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再析電火花線切割機(jī)床的改進(jìn)

一種高性能往復(fù)走絲多次切割電火花線切割機(jī)床

梅建恩  顧元章 謝天導(dǎo)  邵劍民 邱雪興

蘇州市寶瑪數(shù)控設(shè)備有限公司新產(chǎn)品研制小組

 

摘要：通過對(duì)單向走絲和往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床多次切割的比較分析，總結(jié)出了在往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床上多次切割加工所需進(jìn)一步改進(jìn)的關(guān)鍵點(diǎn)，著重介紹了對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)實(shí)施的改進(jìn)措施，從而介紹了寶瑪新研制的一種高性能往復(fù)走絲多次切割電火花機(jī)床的各項(xiàng)技術(shù)和性能指標(biāo)。

 

關(guān)鍵詞：導(dǎo)輪軸向進(jìn)電裝置  智能脈沖電源  閉環(huán)雙向?qū)ΨQ張力伺服控制  低絲耗  低粗糙度  穩(wěn)定切割

                   前言

*電火花線切割機(jī)床有三項(xiàng)放電加工專項(xiàng)的指標(biāo)：切割效率、電極絲損耗率和工件表面粗糙度。由于它們是實(shí)現(xiàn)時(shí)互相矛盾的三項(xiàng)指標(biāo)，所以在一次切割中，同時(shí)實(shí)現(xiàn)這三項(xiàng)高指標(biāo)是不可能的。要獲得zui高切割效率，工件表面粗糙度必定很差，此時(shí)電極絲的損耗也大；要獲得切割工件表面zui低粗糙度，必然使切割效率很低。國(guó)外單向低速走絲型電火花線切割機(jī)首先采用的多次切割工藝，它巧妙地把實(shí)現(xiàn)這三項(xiàng)指標(biāo)，分別放在不同次的切割加工中來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而避開它們之間的矛盾。在*次切割時(shí)，可以考慮在較小絲損條件下，優(yōu)先考慮以zui大的切割效率加工；在第二刀修正切割和第三刀微精切割時(shí)，由于電火花脈沖放電在敞開環(huán)境下進(jìn)行，排屑容易，切割效率已不是主要矛盾，可逐步減小脈沖能量，優(yōu)先以降低工件表面粗糙度為主要目的加工。因此從放電加工的原理上分析，在電火花線切割機(jī)床上采用多次切割加工工藝，代表著其發(fā)展的方向。 如何滿足多次切割中每次切割側(cè)重點(diǎn)不同的的分工要求是往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床改進(jìn)的關(guān)鍵點(diǎn)。

         一、 往復(fù)運(yùn)絲電火花線切割機(jī)床實(shí)現(xiàn)多次切割工藝時(shí)存在的問題

在往復(fù)運(yùn)絲電火花線切割機(jī)床上試驗(yàn)多次切割工藝已有十年多。該工藝的運(yùn)用確實(shí)使機(jī)床的應(yīng)用范圍擴(kuò)大，但在實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)，許多性能還不盡如人意。這是什么原因造成的呢？的。首先要分析單向低速走絲型電火花線切割機(jī)和往復(fù)走絲型電火花線切割機(jī)床間存在的不同。寶瑪公司有研制單向低速走絲型電火花線切割機(jī)床經(jīng)驗(yàn)，公司的技術(shù)人員對(duì)照兩類機(jī)床的不同，進(jìn)而分析了其中的原因，認(rèn)為往復(fù)運(yùn)絲直接搬用多次切割工藝尚存在有以下問題：

