（机械工程专业论文）便携式电火花加工机的研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 从电火花加工技术创立至今，已经有6 1 年的历史。经过世界各国学者的不断 努力，电火花加工的发展非常迅速，应用范围不断扩大，基础理论和技术装备都 日趋完善。电火花加工技术发展已成为现代生产上极其重要的加工手段，在制造 业发挥着不可替代的作用。 随着制造技术水平的不断提高，涌现出很多问题需要我们解决。目前，微小 型电火花加工装置已成为研究的热点。在航空航天、微电子、医学、光学以及模 具等各个领域中，有许多零件采用常规机床加工困难，甚至无法加工，特别是对 狭小空间内的加工，还有微细孔的加工以及难加工材料的加工等，采用微小型电 火花加工装置则会取得令人满意的效果。 为了适应当今电火花加工技术发展的需要，本文设计了一台便携式电火花加 工机；制造了该加工机的电源部分，研究了此电源的放电伏安特性；设计了该加 工机的自动进给调节系统与机械装置；用p r o e n g i n e e r 完成了产品造型。 关键词：电火花加工：便携式：脉冲电源：伏安特性 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t e l e c t r i c a ld i s c h a r g em a c h i n i n g ( e d m ) t e c h n i q u eh a sb e e nc r e a t e df o r61y e a r s 、b y t h ee f f o r to ft h es c h o l a rf r o md i f f e r e n tc o u n t r i e s ，i td e v e l o p sv e r yf a s t ，i t sa p p l i c a t i o ni s c o i l t i n u a l l ye n l a r g e d ，a n di t s b a s i c t h e o r ya n dt e c h n i c a le q u i p m e n t sa r eb e c o m i n g p e r f e c t i th a ss t e a d i l yg a i n e di m p o r t a n c ei nv a r i o u si n d u s t r i a lb r a n c h e se s p e c i a l l yi n m a l u f a c t u r i n g w i t ht h ec o n s t a n ti m p r o v e m e n to ft h em a n u f a c t u r i n gt e c t m o l o g yl e v e l ，e m e r g i n ga j o to fp r o b l e m sn e e dn st os o l v e t o d a y , m i c r o m i n i a t u r ee d me q u i p m e n tb e c o m e st h e h o tp o i n t so fr e s e a r c hi ns u c he a c hf i e l da sa v i a t i o n ，s p a c e f l i g h t ，m i c r o e l e c t r o n i c s ， m e d i c a ls c i e n c e ，o p t i c sa n dm o u l d ，e t c ，i ti sd i f f i c u l tt h a tai o to fp a r t sa d o p tr o u t i n e m a c h i n et o o l i n g ，e v e nu n a b l et op r o c e s s e s p e c i a l l yt ot h ep r o c e s s i n gi nt h en a r r o w s p a c eo rp r o c e s s i n go ft h el i u l ep o r ea n dt h em a t e r i a lp r o c e s s e dd i 蚯c u l t l y , e t c w i l l m a k et h es a t i s f a c t o r yr e s u l tw h i l ea d o p t i n gt h ep r o c e s s i n ge q u i p m e n to fm i c r o m i n i a t u r e e d m t om e e tt h en e e do ft h ed e v e l o p m e n to fe d mt e c h n o l o g y , t h ep o r t a b l ee d m m a c h i n ea r er e