【文章內容簡介】 和切斷。間隙大小、間隙中電蝕產物的污染程度和排出情況都影響脈沖參數(shù)，脈沖的頻率、寬度、能量不穩(wěn)定，而且放電間隙經過限流電阻始終和直流電源接通，沒有開關元件使之隔離出來，隨時都有放電的可能，容易轉為電弧放電。針對這些缺點，研制出放電間隙和直流電源各自獨立，互相隔離，能獨立形成和發(fā)生脈沖的電源，主要有閘流管式、電子管式、晶閘管式、晶體管式等脈沖電源。它們減少了電極間隙物理狀態(tài)參數(shù)變化的影響。 本次設計選用晶體管脈沖電源，它適用于電火花加工用各種 情況下的脈沖電源。并且，脈沖參數(shù)調節(jié)范圍廣，可適應粗、中、精加工的要求，易于實現(xiàn)電機低損耗、生產效率高；易于實現(xiàn)自適應控制和微機控制，脈沖參數(shù)、波形的調節(jié)范圍非常廣。 近年來，為進一步提高有效脈沖利用率，達到高速、低耗、穩(wěn)定加工以及一些特殊要求，在晶閘管式或晶體管式脈沖電源基礎上，派生出高、低壓復合脈沖電源，多回路脈沖電源，自適應控制脈沖電源，高頻分組和梳形波脈沖電源等。 工作液及其循環(huán)過濾系統(tǒng) 電火花加工大多數(shù)是在工作液中進行的。電火花加工對工作液的基本要求是：有較高的絕緣性能，較好的流動性和滲透能力，能進入窄小的放電空隙，能冷卻電極和工件表面，把電蝕產物冷凝、擴散到放電間隙之外，此外還應對人體及設備無害、安全和價格低廉。目前還沒有一種液體介質能全面滿足上述全部要求。電火花加工時常采用煤油作為工作液。煤油系碳氫化合物，在電火花放電時能分解出氫氣和游離碳黑微粒，這些游離碳在負極性加工時，被吸附在帶正電荷的工具電極表面上可以大大減少和補償電極損耗。但是煤油的最大特點是易燃和易蒸發(fā)嗆人的油煙在大功率粗加 工時常采用機械油或滲入一定比例的機械油，它的閃點、燃點和揮發(fā)性都大大低于普通煤油，不易著火，對人及環(huán)境的危害較小。常用的工作液有：煤油、乳化液和水。 電加工界一直在努力研究用水或水基工作液來代替煤油。在小面積精加工時，如加工噴絲板上的小異型孔，可用蒸餾水或離子水或水中加入甘油、酒精等添加劑的水基工作液。但在大面積加工時效果還不如煤油。工作液在電火花加工過程中需要油泵使之循環(huán)流動，此外還需用過濾裝置把工作液中的電蝕產物 — 金屬小屑和高溫分解出來的碳黑過濾出來。 工作液循環(huán)過濾系統(tǒng)包括工作液箱、電動機、泵、過濾裝 置、工作液槽、油杯、管道、閥門以及測量儀表等。放電間隙中的電蝕產物除了靠自然擴散，定期抬刀以及使刀具電極附加振動等排除外，常采用強迫循環(huán)的辦法加以排除，以免間隙中電蝕產物過多，引起已加工過的側表面間“二次放電”，影響加工精度。此外也可帶走一部分熱量。圖 2— 4 為工作液強迫循環(huán)的兩種方式， a)和 b)為沖油式，較易實現(xiàn)，排屑沖刷能力強，一般常 采用，但電蝕產物仍通過已加工區(qū)，稍影響加工精度； c)和 d)為抽油式，在加工過程中，分解出來的氣體 (H C2H2等 )易積聚在抽油回路的死角處，遇電火花引燃會爆炸“放炮”，因 此一般用得較少，在要求小間隙、精加工時也有采用的。 a)和 b)為沖油式 c)和 d)為抽油式 圖 2— 4 工作液強迫循環(huán)方式 為了不使工作液越用越臟，影響加工性能，必須加以凈化或過濾。常用的過濾方式及特點見表 2— 2 所示。 表 2— 2 常用的過濾方式及特點 過濾方式 特點 介質過濾 (木屑、黃砂、硅藻土、紙質、燈草芯、棉紗頭、活性炭、塑料泡沫等 ) 結構簡單，造價低，對中小型工件、加工用量不大時，一般都能滿足過濾要求，可就地取材，因地制宜，但使用時間較低，油耗多 自然沉淀過濾 速度太慢，周期太長，只用于單件、小批量加工要求油箱的容量較大 離心過濾 過濾結果較好，結構簡單，清渣較困難 高壓靜電過濾 結構較復雜，一般不采用，因電壓高，有安全問題，故用于小流量的場合 自動進給調節(jié)系統(tǒng) 在電火花加工時，必須使工具和工件之間始終保持一定的放電間隙。