2电火花加工.doc

2 电火花加工2.1 电火花加工的产生早在19世纪初，人们就发现电器开关的触头在开闭时会产生放电现象而使其接触部分发生烧蚀损坏。这种由于放电所引起的电极烧蚀现象，称为电腐蚀现象。长期以来，人们为了延长电器触头的使用寿命，曾经对电蚀现象进行了大量的研究。研究表明，电腐蚀的主要原因是：电火花放电时火花通道中瞬时产生大量的热，达到很高的温度，足以使任何金属材料局部熔化、气化而被蚀除，形成放电凹坑。长期以来电腐蚀一直被认为是一种有害的现象，人们不断地研究电腐蚀的原因并设法减轻和避免它。随着人们对电腐蚀原因的认识，人们开始尝试利用电腐蚀现象。到19世纪末，美国发明了用低电压大电流施加在电极与工件之间的方法来刻印文字和图案，20世纪初，科耳许特利用放电制出了胶状金属粉末，并首次提出有关放电应用于加工金属的技术关键和电极耗损的报告。直到前苏联学者拉扎连科夫妇在解释和应用这种现象时，认识到在液体介质中进行重复性脉冲放电时能够对材料进行尺寸加工，并在1943年成功地利用电腐蚀原理在金属工件上打出小孔，从而创立了电火花加工(EDM)技术，开创了金属材料非切削加工的新时代。电火花加工，是一种利用电、热能量进行加工的方法，它是在加工过程中，使在绝缘的工作液中的工具和工件之间不断产生脉冲性火花放电，靠放电时局部、瞬时产生的高温把多余的材料蚀除下来，以达到对零件的尺寸、形状及表面质量的预定的加工要求。因放电过程可见到火花，故称之为电火花加工。电火花是一种自持放电，它不同于弧光放电、辉光放电等其它形式的自激放电。电火花加工是基于脉冲放电的蚀除原理，所以，也称为放电加工(Electrical Discharge Machining)或电蚀加工(Electrical Erosive Machining)。2.2 电火花加工的基本原理、特点、应用、及分类2.2.1 电火花加工的基本原理尽管最初的电火花加工机床十分简单，而且很不完善，但它却和现在使用的电火花加工机床一样，也包括脉冲电源、机床床身、放电间隙调节器和工作液循环系统等四大部分（如图2-1所示）。电火花加工的基本原理如图2-1所示。工件1与工具4分别与脉冲电源2的两输出端相连。自动进给调节装置3使工具和工件间经常保持一个很小的放电间隙，当脉冲电压加到两极之间，便在当时条件下相对某一间隙最小处或绝缘强度最低处击穿介质，在该局部产生火花放电，瞬时高温使工具和工件表面都蚀除掉一小部分金属，各自形成一个小凹坑。脉冲放电结束后，经过一端间隔时间，使工作液恢复绝缘后，第二个脉冲电压又加到两极上，重复上述过程。由于工件和工具电极的表面不是绝对光滑的，有微观的凹凸存在，而每次放电又恰好都是发生在间隙最小处或绝缘强度最低处，即工件和工具电极表面的凸起最高或较高的地方发生放电，形成凹坑，当下一次放电时，放电发生在新的表面高点处，使该点又产生一个凹坑，这样随着相当高的频率，连续不断的放电，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，整个加工表面将由无数个小凹坑所组成。图2-1 电火花加工原理示意图1工件 2工具 3自动进给调节系统 4脉冲电源5工作液 6过滤器 7泵 8工作液循环系统1234568人们利用电腐蚀现象对金属材料进行尺寸加工，必须具备如下基本条件：1. 必须使工具电极和工件被加工表面之间经常保持一定的放电间隙，这一间隙随加工条件而定，通常为几微米至几百微米。如果间隙过大，极间电压不能击穿极间介质，不会形成火花放电；如果间隙过小，很容易形成短路接触，同样不能形成火花放电。因此，在电火花加工过程中必须具有工具电极的自动进给和调节装置。2. 火花放电必须在具有一定绝缘性能的液体介质中进行，例如煤油、皂化液、去离子水等。液体介质又称工作液，工作液必须具有较高的绝缘强度，以利于产生脉冲性的火花放电。同时，工作液还能把加工过程中产生的碎屑排出加工区，并且对电极和工件表面有较好的冷却作用。3. 火花放电必须是瞬时的脉冲性放电，放电延续一段时间后，需停歇一段时间，放电延续时间一般为0.1200微秒。由于放电时间短，使放电产生的热量来不及扩散到电极材料内部。在先后两次放电之间，有足够的停歇时间，使极间介质充分消电离，以保证每次放电不会在一点上重复进行。4. 必须把加工过程中产生的电蚀产物及余热及时从微小的电极间隙中排除出去。2.2.2 电火花加工的特点1. 优点 可以加工任何导电材料，由于电火花加工是基于电蚀原理的，材料的可加工性主要取决于材料的导电性及其热学特性，而几乎与其力学性能无关。因此可以“以柔克刚”。此外，在一定条件下还可以加工半导体材料和非导电材料。 工具材料不需比工件材料硬，工具电极容易制造。 加工时工具电极与工件材料是不接触的，没有宏观的切削力。因此，有利于小孔、薄壁、窄槽以及各种复杂截面的型孔、型腔等的加工，特别适宜加工低刚度工件及精密微细加工。 