s e a r c h e di nt h i s p a p e lf u r t h e r m o r e c u r r e n ts o u r c eo fm a c h i n e i s m a n u f a c t u r e d v b l t a m p e r ep r o p e r t i e so fc u r r e n ts o u r c ea r ei n v e s t i g a t e d f e a s i b i l i t yo f c u r r e n ts o u r c em a c h i n i n gi sd e t e r m i n e d t h es y s t e me n t e r e da u t o m a t i c a l l ya n dt h e m e c h a n i c a ld e v i c eo ft h ep r o c e s s i n gm a c h i n ea r ed e s i g n e d m o d e lo fm a n u f a c t u r e d p r o d u c t i sf i n i s h e db yp r o e n g i n e e r k e yw o r d s ：e d m ；p o r t a b l e ；i m p u l s i n gp o w e rs o u r c e ；v o l t a m p e r ep r o p e r t y 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：盘建邀 日 期：丛! 垒：! ! ： 方 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：l 茎丕圣赵导师签名：趣堑日 ， f 期：丝翌生：! ! ：生誊 山东大学硕士学位论文 第1 章绪论 电火花加工又称放电加工( e l e c t r i c a ld i s c h a r g em a c h i n i n g 简称e d m ) ，是一种 利用电、热能量进, ：t d n 工的方法。在加工过程中，使工具和工件之间不断产生脉 冲性的火花放电，靠放电时局部、瞬时产生的高温把金属蚀除下来。因放电过程 可见到火花，故称为电火花加工。 放电蚀除的物理过程是电动力、磁力、热力、流体动力、电化学和胶体化学 等综合作用的过程。这一过程大致可以分为以下几个连续的阶段：极问介质的电 离、击穿，形成放电通道；介质热分解、电极材料熔化、气化热膨胀：电极材料 的抛出：间隙介质的消电离。 电火花加工的基本原理示意图，如图1 l 所示 1 一脉冲电源；2 一伺服系统；3 一工具电极； 4 一工件；5 一工作液；6 一泵；7 一过滤器 图l 一1 屯火花加工的基本原理示意图 工件4 与工具电极3 分别接脉冲电源l 的两个输出端。伺服系统2 使工具电 极和工件之间经常保持一个很小的放电间隙。电极的表面( 微观) 是凹凸不平的， 当脉冲电压, d u n 两极( 工具和工件) 上时，当时条件下菜一相对间隙最小处或绝 缘强度最低处的工作液( 绝缘介质) 将最先被电离为负电子和正离子而被击穿， 形成放电通道，电流随即剧增，在该局部产生火花放电。瞬时高温使工件和工具 表面都蚀除掉一小部分金属，单个脉冲经过上述过程，完成了一次脉冲放电，而 在工件表面留下一个带有凸边的小凹穴，这样以很高频率连续不断地重复放电， 】 山东大学硕士学位论文 _ i 曼! 曼曼! _ - 工具电极不断地向工件进给，就可将工具的形状复制在工件上，加工出所需要的 零件。 随着制造技术水平的提高，电火花加工己得到日益广泛的应用，成为加工各 种模具和零件的有效方法。随着应用的不断深入和推广，电火花加工涌现出了许 多问题需要我们解决。为了对电火花加工有一个更全面的了解，下面将概括介绍 电火花加工技术的起源、发展历程、应用范围和电火花加工机床的组成等内容。 1 1 电火花加工技术的起源 1 9 0 0 年科尔许特利用放电制造出了胶状金属粉末，并首次提出有关将放电应 用于会腻加工的技术关键和电极损耗报告。1 9 3 5 i 9 3 7 年美国的斯廷纳和英国的罗 得福先后发明了交流放电切割和赢流放电切割的方法。然而电弧放电能量不易控 制，难以用于金属的精密加工拉j 。直到t 9 4 3 年，前苏联拉扎林柯夫妇研究开关触 点遭受火花放电腐蚀损坏的现象和原因，发现电火花的瞬时高温可使局部的金属 熔化、气化而被蚀除掉，开创和发明了电火花加工方法，用铜丝在淬火钢上加工 出小孔，可用软的工具加工任何硬度的金属材料，首次摆脱了传统的切削j j n ：方 法，直接利用电能和热能来去除金属，获得“以柔克刚”的效果。从而创立了电 火花加工( e d m ) 技术，开创了金属材料非切削加工的新时代。 1 2 电火花加工技术的发展历程 e d m 技术自1 9 4 3 年发明后，迅速得到发展。在短短十年内，世界上工业发 达国家相继研制出同类电火花穿孑l 机床。5 0 年代是电火花成型加工广泛传播和初 期应用阶段。