（机械制造及其自动化专业论文）四轴联动微细电火花线切割机床研究.pdf

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 摘要 涎着檄梳电系统( 氧经m s ) 戆飞速发襞，越糖、徽缨热工接零藏为嚣蓠 迅速发联、最塞活力的如工技术，弗且是现代制造技术的一个重要发展方 向，因此受到世界各国的高度重视，而微细电火花线切割加工技术是实现超 精、微细船工行之有效豹方法之，潋萁独特静魏王方法疆及较离懿链狯改 愿到了迅速的发曩，势在谗雾微型机械生产领域发撵了熬要的作用。 本文首先介绍了国内外微细电火花线切割加工的研究状况，随后阐述了 电火花线仞割加工的原理及特点，并分析了徽细电炙花线韬割加工的镦细电 壤丝、徽能熬滓毫源、稳定豹走丝系统、蔫壤窭匏髑照避给系统翻微小零饽 的装夹、在线检测系统等关键技术。在此藻础上提出了四轴联动徽细电火花 线切割机床的总体设计方案，并且针对各项关键技术对醋轴联动徽细龟火花 线秘裁鞔寐懿各缀成都分进行谯纯设诗，分裂没 了惫撼双壤极转速羞式蠖 张力走丝系统、步进电机丝枉式恒张力走丝系统、熏锤平衡式恒张力走丝系 统在内的三种恒张力觅丝系统，以及髓轴联动高精密伺服送给系统，v 型块 导煎装鬣，储丝部分。花窝石梳床本俸秘控制泡挺。 最盛，葶 | 用一个集成于s o l i d w o r k s 的功能强大的撼动式设计分攒软 牛 c o s m o s w o r k s 对该机床的关键零件f 架、上支架、下支架进行有限元分析 运冀，求解出备零件的应力分布云雷釉谴移分带云潮，并根攥求熊结采对备 零体进露貔饯设计和装配误差於偿。 关键词微细线切割；恒张力走丝；v 型苷丝袭 兰玺鎏三兰查兰王兰矍点兰竺芝耋 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm i c r oe l e c t r om e c h a n i c a ls y s t e m ( m e m s ) ， t h eu l t r a p r e c i s ea n dm i c r o - f a b r i c a t i o nt e c h n o l o g yb e c o m et h eq u i c kd e v e l o p m e n t a n dt h em o s tv i g o r o u sp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yn o w a d a y s ，a n dt h e ya l s ob e c o m e i m p o r t a n td e v e l o p m e n td i r e c t i o n so f t h em o d e mm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y ，s o 镪e yd r a wg r e a ta t t e n t i o nf r o mt h e i n t e r n a t i o n a lc o m m u n i t y 。a sa ne f f e c t i v e m e t h o do fm i c r of a b r i c a t i o nt e c h n o l o g y , m i c r o w i r ee l e c t r i c a l d i s c h a r g e m a c h i n i n g ( m w e d m ) h a s a c h i e v e d q u i c kd e v e l o p m e n t w i t hi t s s p e c i a l m a c h i n i n gm e t h o da n dh i g h e rr a t i oo fp e r f o r m a n c ev e r s u sp r i c e ，a n dp l a y sa n i m p o r t a n tp a r t 逾t h e f i e l do f m i n i a t u r ei n s t r u m e n t sf a b r i c a t i o n t l l i sp a p e ri n t r o d u c e st h er e c e n tr e s e a r c h i n gs t a t u so fm w e d m a 1 1o v e rt h e w o r l d ，a n ds t a t e st h ep r i n c i p l e sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fw i r ee l e c t r i c a ld i s c h a r g e m a c h i n i n g ，t h e n a l s o a n a l y z e s t h e k e yt e c h n o l o g y o ft h em w e d m ，l i k e m i n i a t u r eo ft h i nw i r e e l e c t r o d e ，m i c r o - e n e r g y r cp u l s e g e n e r a t o r ，s t a b l e w i n d i n gs y s t e m ，s e r v of e e d i n gs y s t e mo fh i g hp r e c i s i o na n d o n l i n em e a s u r e m e n t s y s t e mo fm i c r op a r t s 。