電火花成形機(jī)床工作液泵變頻控制技術(shù)的研究

葉書強(qiáng)，曹鳳國(guó)，張建東，王幼平

（北京市電加工研究所，北京100191）

電火花成形機(jī)床工作液泵變頻控制技術(shù)的研究

葉書強(qiáng)，曹鳳國(guó)，張建東，王幼平

（北京市電加工研究所，北京100191）

電火花成形機(jī)床工作液循環(huán)系統(tǒng)是機(jī)床的重要組成部分，工作液泵是工作液循環(huán)系統(tǒng)的核心部件。通過分析電火花成形加工對(duì)工作液循環(huán)系統(tǒng)的液位、液溫、液壓和工作液潔凈度的控制要求，認(rèn)為電火花成形加工過程中不應(yīng)讓工作液泵始終以額定壓力和流量進(jìn)行工作，而應(yīng)根據(jù)加工工況適時(shí)調(diào)整工作液泵的壓力和流量。通過分析工作液泵的結(jié)構(gòu)和工作特性，認(rèn)為采用電機(jī)變頻控制方法來調(diào)整工作液泵的流量和壓力是一種節(jié)能降噪、延長(zhǎng)泵使用壽命的良好方法。在此基礎(chǔ)上推出一種工作液泵頻率可控的電火花成形機(jī)床工作液循環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅節(jié)能降噪，還有利于工作液循環(huán)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

電火花成形機(jī)床；工作液泵；變頻控制

電火花成形加工是在工作液（介質(zhì)）內(nèi)實(shí)施電極與工件之間的放電蝕除加工[1]。通常，電火花成形機(jī)床設(shè)有工作液槽和貯液箱。工作液槽用于放置工件，它是電極與工件實(shí)施放電蝕除加工的場(chǎng)所；在電火花加工時(shí)，工作液槽內(nèi)注入工作液，當(dāng)液面達(dá)到預(yù)定高度（一般高于工件上表面50 mm以上）時(shí)，電極與工件進(jìn)行放電加工。貯液箱用于貯存工作液，體積是工作液槽的2～3倍，通常用工作液泵從貯液箱中抽取工作液，經(jīng)過濾器過濾后送入工作液槽。機(jī)床開始工作時(shí)，工作液泵以大流量向工作液槽內(nèi)輸送工作液，使槽內(nèi)液面快速上升到預(yù)定高度；在放電加工過程中，工作液泵連續(xù)地向工作液槽提供工作液，以保持工作液循環(huán)過濾和維持槽內(nèi)的液面高度。

大多數(shù)電火花成形機(jī)床選擇單級(jí)離心泵作為工作液泵，它具有體積小、重量輕、轉(zhuǎn)速高、維修方

便、效率高等特點(diǎn)[2]。多數(shù)機(jī)床選擇工作液泵的條件是：①保證3～5 min內(nèi)能將工作液槽內(nèi)的液面提升到最大高度。假設(shè)某機(jī)床工作液槽內(nèi)腔長(zhǎng)800 mm、寬500 mm、設(shè)計(jì)最高液位350 mm，則該機(jī)床選擇工作液泵的額定流量應(yīng)不小于40 L/min；②具有一定的出口壓力。一般考慮工作液通過過濾器的壓力損失為0.1 MPa，沖油壓力為0.3 MPa，故大多數(shù)機(jī)床選擇工作液泵的額定出口壓力為0.4 MPa（或額定揚(yáng)程40 m）；③具有一定的自吸能力。通常，貯液箱高度不超過1 m，大多數(shù)機(jī)床的工作液泵安裝在貯液箱蓋板之上，泵需從貯液箱內(nèi)抽取工作液，故工作液泵應(yīng)有一定的吸程。

1 電火花機(jī)床工作液泵使用存在的問題

圖1是一種單級(jí)離心泵的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。其工作原理是：?jiǎn)?dòng)前，在泵體及吸入管內(nèi)注滿工作液，當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)葉輪高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉輪帶動(dòng)葉片間的液體一起旋轉(zhuǎn)，在離心力作用下，液體從葉輪中心被拋到葉輪邊緣，在葉輪邊緣的高轉(zhuǎn)速推動(dòng)下，液體流速增加、動(dòng)能增大、壓力提高，并沿著排出管路被輸送出去。與此同時(shí)，葉輪中心的進(jìn)口處因液體的拋出而形成真空或低壓，貯液箱中的工作液在大氣壓的作用下進(jìn)入葉輪的中心進(jìn)口。于是，旋轉(zhuǎn)的葉輪連續(xù)不斷地吸入和排出液體。

