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2021先進(jìn)會(huì)員（創(chuàng)新十佳）：蘇州電加工所-- SE-WK007數(shù)控電火花精密微孔加工機(jī)床

2023-2-9 來(lái)源：機(jī)床協(xié)會(huì) 作者：-

2022年10月10日，中國(guó)機(jī)床工具工業(yè)協(xié)會(huì)公布了“關(guān)于2021年度中國(guó)機(jī)床工具工業(yè)協(xié)會(huì)先進(jìn)會(huì)員（十佳）的表彰決定”，共計(jì)20家會(huì)員企業(yè)榜上有名（含10家“自主創(chuàng)新十佳”，10家“產(chǎn)品質(zhì)量十佳”）。為了更好地宣傳這些先進(jìn)會(huì)員企業(yè)，協(xié)會(huì)傳媒部針對(duì)十佳企業(yè)及其產(chǎn)品組織了系列專題宣傳報(bào)道，以協(xié)會(huì)行業(yè)發(fā)展部提供的資料為素材，經(jīng)與相關(guān)企業(yè)確認(rèn)后在協(xié)會(huì)主辦的全媒體平臺(tái)公開發(fā)布，與業(yè)界同仁相互交流，共同進(jìn)步。

—— 中國(guó)機(jī)床工具工業(yè)協(xié)會(huì)傳媒部

SE-WK007數(shù)控電火花精密微孔加工機(jī)床

蘇州電加工機(jī)床研究所圍繞高精度異形化纖拼花噴絲孔高精度、微尺度、大深徑比單孔及高精度多孔拼花的需求，深化精密微細(xì)電加工功能部件及關(guān)鍵共性技術(shù)研究，成功研發(fā)數(shù)控微孔電火花精密加工機(jī)床（見圖1）。該設(shè)備利用電火花放電蝕除原理，采用精密細(xì)長(zhǎng)電極或圓電極加工各種形狀的精密微孔，主要用于新型化纖噴絲板等精密微孔的加工。加工精度與國(guó)外同類產(chǎn)品相當(dāng)，達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。

其主要技術(shù)特點(diǎn)體現(xiàn)為：

（1）可加工 0.3mm 以下的微孔，精度高，表面質(zhì)量好。

（2）采用簡(jiǎn)單電極通過(guò)數(shù)控組合，可加工各種復(fù)雜孔形。

（3）能加工不銹鋼、黃銅、淬火鋼等各種導(dǎo)電材料。

（4）采用工控機(jī)控制，更換電極自動(dòng)報(bào)警，自動(dòng)轉(zhuǎn)換加工規(guī)準(zhǔn)，自動(dòng)完成群孔工件的加工過(guò)程；群孔孔位自動(dòng)編程。

（5）顯示加工參數(shù)，坐標(biāo)位置等信息。

圖1 產(chǎn)品圖片

一、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

該機(jī)床共設(shè)置有5個(gè)數(shù)控軸：X、Y、W（主軸頭）、Z（電極伺服進(jìn)給）、C（電極旋轉(zhuǎn)分度）。針對(duì)高檔噴絲板異形拼花高精度加工的特點(diǎn)，主機(jī)布局采用單立柱C型結(jié)構(gòu)布局的對(duì)稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。電極及導(dǎo)向器自動(dòng)交換系統(tǒng)，電極運(yùn)動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)單元，電導(dǎo)率、溫度、壓力調(diào)控水質(zhì)工作液系統(tǒng)，納秒級(jí)數(shù)字化微精脈沖電源，微細(xì)電加工間隙狀態(tài)快速精準(zhǔn)檢測(cè)單元，專用微細(xì)電火花加工數(shù)控系統(tǒng)等單元組成。機(jī)床的整體布局及部件結(jié)構(gòu)科學(xué)合理，具有足夠的剛性和精度保持性，數(shù)控軸的運(yùn)動(dòng)慣量分配合理、匹配，滿足電火花數(shù)控伺服加工的要求。設(shè)備饋電、工作液供給、密封防護(hù)等設(shè)計(jì)合理，運(yùn)行可靠，使用安全；具有很好的人機(jī)功能、簡(jiǎn)捷緊湊均衡，有良好的視覺效果。

