B型精密数控电火花成形加工机床的特性与应用
精密数控电火花成形加工机床是精密特种加工技术的重要设备之一，对精密机械、汽车、微电子、家电产品以及航空航天的精密零件和精密工模具制造具有重要意义。研制高精度数控电火花成形加工机床，对我国特种加工机床的整体技术水平接近或赶超国际先进水平有着非常重要的意义。 本文介绍了我所科技人员经过十多年拼搏，完全掌握核心技术、具有自主知识产权的高新技术产品—B型精密数控电火花成形加工机床的特性与典型应用，愿与业界同仁交流和探讨，共同为我国特种加工行业做出一定的贡献。 精密数控电火花成形机床主机 主机是用于支承、固定工具电极及工件，实现电极在加工过程中稳定的伺服进给运动和高精度加工的硬件系统。 本所研制的B型精密数控电火花成形机床主机采用“C”型结构，中心负重形式，形成左右对称的合理楔形结构。它具有较好的刚性，导轨受压均匀，精度高。主机床身、立柱采用优质铸铁树脂砂铸造技术制造，经过两次时效处理，保证了机床具有较高的静态、动态刚性和减震性能，是精密数控机床精度保证的前提。 主机工作台采用优质花岗岩材质制成的00级平板，这种材质热变形小，能确保机床精度长久保持；绝缘性好，可大幅度降低在放电加工时两极间存在的寄生电容，是进行高精度镜面加工的保障。X 、Y、Z轴的丝杠、导轨副均采用进口研磨级（C2级）高精度滚珠丝杠、超精密级（HP级）直线滚动导轨以及高精度（P4级）双向无间隙背推球轴承，其优点是摩擦力小、运动精度高、精度保持性好。 另外，其刚性和灵敏度较高，机电控制性能较好。基于上述结构所采取的措施，使机床的精度非常高，定位精度≦2μm/任意100mm，重复定位精度≦2μm。主轴头采用高性能交流伺服电机和滚动导轨、滚珠丝杠的直拖结构，配置高精度的编码器，可实现单脉冲的驱动当量≦0.1μm和最大移动速度可达10m/min的运动，从而确保高刚性的连接和高灵敏度的运动控制。同时，由于其具有摩擦力和反向间隙小、避免低速爬行等优点，提高了主轴的伺服性能。图1是B50精密数控电火花成形机床的外形图。
图1 B50精密数控电火花成形机床外形图智能化高精度数控电火花成形加工脉冲电源 脉冲电源是电火花成形加工机床的一个重要组成部分，几乎所有的加工性能，例如，加工稳定性、加工速度、电极损耗、工件的表面粗糙度、表面变质层等都与脉冲电源有关。 1. 脉冲电源的总体框架 A2型智能化高精度数控电火花成形加工脉冲电源由数控系统、电火花加工控制系统、功率放大单元、主回路单元、自动调整电压单元、运动轴驱动单元等部分构成。 电火花加工控制系统主要包括以下部分：时钟控制与放电脉冲信号发生部分、电流电压等参数设定部分、特殊加工波形控制部分（等脉宽、阶梯波）、抬刀控制部分、伺服间隙与放电状态（电压、电流）检测部分、异常放电处理部分（增大脉间、切断或减小脉宽、增大或减少电流）等。 主回路单元包括以下部分：低压加工回路、高压加工回路、高低压复合回路、低损耗回路、超精加工回路、特殊材料加工回路等。同时可根据所提供的脉冲电源的主回路和附加回路得到多种波形的组合，针对不同的加工工艺要求，任意组合阀加到放电间隙，使加工对象得到最佳工艺效果。
