以往認(rèn)為電火花加工與精密和微細(xì)加工關(guān)系不大。然而，由于沙迪克公司NC化的實(shí)施，時(shí)至今日，電火花加工機(jī)床作為工作母機(jī)已確立起了不可缺少的地位。
現(xiàn)在沙迪克公司的超精密、微細(xì)加工，正在把直線技術(shù)當(dāng)作創(chuàng)新方法，成為納米領(lǐng)域條件下的技術(shù)革新的主題。
沙迪克公司由NC電火花加工開(kāi)始在向直線電機(jī)和納米進(jìn)化與變革中繼續(xù)偏重于研制超精密、微細(xì)領(lǐng)域里的最尖端技術(shù)的納米機(jī)床“Ultra NaNo—100(超微細(xì)納米100)”與“SPACE(太空)系列”。
支撐納米技術(shù)的4種主要技術(shù)
沙迪克公司于2001年12月，著手研制納米機(jī)床。作為其契機(jī)的直線技術(shù)革新，是1998年秋對(duì)世界首臺(tái)直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電火花成形加工機(jī)(AM35L)進(jìn)行產(chǎn)品化開(kāi)始的。在此之前，要實(shí)現(xiàn)1μm以下的加工精度是非常困難的。打破現(xiàn)狀的決策是，根據(jù)判斷，在以往的驅(qū)動(dòng)方式中，用“滾珠絲杠與旋轉(zhuǎn)電機(jī)的進(jìn)給機(jī)構(gòu)”難于突破1μm以下的界限，所以決定，以后把所有的機(jī)床都更換成直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)。
支撐納米技術(shù)的4種主要技術(shù)是陶瓷、直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)、數(shù)控與NC裝置和驅(qū)動(dòng)控制器。為最大限發(fā)揮每一尖端技術(shù)的優(yōu)越性這些主要技術(shù)皆由沙迪克公司研制，需要完整無(wú)缺的掌握所有的特性。最終便在極短時(shí)間內(nèi)引導(dǎo)出能使性價(jià)比優(yōu)異的超精密、微細(xì)加工以及機(jī)床性能的具體化獲得了成功。
下面擬對(duì)與各項(xiàng)主要技術(shù)相關(guān)的超精密、微細(xì)加工的優(yōu)越性作一整理。
1.陶瓷
為查明放電能量的有效性，對(duì)擁有優(yōu)越絕緣性材料的機(jī)械零件化曾經(jīng)是一個(gè)重要的課題。這是一項(xiàng)與陶瓷相關(guān)技術(shù)研制發(fā)端。作為材料的陶瓷，價(jià)格低，到手較為容易，除了絕緣性能之外，陶瓷的特點(diǎn)可以舉出的是，擁有重量輕、剛度高、耐磨損性以及熱環(huán)境狀態(tài)下的穩(wěn)定性優(yōu)異。
達(dá)到如此優(yōu)越程度的材料沒(méi)有被積極當(dāng)作機(jī)械零件來(lái)使用的原因是，一般的常識(shí)認(rèn)為韌性較低的緣故。所謂“熱壓件”的陶瓷確實(shí)擁有裂紋的缺點(diǎn)，但通過(guò)充分觀察、分析、驗(yàn)證其加工過(guò)程有可能作為機(jī)械零件來(lái)使用不會(huì)有什么問(wèn)題。在沙迪克公司電火花機(jī)床的實(shí)際生產(chǎn)中除了外部因素之外，陶瓷發(fā)生裂紋的機(jī)率為零。
實(shí)際上，把該陶瓷作為機(jī)械零件材料，對(duì)發(fā)揮直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)越性卻變成了一種重要的技術(shù)基礎(chǔ)，也就是陶瓷本身的特點(diǎn)能最大限度的發(fā)揮出作為直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)優(yōu)越性的高速、高加速、高響應(yīng)的特性，同時(shí)，為了獲得高精度特性在實(shí)施有成效的熱對(duì)策方面帶來(lái)了有效的成果。