这时，前苏联、美国、日本及瑞士等西欧国家已有e d m 机床出售。 1 9 5 4 年在意大利举办的欧洲机床工具博览会上首次展出了e d m 机床。5 0 年代初 期我国丌始研究、应用和引进e d m 加工设备，到5 0 年代后期我国也有了自己的 脉冲机床产品口l 。1 9 5 8 年，前苏联研制出靠模控制w e d m 机床，主要用于电真空 器件加工。捷克研制出光电跟踪w e d m 机床。我国于5 0 年代后期着手研制简易 w e d m 机床，并应用于电子真空器件的加工 4 】。此外，电火花穿孔，电火花切割 和电火花磨削也开始在生产中应用。5 0 年代末营口电火花机床厂开始成批生产电 火花强化机和电火花机床，成为我国第一家电加工机床专业生产厂。随后，上海 第八机床厂等也专业生产电火花加工机床3 1 。 6 0 年代是电火花加工工艺发展成熟阶段。6 0 年代初，我国电火花成型加二e 开 始广泛使用电子管和闸门管脉冲电源及液压主轴头，使冲模电火花加工实用化。 中国科学院电工研究所研制成功我国第一台靠模仿形电火花线切割机床。后来， 可控硅和晶体管脉冲电源及平动头和石墨电极也开始采用，又使成型e d m 机床逐 步完善、可靠，走向实用化。6 0 年代中期，研制成光电跟踪w e d m 机床。1 9 6 8 年，研制了e d m 的适应控制系统。1 9 6 9 年，开始推出n c 和c n c 电火花线切割 2 山东大学硕士学位沦文 鼍! 蔓曼! 曼! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 曼! ! ! ! ! ! ! 曼! i 曼! ! ! ! ! 曼! ! ! 曼! ! 曼! ! ! 曼 机床n 。 7 0 年代是w e d m 机床数控化阶段。1 9 7 2 年，国际上首次展出了c n c w e d m 机床。1 9 7 3 年，又展出了d n c w e d m 机床。与此同时，w e d m 开始普遍采用晶 体管脉冲电源，在冲模加工中得到了广泛应用【4 。i 。由于平动或摇动加工及晶体管 或可控硅脉冲电源的普遍采用，使其在型腔模具加工中得到广泛应用，并进行了 工艺优化的研究与应用【3 5 1 。t 9 7 9 年，我国成立了全国性的电加工学会呱6 0 年 代和7 0 年代也是e d m 基础理论研究最为活跃的年代，脉冲检测、适应控制、最 佳控制和数学模型等不断取得新成果。 8 0 年代，w e d m 的数控功能及脉冲电源日益完善。此外，电火花加】：中心， 电极的计算机辅助设计等也有研究和应用1 2 3 “】。1 9 8 1 年，我国高校间成立了特 种加工教学研究会。这对电加工和特种加工的普及和提高起了很大的促进作用l l j 。 9 0 年代是e d m 在生产中的机电一体化+ 人工智能的开发与应用的年代。目前 e d mi e 在向计算机集成制造方向迅速发展。其集成规模已由原来的c a d c a m 系 统，通过增加c a e 、 c a p p 和c a a 等来扩大其集成度。这也是e d m 技术的发展 方向 7 8 1 。1 9 9 0 年日本e d m 的总产值己达到9 2 9 5 5 亿日圆，e g - t 一年前增加了十 几倍，并已超过该囤铣床和钻床的总产值网。1 9 9 7 年，我国电火花穿孔、成型机 床的年产量大于1 0 0 0 台，电火花数控线切割机床的年产量超过3 8 0 0 台，其它电 加工机床在2 0 0 台以上。已有5 0 多个电加工机床生产企业，电加工、特种加工的 机床总拥有量也居世界的前列i l j 。 目前，e d m 在模具制造领域起着无比重要的作用。日本的冷冲模有5 3 是用 w e d m 来完成的，美国的锻模有7 0 是用电火花成型加工来完成的【9 】。电加工的 市场发展呈指数上升0 0 j 。 现在，e d m 无论是其加工速度、加工精度、还是自动化程度，都已达到相当 高的水平。 综上所述，从e d m 创立到现在，整整过去了六十年，在微电子、自动控制和 计算机等科学和技术进步的大力推动下，经过世界各国学者的不断努力，e d m 的 发展突飞猛进，应用范围在不断扩大，技术装备也日趋完善，使得e d m 技术已经 发展成为现代生产中极其重要的加工手段，在工业界发挥着不可替代的作用。 1 3 电火花加工的特点和应用范围 1 3 1 电火花加工的特点 ( 1 ) 由于电火花加工是基于脉冲放电时的蚀除原理，其脉冲放电的能量密度 很高，因而可以加工任何硬、脆、韧、软、高熔点的导电材料。此外，在一定条 件下还可以j j n t 半导体材料和非导电材料。 ( 2 ) 加工时，工具电极与工件材料不接触，有利于小孑l 、薄壁、窄槽以及各 山东大学硕士学位论文 _ i 一! i ! ! ! 粤! ! ! 一 种复杂截面的型孔、曲线孔、型腔等的加工，也适合于精密细微加工。 ( 3 ) 当脉冲放电的持续时间很短时，放电时所产生的热量来不及传散，可以 减小材料被加工表面热影响层，提高材料加工后的表面质量，同时，还适合于加 ：l 热敏感性较强的材料 ( 4 ) 脉冲参数可以在一个较大的范围内调节，可以在同一台机床上连续进行 粗、半精及精加工。 ( 5 ) 直接利用电能进行加工，便于实现自动化。 1 3 。2 电火花加工的应用范围 ( 1 ) 穿孔加工一般指贯通的二维型孑l 的电火花加工。它既可以是等截面通 孔，也可以是变截面通孔。此外，还包括用片状电极切断和侧面成形等。主要用 于型7 l ( 圆孔、方i l 、多边孔、异形孔) 、曲线孔( 弯孔、螺旋孔) 、d , t l 、微孔 等加工。 ( 2 ) 型腔加工一般指三维型腔和型面电火花加工，此外，还包括电火花雕 刻。主要用于塑料模、锻模、压铸模、挤压模、胶木模，以及整体叶轮、叶片等 各种曲面零件。 ( 3 ) 线电极切割这种加工方法的加工原理是用移动着的线状电极丝按预定 的轨迹进行切割加工，其运行轨迹可以用靠模、光电或数字程序等方式来控制， 适用于切断、切割各类复杂型孔以及零件和工具等的加工。 ( 4 ) 电火花磨削这种加工方法实质上是应用机械磨削的成形运动进行电火 花加f ：。它的工具电极与工件电极之间作相对运，其中之一或二者作旋转运动。 电火花磨削主要用于磨平面和内外圆、小孔以及成形镗磨和铲磨等。 ( 5 ) 电火花展成加工这种加工方法是利用成形工具电极与工件电极作相对 的展成运动( 回转、回摆或往复运动等) ，使二者相对应的点保持固定重合的关系， 逐点进行电火花加工。目前应用较广的是共扼回转加工。 ( 6 ) 表面强化这种加r 方法一般是以空气为极间介质，工具电极相对卜1 ： 件作小振幅的振动，二者时而短接，时而离开。在这过程中产生脉冲式的火花放 l 乜，使空气中的氮或工具材料渗透到工件表面层内部，以改善工件表面的机械性 能。目前主要用于金属表面渗氮、渗碳或涂覆特殊材料，也可用于金属表面淬火。 ( 7 ) 非金属电火花加工一般是用高频高压的脉冲电源，通过尖状电极施加 到所要加工的非金属工件上，并使其产生火花放电而瞬时释放出大量的热量，从 而使工件的局部材料瞬时熔化和汽化，以达到加工的目的。这种加工方法主要用 于半导体和非导电体材料的穿孔加工。 ( 8 ) 其他电火花加工除上述几种应用外，电火花加工还可用于打印标记、 刻字、跑合齿轮啮合件、取出折断在零件中的丝锥或钻头，以及对已淬火零件进 行整修等i 。 i 东大学硕上学位沧文 1 4 电火花加工机床的组成 电火花加工工艺及机床设备的类型较多，但按工艺过程中工具与工件相对运动 的特点和用途等柬分，大致可以分为六大类：电火花穿孔成型加工机床、电火花 线叨割机床、电火花磨削机床、电火花共轭回转加工机床、电火花表i 自强化机、 r u 火花刻字装置等】。其中应用最r 、数量较多的是电火花穿孔成型加工机床和电 火花线切割机床。尽管电火花加丁机床的结构型式较多，有立柱式、龙门式、滑 枕式、摇臂式等。但都包含四个基本部分：脉冲电源，t 作液及其循环过滤系统、 闯隙自动调节系统和机床本体部分。 1 4 1 脉冲电源 电火花加工用的脉冲电源的作用是把1 。频交流电流或直流电流转受成具有一 定频率的单向脉冲电流，以供给电极放电问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、加上精度、加工过程的稳定性和工具电极 消耗等技术经济指标有很大的影响。 脉冲电源的种类很多，可以归纳为r c 、r l c 线路脉冲电源，电了管、闸流管 脉冲电源，晶体管脉冲电源和可控硅脉冲电源四类。不同的脉冲电源其脉冲宽度 披应削是不问的，应根据加t 对象与加工要求合理地选择。电火花加工机床采用 的各种脉冲电源的特点及应用范围见表1 1 。 的各种脉冲电源的特点及应用范围见表l 一1 。 表卜l 各种脉冲电源的特点及虑片j 范围 类型 特点 应用范围 1 7 c 脉冲结构简单，j 作可靠，使用、维修方使，加l 精主要用于电火花精微加。r 电源度较高，表面粗糙度值小但r 具电极损耗较大 生产率较低电能利用率较低，工作液绝缘性能 和间隙状态对脉冲参数有影响稳定性较差 闸流管加工稳定，3 d z 精度较高，表面粗糙度值小，生主要用于钢打钢时穿孔加 式脉冲产率比r c 脉冲电源犬，但脉冲参数调节范围鞍工，h 前己被晶体管式脉冲 电源小，较难获得大的脉冲宽度工具电极损耗较大电源替代 晶体管脉冲参数调节范围，1 ，可适应粗、半精、精加r多应用于型腔加工，也适用 式脉冲的需要，容易实现自动化控制，工具电极损耗低，丁穿孔加i 。除大功宰电源 电源生产率高，但大功率脉冲电源的线路比可控硅电采用可控硅电源外般均 源复杂已采用晶体管电源 可控硅可适府粗、半精加工的需要，生产率高，大能最、适用于中、大型1 件穿# l $ 1 1 式脉冲大功率加工时的线路比晶体管电源简单，但精加成型加。i 电源工用脉冲电源的控制和调节不如晶体管电源方便 山东大学硕士学位论文 1 4 电火花加工机床的组成 电火花加工工艺及机床设备的类型较多，但按工艺过程中工具与工件相对运动 的特点和用途等来分，大致可以分为六大类：电火花穿孔成型加工机床、电火花 线切割机床、电火花磨削机床、电火花共轭回转加工机床、电火花表面强化机、 电火花刻字装置等。其中应用最广、数量较多的是电火花穿孔成型加工机床和电 火花线切割机床。