电火花油加工机床

　　电火花加工机床放电间隙的加工定义

　　标签：电火花加工机床|电火花加工|电火花成形加工

　　电火花加工机床放电间隙指加工时工具和工件之间产生火花放电的一层距离间隙。在加工过程中，则称为加工间隙S，它的大小一般在0.01-0.5mm之间，粗加工时间隙较大，精加工时则较小。加工间隙又可分为端面间隙SF 和侧面间隙SL。放电间隙，亦称过切量，加工中是指脉冲放电两极间距，实际效果反映在加工后工件尺寸的单边扩大量。

　　在电火花加工的实用过程中，粗加工采用长脉冲时间和高放电电流，既体现了速度高，又体现了损耗小，反映了加工速度和工具电极损耗这一矛盾的缓解。 但是，在精加工时，矛盾激化了。为了实现小能量加工，必须大大压缩脉冲放电时间。为达到脉冲放电电流与脉冲放电时间参数组合合理，亦必须大大压缩脉冲放电电流。这样，不仅加大了工具电极相对损耗，又大幅度降低了加工速度。

　　对电火花成形加工放电间隙的定量认识是确定加工方案的基础。其中包括工具电极形状，尺寸设计，加工工艺步骤设计，加工规准的切换以及相应工艺措施的设计。

　　汉霸电火花加工机床简述浅析-电脉冲加工机床的区别

　　汉霸电火花是一种自激放电，其特点如下： 火花放电的两个电极间在放电前具较高的电压，当两电极接近时，其间介质被击穿后，随即发生火花放电。伴随击穿过程，两电极间的电阻急剧变小，两极之间的电压也随之急剧变低。火花通道必须在维持暂短的时间（通常为10-7-10-3s ）后及时熄灭，才可保持火花放电的“冷极”特性（即通道能量转换的热能来不及传至电极纵深），使通道能量作用于极小范围。通道能量的作用，可使电极局部被腐蚀。 利用火花放电时产生的腐蚀现象对材料进行尺寸加工的方法，叫电火花加工。 电火花加工是在较低的电压范围内，在液体介质中的火花放电。

　　汉霸电火花加工的特点：

　　电火花加工是与机械加工完全不同的一种新工艺。 随着工业生产的发展和科学技术的进步，具有高熔点、高硬度、高强度、高脆性，高粘性和高纯度等性能的新材料不断出现。具有各种复杂结构与特殊工艺要求的工件越来越多，这就使得传统的机械加工方法不能加工或难于加工。因此，人们除了进一步发展和完善机械加工法之外，还努力寻求新的加工方法。电火花加工法能够适应生产发展的需要，并在应用中显示出很多优异性能，因此，得到了迅速发展和日益广泛的应用。

　　汉霸电火花加工的特点如下：

　　1. 电火花脉冲放电的能量密度高，便于加工用普通的机械加工方法难于加工或无法加工的特殊材料和复杂形状的工件。不受材料硬度影响，不受热处理状况影响。

　　2. 脉冲放电持续时间极短，放电时产生的热量传导扩散范围小，材料受热影响范围小。

　　3. 加工时，工具电极与工件材料不接触，两者之间宏观作用力极小。工具电极材料不需比工件材料硬，因此，工具电极制造容易。

　　4. 可以改革工件结构，简化加工工艺，提高工件使用寿命，降低工人劳动强度。

　　基于上述特点，电火花加工的主要用途有以下几项：

　　1) 电火花制造冲模、塑料模、锻模和压铸模。

　　2) 加工小孔、畸形孔以及在硬质合金上加工螺纹螺孔。

　　3) 在金属板材上切割出零件。

　　4) 加工窄缝。

　　5) 磨削平面和圆面。

　　6) 其它（如强化金属表面，取出折断的工具，在淬火件上穿孔，直接加工型面复杂的零件等）。

　　汉霸电火花加工机床的组成及作用：

　　从上面所谈的情况可以看到，要实现电火花加工过程，机床必须具备三个要素，即：脉冲电源，机械部分和自动控制系统，工作液过滤与循环系统。下面对这三要素的作用逐一加以简单讨论。

　　1. 电火花脉冲电源

　　加在放电间隙上的电压必须是脉冲的，否则，放电将成为连续的电弧。所谓脉冲电源，实际就是一种电气线路或装置，它们能发出具有足够能量的脉冲电压来。

　　2. 电火花机械部分和自动控制系统

　　其作用是维持工具电极和工件之间有一适当的放电间隙，并在线调整。

　　3. 电火花工作液净化与循环系统

　　工作液的作用是使能量集中，强化加工过程，带走放电时所产生的热量和电蚀产物。工作液系统包括工作液的储存冷却、循环及其调节与保护、过滤以及利用工作液强迫循环系统。

　　上述三要素，有时也称为电火花加工机床的三大件，它们组成了电火花加工机床这一统一体，以满足加工工艺的要求。

　　电火花加工机床对室内温湿度的要求

　　标签：电火花加工机床|放电加工机|首选鼎亿 电火花加工机床能用的环境温度为10-35°C，湿度为≤80%（不得凝露）。这是可使用范围，考虑精加工和操作者的环境，请注意以下的设置：

