第8章 特种数控加工机床

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李雪梅主编《数控机床》第八章教学PPT

第8章特种数控加工机床8.18.28.38.4数控电火花机床数控线切割机床数控压力机与数控折弯机数控热切割机床

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8.1数控电火花机床电火花加工(ElectricalDischargeMachining)是一种利用电极之间脉冲放电时所产生的电腐蚀现象进行加工的方法。该项技术在二十世纪四十年代开始研究并逐步应用于生产，它是在加工过程中，使工具与工件之间不断产生脉冲性的火花放电，靠放电时局部、瞬间产生的高温蚀除工件多余材料，这种利用火花放电时产生的腐蚀现象对金属材料进行加工的方法称之为电火花加工。随着电火花加工技术的发展，在成形加工方面逐步形成两种主要加工方式：电火花成形加工和电火花线切割加工。

8.1.1电火花加工概述8.1.2数控电火花机床

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8.1.1电火花加工概述1.电火花加工原理电火花加工方法可用软的工具加工任何硬度的金属材料。工程上常用易加工、导电性好、熔点较高的石墨、铜、铜钨合金和铝等耐电蚀材料作工具电极。图8-1所示是最简单的电火花加工装置原理图。工具电极和工件分别接脉冲电源的负、正两极，浸人工作液中，计算机数控系统控制工具电极向工件进给，当间隙达到一定值时，两极上施加的脉冲电压将间隙中的工作液击穿，产生火花放电，在放电的微细通道中，瞬时集中大量的热能，温度可达10000℃以图8-1数控电火花加工机床原理简图上，压力也

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急剧变化，从而使工件表面局部金属立刻熔化、气化，并爆炸式地飞溅到工作液中，迅速冷凝成金属微粒，被工作液带走。这时在工件表面则留下一个微细的凹坑痕迹，放电短暂停顿，两电极间工作液恢复绝缘状态。紧接着，下一个脉冲电压又在两电极相对接近的另一点处击穿，产生火花放电，重复上述过程。电极不断下降，金属表面也不断被蚀除，这样电极的轮廓形状便可复印在工件上而达到加工的目的。只要改变工具电极的形状和工具电极与工件之间的相对运动方式就能加工出各种繁杂的型面。

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2.电火花加工的主要特点(1)脉冲放电产生的高温通道足以熔化和气化任何材料，因此所用的工具电极无须比工件材料硬。所以它适合于加工用传统机械加工方法难于加工的特别材料加工，包括各种淬火钢、硬质合金、耐热合金等任何硬功夫、脆、韧、高熔点的导电材料。(2)加工时工具电极与工件不接触，两者之间不存在因切削力而产生的一系列设备和工艺问题。因此不受工件几何形状的影响，有利于加工寻常机械切削方法难于或无法加工的繁杂形状工件和具有特别工艺要求的工件，如薄壁、窄槽、各种型孔、立体

曲面等。(3)脉冲能数可任意调理，在同一台机床上能连续进行粗、中、精加工。(4)直接利用电能加工，便于实现自动控制和加工自动化。其不足之处是加工效率较低、工具电极也有损耗、影响尺寸加工的精度等

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3.电火花加工在模具制造中的应用自从电火花加工发明以来，它在金属加工领域已成为不可缺少的加工工艺之一。而首先获得大量使用的就是模具制造行业，最初是冲裁模的加工，后来在成形模具的加工方面也得到广泛的使用。例如锻模，它的70%的工作量可由电火花加工来完成。电火花加工在模具制造中的应用，主要有以下几个方面：(1)加工各种模具零件的型孔：如冲裁模、复合模、连续模等各种冲模的凹模；凹凸模、固定板、卸料板等零件的型孔；拉丝模、拉深模等具有繁杂型孔的零件等。(2)加工繁杂形状的型腔：如锻模、塑料模、压铸模、橡皮模等各种模具的型腔加工。(3)加工小孔：对各种圆形、异形孔的加工(可达0.015一直径),如线切割的穿丝孔、喷丝板型孔等。(4)电火花磨削：如对淬硬钢件、硬质合金工件进行平面磨削、内外圆磨削、座标孔磨削以及成形磨削等。(5)加强金属表面：如对凸模和凹模进行电火花加强处理后，可提高耐用度。(6)其他加工：如刻文字、花纹、电火花攻螺纹等。

