隨著制造領(lǐng)域向產(chǎn)品高精度化、材料的多樣化、加工復(fù)雜化方向的發(fā)展，對制造設(shè)備提出了更高的要求，因此開發(fā)高速度、高精度的具有智能化控制的特種加工設(shè)備一直是人們追求的目標(biāo)。

 

　　精密數(shù)控特種加工機(jī)床是精密加工技術(shù)的重要設(shè)備，對精密機(jī)械、汽車、微電子、家電產(chǎn)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。目前，我國的精密加工水平與發(fā)達(dá)國家比較還有相當(dāng)大的差距，我國當(dāng)前某些精密產(chǎn)品尚需進(jìn)口（主要是精密機(jī)床和數(shù)控機(jī)床），越是精密與超精密的加工制造設(shè)備，國外掌握該技術(shù)與設(shè)備的國家對我國越實(shí)行禁運(yùn)和技術(shù)封鎖政策。研制高檔精密特種加工機(jī)床，并實(shí)現(xiàn)其產(chǎn)業(yè)化，對我國特種加工機(jī)床的整機(jī)技術(shù)水平接近或趕超國際先進(jìn)水平有著非常重要的意義。本文的成果采用引進(jìn)消化吸收、自主創(chuàng)新的手段，研制的精密自動多軸數(shù)控電火花成形機(jī)床為我國特種加工行業(yè)做出了一定的貢獻(xiàn)。

 

　　一、B型精密數(shù)控電火花成形加工機(jī)床B型精密數(shù)控電火花成形機(jī)床采用“C”型結(jié)構(gòu)，中心負(fù)重形式，形成左右對稱的*合理的楔形結(jié)構(gòu)。優(yōu)點(diǎn)是具有較好的剛性，導(dǎo)軌受壓均勻，精度高。機(jī)床的床身、立柱采用優(yōu)質(zhì)鑄鐵樹脂砂鑄造技術(shù)制造，經(jīng)過2次時(shí)效處理，保證了機(jī)床具有較高的靜態(tài)、動態(tài)剛性和減振性能，是精密數(shù)控機(jī)床精度保證的前提。機(jī)床工作臺采用優(yōu)質(zhì)花崗巖材質(zhì)制成的00級平板，這種材質(zhì)熱變形小，能確保機(jī)床精度長久保持；絕緣性好，可大大降低在放電加工時(shí)兩極間存在的寄生電容，是進(jìn)行高精度鏡面加工的保障。X、Y、Z軸的絲杠、導(dǎo)軌副均采用高精度的進(jìn)口零部件，采用進(jìn)口研磨級（C2級）高精度滾珠絲杠，超精密級（HP級）直線滾動導(dǎo)軌和高精度（P4級）雙向無間隙背推球軸承。其優(yōu)點(diǎn)是摩擦力小、運(yùn)動精度高、精度保持性好，另外，其剛性和靈敏度都比較高，機(jī)電控制性能比較好。因此，機(jī)床的精度非常高，定位精度達(dá)到2μm/任意100mm，重復(fù)定位精度達(dá)到2μm.主軸頭采用高性能交流伺服電動機(jī)和滾動導(dǎo)軌、滾珠絲杠的直拖結(jié)構(gòu)，配置高精度的編碼器，可實(shí)現(xiàn)小于0.1μm/單脈沖的驅(qū)動當(dāng)量和*大移動速度可達(dá)10m/min的運(yùn)動，能實(shí)現(xiàn)高剛性的連接和高靈敏度的運(yùn)動控制。具有摩擦力和反向間隙小，避免低速爬行等優(yōu)點(diǎn)，提高了主軸的伺服性能。是精密數(shù)控電火花成形機(jī)床的結(jié)構(gòu)圖。

 

　　二、B型電火花成形加工機(jī)床用精密分度軸B型電火花成形加工機(jī)床精密分度軸（C軸，也稱為U軸），可進(jìn)行精確的角度定位和連續(xù)旋轉(zhuǎn)伺服加工。C軸與Z軸聯(lián)動，可對內(nèi)外螺紋、內(nèi)外斜齒輪等類似的零件進(jìn)行加工；C軸與X、Y軸聯(lián)動，可對齒條、滾筒花紋模具、各類木工刀具()等復(fù)雜零件進(jìn)行加工。數(shù)控電火花成形加工機(jī)床配上C軸，可大大擴(kuò)展其加工范圍，增強(qiáng)加工能力。尤其是對曲線或曲面形狀的工件進(jìn)行加工時(shí)，C軸可與其他各軸聯(lián)動，在三維空間內(nèi)，加工出復(fù)雜的型腔和截面，如蝸輪、蝸桿、螺紋等。是在B型電火花成形加工機(jī)床上裝備瑞士3R公司的高精度內(nèi)置式C軸的照片，此C軸能夠達(dá)到較高的精度，其主要技術(shù)指標(biāo)：①*小分度（分辨率）：12.96"/單步；②反向間隙：21.6"；③定位精度：21.6"；④重復(fù)定位精度：7.2"；⑤轉(zhuǎn)動速度：0～20rpm/min；⑥*大加工電流：30A；⑦*大承載重量：5kg；⑧夾頭夾持范圍：Ф3～20mm.

