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行禁運和技術(shù)封鎖政策。研制高檔精密特種加工機(jī)床，并實現(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)點是摩擦力小、運動精度高、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的運動，能實現(xiàn)高剛性的連接和高靈敏度的運動控制。具有摩擦力和反向間隙小，避免低速爬行等優(yōu)點，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，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，一個用于電極制造，可安裝在車床、銑床或電火花線切割機(jī)床上，另一個安裝在電火花成形機(jī)床上。夾頭需要較多，每個電極用一個夾頭。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方孔與卡盤上的棱形體嚙合作為取向和對中，再加上四個平面支承腳支撐，采取過定位誤差補償原理，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，實現(xiàn)電極的精密定位。在裝夾時，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，在沒有外力時不會松動。定位精度高，安裝簡潔方便。快換夾具的使用，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)時間是快換夾具的又一特點。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，可實現(xiàn)無人操作。由此可見，快換夾具不僅是節(jié)省調(diào)整時間，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)壓回路實現(xiàn)，并能實現(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現(xiàn)了±1μm.

 

　　六、典型加工實驗1.高效鏡面加工實驗電極為紫銅棒，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.實驗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)，完成整個加工過程。加工時間小于1h.

 

　　當(dāng)加工面積為314mm2（Ф20mm），加工深度為0.5mm時，加工時間為1h40min左右。當(dāng)加工面積為490mm 2（Ф25mm），加工深度為0.5mm時，加工時間為2h左右。當(dāng)加工面積為706mm 2（Ф30mm），加工深度為1.0mm時，加工時間為4h左右。當(dāng)加工面積為962mm 2（Ф35mm），加工深度為1.0mm時，加工時間為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)在兩個方面：一是實現(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鋼的加工實例照片。在實驗中，完成了直線、圓弧插補的加工，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)動加工實驗在機(jī)床上裝備自主研制的精密分度旋轉(zhuǎn)軸U軸（C軸），配合其他三個直線軸進(jìn)行的四軸四聯(lián)動加工實驗，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%；實現(xiàn)了多軸聯(lián)動加工（如四軸四聯(lián)動加工實驗）。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。