電火花銑削加工的原理與設(shè)計

李朝強　王春生　彭曉紅

摘要：與傳統(tǒng)的電火花成型加工相比，采用電火花銑削加工技術(shù)具有節(jié)省成型電極的設(shè)計和制作、縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期、降低模具制造成本以及提高加工速度和加工靈活性等一系列優(yōu)點，必將成為復(fù)雜的電火花快速加工的最佳選擇。文章根據(jù)高效電火花銑削加工的原理及特點，完成了高效電火花銑削加工系統(tǒng)的總體方案設(shè)計。

關(guān)鍵詞：電火花；銑削加工；模具制造；加工系統(tǒng)；方案設(shè)計

中圖分類號：TP391

文獻標識碼：A

文章編號：1009-2374(2009)17-0038-02

當前市場競爭日益激烈，企業(yè)只有迅速、高效，并以較低成本加工出滿足客戶要求的零件才能在競爭中立于不敗之地。高速銑削技術(shù)的進一步發(fā)展及其推廣應(yīng)用對電火花成型加工形成了挑戰(zhàn)。目前數(shù)控銑削加工技術(shù)幾乎可以滿足任意復(fù)雜曲面和超硬材料的加工要求。與傳統(tǒng)的電火花成型加工相比，電火花銑削加工技術(shù)具有節(jié)省成型電極的設(shè)計和制作、縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期、降低模具制造成本以及提高加工速度和加工靈活性等一系列優(yōu)點，必將成為復(fù)雜的電火花快速加工的最佳選擇。

一、電火花銑削加工的原理

電火花銑削加工技術(shù)是在一定介質(zhì)中，利用兩個電極之間產(chǎn)生脈沖火花放電時的電蝕效應(yīng)來達到蝕除被加工工件材料的加工技術(shù)。電火花加工設(shè)備一般由脈沖電源、放電間隙調(diào)節(jié)系統(tǒng)、機床床身和工作液及其循環(huán)系統(tǒng)組成，具體組成情況如圖1所示。脈沖電源為電火花加工提供放電能量；放電間隙調(diào)節(jié)系統(tǒng)的作用是使電極與工件間維持適當?shù)拈g隙距離，防止發(fā)生短路和拉弧燒傷等異常情況發(fā)生；機床的作用是給加工過程提供支撐，并使電極與工件的相對運動保持一定的精度；工作液有助于脈沖放電，并起冷卻作用及間隙消電離，其循環(huán)過濾系統(tǒng)保證蝕除產(chǎn)物的有效排出，以防止工作液中的導(dǎo)電微粒過多減少絕緣強度，導(dǎo)致脈沖放電轉(zhuǎn)變?yōu)槠茐碾娀》烹?，使加工無法正常進行。

二、影響電火花銑削加工的因素

對電火花銑削加工加工速度有重要影響的因素是：峰值電流、脈沖寬度、占空比、放電面積和進給速度。在這些因素中，峰值電流對加工速度的影響最大，其次是脈沖寬度。我們知道，提高加工速度的途徑在于增加單個脈沖能量，而單個脈沖能量主要靠加大脈沖峰值電流和增加脈沖寬度。但是加工電流又常用電流密度來衡量。電流密度是粗加工中選擇加工規(guī)準的重要依據(jù)，它反映了加工中電極單位放電面積上承載的電流。粗加工的作用是去除大部分加工余量，一般都希望獲得盡可能高的工件材料蝕除率和盡可能小的工具電極損耗率，因此可采用較大的加工電流。在選擇電規(guī)準時應(yīng)保證加工電流等于或稍低于最大允許電流。在加工材料一定的情況下，最大允許電流由電極的有效放電面積決定。加工速度隨放電面積的增大而增大。因此，為保證較大的加工速度，應(yīng)適當增大放電面積。這是因為，當放電面積很小時，加工間隙內(nèi)會發(fā)生頻繁的短路和電弧放電現(xiàn)象，工具的回退次數(shù)會增多，工件蝕除速度很低。分析認為，放電面積過小，在單位面積上脈沖放電過于集中，致使電蝕產(chǎn)物排除不暢，影響了加工穩(wěn)定性；同時工作液分解產(chǎn)生的氣體在加工區(qū)域來不及排出，造成在氣體中放電的現(xiàn)象，這兩方面的原因造成了加工速度的降低。