1. 目前往復(fù)運(yùn)絲電火花線切割機(jī)，一般都使用簡(jiǎn)單的等頻脈沖電源。由于電火花脈沖放電的隨機(jī)性，實(shí)際放電狀態(tài)是極其復(fù)雜的，有時(shí)甚至是瞬變的。這種等頻脈沖電源，在實(shí)際切割加工中，無(wú)法象單向低速運(yùn)絲線切割機(jī)那樣，可以根據(jù)放電狀態(tài)的實(shí)際需要，智能地對(duì)每一個(gè)輸往放電間隙的脈沖能量進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，也無(wú)法實(shí)現(xiàn)*的脈間消電離時(shí)間。另外，簡(jiǎn)單電源還沒有專門為修正切割和微精加工設(shè)計(jì)其電路；在電源部分、電柜的布線和功率脈沖傳輸?shù)确矫?，都沒有采取窄脈寬功率脈沖所需相應(yīng)的條件和措施。
   1.  電火花線切割加工是通過對(duì)工作臺(tái)伺服控制來(lái)維持穩(wěn)定的放電加工，機(jī)床伺服跟蹤特性決定著放電加工的連續(xù)性和穩(wěn)定性。單向低速走絲電火花線切割機(jī)床控制工作臺(tái)進(jìn)給的電路，是采用經(jīng)典的伺服控制電路。針對(duì)多次切割加工的不同目的要求，設(shè)計(jì)了其*的伺服跟蹤電壓和特性曲線，從而達(dá)到較穩(wěn)定的切割效果。而目前往復(fù)運(yùn)絲型電火花線切割機(jī)床，一般都用“變頻電路”，電路中串接一個(gè)開關(guān)時(shí)間為2-3uS的32-36V穩(wěn)壓管，以間隙電壓減去32-36V電壓后，再對(duì)差值電壓進(jìn)行電壓-頻率轉(zhuǎn)換的一種簡(jiǎn)單壓頻控制電路，來(lái)控制放電的連續(xù)進(jìn)行。由于這種電路是連續(xù)采樣，實(shí)際工作臺(tái)的進(jìn)給速度還受到脈沖占空比的影響。它在實(shí)現(xiàn)多次切割工藝，由于放電條件的不同，微精切割時(shí)使用zui小脈寬已遠(yuǎn)小于2uS，所以該電路很難獲得*的伺服跟蹤性能。
   2. 兩類不同走絲方式的電火花線切割機(jī)床，在采用多次切割工藝時(shí)，在機(jī)床機(jī)械設(shè)計(jì)上存在zui為重要的區(qū)別：即運(yùn)絲的穩(wěn)定性有著如下巨大的差別：

    a. 運(yùn)絲速度不同造成兩者運(yùn)絲性能上的巨大差別。單向低速運(yùn)絲電火花線切割機(jī)的運(yùn)絲速度很低，采用電極絲張力的閉環(huán)控制。由于其運(yùn)絲速度低，現(xiàn)有的執(zhí)行元件的頻率響應(yīng)特性足以實(shí)現(xiàn)地實(shí)時(shí)閉環(huán)控制電極絲的張力，有些機(jī)床還采用多次張力閉環(huán)控制。而往復(fù)運(yùn)絲線切割機(jī)的運(yùn)絲機(jī)構(gòu)，目前大部分運(yùn)絲系統(tǒng)對(duì)張力控制，還是很原始地靠操作工的經(jīng)驗(yàn)和手感，先用人工緊絲的方法對(duì)儲(chǔ)存在絲筒上的全部鉬絲來(lái)進(jìn)行一次或多次緊絲。利用鉬絲的彈性變形，把預(yù)緊后的鉬絲繞在絲筒上，其后對(duì)鉬絲就不再控制。還有些機(jī)床安裝了機(jī)械式的或非對(duì)稱的機(jī)電緊絲裝置，但存在著動(dòng)作頻響低，緊絲容易松絲難等問題。另外，由于絲筒和其運(yùn)動(dòng)部件的制造中存在著不可避免的允差，同軸度誤差、軸承游隙等，決定著鉬絲的高頻率的振動(dòng)；由絲筒的錐度和絲筒導(dǎo)軌相對(duì)于線架運(yùn)動(dòng)的平行度和直線度允差等，又決定著鉬絲的低頻率振動(dòng)，并且在絲筒運(yùn)動(dòng)時(shí)，往往這些允差會(huì)造成鉬絲長(zhǎng)度累積誤差，即在貯絲筒兩端總會(huì)出現(xiàn)，鉬絲張力一頭緊另一頭松的現(xiàn)象。

b.單向低速遠(yuǎn)絲線切割機(jī)采用間隙僅為5-10um固定的導(dǎo)向器為導(dǎo)絲元件，其對(duì)電極絲的導(dǎo)向精度*。往復(fù)運(yùn)絲型線切割機(jī)在多次切割時(shí)，往往也采用導(dǎo)向器，但導(dǎo)向孔徑與鉬絲間的間隙不可能做得很小，鉬絲反復(fù)使用其絲徑又在不斷磨損，其導(dǎo)向精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如前者。另外，鉬絲的縱向和橫向振動(dòng)大，這些振動(dòng)經(jīng)導(dǎo)向短細(xì)孔，通過衍射進(jìn)入放電加工區(qū)。所以兩類機(jī)床同樣采用導(dǎo)向器，但后者導(dǎo)向精度遠(yuǎn)差于前者。

