精密及微细电火花加工_一_

精密及微细电火花加工 （ 一）
韩春馗 张 琛 !"#$%&%’( )(* +%$"’ ,-+ +)$.%(%(/（ !）
$%& ’()*+),，-$%&. ’(/* 随着科学技术的进步， 对机械零件及工、 检、 模具 的精度要求日益提高， 精密电火花加工已在精密加工 领域占有一席之地。例如加工： 伺服阀阀套方孔、 阀芯 异形孔及槽； 各种窄缝零件及栅网； 精密钻模及冲模、 化纤异形喷丝孔板； 喷墨打印机喷嘴； 医疗器械及微电 子器件上的微孔、 光阑等。 为了探求精密及微细孔电火花加工的工艺特点， 北京机床研究所利用本所研制生产的 0.1234% 型坐 标电火花成型机床， 结合具体加工对象， 开展试验研 究， 取得了重要成果。本文以研究报告为基础， 结合近 几年国外在微精及微细电火花加工中的新成果， 着重 介绍电火花微精加工中的特殊问题和工艺规律。其工 艺数据适用于国内多年小批量生产的 0.1234% 型坐 标电火花成型机床， 对近年来已在市场上大量应用的 数控电火花成形机也具有参考意义。 耗不大， 但校直及尺寸控制比较困难， 必要时还需配用 导向机构。 选用电极材料时应特别注意材料成分。杂质及含 量对电加工性能有很大影响。还应消除材料的内应 力， 以免加工后产生弯曲。 !" # 精密微细孔的加工条件要求 （7） 机床工作台定位精度在 4 "8 以内； 高精度旋转主轴， 振摆小， 动态精度高。最好 （4） 不用附加旋转轴型式。转速为 5 9 7 555 : ; 8,*； （3） 电极夹具的重复定位精度在 4 "8 以内； （2） !、 "、 # 轴伺服分辨率不大于 7 "8； （1） 各轴伺服响应速度高、 增益大； （"） 放电加工参数如电压、 脉冲宽度、 峰值电流、 附加间隙并联电容等能做微量调整； （!） 限定放电电路的 电 气 分 布 参 数， 如 电 感、 电 容； （<） 恒温工作间。 !" $ 76 36 7 圆柱电极的制作 机械加工法 采用传统方式的接触式切削加工如车削、 磨削制 作精密微细电极， 需要操作人员具有高度熟练的加工 技巧。据 说 机 械 加 工 的 最 小 加 工 直 径 可 达 #56 51 88， 相应的加工孔径可为 #56 5"1 88。通常的切削直 径为 #56 1 9 7 88， 可以作为进一步加工的毛坯。 近年来， 瑞典 3= 公司和瑞士 >=?@% 公司制作出 了 “ 高精度工艺基准定位系统” ， 它将常用的电火花成 形机床、 线电极切割机床与数控车床、 铣床、 磨床和加 工中心及三坐标测量机等做出一个统一的基准平台， 组成柔性制造系统， 利用数控机床工作台 ! 、 " 方向及 主轴 # 方向都有 “ 电子零点” 即 “ 坐标基准点” 的固定 基准， 只要已知工件和工具电极在 ! 、 "、 # （ 以及数控 回转轴 $、 %、 &） 的精确坐标位置， 就能建立起工件与 工具之间的快速找正系统。在制作电极时， 因为都是 装夹在同一工具系统中的标准电极夹具中被加工过， 都有统一的同心、 同位的工艺定位基准， 装到电火花机 床上后， 不需再做找正调整， 利用数控系统马上可以进
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பைடு நூலகம்
移动， 以接触感知方式测量。再细的电极因易弯曲不 宜作直接接触的感知测量， 则用坐标法和光学测量法。 &+ (+ & 坐标法测量 先用双向轮表法测出主轴， 轴心与反拷块刃口重 合时的坐标， 如图 &% 所示。主轴上装杠杆表， 使其触
头有一回转半径 ! ， 在反拷块工作面上第一次轮表找 出高点记下表头读数和坐标 "（ $ 设定反拷块工作面与 " 坐标方向垂直） 。然后在反拷块工作台上贴一块规， 在块规上第二次轮表， 移动坐标使高 主轴回转 $%&’ ， 点读数与第一次相同， 记下坐标 "( ， 则主轴轴心与反 拷块刃口重合时的坐标为 "& #（ "$ $ "( ） %( 必须指出， 反拷块重磨后上述 "& 值应重测。
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电极
精密加工中， 除了直径 56 7 88 以下的微孔加工
外， 一般都按照电火花加工的常规， 通过转换加工规 准， 以达到所需的尺寸精度及表面粗糙度要求。这时， 中、 精规准加工时的加工余量很小， 因而对各档加工电 极的几何精度、 表面质量以及更换电极时的重复定位 精度都提出了较高的要求。由于不能采用直接接触法 计量， 制造电极的尺寸控制具有一定特殊性。 !" ! 电极材料 紫铜电极价廉易得， 用于孔径小、 相同直径孔数少 且深度不大的工件的加工。铜钨合金电极用于加工： 孔径更小、 要求更高的孔； 相同直径孔数较多或深度大 的孔； 要求高的盲孔； 因结构限制不宜采用增加进给量 以补偿电极损耗的型孔； 工件是硬质合金材料且较深 的孔； 制作电极用的反拷块等。银钨合金比铜钨合金 性能更好但价钱太贵。黄铜电极与紫铜电极相比， 其 机械强度高， 放电加工稳定性好， 特别是黄铜管规格齐 全， 平直度好， 常用作预孔加工以及作为电极直接加 工， 但损耗大。近几年发展起来的用线电极磨削法来 精制微细电极也是用黄铜丝。钨丝类材料作为电极损