t h e nt h i sp a p e rp u t sf o r w a r dap r o j e c t o ff o u rs h a f t s l i n k a g em i c r ow i r ee l e c t r i c a ld i s c h a r g em a c h i n e ，a l s oo p t i m i z e st h ec o m p o n e n t s o ft h em w e d m c o n t r a p o s c sr e s p e c t i v ek e yt e c h n o l o g y d e s i g nt h r e ek i n d so f c o n s t a n tt e n s i o n w i n d i n gs y s t e m ，i n c l u d i n g d o u b l em o t o r sr o t a t i o n a ls p e e d d i f f e r e n c et y p e ，s t e p p i n gm o t o rd r i v el e a ds c r e w t y p e ，p l u m be q u i l i b r a t eg r a v i t y t y p e a n da l s od e s i g n s e r v o f e e d i n gs y s t e m ，vt y p eg u i d e b l o c ks t r u c t u r e ， w i n d i n gs y s t e m ，g r a n i t e b a s e m e n ta n dc o n t r o l l e rc a b i n e t f i n a l l y , m a k eu s eo fc o s m o s w o r k s ，as t r o n gd r a g - a n d - d r o pa n a l y s i s s o f t w a r et h a tg a t h e r e di nt h es o l i d w o r k s ，t od os o m ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s e sw i t h t h ek e yp a r t sl i k et h ef - b r a c k e t ，t h eu p - b r a c k e ta n dt h ed o w n - b r a c k e t t h e ng e t t h es t r e s s p l o t a n d d i s p l a c e m e n tp l o t t o o p t i m i z e t h e p a r t a n dd oe n _ o r c o m p e n s a t i o nb yu s i n gt h er e s u l tr e s p e c t i v e l y k e y w o r d sm w e d m ；c o n s t a n t t e n s i o n w i n d i n g ；vt y p eg u i d e b l o c k n 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 微细电火花线切割加工( m w e d m ) 是指加工过程中采用钨合金或其它材 料的微细电极丝( 直径为1 0 1 0 0 9 m ) 进行切割，主要用于加工轮廓尺寸在 0 1 l m m 的微小复杂零件及模具。微细电火花线切割的加工过程几乎不受宏观 力作用，电极形状简单( 电极丝) ，可以加工所有具有导电性的材料( 钢、硬 质合金、钛、某些陶瓷材料、某些硅材料等) ，可以加工微小三维工件，还可 以与其他微细加工方法( 超声加工、电解加工、激光辐射、l i g a 等) 组合使 用从而达到更高的加工要求，并且电火花线切割加工技术能够在保证零件加工 精度的同时，保持较高的加工效率，这些特点都是其他常规制造技术所不可比 拟的【。由于属于非接触式加工，加工过程中不存在切削力，从而能够保证加 工过程的一致性。因此国内外许多学者认为电火花线切割加工是一种十分适合 进行微细加工的方法】。目前，电火花线切割加工已经逐渐成为一种新型的 微细加工方法，并且在航空航天、信息工程、生命科学、军事武器等领域得到 了广泛的应用h 5 1 。 1 2 国内外微细电火花线切割加工的研究状况 随着现代化生产领域对电火花线切割加工零件的需要，微细电火花线切割 加工技术的研究水平得到了极大提高。