　　1、用电火花加工机床放电加工进行精加工（如PIKA加工）时，应在加工室内设置空调器，使室内尽量保持恒温。

　　2、室温设定推荐在（20±2）°C的范围内。

　　3、就放电加工机与NC装置而言，没有对温度特别敏感的部件。但是，考虑到操作者的工作环境，一般应保持在50%左右为宜。

　　4、即使在没有空调设备的场所，也应避免曝光的直射或吹风，设法不要让机床的周围环境温度受到急剧的改变。

　　5、如果您选择配置了使用触摸屏功能，一定要注意触摸屏对周围环境温度的敏感。如果周围湿度太大，出现凝露，将导致触摸屏无法正常工作。

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　　第一次理论内容

　　（一）、数控电火花型加工工作原理

　　电火花加工的原理是基于工具和工件 (正、负电极) 之间脉冲性火花放

　　电时的电腐蚀现象来蚀除多余的金属, 以达到对零件的尺寸、形状及表面质

　　量预定的加工要求。

　　（二）、数控电火花型加工必备条件

　　1、使工具电极和工件被加工表面之间经常保持一定的放电间隙

　　2、电火花加工必须采用脉冲电源

　　3、使火花放电在有一定绝缘性能的液体介质中进行

　　（三）、 数控电火花成型加工机床分类

　　1、按控制方式分

　　普通数显电火花成型机床

　　单轴数控电火花成型机床

　　多轴数控电火花成型机床

　　2、按机床结构分

　　固定立柱式电火花成型机床

　　滑枕式电火花成型机床

　　龙门式电火花成型机床

　　3、按电极交换方式分

　　普通电火花成型机床

　　电火花加工中心

　　（四）、数控电火花成型加工机床加工特点及应用范围

　　1、成型电极放电加工，无宏观切削力

　　2、电极相对工件做简单或复杂的运动

　　3、工件与电极之间的相对位置可手动控制或自动控制

　　4、加工一般浸在煤油中进行

　　5、一般只能用于加工金属等导电材料，只有在特定条件下才能加工

　　半导体和非导电体材料

　　6、加工速度一般较慢，效率较低，且最小角部半径有限制

　　（五）、数控电火花成型加工机床及用范围

　　1、高硬脆材料

　　2、各种导电材料的复杂表面

　　3、微细结构和形状

　　4、高精度加工

　　5、高表面质量加工

　　（六）、数控电火花成型加工机床基本组成

　　数控电火花成型加工机床由于功能的差异，导致在布局和外观上有很

　　大的不同，但其基本组成是一样的，都由脉冲电源、数控系统、工作液循

　　环系统、伺服进给系统、基础部件等组成。

　　1、 主轴头

　　1）、作用：安装电极并控制电极与工件之间的放电间隙

　　2）、对主轴头的要求：要求刚性好、进给速度高、灵敏度高、运动直

　　线性好、足够承载能力

　　2、工作液循环过滤装置

　　分类：冲液、抽液

　　1）、改善加工条件、提高加工稳定性及加工速度。

　　2）、使用不当会增加电极损耗。

　　3）、原则：能不用时尽量不用；必须用时应采用合理的冲液、抽液方

　　式，并严格控制冲液、抽液压力。

　　冲油 抽油

　　3、工具电极

　　1）、对工具电极的要求

　　导电性能良好、电腐蚀困难、电极损耗小 、具有足够的机械强度、

　　加工稳定、效率高、材料来源丰富、价格便宜等

　　2）、工具电极的种类及性能特点

　　常用电极材料可分为铜和石墨，一般精密、小电极，用铜来加工，而

　　大的电极用石墨。

　　3）石墨电极

　　（1）加工性能好，成型容易，但加工时有污染

　　（2）宽脉冲大电流情况下损耗小，适合粗加工

　　（3）密度小，重量轻，适宜制造大电极

　　（4）单向加压烧结的石墨有方向性

　　（5）精加工时损耗较大

　　（6）易产生电弧烧伤

　　3）、铜电极

　　纯铜电极：高纯度，组织细密，含氧量极低，导电性能佳，电蚀出的

　　模具表面光洁度高，经热处理工艺，电极无方向性。

　　银铜电极：电蚀速度快，高光洁度，低损耗，粗加工与细加工可一次

　　完成，是精密制模的理性材料。

　　4、工作液

　　1）、对工作液的要求

　　要求低粘度，高闪火点、高沸点，绝缘性好，安全，对加工件不污染、

　　不腐蚀，氧化安全性要好，寿命长，价格便宜。

　　2）、工作液的种类

　　常用电火花加工专用油，合成型、高速型和混合性电火花加工液。

　　(七) 、数控电火花成型机床操作与加工

　　1、系统功能介绍

　　1）主目录页

　　系统开机进入主目录页中

　　在主目录页中，用键盘上的数字键选择

　　按“1”选择“电子尺”页

　　按“2”选择“加工”页

　　在任一功能页中，按菜单键退回到主目录中

　　2）电子尺页

　　在电子尺页中，可以用手控盒移动Z 轴，用手摇轮移动X 轴和Y 轴。

　　可以设定三轴的光学尺数

　　设定方法：X 轴：按X---任意数字—ENTER

　　Y 轴：按Y---任意数字—ENTER

　　Z 轴：按Z---任意数字—ENTER

　　F1和F2：双坐标功能，一个电极在两个工件上加工，可以选择第一

　　坐标F1，校好第一个工件，再选择第二个坐标F2，校好第二个工件，分

　　别设定两个坐标的光学尺数。

　　F4：分中功能

　　F6：寻找工件的加工表面

　　F7：蜂鸣器

　　F8：碰工件保护

　　3）、加工页

　　F1：插入

　　F3：删除

　　F7：工时重置

　　F8：设定页

　　在F8设定页中

　　F1:：液位侦测

　　F2:：自动防积碳

　　F3:：睡眠关闭

　　F4:：修底功能

　　F5:：轴位保护

　　F8:：返回加工页

　　2、电火花成型机基本操作

　　1）开机

　　开启整机总电源—按N.C 键—显示器显示主目录后—旋开紧急开关

　　—按下O.T 键—选择“1” —按键盘上的RST 键消除“紧急停止”报警

　　2）、安装工件

　　（1）检测工件外形尺寸及形状后，将工件放于工作台上，用百分表

　　校正工件与X 、Y 轴方向法人平行度。

　　（2）将工件固定在工作台上。

　　3）工具电极安装

　　（1）根据工件的尺寸和外形选择或制造的定位基准；

　　（2）准备电极装夹夹具；

　　（3）装夹和校正电极；

　　（4）调整电极的角度和轴心线

　　4）加工原点设定

　　以长方形工件为例，设定在工件的对称中心，如下图：

　　将主轴抬升至工件表面以上，将主轴移动到工件外侧，缓慢下降到

　　工件表面以下，慢慢移动主轴直至发出报警声，将主轴光学数归零

　　（X —0—ENTER ）将主轴往工件的反向移动，抬升主轴，移至工件的对

　　边，用相同的方法碰边，此时X 轴光学尺显示一段数值（工件长度+电极

　　直径）。此时只需按X 再按F4分中功能键即可，电脑将自动将这一数值分

　　为一半，移动到X 轴光学尺数的零值，就找到了工件以X 轴方向的中心

　　位置。

　　同理，Y 轴以相同的方式寻找。

　　5）加工基准面的设定

　　（1）手动找平面：用手控盒移动Z 轴，按Z-键，缓慢下降，直至碰

　　到工件平面，发出报警声，Z 停止移动，输入Z —0—ENTER.

　　(2)自动找表面：选择F6自动找平面功能键，按Z-键，Z 轴就会以缓

　　慢的速度向下移动，直至碰到工件报警，自动停止，将Z 轴归零即可。

　　6）电火花加工深度的设定

　　加工平面以下，深度值为负数，以上，为正值。

　　进入加工页面，按Z — -5—ENTER ；

　　加工深度设定时，深度由浅到深，电流由大到下，放电加工一次性

　　完成

　　7）放电加工

　　（1）放电参数介绍

　　A ：物料

　　B ：电流，0.5A 最小

　　C ：放电频率（放电时间或放电脉冲）调节范围1-9级

　　D ：放电休止频率（放电休止时间）调节范围1-15级

　　E ：高压电流，可以提升加工速度

　　F ：极性，正常情况下极性为0，即电极为正，工件为负；1电极为

　　负，工件为正，损耗电极，用于修整电极。

　　G ：高压

　　H ：排渣

　　I ：高度

　　J ：缓冲

　　（2）放电加工

　　将以上参数调整好后，按下切削液开关，按F8设定将F1液位侦测

　　关闭，按键盘上的CYCLE 即可开始加工。

　　（3）放电停止

　　当加工深度到达设定值后，放电自动停止，或者直接按键盘上的

　　CYCLE OFF开关，放电停止。

　　二、第二次理论

　　三、第三次理论

　　四、考核

　　(一) 分值分配

　　1、电火花成型机操作及加工 20分

　　2、对刀仪操作及测量 20分

　　3、三坐标测量操作及测量 20分

　　4、实训报告 10分

　　5、校规校纪 15分

　　6、安全操作 15分

　　（二）电火花成型机操作及加工评分标准

　　考核时间每人4分钟

　　1、在规定时间内完成所有操作 14分

　　2、在规定时间内完成除加工外的所有操作 8分

　　3、在规定时间内完成原点的设定 4分

　　4、其它的不得分

　　（三）对刀仪操作及测量评分标准

　　考核方式：2人一组，考核时间5分钟/组

　　1、在规定时间内完成所有操作 14分

　　2、在规定时间内完成标准棒的设定并完成刀具长度或半径的测量

　　8分

　　3、在规定时间内完成标准棒的设定 4分

　　4、其它的不得分

　　（四）三坐标测量操作及测量评分标准

　　考核方式：3人一组，考核时间10分钟/组

　　1、在规定时间内完成所有操作 20分

　　2、在规定时间内完成除零件测量外的所有操作 14分

　　3、在规定时间内完成测头校验，工件坐标系的设定操作 8分

　　4、在规定时间内完成测头校验 4分

　　5、其它的不得分

　　·30·

　　价值工程

　　电火花线切割机床加工工艺参数的研究

　　ResearchonWireElectricalDischargeMachiningProcessingTechnologyParameters

　　杨亚琴YANGYa-qin

　　（苏州工业职业技术学院，苏州215104）

　　（SuzhouInstituteofIndustrialTechnology，Suzhou215104，China）

　　摘要：本文阐述了电火花线切割机床的加工机理，利用正交试验的方法，对高速走丝电火花线切割机床加工中的峰值电流、脉冲

　　宽度、脉间比等工艺条件进行了试验的优化设计，减少了试验的次数，缩短了实验周期，提高了效率和效益；从而优化了电火花线切割

　　机床加工工艺参数，提高了加工件的质量；得出了电参数与加工速度和表面粗糙度之间的联系,为进一步研究电火花线切割加工工艺规律提供了基础。

　　Abstract:Thispaperdescribestheprocessin

　　关键词：电火花线切割；正交试验；电参数；加工质量Keywords:wireelectricaldischargemachining；orthogonaltest；electricalparameter；processingquality中图分类号：TH162文献标识码：A文章编号：1006-4311（2012）35-0030-02

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　　0引言

　　电火花线切割加工过程是典型的多元非线性系统，传统的线切割加工，试验的次数很多，诸多因素影响零件的表面质量和加工效率。各因素之间存在着交互作用的各种影响，大多是在经验的指导下选择加工参数来满足加工工艺的要求。在实际的生产中很不经济，而且往往也不能达

