電火花加工的自動進給系統及實驗研究*

陳朝大

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

1 引言

在科學技術飛速發展的現在，產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。傳統的航空航天、磨料行業，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生脈沖火花放電,依靠每次放電時產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]。

微型機械的發展和需求給現代制造技術帶來了新的挑戰。根據微加工技術在世界范圍內的發展，微加工技術主要有三個發展方向：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、可實現性強、三維加工能力強等優點。它可以處理廣泛的材料，易于控制能源，并可以輕松實現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。隨著現代電力電子技術的發展，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展趨勢之一。目前，微電火花加工技術已穩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，立即轉變為可燃混合氣，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

3.1 伺服進給控制系統構成

在電火花加工過程中，加工的穩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下非常小。放電間隙變小了，會導致放電過程變得不穩定，材料的去除率和介電去電離效果變差。采用雙閉環可調運動控制系統，能夠有效提高進給機構的靈敏度，在遇到異常放電時，系統機制就能夠迅速采取相應的動作，恢復正常放電，維持平穩運轉[5-7]。

間隙伺服調節的執行機構由步進電機和壓電陶瓷組成。步進電機實現大行程，壓電陶瓷實現小步進和高頻響應。微細機械手的核心問題是微細機械手的開發和微細機械手系統的協調控制。壓電陶瓷器件具有分辨率高、頻率響應高、不發熱、體積小、重量輕等特點，是一種理想的微位移器件。如何協調步進電機與壓電陶瓷之間的運動關系，實現其優勢互補，已成為伺服進給控制系統的一項重要工作。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、系統剛度高、響應速度快等優點。

伺服進給控制系統如圖2所示。

圖2 伺服進給控制系統構成

3.2 伺服系統工作過程

從圖2中可見，伺服系統由測量鏈路、比較鏈路、放大驅動鏈路、執行鏈路(伺服電機)和調節對象(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（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，可區分空載、短路、火花三種放電狀態。電壓比較器在檢測火花放電高頻分量時，可根據閾值電壓區分火花、不穩定電弧和穩定電弧。比較段將測量段的信號與“給定值”的信號進行比較，然后根據這種差異控制加工進程。執行連桿(執行機構)可根據控制信號的大小及時調整工具電極的進給速度，以保持適當的放電間隙，令電火花加工正常進行。調節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，假若電路是開路的，則發送相應的數字控制信號。壓電陶瓷的正向進給由數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，計算機繼續通過A/D電路在線監測間隙狀態，如果壓電陶瓷仍開路，自動進給將繼續進行，直到間隙狀態恢復正常。步進電機接收到來自伺服控制裝置發送的命令，驅動步進電機運動，實現連續可調輸出。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。之后，控制系統繼續監測加工間隙并重新啟動一個新的循環。當電火花加工正常工作時，電極保持靜止。此時，控制系統通過間隙檢測裝置監測間隙的狀態。當間隙狀態發生變化時，控制系統發出相應指令，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的惡化，頻繁發生短路等異常放電,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，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生強迫振動，在軸向方向上的電極可產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系統對于加工效率和加工質量均有顯著影響。系統運行的穩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。數據結果詳如表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據進行分析，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，加工過程穩定。在高頻脈沖的作用下，間隙不加工有利于排屑產物的去除，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進行了系統的研究。該系統采用“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。加工的執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，伺服運動控制系統運行穩定。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。