当脉冲放电持续时间很短时，放电时所产生的热量来不及扩散，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，也适合于加工热敏感性较强的材料。 电火花加工脉冲参数可以在一个较大的范围内调节，可以在一台机床上连续进行粗、半精及精加工。精加工时精度一般为0.01mm，表面粗糙度Ra为0.631.25m。 因直接利用电能加工，便于实现加工过程的自动化。2. 缺点 一般加工速度较慢。 存在电极损耗，影响成型精度。 最小角部半径有限制。一般电火花加工能得到的最小角部半径等于加工间隙，若电极有损耗或采用平动或摇动加工则角部半径还要增大。2.2.3 电火花加工的适用范围虽然电火花加工存在许多缺点，但由于电火花加工具有许多传统切削加工所无法比拟的优点，因此其应用领域日益扩大，目前以广泛应用于机械、宇航、航空、航天、电子、仪器仪表等众多行业。 穿孔加工 一般指贯穿的二维型孔的电火花加工。它既可以是等截面孔，也可以是变截面孔。主要用于型孔（圆孔、方孔、多边孔、异型孔）、曲线孔（弯孔、螺旋孔）、小孔、微孔等加工。 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、挤压模以及整体叶轮、叶片等各种曲面零件。 电火花线切割 这种方法是用移动的线电极丝按预定的轨迹进行切割加工。其轨迹可以是靠模、光电跟踪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。 电火花磨削 利用机械磨削的成形运动进行电火花加工。它的工具电极与工件电极作相对运动，其中之一或二者作旋转运动。主要用于磨削平面和内外圆、小孔以及成形镗磨和铲磨等。 电火花展成加工 利用成形工具电极与工件电极作相对的展成运动，使二者相对应的点保持固定重合的关系，逐点进行加工。目前应用较广的是共轭回转加工，如螺纹环规、丝规、小模数齿轮、内螺旋齿轮等。 表面强化 一般是以空气为绝缘介质，工具相对于工件作小振幅的振动，二者时而短接，时而离开，产生脉冲式的火花放电，使空气中的氮或工具材料渗透到工件表层内部，以改善工件表面的机械性能。 非金属电火花加工 一般是高频高压脉冲电源，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。这种方法主要用于半导体和非导电材料的穿孔加工。 其它电火花加工 除上述几种应用外，电火花加工还可以用于打标记、刻字、跑合齿轮、取出折断在零件内部的丝锥或钻头等。总之，电火花加工可以加工任何难加工的金属材料和导电材料；可以加工形状复杂的表面，尤其是数控技术的采用使得采用简单的电极加工复杂的零件成为可能；可以加工薄壁、弹性、低刚度、微细小孔、异形小孔、深小孔等有特殊要求的零件。2.2.4 电火花加工的分类根据工具电极和工件之间的相对运动的方式和用途的不同，可以将电火花加工分为电火花穿孔成型加工，电火花线切割加工，电火花磨削，电火花同步共轭回转加工，电火花高速小孔加工，电火花表面强化与刻字六大类。表2-1概括了各种电火花加工方法的主要特点和用途。表2-1 电火花加工方法分类类别工艺方法特点用途备注1电火花成型穿孔加工1. 工具和工件间只有一个进给运动。2. 工具为成型电极,与被加工表面有相同的截面形状。1. 型腔加工2. 穿孔加工约占电火花加工机床总数的30%.2电火花线切割加工1. 工具电极为线状电极,并沿电极丝轴线移动.2. 工具与工件在两个水平方向同时有相对进给运动.1. 切割各种直纹面2. 下料,截割, 切槽约占电火花加工机床总数的60%.3电火花磨削1. 工具与工件有相对的旋转运动2. 工具与工件间有径向和轴向的进给运动1. 加工高精度,低表面粗糙度的小孔2. 加工外圆,小模数滚刀约占电火花加工机床总数的34%.4电火花同步共轭回转加工1. 工具为成型工具, 工具与工件均作旋转运动,并且两者角速度相等或成整数倍.2. 工具相对工件可作纵向、横向进给运动可以以多种不同方式加工如异形齿轮、螺纹等复杂型面约占电火花加工机床总数的1%.5电火花高速小孔加工1. 采用细管电极(0.2-3mm),管内冲入高压水基工作液2. 电极旋转并作轴向进给运动3. 加工速度极高1. 线切割预穿丝孔2. 深径比很大的小孔(可100)约占电火花加工机床总数的2%.6电火花表面强化、刻字1. 工具在工件表面上振动2. 工具相对工件移动3. 工作介质是气体1. 刃具、量具、模具等表面的强化和镀覆2. 电火花刻字,打标记约占电火花加工机床总数的23%.2.3 电火花加工机理详细参阅文献1,10,15 在火花放电时，工件表面材料是如何被蚀除下来的，这一微观物理过程即所谓的电火花加工机理，也就是电火花加工的物理本质。了解电火花加工机理有助于掌握电火花加工的基本规律，才能对电火花加工设备和加工参数提出合理的要求。电火花加工的微观过程是非常复杂而短暂的，根据大量的研究结果看，每次电火花腐蚀的微观过程是电动力、电磁力、热动力以及流体动力等综合作用的过程，这一过程大致分为介质击穿和通道形成、能量转换和传递、电极材料的抛出和极间介质消电离等几个阶段。