电火花成型加工机床的结构组成

4.2.1　电火花成型加工机床的结构组成

电火花机床的制造厂商不同，其性能不同，机床的结构组成稍微有些差异，但其基本结构和机床的组成部分是一样的。典型电火花成型加工机床的结构如图4-9和图4-10所示，电火花成型机床可大致分为三大结构、七个部分。三大结构如图4-9所示，其中的机床本体如图4-10所示，是机床的机械构造部分，它包括了基座4、立柱5、主轴头架6、工作台7、工作液槽8五个主要部分。

图4-9　电火花机床的一般结构

1—脉冲电源与机床控制系统2—机床本体　3—工作液系统

图4-10　台式电火花机床结构

1—脉冲电源箱　3—工作液箱　4—基座　　5—立柱　6—主轴头架　7—工作台　8—工作液槽

机床本体是电火花机床的机械结构部分，是电火花机床的第一部分。

1．机床基座

机床的基座也叫做床身，是整个机床的基础部件，机床的其他部件都安装在基座上，形成一个高刚性的结合体。中型和大型电火花机床的床身，其后端安装着机床的立柱。对于多轴控制电火花机床，其床身上设置有横向导轨结构。

2．立柱

立柱是主轴头的支持部件，部分立柱上设置有垂直导轨，提供主轴头或者主轴箱的垂直方向进给移动。

3．工作台

机床工作台用来安装工件。大型工作台的底部设置有纵、横移动滑板结构，如图4-11和图4-12所示。习惯上把滑板与其上部的工作台合称为一个结构，叫做纵横移动工作台。

图4-11　单轴控制数控电火花机床

图4-12　三轴插补数控电火花机床

根据机床功能的不同，机床工作台的结构也不相同，尤其是电火花机床上所必备的工作液槽需要与机床工作台很好地融为一体，加上其底部一定的纵、横进给驱动结构，包括驱动电动机和丝杠螺母传动结构，所以有些电火花机床的工作台结构还是挺复杂的。高性能电火花机床的机床纵、横向导轨和滑板间都采用了摩擦阻力很小的滚动导轨结构。

4．工作液槽

工作液槽是电火花机床必不可少的结构。它可以保证工件在加工时完全浸润在工作液中，并保证冲油和抽油的正常进行。根据机床功能的不同，工作液槽的结构也不同，小型机床多半采用升降式工作液槽，而具有纵、横滑板结构的工作台都采用侧面打开式的工作液槽，如图4-13所示，其结构相对比较简单，但使用中要注意液槽的密封问题，不要使密封条受到损坏和机械划伤。

图4-13　侧面打开式工作液槽

5．主轴头及其伺服进给控制系统

在电火花加工时，工件与工作电极间必须始终保持一定的放电间隙，该间隙的大小直接影响到加工效率和加工质量，所以需要进行不断的调整，另外，电火花加工是一个动态的工作过程，随着加工时间的进程、电蚀除的不断推进，间隙要逐渐增大，而且电极也要不断地消耗，会影响到放电通道的大小变化。为了使电极能够自动地根据电加工的情况随机地适应放电通道的不断变化而始终紧紧地跟随着加工进程自动地完成进给，必须要给电极配备一套进给伺服驱动装置，习惯上也称为主轴头的随动装置，来满足这一十分重要的移动控制。

目前常用的主轴随动控制装置有电液动自动控制和数控自动控制两大类。在数控电火花机床上，主轴头的进给移动控制是由数控系统来控制的，在早期的机械驱动电火花机床上，主轴的跟随进给运动控制一般是由电气控制或者液动控制来解决的。而电液动自动控制是比较普遍应用的一种自动控制结构。如图4-14所示就是一种电液自动控制的主轴头驱动装置。

这种控制系统的结构比较简单，主要应用于早期的中、小型电火花成型加工机床。其主要功能是控制机床的主轴头Z方向的伺服进给，以便维持工作电极与工件间火花放电所需的最佳间隙。当加工出现异常时，能够迅速地使主轴回退，待异常情况排除后又能自动恢复进给。

整个装置主要由伺服驱动液压缸及其液压系统来构成。如图4-14所示为一种喷嘴-挡板式电液动伺服驱动主轴头控制系统，电极17由随动油缸2的活塞杆1带动来维持其正常的工作位置，随动油缸的两油腔与液压泵14的供油压力系统相接通，其中，油泵压力油经过节流阀9进入油缸的上腔（无杆腔），然后经过喷嘴4将油喷出，挡板6正好位于喷嘴的出口位置，在喷嘴压力油的动力作用下被顶起，从而与喷嘴维持一个调定的距离，挡板6上方连接着电液转换器8的动线圈7，挡板的上下移动会引起动线圈与静线圈间的感应磁隙的变化，进而引起感生电流的变化；用该信号来反映主轴电极的位置情况，并将该信息与检测放电间隙和电规准的基准信息进行比较，可以使驱动系统得到位置调整信号。调整这个控制信号的大小就可以控制电极的位置。