間隙過大，所加電壓不能擊穿間隙，形成開路，無法實現(xiàn)電火花加工；間隙過小，形成短路，也不能進行電火花加工。而且，由于工件不斷地被蝕除，工具也有一定的損耗，間隙會不斷增大。為使加工繼續(xù)進行，必須使工具電極及時補進。因此，工具電極自動進給調節(jié)系統(tǒng)是電火花加工機床的重要組成部分，它能在加工過程中使工具慢慢進給，維持間隙在一個合理的平均放電間隙范圍內。間隙自動調節(jié)系統(tǒng)的類型及特點見表 2— 3 所示。 表 2— 3 自動進給調節(jié)系統(tǒng)的類型及特點 調節(jié)系統(tǒng)給性 特點 液壓進給調節(jié) 噴嘴擋板式 我國目前 80%的電火花加工機床采用這一系統(tǒng)。易于制造，成本低，但性能較差，占地面積較大，噪聲較大，容易漏油 伺服閥式 我國只有少數(shù)高檔機床采用這種系統(tǒng)。性能好，但成本高，制造與維修有一定困難 步進電機進給調節(jié) 目前國內外小型電火花加工機床主要采用這一系統(tǒng)。結構簡單，占地面積小，但負載能力小，進給、響應速度低 伺服電機進給調節(jié) 國外大部分采用這一系統(tǒng)。負載能力大，調速較寬，進給速度高，反映靈敏，但系統(tǒng)復雜，成本高 自動調節(jié)系統(tǒng)由測量環(huán)節(jié)、比較環(huán)節(jié)、放大環(huán)節(jié)和執(zhí)行環(huán)節(jié)組成。測量環(huán)節(jié)測量與放電間隙成比例的參數(shù)。弛張式脈沖電源測量電流、電壓變化信號；獨立式脈沖電源檢測擊穿電壓和擊穿延時變化信號。把電參數(shù)傳給比較環(huán)節(jié)，測量參數(shù)與預先給定值比較，輸出控制信號。經放大器放大后傳輸給電 — 機械轉換器，使主軸運動調節(jié)放電間隙。 主機部分 電火花成型機床的主機主要包括：主軸頭、床身、立柱、工作臺及工作液槽幾部分。坐標工作臺安裝在床身上，主軸頭安裝在立柱上。 床身和立柱是機床的主要基礎件，要有足夠的剛度。要求機床的工作面與立柱導軌具有一定的 垂直度，導軌應耐磨和充分消除內應 力。 作縱、橫向移動 的工作臺，一般是用刻度手輪通過絲 杠、螺母機構調節(jié)位置。精度要求高的 機床，采用光學坐標讀數(shù)裝置、數(shù)顯裝 置。隨著數(shù)控技術的發(fā)展，三坐標伺服 控制，以及主軸和工作臺回轉運動并 加三向伺服控制的五坐標數(shù)控機床 已有很多應用，機床的坐標位移精度可達 2um，以至更高。 主軸頭是電火花成形機床最關鍵的部件，是自動調節(jié)系統(tǒng)中的執(zhí)行機構。要求主軸頭結構簡單、傳動鏈短、傳動間隙小、熱變形小，具有足夠的精度和剛度，以適應自動調節(jié)系統(tǒng)的慣性小、靈敏度高、能承受一定負載的 要求。主軸頭主要由進給系統(tǒng)、導向防扭機構、電極裝夾及其調節(jié)環(huán)節(jié)組成。我國目前生產的電火花成型機床大多采用液壓主軸頭。 3 自動進給調節(jié)系統(tǒng)與機械裝置設計 自動進給調節(jié)系統(tǒng)的設計 自動進給調節(jié)系統(tǒng)的作用及技術要求 電火花加工與切削加工不同，屬于“不接觸加工”。在電火花加工時，工具和工件之間有一放電間隙 S。如圖 31所示。 圖 31 放電間隙、蝕除速度和進給速度 如果放電間隙 S 過大，脈沖電壓不能擊穿間隙的絕緣工作液，所以不會產生火花放電。