特别在国防、医疗、化学、仪器仪表工 业等生产领域的广泛应用使得微细电火花线切割加工技术得到了继续发展，并 在许多生产领域，微细电火花线切割加工起到了不可替代的作用。虽然某些新 型的微细加工技术( 如l i g a ) 的发展已经可以替代部分微细电火花线切割加 工，但是由于微细电火花线切割加工相对比较低廉的加工成本，高的生产效 率，较好的加工精度和质量，使得微细电火花线切割加工成为一种应用性极强 的微细加工技术，同时也决定了微细电火花线切割加工技术的方向1 6 ”。如今 国内外的微细电火花线切割加工已步入工业应用阶段，微细电火花线切割加工 专用机床也应运而生，许多公司都有较成熟的产品【“”j 。 国内对微细电火花线切割加工技术的研究，大都结合实际生产的需要，集 睦衣滨工救大学工学磺士学傲论文 中在微小模具m - v 上俩，比如纺织上用的喷丝檄异形小孔加工。哈尔滨工舭大 学与中豳纺织科学研究院合作生产的微细电火花线切割机床，如图l - 1 所涿， 在原来侠是丝电火花线甥割枫瘩上激进，其鸯鼹辍联凌功能，采雳交流髑擞瞧 杌与滚珠熊杠，热工耱度为圭s t u n ，袭面粮糙度小于o 1 1 t m 。 图1 - 1 徽煳电火花线切割机床 f i g 1 1h i t m w e d m 鬓努，我蓬台湾攀梵大学繇突懿徽缨毫火筏线甥割裁霖采震8 0 9 m 戆溉投 丝，也怒两轴联动，赢线电机和光栅尺配合使用构成伺服避给系统。豳l 一2 中，a 图是其开发的工作台，b 图是菇采用的走熊系统结构图。 a ) 工痒台 秘走墼系统薅璃蓬 图1 - 2 微细魄火花线切割加正工作台 f i g 1 - 2w o r k b e n c ho f m w e d m 端士c h a r m i l l e s 公司生产瓣r o b o f i l2 0 3 0 s 1 t w 徽缨毫炎蕊线切塞l 机床，翔闺l - 3 所示，其有x 、y 、u 、v 窝z 五辘联动功貔，并且x 、y 和 z 轴采用意线光栅尺度馈形成闭环，直线光栅尺的分辨率为o 2 9 m ，并具商双 丝系统，能够自动穿丝，电极照赢径为o 0 3 - 0 。3 m m ，可以实现锥度圭3 0 0 蹬尔滨工救太拳工学硬士掌使论交 ( 6 5 r a m ) 切割加工。 霆1 - 3c h a r m i 毪e s 公司豹辍缎激必莛线援裁瓿袋 f i g 1 - 3n n v 】勖) mp r o d u c e db yc h a r 溉l e s 瑞士a g i e 公司嫩产的a g i e c u tv e r e x 徽细电火花线切割机床，如图 1 4 所承，具有x 、y 、u 、v 和z 驻辘联动功熊，张力范豳0 5 1 0 n ，电檄丝 壹径采翔0 0 2 - 0 。2 m m 胃选，实魂锥度圭3 e ( 8 0 r a m ) 鞠王，双丝系统，戆够叁 动穿丝，并采用新型商效i p g 脉冲电源，使得淡面粗糙度不大于r , o 0 5 9 i n 。 图1 - - 4 a g i e 公司的a g i e c u t v 日订e x 微细电火= i 薯线切害0 机床 f i g 1 - 4a g i e c u tv e r t e xm w e d mp r o d u c e db y a g i e 髫零s o d l c k 公蠲生产豹a p 2 0 0 lp r i v i l e g e 襄e x c l 0 0 l 微缨惫火莲 线切割枫床，如图l * 5 所示，都舆肖x 、y 、u 、v 和z 轰辘联动功能，并且 x 、y 、u 和v 采用赢线电机并敞含直线光栅咫，采用恒张力控制系统，疑张 力控制范匿o 0 5 1 4 k g 可调，电极丝直径分别采用为0 0 5 0 2 r a m 和 0 0 3 0 1 m m ，霹班实凌镶疫分鬟淹丧窥x - 6 0 ( 6 0 r a m ) 援王，爨套鑫动穷缒功 能，采厢压奄陶瓷电机工作台，熬有转角控制系统s f c c 及f t h 定位系统， 采用s u p e r p i k a o w 脉冲电源，可以实现表面糨糙为1 0 0 4 m a 的加工。 哈尔滨工般9 z i 学硬士学技论文 a ) a p 2 0 0 l p r i v i l e g e 机罔芒 b ) e x c l 0 0 l 机床 辫t - 5s o d i c k 公霹的徽缨毫火麓钱切割枫凑 f i g 1 - 5m w e d mp r o d u c e db ys o d i c k 目本m a k i n o 公司生产的u p 3 2 i 微细电火花线切割机床，如图1 - 6 中a 图所示，五轴联动，x 、y 的反馈分辨率为o 0 5 1 a n ，使用电极丝童裰为 o 。0 7 固。3 m m ，藐够实璇链度圭1 5 0 ( 1 0 0 r a m ) 燕z 。魏癸该公弼生产靛u p j 2 皴 细电火施线切割机床，如图1 - 6 中b 圈所示，阍样五轴联动，x 、y 的爱馈分 辨率为o 0 5 p a n ，自幼穿丝，电极丝直径o 0 2 - 4 ) 2 m m ，能够实现锥发出3 0 ( 3 0 m m ) 加工。 