利用电火花制作的机床的研制

　　随着制造领域向产品高精度化、材料的多样化、加工复杂化方向的发展，对制造设备提出了更高的要求，因此开发高速度、高精度的具有智能化控制的特种加工设备一直是人们追求的目标。

　　精密数控特种加工机床是精密加工技术的重要设备，对精密机械、汽车、微电子、家电产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义。目前，我国的精密加工水平与发达国家比较还有相当大的差距，我国当前某些精密产品尚需进口（主要是精密机床和数控机床），越是精密与超精密的加工制造设备，国外掌握该技术与设备的国家对我国越实行禁运和技术封锁政策。研制高档精密特种加工机床，并实现其产业化，对我国特种加工机床的整机技术水平接近或赶超国际先进水平有着非常重要的意义。本文的成果采用引进消化吸收、自主创新的手段，研制的精密自动多轴数控电火花成形机床为我国特种加工行业做出了一定的贡献。

　　一、B型精密数控电火花成形加工机床B型精密数控电火花成形机床采用“C”型结构，中心负重形式，形成左右对称的最合理的楔形结构。优点是具有较好的刚性，导轨受压均匀，精度高。机床的床身、立柱采用优质铸铁树脂砂铸造技术制造，经过2次时效处理，保证了机床具有较高的静态、动态刚性和减振性能，是精密数控机床精度保证的前提。机床工作台采用优质花岗岩材质制成的00级平板，这种材质热变形小，能确保机床精度长久保持；绝缘性好，可大大降低在放电加工时两极间存在的寄生电容，是进行高精度镜面加工的保障。X、Y、Z轴的丝杠、导轨副均采用高精度的进口零部件，采用进口研磨级（C2级）高精度滚珠丝杠，超精密级（HP级）直线滚动导轨和高精度（P4级）双向无间隙背推球轴承。其优点是摩擦力小、运动精度高、精度保持性好，另外，其刚性和灵敏度都比较高，机电控制性能比较好。因此，机床的精度非常高，定位精度达到2μm/任意100mm，重复定位精度达到2μm.主轴头采用高性能交流伺服电动机和滚动导轨、滚珠丝杠的直拖结构，配置高精度的编码器，可实现小于0.1μm/单脉冲的驱动当量和最大移动速度可达10m/min的运动，能实现高刚性的连接和高灵敏度的运动控制。具有摩擦力和反向间隙小，避免低速爬行等优点，提高了主轴的伺服性能。是精密数控电火花成形机床的结构图。

　　二、B型电火花成形加工机床用精密分度轴B型电火花成形加工机床精密分度轴（C轴，也称为U轴），可进行精确的角度定位和连续旋转伺服加工。C轴与Z轴联动，可对内外螺纹、内外斜齿轮等类似的零件进行加工；C轴与X、Y轴联动，可对齿条、滚筒花纹模具、各类木工刀具(机械加工主要刀具有哪些)等复杂零件进行加工。数控电火花成形加工机床配上C轴，可大大扩展其加工范围，增强加工能力。尤其是对曲线或曲面形状的工件进行加工时，C轴可与其他各轴联动，在三维空间内，加工出复杂的型腔和截面，如蜗轮、蜗杆、螺纹等。是在B型电火花成形加工机床上装备瑞士3R公司的高精度内置式C轴的照片，此C轴能够达到较高的精度，其主要技术指标：①最小分度（分辨率）：12.96"/单步；②反向间隙：21.6"；③定位精度：21.6"；④重复定位精度：7.2"；⑤转动速度：0～20rpm/min；⑥最大加工电流：30A；⑦最大承载重量：5kg；⑧夹头夹持范围：Ф3～20mm.

　　内置式C轴照片三、自动电极快速交换夹具为了解决形状复杂、尺寸较小或无法加工基准面的电极制造及用于刀具库使用的电极制造等问题，可在电极加工前将其固定在一个附加基准（随行夹具），并保证夹具和电极之间的连接可靠，在电极的车、铣、电火花线切割直至最后电火花成形加工时都以此为定位基准，这种随行夹具由于采用统一基准的原理，故可控性和重复性好，即装拆过程无需调整就可保证位置精度，减少辅助调整时间。这种快速可换夹具由若干卡盘和夹头组成，一般卡盘最少有两个，一个用于电极制造，可安装在车床、铣床或电火花线切割机床上，另一个安装在电火花成形机床上。夹头需要较多，每个电极用一个夹头。是一种高精度快换夹具照片。

　　它是由连接基座、夹紧拉钉、定位片、四个支承脚和锁紧装置等组成。这种夹具以定位片上十字分布的四个方孔与卡盘上的棱形体啮合作为取向和对中，再加上四个平面支承脚支撑，采取过定位误差补偿原理，在柔性的定位片和刚性的中心棱形体之间建立了稳定的位置精度，实现电极的精密定位。在装夹时，将夹紧拉钉插入连接基座的孔内，用专用扳手拧紧锁紧螺钉，螺钉推动带自锁的滚珠锁紧机构将电极牢固的夹紧，其夹紧力为4000N，在没有外力时不会松动。定位精度高，安装简洁方便。快换夹具的使用，简化安装校正过程，提高定位精度，重复定位精度可控制在2μm左右。

　　自动化程度高、缩短装夹和待机时间是快换夹具的又一特点。由于电极和工件均采用快换夹具进行装夹、校正和加工，因此，电极和工件可在机外装夹、校正和测量，其补偿值也可在机外测定，并预先编入程序。例如电极经车、铣、磨、电火花线切割成形后，在三坐标测量机检查与图样的符合程度，并测出加工中的定位误差，通过程序编制，软件传输，随电极一起送到电火花成形加工机床上，在加工中进行补偿。