要使工作液被擊穿，必須使工具電極向下進給， 直到工具電極與工件之間的間隙 S 等于、小于某一值時 (一般情況下 S=— ，這與加工規(guī)準有關 )，才能擊穿間隙并產生火花放電。在正常的電火花加工時，工件以 VW的速度不斷被蝕除，間隙 S 將逐漸擴大，必須使電極工具以速度 Vd補償進給，以維持所需的放電間隙。如進給量大于工件的蝕除速度，則間隙 S 將逐漸變小，當間隙過小時，必須減小進給速度 Vd。如果工具和工件之間一旦短路 (即 S=0 時 )，則必須使工具以較大的速 度 Vd 反向快速回退，消除短路狀態(tài)。隨后再重新向下進給，調節(jié)到所需的放電間隙。這是正常電火花加工所必須解決的關鍵問題。 由于火花放電間隙 S很小，且與加工規(guī)準、加工面積、工件蝕除速度等因素有關，因此很難靠人工調節(jié)間隙的大小，也不能像鉆削那樣采用“機動”、等速進給，所以，必須采用自動進給調節(jié)系統(tǒng)。這種不等速的自動進給調節(jié)系統(tǒng)也稱之為伺服進給系統(tǒng)。 自動進給調節(jié)系統(tǒng)的基本組成部分 電火花加工用的自動進給調節(jié)系統(tǒng)和其它任何一個完善的調節(jié)裝置一樣，也是由調節(jié)對象、測量環(huán)節(jié)、比較環(huán)節(jié)、放大驅動環(huán)節(jié)、執(zhí)行環(huán)節(jié) 等幾個主要環(huán)節(jié)組成，圖 3— 2 是其基本組成部分方框圖。實際上根據(jù)電火花加工機床的簡、繁或不同的完善程度，基本組成部分可能略有增減。 圖 3— 2 自動進給調節(jié)系統(tǒng)的基本組成方框圖 在實際加工中，直接測量電極間隙及其變化是很困難的，都是采用測量與放電間隙成比例關系的電參數(shù)來間接反映放電間隙的大小。因為當間隙較大、為開路狀態(tài)時，間隙電壓最大或接近脈沖電源的峰值電壓 。當間隙為零、短路時，間隙電壓為零，雖然不成正比，但也有一定的相關性。 常用的信號檢測方法有兩種：一種是平均間隙電壓測量法， 另一種是利用穩(wěn)壓管來測量脈沖電壓的鋒值信號。 對于弛張式脈沖電源，一般可采用平均值檢測法。對于獨立式脈沖電源，則采用峰值檢測法。因為在脈沖間歇期間，兩極間的電壓總是為零，故平均電壓很低，對極間距離變化的反映不及峰值電壓靈敏。由于本機使用的 RC脈沖電源屬于弛張式脈沖電源，因此，自動進給調節(jié)系統(tǒng)的檢測電路，使用平均間隙電壓測量法，見圖 33。圖中間隙電壓經電阻 R1，由電容器 C 充電濾波后，成為平均值，又經電位器 R2 分壓取其一部分，輸出的 U 即為表征間隙平均電壓的信號。圖中充電時間常數(shù) R1C 應略大于放電時間常數(shù) R2C。 圖 33 平均間隙檢測電路 比較環(huán)節(jié)用以根據(jù)“給定值”來調節(jié)進給速度，以適應粗、中、精不同的加工規(guī)準。實質上是把從測量環(huán)節(jié)得來的信號，與“給定值”的信號進行比較，再按此差值來控制加工過程。大多數(shù)比較環(huán)節(jié)包含或合并在測量環(huán)節(jié)中。 由測量環(huán)節(jié)獲得的信號，一般都很小，難于驅動執(zhí)行元件，必須要有一個放大環(huán)節(jié)，通常稱它為放大器，作用是將信號放大。為了獲得足夠的驅動功率，放大器要有一定的放大倍數(shù)，然而，放大倍數(shù)過高也不好，它將會使系統(tǒng)產生過大的超調，即出現(xiàn)自激現(xiàn)象，使工具電極時進時退，調節(jié)不穩(wěn)定。 