a u p 3 2 i 辊床酗u p j 2 蔽藤 图1 - 6m a k i n o 公司的u p 3 2 i 徽细熄火花线切割机床 f i g 1 6u p 3 2 im w e d mp r o d u c e db y m a k i n o 目零f a n u c 公驾生产的f a n u cr o b o c u tc t - 0 p i c 擞缨电炎藐线惦襄l 橇 寐，鲡鬻1 7 掰示，舆有五轴联韵，采用交瀛储藏电视驱动，并盈采瘸分辨率 为o 0 5 1 a m 光栅尺作反馈来形成闭环控制，能够自动穿熊，电极丝崽径为 0 0 5 - - - 0 3 m m ，采用了烈脉冲电源，使得表面粗糙度达到o ，0 7 9 m 。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 图1 - 7f a n u c 公司的r o b o c u tc t - o p c 微细电火花线切割机床 f i g 1 7r o b o c u ta - 0 p i cm w e d m p r o d u c e db yf a n u c 另外，德国柏林技术大学生产技术研究中心把夏米尔公司的r o b o f i l2 0 0 0 五轴线切割机床改进成微细电火花加工中心。如图1 - 8 所示，其原理是在将一 个轴线平行的可回转主轴头安装在线切割机床的上导丝头上，将一个微线电极 磨削装置安装在机床的工作台上，而且，该机床还在工件的夹紧系统上安装了 回转装置，以便加工多种形态的表面。该加工中心能实现微细线切割、微型腔 加工、微细线电极磨削、微细电火花钻削和铣削等多种微细电火花加工。由于 该加工中心功能众多，因此非常适合各种复杂型面的加工。 图1 - 8 微细电火花加工中心机构图 f i g 1 8s m a c t u r ed r a w i n go f m ，e d m 咯尔滨工业大学工学硕士学位论文 1 3 课题研究的目的及意义 随着科学技术的发展，对产品的小型化和精密化程度的要求越来越高，如 可在狭小空间和危险场所作业的自行式微型机械，可进入管道、人体腔体内甚 至血管内进行检查和手术的微机器人等等。m e m s 技术的快速发展与应用进一 步促进了产品微小型化的进程，产品的微小型化又进一步促进了微机械制造技 术的发展，这使得徽细加工技术受到了世界各国的普遍重视，并投入了大量的 人力物力进行研究。 微细电火花线切割加工技术作为一种比较成熟的微细加工方法由于电火 花线切割加工具有非接触加工、容易实现高长径比、和微三维结构加工的特点 而越来越受到人们的关注，微细电火花线切割加工的研究已成为整个微型机械 制造领域的一个非常重要的方向 1 2 a 3 ，与其它微细加工方法相比，其较为低廉 的加工成本、较高的加工效率和表面质量使它具有较强的应用价值。因此对于 多轴联动的微细电火花线切割加工技术的研究对于微细电火花线切割加工的进 一步发展是具有十分重大的理论意义和实际应用前景的【m 1 6 】。本课题研究的目 的及意义主要体现在以下几点： ( 1 ) 作为微细电火花方法的一种，随着不断的发展，微细电火花线切割 加工无论在加工精度、加工的微细化等许多方面的研究水平已经与其它微细加 工技术相当，而且在许多应用场合发挥了重要的作用，表1 1 为几种典型的微 细加工技术的比较，而且微细电火花加工中所占的比例也越来越大。因此研究 微细电火花线切割的重要意义就在于它的不断发展趋势以及重要的应用价值。 表1 - 1 几种典型的微细加工技术的比较 t a b l e1 - 1t h e c o m p a r i s o no f s o m et y p i c a lm i c r op r o c e s st e c h n o l o g y 最小精深径( 高多维加表面粗 微细加工方法加工材料 尺寸 度宽) 比工能力糙度 u g a + + +4 4 土 + 金属、聚合物、陶瓷 刻蚀 + 金属、半导体 微细激光加工 + 金属、聚合物、陶瓷 微细铣削 + 土 上 + 金属、聚合物 金刚石切削 4 -+ + 非铁系金属、聚合物 微细立体印刷 + + + 聚合物 微细电火花加工 + - if4 - k+ 金属、半导体、陶瓷 微细电火花线切割 + + 上 + 金属、半导体、陶瓷 加工 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 ( 2 ) 随着微细电火花线切割加工的制品在航空、航天、汽车、化工、能 源等领域应用的普及和推广，微细电火花加工工艺与设备的研究和应用就显得 日益重要，特别是随着复杂的微细三维零件的需求，微细电火花线切割为满足 这些要求发挥了重大作用，不但能获得高质量、高精度的复杂微细的小零件， 还可以使得加工成本大大降低。 ( 3 ) 过去由于受电极丝工艺发展的限制，电极丝的微细化切割一直不是 十分成熟，从而使微细电火花线切割加工技术的发展受到了一定的限制，一度 被认为微细电火花线切割加工并不适合微型结构的加工。但是，目前工业发达 国家的微细电火花加工设备有些已经进入工业应用和商业销售阶段，如其中日 本s o d i c k 、日本m a k o 、瑞士a g 匝、瑞士c h a r m l e s 、日本f a n u c 等公司都有较成熟的产品，其中以日本的产品性能最优，该产品除能稳定切割 二维复杂零件外，还能进行微三维结构的加工，代表着这一领域的技术前沿， 但其价格非常昂贵，大约需要3 0 万美元左右。