尽管电火花加工机床的结构型式较多，有立柱式、龙门式、滑 枕式、摇臂式等。但都包含四个基本部分：脉冲电源、工作液及其循环过滤系统、 问隙自动调节系统和机床本体部分。 1 4 1 脉冲电源 电火花加工用的脉冲电源的作用是把工频交流电流或直流电流转变成具有一 定频率的单向脉冲电流，以供给电极放电问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、加工精度、加工过程的稳定性和工具电极 消耗等技术经济指标有很大的影响。 脉冲电源的种类很多，可以归纳为r c 、r l c 线路脉冲电源，电子管、闸流管 脉冲电源，晶体管脉冲电源和可控硅脉冲电源四类。不同的脉冲电源其脉冲宽度 及应用是不同的，应根据加工对象与加工要求合理地选择。电火花加工机床采用 的各种脉冲电源的特点及应用范围见表卜l 。 表卜l 各种脉冲电源的特点及应用范围 类型特点应用范围 r c 脉冲结构简单，工作可靠，使用、维修方便，加i ：精主要用于电火花精微加。i 电源度较高，表面粗糙度值小但1 ：其电极损耗较大 生产率较低，电能利用率较低，上作液绝缘性能 和闻隙状态对脉冲参数有影响，稳定性较差 闸流管加工稳定，加工精度较高，表面粗糙度值小，生主要用于钢打钢时穿孔加 式脉冲产率比r c 脉冲电源大，但脉冲参数调节范围较工，目前已被晶体管式脉冲 电源 小，较难获得大的脉冲宽度。工具电极损耗较大电源替代 晶体管脉冲参数调节范围r + ，可适应粗、半精、精加工多应用于型腔加工，也适用 式脉冲的需要，容易实现自动化控制，： 具电极损耗低于穿孔加一l 。除火功率电源 电源生产率高，但大功率脉冲电源的线路比可控硅电采用可控硅电源外，一般均 源复杂 已采用晶体管电源 可控硅可适应粗、半精加工的需要，生产率高，大能量、适用于中、大型1 ：件穿孔和 式脉冲大功率加工时的线路比晶体管电源简单，但精加成型加工 电源工用脉冲电源的控制和调节不如晶体管电源方便 山东大学硕士学位论文 r c 脉冲电源的线路如图1 - 2 所示，它是脉冲电源的基本线路。它由两个回路 组成：一个回路是充电回路，由直流电源e 、充电电阻r ( 调节充电速度，同时限 流防止电流过大转变为电弧放电，又称限流电阻) 和电容器c 组成；另一个回路 是放电回路，由电容器c 、工件电极和工具电极及放电间隙组成。该脉冲电源能周 期性对电容器缓慢充电，在极短时间内快速放电，把工频交流电流或直流电流转 换成一定频率的重复脉冲电流。电容器时而充电，时而放电，一弛一张，故称为 弛张式脉冲电源。 r e 1 - - ? 2 具电极2 一t i 件 图卜2 r c 脉冲电源的线路 r c 线路脉冲电源的电能利用率很低，因为大部分电能经过限流电阻时转化为 热能损失掉了；而且生产率也低，因为电容器的充电时间比放电时间长得多。为 了改进r c 线路脉冲电源的性能，在充电回路中加入一个带有空气隙的铁心电感三， 组成r l c 脉冲电源，如图卜3 所示。限流电阻r 分为两部分：一部分电阻用以限 制短路电流：另一部分电阻用电感三代替。因为纯电感对赢流电路来说阻值很小， 但对交流电或脉冲电流却具有感抗能力，起限流作用，从而发热消耗的电能少。 所以r l c 线路脉冲电源的电能利用率比r c 线路高，最大可达8 0 9 2 ，在实际 应用中一般也有6 0 8 0 。缩短电容器c 的充电时间，即缩短了脉冲间歇时问， 从而提高了脉冲频率。 r l 图卜3r l c 脉冲电源的线路 r c 、r l c 线路脉冲电源都是弛张式脉冲电源，它们的优点是：线路简单可靠， 成本低廉，容易掌握。其缺点是：生产率低，工具损耗大，工作稳定性较差( 其 中，r l c 线路比r c 线路的电能利用率高，脉冲间歇系数较小) 。因为弛张式脉冲 山东大学硕士学位沦文 曼! 蔓i 一 电源中电容器放电时间较短，很难获得高生产率、损耗低的长脉冲，而且这种电 源本身并不独立形成和发生脉冲，而是靠电极间工作液的击穿和消电离使脉冲电 流导通和切断。间隙大小、间隙中电蚀产物的污染程度和排出情况都影响脉冲参 数，脉冲的频率、宽度、能量不稳定，而且放电间隙经过限流电阻始终和直流电 源接通，没有开关元件使之隔离出来，随时都有放电的可能，容易转为电弧放电。 针对这些缺点，研制出放电间隙和直流电源各自独立，互相隔离，能独立形成和 发生脉冲的电源，主要有闸流管式、电子管式、晶闸管式、晶体管式等脉冲电源。 它们减少了电极间隙物理状态参数变化的影响。 近年来，为进一步提高有效脉冲利用率，达到高速、低耗、稳定加工以及些 特殊要求，在晶闸管式或晶体管式脉冲电源基础上，派生出高、低压复合脉冲电 源，多回路脉冲电源，自适应控制脉冲电源，高频分组和梳形波脉冲电源等i 】j 。 1 ，4 2 工作液及其循环过滤系统 电火花加工大多数是在工作液中进行的。电火花加工对工作液的基本要求是： 有较高的绝缘性能；较好的流动性和渗透能力，能进入窄小的放电空隙；能冷却 电极和工件表面，把电蚀产物冷凝、扩散到放电间隙之外。此外还应对人体及设 备无害、安全和价格低廉。常用的工作液有：煤油、乳化液和水。 工作液循环过滤系统包括工作液箱、电动机、泵、过滤装置、工作液槽、油杯、 管道、阀门以及测量仪表等。