实际的电火花加工过程是重复放电过程，前一个脉冲放电所形成的电蚀产物及放电凹坑会影响后一个脉冲的放电过程，因而实际加工时的放电过程比单脉冲放电的物理过程复杂得多。但单脉冲放电是研究电火花加工机理的基础。2.3.1 介质击穿和通道形成电火花加工一般都是在液体介质中进行的。当脉冲电压施加在工具电极与工件之间时，极间电场将会由于电极表面微观不平而变得不均匀。极间介质中的杂质则会在极间电场作用下向电场较强的地方聚集、结链，进一步引起极间电场的畸变。当极间距离逐渐缩小或是脉冲电压逐渐增加时，极间某处的电场强度将超过极间介质的介电强度，而使电介液发生雪崩式的碰撞电离，并发展成为放电通道。此时，极间电阻将在很短的时间内（0.110s）从绝缘状态急速下降到数欧姆以下，而间隙电流随即上升，极间电压也相应下降到火花维持电压，如图2-2所示。放电通道是由数量大体相等的带正电和带负电的粒子以及中性粒子组成的等离子体。通道中的正负带电粒子在极间电场作用下高速运动，不断发生剧烈的碰撞，并产生大量的热。同时，阴极和阳极表面分别受到粒子流和电子流的高速轰击，也将产生大量的热量。这样在两极之间的间隙内，将沿放电通道形成一个瞬时高温热源。由于放电通道的截面是很小的，通道温度很高，但温度分布是不均匀的，从通道中心向边缘逐渐降低，通道中心温度可以高达10000以上。关于通道的结构，一般认为是单通道，即在一次放电时间内只存在一个放电通道；少数人认为可能有多通道，即在一次放电时间内可能同时存在几个放电通道，理由是单次脉冲放电后电极表面有时会出现几个电蚀坑。最近的实验表明，单个脉冲放电时有可能出现多次击穿(即一个脉冲内间隙击穿后，有时产生短路或开路，接着又产生击穿放电)，另外，也出现通道受某些随机因素的影响而产生游动，因而在单个脉冲周期内先后出现多个或形状不规则的电蚀坑，但同一时间内只存在一个放电通道。2.3.2 能量转换、分配与传递极间介质一旦被击穿放电，电源就通过放电通道瞬时释放能量，把电能转换为热能、动能、光能、声能以及电磁波辐射等。其中大部分转换为热量，用于加热电极放电点和极间放电通道。使两极放电点的金属局部熔化或汽化，通道周围的电介液汽化和热分解，还有一些热量在在传导和辐射过程中消耗掉。转换为动能的部分是以电动力、电场力、电磁力、流体动力、机械力等综合作用形式的放电力，在放电间隙起作用，使电极放电点汽化或熔化的部分抛离电极表面。还有少部分能量在放电过程中以光、声、电磁波等形态消耗掉。热能与电火花加工虽然有着密切的联系，然而由电能转换成的热量并非全部集中在工件表面，而是分配在阳极表面、阴极表面以及极间放电通道三部分，其中只有分配在工件电极表面的才有助于工件材料的蚀除。能量分配给电极表面主要有以下几种形式：1. 在电场作用下，带电粒子对电极表面高速轰击；2. 电极材料汽化时所形成的蒸汽炬对相对电极表面的冲击；3. 放电通道的热辐射；4. 放电通道中高温气体质点对电极表面的热冲击。其中，带电粒子对电极表面的高速轰击是主要的。在放电过程中，通道中的大量电子在电场作用下奔向阳极，并以很高的速度轰击阳极表面，将动能变成热能。而通道中的正离子则在电场的作用下奔向阴极，也以很高的速度轰击阴极，将其动能变成热能。在这种能量传递的过程中，带电粒子数越多，所传递的能量也越多。换句话说，电流越大，电子传递给阳极表面的能量也越大。2.3.3 电极表面材料的抛出传递给电极的能量转化成热量，并在电极表面形成一个瞬时高温热源。这个高温热源将使放电点附近的局部材料瞬时高温熔化和气化。由于这一过程十分短促，金属的熔化和气化具有爆炸特性。爆炸力将把熔化和气化的金属材料抛离电极表面，而在电极表面留下一个小凹坑。蚀除的金属大部分是以液相抛出的，另外还有一部分是以气相抛出的。随着放电持续时间的缩短，特别是脉冲电流上升率的增加，气相抛出的材料比例会增加。在某些情况下也可能有固相材料抛出，如高熔点的脆性材料，因热应力破坏作用而产生固体颗粒抛出。被抛出的金属液滴和蒸汽，绝大部分被抛入极间介质中，由于表面张力和内聚力的作用，迅速冷却凝固成圆形颗粒，成为电蚀产物。同时，有一部分飞溅、吸附、转移到对面电极表面上，这种相互飞溅、镀覆现象，在某些条件下可以用来减少或补偿电极的损耗。实际上金属材料的蚀除、抛出过程远比上述的要复杂。放电过程中工作液不断气化，正极受电子撞击、负极受正离子撞击，电极材料不断熔化、气泡不断扩大。当放电结束后气泡温度不再升高，但由于液体介质惯性作用使气泡继续扩展，致使气泡内压力急剧降低，甚至降到大气压以下，形成局部真空，使在高压下溶解在熔化和过热材料中的气体析出，以及材料本身在低压下再沸腾。由于压力的骤降，使熔融金属材料及其蒸汽从小坑中再次爆沸飞溅而被抛出。图2-3 放电痕剖面示意图1 无变化区 2 热影响区 3 翻边凸起 4 放电通道 5 气化区 6 熔化区 7熔化层熔融材料抛出后，在电极表面形成放电痕，如图2-3所示。