便攜式、多功能、模塊化、小型數(shù)控電火花加工機(jī)床系列的開發(fā)研制

劉晉春，韋東波，自鵬翰，李喜東，張建平

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001；2.黑龍江省科學(xué)院自動(dòng)化研究所，黑龍江哈爾濱150090）

便攜式、多功能、模塊化、小型數(shù)控電火花加工機(jī)床系列的開發(fā)研制

劉晉春1，韋東波1，自鵬翰1，李喜東2，張建平2

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001；2.黑龍江省科學(xué)院自動(dòng)化研究所，黑龍江哈爾濱150090）

目前，電火花加工機(jī)床主要以大、中型為主，當(dāng)加工尺寸較小以及要求加工后能在位測(cè)量工件時(shí)，會(huì)存在大材小用或加工不便的問題。為此，研制了兩個(gè)系列的便攜式、多功能、模塊化、小型數(shù)控電火花加工機(jī)床。

多功能；模塊化；積木式；小型數(shù)控電火花加工機(jī)床

1 研發(fā)的必要性、社會(huì)需求和意義

目前市場(chǎng)上的電火花加工機(jī)床，一般都是大、中型的，體積較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，售價(jià)較高，維修不易。這形成了三方面的矛盾：一是有很大部分電火花加工的零件、產(chǎn)品是小型的，尺寸、質(zhì)量都不大，用大、中型機(jī)床加工是大材小用，“殺雞用牛刀”，實(shí)際上是資源和經(jīng)濟(jì)上的一種浪費(fèi)；二是廣大設(shè)立機(jī)械制造工藝專業(yè)的高校、大專及高級(jí)職業(yè)學(xué)校等，都開設(shè)了電火花加工、特種加工等課程，迫切需要進(jìn)行多種電火花加工教學(xué)實(shí)驗(yàn)，但沒有生產(chǎn)任務(wù),因此一般不需要購(gòu)買大、中型昂貴的電火花加工機(jī)床，有些院校雖買得起，但一旦機(jī)床出現(xiàn)了故障，往往修不起、養(yǎng)不起；其三，現(xiàn)有的電火花加工機(jī)床功能偏單一，缺乏工具電機(jī)可回轉(zhuǎn)、可振動(dòng)的附件，且很難在加工后對(duì)加工表面進(jìn)行在位、在線測(cè)量等。

為此，哈爾濱工業(yè)大學(xué)特種加工及機(jī)電控制研究所開發(fā)研制出一系列便攜式、多功能、模塊化的小型數(shù)控電火花加工機(jī)床。它又分為兩大類：第一類是重新設(shè)計(jì)研制機(jī)體和整體的便攜式精密、微細(xì)數(shù)控電火花加工機(jī)床；第二類是利用現(xiàn)有部件、產(chǎn)品為機(jī)體的積木式、多功能、小型數(shù)控電火花加工機(jī)床。本文主要論述第二類多功能、模塊化、積木式小型數(shù)控電火花加工機(jī)床。

其中，第二類多功能、模塊化、積木式小型數(shù)控電火花加工機(jī)床又可分為兩個(gè)系列。圖1是第一系列，特點(diǎn)是它們的基體都很簡(jiǎn)單。圖1a以磁性塊為底座（千分表磁性底座）積木式組裝成的單軸小型數(shù)控電火花加工機(jī)床。電火花加工主軸由二相步進(jìn)電機(jī)、滾珠絲杠、直線導(dǎo)軌、滑塊組成?；瑝K上積木式地安裝可旋轉(zhuǎn)或能振動(dòng)的工具電極。圖1b以方塊鐵板為底座，積木式組成的三軸小型數(shù)控電火花加工機(jī)床。

圖1 簡(jiǎn)單基體的多功能小型數(shù)控電火花加工機(jī)床

圖2是另一系列以生物顯微鏡為基體、積木組裝成的多功能小型電火花加工機(jī)床。

2 思路上的創(chuàng)新性、技術(shù)上的先進(jìn)性和教學(xué)、科研、生產(chǎn)上的實(shí)用性

（1）采用積木式的原理，實(shí)現(xiàn)多功能的目標(biāo)，既可便攜到教室現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行多種教學(xué)實(shí)驗(yàn)、示范、技術(shù)交流或作為開展科研工作的平臺(tái)設(shè)備，也可手提到車間現(xiàn)場(chǎng)就地進(jìn)行“螞蟻啃骨頭”似的去除斷鉆頭、絲錐。且工作可靠、維修方便、售價(jià)低廉、功能較多、性價(jià)比很高。