    經(jīng)分析，要實(shí)現(xiàn)高性能的多次切割加工，必須要對(duì)造成鉬絲振動(dòng)的振源，貯絲筒和其部件的制造質(zhì)量進(jìn)行控制，尤其對(duì)絲筒的徑向跳動(dòng)、全跳動(dòng)等誤差進(jìn)行控制，采取對(duì)絲筒高頻振動(dòng)的吸振措施。這些是造成鉬絲高頻振動(dòng)的主因，就目前研究現(xiàn)狀表明，用任何張力控制執(zhí)行元件還無(wú)法進(jìn)行響應(yīng)和控制，有待進(jìn)一步研究。對(duì)于鉬絲振動(dòng)的低頻部分，可采用閉環(huán)張力的實(shí)時(shí)伺服控制來(lái)解決，這兩項(xiàng)措施是往復(fù)運(yùn)絲型電火花線切割機(jī)實(shí)現(xiàn)多次切割的先決條件。

             二、一種高性能往復(fù)運(yùn)絲型多次切割電火花線切割機(jī)的設(shè)計(jì)

寶瑪公司組成的項(xiàng)目研制小組，分別針對(duì)上述問題進(jìn)行分析，通過如下的改進(jìn)設(shè)計(jì)，研制出了一種高性能往復(fù)走絲型電火花線切割機(jī)床。

1. 智能高頻脈沖電源

本公司技術(shù)人員在十年前研制的單向低速運(yùn)絲電火花線切割機(jī)高頻脈沖電源的基礎(chǔ)上，把其智能高頻脈沖電源進(jìn)行改進(jìn)和發(fā)展，研制成一種適合于往復(fù)運(yùn)絲型線切割加工特點(diǎn)的高頻脈沖電源。

該電源有以下特性：

1. 采用單向低速運(yùn)絲線切割機(jī)使用的智能高頻脈沖電源技術(shù)方案，根據(jù)放電狀態(tài)，實(shí)時(shí)控制每一個(gè)輸往放電間隙脈沖能量。在正常脈沖放電狀況時(shí)，實(shí)現(xiàn)等能量脈沖放電，從而實(shí)現(xiàn)在相同的表面粗糙度條件下，獲得較高切割效率，同時(shí)獲得較低的鉬絲損耗率。

2. 為*次切割、第二次修正切割和第三次微精切割加工，分別設(shè)計(jì)了符合其特性要求，分為三個(gè)脈寬段和不同特性的電流波形的脈沖生成電路。zui小的微精加工的脈寬為0.3uS。在功率脈沖輸出上，采用符合高頻功率脈沖傳輸要求的措施，以保證zui終送入放電間隙的脈沖放電電流波形失真度為zui小。

3. 直接采用低速運(yùn)絲電火花線切割機(jī)的伺服控制電路。該電路采用脈寬時(shí)采樣，脈間保持的脈沖放電采樣方法。即使在脈寬為1.2uS的微小脈沖，該電路都可以實(shí)現(xiàn)根據(jù)采樣放電狀況，進(jìn)行伺服跟蹤控制工作臺(tái)的進(jìn)給。*次切割、第二次修正切割和第三次微精切割時(shí)，采用不同伺服跟蹤和跟蹤靈敏度。從而采用了這種伺服控制電路之后，經(jīng)過第二次修正切割，基本可將試件的幾何精度誤差修正到5um左右。經(jīng)過第三次微精切割，標(biāo)準(zhǔn)試件的幾何精度可修到3um。再經(jīng)第四次精細(xì)切割，標(biāo)準(zhǔn)試件的表面粗糙度可達(dá)Ra=0.7um。這樣伺服控制電路為實(shí)現(xiàn)高精度、低表面粗糙度為zui終目的微精切割加工創(chuàng)造了條件。

