電火花加工的自動進給系統(tǒng)及實驗研究*

陳朝大

（1.廣東農(nóng)工商職業(yè)技術學院,廣州510507;2.廣東工業(yè)大學機電工程學院,廣州510006）

1 引言

在科學技術飛速發(fā)展的現(xiàn)在，產(chǎn)品的質量性能是人們越來越關心的核心。在新的加工手段、新的材料成型等技術不斷涌現(xiàn)的背景下，電火花加工技術也面臨新的應用問題。為適應新的形勢，各地科研人員對電火花加工技術均進行了深入研究，使其在生命科學、微織物架構、微流控等新研究領域取得技術突破。傳統(tǒng)的航空航天、磨料行業(yè)，對高精度、微型化的要求越來越高，對微型化電火花加工機床的技術精度要求也大大提高。

電火花加工也被稱為放電加工(EDM)。沉浸在工具和工件之間的工作流體不斷產(chǎn)生脈沖火花放電,依靠每次放電時產(chǎn)生的局部瞬時高溫把金屬材料逐次微量地蝕除下來，然后通過反向的形狀工具復制到工件。該方法的特點是無材料上和硬度上的限制，工件與刀具之間無宏觀力。因此，電火花加工技術越來越受到制造業(yè)的重視，廣泛應用于難加工材料、復雜曲面、精密曲面加工等領域[1-2]。

微型機械的發(fā)展和需求給現(xiàn)代制造技術帶來了新的挑戰(zhàn)。根據(jù)微加工技術在世界范圍內的發(fā)展，微加工技術主要有三個發(fā)展方向：以美國為代表的以硅平面技術為基礎的硅加工技術；以德國為代表的LIGA技術；以日本為代表的傳統(tǒng)切割和特殊加工方法。與其他微加工方法相比，微專用加工方法具有設備簡單、可實現(xiàn)性強、三維加工能力強等優(yōu)點。它可以處理廣泛的材料，易于控制能源，并可以輕松實現(xiàn)去除和生長可逆加工。精加工和微加工的一個重要條件是加工單元要盡可能小。在電火花加工過程中，每次放電的腐蝕量只取決于單個脈沖的能量。隨著現(xiàn)代電力電子技術的發(fā)展，電火花加工的加工精度和表面質量得到了很大的提高，每次放電的腐蝕量越來越小。微細電火花加工已成為電火花加工的研究熱點和發(fā)展趨勢之一。目前，微電火花加工技術已穩(wěn)定獲得尺寸精度大于0.1μm、表面粗糙度Ra小于0.01μm的加工表面。微細電火花加工技術已成為微細加工的一個重要分支。

2 電火花加工的工作原理

電火花加工的原理是基于脈沖火花放電過程中刀具與工件(正極和負極)之間的電腐蝕現(xiàn)象，去除多余的金屬，以滿足零件尺寸、形狀和表面質量的加工要求。

空載電壓80～100V降為火花維持電壓25V，由于它含有高頻成分而呈鋸齒狀；電流則上升為鋸齒狀的放電峰值電流。大量的熱能集中微通道的瞬間放電，溫度可高達10000攝氏度，產(chǎn)生急劇變化的壓力，所以少量的金屬材料會在工作表面融化，立即轉變?yōu)榭扇蓟旌蠚?，然后濺爆成為工作液,迅速凝結,形成固體金屬粒子，最終被工作液帶走。此時工件表面會留下一個小坑痕，火花放電會短暫停頓，工作液在兩個電極之間迅速恢復絕緣[3-4]。

隨后，下一個脈沖電壓在兩個電極相對接近的另一個點失效，產(chǎn)生火花放電，以此重復整個過程。雖然脈沖放電每次只能腐蝕去除非常小的金屬量，但由于脈沖的高頻效應，火花放電達每秒數(shù)千次，所以累積效果足以去除很多的金屬。在加工工件和電極之間維持恒定的放電間隙，并令電極連續(xù)進給加工工件，工件的金屬材料就能被腐蝕。因此，只要改變電極的形狀，并改變工件和電極之間的相對位置，就能夠加工出各種復雜的結構。

