第8章 特種數(shù)控加工機床

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李雪梅主編《數(shù)控機床》第八章教學PPT

第8章特種數(shù)控加工機床8.18.28.38.4數(shù)控電火花機床數(shù)控線切割機床數(shù)控壓力機與數(shù)控折彎機數(shù)控熱切割機床

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8.1數(shù)控電火花機床電火花加工(ElectricalDischargeMachining)是一種利用電極之間脈沖放電時所產(chǎn)生的電腐蝕現(xiàn)象進行加工的方法。該項技術(shù)在二十世紀四十年代開始研究并逐步應(yīng)用于生產(chǎn)，它是在加工過程中，使工具與工件之間不斷產(chǎn)生脈沖性的火花放電，靠放電時局部、瞬間產(chǎn)生的高溫蝕除工件多余材料，這種利用火花放電時產(chǎn)生的腐蝕現(xiàn)象對金屬材料進行加工的方法稱之為電火花加工。隨著電火花加工技術(shù)的發(fā)展，在成形加工方面逐步形成兩種主要加工方式：電火花成形加工和電火花線切割加工。

8.1.1電火花加工概述8.1.2數(shù)控電火花機床

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8.1.1電火花加工概述1.電火花加工原理電火花加工方法可用軟的工具加工任何硬度的金屬材料。工程上常用易加工、導電性好、熔點較高的石墨、銅、銅鎢合金和鋁等耐電蝕材料作工具電極。圖8-1所示是最簡單的電火花加工裝置原理圖。工具電極和工件分別接脈沖電源的負、正兩極，浸人工作液中，計算機數(shù)控系統(tǒng)控制工具電極向工件進給，當間隙達到一定值時，兩極上施加的脈沖電壓將間隙中的工作液擊穿，產(chǎn)生火花放電，在放電的微細通道中，瞬時集中大量的熱能，溫度可達10000℃以圖8-1數(shù)控電火花加工機床原理簡圖上，壓力也

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急劇變化，從而使工件表面局部金屬立刻熔化、氣化，并爆炸式地飛濺到工作液中，迅速冷凝成金屬微粒，被工作液帶走。這時在工件表面則留下一個微細的凹坑痕跡，放電短暫停頓，兩電極間工作液恢復絕緣狀態(tài)。緊接著，下一個脈沖電壓又在兩電極相對接近的另一點處擊穿，產(chǎn)生火花放電，重復上述過程。電極不斷下降，金屬表面也不斷被蝕除，這樣電極的輪廓形狀便可復印在工件上而達到加工的目的。只要改變工具電極的形狀和工具電極與工件之間的相對運動方式就能加工出各種繁雜的型面。

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2.電火花加工的主要特點(1)脈沖放電產(chǎn)生的高溫通道足以熔化和氣化任何材料，因此所用的工具電極無須比工件材料硬。所以它適合于加工用傳統(tǒng)機械加工方法難于加工的特別材料加工，包括各種淬火鋼、硬質(zhì)合金、耐熱合金等任何硬功夫、脆、韌、高熔點的導電材料。(2)加工時工具電極與工件不接觸，兩者之間不存在因切削力而產(chǎn)生的一系列設(shè)備和工藝問題。因此不受工件幾何形狀的影響，有利于加工尋常機械切削方法難于或無法加工的繁雜形狀工件和具有特別工藝要求的工件，如薄壁、窄槽、各種型孔、立體

曲面等。(3)脈沖能數(shù)可任意調(diào)理，在同一臺機床上能連續(xù)進行粗、中、精加工。(4)直接利用電能加工，便于實現(xiàn)自動控制和加工自動化。其不足之處是加工效率較低、工具電極也有損耗、影響尺寸加工的精度等