熔化区未被抛出的材料冷凝后残留在电极表面，形成熔化层，在四周形成稍凸起的翻边。熔化层下面是热影响层，再往下才是无变化的材料基体。总之，材料的抛出是热爆炸力、电动力，流体动力等综合作用的结果，对这一复杂的抛出机理的认识还在不断深化中。正极、负极受电子、正离子撞击的能量、热量不同，不同电极材料的熔点、气化点不同；脉冲宽度、脉冲电流大小不同正、负电极上被抛出材料的数量也不会相同，目前还无法定量计算。2.3.4 极间介质消电离与极间介电性能的恢复放电结束时，极间电场急速减小到零，碰撞电离随即终止，而且放电通道会因消电离过程而使通道中带电粒子数急剧减少，并逐渐恢复极间介电液的介电性能。极间正负粒子的复合速度是很快的，极间电导将在很短的时间内减小到零。但是，正负粒子的复合并不等于极间介电性能的恢复。因为放电后的电蚀产物在短时间内来不及扩散和排出，放电通道中的热量也来不及传散。因此，在电火花加工过程中，为保证加工的正常进行，一般应在两次脉冲放电之间有足够的放电停歇时间。图2-4是电火花加工过程中单次脉冲放电蚀除过程示意图。 a)极间间隙建立起电场 b)介质中导电微粒或偶极 c)阴极发射发射，液体介质 d)极间间隙中形成等离子子搭接，组成小桥 被碰撞电离，向阳极延伸 放电通道 e)碰撞、冲击产生的 f)通道周围介质气化， g)放电结束，放电通 h)放电通道消失，气 i)电蚀产物和气体、热量使电极材料熔化 气态物质以大于放电 道收缩，气泡继续扩 泡收缩，气泡中的 杂质等弥散在液体和气化，部分电极材 通道扩展速度扩展而 展气泡内压力急剧降 金属液滴以及介质 介质中，电极表面料被移离表面。放电 形成气泡 低，引起过热的电极 电离产生的炭黑穿 留下凹坑。介质消通道扩展 材料熔化或气化，以 过气泡壁进入液体 电离，为下次放电 爆炸形式抛出 冷却 做准备图2-4 电火花加工中的电火花腐蚀过程示意图2.4 电火花成型加工机床间隙参考值图2-5 电火花加工设备组成示意图伺服控制装置比较器放大器传感器脉冲电源伺服机构工作液循环过滤系统机床工具电极工件电火花成型加工设备由机床主机（机床本体及伺服机构）、电源箱（脉冲电源、伺服控制系统及其它电气控制系统）、工作液循环过滤系统（泵、阀、管路、过滤器等）及附件等四大部分组成，如图2-5所示。详细内容可参阅文献152.4.1 机床本体一、 成型加工机床的组成电火花加工机床本体包括床身、立柱、工作台、主轴头和润滑系统等几部分。床身和立柱是电火花成型加工机床的基础构件，其作用是保证电极与工件之间的相互位置，它们的刚度和精度对整个机床的刚度和精度有很大的影响。因此，床身和立柱的结构应该有较高的精度，能承受主轴负重和运动部件加速运动的惯性力，并能减少温度变化引起的变形。工作台的作用是支撑和装夹工件，并通过纵向和横向坐标的调节找正工件与电极的相对位置。固定在工作台上的工作液箱是用来容纳工作液的，使电极和工件放电加工部位浸在工作液中，起到冷却和排屑作用。主轴头是电火花成型加工机床的关键部件，又是自动控制系统中自动调节器的执行机构，它的性能直接影响电火花成型加工的工艺指标。对主轴头的要求是：结构简单、传动链短、传动间隙小、热变形小、有足够的刚度和精度。主轴头的结构是由伺服进给机构、导向和防扭机构、电极装夹及其调节环节等部分组成。主轴头的主要附件是平动头。电火花加工时粗加工的火花间隙比精加工的要大。当用一个电极进行粗加工，将工件的大部分余量去除后，其底面和侧壁四周的表面粗糙度很差。为了将其修光，就得提高加工规准进行修整。由于精加工规准的放电间隙比粗加工放电间隙小，对于工件底面可通过主轴进给进行修整，而四周侧壁则无法修光。平动头就是为了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。它在电火花成形加工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和表面粗糙度值之差。平动头的工作原理是利用偏心机构将伺服电极的旋转运动通过平动轨迹保持机构，转换成电极上每一个质点都能围绕其原始位置在平面内作小圆周运动，许多包络线就形成了加工表面。其运动半径通过调节由零逐步扩大，以补偿粗、半精、精加工的火花放电间隙之差，从而达到修光型腔的目的。与一般电火花加工相比，采用平动头电火花加工有如下特点：1. 它可以通过改变轨迹半径来调整电极的作用尺寸，因此尺寸加工不再受放电间隙的限制。2. 通过轨迹半径的改变，可以实现用同一电极换规准修整。即用一个电极就能由粗到精直接加工出所需型面。3. 在加工过程中，除了放电区域外，大部分工具电极与工件的间隙都大于放电间隙，有利于电蚀产物的排除，提高了加工稳定性。4. 工具电极相对工件移动，可使加工表面粗糙度大大改善，特别是底平面处。5. 由于有平动轨迹半径的存在，它无法加工有尖角的型腔。油杯是在电火花加工过程中，实现工作液冲油或抽油强迫循环的一个主要附件。如图2-6所示，其侧壁和底边上开有冲油和抽油孔。