電壓電流的功率放大的職能，它由IGBT功率開關管和前置驅動放大電路組成。可自動調整電壓單元以提供穩定的加工電壓，這經由晶閘管整流自動穩壓回路實現，同時兼具數控化和多種保護功能。精密數控電火花加工脈沖電源系統的結構框圖如圖2所示，其實物照片如圖3所示。

圖3 精密數控電火花加工脈沖電源照片2. 精確快速的放電狀態檢測與控制

高精度、高效率電火花成形加工對加工狀態的實時監測有著極高的要求，反饋環節的精度和穩定性直接影響放電能量和加工效果。利用高速采集手段快速檢測到拉弧狀態，并迅速做出反應，這是保證高精度鏡面加工的必要手段。

因此，采用12bit的高速數字模擬信號轉換器件來監測異常放電狀態，高速的轉換時間和高精度的采樣結果能夠更加快速的反映放電加工間隙的狀態。一方面，在放電控制上采用改變脈沖寬度ON、脈沖間隔OFF、峰值電流IP等參數的方法來控制加工過程消除拉弧狀態；另一方面，能夠快速的控制高精度高響應電機驅動系統，精確控制放電間隙，從而更好地控制放電能量，確保加工出高質量的鏡面。

3. 電極損耗控制

最大效率地降低電極損耗是提高加工精度的必要手段之一。電火花加工時，兩極接脈沖電壓極性不同，所造成的蝕除量也會不同，在脈沖放電的前一階段時間，呈負極性的電子因其質量小，容易獲得動能，電子不斷轟擊陽極，而與電子呈相反極性的正離子因其質量大，相應地獲得動能的時間較長，此時，電子傳遞給陽極的能量高于正離子傳遞給陰極的能量。

而隨著放電時間的增加，正離子逐漸獲得較高的運動速度，它的質量大，轟擊陰極時的動能較大，故傳遞給陰極的能量顯著增加，此時，陰極的蝕除量大于陽極。故此，合理利用放電加工中產生的極性效應，能夠最大限度的增加放電加工效率，減小電極損耗。

此外，合理的控制電流上升與減少負波也是減小電極損耗的必要手段。本文研制的脈沖電源充分考慮了以上因素來降低電極損耗，其最低電極損耗≦0.05%。

數控系統的高精度、高速度和全閉環控制

電火花成形加工機床的數控系統相比普通切削加工機床的數控系統，其對伺服進給控制有更高的要求，因為電火花放電過程實質上是一個間隙維持過程（既有進給又有回退）。間隙過大時，間隙介質不易被擊穿，有效脈沖放電率低；間隙過小時，蝕除產物無法排除，且易相對集中在間隙中某一區域，造成微短路的發生較頻繁。也就是說各種可能造成起弧的因素，在間隙過小時發生的概率相對高些。只有精心調節伺服進給，間隙大小適當，才能維持較佳放電狀態，從而獲得較高的加工效率和更強的加工能力。

電火花成形加工數控系統的伺服進給控制是一個更為精細的閉環控制。因此，在硬件上采用高速I/O通道設計，在軟件上采用高效的匯編代碼和32位CPU 指令代碼直接嵌入式設計，保證軟硬件運行的高效性；檢測部分采用精密的數字硬件電路設計以確保檢測的準確；采用高分辨率的反饋器件保證系統控制精度。這就能夠保證檢測系統精確、穩定可靠，進給伺服電機與機械系統響應靈敏、控制準確、精度高并且穩定。最終達成放電伺服進給系統的高性能控制。

數控系統可實現全閉環控制。數控系統的檢測部分采用精密的數字硬件電路設計以確保檢測的準確；采用直線光柵尺和高分辨率的脈沖編碼器雙位置測量反饋伺服系統，各軸在運動時獨立檢測實際位置，在X、Y、Z各軸達到最小機械驅動精度0.1µm的位置檢測控制精度。通過機床的剛度與精確的伺服控制，實現超精密的定位精度和重復定位精度。

高速的主軸抬刀控制，可促進放電加工加工屑的排出，特別適用于窄槽、窄縫和加強筋的加工。本所研制的數控系統采用高分辨率的全數字交流伺服驅動方式，可實現主軸（Z軸）10m/min的移動速度。

典型加工應用實例

1. 高效高精度鏡面電火花加工實例

利用高性能鏡面加工回路，在普通加工液中不添加任何粉末的條件下實現了較大面積的電火花鏡面加工。圖4是直徑Φ25mm的鏡面加工照片。

圖4 直徑Φ25mm的鏡面加工照片

利用該項加工技術在直徑為Φ25mm（面積為490mm2）加工面積上，可達到表面粗糙度Ra0.05µm，并可清晰地像鏡子一樣映照出鋼板尺的形狀和顏色。

該鏡面加工回路有效克服了分布電容、分布電感等寄生參數對鏡面加工的不利影響，精確控制了微小放電能量的恒量輸出，并在工具電極表面形成一層炭黑膜有效保護電極表面不被損耗，提高了加工精度和工件表面質量，實現了像手機、個人掌上電腦（PDA）等中小型模具表面采用電火花加工作為最終精加工工序的目的，有效地解決了深槽、窄縫等不易拋光和加工精度差的問題，進一步拓展了電火花加工技術的應用范圍。

圖5是采用該項技術加工的手機按鍵模具照片，電極為紫銅（面積為460mm2），工件為SKD61熱作模具鋼，在普通加工液中一次加工完成的，加工后表面粗糙度為Ra0.2μm。