二、技術(shù)創(chuàng)新

圍繞高精度異形化纖拼花噴絲孔高精度、微尺度、大深徑比單孔及高精度多孔拼花的要求，蘇州電加工機(jī)床研究所研發(fā)團(tuán)隊(duì)對(duì)電火花精密微孔加工的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了全面深入的試驗(yàn)研究，主要開展了以下幾方面的創(chuàng)新工作。

1.微細(xì)孔電火花加工過(guò)程智能控制技術(shù)

在電火花微孔加工過(guò)程中，隨著加工深度的增加，加工間隙中的電蝕產(chǎn)物的排出越顯困難，越易造成燒弧、伺服不穩(wěn)，加工效率降低，甚至造成廢孔；還有在電極剛剛穿出工件至完全穿透的區(qū)域，由于工作液從下端破口泄漏，加工區(qū)電蝕產(chǎn)物的排出更加困難，形成出口區(qū)域正常電火花伺服加工進(jìn)展緩慢，既影響整體微孔加工效率，又影響了微孔下端邊口區(qū)域的表面質(zhì)量。為此，研發(fā)團(tuán)隊(duì)研創(chuàng)了一種“電火花微孔加工過(guò)程的智能適應(yīng)控制策略”，在微孔加工過(guò)程中，數(shù)控系統(tǒng)依據(jù)放電狀態(tài)檢測(cè)信息、加工孔的深度信息以及伺服穩(wěn)定性實(shí)時(shí)狀態(tài)，智能適應(yīng)控制脈沖參數(shù)、伺服參數(shù)以及高頻振動(dòng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了微孔加工全過(guò)程的高效、穩(wěn)定加工。

（1）放電狀態(tài)精準(zhǔn)高速檢測(cè)技術(shù)。微細(xì)電火花加工中，放電能量很小，如何快速精準(zhǔn)地檢測(cè)放電狀態(tài)，是實(shí)現(xiàn)微細(xì)孔電火花加工過(guò)程智能控制的關(guān)鍵。本機(jī)床采用高速器件檢測(cè)加工間隙的放電狀態(tài)，放電狀態(tài)檢測(cè)電路以可編程邏輯器件CPLD為核心處理單元，通過(guò)數(shù)據(jù)處理，判別微細(xì)電火花加工的正常、過(guò)渡、短路等相關(guān)狀態(tài)，檢測(cè)單元內(nèi)部設(shè)計(jì)了溫漂補(bǔ)償處理模塊，可保證放電狀態(tài)檢測(cè)信號(hào)精度不受壞境溫度變化的影響。

（2）數(shù)字化微精加工脈沖電源及智能適應(yīng)控制。超精脈沖電源是實(shí)現(xiàn)微細(xì)電火花脈沖放電的關(guān)鍵部件，要實(shí)現(xiàn)超光微細(xì)加工，必須能提供超窄的納秒級(jí)的放電脈沖。研發(fā)團(tuán)隊(duì)研發(fā)了數(shù)字化納秒級(jí)脈沖電源。主振級(jí)采用CPLD可編程邏輯芯片組成可編程脈沖發(fā)生器。脈寬、脈間及電流參數(shù)等給定信號(hào)通過(guò)光耦隔離接至CPLD可編程邏輯芯片，由CPLD作智能譯碼，控制各參數(shù)間的合理制約和匹配，杜絕了以往傳統(tǒng)電源因各參數(shù)獨(dú)立調(diào)節(jié)，互相之間無(wú)制約，因參數(shù)設(shè)置不合理而易短路的弊病。通過(guò)篩選超低電阻和超低電感的同軸輸出饋線，解決了機(jī)床上雜散的分布電容和分布電感對(duì)加工的影響，通過(guò)成對(duì)配線方式最大限度地降低輸出饋線阻抗，達(dá)到超窄脈沖能量的低阻抗、低畸變、高速傳輸。該脈沖電源實(shí)現(xiàn)了納秒級(jí)的功率脈沖放大及傳輸，為精密微小孔加工提供了良好的基本條件。