B. 線切割進(jìn)電導(dǎo)輪

   單向運(yùn)絲和往復(fù)運(yùn)絲型電火花線切割機(jī)，都采用導(dǎo)電塊形式的進(jìn)電裝置。電極絲直接作為導(dǎo)電付的一半，直接與超硬材料制成的導(dǎo)電塊滑動(dòng)接觸傳輸功率脈沖大峰值電流。從理論上兩者接觸面是接近于線狀，并且相對(duì)滑動(dòng)摩擦速度，即為運(yùn)絲速度。前者由于運(yùn)絲速度低而平穩(wěn)，采用這種進(jìn)電方法，傳輸功率脈沖能量較為穩(wěn)定。但往復(fù)走絲線切割機(jī)在*次切割時(shí)，其滑動(dòng)磨擦速度高達(dá)8-12m/秒。這樣不但造成鉬絲的機(jī)械磨損，帶有縱波、橫波振動(dòng)高速運(yùn)動(dòng)的鉬絲還會(huì)造成兩接觸付之間的接觸不良，從而容易誘發(fā)鉬絲與導(dǎo)電塊之間產(chǎn)生與放電間隙串聯(lián)的電蝕放電。一旦鉬絲與導(dǎo)電塊之間發(fā)生電蝕放電，這種在有氧環(huán)境中的脈沖放電，會(huì)造成鉬絲的燒傷和導(dǎo)電塊的早期磨損。并且這種電極絲與導(dǎo)電塊間的電蝕放電，往往容易越演越劣，zui后造成斷絲和燒蝕導(dǎo)電塊。另外，在使用以放電狀態(tài)采樣為控制脈沖能量基礎(chǔ)的智能高頻脈沖電源，還會(huì)造成脈沖電源的智能控制功能的不穩(wěn)定。為此，公司引進(jìn)了一項(xiàng)。在這種進(jìn)電裝置內(nèi)，由一對(duì)的耐磨抗電蝕材料付來(lái)傳輸高頻脈沖能量。這對(duì)導(dǎo)電付采用平面接觸，兩者相對(duì)旋轉(zhuǎn)線速度僅為運(yùn)絲速度的1/20以下，并且采用高頻響彈性裝置以保證導(dǎo)電付間的可靠接觸。經(jīng)過二年來(lái)的試用，該進(jìn)電裝置工作壽命長(zhǎng)，可靠性高，大大降低了鉬絲的損耗。

C. 雙向伺服緊絲

  由于每只導(dǎo)輪都有各自的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和摩擦力，在運(yùn)絲時(shí)鉬絲張力又存在振動(dòng)，經(jīng)過測(cè)試發(fā)現(xiàn)在往復(fù)雙向運(yùn)絲機(jī)構(gòu)上各段鉬絲的張力是不同的，并且是隨著鉬絲的雙向運(yùn)動(dòng)，各段鉬絲張力的大小，大體隨運(yùn)絲方向的轉(zhuǎn)換呈交替轉(zhuǎn)換狀況。這原理好象是自行車上的鏈條，均速前進(jìn)時(shí)，處于收鏈方向的上鏈條總是張緊的，其鏈條的張力較大；而處于放鏈方向的下鏈條一直下垂，張力很小。如果那是一輛雜技團(tuán)可以倒踏的自行車，在反向均速運(yùn)動(dòng)時(shí)，上、下鏈條上所受到的張力大小必然倒過來(lái)。

   寶瑪公司設(shè)計(jì)了一種雙向伺服緊絲系統(tǒng)技術(shù)。其特點(diǎn)是：

1. 不管鉬絲處在正方向運(yùn)絲，或者處于反方向運(yùn)絲時(shí)，其張力檢測(cè)部件總是檢測(cè)包括放電加工區(qū)在內(nèi)的那一個(gè)鉬絲環(huán)內(nèi)的張力。由于是全對(duì)稱結(jié)構(gòu)，所以它測(cè)試到的鉬絲環(huán)的張力，不會(huì)受到運(yùn)絲方向改變的影響。從而在機(jī)構(gòu)的原理上，這種機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)可保證不失真地檢測(cè)到放電加工區(qū)那一段鉬絲的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)張力。因此，寶瑪所采用的閉環(huán)張力控制機(jī)構(gòu)，在設(shè)計(jì)合理性和檢測(cè)精度上，尤其*的優(yōu)點(diǎn)。

2. 為了提高整個(gè)系統(tǒng)的頻率響應(yīng)速度，采用了伺服控制執(zhí)行元件，系統(tǒng)的伺服執(zhí)行元件可根據(jù)用戶的需要，或選用BYG電機(jī)，或選用日本進(jìn)口的安川交流伺服電機(jī)?？刂齐娐贩謩e有兩路輸出，可同樣滿足這兩類伺服電機(jī)的控制需要。

