电火花成形机又称数控电火花成形机、电火花、火花机等是一种电加工设备。
苏联拉扎林科夫妇研究开关触点受火花放电腐蚀损坏的现象和原因时,发现电火花的瞬时高温可以使局部的金属熔化、氧化而被腐蚀掉,从而开创和发明了电火花加工方法。基本物理原理是自由正离子和电子在场中积累,很快形成一个被电离的导电通道。在这个阶段,两板间形成电流,导致粒子间发生无数次碰撞,形成一个等离子区。其温度很快升高到8000℃～12000℃的高温,在两导体表面瞬间熔化一些材料,同时,由于电极和电介液的汽化,形成一个气泡,并且它的压力规则上升直到非常高。然后电流中断,温度突然降低,引起气泡内向爆炸,产生的动力把熔化的物质抛出弹坑,被腐蚀的材料在电介液中重新凝结成小的球体,并被电介液排走。通过NC控制的监测和管控,伺服机构执行,使这种放电现象均匀一致,从而达到加工物被加工,使之成为合乎要求之尺寸大小及形状精度的产品。主要优点及加工局限性如下。
(1)主要优点
1)适合于难切削材料的加工。由于加工中材料的去除是靠放电时的电热作用实现的,材料的可加工性主要取决于材料的导电性及其热学特性,如熔点、沸点、比热容、热导率、电阻率等,而几乎与其力学性能(硬度、强度等)无关。这样可以突破传统切削加工对刀具的限制,可以实现用软的工具加工硬韧的工件。甚至可以加工像聚晶金刚石、立方氮化硼一类的超硬材料。目前电极材料多采用纯铜(俗称紫铜)或石墨,因此工具电极较容易加工。
2)可以加工特殊及复杂形状的零件。由于加工中工具电极和工件不直接接触,没有机械加工宏观的切削力,因此适宜加工低刚度工件及微细加工。由于可以简单地将工具电极的形状复制到工件上,因此特别适用于复杂表面形状工件的加工,如复杂型腔模具加工等。数控技术的采用使得用简单的电极加工复杂形状零件成为可能。
(2)加工的局限性
1)主要用于加工金属等导电材料,但在一定条件下也可以加工半导体和非导体材料。
2)一般加工速度较慢。因此通常安排工艺时多采用切削来去除大部分余量,然后再进行电火花加工以求提高生产率,但最近已有新的研究成果表明,采用特殊水基不燃性工作液进行电火花加工,其生产率甚至可不亚于切削加工。
(3)存在电极损耗。由于电极损耗多集中在尖角或底面,影响成型精度。但近年来粗加工时己能将电极相对损耗比降至0.1%以下,甚至更小。
由于电火花加工具有许多传统切削加工所无法比拟的优点,因此其应用领域日益扩大,目前已广泛应用于机械(特别是模具制造)、宇航、航空、电子、电机电器、精密机械、仪器仪表、汽车拖拉机、轻工等行业,以解决难加工材料及复杂形状零件的加工问题。加工范围已达到小至几微米的小油孔,大到几米的超大型模具和零件。
1.数控电火花成形机床的分类
电火花成形机床按主机的结构形成可分为以下几种。
(1)台式
该类结构主要用于小型电火花成形机床。台式机床结构简单,如图10-55所示。床身和立柱连成一体,刚性较好,精度易于保证,结构较紧凑。
图10-55 台式电火花成形机床
(2)单立柱式(C形结构)
大多数中、小型电火花成形机床均采用这种结构形式,如图10-56所示。在床身基座上安装立柱与工作台,立柱上装有可上下伺服进给的主轴头。为了扩大机床的Z向行程,在立柱上安装有可上下移动的滑座和主轴箱体(称二次行程)。主轴箱体内安装有上下伺服进给(称一次行程)的主轴头。工作台分上下两层,分别在水平面X、Y向移动。上层工作台上装有工件油槽,盛放工作液,以满足电火花放电加工的需要。工作台有手动及电机驱动之分。为了防止工作台移动时发生倾覆,应确保工作台重心在各向行程的任何位置时都必须在支撑面以内。
图10-56 单立柱式电火花成形机床
(3)滑枕式