　　再者，电极和工件放入刀具库，由机械手按指令交换所需的电极或工件，可实现无人操作。由此可见，快换夹具不仅是节省调整时间，而且是电火花加工工序自动化的基础。

　　四、A2型智能化精密数控电火花成形加工脉冲电源脉冲电源是电火花成形加工机床的一个重要组成部分，几乎所有的电火花成形加工机床的加工性能，例如，加工稳定性、加工速度、电极损耗、工件的表面粗糙度、表面变质层等都与脉冲电源有关。

　　本文研制的A2型智能化精密数控电火花成形加工脉冲电源系统由数控系统和电火花加工控制系统、功率放大单元、主回路单元、自动调整电压单元、运动轴驱动单元等部分构成。电火花加工控制系统主要包括以下部分：时钟控制与放电脉冲信号发生部分、电流电压等参数设定部分、特殊加工波形控制部分（等脉宽、阶梯波）、抬刀控制部分、伺服间隙与放电状态（电压电流）检测部分、异常放电处理部分（增大脉间、切断脉宽、减小脉宽、增大电流）等。主回路单元包括以下部分：低压加工回路、高压加工回路、高低压复合回路、低损耗回路、超精加工回路、特殊材料加工回路等。可以根据所提供的脉冲电源的主要回路和附加回路得到多种波形的组合，针对不同的加工工艺要求，任意选用，叠加到放电间隙，使加工对象得到最佳工艺效果。功率放大单元完成对加工脉冲电压电流的功率放大，它由IGBT功率开关管和前置驱动放大电路组成。自动调整电压单元提供稳定的加工电压，由晶闸管整流自动稳压回路实现，并能实现数控化和多种保护功能。

　　五、主要技术指标自主研制成功了超精放电回路，实现了电流从IP0.1～IP0.9的精细调节；研制成功了镜面加工回路，最佳表面粗糙度为R a≤0.05μm（500mm 2）；使用了17位编码器的高精度电动机驱动器系统，具有高定位精度和高加工精度；控制系统最小驱动精度实现了0.1μm；X、Y、Z轴的定位精度为2μm/任意？重复定位精度为1μm（ISO 11090-1：1998标准）；加工精度在一定条件下实现了±1μm.

　　六、典型加工实验1.高效镜面加工实验电极为紫铜棒，工件材料为S136.

　　输入参数：加工面积79mm 2（Ф10mm）、加工深度1 m m、加工表面粗糙度R a 0.05μm和电极缩放量300μm.实验采用智能化自动加工，输入以上加工参数，数控系统依据神经网络计算结果即自动生成加工程序并优化工艺参数，完成整个加工过程。加工时间小于1h.

　　当加工面积为314mm2（Ф20mm），加工深度为0.5mm时，加工时间为1h40min左右。当加工面积为490mm 2（Ф25mm），加工深度为0.5mm时，加工时间为2h左右。当加工面积为706mm 2（Ф30mm），加工深度为1.0mm时，加工时间为4h左右。当加工面积为962mm 2（Ф35mm），加工深度为1.0mm时，加工时间为4h20min左右。以上加工的表面粗糙度均可达到R a≤0.1μm.

　　2.棒状电极展成加工（三轴联动）众所周知，电火花成形加工机床数控化的意义主要表现在两个方面：一是实现了操作上的自动化，提高了加工精度及效率；二是扩大了应用范围。用棒状或简单形状的电极，依据程序控制进行各种图形的加工。是用Ф2紫铜棒加工45钢的加工实例照片。在实验中，完成了直线、圆弧插补的加工，还进行了不同深度的程序加工，即三轴联动的加工。

　　3.四轴四联动加工实验在机床上装备自主研制的精密分度旋转轴U轴（C轴），配合其他三个直线轴进行的四轴四联动加工实验，0所示的加工样件为空间曲线的汽车密封件成型模具示意图，它是用一个与端面形状相同的片状紫铜电极，通过X、Y、Z、U四轴的伺服联动完成的空间曲面内藏式的型腔加工，该形状的模具用机械加工方法是很难实现的。

　　七、结论研制开发了B型精密数控电火花成形加工机床和A2型智能化精密数控电火花成形加工脉冲电源系统，实现了重复定位精度2μm的高精度定位控制，放电加工的最小表面粗糙度R a≤0.05μm（面积490mm 2），最大加工速度480mm 3 / min（50A、铜加工钢），最低电极损耗≤0.05%；实现了多轴联动加工（如四轴四联动加工实验）。B型精密数控电火花成形加工机床和A2型智能化精密数控电火花成形加工脉冲电源已实现产业化生产，在模具、军工、航空航天、木工刀具等行业的应用得到了用户的好评。

声明：本网站所收集的部分公开资料来源于互联网，转载的目的在于传递更多信息及用于网络分享，并不代表本站赞同其观点和对其真实性负责，也不构成任何其他建议。本站部分作品是由网友自主投稿和发布、编辑整理上传，对此类作品本站仅提供交流平台，不为其版权负责。如果您发现网站上所用视频、图片、文字如涉及作品版权问题，请第一时间告知，我们将根据您提供的证明材料确认版权并按国家标准支付稿酬或立即删除内容，以保证您的权益！联系电话：010-58612588 或 Email:editor@mmsonline.com.cn。