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行加工。这种工具电极的重复定位精度在 # $ !% 以 内， 可以方便地用作电极制作、 修整以及多电极的加 工。 $& ’& ( 细丝电极法 现成的电极丝有黄铜丝、 紫铜丝、 钨丝和钼丝。由 于存在变形和弯曲的问题， 往往需要利用导管或导向 器进行导向。钨丝的刚度及电极损耗比较好， 曾报导 过使用 ")& )* %% 的钨丝加工出 ")& )! %% 的微孔。 汽油机和柴油机喷嘴小孔大批量生产中， 小孔采用电 火花加工。它采用盘状钨丝电极经重复定位、 重复进 给方式进行加工。 $& ’& ’ 电火花反拷成形法 即用一块块状电极 （ 通常为铜钨或银钨合金材料 俗称反拷块） 作为一次电极， 通过火花放电方式制造 出二次电极即电火花加工用的工具电极， 再用之加工 工件。如图 $ 所示， 用一块长约 *) %%、 厚约 * %% 的 +,-.) 块， 用小压板固定在座板上， 座板的 !、 "、 #三 面已经过精磨。使用前， 先将铜钨合金块连同座板一 起放在平面磨床上， 以 ! 面为基准面精磨出 $ 面， 再 将座板压紧在电火花机床的工作台上， 用杠杆表找正 $ 面， 使与机床的一个坐标方向 （ 通常为 % 方向） 平行 （ 精度在 ( !% 内） 。待加工的电极装在机床的主轴上 随主轴上下伺服运动并旋转移动 & 轴使反拷块与电 极产生放电， 藉助二者损耗量不同， 使主轴上的电极成 为被加工件， 这时， 用 & 轴进给量控制电极的直径尺 寸， 用 ’ 轴进给量控制电极的成形长度， 同时 % 轴也 做均匀而缓慢的移动， 用以补偿反拷块的损耗。也可 以将 ’ 轴伺服电气锁定进行反拷加工。在制作径向 跳动量大的较长电极时， 可分段用主轴电气锁定法反 拷。在消除径跳后， 再用主轴伺服反拷， 否则加工不易 稳定， 甚至形成椭圆形电极截面。
带 “ -” 者为日本某公司资料
为减小微细电极的振摆， 主轴转速应限定在 &%% 0 1 ’23 以下。当电极直径特别小时， 还应停止循环液 泵， 使反拷加工处在静止的工作液中。 反拷加工的电规准也要降低能量。如制作直径为 %+ %&( ’’ 的电极时， 最后精拷加工的电源电压为 &)( 4， 间隙并 联 电 容 不 大 于 (& !5， 制作的电极长度约 %+ , ’’， 即长径比为 &6 。 日本的某公司采用精密旋转主轴头与线电极放电 磨削相结合的方式， 制作出极小尺寸的电极轴， 并保证 了较高的尺寸和形状精度， 如 图 7 。线 电 极 磨 削 丝 缓 慢 地 沿着走丝导块上的导槽面移 动， 被加工的微小电极轴则随 主轴旋转及轴向进给。电极 材料是紫铜， 线电极丝是黄铜 合金， 电源电压 &%% 4， 89 脉 冲电 源 的 限 流 电 阻 为 , %%% 放电电容是 & !5， 正极性加工， 工作液用煤油， 加工 "， 后的电极轴直径小于 %+ & ’’ 甚至更小。 !" $ 圆柱电极的测量 #&+ ( ’’ 以上的紫铜电极和 #& ’’ 以上的铜钨 合金电极， 可用千分尺直接测量。也可利用置于工作 台上的基准球， 使数控工作台沿 : $ 轴或 : % 轴方向 !" # 微细电极的制作 直径小于 %+ , ’’ 的电极通常用反拷法制作。这 种微细电极， 尤其是当长度较大时， 放电过程中产生的 冲击力， 足以导致电极端部微微颤动。在主轴重复进 退对电极用 “ 珩磨” 加工时， 电极端部放电几率增加。
两种加工方式比较
反拷块式 ’ $% . , ’ ( , , 稍差 ’： *： 差 线电极磨削式 , "& . ’ . 推定 ) ’ *
以上两种因素都可使电极产生明显的锥度， 甚至将极 细的尖部毁掉。 将反 拷 块 磨 制 或 垫 成 一 个 斜 角 ! （ 斜 度 约) " & %%% ） ， 如图 "-， 在主轴伺服进给时， 可减少电极端部 重复放电的机会。也可将主轴悬停即电气锁定， 如图 ".， 主轴不作上下方向的运动， 用横向进给对电极全长 作反拷加工。每次进给量约为 & / ( !’， 加工间隙偏 向空载状态。
（$） 反拷加工的电参数 反拷加工时， 被加工电极与反拷块间的放电加工 仅是一条直线， 放电面积很小。为增大被加工电极的
是线电极磨削方式， 可用于微细电极的成形制造， 虽然 结构复杂， 但成形直线度好， 电极长度也较长。 表 $ 是两种加工方式的比较。
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项目 成形长径比 ! " # 直径精度 同轴度 直线度 最小直径 " !’ 成形时间 装置成本 优越 # # ,： 一般 .：