电火花加工的自动进给系统及实验研究*

陈朝大

（1.广东农工商职业技术学院,广州510507;2.广东工业大学机电工程学院,广州510006）

1 引言

在科学技术飞速发展的现在，产品的质量性能是人们越来越关心的核心。在新的加工手段、新的材料成型等技术不断涌现的背景下，电火花加工技术也面临新的应用问题。为适应新的形势，各地科研人员对电火花加工技术均进行了深入研究，使其在生命科学、微织物架构、微流控等新研究领域取得技术突破。传统的航空航天、磨料行业，对高精度、微型化的要求越来越高，对微型化电火花加工机床的技术精度要求也大大提高。

电火花加工也被称为放电加工(EDM)。沉浸在工具和工件之间的工作流体不断产生脉冲火花放电,依靠每次放电时产生的局部瞬时高温把金属材料逐次微量地蚀除下来，然后通过反向的形状工具复制到工件。该方法的特点是无材料上和硬度上的限制，工件与刀具之间无宏观力。因此，电火花加工技术越来越受到制造业的重视，广泛应用于难加工材料、复杂曲面、精密曲面加工等领域[1-2]。

微型机械的发展和需求给现代制造技术带来了新的挑战。根据微加工技术在世界范围内的发展，微加工技术主要有三个发展方向：以美国为代表的以硅平面技术为基础的硅加工技术；以德国为代表的LIGA技术；以日本为代表的传统切割和特殊加工方法。与其他微加工方法相比，微专用加工方法具有设备简单、可实现性强、三维加工能力强等优点。它可以处理广泛的材料，易于控制能源，并可以轻松实现去除和生长可逆加工。精加工和微加工的一个重要条件是加工单元要尽可能小。在电火花加工过程中，每次放电的腐蚀量只取决于单个脉冲的能量。随着现代电力电子技术的发展，电火花加工的加工精度和表面质量得到了很大的提高，每次放电的腐蚀量越来越小。微细电火花加工已成为电火花加工的研究热点和发展趋势之一。目前，微电火花加工技术已稳定获得尺寸精度大于0.1μm、表面粗糙度Ra小于0.01μm的加工表面。微细电火花加工技术已成为微细加工的一个重要分支。

2 电火花加工的工作原理

电火花加工的原理是基于脉冲火花放电过程中刀具与工件(正极和负极)之间的电腐蚀现象，去除多余的金属，以满足零件尺寸、形状和表面质量的加工要求。

空载电压80～100V降为火花维持电压25V，由于它含有高频成分而呈锯齿状；电流则上升为锯齿状的放电峰值电流。大量的热能集中微通道的瞬间放电，温度可高达10000摄氏度，产生急剧变化的压力，所以少量的金属材料会在工作表面融化，立即转变为可燃混合气，然后溅爆成为工作液,迅速凝结,形成固体金属粒子，最终被工作液带走。此时工件表面会留下一个小坑痕，火花放电会短暂停顿，工作液在两个电极之间迅速恢复绝缘[3-4]。

随后，下一个脉冲电压在两个电极相对接近的另一个点失效，产生火花放电，以此重复整个过程。虽然脉冲放电每次只能腐蚀去除非常小的金属量，但由于脉冲的高频效应，火花放电达每秒数千次，所以累积效果足以去除很多的金属。在加工工件和电极之间维持恒定的放电间隙，并令电极连续进给加工工件，工件的金属材料就能被腐蚀。因此，只要改变电极的形状，并改变工件和电极之间的相对位置，就能够加工出各种复杂的结构。

工具电极是铜、石墨、铜钨合金、钼等导电性能好、熔点高、加工方便的耐腐蚀材料。在加工的过程中，刀具电极也会受到损伤，但比工件的金属腐蚀量少，甚至近似于无损。

作为放电介质，工作液也起到冷却和切屑去除的作用。常用的工作液有低粘度、高闪点、稳定介质如煤油、去离子水、乳化液等。

电火花加工原理图如图1所示。

图1 电火花加工原理图

3 自动进给伺服控制策略设计与实现

3.1 伺服进给控制系统构成

在电火花加工过程中，加工的稳定性和加工效果是由运动进给的性能直接决定的。因为零件精度和尺寸的要求是非常精密的，所以需要严格控制单个脉冲的放电能量，放电间隙在正常状态下非常小。放电间隙变小了，会导致放电过程变得不稳定，材料的去除率和介电去电离效果变差。采用双闭环可调运动控制系统，能够有效提高进给机构的灵敏度，在遇到异常放电时，系统机制就能够迅速采取相应的动作，恢复正常放电，维持平稳运转[5-7]。

间隙伺服调节的执行机构由步进电机和压电陶瓷组成。步进电机实现大行程，压电陶瓷实现小步进和高频响应。微细机械手的核心问题是微细机械手的开发和微细机械手系统的协调控制。压电陶瓷器件具有分辨率高、频率响应高、不发热、体积小、重量轻等特点，是一种理想的微位移器件。如何协调步进电机与压电陶瓷之间的运动关系，实现其优势互补，已成为伺服进给控制系统的一项重要工作。步进电机/压电陶瓷组成的宏/微控制方案具有微步分辨率高、传动链短、系统刚度高、响应速度快等优点。