 

　　內(nèi)置式C軸照片三、自動電極快速交換夾具為了解決形狀復(fù)雜、尺寸較小或無法加工基準(zhǔn)面的電極制造及用于刀具庫使用的電極制造等問題，可在電極加工前將其固定在一個(gè)附加基準(zhǔn)（隨行夾具），并保證夾具和電極之間的連接可靠，在電極的車、銑、電火花線切割直至*后電火花成形加工時(shí)都以此為定位基準(zhǔn)，這種隨行夾具由于采用統(tǒng)一基準(zhǔn)的原理，故可控性和重復(fù)性好，即裝拆過程無需調(diào)整就可保證位置精度，減少輔助調(diào)整時(shí)間。這種快速可換夾具由若干卡盤和夾頭組成，一般卡盤*少有兩個(gè)，一個(gè)用于電極制造，可安裝在車床、銑床或電火花線切割機(jī)床上，另一個(gè)安裝在電火花成形機(jī)床上。夾頭需要較多，每個(gè)電極用一個(gè)夾頭。是一種高精度快換夾具照片。

 

　　它是由連接基座、夾緊拉釘、定位片、四個(gè)支承腳和鎖緊裝置等組成。這種夾具以定位片上十字分布的四個(gè)方孔與卡盤上的棱形體嚙合作為取向和對中，再加上四個(gè)平面支承腳支撐，采取過定位誤差補(bǔ)償原理，在柔性的定位片和剛性的中心棱形體之間建立了穩(wěn)定的位置精度，實(shí)現(xiàn)電極的精密定位。在裝夾時(shí)，將夾緊拉釘插入連接基座的孔內(nèi)，用專用扳手?jǐn)Q緊鎖緊螺釘，螺釘推動帶自鎖的滾珠鎖緊機(jī)構(gòu)將電極牢固的夾緊，其夾緊力為4000N，在沒有外力時(shí)不會松動。定位精度高，安裝簡潔方便?？鞊Q夾具的使用，簡化安裝校正過程，提高定位精度，重復(fù)定位精度可控制在2μm左右。

 

　　自動化程度高、縮短裝夾和待機(jī)時(shí)間是快換夾具的又一特點(diǎn)。由于電極和工件均采用快換夾具進(jìn)行裝夾、校正和加工，因此，電極和工件可在機(jī)外裝夾、校正和測量，其補(bǔ)償值也可在機(jī)外測定，并預(yù)先編入程序。例如電極經(jīng)車、銑、磨、電火花線切割成形后，在三坐標(biāo)測量機(jī)檢查與圖樣的符合程度，并測出加工中的定位誤差，通過程序編制，軟件傳輸，隨電極一起送到電火花成形加工機(jī)床上，在加工中進(jìn)行補(bǔ)償。

 

　　再者，電極和工件放入刀具庫，由機(jī)械手按指令交換所需的電極或工件，可實(shí)現(xiàn)無人操作。由此可見，快換夾具不僅是節(jié)省調(diào)整時(shí)間，而且是電火花加工工序自動化的基礎(chǔ)。

 

　　四、A2型智能化精密數(shù)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(jī)床的一個(gè)重要組成部分，幾乎所有的電火花成形加工機(jī)床的加工性能，例如，加工穩(wěn)定性、加工速度、電極損耗、工件的表面粗糙度、表面變質(zhì)層等都與脈沖電源有關(guān)。

 

　　本文研制的A2型智能化精密數(shù)控電火花成形加工脈沖電源系統(tǒng)由數(shù)控系統(tǒng)和電火花加工控制系統(tǒng)、功率放大單元、主回路單元、自動調(diào)整電壓單元、運(yùn)動軸驅(qū)動單元等部分構(gòu)成。電火花加工控制系統(tǒng)主要包括以下部分：時(shí)鐘控制與放電脈沖信號發(fā)生部分、電流電壓等參數(shù)設(shè)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(tài)（電壓電流）檢測部分、異常放電處理部分（增大脈間、切斷脈寬、減小脈寬、增大電流）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(fù)合回路、低損耗回路、超精加工回路、特殊材料加工回路等?？梢愿鶕?jù)所提供的脈沖電源的主要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，任意選用，疊加到放電間隙，使加工對象得到*佳工藝效果。功率放大單元完成對加工脈沖電壓電流的功率放大，它由IGBT功率開關(guān)管和前置驅(qū)動放大電路組成。自動調(diào)整電壓單元提供穩(wěn)定的加工電壓，由晶閘管整流自動穩(wěn)壓回路實(shí)現(xiàn)，并能實(shí)現(xiàn)數(shù)控化和多種保護(hù)功能。