在放电电极间隙冲油或抽油，可使电蚀产物及时排出，因此，油杯的结构好坏对加工效果有很大影响。放电加工时，工作液会分解产生气体(主要是氢气)，这种气体如不及时排出，就会存积在油杯里，当被电火花放电引燃时，将产生“放炮”现象，造成电极与工件位移，给加工带来很大麻烦，影响被加工工件的尺寸精摩，所以对油杯的应用要注意以下几点： (1)油杯要有合适的高度，能满足加工较厚工件的电极伸出长度，在结构上应满足加工型孔的形状和尺寸要求。油杯的形状一般有圆和长方形两种，而且都应具备冲、抽油的条件，但不能在顶部积聚气泡。为此，抽油抽气管应紧挨在工件底面(图2-6)。 (2)油杯的刚度和精度要好，根据加工的实际需要，油杯的两端面不平度一定不能超过0.01mm，同时密封性要好，防止有漏油的现象。(3)图2-6a)中油杯底部的抽油孔，如底部安装不方便，也可安置在靠底部侧面，也可省去抽油抽气管4和底板5，而直接安置在油杯侧面的最上部，参见图2-6b)。 a) b)图2-6 油杯结构示意图1 工件 2 油杯盖 3 管接头 4 抽油抽气管 5 底板 6 油塞 7油杯体二、 电火花成型加工机床型号、分类及结构形式参阅文献4p138及文献15D 71 机床工作台宽度（cm）电火花穿孔、型腔加工机床电加工机床电火花加工（包括穿孔和型腔加工）机床的型号规定如下：电火花成型加工机床已形成系列产品，按照不同的定义其分类方法也不同，大致分类见表2-2。成型加工机床主要参数标准见表2-3。表2-2 电火花成型加工机床的主要类型按国家标准按机床主要参数尺寸按机床布局和结构按数控程度按精度等级按伺服系统类型按应用范围1.单立柱机床（十字工作台、固定工作台型）2.双立柱机床（十字工作台型、移动主轴头型）1.小型机床D7125以下2. 中型机床D712571633. 大型机床D7163711254. 超大型机床D71125以上1. “C”型结构2. 龙门式结构3. 牛头滑枕式结构4. 摇臂式结构5. 台式结构6. 便携式结构1.普通手动机床2.单轴数控机床3.多轴数控机床1.标准精度机床2.高精度机床3 超精密机床1.液压进给2.步进电机进给3.伺服电机进给4.直线电机进给驱动1. 通用机床2. 专用机床表2-3 电火花成型加工机床主要参数标准(GB5290-85) 工作台台面宽度B/mm2002503204005006308001000长度L/mm320400500630800100012501600行程纵向X/mm160250400630横向Y/mm200320500800最大承载质量/kg50100200400800150030006000T形槽槽数/个3557槽宽/mm10121418槽间距离/mm6380100125主轴头伺服行程Z/mm80100125150180200250300滑座行程W/mm150200250300350400450500工具电极最大质量/kgI 型2050100250II 型25100200500工作液槽内壁长度d/mm400500630800100125016002000宽度c/mm30040050063080010012501600高度h/mm20025032040050063080010002.4.2 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。它是电火花加工设备的重要组成部分。其水平经常是设备更新换代的标志。对电火花加工用脉冲电源总的要求是：有较高的加工速度；工具电极损耗低；加工过程稳定；工艺范围广。但脉冲电源同时满足上述各项要求是困难的，一般来说，为了满足这些总的要求，对电火花加工脉冲电源的具体要求是：脉冲波形基本单向，以便充分利用极性效应，降低电极损耗；脉冲电源的主要参数调节方便，有较宽的调节范围；性能稳定可靠、操作与维修方便、体积小、节省电能。关于电火花加工用脉冲电源的分类，目前尚无统一的规定。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2-4。表2-4 电火花加工用脉冲电源分类按主回路中主要元件种类弛张式，电子管式，闸流管式，脉冲发电机式，晶闸管式，晶体管式，集成元件按输出脉冲波形矩形波，梳状波分组脉冲，三角形波，阶梯波，正弦波，高低压复合脉冲按间隙状态对脉冲参数的影响非独立式，独立式按工作回路数目单回路，多回路虽然电火花加工用脉冲电源的种类很多，但在典型的电火花加工机床中，常采用以下两种脉冲电源及其派生电源。1. RC线路脉冲电源uEUdUctOtOit0teieAVERC线路脉冲电源的工作原理是利用电容器储存电能，而后瞬时释放，形成火花放电来蚀除金属。因为电容器时而充电，时而放电，一张一弛，故又称张弛式脉冲电源。RC线路是张弛式脉冲电源中最简单、最基本的一种，图2-7是它的工作原理图。它由两个回路组成：一个是充电回路，由直流电源E、充电电阻R（调节充电速度，同时限流以防电流过大转变为电弧放电，故也称作限流电阻）和电容器C（储能元件）所组成；另一个是放电回路，由电容器C、工具电极和工件及其间的放电间隙所组成。