伺服进给控制系统如图2所示。

图2 伺服进给控制系统构成

3.2 伺服系统工作过程

从图2中可见，伺服系统由测量链路、比较链路、放大驱动链路、执行链路(伺服电机)和调节对象(工具与工件之间的放电间隙)构成。直接测量放电间隙大小和实时变化是较为困难的。由于电气参数（如电压、电流）和放电间隙成一定比例，所以可用来间接反映间隙的大小。当间隙为零且短路时，间隙电压为0；当间隙较大且开路时，间隙电压最大或接近脉冲电源的峰值电压。电火花放电电压的状态包括三种：即开路(有电压无电流)、正常放电、短路(有电流无电压)。

采用逻辑门电路，可区分空载、短路、火花三种放电状态。电压比较器在检测火花放电高频分量时，可根据阈值电压区分火花、不稳定电弧和稳定电弧。比较段将测量段的信号与“给定值”的信号进行比较，然后根据这种差异控制加工进程。执行连杆(执行机构)可根据控制信号的大小及时调整工具电极的进给速度，以保持适当的放电间隙，令电火花加工正常进行。调节对象是工具电极与工件之间的放电间隙，此间隙应控制在0.1～0.01 mm之间[8]。

综上所述，伺服进给系统的具体工作过程如下：

首先计算机按照间隙检测电路返回的值确定放电状态，假若电路是开路的，则发送相应的数字控制信号。压电陶瓷的正向进给由数字转换器和压电陶瓷驱动电路共同完成。在压电陶瓷位移输出结束后，计算机继续通过A/D电路在线监测间隙状态，如果压电陶瓷仍开路，自动进给将继续进行，直到间隙状态恢复正常。步进电机接收到来自伺服控制装置发送的命令，驱动步进电机运动，实现连续可调输出。在此基础上，利用压电陶瓷的快速响应特性来改善间隙状态。之后，控制系统继续监测加工间隙并重新启动一个新的循环。当电火花加工正常工作时，电极保持静止。此时，控制系统通过间隙检测装置监测间隙的状态。当间隙状态发生变化时，控制系统发出相应指令，驱动电极进行相应动作。加工间隙检测频率即间隙状态调整频率，受机械机构响应频率的限制，需要适应加工过程中脉冲电源的频率。

在电火花加工过程中,尤其是micro-EDM,因为加工差距很小,加工间隙中的工作流体流动困难,电解液的流量是不光滑的,这就容易导致加工间隙状态的恶化，频繁发生短路等异常放电,影响电火花加工的质量。为进一步增加体积和处理速度，改善电火花加工间隙状态，提高蚀刻材料放电能力，采用电极振动馈电方式，即当电极进行微馈电时，先后退两步，区别为一次微馈电。由于电极的往复运动和压电陶瓷的高频响应会产生强迫振动，在轴向方向上的电极可产生强制放电形成工作介质缺口,这有利于EDM放电的腐蚀剂效果，能减少异常放电的几率,提高加工质量和加工速度。

4 实验测试

4.1 控制算法

电火花加工的自动进给调节系统对于加工效率和加工质量均有显著影响。系统运行的稳定与否对于装备投入使用的价值起到至关重要的影响。在实验中，选取不同功率，分别为50W、70W、90W三种条件，对不同厚度的铜板、钢板、铁板、铝板进行打孔加工并计时，得到不同条件下穿孔所需时间t。数据结果详如表1所示。

表1 不同条件下穿孔所需时间 单位：min

通过对以上三组实验数据进行分析，可得出如下结论：

在相同功率下，对同一厚度的不同材质进行打孔加工，材料密度越大，穿孔所需时间就越长。所以对难加工的材料的加工需要的时间较长，符合实验预期。

在相同功率下，对同一材质的不同厚度进行打孔加工，材料厚度越厚，穿孔所需的时间就越长。材料越厚，穿透就变得困难，加工排屑杂质也难以清除，符合预期。

在材质和厚度相同的情况下，脉冲电源功率越大，穿孔所需时间就越短。功率越大，相同时间提供的能量越大，加工效率也就越快，符合预期。

用示波器进行观察，实际加工的波形图如图3所示。

图3 实际加工波形

由图中二例可见，实际加工波形为典型的电火花加工波形，加工过程稳定。在高频脉冲的作用下，间隙不加工有利于排屑产物的去除，实验效果明显。

6 结束语

通过分析电火花加工的研究背景和动力，论述了电火花加工技术的研究现状，探讨了电火花加工的特点以及主要应用，以此为基础，对电火花加工控制系统进行了系统的研究。该系统采用“PC+运动控制卡”的上下位机两级控制结构，能很好地控制运动系统。加工的执行机构则采用步进电机加压电陶瓷的宏微组合式驱动机构，实现了大行程和小步距的有机组合，能明显提高加工性能。实验结果表明，电火花自动进给机构设计合理，伺服运动控制系统运行稳定。通过不同材料不同加工时间的对比实验，均获得了良好的加工效果。