（机械制造及其自动化专业论文）气中线切割加工机理及线切割运动仿真研究.pdf

i ， r c l a s s i f l e di n d e x ：t p 6 61 d i s s e r t a t i o nf o rt h em a s t e rd e g r e ei ne n g i n e e r i n g s t u d yo nm e c h a n i s mo fd r y w e d ma n dw e d mm o v e m e n t c a n d i d a t e ： s i m u l a ，1 1 i o n s u p e r v i s o r ： a c a d e m i cd e g r e e a p p l i e df o r ： s p e c i a l t y ： d a t eo f0 r a ie x a m i n a t i o n ： u n i v e r s i t y ： h uz h a n g k u n w a n gt o n g m a s t e ro fe n g i n e e r i n g m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n g a n da u t o m a t i o n m a r c h ，2 0 0 7 h a r b i nu n i v e r s i t yo fs c i e n c e a n dt e c h n o l o g y 66眦53 眦m m 呲i 一8洲y 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文气中线切割加工机理及线切 割运动仿真研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间 独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他 人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：胡辛砷 日期：2 7 年3 月7 日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 气中线切割加工机理及线切割运动仿真研究系本人在哈尔滨理工大学攻 读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨 理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈 尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交 论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影 印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密团，在3 年解密后适用授权书。 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打4 ) 作者签名： 导师签名： 胡聿僻日期：2 加7 年j 月t h 砂彤 日期： 2 7 年3 弱77 日 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 气中线切割加工机理及线切割运动仿真研究 摘要 随着科学技术的快速发展，电火花线切割加工技术向精密微细化、智能 化、个性化、绿色环保化和高效化的趋势飞速前进。气中电火花线切割加工 技术是近几年出现的一项新技术，与传统电火花线切割加工相比，由于具有 加工表面直线度高、放电间隙窄、加工表面无电解腐蚀、加工过程清洁环保 等特点，适用于电火花线切割精加工。 本文概述了传统电火花线切割加工机理和工艺规律；介绍了电火花精加 工多次切割加工工艺及其应用；简单介绍了d k 7 7 4 0 b 型电火花线切割机床 结构、性能参数和控制系统以及2 3 0 2 型测量仪的原理、组成与性能参数； 提出了电火花气液组合多次切割加工工艺并进行了气液组合多次切割加工工 艺试验；优选了符合气液组合多次切割实验的加工参数；通过对比实验证实 了气液组合多次切割加工工艺的优势。 本课题研究中选择典型的被加工材料c r l 2 m o v ，通过气液组合多次切 割试验，进行以下几方面的研究：以加工稳定为前提，寻求气中电火花线切 割精加工的合理加工参数；为了提高高速走丝电火花线切割加工的精度，以 电火花液中多次切割加工及气中线切割加工工艺为依据，设计了电火花线切 割气液组合多次加工试验，并对其粗糙度、直线度进行了对比实验。 对于线切割运动仿真方面，系统地分析复杂直纹曲面电火花线切割加工 运动规律与运动形式；建立了电火花线切割典型系统三轴双旋转联动加 工的数学模型；介绍了转、摆、摆数控工作台工作原理以及o p e n g l 仿真绘 图过程和基本思想；利用v i s u a lc + + 6 0 编程语言及o p e n g l 三维图形软件 标准接口设计开发了三轴双旋转联动加工系统运动轨迹的仿真软件；获得了 初步的虚拟加工结果；总结了空间复杂直纹曲面的仿真软件开发的意义。 关键词气中电火花线切割；多次切割；复杂曲面；运动仿真 a l o n g w i t hs c i e n c ea n d t e c h n o l o g yf a s td e v e l o p m e n t ，w i r ee l e c t r i c a l d i s c h a r g em a c h i n i n g ( w e d m ) t op r e c i s em i c r or e f i n e m e n t ，i n t e l l e c t u a l i z a t i o n ， p e r s o n a l i z a t i o n ，g r e e ne n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n dh i g h l ye f f e c t i v et e n d e n c y r a p i da d v a n c e d r yw e d mi sak i n do fn e w l yd e v e l o p e dt e c h n o l o g y , i nw h i c h g a sh a sb e e nu s e da sad i e l e c t r i c c o m p a r i n gw i t ht h ec o n v e n t i o n a lw e d m ，t h e n e wm e t h o dh a st h ef e a t u r e so fb e t t e rw e d m e ds u r f a c es t r a i g