我国在微细电火花线切割加工 研究上与发达国家的先进水平还有很大差距，国内目前比较先进的线切割机一 般只有两轴联动，无法加工某些异形工件，并且由于国外在高性能的多轴( 四 轴以上) 数控微细电火花线切割机床出口方面对我国实行严格的禁运，所以研 究和开发多轴联动的微细电火花线切割机床是我们当前亟需解决的课题，并对 提高我国在微细电火花线切割加工技术方面的研究水平具有重大作用。如果有 了多轴联动的微细电火花线切割机床，不仅可以打破国外对我国的禁运，对我 国的民用工业、特别对于国防工业的发展具有重要意义。因此，研制通用的微 细电火花加工设备不仅具有重要的现实意义，还具有极其深远的战略意义。 1 4 课题研究的主要内容 本课题的研究内容主要分为以下几个方面： ( 1 ) 研制四轴轴联动的微细电火花线切割花岗石机床本体、工作台、控 制电柜及工作液循环系统，设计具有刚性高、温度交形小的机床结构。 ( 2 ) 设计满足四轴联动的多种恒张力走丝机构，并设计恒张力控制电 路，使电极丝在恒张力下切割加工，并且可以对张力大小进行调节。 ( 3 ) 针对j n t 微细复杂三维零件的要求，设计满足四轴联动加工的微细 电火花线切割加工的导丝机构，即整体式移动的高精度v 型块导丝机构。 ( 4 ) 对机床关键零件进行有限元分析，并加以优化设计及在安装时进行 补偿，以满足机床加工精度要求。 啥尔演工业大学工学硕士学位论文 第2 章微细电火花线切割加工的关键技术 2 1 电火花线切割的加工原理 电火花线切割加工的基本原理是利用移动的细金属导线( 主要是钨丝、钼 丝或铜丝) 作电极对工件进行脉冲火花放电来蚀除工件材料的【l ”。如图2 1 所 示，电极丝接脉冲电源的负极、工件接脉冲电源的正极。当第一个电压脉冲加 到间隙上时，在电极丝和工件之间产生一次火花放电，在放电通道的中心温度 瞬时可高达1 00 0 0 。c 以上，高温使工件金属融化，甚至有少量气化，高温也 使电极丝和工件之间的工作液部分产生气化，这些气化后的工作液和金属蒸汽 瞬间迅速热膨胀，并具有爆炸的特征，将电极材料抛出，达到排除电蚀产物的 目的。 导电块 图2 1 电火花线切割原理图i l ” f i g 2 - 1s c h e m a t i cd i a g r a m o f w e d m 为了确保加工时稳定切割而不断丝，应使脉冲电源有足够的占空比。同 时，为了获得比较好的表面粗糙度和尺寸精度，并保证电极丝不被烧断。也要 向放电间隙中注入大量工作液，以使电极丝得到充分冷却。电极丝做连续运 动，以避免火花放电总在电极丝的局部位置而被烧断，对于快走丝线切割加工 机床，电极丝移动速度在7 1 0 m s 左右，而对慢走丝电火花线切割加工机床来 说，一般的走丝速度低于o 2 m s ，连续运动的电极丝有利于不断往放电间隙中 带入新的工作液，同时也有利于把电蚀产物从间隙中带出0 8 。 2 2 电火花线切割加工的特点 电火花线切割加工不依靠机械能，而是依靠电能去除金属材料。由于加工 晗尔滨工业大学工学硕士学位论文 过程中工具电极帮工件莠不接触，因而几乎没有宏蕊翻削力，对工簸电极毒手料 的硬度没有要对乏，可以用硬魔低的工具电极去加工高硬度的工件。 这种加工方法还适合于加工特殊及复凝形状的零件，由于没有机械加工中 熬宏强甥削力，它 豢适合予低弱疫工传懿臻工及擞绥热工。毫灾旋线甥割燕 工也有其局限傲，它主要用于加工导电健金属材料，一般加工速度较低，存在 电极损耗。 电火花线切割加工过程的工艺和机理，与电火花成型加工既有共性又有个 瞧。下蟊我翻主要麓两者熬不强之楚遘 亍讨论。 ( 1 ) 由于采用水或水蒸工作液，所以不会引燃起火，容易实现安全无入运 转，但由于工作液的电阻率远比煤油小，因而在开路状态下，仍有明显的电解 电流。电解效应有益于改善加工表蘑粗糙魔。 ( 2 ) 一簸浚骞稳定电弧赦电获态。嚣碧毫投丝与王俸始终毒籀瓣遥凌，茏 篡是快走丝电火花切割加工。因此，线切割加工的间涨状态可以认为是由正常 火= i 笼放电、开路和短路这三种状态组成。 ( 3 ) 电极与工 牛之闻存在饕“琉松接触”式轻压放电现象。 ( 4 ) 雨蒸要蠢l 造成螫魄缀，大大蹲低了纛銎工其嚷缀兹设计帮潮遥费用， 缩短了生产准备时间，加工阍期短。 ( 5 ) 由于电极丝比较细，能方便的加工复杂截面的型柱、型孔、大孔、小 l 酾窄缝等。 ( 6 ) 由予奄粳丝是运动篱懿长金属黧，单位长密电穰丝损耗较小，嚣虽电 极丝往复使用，当切割工件顾积的周边长度不大时，对加工精度影响较小。 ( 7 ) 脉冲电源的加工电流较小，脉冲宽度较窄、属中、精加工抵畴，所以 装耀正援蛙船王，帮熬渖嚷滚熬正极接王传，受极接邀极丝。电火芯线甥割加 工基本是一次绷工成型，一般不要中途转羧耱难。 2 3 微细电火花线切割加王的关键技术 2 3 1 微细电极丝 微细电极熊是实现微纲电火花线切割加工的前提，因此一直是图内外研究 撬鞠班及务大厂蘧豹重要醪究内容。实辩麓王中，麓了实溪徽绥能鸯鞋工，一缎 滞要采用直径为2 0 - 1 0 0 p m 的微细电极熬进行切割，目前的电极丝制作工艺可 以制作出的最绷电极丝直径为2 0 岫。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 在传统电火花线切割加工中，电极丝作为加工用的电极，其直径一般在 o 1 0 一一0 3 5 m m 之间。