放电间隙中的电蚀产物除了靠自然扩散，定期抬刀 以及使刀具电极附加振动等排除外，常采用强迫循环的办法加以排除，以免i n 隙 中电蚀产物过多，引起已加工过的侧表面间“二次放电”，影响加工精度。此外也 可带走一部分热量。图卜4 为工作液强迫循环的两种方式，a ) 和b ) 为冲油式， 较易实现，排屑冲刷能力强，一般常采用，但电蚀产物仍通过已加工区，稍影响 加工精度：c ) 和d ) 为抽油式，在加工过程中，分解出来的气体 h 2 、q h 2 等) 易积聚在抽油回路的死角处，遇电火花引燃会爆炸“放炮”，因此一般用得较少， 在要求小间隙、精加工时也有采用的。 a ) 和b ) 为冲油式c ) 和d ) 为抽油式 图卜4 工作液强迫循环方式 7 雌施雌施 山东大学硕士学位论文 为了不使工作液越用越脏，影响加工性能，必须加以净化或过滤。常用的过滤 方式及特点见表卜2 所示。 表卜2 常用的过滤方式及特点 过滤方式特点 介质过滤( 爪屑、黄砂、硅藻十、纸质、结构简单，造价低，对中小形工件、加：i ：州量 灯草芯、棉纱头、活性炭、泡沫塑料等)不大时，一般都能满足过滤要求，司就地取利， 冈地制宦，但使用时闻较短，耗汕多 自然沉淀过滤速度太慢，周期太k ，只用于单件、小批量加 工，要求油箱的容量较人 离心过滤 过滤效果较好，结构复杂，清渣较困难 高压静电过滤结构较复杂，般不采用因电压高，有安全 问题，故用于小流量的场合 1 4 3 间隙自动调节系统 在电火花加工时，必须使工具和工件之间始终保持一定的放电间隙。问隙过大， 所加电压不能击穿间隙，形成开路，无法实现电火花加工；间隙过小，形成短路， 也不能进行电火花加工。而且，由于工件不断地被蚀除，工具也有一定的损耗， 间隙会不断增大。为使加工继续进行，必须使工具电极及时补进。因此，工具电 极自动进给调节系统是电火花加工机床的重要组成部分，它能在加工过程中使工 具慢慢进给，维持间隙在一个合理的平均放电间隙范围内。间隙自动调节系统的 类型及特点见表卜3 所示。 表卜3 间隙自动调节系统的类型及特点 调节系统类型特点 液压进给喷嘴挡板式 我国目前8 0 的电火花加工机床采用这一系统。易i - n 造， 调节成本低，但性能较差，占地面积较大，躁声较大，容易渊油 伺服阀式 我国只有少数高档机床采用这种系统。性能好，但成本高， 制造与维修有一定困难 步进电机进给调= 常目前国内外小型电火花加工机床主要采用这一系统。结构简 单，占地面积小，但负载能力小，进给、响应速度低 伺服电机进给调节国外大部分采用这一系统。负载能力大，调速较宽，进给速 度高，反应灵敏，但系统复杂成本高 自动调节系统由测量环节、比较环节、放大环节和执行环节组成。测量环节 测量与放电间隙成比例的参数。弛张式脉冲电源测量电流、电压变化信号；独立 山东大学硕士学位论文 - i 鬯! ! ! ! 蔓曼蔓! l _ 式脉冲电源检测击穿电压和击穿延时变化信号。把电参数传给比较环节，测量参 数与预先给定值比较，输出控制信号。经放大器放大后传输给电一机械转换器 使主轴运动调节放电间隙。 1 44 主机部分 电火花成型机床的主机主要包括：主轴头、床身、立柱、工作台及工作液槽几 部分。坐标工作台安装在床身上，主轴头安装在立柱上。 床身和立柱是机床的主要基础件，要有足够的刚度。要求机床的工作面与立柱 导轨具有一定的垂直度，导轨应耐磨和充分消除内应力。 作纵、横向移动的工作台，一般是用刻度手轮通过丝杠、螺母机构调节位置。 精度要求高的机床，采用光学坐标读数装置、数显装置。随着数控技术的发展， 三坐标伺服控制，以及主轴和工作台回转运动并加三向伺服控制的五坐标数控机 床已有很多应用，机床的坐标位移精度可达2 m ，以至更高。 主轴头是电火花成形机床最关键的部件，是自动调节系统中的执行机构。要求 主轴头结构简单、传动链短、传动间隙小、热变形小，其有足够的精度和刚度， 以适应自动调节系统的惯性小、灵敏度高、能承受一定负载的要求。主轴头主要 由进给系统、导向防扭机构、电极装夹及其调节环节组成。我园目前生产的电火 花成型机床大多采用液压主轴头。 1 5 电火花加工机床的最新进展 1 5 1 概述 随着科学技术的发展，对产品的小型化和精密化程度的要求越来越高。因此， 微细加工技术受到了世界各国的普遍重视，投入了大量人力、物力进行研究。7 0 年代初，美国斯坦福大学开始了微型机械的研究。8 0 年代以后，同本和西欧各国 对此项研究也日益重视起来。 电火花加工技术作为特种加工领域的一个重要分支，在制造业中得到广泛应 用。因此，微小型电火花加工装置的研究成为整个微型机械研究领域的一个重要 方向。目前，在航空航天、微电子、医学、光学、模具等各个领域中，有许多零 件采用常规机床加工困难甚至无法加工，特别是对狭小空间内的加工、微细孔的 加工及难加工材料的加工等，采用微小型电火花加工装置加工则会取得令人满意 的效果。微小型电火花加工装置己成为整个微型机械制造领域一个非常重要的研 究方向，具有重大的理论意义和实际应用前景h l 。 在小型电火花加工机构的研究上，国外的主要代表为原日本东京大学的博士 生、现丰田工业大学的古谷克司和丰田工业大学的毛利尚武等人。