精密及微细电火花加工_一_

微细电火花

精密及微细电火花加工 一） （韩春馗 张 琛 !"#$%&%’( )(* +%$"’ ,-+ +)$.%(%(/（ !）$%& ’()*+),，-$%&. ’(/* 随着科学技术的进步， 对机械零件及工、 模具 检、 的精度要求日益提高， 精密电火花加工已在精密加工 领域占有一席之地。例如加工： 伺服阀阀套方孔、 阀芯 异形孔及槽； 各种窄缝零件及栅网； 精密钻模及冲模、 化纤异形喷丝孔板； 喷墨打印机喷嘴； 医疗器械及微电 子器件上的微孔、 光阑等。 为了探求精密及微细孔电火花加工的工艺特点， 北京机床研究所利用本所研制生产的 0.1234% 型坐 标电火花成型机床， 结合具体加工对象， 开展试验研 究， 取得了重要成果。本文以研究报告为基础， 结合近 几年国外在微精及微细电火花加工中的新成果， 着重 介绍电火花微精加工中的特殊问题和工艺规律。其工 艺数据适用于国内多年小批量生产的 0.1234% 型坐 标电火花成型机床， 对近年来已在市场上大量应用的 数控电火花成形机也具有参考意义。 耗不大， 但校直及尺寸控制比较困难， 必要时还需配用 导向机构。 选用电极材料时应特别注意材料成分。杂质及含 量对电加工性能有很大影响。还应消除材料的内应 力， 以免加工后产生弯曲。 !" # 精密微细孔的加工条件要求 （7） 机床工作台定位精度在 4 "8 以内； 高精度旋转主轴， 振摆小， 动态精度高。最好 （4） 不用附加旋转轴型式。转速为 5 9 7 555 : ; 8,*； （3） 电极夹具的重复定位精度在 4 "8 以内； （2） "、 轴伺服分辨率不大于 7 "8； !、 # （1） 各轴伺服响应速度高、 增益大； （"） 放电加工参数如电压、 脉冲宽度、 峰值电流、 附加间隙并联电容等能做微量调整； （!） 限定放电电路的 电 气 分 布 参 数， 电 感、 如 电 容； （<） 恒温工作间。 !" $ 76 36 7 圆柱电极的制作 机械加工法 采用传统方式的接触式切削加工如车削、 磨削制 作精密微细电极， 需要操作人员具有高度熟练的加工 技巧。据 说 机 械 加 工 的 最 小 加 工 直 径 可 达 #56 51 88， 相应的加工孔径可为 #56 5"1 88。通常的切削直 径为 #56 1 9 7 88， 可以作为进一步加工的毛坯。 近年来， 瑞典 3= 公司和瑞士 >=?@% 公司制作出 了 高精度工艺基准定位系统” 它将常用的电火花成 “ ， 形机床、 线电极切割机床与数控车床、 铣床、 磨床和加 工中心及三坐标测量机等做出一个统一的基准平台， 组成柔性制造系统， 利用数控机床工作台 !、 方向及 " 主轴 # 方向都有 电子零点” “ 坐标基准点” “ 即 的固定 基准， 只要已知工件和工具电极在 !、 # 以及数控 "、 （ 回转轴 $、 &） %、 的精确坐标位置， 就能建立起工件与 工具之间的快速找正系统。在制作电极时， 因为都是 装夹在同一工具系统中的标准电极夹具中被加工过， 都有统一的同心、 同位的工艺定位基准， 装到电火花机 床上后， 不需再做找正调整， 利用数控系统马上可以进!电极精密加工中， 除了直径 56 7 88 以下的微孔加工外， 一般都按照电火花加工的常规， 通过转换加工规 准， 以达到所需的尺寸精度及表面粗糙度要求。这时， 中、 精规准加工时的加工余量很小， 因而对各档加工电 极的几何精度、 表面质量以及更换电极时的重复定位 精度都提出了较高的要求。由于不能采用直接接触法 计量， 制造电极的尺寸控制具有一定特殊性。 !" ! 电极材料 紫铜电极价廉易得， 用于孔径小、 相同直径孔数少 且深度不大的工件的加工。铜钨合金电极用于加工： 孔径更小、 要求更高的孔； 相同直径孔数较多或深度大 的孔； 要求高的盲孔； 因结构限制不宜采用增加进给量 以补偿电极损耗的型孔； 工件是硬质合金材料且较深 的孔； 制作电极用的反拷块等。银钨合金比铜钨合金 性能更好但价钱太贵。黄铜电极与紫铜电极相比， 其 机械强度高， 放电加工稳定性好， 特别是黄铜管规格齐 全， 平直度好， 常用作预孔加工以及作为电极直接加 工， 但损耗大。近几年发展起来的用线电极磨削法来 精制微细电极也是用黄铜丝。钨丝类材料作为电极损 # !"