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3.電火花加工在模具制造中的應(yīng)用自從電火花加工發(fā)明以來，它在金屬加工領(lǐng)域已成為不可缺少的加工工藝之一。而首先獲得大量使用的就是模具制造行業(yè)，最初是沖裁模的加工，后來在成形模具的加工方面也得到廣泛的使用。例如鍛模，它的70%的工作量可由電火花加工來完成。電火花加工在模具制造中的應(yīng)用，主要有以下幾個方面：(1)加工各種模具零件的型孔：如沖裁模、復合模、連續(xù)模等各種沖模的凹模；凹凸模、固定板、卸料板等零件的型孔；拉絲模、拉深模等具有繁雜型孔的零件等。(2)加工繁雜形狀的型腔：如鍛模、塑料模、壓鑄模、橡皮模等各種模具的型腔加工。(3)加工小孔：對各種圓形、異形孔的加工(可達0.015一直徑),如線切割的穿絲孔、噴絲板型孔等。(4)電火花磨削：如對淬硬鋼件、硬質(zhì)合金工件進行平面磨削、內(nèi)外圓磨削、座標孔磨削以及成形磨削等。(5)加強金屬表面：如對凸模和凹模進行電火花加強處理后，可提高耐用度。(6)其他加工：如刻文字、花紋、電火花攻螺紋等。

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8.1.2數(shù)控電火花機床圖8-2所示為SC400型數(shù)控電火花成型機外觀。SC400型縝密數(shù)控電火花成型機是在消化和吸收國外先進技術(shù)和經(jīng)驗基礎(chǔ)上，根據(jù)我國實際狀況而設(shè)計的，具有造型美觀、結(jié)構(gòu)別致、操作便利等優(yōu)點。采用了工業(yè)計算機控制系統(tǒng)、鍵盤輸入，彩色CRT顯示等，大大提高了編程自動化程序。SC400型縝密數(shù)控電火花成型機主要由主機、工作油箱、數(shù)控電源柜等部分組成。主機包括床身、滑座、工作臺、底座、滑枕、主軸箱、工作液槽、機床端子箱等部分組成。機床采用滑枕式結(jié)構(gòu)、滑枕式結(jié)構(gòu)與十字滑臺結(jié)構(gòu)相比較，具有較好的剛性和較大的承載能力，并且加工精度高，穩(wěn)定性能好，大工作液箱，加工效率高。機床的X、Y、Z三個坐標采用直流伺服電機直接驅(qū)動滾珠絲杠的形式。三個坐標導軌采用圖8-2SC400數(shù)控電火花成形機床組成簡圖滾動導軌，具有靈敏度高、伺服性能好、加工穩(wěn)定、定位精度高等優(yōu)點。

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1.主機機械傳動系統(tǒng)及裝置圖8-3所示為機床傳動系統(tǒng)圖。

件號1234567

名稱電機聯(lián)軸器軸承滾球絲杠副軸承滾球絲杠副軸承

規(guī)格型號

數(shù)量11

件號891011121314

名稱聯(lián)軸器電機軸承滾球絲杠副軸承電機聯(lián)軸器

規(guī)格型號

數(shù)量11

C246304Z=4D=32104Z=4D=32

1對1111

對

104Z=4D=32C246304

111對11

圖8-3機床傳動系統(tǒng)

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(1)主軸箱及傳動機構(gòu)圖8-4所示為主軸箱傳動結(jié)構(gòu)。主軸箱包括主軸伺服系統(tǒng)和圖8-4所示為主軸箱傳動結(jié)構(gòu)。主軸箱包括主軸伺服系統(tǒng)和主軸箱平衡機構(gòu)。主軸頭是數(shù)控電火花成形機床的關(guān)鍵部件，它上面安裝電極(即工具)。DC(或AC)伺服電動機l直接通過聯(lián)軸器2安裝在滾珠絲杠3上，滾珠絲杠螺母4裝在滑板上。主軸頭5固定在滑板上，滑板移動采用縝密直線滾動導軌副。使主軸頭在立柱上作升降移動，調(diào)整工具電極和工件之間的間隙，使兩者之間有一定的放電間隙。如間隙過大時，不會放電，必需驅(qū)動工具電極進給靠攏；在放電過程中，工具電極與工件不斷被蝕除，間隙逐漸增大，則必需驅(qū)動工具電極補償進給，以維持所需的放電間隙；當工具電極與工件間短路時，必需使工具電極反向離開，隨即再重新進給，調(diào)理到所需的放圖8-4主軸箱傳動結(jié)構(gòu)電間隙(0.01~0.2mm)。1-電機2-聯(lián)軸器3-滾珠絲杠4-絲杠螺母5-主軸頭6-重錘7-剎車器