他们己研制出 蠕动式、冲击式和椭圆驱动式三种小型电火花加工机构，并在冲击式机构基础上 研制出改进的装置和自走式小型电火花加工装置，在蠕动式的基础上研制出点阵 9 山东大学硕士学位论文 一i i i i _ _i l l 摹_ 式电火花加工装置。 在国内，清华大学在北京市自然科学基金的资助下，对采用蠕动式微进给机构 的微细电火花加工装置进行了研究 ”。啥尔滨工业大学研制出基于w e d m 法的微细 电：足花加工装置和蠕动式小型电火花加工装置，首次提出并研制了基于超声马达 的电极直接驱动式微型电火花加工装置。南京航空航天大学较早地开展了，j 、型电 火花加工装置的研究，并开发了电磁冲击式小型电火花加工装置【1 6 】。 国际上，微小型电火花加工装置向着更加小型化、精密化、实用化的方向发展。 我闽由于起步晚，考虑实际的技术水平和经济状况，应在以下几方面重点发展， 以达到实用化的目的： 掌握研究动向，紧跟国际前沿，抓住关键技术； 研制性能稳定的放电加工微能脉冲电源； 高响应性的伺服驱动系统的研制； 结构简单、加工容易、性能可靠的电极驱动机构的研制； 在电极上附加小振幅振动的小型电火花加工装嚣的研制。 可见，微小型电火花加工装置将成为电火花加工领域的一个重要组成部分，随 着它的进一步完善和发展，将会有广泛的实际应用前景。 1 52 国内外发展情况 目前，电极和伺服进给系统的设计，成为微小型电火花加工装置的研究热点。 152 1 微小电极的驱动与夹持送进机构设计 在微细电火花加工或精密微小孔加工中，由于放电间隙极小，因此要求电极的 进给运动具有更精密、更迅速的伺服响应，同时附加微小电极丝的旋转运动有利 于加工过程的稳定进行。 日本丰刚工业大学相继开发了压电致动椭圆运动迸丝机构以及蠕动进丝机构。 哈尔滨工业大学开发了利用线性超声马达原理的微小电极直接驱动装置。这些基 于压电致动的机构将电极丝的微进给驱动和连续送进结合于一体，可自动补偿电 极丝的损耗，且结构紧凑，颇具创意。但不容易实现电极丝的附加旋转运动，在 工j 世实际应用方面，有待进一步的性能完善l l “。 电极直接驱动技术是电火花加工领域在本世纪9 0 年代才兴起的一门新技术。 电极直接驱动的小型电火花加工装置是集机械、电子和控制于一体，涉及超声学、 材料学和摩擦学等多个学科，具有理论价值和应用前景。由于电极直接驱动的小 型电火花加工装置具有体积小、结构简单、响应速度快等优点，因此该技术一出 现就受到了国内外的广泛重视，尤其是在日本进行了深入的研究与开发。近几年， 我国也开展了初步的研究，如哈尔滨工业大学、南京航空航天大学都在从事这方 殛的研究工作【j 8 】。 l o 山东大学硕士学位论文 清华大学将微细电火花电极驱动结构与工业用电火花加工机床结构特点相结 合，使微细电火花加工装置同时具有精密的伺服进给、电极丝附加旋转运动以及 具有电极损耗自动补偿功能，以提高加工的稳定性和加工效率，保证加工精度， 设计了一种微小电极夹持送进机构，既实现了微小电极的高精度旋转，又使电极 丝达到了微米级的进给精度，并且还具有自动补偿电极丝损耗以及超出电极丝伸 出长度的长距离进给的能力，在提高微细电火花加工的效率、精度以及实现深孔 加j = 等方面提供了硬件潜力”“。 1 5 22 伺服进给系统的设计 与普通的电火花加工方法相比，微细电火花加工所使用的微小工具电极的制造 比较困难，是加工中的关键问题之一。日本东京大学生产技术研究所的增泽隆久 教授开发了电火花线电极磨削法( w e d g 法) ，为这一关键问题的解决提供了一一条 行之有效的途径。哈尔滨工业大学分析了应用w e d g 法进行实验研究中伺服进给的 特点，并根据这些特点设计了微细电火花加工用伺服进给控制系统。不但提高了 加工中的进给分辨率，也使进给系统的频率响应大大提高，满足了微细电火花加 工的要求。目前，国内的南京航空航天大学特种加工研究室等单位也采用这一方 法进行微细电火花加工技术的研究【1 孵。 1 52 3 微小子l 电火花加工机床的研制 在微细电火花加工技术的研究中，清华大学研制了一种微小孔电火花加工机 床。这项研究综合考虑n d , 孑l 电火花加工和微细电火花加工技术的长处，尝试将 微细电火花加工技术应用于小孔电火花加工。研制了一种采用计算机控制的微小 孔电火花加工系统，采用摩擦传动微进给伺服机构，以期提高运动传递的平稳性 和可靠性；设计了使电极丝旋转与进给运动复合的电极旋转进丝机构，以利于提 高加工效率和精度；同时进行了高频脉冲电源的没计，可望提高加工精度和加工 效率的潜力。该微d , t l 电火花加工机床的设计力求结构紧凑，易于实现机床的小 型化，并在加工效率、加工精度和可靠性等方面达到实用化水平 埘。 1 5 2 4 展成式精密电火花加工机床 精密化程度的提高是电火花加工技术的另一个发展方向。南京师范大学和江南 光电公司针对机械行业中模具、量具、刃具、产品和设备精密零件中的各种难加 工类型进行分析，探索利用电火花加工方法解决这些关键工艺的可能性。