圖2 顯微鏡基體的多功能小型數(shù)控電火花加工機(jī)床

（2）創(chuàng)新性地采用了細(xì)分?jǐn)?shù)可變（2～128細(xì)分，單步進(jìn)給量為10、1、0.5、0.25、0.125 μm，可任選）可編程的數(shù)控進(jìn)給主軸頭，擴(kuò)大了工藝應(yīng)用和工藝研究的范圍；采用滾珠絲杠和滾輪直線導(dǎo)軌傳動(dòng)，剛度好、精度高、運(yùn)動(dòng)靈活、摩擦磨損小、精度保持性好、使用壽命長(zhǎng)。

（3）為了提高加工穩(wěn)定性和加工速度，附有使工具電極高速回轉(zhuǎn)（約1000 r/min）或可更換成作工頻或超聲振動(dòng)的積木塊附件，既具有先進(jìn)性，又具有實(shí)用性。

（4）以顯微鏡為基體的積木式機(jī)床系列，可實(shí)現(xiàn)電火花加工-測(cè)量一體化。配上CCD攝像頭附件，還可在計(jì)算機(jī)屏幕上觀測(cè)加工表面和進(jìn)行數(shù)字化測(cè)量。

3 應(yīng)用舉例

例1：圖1a是最簡(jiǎn)單的積木式多功能機(jī)床的應(yīng)用實(shí)例

（1）就地去除折斷在大工件中的鉆頭或絲錐

機(jī)床用磁性底座吸附在有斷鉆頭或斷絲錐的箱體類大工件上面，使工具電極（比斷鉆頭或絲錐的芯柱直徑約大0.51 mm的黃銅管或管）找正處在斷絲錐的上方，加工時(shí)用機(jī)床附帶的小工作液泵澆注自來水，工具電極約1000 r/min高速回轉(zhuǎn)，可提高加工速度和使工具電極端面損耗均勻，約10 min即可去除斷入工件10 mm深的絲錐芯柱，用鑷子取出斷鉆頭或絲錐的碎片，即可使工件不致報(bào)廢。

用此小機(jī)床也可就地加工線切割的穿絲孔，只是比高速電火花加工小孔專用機(jī)床的加工速度稍慢和可加工的孔深稍淺些。

（2）用上述簡(jiǎn)式機(jī)床進(jìn)行創(chuàng)新性的變步距數(shù)控電火花加工實(shí)驗(yàn)或研究

上述機(jī)床除了還可加工小孔、微孔、三角、四方、六角、Y、十字形等異型孔以及多種一般教學(xué)實(shí)驗(yàn)外，還可作變步距數(shù)控電火花加工實(shí)驗(yàn)或研究，以優(yōu)化不同規(guī)準(zhǔn)時(shí)的最佳數(shù)控脈沖當(dāng)量。

此機(jī)床的步進(jìn)電機(jī)不細(xì)分時(shí)每轉(zhuǎn)為400步，滾珠絲杠的螺距為4 mm，因此每步為0.01 mm。由于采用了可2~128細(xì)分技術(shù)，因此可根據(jù)需要，通過撥碼開關(guān)（圖3），調(diào)整至每步進(jìn)給量為10、5、1、0.5、0.25、0.125 μm，以優(yōu)化最佳數(shù)控脈沖當(dāng)量。

圖3 撥碼開關(guān)

從理論和實(shí)踐知道，電火花粗加工時(shí)，放電間隙較大（約為100～150 μm），此時(shí)單步進(jìn)給量可以而且應(yīng)該選得大一些；但在精密加工、微細(xì)加工時(shí)，放電間隙僅在2 μm左右或更小，采用單步進(jìn)給量的數(shù)控系統(tǒng)，否則反復(fù)開路、短路，加工很難穩(wěn)定。

但目前國(guó)內(nèi)外電火花數(shù)控加工機(jī)床的脈沖當(dāng)量（數(shù)控分辨率）是一成不變、固定的。本機(jī)床在國(guó)內(nèi)外首先可以改變、優(yōu)化數(shù)控分辨率，具有一定的創(chuàng)新性，可供高校、科研所、企業(yè)設(shè)計(jì)研究、研制新的數(shù)控系統(tǒng)之用。