图2-7 RC线路脉冲电源工作原理图 图2-8 RC脉冲电源电压、电流波形图当直流电源接通后，电流经限流电阻R向电容器C充电，电容C两端的电压按指数曲线逐渐升高，因为电容器两端的电压与工具和工件间隙两端的电压是相等的，因此当电容两端的电压增加到等于间隙的击穿电压Ud时，间隙被击穿，间隙电阻变得很小，电容器上储存的能量瞬时释放出来，形成较大的脉冲电流ie，如图2-8所示。电容器上的能量释放后，电压瞬时下降到接近于零，间隙中的工作液又迅速恢复绝缘状态。然后电容器再次充电，重复前述过程。如果间隙过大，则电容器两端的电压Uc将上升到直流电源电压E。RC线路充放电时，电压和电流与时间的关系曲线均为指数曲线，即电容器上充电电压 电容器上放电电压 电容器上充电电流 电容器上放电电流 式中r放电回路的电阻，R与C的乘积RC称为充电时间常数，rC称为放电时间常数。理论上由零充电到电源电压E，需要很长的时间，但当充电时间t=3RC时，电容器上的电压u=E(1-e-3/RC)0.98E，已基本充满，同样放电时经3rC时间，放电已基本完成。由于Rr，所以相对而言，RC线路充电很慢，放电很快。RC脉冲电源的优点是：. 结构简单，重量轻，体积小，成本低，工作可靠；. 在小功率时可以获得很窄的脉宽(0.1s)和很小的单个脉冲能量，可用作电火花光整加工和精微加工。. 电容器瞬时放电时可达很大的峰值电流，能量密度很高，不易产生表面微裂纹，加工稳定。RC脉冲电源的缺点是：. 电容器放电速度快，无法获得较大的脉宽，因此很难在型腔加工中获得应用。. 电能利用效率低，最大不超过36%，因为大部分电能经过限流电阻R时转化为热能损失掉。这在大功率加工时是不经济的。. 生产效率低，因为电容器充电时间比放电时间长50倍以上，脉冲间歇系数大。. 工艺常数不稳定，因为RC电源本身不是独立式电源。脉冲频率、宽度、单个脉冲能量受到放电间隙大小、间隙中电蚀产物的污染程度及排除情况等的影响。为了克服这些缺点，可以用大功率三极管或VMOS管代替限流电阻R串联到充电回路中，这样就成为了晶体管控制的RC脉冲电源(Tr-RC)，晶体管导通时可对电容器充电，电容器开始放电时关断晶体管，这样可提高充电速度和减少发热损耗。RC脉冲电源主要用于小功率的精微加工或便携式电火花加工机床中。2. 晶体管式脉冲电源晶体管式脉冲电源是利用大功率晶体管作为开关元件而获得单向脉冲的。晶体管式脉冲电源具有脉冲频率高、脉冲参数容易调节，易于实现多回路加工和自适应控制等优点，所以应用非常广泛，特别是在100A以下的中小型电火花脉冲电源中、都采用晶体管式电源。图2-9 自振式晶体管脉冲电源原理图目前晶体管的功率都很还较小，每管导通时的电流常选5A左右，因此在晶体管式脉冲电源中，都采用多管分组并联输出的方式来提高输出功率。图2-9为自振式晶体管脉冲电源原理图。主振级Z为一不对称多谐振荡器，它发出一定脉冲宽度和停歇时间的矩形脉冲信号，以后经放大器F放大，最后推动末级功率晶体管导通或截止，输出一连串的矩形脉冲波。末级晶体管起着“开、关”的作用。它导通时，100 V左右的直流电源电压E即加在加工间隙上，击穿工作液进行火花放电。当晶体管截止时，脉冲即行结束，工作液恢复绝缘，准备下一脉冲的到来。为了加大功率，且可调节粗、半精、精加工规准，整个功率级由几十只大功率高频晶体管分为若干路并联，精加工只用其中一路或两路。为了在放电间隙短路时不致损坏晶体管，每个晶体管均串联限流电阻R，并可以在各管之间起均流作用。3 由晶体管脉冲电源派生的一些脉冲电源 1)高低压复合脉冲电源图2-10 复合回路及高低压复合脉冲复合回路脉冲电源的主回路示意图见图2-10。与放电间隙并联两个供电回路：一个为高压脉冲回路，其脉冲电压较高(300V左右)，平均电流较小，主要起击穿间隙的作用，也就是控制低压脉冲的放电击穿点，因而也称之为高压引燃回路；另一个为低压脉冲回路，其脉冲电压比较低(60-80V)，可输出的电流比较大，起着蚀除金属的作用，所以称之为加工回路，二极管D用以阻止高压脉冲进入低压回路。所谓高低压复合脉冲，就是在每个工作脉冲电压(6080V)波形上再叠加一个小能量的高压脉冲(300V左右)，使电极间隙先击穿引燃而后再放电加工，大大提高了脉冲的击穿率和利用率，并使放电间隙变大，排屑良好，加工稳定，在“钢打钢”时显出很大的优越性。图2-11 高低压复合脉冲的形式近年来在生产实践中，在复合脉冲的形式方面，除了高压脉冲和低压脉冲同时触发加到放电间隙去之外(见图2-11a)，还出现了两种高压脉冲比低压脉冲提前一短时间t触发的形式，如图2-11b、c所示，此t时间是12s。实践表明，图2-11c的效果最好，因为高压方波加到电极间隙上去之后，往往也需有一个小段延时才能击穿，在高压击穿之前低压脉冲不起作用，而在精加工窄脉冲时，如果高压不提前，低压脉冲往往来不及起作用而成为空载脉冲，为此，应使高压脉冲提前触发，与低压同时结束。