电火花成形加工设备优化方案

1.电火花成形加工机床结构

数控电火花成形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、床身、数控装置、工作液循环系统伺服进给系统等组成，如图2-9所示。

图2-9　电火花成形加工机床结构

1—工作液循环系统；2—工作台及工作液箱；3—主轴头；4—数控装置；5—操作面板；6—手动盒；7—脉冲电源；8—伺服进给系统；9—床身

（1）脉冲电源

加在放电间隙上的电压必须是以脉冲形式放电的，否则，放电将成为连续的电弧。脉冲电源的作用是把工频交流电转换成供给火花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、加工速度、加工过程的稳定性和工具电极损耗等技术经济指标有很大的影响。脉冲电源应满足的要求有：①脉冲参数应能简单方便地进行调整，以适应各种材料、各种加工要求的需要；②尽可能小的电极损耗，这是保证成形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有足够的输出功率，满足生产线的加工速度要求；⑤电源性能稳定、可靠、价位合理，便于维修。脉冲电源的分类方法有很多。按功能可分为等电压脉宽（等频率）、等电流脉宽脉冲电源，以及模拟量、数字量、微机控制、适应控制、智能化等脉冲电源。按其作用原理和所用的主要元件、脉冲波形等可分为多种类型，见表2-2。现在普及型（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、高档的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数据库，可以通过微机设置和调用各档粗、中、精加工规准参数。

表2-2　电火花脉冲电源分类

续表

（2）机床主体

机床主体包括床身和立柱等基础结构，由它确保电极与工作台、工件之间的相互位置。位置精度的高低对加工有直接的影响，如果机床的精度不高，加工精度也难以保证。因此，不但床身和立柱的结构应该合理，有较高的刚度，能承受主轴负重和运动部件突然加速运动的惯性力，还应能减小温度变化引起的变形。

（3）数控装置

为了满足放电间隙良好地保持要求及预定的形状加工要求，对电极与工件间的相对位置通过主轴的运动进行调整与控制。数控电火花成形机床已有了五轴联动的控制系统，但在生产线上使用的大多是单轴数控或两轴联动的控制系统。

（4）工作液循环系统

主要由储液箱、泵、过滤器、管道阀门等组成，用于向放电区域不断提供干净的工作液，并将电蚀产物带出放电区域，经过滤器滤掉这些微粒。高精度电火花成形机床的工作液装置除了过滤精度高（能滤掉＞3～5 pm的微粒）外，大多配有工作液温控装置及冷却装置。

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，其电阻率在103～106Ω·cm。

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，避免表面因局部过热而产生结炭、烧伤。

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。

5）工作液应对人体和设备无害，安全和价格低廉。

工作液在选择和使用过程中还应注意以下几点：①闪点尽量高的前提下，黏度要低。电极与工件之间不易产生金属或石墨颗粒对工件表面的二次放电，这样，一方面能降低表面粗糙度，又能相对防止电极积炭率；②为提高放电的均匀稳定、加工精度及加工速度，可采用工作液混粉（硅粉、铬粉等）的工艺方法；③按照工作液的使用寿命定期更换；④严格控制工作液高度；⑤根据加工要求选择冲液、抽液方式，并合理设置工作液压力。

目前，国内外电火花加工用工作液主要成分是煤油，因为它的表面张力小，绝缘性能和渗透力好；但缺点是加工过程中会散发出呛人的油烟，故在大功率加工时，常用燃点较高的机械油或在煤油中加入一定比例的机械油。(www.xing528.com)

图2-10为工作液循环系统油路图，它既能冲油又能抽油。其工作过程是：储油箱的工作液首先经过粗过滤器1、单向阀2、吸入液压泵3，这时高压油经过不同形式的精过滤器7输向机床工作液槽，溢流安全阀5控制系统的压力不超过400 kPa，快速进油控制阀10供快速补油用，待油注满油箱时，可及时调节冲油选择阀13，由阀9来控制工作液循环方式及压力，当阀13在冲油位置时，补油冲油都不通，这时油杯中油的压力由阀9控制。当阀13在抽油位置时，补油和抽油两路都通，这时压力工作液穿过射流抽吸管12，利用流体速度产生负压，达到实现抽油的目的。