　　而零件的表面粗糙度是衡量零件质到理想的工艺要求[1]，

　　量和机床加工效能的一个重要指标，零件的加工速度是衡量加工效率的主要参数。这两个参数往往是人们追求的主要对象。本文得出了高速走丝线切割加工机床的较优加工参数，主要是在考虑了这两个指标的影响下，通过优化试验设计来完成的。

　　1加工机理

　　电火花线切割：来蚀除多余的金属，以达到对零件的尺寸、形状及表面质量预定的加工要求，是一种基于工具和工件之间脉冲性火花放电时的电腐蚀现象。一般经过以下几个阶段：极间介质的电离、击穿、形成放电通道；介质热分解、电极材料熔化、气化热膨胀；电极材料的抛出不；极间介质的消电离等过程[2]。

　　目前，国外的电火花线切割机床加工表面粗糙度一般达到Ra<1μm，加工精度一般为（0.005～0.01）mm，而且目前电火花线切割机床在电源稳定，我国的线切割加工表面粗糙度一般为Ra1.25～2.5μm，加工精度大都为（0.01～0.02）mm，显然不能满足高精度模具的加工要求，加工表面质量等方面都还存在着有待提高之处。这些问题一直困扰着加工单位，严重影响了生产效率，降低产品的质量甚至使产品报废。多数电火花线切割机床普遍存在加工不稳定的现象，因此研究慢走丝电火花线切割加工精度的影响因素有重要意义。

　　作者简介：杨亚琴（1974-），女，江苏苏州人，苏州工业职业技术

　　2电火花线切割加工技术

　　电火花线切割技术，是通过电极丝和工件之间产生的电火花电蚀工件来完成的，在电源稳定以及加工表面质量等方面还存在有待提高之处，电火花线切割技术现在处在高速发展的阶段，放电能量的大小会直接影响到工件表面质量。电极丝作为加工中的重要元素，它的各种机械参数也会对工件加工精度产生影响。工具电极和工件被加工表面之间需要保持一定的间隙：如果间隙过小，很容易形成短路接触从而不能产生火花放电；而如果间隙过大，会导致极间电压不能击穿极间介质而不能产生火花放电。

　　3实验安排与数据分析

　　3.1实验安排本课题的实验在DK7732快走丝电火

　　本实验将采用工件的表面粗糙度作花线切割机床上完成。

　　为衡量加工精度的指标，实验过程中改变不同的参数来研究加工精度和加工效率的变化。实验中用到的电极丝为0.18mm钼丝；采用JB-4C精密粗糙度测量仪来测量工件表面粗糙度；工作液为皂化液；所加工的材料为45号优质钢。加工效率指标采用平均加工速度来表示。

　　3.2试样制备和试验方法

　　3.2.1试样制备试样尺寸为60mm×50mm×5mm的长方体精加工件，其主要化学成分如表1所示。

　　表145号优质碳素钢的化学成分

　　牌号45

　　C0.42～0.50

　　Si0.17～0.37

　　Mn0.50～0.80

　　Cr≤0.25

　　Ni＜0.3

　　Cu＜0.25

　　学院机电工程系讲师，硕士，研究方向为机械工程。

　　分别对切削用量安排三因素三水平正交试验，采用

　　L9（33）交互作用正交表，各因素各水平选取值见表2。

　　按照上述的试验方案，试验选择L9（33）正交表，考虑到各因素之间交互作用的影响，安排试验后，其方案如表3所示[4]。这是一个典型的多目标函数，且目标的追求特性是不一样的，对于工件表面的粗糙度来说，为了保证质量，

　　第43卷第1期 2007年1月

　　机 械 工 程 学 报

　　CHINESE JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING

　　Vol.43 No.1 Jan. 2007

　　微细电火花加工机床关键技术

　　李文卓 刘加光 于云霞

　　(烟台大学机电汽车工程学院 烟台 264005)

　　*

　　摘要：研制开发两台高精度、高性能，具有自主知识产权的微细电火花加工机床，并对微细电火花加工机床的几个特有关键技术进行了深入研究。基于压电陶瓷的宏微伺服进给系统能实现分辨率为3.42 nm的微进给，并且能实现振动式进给，以改善微细电火花加工的间隙状态，提高微细电火花的加工效率和加工质量。结合块电极反拷与线电极反拷的微细工具电极反拷系统，可高效高精度地现场制作微细电极，电极直径最小可达4 μm。基于多传感器信息融合技术的放电间隙状态监测技术，能很好地解决微细电火花加工间隙状态的监测与识别问题。RC脉冲电源不存在维持电压现象，这一最新发现为降低单脉冲放电能量难题提供一个新的解决途径，使得基于RC方法开发的超微能脉冲电源的单脉冲放电能量最小降至皮焦级，为微细电火花加工奠定了良好的基础。最后的微细电火花加工试验表明，所开发的微细电火花加工机床性能稳定，且加工质量良好，尤其适合加工孔径为50～200 μm的微细孔。

　　关键词：电火花加工 微细加工 机床 宏微驱动 超微能 中图分类号：TG661

　　0 前言

　　微细加工技术在现代制造技术中占有极为重要的地位，而微细电火花加工技术是实现微细加工的最有利手段之一。由于工具电极（后称电极）与工件电极（后称工件）之间的宏观作用力微小，因此非常适合微小零部件的加工。目前，微细电火花加工技术已广泛应用在航空、航天、医学、模具、微电子器件、生物技术、微型传感器和微型电器制造等领域。许多国家都开展了对微细电火花加工技术的深入研究，并取得了可喜的进展。其中最引人注目的是日本松下精机开发生产的高精度的微细电火花加工机床MG-ED82W，也是目前商业销售中精度最高的微细电火花机床，该机床可稳定加工10 μm尺度的微孔和微缝。日本东京大学增泽隆久加工出的φ2.5 μm的微细轴和φ5 μm的微细孔，代表了当前这一领域的世界前沿[1-2]。国内对微细电火花加工技术的研究也取得了一些成果，南京航空航天大学首次在国内加工出φ19 μm的微细孔，哈尔滨工业大学特种加工研究所也在这方面做了许多研究工作，开发了四轴联动精微电火花加工机床，用该机床加工出了φ 40 μm的微细轴，此外还研制了一台横轴布局的微细电火花加工样机，用该样机加工出了最小为φ 8 μm微孔[3]。

　　开发微细电火花加工机床，除了应具备常规微* 山东省中青年科学家奖励基金资助项目(2004BS05003)。20060308收

　　到初稿，20060831收到修改稿

　　细加工机床的高精度系统外，还涉及一些与微细电火花加工特点相关的特有技术，如微细电极宏微伺服技术、微细电极制作技术、微能脉冲电源技术及间隙状态监测技术等。在先后研制了两台高精度、高性能，具有自主知识产权的微细电火花加工机床（一台为横轴式，一台为立轴式）的过程中，对所涉及的一些关键技术进行了较为深入系统的研究。

　　1 基于压电陶瓷的宏微伺服进给系统

　　1.1 伺服系统方案设计

　　由于电火花加工是非接触加工，电极与工件之间有一定的加工间隙。电火花加工的放电间隙随着加工条件的变化而变化，数值从数微米到数百微米不等。电火花加工放电间隙的大小与变化直接影响到加工质量、加工稳定性和加工效率。特别是微细电火花加工，其放电间隙常在微米级，而放电面积亦非常小，常在数十平方微米范围之内。在这样小的面积上放电，放电点的分散范围十分有限，极易造成放电位置和时间上的集中，增大了放电过程的不稳定性，使得加工变得困难。因此，微细电火花加工机床一定要具有高分辨率、高频响的进给伺服系统。

　　电极进给伺服系统是微细电火花加工机床的一项非常关键技术。传统的电动机—丝杠进给伺服系统传动链长，传动装置存在间隙，因此无论传动精度，还是系统的频响都较差，很难满足微细电火花加工技术的要求。

　　2007年1月 李文卓等：微细电火花加工机床关键技术

　　171

　　根据微细电火花加工对伺服进给系统的要求，研制了基于压电陶瓷的宏微伺服进给系统，其构成如图1所示。图中Uref是系统设定的比较电压，Ugap是放电间隙的反馈电压。

　　在微细电火花加工中，由于电火花加工间隙小，使加工间隙内工作液流动困难，电蚀除产物排出不顺畅，导致加工间隙状态恶化，引起电火花加工中非正常现象如短路、拉弧等状态频繁出现，进而影响加工质量和加工速度。