滑枕式结构适用于大中型电火花成形机床。其主要特点是工件安装在床身工作台上不移动,如图10-57所示,主轴箱体安装在X、Y向两个滑枕上,制造方便,由于主轴头在X、Y向滑枕上均呈悬臂状态,使主轴头在外悬臂长时刚性变差,移动精度下降。同时,因工作油槽尺寸大,电极装夹找正不方便。
(4)龙门式
龙门式结构适用于大型电火花成形机床。其制作方便,整体结构更有利于大型模具加工。如图10-58所示,主轴头悬挂在横梁上,溜板沿横梁移动,刚性好,横梁带动主轴头移动(为二次行程)可以弥补主轴头Z向移动行程(一次行程)的不足。工作台沿床身长度方向移动,当装夹工件时,可将工件移出龙门框架,装卸方便。
图10-57 滑枕式电火花成形机床
图10-58 龙门式电火花成形机床
总之,无论是哪种结构形式的电火花成形机床主机,其主要功能都是支撑工具电极与工件,保证它们之间的相对位置始终能满足电火花放电所需的最佳间隙,并按预定的运动轨迹移动,以完成工件的加工。
2.电火花成形机床的组成
电火花成形机床基本上由脉冲电源、机床和工作液循环系统三大部分组成。为了确保电火花放电能持续稳定地进行,工具电极和工件应始终保持一定的放电间隙,因此必须具备自动调整工具电极伺服进给的控制系统。例如,若用液压伺服控制,则应配备液压系统;如采用交、直流电机伺服进给,则需配有数控系统等。
(1)脉冲电源
电火花加工用的脉冲电源的作用是把工频交流电流转换成一定频率的单向脉冲电流,以供给电极放电间隙所需要的能量来蚀除金属。脉冲电源对电火花加工的生产率、表面质量、加工过程的稳定性及工具电极的损耗等技术经济指标有很大的影响,应予以足够重视。
1)脉冲电源应满足的要求
①有足够的输出功率,满足生产线的加工速度要求。
②尽可能小的电极损耗。这是保证成型精度的重要条件之一。
③加工表面粗糙度应能满足使用要求。
④脉冲参数应能简便地进行调整,以适应各种材料和各种加工的要求。
⑤电源性能稳定、可靠,价位合理,维修方便。
2)脉冲电源的原理
脉冲电源的原理,如图10-59所示。
①RC、RLC线路脉冲电源,其工作原理如图10-59(a)所示。利用电容器充电储存电能,而后瞬时放出,形成火花放电。它由两个回路组成:一个充电回路,由电源E、充电电阻R(又称限流电阻)和电容器C(储能元件)组成。另一个回路是放电回路,由电容器C、工具电极和工件以及二者之间的放电间隙组成。其主要用于小功率的精微加工或简式电火花加工机床中。
RC电源的优点如下:
a.结构简单,工件可靠,成本低。
b.在小功率时可获得脉宽0.1μs以下的窄脉冲,单个脉冲的能量很小,故适于光整加工和精密微细加工用脉冲电源。
c.电容器瞬间放电可产生很大的峰值电流和能量密度,放电爆炸力强,蚀除易汽化及抛出,不易产生表面微观裂纹,加工稳定性好。
RC电源的缺点如下:
a.由于电容放电速度极快,无法获得宽脉冲(＞100μs),因此不易实现大脉宽损耗加工,限制了它在型腔模具加工方面的广泛应用。
b.由于采用限流电阻,大部分电能消耗在限流电阻的发热上,电能利用率不足1/3,因此不适于大功率电火花粗加工。
c.因电容器充电时间较长,导致脉冲间歇时间长,生产效率偏低。
d.工艺参数不稳定。
②闸流管和电子管式脉冲电源。该类电源属于“独立”式脉冲电源,根据末级功率起开关作用的电子元件而命名。目前此类脉冲电源已很少使用了。
③晶闸管式、晶体管式脉冲电源。晶闸管式(又称可控硅)脉冲电源利用晶闸管作为开关元件,工作原理如图10-59(b)所示。晶闸管的控制特性和闸流管相似,闸管一经触发导通,不会自行截止,需外加关断电路。因此只能在频率较低(400～2000Hz)范围内使用。
晶体管式脉冲电源原理如图10-59(c)所示。它是利用大功率晶体管作为开关元件而获得单向脉冲,其输出功率不如晶闸管脉冲电源大,但它的脉冲频率高,脉冲参数容易调节,脉冲波形较好,易于实现多回路加工和自适应控制等,所以在100A以下的中、小脉冲电源中应用相当广泛。由于单个晶体管的功率较小(与晶闸管相比),故多采用多管分组并联输出的办法提高电源的输出功率。