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主軸箱裝有平衡機構(gòu)6和剎車裝置7。強電接通時，剎車器放松，電機可帶滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，使滑板帶動主軸箱上下移動。當強電關(guān)閉時，剎車器鎖住絲杠，防止主軸箱因自重掉下來。(2)工作臺和滑枕結(jié)構(gòu)如圖8-3所示，工作臺和滑枕均采用伺服電機直接與滾珠絲杠副相連，移動采用縝密直線滾動導軌副，從而使固定在工作臺上的工件調(diào)整好與主軸頭的相對位置。(3)工作液槽結(jié)構(gòu)工作液槽安裝在工作臺上，工作液槽采用單開門的結(jié)構(gòu)形式，門外密封采用O形密封結(jié)構(gòu)。如圖8-5所示，工作時油泵啟動，旋轉(zhuǎn)手柄1至通油位置，工作液槽進油。上下移動手柄2,調(diào)理工作液槽放油量的大小。上下移動手柄3,調(diào)理油面的高度。旋轉(zhuǎn)手柄4,使油嘴6為吸油狀態(tài)。旋轉(zhuǎn)手柄5,使油嘴為圖8-5工作液槽沖油狀態(tài)，沖油、吸油的壓力大小可以通過旋轉(zhuǎn)手柄1獲得。1-進油開關(guān)及沖吸油壓力調(diào)理閥2-放油手柄3-調(diào)理液面高度手柄4-吸油開關(guān)5-沖油開關(guān)6-吸油嘴7-沖油嘴8-真空表9-壓力表

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為了保證加工過程安全進行，加工時工作液面必需比工件上表面高出一定高度(一般狀況高出50mm),因而在工作液槽上裝有液面高度控制器，液面控制器和溫度控制器裝在手柄3下面的連接板上，當液面升到一定位置時，液面控制器接通，此時才能進行放電工作狀態(tài)。當加工中液面降低時，液面控制器斷開，電柜報警，中止加工。當加工中工作液油溫超過60℃時，溫度控制器斷開、電柜報警、中止加工。2.脈沖電源脈沖電源是電火花加工機床的重要部分之一，其

作用是為放電過程提供能量，它對工藝指標的影響極大，應(yīng)具備高效低損耗、大面積小粗糙度表面穩(wěn)定加工的能力。數(shù)控化的脈沖電源與數(shù)控系統(tǒng)密切相關(guān)，但有其相對的自主性。SC400型縝密數(shù)控電火花成型機主要與P100D型數(shù)控脈沖電源柜配套使用。P100D型數(shù)控脈沖電源柜由控制電源柜、控制臺及RCT顯示器組成。它具有放電參數(shù)自動選取及控制，可選擇5種基本圖形及不同勞倫幅值進行加工。具有自動定位等功能。

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3.數(shù)控系統(tǒng)電火花加工機床的數(shù)控裝置，既可以是專用的，也可在通用的數(shù)控裝置上增加電火花加工所需的專用功能，由于控制要求很高，要對位置、軌跡、脈沖參數(shù)和輔助動作進行編程或?qū)崟r控制，一般都采用計算機數(shù)控(CNC)方式，其不可缺少的主要功能如下：多軸(X、y、Z和C)控制，可在空間任意方向上進行加工，便于在一次安裝中完成除安裝面外的五個面上的所有型腔，保證了各型腔之間的相對位置精度。多軸聯(lián)動搖動(平動)加工，此功能擴大了電極對工件在空間的運動方式，有可能在多種運動軌跡、回退方式方面針對工藝要求作合理的選擇；自動定位，除常見的電極碰端面定位，對孔或圓柱自動找中心外，還可利用球測頭和基準球(安置在機床工作臺上的一個帶底座的高精度球體)來保證多型腔、多工件、多電極加工時的定位精度。4.工作液循環(huán)系統(tǒng)電火花成形機床的工作液主要為煤油、變壓器油和專用油，后者是為放電加工專門研制的鏈烷烴系，以碳化氫為主要成分的礦物油為主體，其粘度低、閃點高、冷卻性好、化學穩(wěn)定性好，但分餾工藝要求高、價格較貴。工作液在放電過程中起的作用是：壓縮放電通道，使能量高度集中；加速放電間隙的冷卻和消除電離，并加劇放電的液體動力過程。