　　为了改善电火花加工的间隙状态，增加其蚀除物的排出能力，常常采用电极振动式进给的方式，即电极前进一步，然后再后退半步，这两步之间的

　　图1 宏微伺服进给系统构成

　　差值就是一次微进给量。电极的往复运动会在电极的轴向造成强迫式振动，对间隙内的工作介质产生强迫排出作用，从而有利于电火花加工的蚀除产物排出，减少非正常放电机会，提高加工质量和加工速度。电极振动式进给过程如图2所示。

　　系统由计算机、间隙电压监测电路、12位D/A

　　转换器、压电陶瓷驱动放大电路、步进电动机驱动电路及步进电动机宏进给和压电陶瓷微进给等几部分组成。D/A用于将计算机运算产生的数字信号量转变为控制压电陶瓷运动的低压模拟量。该模拟量再由压电陶瓷放大电路转换成为驱动压电陶瓷伸长或收缩的高压模拟量，进而实现电极微量进给或回退。压电陶瓷驱动器可在0～14 μm的范围内实现分辨率为0.003 42 μm，即3.42 nm的微进给。电极的宏进给或宏回退由计算机控制步进电动机驱动电路来实现。步进电动机的旋转运动，经过滚珠丝杠和螺母转换产生宏进给，在0～15 mm范围内实现分辨率为0.8 μm的宏进给。

　　电火花加工的间隙状态，大体上可分为：空载、正常放电、拉弧和短路几种状态。间隙电压监测电路用于检测和区分上述四种放电状态，进而由计算机控制电极的驱动方向。由于压电陶瓷的响应速度快，进给分辨率高，可很好地满足微细电火花加工的高分辨率伺服进给要求。当加工间隙状态为空载时，压电陶瓷驱动电极做进给运动；当间隙状态为正常放电时，压电陶瓷驱动电极做原位的微量振动；当间隙状态为拉弧或短路时，压电陶瓷控制电极作快速回退；拉弧或短路消除后，恢复正常的加工进给伺服。因此，由步进电动机和压电陶瓷组成的电火花加工电极宏微伺服进给系统不仅可以实现较大行程的电火花加工，而且可实现很高的进给分辨率和定位精度，并能快速响应，实现电火花的高效稳定加工。

　　1.2 电极振动式进给过程

　　采用软件控制D/A转换器作为压电陶瓷的低压信号发生器，可以很好地满足微细电火花加工的需要，输出各种控制波形，而且使用灵活，修改方便。凡是用数学式可以表达的曲线都可以设法通过控制程序把它转换出来。采用的12位D/A转换器可以输出幅度为0～10 V，压电陶瓷高压放大驱动电路的放大倍数是10倍，其输出是0～100 V。

　　图2 电极振动式进给过程

　　2 微细电极制作技术

　　用简单形状的微细电极进行微细孔和微三维结构的加工，已经成为当前微细电火花加工的主流技术之一。因此，微细电极的精密、高效制作在微细电火花加工中占有极为重要的地位。

　　微细电极制作方法常用的有离线方式和在线方式两种。离线方式就是采用现有的微细电极，安装在机床主轴上进行加工。这种方法无须现场制作电极，因而加工效率高，适合批量孔加工需要。但因现有电极尺寸较大，不能加工出尺度很小的孔和三维形状，因此，这种方式所能使用电极直径以50 μm为极限。

　　在线方式就是利用机床自身，首先在线加工出微细工具电极，然后再使用该工具电极对被加工工件进行加工。由于这种方法需要在线反拷加工制作电极，会花费较长时间，因而加工效率很低，但可以加工出尺寸仅为数微米的微细电极，因而适合于研制新产品时使用。目前常用的电极在线制作方法主要有块电极反拷加工和线电极电火花磨削（Wire electrical discharge grinding, WEDG）两种方式，块

　　172机 械 工 程 学 报 第43卷第1期

　　电极反拷具有较高的效率，WEDG方式具有较高的精度。所研制的机床反拷电极系统同时包括了上述两种方法，因而可以利用电极反拷系统高效在线制备各种尺寸和形状的微细电极，粗反拷时采用块电极反拷方式，精反拷时采用WEDG方式。

　　图3是WEDG反拷系统，包括储丝轮、收丝轮、导向器、直流电动机和减速机构等，走丝速度控制在1 mm/s左右。线电极从导丝轮的豁口处经过，在该处与线电极发生火花放电，将工具电极的余量去除掉。采用导向轮开豁口的方法，可以减小线电极悬空长度，确保线电极没有抖动，满足高加工精度要求。

　　在该系统中，利用峰值电压传感器和峰值电流传感器得到火花放电属各类的隶属度值作为BP网络的输入，而其输出为融合两个传感器后属于各类的隶属度值。如此可分别得到这2×4个数据作为网络的输入，该网络的输出有4个，分别代表了被测物体属于四种放电状态的隶属度，它已是综合了两种传感器信息的结果，图5是这种用于分类的模糊神经网络模型。

　　图5 用于分类的模糊神经网络模型

　　4 皮焦级超微能脉冲电源技术

　　对于微细电火加工技术来说，减小单脉冲放电能量是关键的技术之一。因为单个脉冲能量的大小决定了单个电火花蚀坑的大小，它不仅影响电火花加工表面的粗糙度，对微细电火花加工而言，它还影响着微细工件和微细电极的几何尺寸精度，决定着微细电火花加工的极限能力。

　　独立式脉冲电源与RC弛张式脉冲电源相比，具有电压脉冲的发生与间隙物理状态无关，放电现象仅受到直流电源和加工间隙之间的开关元件控制，因而具有更突出的电加工性能。然而，在微细电火花加工领域，由于要求的单个脉冲能量极小，且要求的放电间隙也极小，对于采用开关元件的独立式脉冲电源来说，其弊端就显露出来。由于开关元件及相应电路的时间响应限制，使得其脉冲宽度不能被压缩得很小，这就很难保证微细电火花，尤其是超微细电火花加工的要求。目前独立式脉冲电源的最小脉宽见诸报道的，国内为200 ns，国外为100 ns[4-5]。

　　4.1 RC脉冲电源放电现象研究

　　研究表明，独立式脉冲电源在放电时存在着一种电火花维持电压现象，如图6所示。维持电压是由电极材料、工作液介质等因素决定的，一般被视为常数，在20～30 V之间[6]。这样独立式脉冲电源的单个脉冲放电能量的降低就变得非常困难。目前此方案的最小单脉冲火花放电能量通常为10–6～10–7 J。

　　图3 WEDG反拷系统

　　3 放电间隙状态监测技术

　　目前，由于对火花间隙放电的机理还不十分清楚，受外部影响因素较多，因此对电火花加工过程难以建立精确的理论模型。在这种情况下，传统的经典控制方法及现代控制理论都很难达到预期的效果，而模糊控制技术则是解决电火花加工过程控制难题的有效途径之一。

　　图4是多传感器信息融合的模糊控制系统的构成框图。在放电状态检测部分有两路传感器：一路用来检测峰值电压，一路用来检测峰值电流。这两路传感器的信息是互补的，通过双路采集，控制系统根据一段时间内采集的数据进行分类统计，以决定进给系统下一步的运动方向及速度。

　　图4 多传感器信息融合的模糊控制系统

　　2007年1月

　　李文卓等：微细电火花加工机床关键技术

　　173

　　图6 独立式脉冲电源的放电波形

　　图9 高低压加工结果对比照片

　　在经过一系列试验研究之后发现，RC脉冲电源不存在维持电压现象，其放电波形如图7所示。当开路电压仅为0.1 V时，仍能进行电火花加工。图8a是其单脉冲放电波形，图8b是连续放电波形，此时其单脉冲放电能量仅为10–12 J数量级（皮焦级）。因此，RC脉冲电源可以在开路电压很低的情况下进行电火花加工，图9是在同一电极上分别采用高开路电压（100 V）和低开路电压（10 V）的加工结果对比照片[3]。

　　4.2 新型皮焦级超微能脉冲电源方案设计

　　为充分发挥RC电源的优点，同时尽量克服其

　　电特性不独立的缺点，研制了如图10所示的新型RC脉冲电源，该电源采用一只高频MOSFET开关，可有效地消电离，防止产生拉弧现象。该电源由可调直流电源、充电限流电阻R1、电容器C，电容器充电控制开关Q1、放电电压检测电路等组成。