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行加工。这种工具电极的重复定位精度在 # $ !% 以 内， 可以方便地用作电极制作、 修整以及多电极的加 工。 $& ’& ( 细丝电极法 现成的电极丝有黄铜丝、 紫铜丝、 钨丝和钼丝。由 于存在变形和弯曲的问题， 往往需要利用导管或导向 器进行导向。钨丝的刚度及电极损耗比较好， 曾报导 过使用 ")& )* %% 的钨丝加工出 ")& )! %% 的微孔。 汽油机和柴油机喷嘴小孔大批量生产中， 小孔采用电 火花加工。它采用盘状钨丝电极经重复定位、 重复进 给方式进行加工。 $& ’& ’ 电火花反拷成形法 即用一块块状电极 通常为铜钨或银钨合金材料 （ 俗称反拷块） 作为一次电极， 通过火花放电方式制造 出二次电极即电火花加工用的工具电极， 再用之加工 工件。如图 $ 所示， 用一块长约 *) %%、 厚约 * %% 的 +,-.) 块， 用小压板固定在座板上， 座板的 !、 # 三 "、 面已经过精磨。使用前， 先将铜钨合金块连同座板一 起放在平面磨床上， ! 面为基准面精磨出 $ 面， 以 再 将座板压紧在电火花机床的工作台上， 用杠杆表找正 $ 面， 使与机床的一个坐标方向 通常为 % 方向） （ 平行 （ 精度在 ( !% 内） 。待加工的电极装在机床的主轴上 随主轴上下伺服运动并旋转移动 & 轴使反拷块与电 极产生放电， 藉助二者损耗量不同， 使主轴上的电极成 为被加工件， 这时， & 轴进给量控制电极的直径尺 用 寸， ’ 轴进给量控制电极的成形长度， 用 同时 % 轴也 做均匀而缓慢的移动， 用以补偿反拷块的损耗。也可 以将 ’ 轴伺服电气锁定进行反拷加工。在制作径向 跳动量大的较长电极时， 可分段用主轴电气锁定法反 拷。在消除径跳后， 再用主轴伺服反拷， 否则加工不易 稳定， 甚至形成椭圆形电极截面。损耗量即尽快地制作出成形电极， 通常选用 /0 1 2+ 即晶体管驰张式电路。被加工电极接正极， 反拷块接 负极。间隙并联电容量按加工要求选定。若反拷加工 面积较大， 如反拷加工电极端面时， 可利用晶体管脉冲 电源， 放电间隙不再并联电容器， 脉宽可选为 3 4 . !5， 工作台接负极。 反拷加工工艺 （(） 粗加工： 电源电压 ’)) 6， 峰值电流 )& 7 8， 脉宽 !) 停歇 () !5， 电容 )& )$ !9， 这时放电间隙为 )& )$* !5， %%。若电容为 )& )$! !9 时， 虽然加工效率提高 $ : ’， 但电极加工表面粗糙度明显变差。为使火花间隙的控 制能获得高峰值窄脉冲电流， 提高加工稳定性和蚀除 速度， 必须尽量减小电容放电回路的阻抗。插入式电 容器盒较为合适， 即把不同值电容组装成小盒放在靠 近主轴的地方， 供加工选用。 适当提高主轴旋转速度有利于改善排除加工产 物， 提高加工稳定性。尤其是当电极毛坯径向跳动大、 反拷余量不均匀时， 主轴转速低， 电极升降幅度大， 甚 至会与反拷块产生机械摩擦， 电极截面会变成桃型。 电极夹持部分与工作部分的径向跳动量应小于 )& )* %%， 直径加工余量以 )& ( 4 )& ’ %% 为宜， 留给精 加工的余量为 )& )( 4 )& )* %% 小直径电极取大值） （ 。 加工 空刀” 为减小成形电极的锥度， “ 槽： 在电极 的根部切出环形 空刀” （ 图 (） “ 槽 。 将主轴 ; 向 伺 服 电 气 锁 定， 主 轴 旋 转 而 无 升 使 降， 轴实行数控或手动伺服进给， & 看着间隙电压表使 之处于偏空载状态。在 & 轴进给到达尺寸值后， 再实 行 % 向进给加工。