在納米機(jī)床的情況下，將該陶瓷用于高剛度氣浮導(dǎo)軌的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)極為優(yōu)異的直線精度。與此同時(shí)，使其跟直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)相結(jié)合對(duì)實(shí)現(xiàn)納米水平的控制特性方面起到了重要作用。
2.直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)
旋轉(zhuǎn)電機(jī)被分類成板極的直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)是一種直接驅(qū)動(dòng)，無(wú)需所謂傳遞動(dòng)力的進(jìn)給絲杠，所以沒(méi)有進(jìn)給絲杠引起的間隙、爬行、扭曲和滯后等影響，從而確立了極為平滑的運(yùn)動(dòng)特性，能使優(yōu)異的響應(yīng)性產(chǎn)生高精度的軸驅(qū)動(dòng)。
由于采用高精度、高分辨率的直線光柵作為位置檢測(cè)裝置，恰好是在控制著自身的驅(qū)動(dòng)。所以能成為在連續(xù)的時(shí)間軸上進(jìn)行高精度位置控制。對(duì)于電火花加工而言，高響應(yīng)需要的伺服特性是支配加工性能的一個(gè)重要的因素，直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的確是一種理想的執(zhí)行元件。
使用傳統(tǒng)的進(jìn)給絲杠，通過(guò)高精度的控制技術(shù)，并非不能實(shí)現(xiàn)一定程度的定位精度，但在納米這種非常微小的領(lǐng)域中為保證優(yōu)異的加工性能則需要在極高頻率條件下的控制特性。因此，在進(jìn)給絲杠摩擦狀態(tài)中，除了磨損產(chǎn)生的時(shí)效變化問(wèn)題之外，不能保持初期性能的這一缺點(diǎn)也是難以回避的。
如果從一般的不利印象來(lái)看，還存在若干有關(guān)生產(chǎn)率、熱效率和懷疑受磁力影響的聲音。 然而，沙迪克公司的直線電機(jī)是由自行研制的，所以對(duì)其基本性能進(jìn)行了完整無(wú)缺的驗(yàn)證，并將每種機(jī)床所配置的控制特性皆確立了最優(yōu)條件。所以，這類擔(dān)心的事項(xiàng)一概不成問(wèn)題，技術(shù)開(kāi)發(fā)已全部完成。
實(shí)際上，在確立停止、開(kāi)動(dòng)、停止這種不連續(xù)的簡(jiǎn)單動(dòng)作中的安全性等方面，把不損害性能的性價(jià)比達(dá)到極限的機(jī)械構(gòu)成品當(dāng)作具體的事項(xiàng)也是重要的課題。除性能之外，應(yīng)解決的眾多課題皆被克服掉了，沙迪克公司已集聚了獨(dú)家的技術(shù)竅門。
3.數(shù)控裝置與NC電源
經(jīng)過(guò)多年構(gòu)筑起來(lái)的控制技術(shù)與優(yōu)越的電火花加工經(jīng)驗(yàn)予以融合，沙迪克公司已開(kāi)發(fā)出了可靠性高的NC電源裝置。在一切放電狀態(tài)中都不會(huì)損害放電特性，為發(fā)揮直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)越性必須研制綜合性的數(shù)控裝置與NC電源�？紤]以人機(jī)學(xué)為基礎(chǔ)的軟件方面與生產(chǎn)性能的硬件方面，還要求兩方面的高度的技術(shù)能力。
4.驅(qū)動(dòng)控制器