圖1 離心泵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

傳統(tǒng)電火花成形加工是從機(jī)床開始工作到工件完成加工，工作液泵始終以額定流量和壓力向工作液槽輸送工作液，這種始終滿負(fù)荷工作的工作液泵存在以下問題：

（1）工作液泵磨損快。離心泵是一種高轉(zhuǎn)速泵，當(dāng)葉輪始終高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，在強(qiáng)烈的離心力作用下，液體在從葉輪中心被拋到葉輪邊緣的過程中與葉輪強(qiáng)烈摩擦，尤其當(dāng)工作液中含雜質(zhì)較多時(shí)，會(huì)使葉輪很快的磨損；另外，葉輪與泵體、葉輪與蓋板等間隙處也易磨損，顯然，工作液泵高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間越長(zhǎng)，工作液中雜質(zhì)越多，這種磨損就越快、越嚴(yán)重。

（2）工作液過濾效果差。目前，大多數(shù)電火花成形機(jī)床用紙芯過濾器過濾工作液，如果流經(jīng)過濾器的工作液壓力高、流量大，則工作液來不及得到有效過濾，大量雜質(zhì)將隨著工作液循環(huán)被帶回工作液槽；另外，工作液流量大，會(huì)使流回貯液箱內(nèi)的工作液來不及沉淀和散熱，導(dǎo)致大量細(xì)顆粒雜質(zhì)始終懸浮在工作液中，且工作液散熱也較困難。

（3）功耗多，噪聲大。離心泵的流量與轉(zhuǎn)速成正比，且轉(zhuǎn)速與功耗的立方成正比。顯然，流量越大，功耗越多，且功耗增加的速率比流量增長(zhǎng)快得多。泵始終高速工作，不僅導(dǎo)致葉輪、旋轉(zhuǎn)部件、密封部件等磨損加快，間隙增大，還會(huì)使泵的工作效率下降，易出現(xiàn)泄漏；泵的運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲也越來越大。

2 電火花成形對(duì)工作液的循環(huán)和過濾要求

電火花成形加工過程并不需要工作液泵始終以額定流量和壓力向工作液槽提供工作液，只是在機(jī)床開始工作時(shí)，能使工作液泵以較大的流量向工作液槽提供工作液，使槽內(nèi)工作液快速上升到預(yù)定的液面高度，從而減少機(jī)床輔助工作時(shí)間。而在放電加工過程中，只需工作液泵以一定流量向工作液槽連續(xù)提供工作液，以保持工作液循環(huán)過濾和維持槽內(nèi)的液面高度。

電火花成形機(jī)床的放電加工時(shí)間遠(yuǎn)大于提升工作液槽內(nèi)的液面達(dá)到設(shè)定高度的時(shí)間，即工作液泵提供循環(huán)補(bǔ)液過程的時(shí)間遠(yuǎn)大于工作液泵大流量供液過程的時(shí)間。因此，采用傳統(tǒng)的工作液泵始終滿負(fù)荷、大流量供液是不合適的，不僅浪費(fèi)電能，降低工作液的過濾效果，還會(huì)引發(fā)工作液泵的強(qiáng)烈噪聲，加快泵的磨損進(jìn)程。

除了某些有特殊要求的電火花加工工藝外，一般的電火花成形加工對(duì)工作液循環(huán)系統(tǒng)需要控制的參數(shù)有液位、液溫、液壓和工作液潔凈度。

（1）液位。電火花成形加工使用的工作液是以煤油為基體，盡管目前使用的專用電火花加工液的揮發(fā)性小、閃電高，但仍是可燃物，為避免引燃工作液，嚴(yán)禁在工作液與空氣的接觸界面上放電，必須保證電火花加工始終在工作液內(nèi)進(jìn)行。目前，電火花成形機(jī)床采用液位浮子監(jiān)控液位，當(dāng)工作液槽內(nèi)的液位未達(dá)到預(yù)定高度，機(jī)床的高頻電源不能開啟；若加工過程中因泄漏等原因?qū)е乱何幌陆?，一旦低于設(shè)定高度，液位浮子會(huì)立即關(guān)斷高頻電源，此時(shí)，應(yīng)以最快的速度向工作液槽內(nèi)補(bǔ)充工作液，以便快速恢復(fù)正常加工。