切出 空刀” 后， 先 要 退 出 & “ 槽 首 轴， 主轴才能回退。一般 空刀” “ 切深为 )& )$ 4 )& )( %%。 精加工： 极 的 精 修 加 工 量 一 般 为 )& )( 4 )& )* 电 %%， 电源电压为 $!) 6， 峰值电流为 )& * 8， 间隙并联 电容为 )& )$ !9， 这时单边 放 电 间 隙 约 为 )& )$ %%。 对精度要求更高的电极， 加工量可取为 )& ))* 4 )& )$ %%， 间隙并联电容为 $ !9 或更小。 为了合理利用反拷块， 减小电极锥度， 利于控制尺 寸， 反拷时最好将反拷块分区使用， 例如， 把粗拷、 精拷 和切 空刀” “ 的区域分开。被损耗的部分要适时重磨。 $& ’& 3 其它反拷制作电极的方法 图 ’、 3 是利用反拷块的窄缝或圆孔制作电极。 图 图 *、 < 是利用展成加工方式制作圆柱电极。图 ! 图（$） 反拷加工的电参数 反拷加工时， 被加工电极与反拷块间的放电加工 仅是一条直线， 放电面积很小。为增大被加工电极的是线电极磨削方式， 可用于微细电极的成形制造， 虽然 结构复杂， 但成形直线度好， 电极长度也较长。 表 $ 是两种加工方式的比较。 " !!

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表!项目 成形长径比 ! " # 直径精度 同轴度 直线度 最小直径 " !’ 成形时间 装置成本 优越 # # ,： 一般 .：两种加工方式比较反拷块式 ’ $% . , ’ ( , , 稍差 ’： *： 差 线电极磨削式 , "& . ’ . 推定 ) ’ *以上两种因素都可使电极产生明显的锥度， 甚至将极 细的尖部毁掉。 将反 拷 块 磨 制 或 垫 成 一 个 斜 角 ! 斜 度 约 ) " （ & %%%） 如图 "-， ， 在主轴伺服进给时， 可减少电极端部 重复放电的机会。也可将主轴悬停即电气锁定， 如图 ".， 主轴不作上下方向的运动， 用横向进给对电极全长 作反拷加工。每次进给量约为 & / ( !’， 加工间隙偏 向空载状态。带 -” “ 者为日本某公司资料为减小微细电极的振摆， 主轴转速应限定在 &%% 0 1 ’23 以下。当电极直径特别小时， 还应停止循环液 泵， 使反拷加工处在静止的工作液中。 反拷加工的电规准也要降低能量。如制作直径为 %+ %&( ’’ 的电极时， 最后精拷加工的电源电压为 &)( 4， 间隙并 联 电 容 不 大 于 (& !5， 作 的 电 极 长 度 约 制 %+ , ’’， 即长径比为 &6。 日本的某公司采用精密旋转主轴头与线电极放电 磨削相结合的方式， 制作出极小尺寸的电极轴， 并保证 了较高的尺寸和形状精度， 如 图 7。线 电 极 磨 削 丝 缓 慢 地 沿着走丝导块上的导槽面移 动， 被加工的微小电极轴则随 主轴旋转及轴向进给。电极 材料是紫铜， 线电极丝是黄铜 合金， 电源电压 &%% 4， 脉 89 冲电 源 的 限 流 电 阻 为 , %%% 放电电容是 & !5， 正极性加工， 工作液用煤油， 加工 "， 后的电极轴直径小于 %+ & ’’ 甚至更小。 !" $ 圆柱电极的测量 #&+ ( ’’ 以上的紫铜电极和 #& ’’ 以上的铜钨 合金电极， 可用千分尺直接测量。也可利用置于工作 台上的基准球， 使数控工作台沿 : $ 轴或 : % 轴方向 !" # 微细电极的制作 直径小于 %+ , ’’ 的电极通常用反拷法制作。这 种微细电极， 尤其是当长度较大时， 放电过程中产生的 冲击力， 足以导致电极端部微微颤动。在主轴重复进 退对电极用 珩磨” “ 加工时， 电极端部放电几率增加。 # !" 移动， 以接触感知方式测量。再细的电极因易弯曲不 宜作直接接触的感知测量， 则用坐标法和光学测量法。 &+ (+ & 坐标法测量 先用双向轮表法测出主轴， 轴心与反拷块刃口重 合时的坐标， 如图 &% 所示。主轴上装杠杆表， 使其触