图2 精密数控电火花加工脉冲电源系统框图 功率放大单元完成对加工脉冲电压电流的功率放大的职能，它由IGBT功率开关管和前置驱动放大电路组成。可自动调整电压单元以提供稳定的加工电压，这经由晶闸管整流自动稳压回路实现，同时兼具数控化和多种保护功能。精密数控电火花加工脉冲电源系统的结构框图如图2所示。 高精度、高效率电火花成形加工对加工状态的实时监测有着极高的要求，反馈环节的精度和稳定性直接影响放电能量和加工效果。利用高速采集手段快速检测到拉弧状态，并迅速做出反应，这是保证高精度镜面加工的必要手段。 因此，采用12bit的高速数字模拟信号转换器件来监测异常放电状态，高速的转换时间和高精度的采样结果能够更加快速的反映放电加工间隙的状态。一方面，在放电控制上采用改变脉冲宽度ON、脉冲间隔OFF、峰值电流IP等参数的方法来控制加工过程消除拉弧状态；另一方面，能够快速的控制高精度高响应电机驱动系统，精确控制放电间隙，从而更好地控制放电能量，确保加工出高质量的镜面。 3. 电极损耗控制 最大效率地降低电极损耗是提高加工精度的必要手段之一。电火花加工时，两极接脉冲电压极性不同，所造成的蚀除量也会不同，在脉冲放电的前一阶段时间，呈负极性的电子因其质量小，容易获得动能，电子不断轰击阳极，而与电子呈相反极性的正离子因其质量大，相应地获得动能的时间较长，此时，电子传递给阳极的能量高于正离子传递给阴极的能量。 而随着放电时间的增加，正离子逐渐获得较高的运动速度，它的质量大，轰击阴极时的动能较大，故传递给阴极的能量显著增加，此时，阴极的蚀除量大于阳极。故此，合理利用放电加工中产生的极性效应，能够最大限度的增加放电加工效率，减小电极损耗。 此外，合理的控制电流上升与减少负波也是减小电极损耗的必要手段。本文研制的脉冲电源充分考虑了以上因素来降低电极损耗，其最低电极损耗≦0.05%。 数控系统的高精度、高速度和全闭环控制 电火花成形加工机床的数控系统相比普通切削加工机床的数控系统，其对伺服进给控制有更高的要求，因为电火花放电过程实质上是一个间隙维持过程（既有进给又有回退）。间隙过大时，间隙介质不易被击穿，有效脉冲放电率低；间隙过小时，蚀除产物无法排除，且易相对集中在间隙中某一区域，造成微短路的发生较频繁。也就是说各种可能造成起弧的因素，在间隙过小时发生的概率相对高些。只有精心调节伺服进给，间隙大小适当，才能维持较佳放电状态，从而获得较高的加工效率和更强的加工能力。 电火花成形加工数控系统的伺服进给控制是一个更为精细的闭环控制。因此，在硬件上采用高速I/O通道设计，在软件上采用高效的汇编代码和32位CPU指令代码直接嵌入式设计，保证软硬件运行的高效性；检测部分采用精密的数字硬件电路设计以确保检测的准确；采用高分辨率的反馈器件保证系统控制精度。这就能够保证检测系统精确、稳定可靠，进给伺服电机与机械系统响应灵敏、控制准确、精度高并且稳定。最终达成放电伺服进给系统的高性能控制。 数控系统可实现全闭环控制。数控系统的检测部分采用精密的数字硬件电路设计以确保检测的准确；采用直线光栅尺和高分辨率的脉冲编码器双位置测量反馈伺服系统，各轴在运动时独立检测实际位置，在X、Y、Z各轴达到最小机械驱动精度0.1µm的位置检测控制精度。通过机床的刚度与精确的伺服控制，实现超精密的定位精度和重复定位精度。 高速的主轴抬刀控制，可促进放电加工加工屑的排出，特别适用于窄槽、窄缝和加强筋的加工。本所研制的数控系统采用高分辨率的全数字交流伺服驱动方式，可实现主轴（Z轴）10m/min的移动速度。 典型加工应用实例 1. 高效高精度镜面电火花加工实例 利用高性能镜面加工回路，在普通加工液中不添加任何粉末的条件下实现了较大面积的电火花镜面加工。图4是直径Φ25mm的镜面加工照片。