通过对 数百种实际生产中常见工件分别按用电火花加工去实现工艺目标的可行性探讨， 得出的结果是许多用通常加工方法难以加工或难以达到尺寸糟度、表面质量、加 工效率等某些技术、经济要求的工件，若采用新的电火花加工成形运动方式，都 能进行加：r = ，能实现工艺关键上的一系列突破。经过综合分类，设计了几种新型 山东大学硕士学位论文 的机床，其中通用性较大的j n 型展成式精密电火花加工机床，已在生产上应用多 年，取得了很好的技术经济效果【2 1 ) 。 1 6 研究目的、意义及主要内容 16 1 研究目的 本课题设计的这台便携式电火花加工设备基于3 个设计理念： ( 1 ) 成本低。预计将这台设备的总支出控制在5 0 0 0 元以内。 ( 2 ) 重量轻。尽量简化机械结构，减轻设备重量，总重量控制在4 5 公斤以 内。 ( 3 ) 易携带。在满足加工条件的前提下，实现结构简单、体积小、携带方便 等优点。 具体的应用场合主要有： 对体积大、移动困难的大型工件进行电火花加工； 蚀除折断在工件中的丝锥和工具： 加工切削刀具上的键槽或扩i l ： 携带方便，不受加工地点、场合的限制； 在课堂上进行实践教学。 1 6 2 研究意义 在工业生产中，经常发生丝锥和工具折断在工件中的情况，当工件体积较大、 移动困难时，要想蚀除折断在工件中的残余部分，在普通的电火花加工机床上是 很难实现的，所以就需要一个体积小，携带方便的小型电火花加工机。这种机器 还e q 以用来对体积宠大、无法放在电火花加工机床的工作台上的大型工件进行电 火花加工。而在加工切削刀具上的键槽或扩孔方面也有很大的应用前景。 为了满足生产实际的要求，又充分考虑到经济效益因素，本课题研制了一种便 携式电火花加工机。它的突出优点就是：体积小、便于移动；结构简单、重量轻； 成本低。它除了可以解决上面提出的问题之外，鉴于它携带方便这优点，还可 以用在野外考察时进行电火花加工。 这种便携式电火花加工机除了在生产中有广泛的应用前景外，还可以用在教学 实践当中。由于实习工厂的空间有限，很难同时对几十人甚至上百人进行实践教 学。而把普通的电火花加工机床搬到课堂更不是一件容易的事。这种便携式电火 花加工机轻而易举地解决了这个难题。由于它携带方便，老师可以拿到课堂上进 行实践教学。一边讲理论。一边进行实际操作，即实现了教学形式的多样化，又 使学生对基本概念的理解更具体生动，对电火花加工的认识更深刻。 到目前为止，这种电火花加工机的设计，在国内外电加工界还比较少见。 山东大学硕士学位论文 163 研究主要内容 1 进行便携式电火花加工机的技术设计。 主要包括： 脉冲电源的设计与制造； 自动进给调节系统的设计； 机械装置的技术设计。 2 利用所制造的脉冲电源进行电火花加：l ：= ，通过数字荧光示波器记录放电时 的问隙电压、电流随时俐的变化波形，并对这些波形进行深入研究，得出间隙放 电的等效电路，并总结出放电间隙的伏安特性与外电路参数之间的关系。 3 利用p r o e 对产品进行三维造型。 山东大学硕士学位沦文 第2 章加工机脉冲电源设计与放电特性研究 便携式电火花加工机与普通的机床相比具有体积小，重量轻，携带方便等优 点，是一种适用于流动性场合的电火花加工机。主要是用来去除在加工过程中易 于折断的丝锥、钻头，另外还可以在切自0 刀具上加工键槽、扩孔，在超硬模具上 打孔，办可以用各种不同形状的电极加工不同形状的孔或槽。因此本机适合一般 机械加工厂的需要，特别是工具车间，机修车间的装配钳工更为适用。 2 。1r c 脉冲电源的设计与制造 2 1 1 便携式电火花加工机脉冲电源的设计 下商根据加工需要对电源进行设计。 脉冲电源应满足以下工艺要求： 1 ) 脉冲电源应有足够的输出功率，以获得较高的加工速度； 2 ) 工具电极损耗小，以保证加工精度； 3 ) 较小的加工表面粗糙度： 4 ) 脉冲参数调节简便，电源性能稳定可靠，维护方便。 如前所述，电火花加工机床采用的脉冲电源的种类很多，可以归纳为r c 、r l c 线路脉冲电源，电子管、闸流管脉冲电源，晶体管脉冲电源和可控硅脉冲电源明 类。考虑到所设计产品的特点和应用范围，并通过查阅相关资料，本设计将采用 常用的电火花加工电源一尺c 脉冲电源。 此电源的作用是把工频交流电流转换成一定频率的单向脉冲电流，以供给电极 放电间隙所需要的能量来蚀除金属。这类脉冲电源的工作原理是利用电容器充电 储存电能，而后瞬时放出，形成火花放电来蚀除金属。因为电容器时而充电，时 而放电，一弛一张，故又称“弛张式”脉冲电源。 本设计所采用的b c 线路脉冲电源是弛张式脉冲电源中最简单最基本的一种， 其工作原理如图21 所示。 r l 一工具电极2 一工件 图2 lr c 脉冲电源的线路 1 4 山东大学硕士学位论文 它由两个回路组成：一个回路是充电回路，由直流电源e 、充电电阻r ( 可调 节充电速度，同时限流以防电流过大及转变为电弧放电，故又称为限流电阻) 和 电容器c ( 储能元件) 所组成；另一个回路是放电回路，由电容器c 、工具电极和 l ：件及它们之间的放电间隙所组成。 当直流电源接通后，电流经限流电阻月向电容器c 充电，电容器c 两端的电 压按指数曲线逐步上升，因为电容两端的电压就是工具电极和工件间隙两端的电 压，因此当电容器c 两端的电压上升到等于工具电极和工件间隙