3. 鉬絲張力檢測(cè)部件經(jīng)過計(jì)量傳遞來(lái)校正的，從而保證每臺(tái)機(jī)床鉬絲張力的度和一致性。整個(gè)鉬絲閉環(huán)張力伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)各部件間的自動(dòng)控制，全部受電路中一套數(shù)字邏輯電路的控制，從而使整個(gè)閉環(huán)張力伺服控制系統(tǒng)工作可靠。

4. 運(yùn)絲的閉環(huán)張力由機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)控制。用戶在預(yù)置加工參數(shù)時(shí)，增加了一項(xiàng)“鉬絲張力”的預(yù)置輸入。在多次切割的每次轉(zhuǎn)換切割時(shí)，機(jī)床數(shù)控計(jì)算機(jī)將根據(jù)用戶預(yù)置張力自動(dòng)改變鉬絲張力。經(jīng)用線材張力計(jì)實(shí)測(cè)，張力值的轉(zhuǎn)換是實(shí)時(shí)完成的。下一步本公司將嘗試國(guó)外單向低速運(yùn)絲電火花線切割機(jī)所采用的“拐角處理”功能，在切割到輪廓拐角處，自動(dòng)減少脈沖能量，同時(shí)適度增加鉬絲的張力，從而大大提高切割輪廓的精度。

5. 機(jī)床斷絲保護(hù)和自動(dòng)報(bào)警的檢測(cè)，改由張力檢測(cè)部件控制完成。其控制的靈敏度和反應(yīng)的速度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于目前行業(yè)廠采用兩塊導(dǎo)電塊與鉬絲同時(shí)接觸的斷絲檢測(cè)方案。這樣在該新機(jī)床的整個(gè)運(yùn)絲系統(tǒng)，不使用一塊鎢鋼導(dǎo)電塊，從而大大降低了由于鉬絲與導(dǎo)電塊之間機(jī)械高速磨擦造成鉬絲的損耗。

6. 設(shè)計(jì)了整個(gè)閉環(huán)張力伺服控制機(jī)構(gòu)自動(dòng)調(diào)整和位置保護(hù)設(shè)計(jì)，為滿足行業(yè)相關(guān)的安全標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計(jì)了張力調(diào)整部件的極限位置保護(hù)裝置和燈光指示。在鉬絲張力自動(dòng)調(diào)整限位置。此時(shí)系統(tǒng)將聲、光報(bào)警。為了方便用戶操作，系統(tǒng)設(shè)計(jì)手動(dòng)方式和自動(dòng)方式，可采用手動(dòng)或自動(dòng)調(diào)整張力控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)返回到*起始位置。

7. 新機(jī)床還設(shè)計(jì)了自動(dòng)預(yù)張力的自動(dòng)上絲機(jī)構(gòu)。在完成自動(dòng)上絲之后，將由計(jì)算機(jī)控制鉬絲張力自動(dòng)調(diào)整到用戶預(yù)置的張力值。*取消了人工上絲，手工緊絲工序，從而使新機(jī)床真正達(dá)到歐共體CE安全標(biāo)準(zhǔn)中，機(jī)械指令的要求。

8. 新機(jī)床采用電動(dòng)升降線架。在升降線架時(shí)不必拆裝鉬絲，閉環(huán)張力系統(tǒng)可自適應(yīng)調(diào)節(jié)和始終保持預(yù)置的鉬絲張力。

機(jī)床加工測(cè)試實(shí)例：

• 精度和粗糙度：
  1. 工件厚度：40mm 材料：Cr12  平均加工速度：55mm2/min

三次切割  試件尺寸精度：0.004mm     表面粗糙度Ra1.0

1. 工件厚度：20mm 材料：Cr12  平均加工速度：20mm2/min

四次切割  試件尺寸精度：0.004mm     表面粗糙度Ra0.7

• 鉬絲損耗：

工件厚度：40mm 材料：Cr12  平均加工速度：80mm2/min

加工300000mm2    鉬絲損耗：0.01mm

• 切割效率：

         工件厚度：40mm 材料：Cr12

1. 實(shí)用穩(wěn)定切割效率： 在120mm2/min 下穩(wěn)定切割500000mm2
2. 較大切割效率：在200mm2/min 下切割12000mm2以上
3. zui大切割效率：250mm2/min