电极丝材料必须有利于实现高精度、高效率切割，易于自 动穿丝以及其它自动化操作。因此要求电极丝材料应该满足：在高温下能够保 持良好的机械强度，良好的导电性，良好的热传导性，电极丝还应该易于校 直，并具备良好的回火稳定性以实现自动穿丝。这些性能对提高电极丝使用寿 命并满足批量生产的需要十分重要 1 9 2 0 j 。在微细电火花线切割加工中，随着电 极丝直径减小，电极丝所能承受的电流以及张力变得更小，这样会使电极丝在 加工过程中容易发生磨损、断丝等现象，从而使加工效率与加工精度无法得到 可靠的保证，这也成为制约微细电火花线切割加工发展的主要因素。 目前，直径为2 0 1 0 0 n 的微细电极丝在实际生产中得到了广泛的应用。 随着零件尺寸向着更小的方向发展，电极丝的微细化必将成为未来微细电火花 线切割加工的主要发展方向1 2 1 。 2 3 2 微能脉冲电源 电火花线切割微细加工、超精加工与电火花线切割常规加工的最大区别在 于能量控制方式的不同，因此能够提供微小单个脉冲放电能量并实现对单个脉 冲放电能量精确可控的脉冲电源是实现微细电火花线切割加工的关键技术之 一，国外许多研究机构以及生产厂家将其视作关键技术而加以保密【皿“j 。 在加工精度方面，日本三菱电机公司推出的f s 3 超精加工脉冲电源，配合 专用的电极丝，可以加工表面粗糙度值r 。0 1 m 的微细表面，加工尺寸精度 士2 9 m 。该电源采用交流高频加工技术，可在微小能量条件下实现稳定加工。 如果把f s 3 超精脉冲电源与a e 3 - h s 高速无电解脉冲电源联合使用，即粗加工 采用a e 3 h s 高速无电解电源，精加工采用f s 3 超精脉冲电源，就可以实现高 速超精加工，加工表面没有以往电加工特有的变质层和微观裂纹，可与磨削加 工表面相媲美。 日本沙迪克公司的a p 2 0 0 l p r i v i l e g e 和e x c l o o l l 微细电火花线切割机床 在油基工作液中加工硬质合金i c 引线框架模具，使用超高频超精加工脉冲电 源( s u p e r p i k ao w ) ，由脉冲变压器向放电间隙输出双向脉冲，脉冲变压 器的输入端是一个无电阻的场效应功率三极管的快速脉冲电路( t m 电路) ，使 得其加工形状精度与表面粗糙度大为提高。该公司开发的超精加工电源，可实 现表面粗糙度值为r , 0 0 4 1 m a 的加工。 而f a n u c 公司生产的f a n u cr o b o c u t 一0 p i c 微细电火花线切割机床， 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 采用新开发m f i i 脉冲电源，使得工件表面粗糙度r , 0 0 5 5 1 “m 。此外，a g i e 公司的a g i e c u tv e r t e x 微细电火花线切割机床，采用a g i ei p g 脉冲电 源，可实现表面粗糙度值为r a 0 0 5 9 m 的加工。 2 3 3 稳定的走丝系统 走丝系统是电火花线切割加工的重要组成部分，加工时，走丝系统要保证 电极丝运动过程中不发生振动甚至断丝，还要保证穿丝简单快速，满足高效生 产的需要。对于快走丝电火花线切割加工机床而言，电极丝平整地绕在储丝简 上，电极丝通过换向控制装置作正反向交替高速运动。由于这种走丝方式使电 极丝张力很难实现真正意义上的稳定运动，因此快走丝电火花线切割机床的切 割精度和表面粗糙度要达到较高的水平是非常困难的。对于慢走丝线切割加工 而言，由于加工时电极丝一次使用，而且电极丝在加工时运动速度较慢，因此 容易控制电极丝的张力始终保持恒定，这也是慢走丝电火花线切割加工可以获 得很高的加工精度和表面质量的重要原因。 2 3 4 高精密的伺服进给系统 为了实现高的加工精度，微细电火花线切割还需要十分精确的定位系统和 非常精细的运动控制系统，因此高精度的伺服进给系统是实现微细电火花线切 割加工的必要条件 2 5 - 2 9 j 。它的作用是在加工过程中维持稳定的放电状态，使得 放电蚀除速度与进给速度保持动态平衡。伺服进给系统性能的优劣嘉接决定了 加工状态的稳定性以及工件最终的加工效果，准确判断当前间隙的放电状态， 并实时调节伺服控制系统的控制策略使加工过程稳定是电火花线切割智能控制 系统的关键所在，因此应该引起足够重视p ”“。 在精密伺服进给系统方面的研究上，许多研究机构采用精密的滚珠丝杠传 动部件构成的精密运动工作台，并配以高性能的交流伺服驱动系统来保证进给 精度，从而可以满足生产的需要。对于一些精度要求更高的场合，则采用了微 驱动机构( 比如压电陶瓷电机) 以保证微小、准确的进给【3 4 ”j 。 2 3 5 微小零件的装夹、在线检测系统 随着大批量生产的需要，传统的装夹系统已经不能满足高效生产的要求， 从而提高了生产成本，不利于市场竞争的需要。此外，还有一个重要的原因， 咯尔滨工业大攀工学磺士学位论文 就是在微缩电火花线帮割黯工条 牛下，微小零件锻难进 亍撰确的装夹，龙其对 于那些形状复杂的微小零件，必须进行正确静定位、安装之后才能进行鸯委工。 在加工过程中，微小零件位置及尺寸的在线溺蕊魂是保证船工过程稳定的重要 手段。