執(zhí)行環(huán)節(jié)又稱執(zhí)行機構，它根據(jù)控制信號的大小及時地調節(jié)工具電極的進給量，以保持合適的放電間隙，從而保證電火花加工正常進行。由于它對自動進給調節(jié)系統(tǒng)有很大的影響，因此要求它的機電時間常數(shù)要盡可能小，以便能夠快速反映間隙狀態(tài)的變化 。機械傳動 間隙和摩擦力也應當盡量小，以減小系統(tǒng)的不靈敏區(qū) 。具有較寬的調速范圍，以適應各種加工規(guī)準和工藝條件的變化。 步進電機的電 — 機械式自動進給調節(jié)系統(tǒng)的選用 在加工過程中，電火花加工機經常存在著穩(wěn)定電弧放電，防止燒傷工件的可能性。試驗研究表明，如果伺服進給系統(tǒng)調節(jié)得不適當，伺服進給系統(tǒng)動態(tài)特性差而使系統(tǒng)不穩(wěn)定，往往會產生可恢復性不穩(wěn)定電弧放電。當這種電弧放電持續(xù)幾次發(fā)生后，又會轉化為不可恢復燒傷性穩(wěn)定電弧。 本文設計的便攜式電火花加工機，采用步進電機的電 — 機械式自動進給調節(jié)系統(tǒng)。由于該系統(tǒng)的低速性能好， 可直接帶動絲杠進退，因而傳動鏈短、靈敏度高、體積小、結構簡單，而且慣性小，有利于實現(xiàn)加工過程的自動控制和數(shù)字程序的控制。 步進電機自動進給調節(jié)系統(tǒng)的原理 由于步進電動機和力矩電動機的電一機械式自動調節(jié)系統(tǒng)它們的低速性能好，可直接帶動絲杠進退，因而傳動鏈短、靈敏度高、體積小、結構簡單，而且慣性小，有利于實現(xiàn)加工過程的自動控制和數(shù)字程序控制，因而在中、小型電火花機床中得到越來越廣泛的應用 [7]。圖 34 是步進電動機自動進給調節(jié)系統(tǒng)的原理框圖。 圖 34 步進電動機自動進給調節(jié)系統(tǒng)的原理框圖 檢測電路對放電間隙進行檢測后，輸出一個反映間隙大小的電壓信號。變頻電路為一個電壓 — 頻率 (V — ?)轉換器，將該電壓信號放大并轉換成不同頻率的脈沖串，送至進給與門，準備為環(huán)形分配器提供進給觸發(fā)脈沖。同時，多諧振蕩器發(fā)出恒頻率的回退觸發(fā)脈沖，送到回退與門，準備為環(huán)形分配器提供回退觸發(fā)脈沖，根據(jù)放電間隙平均電壓的大小，兩種觸發(fā)脈沖由判別電路通過單穩(wěn)電路，選其中一種送至環(huán)形分配器，決定進給或是回退。當極間放電狀態(tài)正常時，判別電路通過單穩(wěn)電路，打開進給與門；當極間放電狀態(tài)異常 (短路或形成有害的電弧 )時，則判別電路通過單穩(wěn)電路打開回退與門，分別驅動環(huán)形分配器正向或反向的相序，使步進電動機正向或反向轉動，使主軸進給或退回。 在步進電動機自動調節(jié)系統(tǒng)中，應注意脈沖當量 (步矩 )的選擇。脈沖當量是輸入一個脈沖信號時，步進電動機轉動一“步”時的主軸位移量。它的大小與電火花加工工藝密切相關，如果脈沖當量太大，會常短路，使加工穩(wěn)定性和加工速度明顯降低；相反，如果脈沖當量太小，又會影響主軸的進給和回退速度，特別是在放電間隙發(fā)生短路或有害電弧時，使電極來不及快速回退而導致電極與工件的燒傷。 機械裝置的設計 加工機結構類型和主要技術參數(shù)的確定 常見的電火花機床的結構類型主要有立柱式、龍門式、滑枕式、搖臂式等。后三種適用于大型或中、大型的機床，本設計采用適用于中、小型機床的立柱式結構，該類型具有結構簡單，制造、維修、裝夾方便等優(yōu)點，能夠滿足本設計的要求。 本論文設計的電火花加工機與普通的機床相比，具有體積小、重量輕、攜帶方便等優(yōu)點，是一種適用于流動性場合的電火花加工機。針對