电火花加工

(2) 电极材料的熔化、气化热膨胀(如图5-1(b)、(c)所 示)。液体介质被电离、击穿，形成放电通道后，通道间 带负电的粒子奔向正极，带正电的粒子奔向负极，粒子间 相互撞击，产生大量的热能，使通道瞬间达到很高的温度。 通道高温首先使工作液汽化，进而气化，然后高温向四周 扩散，使两电极表面的金属材料开始熔化直至沸腾气化。 气化后的工作液和金属蒸气瞬间体积猛增，形成了爆炸的 特性。所以在观察电火花加工时，可以看到工件与工具电 极间有冒烟现象，并听到轻微的爆炸声。
(2) 火花放电必须是短时间的脉冲性放电，这样才能使 放电产生的热量来不及扩散到其他部分，从而有效地蚀除金 属，提高成型性和加工精度。 (3) 脉冲波形是单向的，以便充分利用极性效应，提高 加工速度和降低工具电极损耗。 (4) 脉冲波形的主要参数(峰值电流、脉冲宽度、脉冲间 歇等)有较宽的调节范围，以满足粗、中、精加工的要求。 (5) 有适当的脉冲间隔时间，使放电介质有足够时间消 除电离并冲去金属颗粒，以免引起电弧而烧伤工件。 电源的好坏直接关系到电火花加工机床的性能，所以电 源往往是电火花机床制造厂商的核心机密之一。
快速走丝线切割机床的电极丝作高速往复运动，一般 走丝速度为8～10 m/s，是我国独创的电火花线切割加工模 式。快速走丝线切割机床上运动的电极丝能够双向往返运 行，重复使用，直至断丝为止。线电极材料常用直径为 0.10～0.30 mm的钼丝(有时也用钨丝或钨钼丝)。对小圆角 或窄缝切割，也可采用直径为0.6 mm的钼丝。 工作液通常采用乳化液。快速走丝线切割机床结构简 单、价格便宜、生产率高，但由于运行速度快，工作时机 床震动较大。钼丝和导轮的损耗快，加工精度和表面粗糙 度就不如慢速走丝线切割机床，其加工精度一般为0.01～ 0.02 mm，表面粗糙度Ra为1.25～2.5 µm。
Z轴轴轴角工(Z+)
重重角工
角角角工
Rotation machining Rotation machining Rotation machining Rotation machining Rotation machining Rotation machining
旋旋角工
旋旋角工
旋旋角工
旋旋角工
旋旋角工
(a) 单脉脉单电单单
(b) 多脉脉单电单单
图5-2 电火花表面局部放大图
电电 工工
3
2 1—工工；2—脉脉电脉； 3—自自自自自自自自； 4—工工；5—工工工； 6—过过断；7—工工工工
4
(b) 穿导角工
5 6 7
电电 工工
1
(a) 电电电角工电电轴电电
(c) 成成角工
图5-3 电火花加工
5.1.2数控电火花机床 我国国标规定，电火花成型机床均用D71加上机床工作 台面宽度的1/10表示。例如D7132中，D表示电加工成型机床 (若该机床为数控电加工机床，则在D后加K，即DK)；71表 示电火花成型机床；32表示机床工作台的宽度为320 mm。 在中国大陆外，电火花加工机床的型号没有采用统一标 准，由各个生产企业自行确定，如日本沙迪克(Sodick)公司 生 产 的 A3R 、 A10R ， 瑞 士 夏 米 尔 (Charmilles) 技 术 公 司 的 ROBOFORM20/30/35，台湾乔懋机电工业股份有限公司的 JM322/430，北京阿奇工业电子有限公司的SF100等。
第五章 数控特种加工机床
5.1 数控电火花机床 5.2 数控线切割机床
5.1 数控电火花机床
5.1.1 电火花加工原理 电火花加工基于电火花腐蚀原理，是在工具电极与 工件电极相互靠近时，极间形成脉Байду номын сангаас性火花放电，在电 火花通道中产生瞬时高温，使金属局部熔化，甚至气化， 从而将金属蚀除下来。这一过程大致分为以下几个阶段 (如图5-1所示)：
电火花加工机床按其大小可分为小型(D7125以下)、 中型(D7125～D7163)和大型(D7163以上)；按数控程度分 为非数控、单轴数控和三轴数控。随着科学技术的进步， 国外已经大批生产三坐标数控电火花机床，以及带有工 具电极库、能按程序自动更换电极的电火花加工中心， 我国的大部分电加工机床厂现在也正开始研制生产三坐 标数控电火花加工机床。
可以加工难以用金属切削方法加工的零件,不受材料 硬度影响。由于工具电极与工件电极不直接接触,没有机 械切削力。所以在制作工具电极时不必考虑其受力特性, 工具电极可以做的十分微细,能进行微细加工和复杂型面 加工。不足之处是效率低，存在电极损耗，最小半径限 制等。 由于电火花成形加工有其独特的优点，加上数控水平 和工艺技术的不断提高，其应用领域日益扩大，已在机 械(特别是模具制造)、宇航、航空、电子、核能、仪器、 轻工等部门用来解决各种难加工材料和复杂形状零件的 加工问题。加工范围可从几微米的孔、槽到几米大的超 大型模具和零件。
旋旋角工
Rotation machining machining Side
Fan shap machining machining Step
C-axis positioning C-axis helical gear machining(optional) machining(optional)
旋旋角工
脉 脉 电 脉
工 工 电 电
A B
(a)
工工电电
(b)
(c)
(d)
(e)
图5-1 电火花加工原理
(1) 极间介质的电离、击穿，形成放电通道(如图5-1(a)所 示)。工具电极与工件电极缓缓靠近，极间的电场强度增大， 由于两电极的微观表面是凹凸不平的，因此在两极间距离最 近处电场强度最大。 工具电极与工件电极之间充满着液体介质，液体介质中 不可避免地含有杂质及自由电子，它们在强大的电场作用下， 形成了带负电的粒子和带正电的粒子，电场强度越大，带电 粒子就越多，最终导致液体介质电离、击穿，形成放电通道。 放电通道是由大量高速运动的带正电和带负电的粒子以及中 性粒子组成的。由于通道截面很小，通道内因高温热膨胀形 成的压力高达几万帕，高温高压的放电通道急速扩展，产生 一个强烈的冲击波向四周传播。在放电的同时还伴随着光效 应和声效应，这就形成了肉眼所能看到的电火花。
工作液强迫循环过滤是由工作液循环过滤器来完成的。电 火花加工用的工作液过滤系统包括工作液箱、电动机、工作液 分配器、阀门、油杯、油泵、容器、过滤器及管道等，使工作 液强迫循环。 工作液过滤装置常用介质有纸质、硅藻土等。过滤精度一 般为10υm,微精加工要求1～2 υm.