（3）微細(xì)電極的微量進(jìn)給伺服控制。電火花精密微小孔加工中，采用細(xì)長(zhǎng)的微細(xì)電極，為了獲得對(duì)其優(yōu)良的微量進(jìn)給及伺服控制性能，研發(fā)團(tuán)隊(duì)研發(fā)了細(xì)長(zhǎng)電極絲滾輪連續(xù)伺服微當(dāng)量進(jìn)給機(jī)構(gòu)，如圖2所示。滾輪伺服運(yùn)動(dòng)軸（Z軸）(電極絲伺服進(jìn)給機(jī)構(gòu))，電機(jī)經(jīng)同步齒輪，帶動(dòng)一對(duì)滾輪同步轉(zhuǎn)動(dòng)，滾輪自動(dòng)送絲完成電極的伺服進(jìn)給，這種電極絲的伺服送進(jìn)結(jié)構(gòu)不但能順利可靠送進(jìn)微細(xì)圓的或扁的電極絲，而且送絲精度高，伺服特性好，能適應(yīng)細(xì)長(zhǎng)電極絲的不間斷送進(jìn)，不用頻繁換電極，滿足大批量微小孔加工的要求。

圖2 電極伺服微當(dāng)量進(jìn)給機(jī)構(gòu)（Z軸俯視圖）

（4）微細(xì)電火花小孔加工中電極高頻振動(dòng)及智能控制。該機(jī)床創(chuàng)新實(shí)施微細(xì)電極的高頻振動(dòng)及振動(dòng)參數(shù)智能控制，有效改善了微細(xì)孔加工的排屑及進(jìn)出口加工狀況，取得了明顯效果。高頻振動(dòng)器與電極絲的滾輪送進(jìn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為一體，如圖3所示。在加工中，對(duì)進(jìn)口、孔內(nèi)、出口加工區(qū)分段，依據(jù)加工深度值，對(duì)電極高頻振動(dòng)的頻率進(jìn)行智能適應(yīng)控制。與脈沖電源、伺服智能適應(yīng)控制相結(jié)合，明顯提升了微孔加工的進(jìn)出口精度和出口的穿透性。

圖3 高頻振動(dòng)器與電極絲的滾輪送進(jìn)機(jī)構(gòu)

2.智能數(shù)字化補(bǔ)償高精度拼花技術(shù)

（1）滿足高精度異形化纖拼花噴孔電火花加工要求的專用五軸數(shù)控精密主機(jī)研制。根據(jù)加工需求，該機(jī)床共設(shè)置有5個(gè)數(shù)控軸：X、Y、W（主軸頭）、Z（電極伺服進(jìn)給）、C（電極旋轉(zhuǎn)分度）。針對(duì)高檔噴絲板異形拼花高精度加工的特點(diǎn)，主機(jī)布局采用單立柱C型結(jié)構(gòu)布局的對(duì)稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（如圖4所示）。X軸、Y軸全閉環(huán)控制，同時(shí)作激光測(cè)量誤差補(bǔ)償，滿足了拼花加工時(shí)在XY平面極高的定位精度要求。W置于立柱上，可帶動(dòng)安裝其上的C軸在垂直方向上下運(yùn)動(dòng)，C軸置于W軸前部，可帶動(dòng)裝在其下端的多功能精密微孔加工頭（含Z軸）及電極導(dǎo)向器作任意角度的回轉(zhuǎn)定位,Z軸驅(qū)動(dòng)電極絲通過(guò)安裝在C軸下端的精密電極導(dǎo)向器導(dǎo)向，實(shí)現(xiàn)電極的伺服進(jìn)給。

圖4 高精度專用機(jī)床主機(jī)布局

（2）高精度電極旋轉(zhuǎn)分度C軸。異形拼花微孔的每個(gè)窄縫的寬度只有0.04mm左右，電火花拼花加工后，其拼花精度必需小于0.006mm（見圖5），否則在100倍顯微鏡下觀察到的拼花形狀將是一個(gè)散花。C軸回轉(zhuǎn)精度決定了電火花拼花加工的拼花形狀精度，如圖6所示，C軸設(shè)計(jì)采用了大直徑0級(jí)高精度軸承支撐，采用交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，高精度圓弧齒同步帶減速以及海德漢高精度圓光柵反饋全閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)C軸的高定位精度和重復(fù)定位精度。

