微细电火花加工的最新实例与未来的展望

HEATS

以往认为电火花加工与精密和微细加工关系不大。然而，由于沙迪克公司NC化的实施，时至今日，电火花加工机床作为工作母机已确立起了不可缺少的地位。

现在沙迪克公司的超精密、微细加工，正在把直线技术当作创新方法，成为纳米领域条件下的技术革新的主题。沙迪克公司由NC电火花加工开始在向直线电机和纳米进化与变革中继续偏重于研制超精密、微细领域里的最尖端技术的纳米机床“Ultra NaNo—100(超微细纳米100)”与“SPACE(太空)系列”。

支撑纳米技术的4种主要技术

沙迪克公司于2001年12月，着手研制纳米机床。作为其契机的直线技术革新，是1998年秋对世界首台直线电机驱动的电火花成形加工机(AM35L)进行产品化开始的。在此之前，要实现1μm以下的加工精度是非常困难的。打破现状的决策是，根据判断，在以往的驱动方式中，用“滚珠丝杠与旋转电机的进给机构”难于突破1μm以下的界限，所以决定，以后把所有的机床都更换成直线电机驱动。

支撑纳米技术的4种主要技术是陶瓷、直线电机驱动、数控与NC装置和驱动控制器。为最大限发挥每一尖端技术的优越性这些主要技术皆由沙迪克公司研制，需要完整无缺的掌握所有的特性。最终便在极短时间内引导出能使性价比优异的超精密、微细加工以及机床性能的具体化获得了成功。

下面拟对与各项主要技术相关的超精密、微细加工的优越性作一整理。

1.陶瓷

为查明放电能量的有效性，对拥有优越绝缘性材料的机械零件化曾经是一个重要的课题。这是一项与陶瓷相关技术研制发端。作为材料的陶瓷，价格低，到手较为容易，除了绝缘性能之外，陶瓷的特点可以举出的是，拥有重量轻、刚度高、耐磨损性以及热环境状态下的稳定性优异。

达到如此优越程度的材料没有被积极当作机械零件来使用的原因是，一般的常识认为韧性较低的缘故。所谓“热压件”的陶瓷确实拥有裂纹的缺点，但通过充分观察、分析、验证其加工过程有可能作为机械零件来使用不会有什么问题。在沙迪克公司电火花机床的实际生产中除了外部因素之外，陶瓷发生裂纹的机率为零。

实际上，把该陶瓷作为机械零件材料，对发挥直线电机驱动的优越性却变成了一种重要的技术基础，也就是陶瓷本身的特点能最大限度的发挥出作为直线电机驱动优越性的高速、高加速、高响应的特性，同时，为了获得高精度特性在实施有成效的热对策方面带来了有效的成果。

在纳米机床的情况下，将该陶瓷用于高刚度气浮导轨的导向机构，可实现极为优异的直线精度。与此同时，使其跟直线电机驱动相结合对实现纳米水平的控制特性方面起到了重要作用。

2.直线电机驱动

旋转电机被分类成板极的直线电机驱动是一种直接驱动，无需所谓传递动力的进给丝杠，所以没有进给丝杠引起的间隙、爬行、扭曲和滞后等影响，从而确立了极为平滑的运动特性，能使优异的响应性产生高精度的轴驱动。

由于采用高精度、高分辨率的直线光栅作为位置检测装置，恰好是在控制着自身的驱动。所以能成为在连续的时间轴上进行高精度位置控制。对于电火花加工而言，高响应需要的伺服特性是支配加工性能的一个重要的因素，直线电机驱动的确是一种理想的执行元件。

使用传统的进给丝杠，通过高精度的控制技术，并非不能实现一定程度的定位精度，但在纳米这种非常微小的领域中为保证优异的加工性能则需要在极高频率条件下的控制特性。因此，在进给丝杠摩擦状态中，除了磨损产生的时效变化问题之外，不能保持初期性能的这一缺点也是难以回避的。

如果从一般的不利印象来看，还存在若干有关生产率、热效率和怀疑受磁力影响的声音。 然而，沙迪克公司的直线电机是由自行研制的，所以对其基本性能进行了完整无缺的验证，并将每种机床所配置的控制特性皆确立了最优条件。所以，这类担心的事项一概不成问题，技术开发已全部完成。

实际上，在确立停止、开动、停止这种不连续的简单动作中的安全性等方面，把不损害性能的性价比达到极限的机械构成品当作具体的事项也是重要的课题。除性能之外，应解决的众多课题皆被克服掉了，沙迪克公司已集聚了独家的技术窍门。

3.数控装置与NC电源

经过多年构筑起来的控制技术与优越的电火花加工经验予以融合，沙迪克公司已开发出了可靠性高的NC电源装置。在一切放电状态中都不会损害放电特性，为发挥直线电机驱动的优越性必须研制综合性的数控装置与NC电源。考虑以人机学为基础的软件方面与生产性能的硬件方面，还要求两方面的高度的技术能力。

4.驱动控制器

驱动控制单位越是微小化，控制系统的反应就越是略微慢些，成为控制特性失配致命的缺点。对不依靠摩擦的直线电机驱动来说，尤其在其控制方面的技术障碍较大，还存在不是所有的机床都能用直线电机驱动的一种实际情况。