4. 数控系统 数控装置既可以是专用的也可以是通用数控的装置上增加所需专用 功能。 数控系统规定除了直线移动的X、Y、Z三个坐标轴系统外，还有三 个转动的坐标系统，即绕X轴转动的A轴，绕Y轴转动的B轴，绕Z轴转动 的C轴。若机床的Z轴可以连续转动但不是数控的，如电火花打孔机，则 不能称为C轴，只能称为R轴。 根据机床的数控坐标轴的数目，目前常见的数控机床有三轴数控电 火花机床、四轴三联动数控电火花机床、四轴联动或五轴联动甚至六轴 联动电火花加工机床。三轴数控电火花加工机床的主轴Z和工作台X、Y 都是数控的。从数控插补功能上讲，又将这类型机床细分为三轴两联动 机床和三轴三联动机床。
三轴两联动是指X、Y、Z三轴中，只有两轴(如X、 Y轴)能进行插补运算和联动，电极只能在平面内走斜线 和圆弧轨迹(电极在Z轴方向只能作伺服进给运动，但不 是插补运动)。三轴三联动系统的电极可在空间作X、Y、 Z方向的插补联动(例如可以走空间螺旋线)。 四轴三联动数控机床增加了C轴，即主轴可以数控 C 回转和分度。 现在部分数控电火花机床还带有工具电极库，在加 工中可以根据事先编制好的程序，自动更换电极。
目前普及型(经济型)的电火花加工机床都采用高低 压复合的晶体管脉冲电源，中、高档电火花加工机床 都采用微机数字化控制的脉冲电源，而且内部存有电 火花加工规准的数据库，可以通过微机设置和调用各 挡粗、中、精加工规准参数。例如汉川机床厂、日本 沙迪克公司的电火花加工机床，这些加工规准用C代码 (例如C320)表示和调用，三菱公司则用 E代码表示。
电火花加工机床结构 电火花加工机床主要由机床主机、脉冲电源、机 床电气、工作液过滤和循环系统、数控系统等部分组 成，如图5-6所示。
自动进给调节系统 控制装置 间 隙 参考值 增益 设定 进给系统
比较器
放大器
间 隙 传感器
脉冲电源 床 身
工作液循环 过滤系统
(a) 原理图
(b ) 实物
1. 机床主机及附件 机床本体主要由床身、立柱、主轴头及工作台等。附件包括用以 实现工件和工具电极的装夹固定和调整其相对位置的机械装置。 床身、支柱、坐标工作台是电火花机床的骨架，起着支承、定位 和便于操作的作用。因为电火花加工宏观作用力极小，所以对机械系 统的强度无严格要求，但为了避免变形和保证精度，要求具有必要的 刚度。主轴头下面装夹的电极是自动调节系统的执行机构，其质量的 好坏将影响到进给系统的灵敏度及加工过程的稳定性，进而影响工件 的加工精度。 主轴头是电火花成形加工机床的一个关键部件，在结构上由伺服 进给电动机、滚珠丝杠螺母副在立柱上面做升降移动。用以控制工件 与工具电极之间的放电间隙。间隙过大不会放电，驱动工具电极进给 靠拢。如果短路时，必须驱动反向离开。
3. 工作液过滤和循环系统 电火花加工时工作液的作用有以下几方面: 1）放电结束后恢复放电间隙的绝缘状态（消电离），以便下一个 脉冲电压再次形成火花放电。为此要求工作液有一定的绝缘强度。 2）使电蚀产物较易从放电间隙中悬浮、排泄出去，免得放电间隙 严重污染，导致火花放电点不分散而形成有害的电弧放电。 3）冷却工具电极和降低工件表面瞬时放电产生的局部高温，否则 表面会因局部过热而产生结炭、烧伤并形成电弧放电。 4）工作液还可压缩火花放电通道，增加通道中压缩气体、等离子 体的膨胀及爆炸力，以抛出更多熔化和气化了的金属，增加蚀除量。 目前采用煤油作为电火花成形加工的工作液，也可以用变压器 油和专用油。不过煤油易着火。因此当粗规准加工时，应使用机油 或掺机油的工作液。