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头有一回转半径 !， 在反拷块工作面上第一次轮表找 出高点记下表头读数和坐标 "（ 设定反拷块工作面与 $ " 坐标方向垂直） 。然后在反拷块工作台上贴一块规， 在块规上第二次轮表， 移动坐标使高 主轴回转 $%&’， 点读数与第一次相同， 记下坐标 "( ， 则主轴轴心与反 拷块刃口重合时的坐标为 "& #（ "$ $ "( ） ( % 必须指出， 反拷块重磨后上述 "& 值应重测。表面的光晕现象， 边界呈现假亮带， 使扣线读数值偏 大。而若在电极背面衬以绿色反射板， 则又因为光衍 射作用使扣线读数值偏小。为解决这一问题， 可先后 采用两种方法扣线， 再调整坐标取其中间位置读数值。 熟练掌握上述反拷及测量要领， 可使电极尺寸精 度达到 &) &&( + &) &&* ,, 包括锥度在内） （ 。算出坐标 "& 值后， 可根据已知的放电间隙， 按坐 标值控制电极的尺寸。 当一个新安装的反拷块拷出第一根电极后， 还可 以利用实测电极尺寸推算出反拷下一个电极时的坐标 " ! # " " $（ & ! ’ & " ） ( % 式中 & " ——已知的第一根电极直径 — " " ——直径为 & " 的电极反拷时最终坐标 — & ! ——下一个需反拷电极直径 — " ! ——下一个需反拷电极反拷时最终坐标 — 上式只有当两个电极的精拷规准相同时才适用， 否则应修正间隙差。式中也未考虑反拷块的损耗。 坐标 法 控 制 电 极 尺 寸， 度 可 达 &) &&* + &) &$ 精 ,,， 适用于粗、 中加工用电极的反拷， 以及精加工电极 的预加工尺寸控制。精加工电极最终尺寸控制要通过 坐标法和光学测量法两者结合来实现。 $) *) ( 光学测量法 对中显微镜 分划板应为 十” （ “ 字刻线） 通过支架 ， 固定在工作台上。测量前用汽油浸洗将电极表面去 油， 以避免杂光干扰， 提高测量精度。如图 $$ 所示， 测 量时将光轴垂直于一个坐标 如 ( 轴） 另一坐标 如 （ ， （ " 轴） 用于对焦。调到电极边缘影像清晰即把 " 坐标 锁住。然后移动 ( 坐标进行光屏读数。方法是： 用显 微镜分划板上的刻线瞄准电极一侧边界影像， 出 读 ($ ， 移动 ( 坐标， 瞄准电极另一侧边界影像， 读出 (( 。 (( - ($ 的绝对值即为电极直径。 如对中显微镜不带专用光源， 则需临时加上光源 和罩子 见图 $$） （ 。使用这种漫反射光测量， 由于电极!" #异形电极的制作 异形电极的材料多为紫铜与铜钨合金。形状简单的电极 方形、 （ 三角形等） 都可利用相应的夹具在传统 机床上制作。数控机床的普及为制作各种复杂形状电 极带来极大方便， ./ 系列夹具及 0/123 系列夹具 而 则达到了更高的重复定位精度。在无法使用机械加工 法时 如电极尺寸太小） 也可采用线电极切割或电火 （ ， 花反拷加工方式。 用反拷法制作异形电极， 在制作异形电极前， 用拼 装法制作各种异形反拷拼块。拼块的工作部分多采用 铜钨合金制成， 其型孔即为待制作电极的断面形状。 拼块经精加工后装在基座上， 根据待反拷的电极尺寸 对拼块进行调整。拼块的型孔尺寸应根据电极尺寸及 所用规准的放电间隙进行推算或试验后确定。若当用 反拷拼块制作加工用的电极所用的加工规准， 与以后 # !"