工具電極是銅、石墨、銅鎢合金、鉬等導電性能好、熔點高、加工方便的耐腐蝕材料。在加工的過程中，刀具電極也會受到損傷，但比工件的金屬腐蝕量少，甚至近似于無損。

作為放電介質，工作液也起到冷卻和切屑去除的作用。常用的工作液有低粘度、高閃點、穩(wěn)定介質如煤油、去離子水、乳化液等。

電火花加工原理圖如圖1所示。

圖1 電火花加工原理圖

3 自動進給伺服控制策略設計與實現(xiàn)

3.1 伺服進給控制系統(tǒng)構成

在電火花加工過程中，加工的穩(wěn)定性和加工效果是由運動進給的性能直接決定的。因為零件精度和尺寸的要求是非常精密的，所以需要嚴格控制單個脈沖的放電能量，放電間隙在正常狀態(tài)下非常小。放電間隙變小了，會導致放電過程變得不穩(wěn)定，材料的去除率和介電去電離效果變差。采用雙閉環(huán)可調運動控制系統(tǒng)，能夠有效提高進給機構的靈敏度，在遇到異常放電時，系統(tǒng)機制就能夠迅速采取相應的動作，恢復正常放電，維持平穩(wěn)運轉[5-7]。

間隙伺服調節(jié)的執(zhí)行機構由步進電機和壓電陶瓷組成。步進電機實現(xiàn)大行程，壓電陶瓷實現(xiàn)小步進和高頻響應。微細機械手的核心問題是微細機械手的開發(fā)和微細機械手系統(tǒng)的協(xié)調控制。壓電陶瓷器件具有分辨率高、頻率響應高、不發(fā)熱、體積小、重量輕等特點，是一種理想的微位移器件。如何協(xié)調步進電機與壓電陶瓷之間的運動關系，實現(xiàn)其優(yōu)勢互補，已成為伺服進給控制系統(tǒng)的一項重要工作。步進電機/壓電陶瓷組成的宏/微控制方案具有微步分辨率高、傳動鏈短、系統(tǒng)剛度高、響應速度快等優(yōu)點。

伺服進給控制系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 伺服進給控制系統(tǒng)構成

3.2 伺服系統(tǒng)工作過程

從圖2中可見，伺服系統(tǒng)由測量鏈路、比較鏈路、放大驅動鏈路、執(zhí)行鏈路(伺服電機)和調節(jié)對象(工具與工件之間的放電間隙)構成。直接測量放電間隙大小和實時變化是較為困難的。由于電氣參數(shù)（如電壓、電流）和放電間隙成一定比例，所以可用來間接反映間隙的大小。當間隙為零且短路時，間隙電壓為0；當間隙較大且開路時，間隙電壓最大或接近脈沖電源的峰值電壓。電火花放電電壓的狀態(tài)包括三種：即開路(有電壓無電流)、正常放電、短路(有電流無電壓)。

采用邏輯門電路，可區(qū)分空載、短路、火花三種放電狀態(tài)。電壓比較器在檢測火花放電高頻分量時，可根據(jù)閾值電壓區(qū)分火花、不穩(wěn)定電弧和穩(wěn)定電弧。比較段將測量段的信號與“給定值”的信號進行比較，然后根據(jù)這種差異控制加工進程。執(zhí)行連桿(執(zhí)行機構)可根據(jù)控制信號的大小及時調整工具電極的進給速度，以保持適當?shù)姆烹婇g隙，令電火花加工正常進行。調節(jié)對象是工具電極與工件之間的放電間隙，此間隙應控制在0.1～0.01 mm之間[8]。