图4 直径Φ25mm的镜面加工照片 利用该项加工技术在直径为Φ25mm（面积为490mm2）加工面积上，可达到表面粗糙度Ra0.05µm，并可清晰地像镜子一样映照出钢板尺的形状和颜色。 该镜面加工回路有效克服了分布电容、分布电感等寄生参数对镜面加工的不利影响，精确控制了微小放电能量的恒量输出，并在工具电极表面形成一层炭黑膜有效保护电极表面不被损耗，提高了加工精度和工件表面质量，实现了像手机、个人掌上电脑（PDA）等中小型模具表面采用电火花加工作为最终精加工工序的目的，有效地解决了深槽、窄缝等不易抛光和加工精度差的问题，进一步拓展了电?花加工技术的应用范围。 2. 双电极多工件冷冲模具电火花加工实例 图5是采用B35精密数控电火花成形加工机床，用粗、精两个电极对六个精密冷冲凸模加工的实例。
图6 粗、精两电极加工六个凸模的示意图 凸模材料为Cr12MoV，热处理淬火、回火至HRC60～63，加工表面粗糙度Rmax1.6µm，侧壁直线度≦0.01mm，加工精度±0.01mm。电极采用紫铜材料，粗加工电极的单边缩放量为380μm，精加工电极单边缩放量为100μm。凸模加工时，首先采用粗加工电极进行加工，加工表面粗糙度控制在Rmax12.5µm，给精加工留余量单边0.06mm；然后用精加工电极进行加工，加工后满足凸模图纸的各项要求。 由图6可以看到，加工这类模具时，需要利用数控机床的在机检测技术，随时对工件进行检测、计算，将计算结果补偿到加工程序中，从而得到较高的加工精度。再者，为了保证侧壁的直线度，采用锁定圆轨迹的摇动控制方式。另外，加工长宽比较大的零件时（长宽比为14.5），两方向的电极损耗不一样，这就要根据测量结果，在程序中对两方向实施不同的补偿。 3. 木工刀具电火花加工实例 木工聚晶金刚石刀具的加工是多轴联动数控电火花加工技术的又一成功应用领域之一。随着人造板、木材所制成制品的质量要求的提高，对加工所使用的木工刀具形状、精度和使用寿命要求也随之增加。人造板和木材制品的加工大多为一次直接成形，因此，木工刀具形状多为三维空间曲面，刀头越来越多的采用硬度高、耐磨性好的聚晶金刚石材料。 图7是在B35精密数控电火花成形机床上配上U轴加工铣槽用的木工刀具的实例。该刀具的特点是被加工面为螺旋断续面，前后刀刃不在一条直线上，成一定内八字角度，刀具外径为Φ8mm，聚晶金刚石刃口长度为12.5mm。加工难度不仅在于加工时要进行联动的螺旋线插补，还要能够进行在线测量。 以上浅述了B型精密数控电火花成形加工机床的主要特性和典型应用，以及该机床实现了重复定位精度2μm的高精度定位控制、放电加工的最小表面粗糙度Ra≦0.05µm（面积490mm2）、最低电极损耗≦0.05%等良好的加工效果。 愿将我们的研制成果奉献给社会、奉献给同行和更多行业的用户。天道酬勤，我们将一如既往致力于特种加工领域的技术创新和产品应用，用心打造产品，用心服务社会，让更多行业的更多用户感受到我们产品与服务的魅力，共同创造美好的明天。
图1 B50精密数控电火花成形机床外形图智能化高精度数控电火花成形加工脉冲电源 脉冲电源是电火花成形加工机床的一个重要组成部分，几乎所有的加工性能，例如，加工稳定性、加工速度、电极损耗、工件的表面粗糙度、表面变质层等都与脉冲电源有关。 1. 脉冲电源的总体框架 A2型智能化高精度数控电火花成形加工脉冲电源由数控系统、电火花加工控制系统、功率放大单元、主回路单元、自动调整电压单元、运动轴驱动单元等部分构成。 电火花加工控制系统主要包括以下部分：时钟控制与放电脉冲信号发生部分、电流电压等参数设定部分、特殊加工波形控制部分（等脉宽、阶梯波）、抬刀控制部分、伺服间隙与放电状态（电压、电流）检测部分、异常放电处理部分（增大脉间、切断或减小脉宽、增大或减少电流）等。 主回路单元包括以下部分：低压加工回路、高压加工回路、高低压复合回路、低损耗回路、超精加工回路、特殊材料加工回路等。同时可根据所提供的脉冲电源的主回路和附加回路得到多种波形的组合，针对不同的加工工艺要求，任意组合阀加到放电间隙，使加工对象得到最佳工艺效果。