圖5 手機按鍵模具的鏡面加工

2. 雙電極多工件冷沖模具電火花加工實例

圖6是采用B35精密數控電火花成形加工機床，用粗、精兩個電極對六個精密冷沖凸模加工的實例。

圖6 粗、精兩電極加工六個凸模的示意圖

凸模材料為Cr12MoV，熱處理淬火、回火至HRC60～63，加工表面粗糙度Rmax1.6µm，側壁直線度≦0.01mm，加工精度±0.01mm。電極采用紫銅材料，粗加工電極的單邊縮放量為380μm，精加工電極單邊縮放量為100μm。凸模加工時，首先采用粗加工電極進行加工，加工表面粗糙度控制在Rmax12.5µm，給精加工留余量單邊0.06mm；然后用精加工電極進行加工，加工后滿足凸模圖紙的各項要求。

由圖6可以看到，加工這類模具時，需要利用數控機床的在機檢測技術，隨時對工件進行檢測、計算，將計算結果補償到加工程序中，從而得到較高的加工精度。再者，為了保證側壁的直線度，采用鎖定圓軌跡的搖動控制方式。另外，加工長寬比較大的零件時（長寬比為14.5），兩方向的電極損耗不一樣，這就要根據測量結果，在程序中對兩方向實施不同的補償。

3. 木工刀具電火花加工實例

木工聚晶金剛石刀具的加工是多軸聯動數控電火花加工技術的又一成功應用領域之一。隨著人造板、木材所制成制品的質量要求的提高，對加工所使用的木工刀具形狀、精度和使用壽命要求也隨之增加。人造板和木材制品的加工大多為一次直接成形，因此，木工刀具形狀多為三維空間曲面，刀頭越來越多的采用硬度高、耐磨性好的聚晶金剛石材料。

圖7是在B35精密數控電火花成形機床上配上U軸加工銑槽用的木工刀具的實例。該刀具的特點是被加工面為螺旋斷續面，前后刀刃不在一條直線上，成一定內八字角度，刀具外徑為Φ8mm，聚晶金剛石刃口長度為12.5mm。加工難度不僅在于加工時要進行聯動的螺旋線插補，還要能夠進行在線測量。

圖7 螺旋線聚晶金剛石刀具加工實例圖

因此，在加工系統上加裝了精密的電感位移傳感器，利用系統已有的接觸感知功能進行精密在線測量。在機械裝置上將分度軸安裝在工作臺上作為繞X軸旋轉的U軸使用，將R軸水平安裝在Z軸上，圓盤紫銅電極或石墨電極裝夾在R軸上進行高速旋轉；被加工的聚晶金剛石刀具裝夾在U軸上，與X、Z軸進行伺服聯動，用電火花磨削的方法進行加工。沖油管用于加工時的強力沖液。此類刀具用普通磨床很難加工。

圖8是在B35精密數控電火花成形機床上配上U、V、R三個旋轉軸加工盤式聚晶金剛石木工刀具的局部示意圖。該木工刀具的特點是12個齒刀刃均勻分布在圓周上，采用圓盤石墨電極裝夾在R軸上進行高速旋轉；被加工的聚晶金剛石刀具裝夾在U軸上，與X、Z軸進行伺服聯動加工而成。

圖8 盤式聚晶金剛石刀具加工實例

4. 飛機發動機連桿精鍛模具電火花加工實例

圖9為采用B35精密數控電火花成形機床加工的飛機發動機連桿精鍛模具。該模具材料為9CrSi；加工部位尺寸167×55mm，加工深度13.0±0.05mm，加工表面粗糙度Ra為1.0μm，有預加工。電極采用日本ISO-61石墨，單邊縮放量400µm，加工面積約為8000mm2，在型腔55×100mm處加工7-Φ2排氣孔。

圖9 飛機發動機連桿精鍛模具

加工方法采用單電極搖動法。加工時采用定時抬刀，粗加工時UP02，DN05；精加工時UP03，DN03。伺服基準電壓粗加工時SV03(35V)，精加工時SV05(60V)。搖動方式因工件均為圓弧曲面，采用圓軌跡。而且，由于有預加工，雖然模具的放電面積較大，但開始加工時，電極與工件只是局部接觸，加工電流不宜過大，否則會局部電流密度過大而造成燒傷，待放電面積逐漸增大后，再相應增加加工電流。

5. 斜齒輪零件電火花加工實例

圖10是利用U軸與Z軸聯動加工的SJX-74行星擠出機內斜齒零件實例。該工件材料為38CrMoLA。主要參數：法向模數mn為1，端面模數Mt為1.3824，齒數Z為54，法面齒形角α為20°，導程角（為43°40',分度圓直徑D0為74.65，最小直徑Di為72.65，導程旋向為右旋，加工精度為8-8-7。

圖10 SJX-74行星擠出機內斜齒零件加工實例

電極由一接柄和成型電極組成，單邊收縮量均為200µm，材料為T3(純銅3號)，齒形拋光Ra0.4，齒形部分不得有磕碰、劃傷。

6. 高精度微細電火花加工實例

采用LIGA技術制作的銅電極如圖11所示，電極粗線條處寬為70µm，細線條處寬為50µm，電極高度為0.9mm，在0.19mm的不銹鋼板上進行的加工實驗如圖12所示。

圖11 復雜微細形狀的電極

以上淺述了B型精密數控電火花成形加工機床的主要特性和典型應用，以及該機床實現了重復定位精度2μm的高精度定位控制、放電加工的最小表面粗糙度Ra≦0.05µm（面積490mm2）、最低電極損耗≦0.05%等良好的加工效果。

愿將我們的研制成果奉獻給社會、奉獻給同行和更多行業的用戶。天道酬勤，我們將一如既往致力于特種加工領域的技術創新和產品應用，用心打造產品，用心服務社會，讓更多行業的更多用戶感受到我們產品與服務的魅力，共同創造美好的明天。

分頁：