綜上所述，伺服進給系統(tǒng)的具體工作過程如下：

首先計算機按照間隙檢測電路返回的值確定放電狀態(tài)，假若電路是開路的，則發(fā)送相應的數(shù)字控制信號。壓電陶瓷的正向進給由數(shù)字轉換器和壓電陶瓷驅動電路共同完成。在壓電陶瓷位移輸出結束后，計算機繼續(xù)通過A/D電路在線監(jiān)測間隙狀態(tài)，如果壓電陶瓷仍開路，自動進給將繼續(xù)進行，直到間隙狀態(tài)恢復正常。步進電機接收到來自伺服控制裝置發(fā)送的命令，驅動步進電機運動，實現(xiàn)連續(xù)可調輸出。在此基礎上，利用壓電陶瓷的快速響應特性來改善間隙狀態(tài)。之后，控制系統(tǒng)繼續(xù)監(jiān)測加工間隙并重新啟動一個新的循環(huán)。當電火花加工正常工作時，電極保持靜止。此時，控制系統(tǒng)通過間隙檢測裝置監(jiān)測間隙的狀態(tài)。當間隙狀態(tài)發(fā)生變化時，控制系統(tǒng)發(fā)出相應指令，驅動電極進行相應動作。加工間隙檢測頻率即間隙狀態(tài)調整頻率，受機械機構響應頻率的限制，需要適應加工過程中脈沖電源的頻率。

在電火花加工過程中,尤其是micro-EDM,因為加工差距很小,加工間隙中的工作流體流動困難,電解液的流量是不光滑的,這就容易導致加工間隙狀態(tài)的惡化，頻繁發(fā)生短路等異常放電,影響電火花加工的質量。為進一步增加體積和處理速度，改善電火花加工間隙狀態(tài)，提高蝕刻材料放電能力，采用電極振動饋電方式，即當電極進行微饋電時，先后退兩步，區(qū)別為一次微饋電。由于電極的往復運動和壓電陶瓷的高頻響應會產(chǎn)生強迫振動，在軸向方向上的電極可產(chǎn)生強制放電形成工作介質缺口,這有利于EDM放電的腐蝕劑效果，能減少異常放電的幾率,提高加工質量和加工速度。

4 實驗測試

4.1 控制算法

電火花加工的自動進給調節(jié)系統(tǒng)對于加工效率和加工質量均有顯著影響。系統(tǒng)運行的穩(wěn)定與否對于裝備投入使用的價值起到至關重要的影響。在實驗中，選取不同功率，分別為50W、70W、90W三種條件，對不同厚度的銅板、鋼板、鐵板、鋁板進行打孔加工并計時，得到不同條件下穿孔所需時間t。數(shù)據(jù)結果詳如表1所示。

表1 不同條件下穿孔所需時間 單位：min

通過對以上三組實驗數(shù)據(jù)進行分析，可得出如下結論：

在相同功率下，對同一厚度的不同材質進行打孔加工，材料密度越大，穿孔所需時間就越長。所以對難加工的材料的加工需要的時間較長，符合實驗預期。

在相同功率下，對同一材質的不同厚度進行打孔加工，材料厚度越厚，穿孔所需的時間就越長。材料越厚，穿透就變得困難，加工排屑雜質也難以清除，符合預期。

在材質和厚度相同的情況下，脈沖電源功率越大，穿孔所需時間就越短。功率越大，相同時間提供的能量越大，加工效率也就越快，符合預期。

用示波器進行觀察，實際加工的波形圖如圖3所示。

圖3 實際加工波形

由圖中二例可見，實際加工波形為典型的電火花加工波形，加工過程穩(wěn)定。在高頻脈沖的作用下，間隙不加工有利于排屑產(chǎn)物的去除，實驗效果明顯。

6 結束語

通過分析電火花加工的研究背景和動力，論述了電火花加工技術的研究現(xiàn)狀，探討了電火花加工的特點以及主要應用，以此為基礎，對電火花加工控制系統(tǒng)進行了系統(tǒng)的研究。該系統(tǒng)采用“PC+運動控制卡”的上下位機兩級控制結構，能很好地控制運動系統(tǒng)。加工的執(zhí)行機構則采用步進電機加壓電陶瓷的宏微組合式驅動機構，實現(xiàn)了大行程和小步距的有機組合，能明顯提高加工性能。實驗結果表明，電火花自動進給機構設計合理，伺服運動控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定。通過不同材料不同加工時間的對比實驗，均獲得了良好的加工效果。