圖5 圓周形異形化纖精密拼花孔

圖6 C軸結(jié)構(gòu)圖

（3）依據(jù)C軸回轉(zhuǎn)中心，通過(guò)高精度X、Y、C軸對(duì)電極拼花位置進(jìn)行智能數(shù)字化補(bǔ)償，拼花精度達(dá)到±0.006mm。研發(fā)團(tuán)隊(duì)依據(jù)電極原點(diǎn)與C軸回轉(zhuǎn)中心的偏差數(shù)據(jù)，通過(guò)控制高精度X、Y、C軸對(duì)電極拼花位置進(jìn)行智能補(bǔ)償?shù)臄?shù)控算法，解決了電極原點(diǎn)與C軸回轉(zhuǎn)中心偏差補(bǔ)償問(wèn)題。加工時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)自動(dòng)依據(jù)電極原點(diǎn)與C軸回轉(zhuǎn)中心的偏差數(shù)據(jù)結(jié)合孔形編程數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算，控制高精度X、Y、C軸對(duì)電極拼花位置進(jìn)行智能數(shù)字化補(bǔ)償，加工出理想花形（見圖7），拼花精度達(dá)到±0.006mm。

圖7 各種拼花圖形

3.四矩形精密寶石錯(cuò)位組合微細(xì)電極精密導(dǎo)向器

電火花微孔加工中為了解決阻尼及耐磨問(wèn)題，微細(xì)電極導(dǎo)向器導(dǎo)向部分的材料一般選用人造寶石、陶瓷等低磨損系數(shù)、高硬度材料。由于該機(jī)床是要對(duì)微細(xì)的扁電極進(jìn)行精密導(dǎo)向，用寶石或陶瓷制作微小扁孔的整體導(dǎo)向器可行性不大，研發(fā)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新研發(fā)了一種四矩形精密寶石錯(cuò)位組合微細(xì)電極精密導(dǎo)向器，如圖8所示。該組合式導(dǎo)向器巧妙利用四矩形精密寶石相互錯(cuò)位，在中間形成一精密導(dǎo)向孔(槽），該組合式導(dǎo)向器具有制作方便；可以組合形成很細(xì)微的精密導(dǎo)向孔；精度高導(dǎo)向器在組裝時(shí)，可以通過(guò)微調(diào)四塊寶石的配合間隙，使導(dǎo)向間隙控制在合適的范圍；既可實(shí)現(xiàn)對(duì)微細(xì)扁電極的導(dǎo)向，又可實(shí)現(xiàn)對(duì)圓電極導(dǎo)向；阻尼小、壽命高等優(yōu)點(diǎn)。

圖8 四矩形寶石錯(cuò)位組合微細(xì)電極精密導(dǎo)向器

三、市場(chǎng)應(yīng)用前景

本機(jī)床的技術(shù)含量較高，主要成果是實(shí)現(xiàn)采用簡(jiǎn)單電極加工高精度拼花異形噴絲微孔，解決了高精度異形化纖拼花噴絲孔電火花加工的關(guān)鍵技術(shù)，明顯提升了電火花加工異形噴絲孔的水平。通過(guò)該機(jī)床成果的應(yīng)用，對(duì)我國(guó)化纖行業(yè)的精密噴絲板相關(guān)制造企業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級(jí)和轉(zhuǎn)型換代具有重要支撐和推動(dòng)作用。

在該機(jī)床技術(shù)創(chuàng)新研究的基礎(chǔ)上，蘇州電加工機(jī)床研究所獲批參與2017年國(guó)家科技重大專項(xiàng)——“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)裝備制造”——《精密微細(xì)數(shù)控電加工技術(shù)設(shè)備及開發(fā)》（編號(hào)：2017ZX04021001-006）研發(fā)工作，項(xiàng)目進(jìn)一步深化精密微細(xì)電加工功能部件及關(guān)鍵共性技術(shù)研究，建成多功能精密微細(xì)電火花加工持續(xù)研究和集成驗(yàn)證平臺(tái)，可為電加工行業(yè)企業(yè)技術(shù)開發(fā)及用戶需求提供試驗(yàn)驗(yàn)證服務(wù)，項(xiàng)目研究成果進(jìn)一步推廣應(yīng)用，可滿足汽車制造、航天航空、軍工、生物醫(yī)療、3D打印等相關(guān)制造業(yè)對(duì)精密微細(xì)電火花加工要求，如發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴的噴油孔等，具有廣闊的市場(chǎng)及產(chǎn)業(yè)化前景。

（來(lái)源：協(xié)會(huì)行業(yè)發(fā)展部責(zé)編：李華翔）

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