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8.1.2数控电火花机床图8-2所示为SC400型数控电火花成型机外观。SC400型缜密数控电火花成型机是在消化和吸收国外先进技术和经验基础上，根据我国实际状况而设计的，具有造型美观、结构别致、操作便利等优点。采用了工业计算机控制系统、键盘输入，彩色CRT显示等，大大提高了编程自动化程序。SC400型缜密数控电火花成型机主要由主机、工作油箱、数控电源柜等部分组成。主机包括床身、滑座、工作台、底座、滑枕、主轴箱、工作液槽、机床端子箱等部分组成。机床采用滑枕式结构、滑枕式结构与十字滑台结构相比较，具有较好的刚性和较大的承载能力，并且加工精度高，稳定性能好，大工作液箱，加工效率高。机床的X、Y、Z三个坐标采用直流伺服电机直接驱动滚珠丝杠的形式。三个坐标导轨采用图8-2SC400数控电火花成形机床组成简图滚动导轨，具有灵敏度高、伺服性能好、加工稳定、定位精度高等优点。

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1.主机机械传动系统及装置图8-3所示为机床传动系统图。

件号1234567

名称电机联轴器轴承滚球丝杠副轴承滚球丝杠副轴承

规格型号

数量11

件号891011121314

名称联轴器电机轴承滚球丝杠副轴承电机联轴器

规格型号

数量11

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

1对1111

对

104Z=4D=32C246304

111对11

图8-3机床传动系统

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(1)主轴箱及传动机构图8-4所示为主轴箱传动结构。主轴箱包括主轴伺服系统和图8-4所示为主轴箱传动结构。主轴箱包括主轴伺服系统和主轴箱平衡机构。主轴头是数控电火花成形机床的关键部件，它上面安装电极(即工具)。DC(或AC)伺服电动机l直接通过联轴器2安装在滚珠丝杠3上，滚珠丝杠螺母4装在滑板上。主轴头5固定在滑板上，滑板移动采用缜密直线滚动导轨副。使主轴头在立柱上作升降移动，调整工具电极和工件之间的间隙，使两者之间有一定的放电间隙。如间隙过大时，不会放电，必需驱动工具电极进给靠拢；在放电过程中，工具电极与工件不断被蚀除，间隙逐渐增大，则必需驱动工具电极补偿进给，以维持所需的放电间隙；当工具电极与工件间短路时，必需使工具电极反向离开，随即再重新进给，调理到所需的放图8-4主轴箱传动结构电间隙(0.01~0.2mm)。1-电机2-联轴器3-滚珠丝杠4-丝杠螺母5-主轴头6-重锤7-刹车器

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主轴箱装有平衡机构6和刹车装置7。强电接通时，刹车器放松，电机可带滚珠丝杠旋转，使滑板带动主轴箱上下移动。当强电关闭时，刹车器锁住丝杠，防止主轴箱因自重掉下来。(2)工作台和滑枕结构如图8-3所示，工作台和滑枕均采用伺服电机直接与滚珠丝杠副相连，移动采用缜密直线滚动导轨副，从而使固定在工作台上的工件调整好与主轴头的相对位置。(3)工作液槽结构工作液槽安装在工作台上，工作液槽采用单开门的结构形式，门外密封采用O形密封结构。如图8-5所示，工作时油泵启动，旋转手柄1至通油位置，工作液槽进油。上下移动手柄2,调理工作液槽放油量的大小。上下移动手柄3,调理油面的高度。旋转手柄4,使油嘴6为吸油状态。旋转手柄5,使油嘴为图8-5工作液槽冲油状态，冲油、吸油的压力大小可以通过旋转手柄1获得。1-进油开关及冲吸油压力调理阀2-放油手柄3-调理液面高度手柄4-吸油开关5-冲油开关6-吸油嘴7-冲油嘴8-真空表9-压力表

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为了保证加工过程安全进行，加工时工作液面必需比工件上表面高出一定高度(一般状况高出50mm),因而在工作液槽上装有液面高度控制器，液面控制器和温度控制器装在手柄3下面的连接板上，当液面升到一定位置时，液面控制器接通，此时才能进行放电工作状态。当加工中液面降低时，液面控制器断开，电柜报警，中止加工。当加工中工作液油温超过60℃时，温度控制器断开、电柜报警、中止加工。2.脉冲电源脉冲电源是电火花加工机床的重要部分之一，其

作用是为放电过程提供能量，它对工艺指标的影响极大，应具备高效低损耗、大面积小粗糙度表面稳定加工的能力。数控化的脉冲电源与数控系统密切相关，但有其相对的自主性。SC400型缜密数控电火花成型机主要与P100D型数控脉冲电源柜配套使用。P100D型数控脉冲电源柜由控制电源柜、控制台及RCT显示器组成。它具有放电参数自动选取及控制，可选择5种基本图形及不同劳伦幅值进行加工。具有自动定位等功能。