2)多回路脉冲电源图2-12 多回路脉冲电源和分割电极所谓多回路脉冲电源，即在加工电源的功率级并联分割出相互隔离绝缘的多个输出端，可以同时供给多个回路的放电加工。这样不依靠增大单个脉冲的放电能量，既不使表面粗糙度值变大又可以提高生产率，这在大面积、多工具、多孔加工时很有必要，如电机定子和转子冲模、筛网孔等多孔穿孔加工，以及大型腔模加工中经常采用该电源，如图2-12所示。多回路电源总的生产率并不与回路数目完全成正比增加，因为多回路电源加工时，电极进给调节系统的工作状态变坏，例如当某一回路放电间隙短路时，电极回升，全部回路都得停止工作。回路数愈多，这种相互牵制干扰损失也愈大，因此回路数必须选取得当，一般常采用24个回路。加工愈稳定，回路数可取得愈多。多回路脉冲电源中，同样可采用高低压复合脉冲回路。3)等脉冲电源所谓等脉冲电源是指每个脉冲在介质击穿后所释放的单个脉冲能量相等。对于矩形波脉冲电源来说，由于每次放电过程的电流幅值基本相同，因而所谓等脉冲电源，也即意味着每个脉冲放电电流持续时间te相等。前述的独立式、等频率脉冲电源，虽然电压脉冲宽度ti和脉冲间隔to。在加工过程中保持不变，但每次脉冲放电所释放的能量往往不相等。因为放电间隙物理状态总是不断变化的，每个脉冲的击穿延时有长有短，随机性很大，各不相同，结果使实际放电的脉冲电流宽度发生变化，影响单个脉冲能量的放电凹坑大小，因而也就影响加工表面粗糙度微观上不均匀。等脉冲电源能自动保持脉冲电流宽度相等，用相同的脉冲能量进行加工，从而可以在保证一定表面粗糙度的情况下，进一步提高加工速度。获得等脉冲电流宽度的方法，通常是在间隙加上直流电压后，利用火花击穿信号(击穿后电压突然降低)来控制脉冲电源中的第一个单稳态电路，令它开始延时，并以此作为脉冲电流的起始时间，再经第二个单稳态电路延时te之后，发出信号关断导通着的功放管，使它中断脉冲输出，切断火花通道，从而完成一次脉冲放电，同时触发第三个单稳态电路，使其经过一定的延时(脉冲间隔to)，发出下一个信号，使功放管再导通，开始第二个脉冲周期。这样所获得的极间放电电压和电流波形如图2-13所示，每次的脉冲电流宽度te都相等，而电压脉宽ti则不一定相等。中、高档电火花加工机床的脉冲电源，都有此类等电流脉宽功能。4)高频分组和梳形波脉冲电源高频分组脉冲和梳形波脉冲波形分别如图2-14和图2-15所示。这两种波形在一定程度上都具有高频脉冲加工表面粗糙度值小和低频脉冲加工速度高、电极损耗低的双重优点，得到了普遍的重视。梳形脉冲波不同于分组脉冲波之处在于大脉宽期间的小脉间电压不为零，始终加有一较低的正电压，其作用是当负极性精加工时，使正极工具能吸附碳膜，获得较低的电极损耗。图2-14 高频分组脉冲电源波形 图2-15 梳形波脉冲电源波形 1 高频脉冲；2分组脉冲 1高频高压脉冲；2低频低压脉冲2.4.3 伺服控制系统一、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，工具电极和工件之间有一放电间隙，脉冲电压不能击穿间隙间的绝缘工作液，就不会产生火花放电，必须使工具电极向下进给，直到间隙等于或小于某一值时，才能击穿间隙，形成火花放电。在加工过程中，工件不断被蚀除，间隙逐渐加大，必须使工具电极进给，以维持所需要的放电间隙。如果进给太快，间隙将逐渐变小，当间隙过小时，将会产生短路，必须使工具电极以较大的速度回退，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。这时电火花加工所必须解决的问题。由于电火花加工间隙很小，且与加工规准、加工面积、工件蚀除速度等有关，因此很难靠人工进给，同样也不能象钻削那样采用机动等速进给，而必须采用自动进给调节系统。这种不等速的自动进给调节系统也称之为伺服进给系统。放大器执行机构加工间隙测量环节比较器设定值图2-16 伺服控制系统基本组成方框图为了适应电火花加工的特点，伺服进给系统应有进给速度调节范围宽，能跟踪各种加工规准下的蚀除速度和空载、短路时的快速运动；有较高的稳定性和抗干扰能力；不灵敏区要小，尤其是精加工时，能使间隙控制在几个微米以内；要有一定的承载能力和进给行程。伺服控制系统的基本原理如图2-16所示。伺服执行机构有电气机械伺服机构和电气液压伺服机构两类。早期的电气机械伺服机构主要采用伺服电机，因传动链长、惯性大、刚性差，已逐步被力矩电机、宽调速电机和步进电机取代，交流电机式的伺服机构系统已在一些先进设备上采用，其响应时间为毫秒级。电气液压伺服机构是采用油缸和活塞为执行元件，其灵敏度高，精加工时稳定性好，但工艺较复杂、成本高，一般用于精密机床。二、数控系统1 电火花加工单轴数控系统在电火花单轴(往往是Z轴)数控系统出现以前，曾出现过单轴数显。例如早期有些高档的国外液压进给的电火花机床，在主轴导轨上安装了磁尺或光栅，把主轴、工具电极的位移量数字化显示出来，这种简单的数显装置能随时指示实际的进给位置，给机床操作人员带来极大的方便。