图2 精密数控电火花加工脉冲电源系统框图 功率放大单元完成对加工脉冲电压电流的功率放大的职能，它由IGBT功率开关管和前置驱动放大电路组成。可自动调整电压单元以提供稳定的加工电压，这经由晶闸管整流自动稳压回路实现，同时兼具数控化和多种保护功能。精密数控电火花加工脉冲电源系统的结构框图如图2所示。 高精度、高效率电火花成形加工对加工状态的实时监测有着极高的要求，反馈环节的精度和稳定性直接影响放电能量和加工效果。利用高速采集手段快速检测到拉弧状态，并迅速做出反应，这是保证高精度镜面加工的必要手段。 因此，采用12bit的高速数字模拟信号转换器件来监测异常放电状态，高速的转换时间和高精度的采样结果能够更加快速的反映放电加工间隙的状态。一方面，在放电控制上采用改变脉冲宽度ON、脉冲间隔OFF、峰值电流IP等参数的方法来控制加工过程消除拉弧状态；另一方面，能够快速的控制高精度高响应电机驱动系统，精确控制放电间隙，从而更好地控制放电能量，确保加工出高质量的镜面。 3. 电极损耗控制 最大效率地降低电极损耗是提高加工精度的必要手段之一。电火花加工时，两极接脉冲电压极性不同，所造成的蚀除量也会不同，在脉冲放电的前一阶段时间，呈负极性的电子因其质量小，容易获得动能，电子不断轰击阳极，而与电子呈相反极性的正离子因其质量大，相应地获得动能的时间较长，此时，电子传递给阳极的能量高于正离子传递给阴极的能量。 而随着放电时间的增加，正离子逐渐获得较高的运动速度，它的质量大，轰击阴极时的动能较大，故传递给阴极的能量显著增加，此时，阴极的蚀除量大于阳极。故此，合理利用放电加工中产生的极性效应，能够最大限度的增加放电加工效率，减小电极损耗。 此外，合理的控制电流上升与减少负波也是减小电极损耗的必要手段。本文研制的脉冲电源充分考虑了以上因素来降低电极损耗，其最低电极损耗≦0.05%。 数控系统的高精度、高速度和全闭环控制 电火花成形加工机床的数控系统相比普通切削加工机床的数控系统，其对伺服进给控制有更高的要求，因为电火花放电过程实质上是一个间隙维持过程（既有进给又有回退）。间隙过大时，间隙介质不易被击穿，有效脉冲放电率低；间隙过小时，蚀除产物无法排除，且易相对集中在间隙中某一区域，造成微短路的发生较频繁。也就是说各种可能造成起弧的因素，在间隙过小时发生的概率相对高些。只有精心调节伺服进给，间隙大小适当，才能维持较佳放电状态，从而获得较高的加工效率和更强的加工能力。 电火花成形加工数控系统的伺服进给控制是一个更为精细的闭环控制。因此，在硬件上采用高速I/O通道设计，在软件上采用高效的汇编代码和32位CPU指令代码直接嵌入式设计，保证软硬件运行的高效性；检测部分采用精密的数字硬件电路设计以确保检测的准确；采用高分辨率的反馈器件保证系统控制精度。这就能够保证检测系统精确、稳定可靠，进给伺服电机与机械系统响应灵敏、控制准确、精度高并且稳定。最终达成放电伺服进给系统的高性能控制。 数控系统可实现全闭环控制。数控系统的检测部分采用精密的数字硬件电路设计以确保检测的准确；采用直线光栅尺和高分辨率的脉冲编码器双位置测量反馈伺服系统，各轴在运动时独立检测实际位置，在X、Y、Z各轴达到最小机械驱动精度0.1µm的位置检测控制精度。