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3.数控系统电火花加工机床的数控装置，既可以是专用的，也可在通用的数控装置上增加电火花加工所需的专用功能，由于控制要求很高，要对位置、轨迹、脉冲参数和辅助动作进行编程或实时控制，一般都采用计算机数控(CNC)方式，其不可缺少的主要功能如下：多轴(X、y、Z和C)控制，可在空间任意方向上进行加工，便于在一次安装中完成除安装面外的五个面上的所有型腔，保证了各型腔之间的相对位置精度。多轴联动摇动(平动)加工，此功能扩大了电极对工件在空间的运动方式，有可能在多种运动轨迹、回退方式方面针对工艺要求作合理的选择；自动定位，除常见的电极碰端面定位，对孔或圆柱自动找中心外，还可利用球测头和基准球(安置在机床工作台上的一个带底座的高精度球体)来保证多型腔、多工件、多电极加工时的定位精度。4.工作液循环系统电火花成形机床的工作液主要为煤油、变压器油和专用油，后者是为放电加工专门研制的链烷烃系，以碳化氢为主要成分的矿物油为主体，其粘度低、闪点高、冷却性好、化学稳定性好，但分馏工艺要求高、价格较贵。工作液在放电过程中起的作用是：压缩放电通道，使能量高度集中；加速放电间隙的冷却和消除电离，并加剧放电的液体动力过程。

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5.数控平动头平动头是成形电火花加工机床最重要的主轴头附件，也是实现单电极型腔电火花加工所必备的工艺装备。平动头的作用是给电极一个平面圆周平衡运动，电极上的每一个点都围着其原始位置作平面圆周平移运动，平动头运动轨迹如图8-6所示。

图8-6平动头扩大间隙原理图

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数控平动头的结构示意图如图8-7所示，由数控装置和平动头两部分组成。当数控装置的工作脉冲送到X、Y两方向的步进电机时，丝杠和螺母就相对移动，也就是使中间溜板和下溜板按给定轨迹作平动。平动时，相对运动由上、下两组圆柱滚珠导轨支承，可保证较高精度和刚度。数控平动头是针对目前多数机械平动头存在的精度和刚度差，加工后模腔产生的“波纹〞较大，只有单一的平面圆周运动，精修时操作不便等缺

点研制成的。它可按需要走不同平面轨迹，大大减少了电加工后模腔表面的“波纹〞,且各方向修光均匀，型面的表面粗糙度均匀一致，避免了机械平动头精

修时易出现的单边修光现象数控平动头的精度可

图8-7数控平动头结构示意图1-上溜板2-步进电机3-圆柱滚珠导轨4-中间溜板3-下溜板6-刻度端盖7-丝杠、螺母

达0.01mm,并且实现了微量自动进给和程序控制及自动化加工。

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8.2数控线切割机床8.2.18.2.28.2.38.2.48.2.58.2.6数控线切割机床工作原理数控电火花线切割加工的特点数控电火花线切割机床的分类数控电火花线切割机床的主要机械结构工作液系统脉冲电源

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8.2.1数控线切割机床工作原理数控线切割加工和电火花成形加工的基本原理是一样的，不同的是在线切割加工中是用连续移动的细金属导线(铜丝或钼丝)作为工具电极来代替电火花加工中的成形电极，利用线电极与工件之间产生的脉冲火花放电来腐蚀工件，工作台带着工件作X、Y平面的两坐标移动，从而切割出各种平面图线的。工件的形状是由数控系统控制工作台(工件)相对于电极丝的运动轨迹决定的，因此不需要制造专用的电极，就可以加工形状繁杂的模具零件。

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图8-8所示为电火花线切割工艺及装置原理图。工件接脉冲电源的正极，电极丝4(钼丝或铜丝)接负极，由脉冲电源3供给加工能量后，在工件与电极丝之间产生很强的脉冲电场，使其间的介质被电离击穿，产生脉冲放电。电极丝在储丝筒7的作用下作正反向交替(或单向)移动，在电极丝和工件之间浇注工作液介质，在机床数控系统的控制下，工作台在水平面两个坐标方向各自按预定的控制程序实现切割进给，从而切割出需要的工件形状。

图8-8电火花线切割原理(a)工件及其运动方向(b)电火花线切割加工装置原理图1-绝缘底板2-工件3-脉冲电源4-电极丝(钼丝或铜丝)5-导向轮6-支架7-储丝筒

电火花线切割加工主要用于冲模、挤压模、塑料模，电火花型腔模用的电极加工等。由于电火花线切割加工机床的加工速度和精度的迅速提高，目前已达到可与坐标磨床相竞争的程度。

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8.2.2数控电火花线切割加工的特点1.直接利用线状的电极丝作工具电极，不需要像电火花成形加工一样的成形工具电极，可俭约电极的设计、制造费用，并缩短了生产准备时间，加工周期短。2.可以加工用传统切削加工方法难以加工或无法加工的微细异形孔、窄缝和形状繁杂的零件，其加工周期短、应用