三、電火花銑削加工系統(tǒng)的設(shè)計

(一)電火花銑削加工系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

傳統(tǒng)的電火花成型加工需要制備成型電極，準備時間長，費用大，加工過程缺乏柔性。對于精度要求不高的難加工材料，可以采用電火花銑削加工。為了進行初步實驗，本文采用普通的鉆床改制成高效電火花銑削加工系統(tǒng)的原理樣機，可以節(jié)約設(shè)備費用，同樣也能得到較為理想的加工效果。它包括機床本體、工作液循環(huán)過濾系統(tǒng)、脈沖電源及其它電氣系統(tǒng)組成，具體組成結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。該系統(tǒng)分為機械和電氣兩大部分，機械部分主要由機床本體和工作液循環(huán)過濾系統(tǒng)兩大部分組成。電氣部分以數(shù)字計算機作為核心控制系統(tǒng)。

(二)機械部分

機床本體是由普通臺式鉆床改造而成。在臺鉆的底部安裝雙坐標軸工作臺，實現(xiàn)坐標聯(lián)動，完成平面輪廓加工，工作臺的移動用步進電機驅(qū)動。將臺鉆的鉆頭換成電火花電極工具，工具進給用步進電機替換手動手柄，由計算機控制步進電機實現(xiàn)進給和回退伺服動作來調(diào)整加工間隙，即采用z軸伺服加工模式。這樣就得到要求的平面運動軌跡，同時z軸在沿軸向伺服運動的同時可作旋轉(zhuǎn)運動，實現(xiàn)軸數(shù)控電火花銑削加工。同時為了滿足銑削過程中通過高壓沖液來實現(xiàn)高效加工的要求，本系統(tǒng)將臺式鉆床的旋轉(zhuǎn)主軸加工成中空軸，將空心電極夾持在主軸下部的夾頭上，以便工作液可以從軸的頂端通入，然后從中空電極的內(nèi)壁流出，起到冷卻工件及改善間隙狀態(tài)的同時也帶走加工碎屑的作用。在工作液循環(huán)過濾系統(tǒng)中，用旋轉(zhuǎn)接頭來實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)主軸和供液管路的動靜連接。具體做法是在旋轉(zhuǎn)接頭的動端添加一個螺紋連接件，實現(xiàn)其和主軸的螺紋連接，而在旋轉(zhuǎn)接頭的靜端可以直接和供液管路相連。這樣，使得電極管的動密封問題得到了很好地解決。電極采用中空的管狀電極，由主軸電機帶動隨主軸旋轉(zhuǎn)。為了使工作液能高速通過電極管輸送到加工區(qū)域，加工設(shè)備必須配備小流量的高壓泵，高壓泵配以調(diào)壓閥，可以實現(xiàn)壓力的在線可調(diào)。加工時，中空電極管用導(dǎo)向器導(dǎo)向，通過主軸滑塊帶動作伺服進給。高壓工作液由屯極內(nèi)孔噴出，對加工區(qū)實施強迫排屑及冷卻。

(三)電氣控制部分

電火花加工的伺服控制是一種特殊的運動行為，它是電極和工件間動態(tài)地保持放電間隙的過程。它包含兩種運動：一是正常的軌跡插補，二是回退插補。通過這個過程，可以使電極與工件之間維持一定的放電間隙，使電火花加工保持—個最大的蝕除速度，還可以根據(jù)放電狀態(tài)的好壞自動調(diào)整放電間隙，保證加工穩(wěn)定進行。在分層去除電火花銑削加工中，由于底面放電間隙基本保持不變，使得系統(tǒng)擺脫電弧的能力較差，因此，本設(shè)計中考慮采用的是z軸伺服模式。在z軸方向上進行伺服，其優(yōu)點是不必保存冗長的加工軌跡數(shù)據(jù)，而且放電間隙可以改變，有利于放電蝕除產(chǎn)物的排除，對不正常放電的調(diào)節(jié)更為有效。

總之，目前數(shù)控銑削加工技術(shù)已經(jīng)幾乎可以滿足任意復(fù)雜曲面和超硬材料的加工要求。而且相對于傳統(tǒng)電火花加工而言，銑削加工具有更快的加工速度、更低的加工成本和更好的加工柔性。本文設(shè)計高效電火花銑削加工系統(tǒng)正是在綜合考慮電火花成型加工和高速銑削兩種工藝優(yōu)勢的基礎(chǔ)上提出的，具有很廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻

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作者簡介：李朝強(1972-)，男，河南洛陽人，河南科技大學(xué)工程訓(xùn)練中心助理工程師，研究方向：數(shù)控機械實驗教學(xué)。