而这些技术在微细加工条件下是很难实现的。目前国内外针对微小零件 的装夹、在线测量技术的研究已经达到比较成热的阶段，但在某些舆体关键技 术的研究上还存在较大难度。 最毅的微小零件的装夹系统大量采用了计算机的软硬馋技术、检测技术， 从两绩得耨型的装夹系统县骞较离的黍牲秘集成性。尽嚣已经出现了许多有效 的装夹方式，魄热连续、一致牲装夹；辖韵谡试与凇备系统、装夹的自动化操 作、工艺集成囊装夹凡稀方式，而置装夹精度已经达到1 瞰。魏井，为了提高 装夹机构的使用寿命，在装夹机构经常磨损的地方还迸行了涂层处瑾，主要是 将硬度比较高的t i c 或者w c 作为涂层材料。 微小零件的位置与几俺尺寸的在线测量一真是微细电火花加工的关键技 术，也是一个世界性的难点。在这方面，虽然光学测量系统是一种精密的测鳖 技术，但崮于鼗徽缨逛火蕊加工中，放电阗隙提小，光学视镜经掌被工 乍液和 熔融的工件继除耪掰影响，以至予不能准确熬竞残对微小零件数在线测量。因 _ i 鲍，茵外开始采用一释端部携带微小球静橇辍触摸系线1 3 8 - 4 1 ，如图2 - 2 掰示。 a ) 3 d 图像检测几何控制仪b ) 在线检测系统原理囤 图2 - 2 微小零件在线检测系统9 “1 l f i g 2 * 2o n l i n em e a s u r e m e n ts y s t e mo f m i c r op a r t s 2 3 6 其窀关键技术 除了上述分帮彳的微细电火花线稍前船工关键技术之外，决定徽缩迄火花线 切割加工徽细化的关键技术还有许多。眈如对机床结 笱的设计，要求机床缩构 利于加工时热量的散发，避免加工中精密部件的熟变形造成对机床使用寿命隧 啥尔滨工业大学工学硕士学位论文 及加工工艺指标的影响。牧野公司的u p j 一2 精密电火花线切割机床采用有限元 方法进行机床结构设计，使得加工中产生的热量可以及时散发。同时机床配备 的温度控制系统可以保证机床在长时问工作条件下实现温度的精确调节。该机 床的温度控制精度可以达n 士0 5 ，可以对机床的温度变化做出快速的响应并 进行及时调节，从而提高了机床的使用寿命和加工工艺指标。此外，微细电火 花线切割加工对工作环境的要求也非常严格，加工过程需要在无尘、恒温的条 件下进行，而且必须对机床进行隔振处理。总之，各种微细电火花线切割加工 技术的不断研究与应用极大推动了微细电火花线切割加工技术的发展。 2 4 本章小结 本章首先阐述了电火花线切割加工的基本原理和主要特点，并在此基础上 详细介绍了微细电火花线切割加工中的微细电极丝、微能脉冲电源、稳定的走 丝机构、高精密的伺服进给机构、微小零件的装夹、在线检测系统等一系列关 键技术。 哈尔滨工业大学工学碱士学位论文 第3 耄四轴联动微细电火花线切割枧床设计 随着m e m s 技术的成熟应用，目前的两维零件加工已缀逐渐不能满足实际 需要，为了鼹褥蚕笈杂静三缍零佟，裁要求徽绍彀火花线甥害l 瓤臻蝥须具餐多 轴联动功能。本文就是设计一种四轴联动的微细电火花线切割机床。 3 1 四轴联动微细电火花线切割机床的总体结构 微细穰灾花线韬裁税臻与常筑电灾花线窃害l 梳寐设计瓣内容稳差不丈，僵 由于加工方式的不同，在撩制方法及精度爨求上与常规电火花线切割控制系统 还跫有较大差霜懿。在擞缎毫炎兹线援割麓工条臀下，擞，l 、髓量数控割系绞， 以及稳定、可靠的伺服控制进给系统，运动平稳的走丝系统等关键技术是保证 擞缨电火猿线切割机床正嚣搬工黢先决条锋。因此，在结合徽细曦火花线切割 加工关键技术的綦础上，根据对以上徽细电火花加工的特点分柝，设计了台 多轴联动的微细电火花线切割机床，如图3 一l 所示。 图3 - 1 微细电火藏线切割机床 f i g 3 一lm i c r ow i r ee l e e 饿e a ld i s c h 甜g em a c h m e 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 该机床分为机械和电气两大部分，机械部分主要由八个部分组成：恒张力走 丝装置、四轴联动伺服进给装置、v 型块导丝装置、花岗石机床本体、工作 台、控制电柜、在线检测和监测光学系统与工作液循环系统。电气部分包括核 心控制系统、微能可控r c 脉冲电源、恒张力走丝控制电路、压电陶瓷电机驱 动控制电路、放电过程监测电路和接触感知与测量电路六部分，见图3 2 。 机 床 总 体 设 计 机 械 部 分 电 气 部 分 厂恒张力走丝装置 l四轴联动伺服进给装置 l lv 型块导丝装置 i 花岗石机床本体 弋工作台 1 l控制电柜 i i在线检测及监测光学系统 工作液循环系统 核心控制系统 微能可控r c 脉冲电源 恒张力走丝控制电路 压电陶瓷电机驱动控制 放电过程监测电路 接触感知与测量电路 图3 。2 微细电火花线切割机床各组成部分 f i g 3 2c o m p o n e n t s o f m i c r ow i r ee l e c t r i c a ld i s c h a r g em a c h i n e 3 2 恒张力走丝系统设计 走丝系统是微细电火花线切割机床的重要组成部分之一，对于微细电火花 线切割机床而言，其走丝系统的特殊性表现在： ( 1 ) 走丝系统的低速运动性。