　　图10 新型RC脉冲电源原理示意图

　　可调直流电源由交流电压调节器、整流桥和稳压电容器C1和C2组成。可在1.5～350 V的范围内任意调节电火花的加工电压，适合于进行各种能量下的微细电火花加工。进行加工时，检测电路实时

　　图7 RC脉冲电源的放电波形

　　监视放电电压，一旦发现出现短路或拉弧现象，计算机控制系统立即关闭开关管Q1，使放电间隙断电，恢复其介电特性，同时控制电极进行回退，使放电间隙处于最佳状态。

　　5 微细电火花加工试验

　　采用以上所研究的微细电火花关键技术，先后开发了两台微细电火花加工机床，一台采用横轴布局方式，另一台采用竖轴布局方式，两台机床都取得相当不错的加工效果。其中采用横轴布局方式的微细电火花加工机床成功地加工出φ 4 μm的微细轴和φ 8 μm微小孔，为国内采用微细电火花方法加工出的最小尺寸的微细轴和孔。 5.1 微细孔加工试验

　　图8 开路电压0.1 V的放电波形

　　图11是所研制的微细电火花加工机床加工的部分微小孔的照片[3,7]。

　　174

　　机 械 工 程 学 报 第43卷第1期

　　5.2 微细细加工试验

　　所研制的微细电火花加工机床配有电板反拷系统，可以采用电极反拷的方法现场获得微细电极。

　　图13是该机床加工的微细轴的显微镜照片，电极材料为钨丝，加工参数：开路电压为25 V；充电电阻为500 ?；工作液为去离子水；电容为100 pF。

　　(a) φ 8 μm的微细孔 (b) φ10 μm的微小孔

　　图13 φ15 μm和φ 4 μm的微细轴

　　(c) φ25 μm的微细孔 (d) φ250 μm的微小孔

　　图11 加工的部分微小孔的照片

　　图11a、11b的微小孔直径分别为8 μm和10 μm，厚度为0.05 mm，工件材料为碳钢，电极材料为钨丝，采用现场反拷电极加工。加工参数：开路电压为17 V；充电电阻为500 ?；电容为50 pF；工作液为煤油；加工时间分别为20 s和23 s。

　　图11c的微小孔直径为25 μm，厚度为0.1 mm，工件材料为不锈钢，电极材料为钨丝，采用现场反拷电极加工。加工参数：开路电压为90 V；充电电阻为500 ?；电容为470 pF；工作液为去离子水；加工时间35 s。

　　图11d中，直径是250 μm，厚度为0.5 mm，工件材料为高碳钢，采用标准电极φ250 μm的铜钨电极加工。其加工参数：开路电压为230 V；充电电阻为1 000 ?；工作液为去离子水；电容为4 700 pF；加工时间40 s。

　　图12是该机床加工的微细孔边缘的局部放大照片，从图11、12所示的照片情况，可以看出微细电火花的加工质量非常好，放电非常均匀。

　　图13所示的微细轴直径分别为15 μm和4 μm。

　　由于大幅度地降低放电能量，加上机床性能良好的主轴和微进给伺服系统，所以可以获得相当不错的表面质量，这一点从照片中也能得到反映。图14所示为电极反拷的实况照片。

　　图14 电极反拷的实况照片

　　6 结论

　　(1) 带有压电陶瓷的宏微伺服进给系统可以实现分辨率为3.42 nm的微进给，电极振动式进给的方式对间隙内的工作介质产生了强迫排出作用，从而有利于电火花加工中的蚀除产物的排出，减少非正常放电机会，提高加工质量和加工速度。

　　(2) 块电极反拷具有较高的效率，线电极反拷方式具有较高的精度。两种方法微细电极制作技术相结合，可实现微细电极的快速制作。

　　(3) 采用基于多传感器信息融合技术的微细电火花模糊控制技术，是解决微细电火花放电间隙状态监测技术的有效方法之一。

　　(4) 由于发现了RC脉冲电源不存在维持电压现象，从而使得基于RC方法的微细脉冲电源的单脉冲放电能量可降至皮焦级，为微细电火花加工奠定了坚实基础。

　　图12 微细孔的边缘局部放大照片

　　2007年1月 李文卓等：微细电火花加工机床关键技术

　　175

　　(5) 采用以上技术的微细电火花加工机床已经能加工出直径最小为4 μm的电细极，可加工微细孔范围为φ 8 μm至φ 300 μm，尤其适合φ 50 μm至 φ 200 μm微细孔的加工。

　　参 考 文 献

　　[1] MASUZAWA T, TAKAWASHI T. Recent trends in EDM/

　　ECM technologies in Japan[J]. ISEM12, 1998(2)：1-15. [2] 武沢英樹，古谷克司，毛利尚武. 形状フィードバック

　　型精密加工システムの開発(第1報)－基本概念と修正加工例－[J]. 精密工学会誌，1999，65(3)：406-410. [3] 李文卓．微细电火花加工系统及其相关技术的研究

　　[D]．哈尔滨：哈尔滨工业大学，2002.

　　[4] 何广敏，赵万生，郭永丰．纳秒级脉冲电源的研制[J]．电

　　加工，1999，4：11-13.

　　[5] 文保平．第五代MOSFET在精加工电源设计中的应用

　　[J]．电子工艺技术，1998，19(1)：10-12.

　　[6] 刘晋春，赵家齐，赵万生．特种加工[M]．北京：机械工

　　业出版社，2004.

　　[7] 李文卓．智能永磁电动操作机构研制及微细喷油孔电火

　　花加工机床研制[D]．上海：上海交通大学, 2005.

　　electrical discharge machining (EDM) machine tools are de-signed and developed with independent intellectual property right. Some key technologies about the micro EDM machine tool are deeply researched. A macro-micro servo control system based on piezoelectric ceramic can realize 3.42 nm displace-ment, and vibration feeding serve, which can greatly improve the gap state of micro EDM, and enhance the machining effi-ciency and quality. A reverse machining system for fabricating micro- electrode, which combined the block electrode reverse machining system and wire electrode discharge grinding (WEDG), is able to make the microelectrode on-site, and the diameter of such an electrode can reach 4 μm. After that, the detecting circuit with a multiple-sensor fusion system for dis-charging process can solve the problem of gap state detection and identification for micro EDM process. No sparkle main-taining voltage exists during discharging of RC power supply. This discovery provides a new solution to solve the problem of decreasing single pulse energy. Thus the least single pulse en-ergy based RC power supply of ultra-micro energy can be down to pico-joule, which is the basis of micro EDM. The last part shows that the implementation of these EDM machine tools verifies that the micro EDM can be performed stably, and can achieve the high operating quality. The micro EDM machine tool is especially suitable to process the hole whose aperture is around 50～200 μm.

　　Key words：Electrical discharge machining (EDM)

　　Micro machining Machine tool

　　Macro and micro servo Ultra-micro energy

　　作者简介：李文卓，男，1965年出生，博士后，副教授。主要研究方向为微细电火花加工技术。 E-mail：mailliwzh@yahoo.com.cn

　　KEY TECHNOLOGIES OF MICRO EDM

　　MACHINE TOOLS

　　LI Wenzhuo LIU Jiaguang YU Yunxia (School of Electromechanical Automobile Engineering,

　　Yantai University, Yantai 264005)

　　Abstract：Two high-precision and high-performance micro

　　第六章 数控电火花机床操作加工

　　一、概述

　　电火花加工又称放电加工（Electrical Discharge Machining 简称EDM ），是一种直接利用电能和热能进行加工的新工艺，基本原理是基于工具和工件（正、负电极）之间脉冲火花放电，产生局部、瞬时高温，把金属材料逐步腐蚀，以达到对零件的尺寸、形状及表面质量预定的加工要求 。

　　二、电火花成形加工

　　1. 电火花加工机床

　　常见的电火花成形加工机床由机床主体、脉冲电源、伺服系统、工作液循环系统等几个部分组成。

　　（1）机床主体：包括床身、工作台、立柱、主轴头及润滑系统。用于夹持工具电极及支承工件，保证它们的相对位置，并实现电极在加工过程中的稳定进给运动。

　　（1） 脉冲电源：把工频的交流电流转换成一定频率的单向脉冲电流。

　　（2） 伺服进给系统：使主轴作伺服运动。

　　（3） 工作液循环过滤系统：提供清洁的、有一定压力的工作

　　2．电火花成形加工的原理

　　电火花成形加工的基本原理是基于工具和工件（正、负电极）之间脉冲火花放电时的电腐蚀现象来蚀除多余的金属，以达到对零件的尺寸、形状及表面质量预定的加工要求。要达到这一目的，必须创造下列条件：