例2：用圖2所示以顯微鏡為基體的單軸和三軸數(shù)控電火花加工機(jī)床進(jìn)行陣列孔加工及實(shí)現(xiàn)加工-測(cè)量一體化功能（圖4）。

圖4 加工-測(cè)量一體化示意圖

圖2a的單軸數(shù)控電火花加工機(jī)床上，原顯微鏡在X、Y軸水平方向有兩個(gè)手動(dòng)旋鈕，可以人工調(diào)節(jié)工件在X、Y方向的位置。而圖2b則通過軟軸，用步進(jìn)電機(jī)數(shù)控驅(qū)動(dòng)X、Y工作臺(tái)。當(dāng)Z軸加工完小圓孔或小異形孔后，可以手動(dòng)移動(dòng)圖2a中的工作臺(tái)，戓數(shù)控移動(dòng)圖2b中的工作臺(tái)，在X或Y方向上加工另一孔，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)移動(dòng)或點(diǎn)位控制數(shù)控運(yùn)動(dòng)加工出陣列孔。

圖4中，利用原顯微鏡基體上的光學(xué)放大系統(tǒng)，可對(duì)物鏡下面的工件表面放大50~1000倍進(jìn)行觀測(cè)。由于工具電極的中心線與原顯微鏡目鏡、物鏡的中心線是處于同一個(gè)Y軸垂直平面內(nèi)，因此加工前把工作臺(tái)上的工件右移過一小段距離L，加工完小圓孔、小異形孔后，再把加工表面左移距離L回到物鏡下面，就可以放大50~1000倍觀測(cè)加工孔徑、尺寸或翻邊等表面形貌，必要時(shí)可移回工件，在位對(duì)工件表面進(jìn)行修補(bǔ)加工或繼續(xù)再加工。如果將目鏡置換成CCD彩色攝像頭，則可在計(jì)算機(jī)屏幕上觀察表面形貌和測(cè)量孔徑d、尺寸等，還可對(duì)孔徑、尺寸等進(jìn)行數(shù)字化分析處理、記錄等，這又是此類機(jī)床的一大創(chuàng)新特點(diǎn)。

4 今后設(shè)想

以上參考了國(guó)內(nèi)外已有成就設(shè)計(jì)研制的多功能、模塊化、積木式小型數(shù)控電火花加工機(jī)床系列，并已申請(qǐng)獲得了3個(gè)發(fā)明專利，目前已研制出兩大類共5種不同型號(hào)的小型數(shù)控電火花加工機(jī)床，其名稱型號(hào)性能等見表1。

表1 小型數(shù)控電火花機(jī)床機(jī)床系列一覽表

上述機(jī)床主要供我校師生進(jìn)行電火花加工教學(xué)實(shí)驗(yàn)和科學(xué)研究之用。由于它價(jià)格較便宜，性能價(jià)格比很高，又是手提便攜式機(jī)床，因此我校除了對(duì)本科生用作課堂現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)外，還擬成批生產(chǎn)，作為中高年級(jí)本科生對(duì)電火花加工技術(shù)課外愛好和創(chuàng)新活動(dòng)的實(shí)踐平臺(tái)。對(duì)電火花加工方向的研究生則爭(zhēng)取做到“人手一臺(tái)”，使他們?cè)谡撐墓ぷ髦猩罨碚撜J(rèn)識(shí)，培養(yǎng)他們的實(shí)踐動(dòng)手能力，為我國(guó)的電火花加工技術(shù)和人才培養(yǎng)多做一份貢獻(xiàn)。希望細(xì)小美麗的電火花能開遍祖國(guó)大地，星星之火燎遍中華原野。

Design and Manufacture of Miniature EDM NC Machine Series with Portability，Multifunction and Modularization

Liu Jinchun1，Wei Dongbo1，Zi Penghan1，Li Xidong2，Zhang Jianping2
（1.School of Mechatronics Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China；2.The Institute of Automation Heilongjiang Academy of Sciences，Harbin 150090，China）

Nowadays，most EDM machines are large and medium-sized.However，when the dimension of workpiece is small or the machining velocity is high，there will be some problems such as resources waste and machining inconvenience and so on.Thus，we designed and manufactured two kinds of miniature EDM NC machine series with portability，multifunction and modularization.

portability；multifunction；modularization；miniature EDM NC machines

TG661

A

1009－279X（2015）06－0055-04

2015-09-01

劉晉春，男，1928年生，教授。