图2-10　工作液循环系统油路图

1—粗过滤器；2—单向阀；3—吸入液压泵；4—电动机；5—溢流安全阀；6—压力表；7—精过滤器；8—冲油压力表；9—压力调节阀；10—快速进油控制阀；11—抽油压力表；12—射流抽吸管；13—冲油选择阀

在加工过程中产生的电蚀产物主要是金属粉屑和高温分解出来的碳黑，若不及时排出，工作液混浊将会导致加工不稳定。因此在工作液系统中必须采用过滤装置，以便将加工产生的蚀除物颗粒滤掉，保持工作液的清洁，使放电过程能稳定持续地进行。其过滤方式和特点见表2-3。

表2-3　过滤方式和特点

（5）伺服进给系统

电火花加工与切削加工不同，属于“不接触加工”。正常电火花加工时，工具和工件间有一放电间隙S。如果间隙过大，脉冲电压击不穿间隙间的绝缘工作液，则不会产生火花放电，必须使电极工具向下进给，直到间隙S等于或小于某一值（一般S=0.1～0.01 mm，与加工规准有关），才能击穿并产生火花放电。在正常的电火花加工时，工件以vw的速度不断被蚀除，间隙S将逐渐扩大，必须使电极工具以速度vd补偿进给，以维持所需的放电间隙。如进给速度vd大于工件的蚀除速度vw，则间隙S将逐渐变小，甚至等于零，形成短路。当间隙过小时，必须减少进给速度vd。如果工具工件间一旦短路（S=0），则必须使工具以较大的速度vd反向快速回退，消除短路状态，随后再重新向下进给，调节到所需的放电间隙。这一间隙便是通过伺服进给装置实现的。目前，伺服进给系统普遍采用步进电动机、直流电动机或交流伺服电动机作为执行件。

（6）工作台

工作台主要用来支撑和装夹工件。在实际加工中，通过转动纵横向丝杆来改变电极与工件的相对位置。工作台上装有工作液箱，用以容纳工作液，使电极和工件浸泡在工作液里，起到冷却、排屑作用。工作台是操作者装夹找正时经常移动的部件，通过移动上下滑板，改变纵横向位置，达到电极与工具件间所要求的相对位置。

2.电火花成形加工机床的附件

（1）可调节工具电极角度的夹头

图2-11　可调电极夹头

装夹在主轴下的工具电极，在加工前需要调节到与工件基准面垂直，在加工型孔或型腔时，还需在水平面内调节、转动一个角度，使工具电极的截面形状与加工出工件型孔或型腔预定的位置一致。垂直度调节功能，常用球面铰链来实现，水平调节功能，靠主轴与工具电极安装面的相对转动机构来调节，垂直度与水平转角调节正确后，应用螺钉锁紧。此外，机床主轴、床身连成一体接地，而装工具电极的夹持调节部分应单独绝缘，以防止操作人员触电。可调电极夹头结构如图2-11所示。

（2）平动头

电火花粗加工时的火花间隙比半精加工的要大，而半精加工的火花间隙比精加工的又要大一些。当用一个电极进行粗加工，将工件的大部分余量蚀除掉后，其底面和侧壁四周的表面粗糙度很差，为了将其修光，就得改变规准逐挡进行修整。由于后挡规准的放电间隙比前挡小，对工件底面可通过主轴进给进行修光，而四周侧壁就无法修光了。平动头就是为解决修光侧壁和提高其尺寸精度而设计的。平动头是一个使装在其上的电极能产生向外机械补偿动作的工艺附件。在采用单电极加工型腔时，可以补偿上一个加工规准和下一个加工规准之间的放电间隙差。平动头的动作原理是：利用偏心机构将伺服电动机的旋转运动通过平动轨迹保持机构，转化成电极上每一个质点都能围绕其原始位置在水平面内作平面小圆周运动，许多小圆的外包络线就形成加工表面。其运动半径即平动量Δ通过调节可由零逐步扩大，以补偿粗、半精、精加工的火花放电间隙δ之差，从而达到修光型腔的目的。其中每个质点运动轨迹的半径就称为平动量。平动头结构如图2-12所示。

（3）永磁吸盘

永磁吸盘是固定工件很方便的一种附件，吸力一般大于100 N/cm2。使用时只需用内六角扳手左旋或右旋即可松开或吸紧工件。其结构如图2-13所示。

图2-12　平动头

图2-13　永磁吸盘