　　（1）必须使接在不同极性上的工具和工件之间保持一定的距离以形成放电间隙。一般为0.01～0.1mm 左右。

　　（2）脉冲波形是单向的，如图所示。

　　（3）放电必须在具有一定绝缘性能的液体介质中进行。

　　（4）有足够的脉冲放电能量，以保证放电部位的金属熔化或气化。

　　如图，自动进给调节装置能使工件和工具电极保持给定的放电间隙。脉冲电源输出的电压加在液体介质中的工件和工具电极(以下简称电极) 上。当电压升高到间隙中介质的击穿电压时，会使介质在绝缘强度最低处被击穿，产生火花放电。瞬间高温使工件和电极表面都被蚀除掉一小块材料，形成小的凹坑。

　　一次脉冲放电之后，两极间的电压急剧下降到接近于零，间隙中的电介质立即恢复到绝缘状态。此后，两极间的电压再次升高，又在另一处绝缘强度最小的地方重复上述放电过程。多次脉冲放电的结果，使整个被加工表面由无数小的放电凹坑构成 极性效应

　　（1）什么是极性效应？

　　在脉冲放电过程中，工件和电极都要受到电腐蚀。但正、负两极的蚀除速度不同，这种两极蚀除速度不同的现象称为极性效应。

　　（2）为什么会有极性效应？

　　产生极性效应的基本原因是由于

　　电子的质量小，其惯性也小，在电场力作用下容易在短时间内获得较大的运动速度，即使采用较短的脉冲进行加工也能大量、迅速地到达阳极，轰击阳极表面。而正离子由于质量大，惯性也大，在相同时间内所获得的速度远小于电子。

　　①当采用短脉冲进行加工时，大部分正离子尚未到达负极表面，脉冲便已结束，所以负极的蚀除量小于正极。这时工件接正极，称为“正极性加工”。

　　②当用较长的脉冲加工时，正离子可以有足够的时间加速，获得较大的运动速度，并有足够的时间到达负极表面，加上它的质量大，因而正离子对负极的轰击作用远大于电子对正极的轰击，负极的蚀除量则大于正极。这时工件接负极，称为“负极性加工”。

　　（3）极性效应在电火花加工过程中的作用

　　在电火花加工过程中，工件加工得快，电极损耗小是最好的，所以极性效应愈显著愈好，

　　3．电火花加工的特点及应用

　　1) 电火花加工的特点

　　(1）优点

　　① 适合于机械加工方法难于加工的材料的加工，如淬火钢、硬质合金、耐热合金 ②可加工特小孔、深孔、窄缝及复杂形状的零件，如各种型孔、立体曲面、复杂形状的工件 ，小孔、深孔、窄缝等 。

　　(2)缺点

　　①只能加工导电工件;

　　②加工速度慢;

　　③由于存在电极损耗，加工精度受限制。

　　2）电火花成形加工的应用

　　电火花成形加工主要用于电火花穿孔（用电火花成形加工方法加工通孔）和电火花型腔加工。

　　电火花穿孔加工主要用于加工冲模和异形孔，电火花型腔加工主要用于加工各类型腔模和各类复杂的型腔零件。

　　型腔加工属于盲孔加工，金属蚀除量大，工作液循环困难，电蚀产物排除条件差，电极损耗不能用增加电极长度和进给来补偿；加工面积大，加工过程中要求电规准的调节范围也较大；型腔复杂，电极损耗不均匀，影响加工精度。

　　4．影响电火花成形加工因素

　　1）影响加工速度的因素

　　（1）加工速度以mm 3 /min表示。

　　（2）增加矩形脉冲的峰值电流和脉冲宽度；减小脉间；合理选择工件材料、工作液，改善工作液循环等能提高加工速度。

　　2）影响加工精度的因素

　　工件的加工精度除受机床精度、工件的装夹精度、电极制造及装夹精度影响之外，主要受放电间隙和电极损耗的影响。

　　(1)电极损耗对加工精度的影响 在电火花加工过程中，电极会受到电腐蚀而损耗，电极的不同部位，其损耗不同。

　　（2）放电间隙对加工精度的影响

　　①由于放电间隙的存在，使加工出的工件型孔(或型腔) 尺寸和电极尺寸相比，沿加工轮廓要相差一个放电间隙(单边间隙) ；

　　②实际加工过程中放电间隙是变化的，加工精度因此受到一定程度的影响。

　　3）影响表面质量的因素

　　脉冲宽度、峰值电流大，表面粗糙度值大。

　　5. 电火花成形加工工艺

　　1）电火花冷冲模穿孔加工工艺方法

　　(1）直接法 直接法是用加长的钢凸模作电极加工凹模的型孔，加工后将凸模上的损耗部分去除。凸、凹模的配合间隙靠控制脉冲放电间隙来保证。

　　(2）混合法 凸模的加长部分选用与凸模不同的材料，如铸铁、铜等粘接或钎焊在凸模上，与凸模一起加工，以粘接或钎焊部分作穿孔电极的工作部分。当凸、凹模配合间隙很小不好直接保证放电间隙时时，可将电极的工作部分用化学浸蚀法蚀除一层金属，反之，可以用电镀法将电极工作部位的断面尺寸均匀扩大以满足加工时的间隙要求。

　　2）电火花型腔加工工艺方法

　　(1）单电极加工方法 单电极加工法是指用一个电极加工出所需型腔。用于下列几种情况：

　　①用于加工形状简单、精度要求不高的型腔，加工经过预加工的型腔。

　　②用机床摇动加工型腔。首先采用低损耗、高生产率的粗规准进行加工，然后利用摇动按照粗、中、精的顺序逐级改变电规准、加大电极的平动量，以补偿前后两个加工规准之间型腔侧面放电间隙差和表面微观不平度差，实现型腔侧面仿型修光，完成整个型腔模的加工。

　　(2）多电极加工法 多电极加工法是用多个电极，依次更换加工同一个型腔。每个电极都要对型腔的整个被加工表面进行加工。用多电极加工法加工的型腔精度高，尤其适用于加工尖角、窄缝多的型腔。

　　(3）分解电极法 分解电极法是根据型腔的几何形状，把电极分解成主型腔电极和副型腔电极分别制造。

　　3）电极材料

　　(1)常用电极材料的种类和性能见表。

　　(2）电极材料的选用

　　①电火花穿孔：紫铜、铸铁、钢等。

　　②型腔加工常用电极材料主要是石墨和紫铜。紫铜组织致密，适用于形状复杂轮廓清晰、精度要求较高模具。石墨电极容易成形，密度小，宜作大、中型电极。4）电规准的选择与转换

　　(1) 什么是电规准？电火花加工中所选用的一组电脉冲参数称为电规准。

　　(2) 电规准的选择

　　在生产中主要通过工艺试验确定电规准。通常要用几个规准才能完成凹模型孔加工的全过程。电规准分为粗、中、精三种。从—个规准调整到另一个规准称为电规准的转换。

　　①粗规准 主要用于粗加工。对它的要求是生产率高，工具电极损耗小。被加工表面的粗糙度R a ＞12．5μm 。采用较大的电流峰值，较长的脉冲宽度(ti ＝20～60μs) 。

　　②中规准 是粗、精加工间过度性加工所采用的电规准，

　　③精规准 用来进行精加工，要求在保证冲模各项技术要求（如配合间隙、表面粗糙度和刃口斜度）的前提下尽可能提高生产率。小的电流峰值、高频率和短的脉冲宽度(ti ＝2～6μs) 。被加工表面粗糙度可达R a=1.6～0.8μm 。

　　5）电极的装夹与校正

　　在电火花加工中，机床主轴进给方向都应该垂直于工作台。因此工具电极的工艺基准必须平行于机床主轴头的垂直坐标。即工具电极的装夹与校正必须保证工具电极进给加工方向垂直于工作台平面。

　　(1)工具电极的装夹

　　由于在实际加工中碰到的电极形状各不相同，加工要求也不一样。常用的电极夹具有如图几种。

　　(2)工具电极的校正

　　工具电极的校正方式有自然校正和人工校正两种:

　　①自然校正就是利用电极在电极柄和机床主轴上的正确定位来保证电极与机床的正确关系；

　　②人工校正一般以工作台面x 、y 水平方向为基准，用百分表、千分表、块规或角尺在电极横、纵(即x 、y 方向) 两个方向作垂直校正和水平校正，保证电极轴线与主轴进给轴线一致，保证电极工艺基准与工作台面x 、y 基准平行。

　　6）课堂讨论已知零件是电机风叶塑料模，电火花加工如图电机风叶塑料模型腔，已知材料为45号钢，型腔表面粗糙度Ra ＝2.5μm ，讨论以下问题：

　　● 分析零件图；

　　● 选择电极的材料；

　　● 选择加工方式；

　　● 加工中应注意的其它问题。

　　电火花加工机床故障检修小结

　　故障检修是一个不断深化的认识过程, 寻找故障的方法和程序既有一定规律, 但又不是一个固定不变的模式, 根据不同的情况, 灵活应用不同的方法, 制订出一个可*而又周密的检修方案, 才能收到事半功倍的效果。

　　(1)机型:低速走丝线切割机CU T100D

　　故障现象:不能自动穿丝。

　　故障检修:自动穿丝时, 从上机头喷嘴喷出的水流正常, 但下机头喷嘴本应吸水, 却向外喷水。检查水箱管路, 发现节流阀(旁接一管可作吸水用) 下的阀门被关死了, 打开后穿丝正常。但穿孔时发现穿孔机头上的电极一碰到工件, 立即抬刀, 不能放电加工。这有两种可能:放电板故障或连线故障。本着先易后难的原则先检查连线, 发现有一负极连线已断, 连好后, 故障排除。在低速走丝线切割机CU T150HSS 上也发生类似故障, 现象是不能放电加工。根据经验, 遇到这种情况, 应优先考虑连线是否良好。放电板故障, 只遇到过一次:是在低速走丝线切割机SPRINT20上出现故障信息735。经查是由于7号放电板PMO211灰尘太多造成的。

　　(2)机型:低速走丝线切割机CU T100D

　　故障信息: 104。

　　故障现象:机床回零点时, 向U 轴负方向移动机床至极限- 30. 50mm 处时, 机床仍然不停(手压行程开关向

　　U 轴正方向移动时, 机床只能回到零点) ,直冲到- 36. 00mm 处被顶死, 只得人为暂停。

　　故障检修:拆下行程开关, 用万用表测WID282电路板J 5插座21、22脚, + 20V

　　输入电压正常。关机, 手压行程开关, 用万用表测WID282电路板J 5插座21、22脚, 通断显示正常。初步断定是STB203、IMC202两块控制板有问题。将STB201、STB202、STB203电路板( STB202电路板与此故障无关, 当时怕换乱了, 就一齐换掉) 与SPRINT 20机床的相同电路板互换。故障依旧。又换相关的DBE201、IMC202、DMC201、DMC202、SBC201电路板。这时向U 轴正方向能移动, 却不能冲水了(STB202电路板GL4、GL6指示灯不亮。SE5中间继电器线圈没有+ 24V 电压, 水泵无法工作) 。考虑SPRINT20冲水方式与CU T100D 不同, 所以又把电路板统统换回, 开机后出现450信息, 冷却系统出故障, 且无冲水。按手动按钮(不论正负U 、V 、X 、Y 轴) 机床只能移动一下, 又出现450信息, 然后死机。这种情况似乎与DWC205板有关。于是更换DWC205电路板, 无效果。最后, 把分站站长DMC202板换掉(低速走丝线切割机单板机控制板有好几块, 由主单板机(站长) 分别控制其下各级分单板机(分站站长) ,各分单板机把各分功能控制板的工作情况汇总给主单板机控制板) 。开机后, 屏幕显示乱码, 遥控盒无显示。把电路板重插一遍后开机, 乱码消除。出现信息123、109、421、300、301、451、486、450、108 , 系电源电路板故障, 经仔细察看, 发现L PS220电源电路板指示灯全不亮, 关机检查, 发现该电源电路板没插牢。插紧后再开机, 故障排除。其实出现104信息, 可能只是STB01或STB03接触不良。

　　(3)机型:低速走丝线切割机SPRINT 20

　　故障信息:421 , 123。

　　故障现象:M2送丝电机不转。

　　故障检修:上下移动配重, 改变Rx2磁敏电位器阻值,M2电机没有转停动作。测DWC206电路板J 6插座的3、4脚, 无电压输出, 拔下DWC206板, 发现V5场效应三极管BDW84D 已开路, 更换后M2电机正常转动。

　　(4)机型:低速走丝线切割机SPRINT20

　　故障现象:机床M4皮带驱动电机不转。故障检修:M4皮带驱动电机分别由三块电路板DWC205、DMD212、DMD215控制,DWC205电路板上有单板机是起控制作用的, 负责输出电信号。DMD212电路板承前启后, 是前置放大板。DMD215电路板是功率驱动放大板。DMD215电路板上的COMS 三极管直接驱动M4皮带电机转动。根据DMD215电路板GL1指示灯不亮, 首先应检测DMD215电路板发现前极没有电压信号加入。查其前级电路板DWC212 ,也没有发现有电压信号加入。最后查到DWC205电路板的UA9638输出放大器发现其已击穿。更换一新

　　的后, 故障排除。还有一次M4皮带驱动电机开机就自转不停, 按停止按钮也停止不下来。在开机时, 测量DMD212电路板J 2插头11、12脚, 有+ 2. 79V电压, 当机床自检完成后, 变成20. 2V振荡(在按手动穿丝按钮时,J 2插头11、12脚有+ 2. 81V电压。按停止按钮后, 变成20.2V 振荡) 。继续从前向后往下查DMD215电路板上SN75182双差分线接收器4脚, + 20V高电平, 光藕三极管C 极2. 3V。R 3 1电位器0. 5V。V3IRF750 COMS三极管B 极0. 75V ,C极40V (按手动穿丝按钮时,C 极+ 45V)。不难判定功率驱动V3 COMS三极管有问题, 拆下测量,V3 COMS三极管已击穿。更换一新的后, 故障排除。

　　7) 机型:电火花加工机床2U

　　故障信息:4247 , 349 , 4302 , 4493 , 4442。

　　故障现象:机床换油后, 在加工过程中, 出现以上信息后, 循环油泵自动关闭, 机床停止加工。疑是换油时空气进入管道造成。将油泵气门打开放气也没效果(事后得知2U 机床由于油位低, 换油后不用放气) 。为判断是控制柜故障还是油路故障, 把S10油量继电器短接( PM1板上的AP1接线排7、8脚用导线连上) , 此时这路检测信号成开路状态, 微机关闭油泵自动保护。机床可进行完整加工。说明是油路故障。而且故障出在循环油泵电机上, 把油箱内的油放掉, 卸下油泵, 发现离心转子塞满了抹布, 清理干净后, 注意到油盖密封圈也开有一小油口, 对准两油口装好, 开机后机床正常。

　　(8)机型:电火花加工机床1U

　　故障现象:按动主轴电极装夹按钮SE2 ,L2电磁阀时有时无。致使电极装夹装置失灵, 无法装夹。

　　故障检修:出现此故障应作以下4部分检查:①按扭接触是否好良好。②电磁阀是否有脏堵、卡住现象。③WID230、PEC202电路板是否出故障。④相关连线是否有接触不良现象。用手按SE2按钮,PEC202电路板GL2、GL9指示灯有亮度变化, 说明信号送到, 按扭无问题。用螺丝刀试电磁阀铁芯时, 有时有磁有时无磁, 是电没加上。故障属于3、4部分, 拔下PEC202电路板, 外接+ 5V 电源于K14继电器线圈两端, 用万用表测量其常开触点。

　　电火花线切割机床加工的应用

　　1．加工模具零件

　　电火花线切割加工主要应用于冲模、挤压模、塑料模、电火花型腔模的电极加工等，由于电火花线切割加工速度和精度的迅速提高，目前已达到可与坐标磨床相竞争的程度。例如，中小型冲模，材料为模具钢，过去用分开模和曲线磨削的方法加工，现在改用电火花线切割整体加工的方法，制造周期可缩短3/4~5/4，成本降低2/3~3/4，配合精度高，不需要熟练的操作工作。因此一些工业发达国家的精密冲的磨削等工序，已被电火花和电火花线切割加工所代替。