（2）液溫。電火花放電加工會(huì)產(chǎn)生熱量，尤其在

電火花粗加工時(shí)，大能量放電會(huì)使工作液槽內(nèi)的工作液升溫較快；而在中、精加工階段，由于放電能量較小，工作液溫升較慢。對(duì)于不同的加工面積和蝕除效率，所需的放電能量就不同，造成的工作液溫升快慢也不同。電火花成形加工中，用工作液循環(huán)的方式帶走放電加工產(chǎn)生的熱量。當(dāng)工作液溫升較快時(shí)，應(yīng)加大工作液槽內(nèi)的工作液循環(huán)流量和流速；而溫升較慢時(shí)，則可減少工作液循環(huán)流量。因此，可用溫度傳感器來監(jiān)測(cè)液溫，根據(jù)工作液槽內(nèi)的液溫狀況，適時(shí)調(diào)整工作液泵的輸送流量。

（3）液壓。除了某些深、窄槽或深小孔的電火花加工需用高壓沖液外，一般的模具或工件在電火花加工中有的不需沖液，有的即使需要沖液，其沖液壓力要求也不高（0.3 MPa以下即可）。一些模具需用抽液方法進(jìn)行排屑，多數(shù)機(jī)床的抽液裝置是利用射流原理，由沖液產(chǎn)生負(fù)壓來實(shí)現(xiàn)抽液（真空度不到-0.1 MPa）。在電火花加工中，使用沖、抽液的目的是及時(shí)排出加工區(qū)的蝕除物和熱量，維持穩(wěn)定加工，防止出現(xiàn)異常加工。若放電間隙中的沖、抽液壓力過高或不均勻，會(huì)造成電極損耗不均勻，影響加工精度。多數(shù)模具或工件的加工過程中，即便使用沖、抽液，也不希望加工過程從始至終不停地沖、抽液，只是在排屑不暢，或產(chǎn)生“放炮”等異常狀態(tài)時(shí)才需使用沖、抽液。如今，由計(jì)算機(jī)控制的電火花伺服加工，能很容易、很迅速地判定電火花加工放電間隙狀態(tài)的優(yōu)劣，可利用計(jì)算機(jī)對(duì)加工狀態(tài)的判定結(jié)果，決定對(duì)加工區(qū)實(shí)施沖、抽液的時(shí)機(jī)。這樣就能在需要沖、抽液時(shí)，調(diào)高工作液泵壓力，而在其他時(shí)間讓泵處于低壓工作狀態(tài)。

（4）工作液潔凈度。電火花成形加工產(chǎn)生的蝕除物（雜質(zhì)）一般由放電爆炸力，或借助抬刀、平動(dòng)等電極與工件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，或用沖、抽液方式拋出加工區(qū)，然后通過工作液循環(huán)帶出工作液槽。僅靠循環(huán)和自然沉淀不足以達(dá)到工作液的潔凈度要求，需用紙芯過濾器對(duì)工作液進(jìn)行過濾。工作液的潔凈程度對(duì)穩(wěn)定加工狀態(tài)、提高加工精度、降低被加工表面粗糙度值尤為重要。實(shí)驗(yàn)證明，在紙芯過濾面積確定的前提下，減小工作液通過紙芯的流速和壓力，對(duì)提高紙芯過濾效果有利。因此，除了用更換工作液或紙芯的方法來改善工作液潔凈度外，減小工作液穿越紙芯的壓力和流量，也是一種提高工作液過濾效果的好方法。

3 工作液泵的工作特性分析

揚(yáng)程H、流量Q、功率N、效率η是離心泵的主要性能參數(shù)，表示這些參數(shù)間關(guān)系的曲線被稱為離心泵特性曲線。由于液體在離心泵葉輪內(nèi)的流動(dòng)情況復(fù)雜，目前尚無數(shù)學(xué)公式能精確計(jì)算離心泵的各項(xiàng)參數(shù)。因此，離心泵特性曲線需由實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)定和描述。不同型號(hào)或規(guī)格的離心泵特性曲線有所差異，即使型號(hào)和規(guī)格相同，由于泵的葉輪形狀或尺寸差異，也會(huì)使特性曲線不一致。離心泵特性曲線還受工作液的物理特性影響。當(dāng)工作液的粘度、潔凈程度等發(fā)生變化時(shí)，泵的特性也隨之改變。但不管使用哪一臺(tái)離心泵或使用工況如何發(fā)生變化，其特性曲線的變化趨勢(shì)基本相同。

圖2是某離心泵性能測(cè)試原理圖。通過變頻器5可改變泵電機(jī)2的轉(zhuǎn)速，得到不同轉(zhuǎn)速條件下離心泵4的流量Q與揚(yáng)程H的關(guān)系。