驅(qū)動(dòng)控制單位越是微小化，控制系統(tǒng)的反應(yīng)就越是略微慢些，成為控制特性失配致命的缺點(diǎn)。對(duì)不依靠摩擦的直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)來(lái)說(shuō)，尤其在其控制方面的技術(shù)障礙較大，還存在不是所有的機(jī)床都能用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的一種實(shí)際情況。
作為沙迪克公司的綜合系統(tǒng)，成功地研制出了能發(fā)揮直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)性能的、獨(dú)家的驅(qū)動(dòng)控制器“SMC(沙迪克驅(qū)動(dòng)器)”。在確立納米技術(shù)條件下，以現(xiàn)代控制理論為基礎(chǔ)，運(yùn)用最尖端的控制方式使“在所指定的位置上瞬時(shí)移動(dòng)技術(shù)(高速化)”和“在所指定的位置上使其迅速停止的技術(shù)(高精度化)”兩者兼?zhèn)�，�?shí)現(xiàn)了l nm以下的控制范圍最新的超精密、微細(xì)加工實(shí)例
1.小型電火花成形加工機(jī)“APlL Premium”
APlL Premium作為精密加工相稱的基本結(jié)構(gòu)因采用了三面自動(dòng)上下式的加工槽，改善了小件加工時(shí)的復(fù)雜作業(yè)工序，同時(shí)還可利用高速多關(guān)節(jié)的機(jī)械手對(duì)自動(dòng)化、省力化進(jìn)行柔性對(duì)應(yīng)。在X、Y、Z軸上配置了沙迪克公司研制的小型高推力的直線電機(jī)能發(fā)揮出卓越的定位精度與無(wú)間隙的高響應(yīng)性。
利用新研制的高速、高品位精加工的SVC電源使得放電脈沖控制獲得大幅度改善，能向極間提供效率高、均勻的放電脈沖，使得電流前沿獲得空前提高，因此對(duì)不同加工面積精加工的最佳表面粗糙度達(dá)到極限程度，達(dá)到放電凹坑均勻且表面粗糙度一致的高品位加工減少了微細(xì)、微小形狀難于拋光的作業(yè)，對(duì)縮短工序、提高質(zhì)量、保持穩(wěn)定性作出了貢獻(xiàn)。
在電火花成形的精密加工中，需要考慮相關(guān)的各種各樣的誤差，當(dāng)加工即將接近到所指定位置時(shí)，就采取邊測(cè)量，邊返復(fù)加工來(lái)獲得尺寸精度的一種加工順序。然而，在進(jìn)行測(cè)量時(shí)，由于加工表面經(jīng)清掃后重新加工形成從無(wú)焦油的狀態(tài)下開(kāi)始加工，于是間隙變窄的部分沒(méi)有進(jìn)行電火花加工便使加工結(jié)束，一般而言，很難達(dá)到lμm以下的追加加工。
這次，APlL Premium機(jī)床由于有效的利用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)位置高精度檢測(cè)與放電開(kāi)始點(diǎn)檢測(cè)的最佳化使得微小級(jí)別的追加加工成為可能。
2.超精密線切割機(jī)“EXClOOL”
EXCl00L機(jī)床是把沙迪克公司制作的氣浮導(dǎo)軌(氣浮滑板)配置在該機(jī)床的X、Y軸的內(nèi)部，在驅(qū)動(dòng)傳遞部分上配置了沙迪克公司制作的無(wú)鐵心直線電機(jī)，就線切割機(jī)床而言，建立了世界首臺(tái)完全非接觸式的直動(dòng)導(dǎo)軌系統(tǒng)。
由于X、Y軸的所有構(gòu)件皆使用沙迪克公司制作的陶瓷，因此，在高響應(yīng)性方面而獲得了不可缺少的終極的輕量化，并將來(lái)自外部是熱影響引起的變化狀態(tài)抑制到最小程度，能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的直線精度并能維持長(zhǎng)期的精度。由于定位精度的提高，能使容易成為不穩(wěn)定的極細(xì)電極絲的放電狀態(tài)變得穩(wěn)定。由于避免了因集中放電而產(chǎn)生的斷絲，所以極細(xì)電極絲的加工圓度與節(jié)距精度可實(shí)現(xiàn)1μm以下的高精度加工或微細(xì)齒輪的高精密加工。