同样，现在电机驱动的非数控机床，也可以在Z轴(单轴)或X、y、Z三轴上都装上数显，成为高性能的手工操作机床，可以控制定位尺寸精度在0.01mm以内。作为数显装置的位移检测元器件有磁尺、光栅和感应同步器，它们虽各有其优缺点，但都可做成分辨率为1m、2m和5m的检测器。其中光栅的性能较稳定，但价格也较高。采用步进电机或带细分功能的步进电机，较易实现电火花加工的数控和数显，因为它本身就是一种数字化控制的电机，只要有两路数字化的信号(无信号为“0”，有信号为“1”)，就可以实现步进电机的快、慢和正、反方向的旋转。例如，快慢信号“0”、“1”变化的频率高时，它的转速就高，反之就慢，每给一信号脉冲就转动一步，不给脉冲就静止不转。另一路控制方向的信号为“0”时，电机就正转，为“1”时，电机就反转。用加、减法计数器就可数字显示进给深度的位置。步进电机驱动的数控系统线路简单、成本低廉、工作可靠，但力矩较小和调速性能较差，一般只用于中、小型电火花加工机床。近年来随着电子技术、微机技术的发展，各种直流伺服电机和交流伺服电机的性能不断提高，价格不断降低，已广泛用于各种高、中档电火花加工机床的数控系统中。交、直流伺服电机(调速电机)之所以可用作数字控制，是因为在电机的端部同轴装有一个“码盘”(编码器)，电机每转一转，码盘可以发出1千1万个脉冲(一般为2500脉冲)，亦即每一脉冲相当于一转的1/l0001/10000，用这些脉冲即可数字控制电机的转角和转速。通过丝杠螺母机构，通常可达到每脉冲的数控分辨率为1m。例如设某码盘为每转输出4000个脉冲，如与码盘、电机直接连接的丝杠螺距为4mm，则每一脉冲的数控位移当量(分辨率)为4 mm4000脉冲=0.001 mm/脉冲=1m/脉冲。数控进给系统可以分为开环控制、半闭环控制和全闭环(简称闭环)控制系统。开环控制系统是指控制信号(例如进给10.55 mm)自指令机构(一般为单片微机)发出，经放大环节到执行环节执行此信号后，控制过程就算结束，在执行环节之后没有检测环节等反馈联系(见图2-17a)。至于执行过程中执行环节工作是否正常?进给是否到位?在开环控制系统中是没有考虑的。半闭环控制系统是指在执行环节(例如伺服电机)后设置有测量环节(例如同轴安装在电机轴端的码盘)，随时向指令机构发出反馈信号，告知执行环节(伺服电机)已转过的角度。如果还未达到指令规定的转角，则继续转动，直至达到规定转角为止(在超过规定转角的情况下，可以反转以退回多转的角度)。这样在执行环节和指令机构之间有了测量环节和反馈联系，形成了“半闭环”(见图2-17b)。如果在控制对象(例如安装有工具电极的主轴和装有工件的工作台)上安装位置测量环节(如光栅、磁尺等)，以随时反馈被控制对象的位置，进行“多退少补”，这就成为全闭环(简称闭环)系统(见图2-17c)。开环数控系统简单、可靠、成本低，用于进给精度要求不高的场合。半闭环系统仅用与伺服电机同轴安装的码盘，不用磁尺、光栅等直线位移传感器，比闭环系统简单可靠和节省成本，是目前中档机床广泛采用的系统。它虽不能修正、消除传动丝杠螺距误差和螺母间隙正反转时引起的误差，但可以用软件来补偿、减少这些误差。高档数控电火花机床要求进给精度很高时，应采用有光栅、磁尺等位置检测元件的闭环系统，它依靠精密的光栅、磁尺等可直接消除丝杠的螺距误差和丝杠螺母间隙在正反转时引起的误差。图2-17 开环、半闭环和闭环控制系统2 电火花加工多轴数控系统电火花机床如果具有X、Y、Z等多轴数控系统，则工具电极和工件之间相对的运动就多种多样，可以满足各种模具加工的要求，而且还可以用国际上通用的ISO代码进行编程、程序控制、数控摇动加工等等。ISO代码ISO代码是国际标准化机构制定的用于数控编程和控制的一种标准代码。代码中分别有G指令(称为准备功能指令)和M指令(称为辅助功能指令)等。G指令中，例如：G00 X100.578 Y200.369 即表示快速定位，工具电极快速定位至X=100.578 mm，Y=200.369mm处。其中最小脉冲当量为0.001 mm(1m)，X轴工件向右为(+)，y轴工件向前为(+)，Z轴(工具电极)向上为(+)，反之为(-)。(+)号可以省略不写，(-)向运动必须在数字前加“-”号。又如；M00 表示程序暂停。表2.5为电火花加工中最常用的G指令和M指令代码，它是从切削加工机床的数控系统中套用过来的，不同机床的代码，可能有多有少，含义上也可能稍有差异。例如，沙迪克公司用C作为加工规准条件的代码，而三菱公司则用E表示。具体应遵照所使用电火花加工机床说明书中的规定。表2.5 常用的电火花加工数控C指令和M指令代码代 码功 能代 码功 能代 码功 能G00快速定位G41带左偏补偿M00程序暂停G01直线插补G42带右偏补偿M02程序结束G02顺圆圆弧插补G54工作坐标系0M05不用接触感知G03逆圆圆弧插补G55工作坐标系1M08旋转头开G04暂停G56工作坐标系2M09旋