通过机床的刚度与精确的伺服控制，实现超精密的定位精度和重复定位精度。 高速的主轴抬刀控制，可促进放电加工加工屑的排出，特别适用于窄槽、窄缝和加强筋的加工。本所研制的数控系统采用高分辨率的全数字交流伺服驱动方式，可实现主轴（Z轴）10m/min的移动速度。 典型加工应用实例 1. 高效高精度镜面电火花加工实例 利用高性能镜面加工回路，在普通加工液中不添加任何粉末的条件下实现了较大面积的电火花镜面加工。图4是直径Φ25mm的镜面加工照片。 图4 直径Φ25mm的镜面加工照片 利用该项加工技术在直径为Φ25mm（面积为490mm2）加工面积上，可达到表面粗糙度Ra0.05µm，并可清晰地像镜子一样映照出钢板尺的形状和颜色。 该镜面加工回路有效克服了分布电容、分布电感等寄生参数对镜面加工的不利影响，精确控制了微小放电能量的恒量输出，并在工具电极表面形成一层炭黑膜有效保护电极表面不被损耗，提高了加工精度和工件表面质量，实现了像手机、个人掌上电脑（PDA）等中小型模具表面采用电火花加工作为最终精加工工序的目的，有效地解决了深槽、窄缝等不易抛光和加工精度差的问题，进一步拓展了电?花加工技术的应用范围。 2. 双电极多工件冷冲模具电火花加工实例 图5是采用B35精密数控电火花成形加工机床，用粗、精两个电极对六个精密冷冲凸模加工的实例。 图6 粗、精两电极加工六个凸模的示意图 凸模材料为Cr12MoV，热处理淬火、回火至HRC60～63，加工表面粗糙度Rmax1.6µm，侧壁直线度≦0.01mm，加工精度±0.01mm。电极采用紫铜材料，粗加工电极的单边缩放量为380μm，精加工电极单边缩放量为100μm。凸模加工时，首先采用粗加工电极进行加工，加工表面粗糙度控制在Rmax12.5µm，给精加工留余量单边0.06mm；然后用精加工电极进行加工，加工后满足凸模图纸的各项要求。 由图6可以看到，加工这类模具时，需要利用数控机床的在机检测技术，随时对工件进行检测、计算，将计算结果补偿到加工程序中，从而得到较高的加工精度。再者，为了保证侧壁的直线度，采用锁定圆轨迹的摇动控制方式。另外，加工长宽比较大的零件时（长宽比为14.5），两方向的电极损耗不一样，这就要根据测量结果，在程序中对两方向实施不同的补偿。 3. 木工刀具电火花加工实例 木工聚晶金刚石刀具的加工是多轴联动数控电火花加工技术的又一成功应用领域之一。随着人造板、木材所制成制品的质量要求的提高，对加工所使用的木工刀具形状、精度和使用寿命要求也随之增加。人造板和木材制品的加工大多为一次直接成形，因此，木工刀具形状多为三维空间曲面，刀头越来越多的采用硬度高、耐磨性好的聚晶金刚石材料。 图7是在B35精密数控电火花成形机床上配上U轴加工铣槽用的木工刀具的实例。该刀具的特点是被加工面为螺旋断续面，前后刀刃不在一条直线上，成一定内八字角度，刀具外径为Φ8mm，聚晶金刚石刃口长度为12.5mm。加工难度不仅在于加工时要进行联动的螺旋线插补，还要能够进行在线测量。 以上浅述了B型精密数控电火花成形加工机床的主要特性和典型应用，以及该机床实现了重复定位精度2μm的高精度定位控制、放电加工的最小表面粗糙度Ra≦0.05µm（面积490mm2）、最低电极损耗≦0.05%等良好的加工效果。 愿将我们的研制成果奉献给社会、奉献给同行和更多行业的用户。天道酬勤，我们将一如既往致力于特种加工领域的技术创新和产品应用，用心打造产品，用心服务社会，让更多行业的更多用户感受到我们产品与服务的魅力，共同创造美好的明天。