圖2 離心泵性能測(cè)試原理圖

圖3是某離心泵經(jīng)測(cè)試得到的3種轉(zhuǎn)速條件下的流量Q與揚(yáng)程H及效率η的關(guān)系曲線圖。

圖3 不同轉(zhuǎn)速時(shí)的流量與揚(yáng)程及效率的關(guān)系曲線

被測(cè)離心泵的額定流量Q=40 L/min，額定揚(yáng)程H=40 m，額定轉(zhuǎn)速n=2900 r/min，額定功率為0.37 kW。其中，揚(yáng)程H由式（1）計(jì)算得到，效率η由式（2）計(jì)算得到：

式中：H為揚(yáng)程，m；P1、P2為泵的進(jìn)、出口壓強(qiáng)，由壓力表、真空表給出，N/m2；Z1、Z2為泵的進(jìn)、出口高度，當(dāng)進(jìn)、出口高度相近時(shí)，Z2-Z1=0，m；u1、u2為泵的進(jìn)、出口流量，當(dāng)泵的進(jìn)、出口直徑相等時(shí)，u1=u2，m3/s；ρ為工作液密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；Q為流量，用流量計(jì)測(cè)得，m3/s；N為軸功率，按電機(jī)功率表測(cè)量值的94%計(jì)算。

由圖3可見，離心泵在額定轉(zhuǎn)速±10%范圍內(nèi)調(diào)整，泵的流量發(fā)生了改變，泵的工作效率仍較高，說明離心泵在額定工作頻率±10%范圍內(nèi)調(diào)整，對(duì)其工作性能影響不大。在GB/T 3216-1989《離心泵、混流泵、軸流泵和旋渦泵試驗(yàn)方法》中規(guī)定，測(cè)試離心泵效率，轉(zhuǎn)速相差可為額定值的±20%。

調(diào)整離心泵流量可用兩種方法：一是泵的轉(zhuǎn)速不變，用節(jié)流閥節(jié)流調(diào)整，節(jié)流后，在n=2900 r/min曲線上，泵的工作點(diǎn)由A點(diǎn)變到B點(diǎn)，其帶來的壓力損失為（Hb-Ha），這說明節(jié)流調(diào)整后，管路壓力雖然提高，但有能量損耗；另一種方法是變頻調(diào)速[3]，變頻器將泵的轉(zhuǎn)速調(diào)整為n=2320 r/min，得到圖3所示的工作點(diǎn)C，該方法理論上無能量損失，是一種節(jié)能調(diào)整流量的方法。

理論上，離心泵隨工作頻率調(diào)整，當(dāng)轉(zhuǎn)速為零時(shí)，流量才為零。但在實(shí)際使用中，當(dāng)工作頻率低于30～35 Hz時(shí)，多數(shù)離心泵的出液口已不能出液。分析原因?yàn)椋孩匐x心泵出液口與抽液口有高度差，該高度差需消耗能量，而在泵的性能測(cè)試時(shí)，這部分能量消耗被忽略；②離心泵出液受葉輪流道和管口阻力的影響，液體經(jīng)葉輪流道、管口及管路需消耗能量；③離心泵實(shí)際工作點(diǎn)與理論曲線上的工作點(diǎn)存在差異，該差異往往是實(shí)際流量比計(jì)算流量?。▽?shí)際工作點(diǎn)為圖3所示的D點(diǎn)，而非A點(diǎn)），實(shí)際工作點(diǎn)與計(jì)算點(diǎn)存在能量計(jì)算差值。上述能耗或差值使泵消耗部分有用功，只有克服這些能耗后，離心泵才能正常出液，因此，離心泵的頻率調(diào)整一般應(yīng)高于35 Hz。

調(diào)整離心泵電機(jī)頻率的同時(shí)，應(yīng)相應(yīng)改變輸入電壓，保持電壓與頻率的比值為常量，這可減少泵的電機(jī)磁通變化帶來的不良影響。通常，電機(jī)定子電阻和漏抗上壓降遠(yuǎn)小于定子電動(dòng)勢(shì)，電壓與頻率為額定值時(shí)，磁通也為額定值。若不改變電機(jī)輸入電壓，只改變頻率，則電機(jī)會(huì)因磁通變化導(dǎo)致發(fā)熱和負(fù)載能力下降。