　　2．加工特殊材料

　　切割某些高硬度，高熔点的金属时，使用机加工的方法几乎是不可能的，而采用线切割加工既经济又能保证精度。

　　3．试制新产品

　　在新产品开发过程中需要单件的样品，使用线切割直接切割出零件，无需模具，这样可以大大缩短新产品的开发周期并降低试制成本。如在冲压生产时，未开出落料模时，先用线切割加工的样板进行成形等后续加工，得到验证后再制造落料模。 电火花线切割机床加工的应用领域：

　　平面形状的金属模加工 冲模、粉末冶金模、拉拔模、挤压模的加工

　　立体形状的金属模加工 冲模用凹模的退刀槽加工、塑料用金属压模、塑料模等分离面加工

　　电火花成形加工用电极制作 形状复杂的微细电极的加工、一般穿孔用电极的加工、带锥度型模电极的加工 试制品及零件加工 试制零件的直接加工、批量小品种多的零件加工、特殊材料的零件加工、材料试件的加工 轮廓量规的加工 各种卡板量具的加工，凸轮及模板的加工，成形车刀的成形加工

　　微细加工 化纤喷嘴加工、异形槽和窄槽加工、标准缺陷加工。

　　电火花线切割机床加工的特点：

　　(1) 它以0.03～0.35mm的金属线为电极工具，不需要制造特定形状的电极。

　　(2) 虽然加工的对象主要是平面形状，但是除了有金属丝直径决定的内侧脚的最小直径R(金属线半径+放电间隙)这样的限制外，任何的限制外，任何复杂的开头都可以加工。

　　(3) 轮廓加工所需加工的余量少，能有效地节约贵重的材料。

　　(4) 可无视电极丝损耗(高速走丝切割采用低损耗脉冲电源；慢速走丝线切割采用单向连续供丝，在加工区总是保持新电极丝

　　加工)，加工精度高

　　(5) 依靠微型计算机控制电极丝轨迹和间隙补偿功能，同时加工凹凸两种模具时，间隙可任意调节。

　　(6) 采用乳化液或去离水的工作液，不必担心发生火灾，可以昼夜无人连续加工。

　　(7) 无论被加工工件的硬度如何，只要是导体或半导体的材料都能实现加工。

　　(8) 任何复杂开头的零件，只要能编制加工程序就可以进行加工，因而很适合小批零件和试制品的生产加工，加工周期短，应用灵活。

　　(9) 采用四轴联动，可加工上，下面异形体，形状扭曲曲面体，变锥度和球形等零件。

　　如今CNC火花机已经广泛应用，摇动功能是CNC火花机最重要的功能，摇动对于减少加工时间和得到良好的表面是非常有效的。然而并不是每个工厂都把摇动功能用的很好。主要原因是设计者不想使用足够的电极减寸量，他们担心太大会降低精度。如果我们对电极减寸量和摇动有足够的了解，就可以使用适当的电极减寸量，大幅度提高加工效率。

　　1.?电极减寸量

　　（1）电极减寸量的概念

　　放电加工过程中存在火花间隙，因为这个原因，电极必须做得比要加工的形状小。减小的数值叫做电极减寸量。

　　电极减寸量R=（型腔尺寸－电极尺寸）÷2

　　电极减寸量示意图▲

　　（2）电极减寸量决定了加工速度

　　放电加工的能量大，加工速度就会快，放电间隙也会大。如果电极减寸量加大，加工速度(去除率)可提高数倍，另外重要的一点是粗加工条件不仅速度快而且损耗小。那也就说明如果电极减寸量足够的话，可以使用高效而且低损耗的条件。

　　电极减寸量决定了速度▲

　　2. 如何得到良好的表面质量

　　粗加工的表面质量很粗糙，但是我们又希望在短时间内得到良好的表面质量。要实现这一目标的最好办法就是用粗加工条件加工掉大部分，然后再用精加工条件去加工表面。

　　另外，要减少加工时间，加工条件就要在适当的时间变化。例如，如果你开始粗加工的最大粗糙度是40μm，而最后你要得到粗糙度是5μm，那么你就必须在粗加工和精加工间有多段来改变加工条件。

　　（1）底部表面

　　底部表面可以通过改变条件和设置高度来实现。但是侧面因为粗加工的的放电间隙比精加工的要大而不能实现。

　　底部加工▲

　　（2）摇动实现侧面加工

　　要加工侧面，电极就必须要接近侧面。

　　底面和侧面加工▲

　　在垂直于加工方向的平面内的运动就叫做摇动，摇动的目的是完成侧面的加工。

　　摇动和加工方向▲

　　3. 二维摇动对精度的影响

　　（1）摇动后的形状

　　首先我们要了解摇动加工后的形状。如果电极以一定的形状摇动，电极的每一部分都要以相同的形状摇动，然后画出电极的外形状，该图形的外部形状就是精加工后的形状。该方法可用在任意一种摇动形状上，这是一种有效的确定加工形状的方法。

　　有些摇动会导致不精确的形状，但是从一般的考虑，错误并不是很大。我们要对这些有足够的了解才行，我们先从两维形状的摇动分析开始。

　　摇动时电极的每一部分都走同样的形状▲

　　（2）圆形摇动

　　电极在每个尺寸上都会比实际要的形状要小一点，所以要得到想要的形状尺寸就要在各个方向上扩大一个R的尺寸。在各个方向上扩大一个R就相当于每个点都做R的圆形运动。下图显示了直线部分是正确的，但是尖角部分却是不够的。

　　对于一般的形状，如下图，电极减寸量使外角半径小，而内角半径大，这种变形就像图形偏置一样，在使用圆形摇动后，加工形状就正确了。如果用CNC或线切割做电极且用偏移来确定电极减寸量，圆形摇动做出正确的形状，没有尖角。

　　另外重要的一点是：圆形摇动这是标准的摇动方式，没有过切。如果你不是很了解摇动，那么建议选择该摇动方式。

　　（3）方形摇动

　　对于EDM，角落加工是最重要的加工之一。如果型腔本身是方形或者矩形，如下图，方形摇动就比圆形摇动好。此时，方形平动比圆形平动的加工效率要高一些。

　　但是如果你对于一般的形状也使用方形摇动就会出现问题。例如下图，你使用方形摇动，那么斜线区域就会过切，最明显的错误就是45度角的时候。

　　使用方形平动斜线部分被过切▲

　　4. 三维摇动对精度的影响

　　三维摇动对于尺寸的影响可以参考二维对于X－Y 平面Y－Z 或 Z－X 平面。

　　3D的电极▲

　　（1）底部简单形状

　　对于一般的CNC EDM机器来说，摇动值是从上到下不变的（该方法叫做“底部简单形状”）。如果X-Y平面是圆形平动的话，X-Z或Y-Z平面和方形摇动一样。这意味着底部半径和底部斜度的是一样的。通常，因为R的加工偏移原因，底部半径和斜度会变小。如果你使用底部简单形状的电极，底部的尖角就会过切。过切的数值要根据电极R的比例来确定。因为此原因，粗加工容易出现过切。

　　对于3D的电极，如果你想要使用底部简单形状的模式，那么你电极的底部角半径和斜度的就必须和最终的形状相一致。

　　（2）底部复杂形状

　　如上图，有些电极你很难确定它的底部半径，或者有时电极底部并不平整。这些电极就不可能像以上所提到的那样做。“底部复杂形状”（球形平动）的三维模式可解决这一问题。

　　典型的方式是：底部复杂形状。这在侧面（Z ― X 或 Y―Z 平面）看来是和圆形的平动一样的。没有过切的区域。如果使用大电极，该方式对于粗加工也是适用的。

　　底部形状简单和底部形状复杂▲

　　5. 结论

　　①适当的R，尽可能取大一些，可以大幅度减少加工时间。

　　②基本上，摇动应该选用圆形，因为它在各个方向上都是一样的R值，?圆形摇动是最安全的方式。

　　③选择方形摇动会在尖角和斜边部分引起过切，只适合在矩形类形状。

　　④简单形状的二维摇动，使用圆形摇动，它的X-Y平面是圆形，但X-Z、Y-Z却是方形摇动，因此对于底部复杂形状也会产生过切。

　　⑤基于圆形摇动是最安全的原理，使用三维球形摇动，在各个方向都是圆形摇动，故在3个尺寸都是安全的。

　　⑥对于高精度要求的复杂型腔一定要选择三维球形摇动；而对于大多数放电加工，一般选择二维的圆形平动能够满足要求，较三维球形摇动容易获得好的光洁度与高效率。

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