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基于多体运动学理论的齿轮测量中心 几何结构建模分析范晋伟 刘宏旭 胡 勇 谷志敏（ 北京工业大学机电学院， 北京 $"""%%） 摘 要： 针对如何减小齿轮测量中心的几何结构误差从而提高测量精度， 以多体系统拓扑结构分析理论为基 推导出齿轮精密测量方程式和理 础， 计及测量中心自身的 !" 项几何结构误差参数和运动误差参数， 想测量方程式， 为齿轮测量结果的误差补偿和仿真分析作了必要准备。 关键词： 几何误差补偿 多体系统 齿轮测量中心!"#"$%&’ () *"(+",%-& .%%(% /(+0")#$,-() 1",’(2 (3 ,’" /((%2-)$," *"$%-)4 1"$#5%" 1$&’-)"&’( )*+,-*，./0 12+345，10 62+3，70 89*:*+ （ ;2<<-3- 2= >-?9@+*?@< A+3*+--B*+3，C-*D*+3 0+*E-BF*GH 2= I-?9+2<23H，C-*D*+3 $"""%%，;1(） #$%&’()&：I9- =2?5F 2+ G9*F J@J-B *F 92, G2 B-K5?- G9- -==-?G 2= G9- 3-2:-GB*? -BB2B @+K -+9@+?- G9- @??5B@?H 2= G9?22BK*+@G- 3-@B*+3 :-@F5B- :@?9*+-L C@F-K 2+ G9- G2J2<23*?@< @+@<HF*F @+K M*+-:@G*?@< G9-2BH 2= >CN （ >5<G* O C2KH NHFG-:） ，?2+F*K-B*+3 G9- %P -BB2BF 2= G9- FGB5?G5B- @+K :2E-:-+G，G9- ?@<?5<@G*2+ -Q5@R G*2+F =2B JB2?-FF-F 2= JB-?*F*2+ :-@F5B- @+K *K-@< :-@F5B- 9@E- S--+ K-B*E-K 25G，,9*?9 @B- -FF-+G*@< G2 G9- ?@<?5<@G*2+ 2= G9- -BB2B ?2:J-+F@G*2+ @+K -:5<@G*2+ =2B G9- B-F5<G 2= 3-@B*+3 :-@F5B-L *+,-.’/%：7-2:-GB*? ABB2B ;2:J-+F@G*2+；>5<G* O S2KH NHFG-:；;22BK*+@G- 7-@B*+3 >-@F5B- >@?9*+齿轮测量仪是生产各种齿轮的必备高精度检测设 备， 对提高精密齿轮的质量具有重要意义。大型齿轮 测量中心属于数控机械设备， 由于零件误差、 装配误 差、 设备环境、 工作状况和载荷情况的影响， 它的测量 结果不可避免地存在着误差。本研究就是针对如何克 服几何结构误差和运动误差对齿轮测量中心测量精度 的影响， 从而提高齿轮测量中心的测量精度而提出的。 在本文的研究中， 系统地对 TU%" 型大型齿轮测量中心 的几何结构误差进行了描述， 建立了测量中心的几何 拓扑结构。应用多体运动学理论与拓扑分析方法建立 齿轮测量中心的几何运动误差数学模型， 推导出齿轮 精密测量方程式和理想测量方程式。通过这两个方程 式我们可以对齿轮测量结果进行误差补偿计算和仿真 分析。0多体拓扑结构分析方法多体系统理论研究对象有开环系统和闭环系统两大类。开环系统是最基本的多体系统形式， 闭环系统 可以通过附加特定的约束条件而转化为开环系统。在 此， 将引入多体理论分析方法， 进行齿轮测量中心的几 何误差建模分析。由机身、 立柱、 测量臂、 转台、 测头等 部件构成的测量中心可以视为典型的多体系统， 可以"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" 三叶电极， 其拼块是三块相同尺寸的菱形块， 在工具显 用该电极加工工件所用的加工规准相同时， 则反拷拼 块的型孔尺寸可以按照被加工工件所要求的型孔名义 尺寸给定。图 $% 为四种异形电极的反拷拼块图形。 其中双点划线为电极毛坯轮廓， 斜线部分为反拷制作 出的电极截面形状。 反拷拼块调好之后安装在电加工机床上。为使其 中心线与机床的主轴轴心线重合， 可对拼块基座的外 圆或拼块上相应的基准面用轮表法确定。如图 $%K 的 # !" 微镜下拼装而成。找正中心坐标是在菱形块组成的正 六边形上轮表实现的。 反拷加工制作电极时， 主轴不旋转。 （ 待续） # # （ 编辑 宋业钧） （ 收稿日期： O "! O %U） # %""V ## 文章编号： P%%% 如果您想发表对本文的看法， 请将文章编号填入读者意见调查表中的相应位置。

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