 

　　精密數(shù)控電火花加工脈沖電源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如所示。

 

　　五、主要技術(shù)指標(biāo)自主研制成功了超精放電回路，實(shí)現(xiàn)了電流從IP0.1～I(xiàn)P0.9的精細(xì)調(diào)節(jié)；研制成功了鏡面加工回路，*佳表面粗糙度為R a≤0.05μm（500mm 2）；使用了17位編碼器的高精度電動機(jī)驅(qū)動器系統(tǒng)，具有高定位精度和高加工精度；控制系統(tǒng)*小驅(qū)動精度實(shí)現(xiàn)了0.1μm；X、Y、Z軸的定位精度為2μm/任意？2007年第6期47 100mm，重復(fù)定位精度為1μm（ISO 11090-1：1998標(biāo)準(zhǔn)）；加工精度在一定條件下實(shí)現(xiàn)了±1μm.

 

　　六、典型加工實(shí)驗(yàn)1.高效鏡面加工實(shí)驗(yàn)電極為紫銅棒，工件材料為S136.

 

　　輸入?yún)?shù)：加工面積79mm 2（Ф10mm）、加工深度1 m m、加工表面粗糙度R a 0.05μm和電極縮放量300μm.實(shí)驗(yàn)采用智能化自動加工，輸入以上加工參數(shù)，數(shù)控系統(tǒng)依據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算結(jié)果即自動生成加工程序并優(yōu)化工藝參數(shù)，完成整個(gè)加工過程。加工時(shí)間小于1h.

 

　　當(dāng)加工面積為314mm2（Ф20mm），加工深度為0.5mm時(shí)，加工時(shí)間為1h40min左右。當(dāng)加工面積為490mm 2（Ф25mm），加工深度為0.5mm時(shí)，加工時(shí)間為2h左右。當(dāng)加工面積為706mm 2（Ф30mm），加工深度為1.0mm時(shí)，加工時(shí)間為4h左右。當(dāng)加工面積為962mm 2（Ф35mm），加工深度為1.0mm時(shí)，加工時(shí)間為4h20min左右。以上加工的表面粗糙度均可達(dá)到R a≤0.1μm.

 

　　2.棒狀電極展成加工（三軸聯(lián)動）眾所周知，電火花成形加工機(jī)床數(shù)控化的意義主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是實(shí)現(xiàn)了操作上的自動化，提高了加工精度及效率；二是擴(kuò)大了應(yīng)用范圍。用棒狀或簡單形狀的電極，依據(jù)程序控制進(jìn)行各種圖形的加工。是用Ф2紫銅棒加工45鋼的加工實(shí)例照片。在實(shí)驗(yàn)中，完成了直線、圓弧插補(bǔ)的加工，還進(jìn)行了不同深度的程序加工，即三軸聯(lián)動的加工。

 

　　3.四軸四聯(lián)動加工實(shí)驗(yàn)在機(jī)床上裝備自主研制的精密分度旋轉(zhuǎn)軸U軸（C軸），配合其他三個(gè)直線軸進(jìn)行的四軸四聯(lián)動加工實(shí)驗(yàn)，0所示的加工樣件為空間曲線的汽車密封件成型模具示意圖，它是用一個(gè)與端面形狀相同的片狀紫銅電極，通過X、Y、Z、U四軸的伺服聯(lián)動完成的空間曲面內(nèi)藏式的型腔加工，該形狀的模具用機(jī)械加工方法是很難實(shí)現(xiàn)的。

 

　　七、結(jié)論研制開發(fā)了B型精密數(shù)控電火花成形加工機(jī)床和A2型智能化精密數(shù)控電火花成形加工脈沖電源系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了重復(fù)定位精度2μm的高精度定位控制，放電加工的*小表面粗糙度R a≤0.05μm（面積490mm 2），*大加工速度480mm 3 / min（50A、銅加工鋼），*低電極損耗≤0.05%；實(shí)現(xiàn)了多軸聯(lián)動加工（如四軸四聯(lián)動加工實(shí)驗(yàn)）。B型精密數(shù)控電火花成形加工機(jī)床和A2型智能化精密數(shù)控電火花成形加工脈沖電源已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，在模具、軍工、航空航天、木工刀具等行業(yè)的應(yīng)用得到了用戶的好評。