对于微细电火花线切割加工而言，由于电 厂lj、llil 睦尔滨王韭大掌王学硬士学位论文 极丝直径很小，而且为了提高加工精度和表面质量，要绝对保诞电极丝运动的 稳定，因此电极丝运动速度非常缓慢，仅为1 0 2 0 c m m i n ，这种低速的运动特 毪可鞋保谖瞧投丝懿稳定运行，从蓑农效兹减少了攘交、砖壹缆象麓发生，辍 证了零件粕工的工艺指标。 ( 2 ) 淹丝系统的高稳定性。需要从走丝机构的设计、张力的精确控制等 方面尽量避免电极丝运动中的不稳定域象。 ( 3 ) 羧力控裁鲍蠢精确蛙。对予镦缨龟戈麓线甥割热王纛富，强力夔精 确控制包播两个方面：一个是张力大小的精确控制；一个是张力分布的均匀 性。一般臻求电极丝的张力应该精确控制在5 0 0 9 以下，张力太大将引起断 丝，张力太小会引起电搬丝弯曲从丽蟛晌加工精度。 ( 4 ) 淹丝援i 稳熬赢可靠往。胃纛毪是镑怼走熊辍鞫善部臀翡傻蠲毒禽嚣露 言，微细电火花线切割加工走丝机构释部件无论尺寸精度还是装粥精度都有徽 高的要求，因此对工作环境、操作过程以及维护都商许多严格的蒙求，否则会 减少走丝系统的使魇寿命，或降低走熊系统工作的可靠性。 ( 5 ) 穷丝工 筝静方便挂。要求惫丝系统结 奄篱萃，使震维修方便，特鞠 是穿丝方便。 鉴于以上几点，本文设计了三种恒张力走丝系统，以期通过大量实验比 较，选择一摹孛台适的恒张力走丝系统。 3 2 1 双电机转速差式恒张力走熊系统 在双电机走丝系统题章亍过程中，出于种种愿娥，如静态时熊载的波动，减 速冼秘镑篓簿妻径瓣差嚣，亳辍丝熬强动，动态( 麓动、调逮、翱动) 霹各擎元 机负载转矩和转动惯量的不同，会造成速度差，即线速度不一致，电极丝可能 垂下来或拉得过紧，这就臻求把这种舜常的情况检测出来，经处理后并发出信 号，控制从动电机的转速或线速度使茭协调地运行，从两实现多电枫电气传勰 系统戆强步，烫了实臻蒜奄动辊谤谲蟪运行，要求魄气簧动系统藏、蔟其畜嚣个 调速点，即能公调又髓翻调。所谓公调，就是改变给定信号时备台电动机共嗣 调节，以满足一定调速范围的要求；而自调则是农遮行过程中，电动机之间出 现不协调时褥台电动极蠡己调节，以瀵是系统同步韵要求。 如图3 - 3 为双毫穰转速差式湮强力走丝系统羰瑾示意图。袋薅两个壹滚调 速电机，分别联接在储熊筒l 和储丝筒2 上，当正向运动时，鼠机2 作为收丝 电机带动储煞筒2 顺时针旋转，电机1 作为拖动电机带动储丝筒1 顺时针旋 嗡尔滨工业大学工学磷士学位论文 转：当反向运动时，电机1 作为收丝电机带动储丝简l 逆时针旋转，电机2 作 为撼动电机带动储丝筒2 邀时针旋转。电极丝的移动速度幽两个电机转动的速 度蓑来控制，电极丝的张力大小由拖动电枫的转稚来调节。当加工过程中国现 张力跳动时，安装在走丝机构中的张力传感器就会检测出来，把信号传给迮丝 控翻电路，由走丝控翻窀辫来控毒窀辊l 帮毫& 2 的正反转、转逮及箍动瞧橇 的转矩，从而控制电极丝的移动速度和张力大小，实现电极丝的恒张力控制。 圈3 3 戳电机转滚差式恒张力走丝蘩统缀理图 f i g 3 3s c h e m a t i c d i a g r a mo f d o u b l e m o t o r s r o t a t i o n a ls p e e dd i f f e r e n c e t y p ec o n s t a n t t e n s i o n w i n d i n gs y s t e m 走照控制电路漾理鲡黼3 - 4 搿示，当走丝梳梅中的张力发生交化时，出安 装在走丝桃构中的张力传感器采集到变化信号，缝运放放大后传给a d 转换 嚣，经a d 转换器再簧鲶单片撬，蕈片麓- 袋鹫信号磊，鳋过p i t ) 运算，遽过 逻辑电路平妇h 桥鞭动电路控制拖动电机，实现走蠛张力的闭环控制，从而实现 走缝系绞懿恒张力控制。 圈3 _ 4 双电机转速麓式恒张力走丝系统控制方块图 f 遮3 _ 4b l o c kd i a g r a mo f d o u b l em o t o r sr o t a t i o n a ls p e e dd i f f e r e n c et y p ec o i l s a n tt e n s i o n w i n d i n gs y s t e m 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 双电机转速差式恒张力走丝系统控制程序流程图如图3 5 所示，主要由定 时器、同步异步串行接口通讯、各种中断服务、p i d 运算、p w m 调速、张力 调节、a d 数据采集与转换七大模块组成。 r 程序开始、 0 l 各种参数初始化 0 开中断 0 循环等待 上 r 主程序结束- 3 7 图3 5 双电机转速差式恒张力走丝系统控制程序流程图 f i g 3 5f l o wp r o c e s sc h a r to f d o u b l e n l o t o l sr o t a t i o n a ls p e e dd i f f e r e n c et y p ec o n s t a n tt e n s i o n w i n d i n gs y s t e m 控制系统中高性能单片机采用p i c l 6 f 8 7 7 ，p i c l 6 f 8 7 x 系列单片