图4-14　电液动进給伺服驱动原理图

1—活塞杆　2—液压缸　3、11—压力表　4—喷嘴　5—静线圈　6—挡板　7—动线圈　8—电液转换器　9—节流阀　10—精滤油器　12—溢流阀　13—电动机　14—叶片泵　15—油箱　16—工件　17—电极　18—止回阀

随动油缸的活塞可以根据电极的工作间隙中工作压力的大小而随时自动调整工作电极的位置。在正常工作情况下，活塞和电极在液压系统压力油的作用下，悬浮在油缸的调定位置上，当加工间隙不断增大，使工作间隙内的工作压力降低时，油缸下腔的压力P1要降低，而由于节流阀9的存在，活塞上腔的压力P2并不减小多少，造成了P2大于P1，因此活塞在压力差的作用下向下移动，使放电通道恢复到原来调定的间隙大小。

6．脉冲电源

电火花机床的脉冲电源一般安装在机床电气柜中，是电火花机床的第二大组成部分。

电火花成型加工机床上的脉冲电源的作用是将电网的工频交流电转变为电火花加工所需要的高频或者低频单向脉冲电流，用来提供加工所必需的电能，并能够对加工中所需要的各种电规准进行有效的调整和控制。

电火花成型加工机床的脉冲电源主要有非独立式阻容耦合振荡电源、闸流管振荡电源、晶闸管式脉冲电源和晶体管式脉冲电源四种类型。

（1）阻容耦合振荡电源　早期的电火花加工机床的脉冲电源主要采用电阻电容R-C振荡电路和电感阻容RLC振荡电路，由于这种脉冲电源的电能利用率低，生产效率低，对工具电极的损耗大，目前已经被淘汰。

（2）闸流管式脉冲电源　闸流管属于高阻抗开关元件，适合在高电压小电流条件下工作，要应用于电火花加工，必须要采用脉冲变压器进行低压大电流的变换才能够利用，受脉冲变压器的限制，其电源的脉冲宽度较窄，电流不大，电能利用率低，不能够用在大面积的电火花成型加工机床上使用，目前已经被晶闸管和晶体管电路所取代。

（3）晶闸管式脉冲电源的特点是电规准参数的调整范围大，功率大，过载能力强，生产效率高，非常适合于大电流加工，非常适合于大型型腔的成型加工。

（4）晶体管式脉冲电源的特点是电规准调整范围大，工作频率高，生产效率高，对电极的损耗很小。只是工作电流不如晶闸管的大，适合在穿孔机床和中、小型电火花机床。

如图4-11所示为一单轴控制的数控电火花线切割机床的外观，如图4-12所示为三轴插补数控电火花线切割机床的结构情况，它们都可以反映出电火花机床的三大结构和七个主要工作部分。

7．机床数控系统

数控电火花机床的机床数字化自动控制系统是用来控制主轴和工作台的工作进给运动的。对于小型电火花机床，它主要用来控制主轴头的伺服进给运动，而高性能电火花机床，其机床控制系统除了要控制主轴的复杂运动要求外，还要控制工作台相对于工作电极的复杂的轮廓进给控制运动。对它的主要要求是要能够保证对机床的进给运动进行有效、准确的控制，并保证电极与工件之间的放电间隙大小能够随加工过程的进行而始终维持所需要的值。

采用数控进给伺服控制的电火花成型加工机床一般多是较大型的具有移动工作台的电火花机床，控制系统除了用来控制主轴头的随动以外，还担负着工作台的纵横移动控制的作用，其结构与普通的数控镗铣床的工作台驱动结构是一样的。

数控电火花机床的数控系统多半采用单片机和小型微机系统来装备。

数控电火花加工机床按照其所配备的检测反馈系统检测对象的不同和进给伺服电动机配置情况的不同，可以把驱动控制系统分为开环控制、闭环控制和半闭环控制三种进给控制系统。

开环控制进给系统的结构简单、成本低，但定位精度差，多用于对进给精度要求不高的电火花成型加工机床和经济型数控电火花加工机床。

开环控制系统一般配备性能较为简单的步进电动机，其成本低廉，运行可靠，但力矩和调速性能较差，通常只用于低档的中小型电火花成型加工机床中。

半闭环控制系统由于只采用与伺服电机同轴安装的脉冲编码器来作为位移检测元件，不使用磁栅或光栅尺等价格昂贵的直线位移传感器作反馈元件，成本较低，定位精度较开环控制要高，为中档电火花成型机床所广泛采用。

高档电火花成型机床则大多采用闭环控制，以满足高精度进给对加工的需要。它利用光栅、磁栅等位移检测元件，将主轴头的实际运动位置反馈给数控系统，使数控系统可以对可能产生的运动误差进行较精确的补偿，所以可直接消除丝杠传动系统中的螺距误差和正反方向运转时的空程引起的运动误差，使加工精度提高。目前所生产的高精度电火花加工机床，大多数都采用闭环控制数控系统来装备机床。