作为沙迪克公司的综合系统，成功地研制出了能发挥直线电机驱动性能的、独家的驱动控制器“SMC(沙迪克驱动器)”。在确立纳米技术条件下，以现代控制理论为基础，运用最尖端的控制方式使“在所指定的位置上瞬时移动技术(高速化)”和“在所指定的位置上使其迅速停止的技术(高精度化)”两者兼备，实现了l nm以下的控制范围(如图1所示)。

图1 Ultra NaNo—100的步距响应（1nm以下的动作响应特性）

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最新的超精密、微细加工实例

1.小型电火花成形加工机“APlL Premium”

APlL Premium作为精密加工相称的基本结构因采用了三面自动上下式的加工槽，改善了小件加工时的复杂作业工序，同时还可利用高速多关节的机械手对自动化、省力化进行柔性对应。在X、Y、Z轴上配置了沙迪克公司研制的小型高推力的直线电机能发挥出卓越的定位精度与无间隙的高响应性。

利用新研制的高速、高品位精加工的SVC电源使得放电脉冲控制获得大幅度改善，能向极间提供效率高、均匀的放电脉冲，使得电流前沿获得空前提高，因此对不同加工面积精加工的最佳表面粗糙度达到极限程度，达到放电凹坑均匀且表面粗糙度一致的高品位加工(如图2所示)。减少了微细、微小形状难于抛光的作业，对缩短工序、提高质量、保持稳定性作出了贡献。

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图2SVC电源的高品位加工实例

在电火花成形的精密加工中，需要考虑相关的各种各样的误差，当加工即将接近到所指定位置时，就采取边测量，边返复加工来获得尺寸精度的一种加工顺序。然而，在进行测量时，由于加工表面经清扫后重新加工形成从无焦油的状态下开始加工，于是间隙变窄的部分没有进行电火花加工便使加工结束，一般而言，很难达到lμm以下的追加加工。

这次，APlL Premium机床由于有效的利用直线电机驱动位置高精度检测与放电开始点检测的最佳化使得微小级别的追加加工成为可能。

2.超精密线切割机“EXClOOL”

EXCl00L机床是把沙迪克公司制作的气浮导轨(气浮滑板)配置在该机床的X、Y轴的内部，在驱动传递部分上配置了沙迪克公司制作的无铁心直线电机，就线切割机床而言，建立了世界首台完全非接触式的直动导轨系统。

沙迪克产品

由于X、Y轴的所有构件皆使用沙迪克公司制作的陶瓷，因此，在高响应性方面而获得了不可缺少的终极的轻量化，并将来自外部是热影响引起的变化状态抑制到最小程度，能实现稳定的直线精度并能维持长期的精度。由于定位精度的提高，能使容易成为不稳定的极细电极丝的放电状态变得稳定。由于避免了因集中放电而产生的断丝，所以极细电极丝的加工圆度与节距精度可实现1μm以下的高精度加工或微细齿轮的高精密加工。

3.精密线切割机“AP200L”

用低滑动、高强度的十字滚子导轨作直动向导，使用沙迪克公司研制的直线电机进行驱动实现高精度的加工特征。通过陶瓷制作的悬臂产生线电极走丝轨迹，所以能使实际加工的累计误差限制在1μm以内。

有效地利用机械部分、NC装置、备用油槽配制在一体化基座上的特点，并将直交式的操作部件、托架搬运部件基本跟标准机一样被配置在相同的空间，从而实现了能与小型的自动化系统相适应。

随着直线电机驱动的高响应性能维持稳定的放电特征，并通过张力伺服功能控制电极丝的张力，即使在厚板、复杂形状的加工中也能抑制工件的变形，实现直线度优异的高精度加工。

AP1L Premium与AP200L的高精度、高品位加工

不只是相对图纸的尺寸，而是以零误差为目标来构成文件，组合成“现品配做”，“无需抛光整修”的超精密、超微细的模具，加工模具质量稳定、无需再试的批量生产效率的提高显示出了提高模具可靠性的这一优越性。在该超精密模具中脱模销的导向沟还起到功能性的作用。可动侧被纳入了100支为零件数的气压插销。为达到无偏差用的质量进行量产、实施了独创的间接和筹划。在可动侧气压插销的制作过程中，用AP200L机床在其集合块上加工气压插销的端部形状，下一道工序用AP1L Premium机床在端部上一气完成拐角R10μm左右的高精度形状的加工。

此时，由于可利用AP200L的加工精度配制气压插销的位置，所以点火花加工用的成形电极同样可以借助于AP200L来制作，因为不存在机床位置错误误差问题，能高精度、稳定地一气完成电火花加工。从而节省了气压插销的每一工序和定位的麻烦，使得生产效率大幅度提高。如考虑零件精度累计误差在内，已证明零件已能达到微米以下的加工精度。

AP1Lpremium与AP200L之间的组合，的确可以说是一种高精度、高品位的加工。

直线电机的纳米电火花加工与今后的展望

SPACE系列是直线电机驱动超高的纳米加工机群的总称。其最小驱动单位为1～5nm以下。加工形状精度为5～100nm以下。尤其，Z轴结构因不受重力影响，而拥有优异的位置控制特性与高响应性，有可能成为如同在宇宙空间进行生产那样的加工性能，以超精密微细直线机床定位，因此采用了SPACE（宇宙）这一命名。

AE05为下一代的机床，将纳米领域中的主要技术应用于电火花加工，从而实现了“电火花加工世界最小的、?4μm的超微细孔（SUS304，t=10μm）”。对使用通常纳米加工机切削、磨削不可能实现的新应用作出了解答，确立了纳米技术的下一代生产技术。

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