图10-59 脉冲电源原理图
近年来,随着电火花加工技术的发展,为了进一步提高有效脉冲利用率,达到高放、低耗加工的效果,在晶闸管及晶体管式脉冲电源的基础上,又派生出不少新型脉冲电源和线路,如高低压复合脉冲电源,多回路脉冲电源以及多功能电源、镜面加工电源等。国外生产商还推出了模糊控制(FUZZY)、人工神经网络模糊控制(NF)等智能化控制脉冲电源等。
(2)机床控制系统
1)手动操作工作台移动的中、小型电火花成形机床
控制系统比较简单,其主要功能是控制主轴头Z向伺服进给,维持放电所需的最佳间隙。当加工出现异常时,能迅速回退,待异常排除后能自动恢复进给。
2)数控电火花成型加工机床
控制系统较为复杂,由不同的“硬件”和“软件”组成。硬件指的是步进电机或交直流伺服电机、传动丝杠和螺母等机械部分,以及控制系统中使用的单片机、单板机、工控微机和电路中的电子器件;软件指的是数控用的代码、程序、控制策略规则等。硬件和软件是相辅相成的。数控系统中的轴数越多,软件技术就越显得重要。
①步进电机驱动的数控系统线路简单,成本低廉,运行可靠,但力矩和调速性能较差,通常只用于低挡的中小型电火花成型加工机床中。
②近些年来,电子技术和计算机技术发展的很快,各种直流、交流、伺服电机的性能不断提高,而价格大幅下降,广泛应用于中、高档电火花成形机床的数控系统。
③20世纪末,日本推出了直流电机驱动的高档数控电火花成形机床,省去了传动丝杠,主轴头移动速度大幅提高,加工性能也大为改善。如图10-60所示为直线电机驱动的电火花成形机床,从外观上看,它比以往的电火花成形机床简化了很多,很有发展前途。
图10-60 直线电机驱动的电火花成形机床
3)数控系统分为开环、半闭坏和全闭环控制系统
开环数控系统简单、可靠、成本低,多用于进给精度要求不高的电火花成型加工机床。半闭环系统由于只采用与伺服电机同轴安装的编码器作位移检测元件,不用磁栅或光栅尺等直线位移传感器作反馈元件,比闭环系统简单,成本也比较低,为中档电火花成形机床广泛采用。而高挡电火花成形机床则大多采用闭环控制,以满足高精度进给与加工的需要。它采用光栅、磁栅等位移检测元件,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误差,使加工的重复精度及稳定性均有较大的提高。
(4)工作液控制系统
电火花加工机床的工作液系统也是整机的重要组成部分,其原理如图10-61所示。工作液系统为满足加工需要,应当能进行冲油操作,又能进行抽油操作,储油箱中的工作液经粗过滤网1,单向阀2,被吸入涡旋泵3,经过各种结构形式的精过滤器7,将工作液输向工作台面上的工作液槽。溢流安全阀5可保障系统中工作液压强不超过0.4MPa。补油阀11为快速进油阀,待工作液槽注满时,可及时调节冲油选择阀10来控制工作液的循环方式,油杯中的油压由压力调节器8控制。当冲油选择阀10在抽油位置时,补油和抽油两路都不通,这时压力工作液穿过射流抽吸管9,利用流体的高压度产生的负压,实现抽油的目的。系统的工作压力由压力表6显示。进行冲抽油加工时,根据工件加工需要调节油压,以保持加工稳定及获得良好的加工效果,冲抽油压力大小由压力表12、13显示。
图10-61 工作液循环系统油路图
1-粗过滤网;2-单向阀;3-涡旋泵;4电机;5-溢流安全阀;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
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