4 工作液泵的變頻控制

結(jié)合電火花加工對(duì)工作液槽的液位、液溫、液壓、工作液潔凈度要求，以及離心泵用變頻控制的節(jié)能優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)了一種電火花成形機(jī)床工作液循環(huán)控制系統(tǒng)，其工作原理見圖4。

圖4 電火花成形機(jī)床工作液循環(huán)系統(tǒng)工作原理圖

在電火花成形機(jī)床開始工作時(shí)，變頻器受液位浮子控制，工作液泵以額定頻率(50～60 Hz)工作，并以額定流量向工作液槽快速輸送工作液。當(dāng)達(dá)到預(yù)定液位高度時(shí)，液位浮子將變頻器切換到較低頻率（通常調(diào)到35～45 Hz），此時(shí)，工作液泵以剛能克服紙芯阻力的壓力向工作液槽輸送工作液。這樣，既節(jié)省了輔助工作時(shí)間，又能在工作液的循環(huán)補(bǔ)液階段提高紙芯對(duì)工作液的過濾效果，進(jìn)而減少循環(huán)補(bǔ)液流量，節(jié)約電能，降低離心泵的噪聲。

當(dāng)進(jìn)行電火花粗加工或被加工工件的蝕除量較大時(shí)，溫度傳感器感應(yīng)到工作液槽內(nèi)的工作液溫升快且達(dá)到預(yù)設(shè)的溫度上限值時(shí)，溫度傳感器令變頻器升高工作頻率，工作液泵將加大供液流量，以提高工作液的循環(huán)速度（如果貯液箱上配備有工作液循環(huán)冷卻裝置，此時(shí)溫度傳感器令其開啟）；當(dāng)溫度回落到預(yù)設(shè)的溫度下限值時(shí)，溫度傳感器令變頻器恢復(fù)到液位浮子的設(shè)置狀態(tài)。

計(jì)算機(jī)加工狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)用于監(jiān)視加工間隙的排屑情況和加工狀態(tài)穩(wěn)定與否。若出現(xiàn)積炭、排屑不暢或加工不穩(wěn)定，計(jì)算機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)會(huì)立即升高工作液泵頻率，以提高工作液壓力，同時(shí)打開沖液閥，向加工間隙實(shí)施沖液；如需抽液，則迅速打開抽液閥進(jìn)行抽液。

5 結(jié)論

（1）通過分析電火花成形加工對(duì)工作液系統(tǒng)的液位、液溫、液壓、工作液潔凈度的要求可知，電火花成形加工過程中，需根據(jù)加工狀態(tài)適時(shí)調(diào)整工作液泵的流量和壓力。在液位未達(dá)到預(yù)定高度、液溫超過預(yù)設(shè)的溫度上限值、加工間隙內(nèi)的雜質(zhì)難以排出時(shí)，才應(yīng)加大泵的供液流量或提高泵的工作壓力。大量實(shí)踐證明，在電火花成形加工過程中，大部分加工時(shí)間處于穩(wěn)定的中、精加工狀態(tài)，此時(shí)保持工作液泵處于低壓、小流量供液更好。

（2）離心泵采用變頻調(diào)速方式，可有效節(jié)約能源[4]。當(dāng)離心泵的工作頻率調(diào)整不低于泵電機(jī)額定頻率的75%時(shí)，其流量、轉(zhuǎn)速、揚(yáng)程、功率等近似符合下列關(guān)系：

Study on Frequency Conversion Control Technology of Electrical-discharge Machines Working Liquid Pump

Ye Shuqiang，Cao Fengguo，Zhang Jiandong，Wang Youping
（Beijing Institute of Electro-machining，Beijing 100191，China）

The working liquid cycle system is an important component of the EDM machine.Liquid pump is the core component of the working liquid cycle system.Based on the analysis ofelectric discharge machining requirements on the working liquid level，temperature，pressure and liquid cleanliness，we known that the working liquid pump should not be allowed to work on consistent work pressure and flow，instead，it shall be processed in accordance with the operating conditions by adjusting pump pressure and flow.Through the analysis of the structure and working characteristic of working liquid pump，we considered that it was a kind of energy-saving,noise reduction and prolonging the service life of the pump methods that to use the motor frequency conversion control technology adjusting the working liquid pump flow and pressure.On the basis of previous research，this paper developed a working pump frequency controlled EDM working fluid circulation system，which is not only energy-saving and noise reduction，but also helps the working liquid circulation to achieve automatic control.

electrical-discharge machines；working liquid pump；frequency conversion control

TG661

A

1009-279X（2014）03-0013-04

2014-04-11

葉書強(qiáng)，男，1959年生，高級(jí)工程師。