早期的数控驱动电动机多为性能简单的步进电动机，随着电子技术和计算机技术的快速发展，各种直流、交流、伺服电机的性能不断地提高，而其价格也大幅度下降，开始广泛应用于各种中、高档的数控电火花成型机床。

8．电火花机床的工作液供给系统

电火花加工机床的工作液系统是机床非常重要的组成部分。工件的电火花加工过程必须在具有一定绝缘强度的液体介质中进行，以便为电离通道的击穿电离和恢复绝缘提供必需的电离介质。没有这种工作液体，电火花加工就不能够正常进行。

（1）工作液供给系统的作用　工作液供给系统的作用就是负责向放电间隙中不间断地提供具有一定压力的导电介质，使电火花加工能够正常进行；另外，高速流动的工作液还能够把导电通道中的电蚀产物及时地排出，以避免不稳定的二次放电的产生。经过工作液系统的净化过滤作用，可以及时过滤掉工作液中的杂质，以保证工作液的长期稳定工作，最后工作液还具有对工作区的高温进行冷却的作用。

概括起来说，工作液供给系统的作用就是向工作区域提供电离介质、排屑、冷却和过滤净化四大作用。

常用工作液一般采用煤油和变压器油等混合液。要注意，这些液体都是易燃物，在使用中需要注意防火安全。机床工作区域要配备必要的防火设备。现代电火花机床都自带有专门的灭火设备和高温感应器，以便随时监控工作区的温度情况。

（2）工作液供给系统的结构组成　电火花加工机床的工作液供给系统的基本结构如图4-15所示。整个系统由油箱、油泵、粗过滤器、细过滤器、溢流安全阀、压力表和控制液体流向的截止阀所组成。

（3）工作液系统的工作原理　为满足正常放电的加工需要，工作液系统最基本的功能要求是应当能够进行冲油操作和抽油操作，如图4-15所示。在液压泵3的作用下，储油箱中的工作液经粗过滤网1、单向阀2，被吸入液压泵3，并经过精过滤器7将工作液送进工作台上的工作液槽中，工作液的压力不超过0.4MPa，由与油泵3相并联的溢流阀5来进行控制；补油阀11的作用为快速进油补充油槽的油液，及时调节冲油选择阀10可以控制工作液的循环方式，压力调节器8用来控制油槽中的油液压力。当冲油选择阀10处于抽油位置而打开时，补油路和冲油路都截止不通，这时压力工作液经选择阀10高速穿过射流抽吸管9，利用射流所产生的负压，将油槽中的油液快速地抽出；当冲油选择阀10 处于冲油位置（关闭）时，补油和冲油路接通，油液经过补油阀11和压力调节器8进入工作油槽，压力由压力调节器8来控制和调节。压力调节器8前后的压力大小则由压力表12和13来显示，可以随时根据加工的需要来获得稳定的工作液流动效果。

图4-15　工作液循环系统

1—粗过滤器　2—单向阀　3—液压泵　4—电动机　5—溢流阀　6—压力表　7—精过滤器　8—压力调节器　9—射流抽吸管　10—冲油选择阀　11—补油阀12—冲油压力表　13—抽油压力表

图4-16　偏心式平动头

1—手轮　2—平动蜗轮　3—蜗杆　4—指示仪　5—驱动蜗杆　6—伺服电动机　7—卡盘螺钉　8—卡盘　9—偏心轴　10—偏心套　11—驱动蜗轮　12—平动蜗轮轴　13—升降螺纹

粗、细过滤器的作用是滤除工作液中的电蚀产物，使工作液保持一定的清洁度，以保证火花的稳定发生，保证加工精度。各过滤器必须要定期拆开清洗。

9．平动头

在不具备径向移动工作台的单轴控制电火花机床上，平动头是电火花机床不可缺少的机床附件。平动头安装在机床主轴头上，用来完成工作电极沿着径向方向的进给移动。平动头有多种结构形式。如图4-16所示为一种螺杆偏心式平动头，整个平动头的外壳连接在机床主轴头上，其驱动由驱动伺服电动机6带动驱动蜗杆5来完成，蜗杆5带动蜗轮11，从而使整个卡盘进行回转运动。当需要进行电极的径向进给时，摇动手轮1，带动蜗杆3和蜗轮2进行回转，该转动使蜗轮轴12带动其下方的升降螺纹13进行转动，而使带有升降内螺纹的偏心套9产生升降运动，最后带动卡盘8沿着径向方向产生移动，带动电极进行径向平动。

这种偏心式平动头的最大径向偏移量可达3.7mm，在进行偏心调节时，不需要停车，其平移量可以直接从偏移指示仪上显示出来。