3.精密線切割機(jī)“AP200L”
用低滑動(dòng)、高強(qiáng)度的十字滾子導(dǎo)軌作直動(dòng)向?qū)�，使用沙迪克公司研制的直線電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)高精度的加工特征。通過(guò)陶瓷制作的懸臂產(chǎn)生線電極走絲軌跡，所以能使實(shí)際加工的累計(jì)誤差限制在1μm以內(nèi)。
有效地利用機(jī)械部分、NC裝置、備用油槽配制在一體化基座上的特點(diǎn)，并將直交式的操作部件、托架搬運(yùn)部件基本跟標(biāo)準(zhǔn)機(jī)一樣被配置在相同的空間，從而實(shí)現(xiàn)了能與小型的自動(dòng)化系統(tǒng)相適應(yīng)。
隨著直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的高響應(yīng)性能維持穩(wěn)定的放電特征，并通過(guò)張力伺服功能控制電極絲的張力，即使在厚板、復(fù)雜形狀的加工中也能抑制工件的變形，實(shí)現(xiàn)直線度優(yōu)異的高精度加工。
AP1L Premium與AP200L的高精度、高品位加工
不只是相對(duì)圖紙的尺寸，而是以零誤差為目標(biāo)來(lái)構(gòu)成文件，組合成“現(xiàn)品配做”，“無(wú)需拋光整修”的超精密、超微細(xì)的模具，加工模具質(zhì)量穩(wěn)定、無(wú)需再試的批量生產(chǎn)效率的提高顯示出了提高模具可靠性的這一優(yōu)越性。在該超精密模具中脫模銷的導(dǎo)向溝還起到功能性的作用�？蓜�(dòng)側(cè)被納入了100支為零件數(shù)的氣壓插銷。為達(dá)到無(wú)偏差用的質(zhì)量進(jìn)行量產(chǎn)、實(shí)施了獨(dú)創(chuàng)的間接和籌劃。在可動(dòng)側(cè)氣壓插銷的制作過(guò)程中，用AP200L機(jī)床在其集合塊上加工氣壓插銷的端部形狀，下一道工序用AP1L Premium機(jī)床在端部上一氣完成拐角R10μm左右的高精度形狀的加工。
此時(shí)，由于可利用AP200L的加工精度配制氣壓插銷的位置，所以點(diǎn)火花加工用的成形電極同樣可以借助于AP200L來(lái)制作，因?yàn)椴淮嬖跈C(jī)床位置錯(cuò)誤誤差問(wèn)題，能高精度、穩(wěn)定地一氣完成電火花加工。從而節(jié)省了氣壓插銷的每一工序和定位的麻煩，使得生產(chǎn)效率大幅度提高。如考慮零件精度累計(jì)誤差在內(nèi)，已證明零件已能達(dá)到微米以下的加工精度。
AP1Lpremium與AP200L之間的組合，的確可以說(shuō)是一種高精度、高品位的加工。
直線電機(jī)的納米電火花加工與今后的展望
SPACE系列是直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)超高的納米加工機(jī)群的總稱。其最小驅(qū)動(dòng)單位為1～5nm以下。加工形狀精度為5～100nm以下。尤其，Z軸結(jié)構(gòu)因不受重力影響，而擁有優(yōu)異的位置控制特性與高響應(yīng)性，有可能成為如同在宇宙空間進(jìn)行生產(chǎn)那樣的加工性能，以超精密微細(xì)直線機(jī)床定位，因此采用了SPACE（宇宙）這一命名。
AE05為下一代的機(jī)床，將納米領(lǐng)域中的主要技術(shù)應(yīng)用于電火花加工，從而實(shí)現(xiàn)了“電火花加工世界最小的、?4μm的超微細(xì)孔（SUS304，t=10μm）”。對(duì)使用通常納米加工機(jī)切削、磨削不可能實(shí)現(xiàn)的新應(yīng)用作出了解答，確立了納米技術(shù)的下一代生產(chǎn)技術(shù)。