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5.數(shù)控平動頭平動頭是成形電火花加工機床最重要的主軸頭附件，也是實現(xiàn)單電極型腔電火花加工所必備的工藝裝備。平動頭的作用是給電極一個平面圓周平衡運動，電極上的每一個點都圍著其原始位置作平面圓周平移運動，平動頭運動軌跡如圖8-6所示。

圖8-6平動頭擴大間隙原理圖

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數(shù)控平動頭的結(jié)構(gòu)示意圖如圖8-7所示，由數(shù)控裝置和平動頭兩部分組成。當數(shù)控裝置的工作脈沖送到X、Y兩方向的步進電機時，絲杠和螺母就相對移動，也就是使中間溜板和下溜板按給定軌跡作平動。平動時，相對運動由上、下兩組圓柱滾珠導軌支承，可保證較高精度和剛度。數(shù)控平動頭是針對目前多數(shù)機械平動頭存在的精度和剛度差，加工后模腔產(chǎn)生的“波紋〞較大，只有單一的平面圓周運動，精修時操作不便等缺

點研制成的。它可按需要走不同平面軌跡，大大減少了電加工后模腔表面的“波紋〞,且各方向修光均勻，型面的表面粗糙度均勻一致，避免了機械平動頭精

修時易出現(xiàn)的單邊修光現(xiàn)象數(shù)控平動頭的精度可

圖8-7數(shù)控平動頭結(jié)構(gòu)示意圖1-上溜板2-步進電機3-圓柱滾珠導軌4-中間溜板3-下溜板6-刻度端蓋7-絲杠、螺母

達0.01mm,并且實現(xiàn)了微量自動進給和程序控制及自動化加工。

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8.2數(shù)控線切割機床8.2.18.2.28.2.38.2.48.2.58.2.6數(shù)控線切割機床工作原理數(shù)控電火花線切割加工的特點數(shù)控電火花線切割機床的分類數(shù)控電火花線切割機床的主要機械結(jié)構(gòu)工作液系統(tǒng)脈沖電源

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8.2.1數(shù)控線切割機床工作原理數(shù)控線切割加工和電火花成形加工的基本原理是一樣的，不同的是在線切割加工中是用連續(xù)移動的細金屬導線(銅絲或鉬絲)作為工具電極來代替電火花加工中的成形電極，利用線電極與工件之間產(chǎn)生的脈沖火花放電來腐蝕工件，工作臺帶著工件作X、Y平面的兩坐標移動，從而切割出各種平面圖線的。工件的形狀是由數(shù)控系統(tǒng)控制工作臺(工件)相對于電極絲的運動軌跡決定的，因此不需要制造專用的電極，就可以加工形狀繁雜的模具零件。

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圖8-8所示為電火花線切割工藝及裝置原理圖。工件接脈沖電源的正極，電極絲4(鉬絲或銅絲)接負極，由脈沖電源3供給加工能量后，在工件與電極絲之間產(chǎn)生很強的脈沖電場，使其間的介質(zhì)被電離擊穿，產(chǎn)生脈沖放電。電極絲在儲絲筒7的作用下作正反向交替(或單向)移動，在電極絲和工件之間澆注工作液介質(zhì)，在機床數(shù)控系統(tǒng)的控制下，工作臺在水平面兩個坐標方向各自按預定的控制程序?qū)崿F(xiàn)切割進給，從而切割出需要的工件形狀。

圖8-8電火花線切割原理(a)工件及其運動方向(b)電火花線切割加工裝置原理圖1-絕緣底板2-工件3-脈沖電源4-電極絲(鉬絲或銅絲)5-導向輪6-支架7-儲絲筒

電火花線切割加工主要用于沖模、擠壓模、塑料模，電火花型腔模用的電極加工等。由于電火花線切割加工機床的加工速度和精度的迅速提高，目前已達到可與坐標磨床相競爭的程度。

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8.2.2數(shù)控電火花線切割加工的特點1.直接利用線狀的電極絲作工具電極，不需要像電火花成形加工一樣的成形工具電極，可儉約電極的設(shè)計、制造費用，并縮短了生產(chǎn)準備時間，加工周期短。2.可以加工用傳統(tǒng)切削加工方法難以加工或無法加工的微細異形孔、窄縫和形狀繁雜的零件，其加工周期短、應(yīng)用