h t n e s s ，s m a l l e rg a p l e n g t h ，n oe l e c t r o c h e m i c a lc o r r o s i o na n dn op o l l u t i o ni nm a c h i n i n g s oi ti s s u i t a b l ef o rw e d m f i n i s h i n g t h i sa r t i c l es u m m a r i z e dt h em e c h a n i s ma n dp r o c e s s i n gr u l e so fw e d m ； i n t r o d u c e dt h ew e d mm u l t ic u t t i n gp r o c e s s i n gc r a f ta n da p p l i c a t i o n ；s i m p l y i n t r o d u c e dd k 7 7 4 0 be n g i n eb e ds t r u c t u r e ，t h e p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r ，t h e c o n t r o ls y s t e ma n d2 30 2m e a s u r i n gi n s t r u m e n t p r i n c i p l e ，t h ec o m p o s i t i o na n dt h e p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r ；r a i s e dd r yw e d mm u l t ic u t t i n gp r o c e s s i n gc r a f ta n d d i dt h ee x p e r i m e n t ；o p t i m i z e dc h o i c et h ep r o c e s s i n gp a r a m e t e r ；c o n f i r m e dt h e s u p e r i o r i t yo ft h i sp r o c e s s i n gt h r o u g ht h ec o n t r a s te x p e r i m e n t i nt h i sr e s e a r c hw ee h o u s e dt h em o d e lt o p r o c e s sm a t e r i a lc r l2 m o v , v e n t i l a t e dt ot h ee x p e r i m e n to fd r yw e d mm u l t ic u t t i n g ，c a r r i e do nf o l l o w i n g s e v e r a la s p e c t st h er e s e a r c h ：t a k et h es t a b l ep r o c e s s i n ga st h ep r e m i s e ，o p t i m i z e d c h o i c et h er e a s o n a b l ep r o c e s s i n gp a r a m e t e r ；i no r d e rt oe n h a n c et h ew e d m h s p r o c e s s i n gp r e c i s i o n ，t a k ew e d mm u l t ic u t t i n gp r o c e s s e sa n dt h ec r a f to fd r y w e d ma st h eb a s i s ，h a sd e s i g n e dt h ed r yw e d mm u l t i c u t t i n gp r o c e s s i n g e x p e r i m e n t ，a n dh a sc a r r i e do nt h ec o n t r a s te x p e r i m e n tt oi t sc r a f tt a r g e t r e g a r d i n gw e d m m o v e m e n ts i m u l a t i o na s p e c t ，s y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e st h e c o m p l e xr u l e d s u r f a c ew e d mc u t t i n gp r o c e s s i n gl a wo fm o t i o na n dt h e m o v e m e n tf o r m ；h a se s t a b l i s h e dw e d mc a n o n i c a ls y s t e m t h et h r e e a x l ea n d i i d o u b l e 。r o t a t i n gt h el i n k a g ep r o c e s s i n gm a t h e m a t i c a lm o d e l ；i n t r o d u c e dt r a n s f e r s 。 s u s p e n d s ，s u s p e n d st h en u m e r i c a le o n t r o lw o r kt a b l ep r i n c i p l eo fw o r ka n dt h e o p e n g ls i m u l a t i o nc a r t o g r a p h yp r o c e s sa n dt h eb a s i ct h o u g h t ；h a sd e v e l o p e d t h et h r e e 。a x l ea n dd o u b l e r o t a t i n gt h el i n k a g ep r o c e s s i n gs y s t e mp a t hs i m u l a t i o n s o f t w a r eu s i n gt h ev i s u a lc + + 6 0p r o g r a m m i n gl a n g u a g ea n dt h eo p e n g l t h r e e d 】m e n s i o n a l g r a p hs o f t w a r es t a n d a r dc o n n e c t i o n ；o b t a i n e dt h ep r e l i m i n a r y h y p o t h e s i z e dp r o c e s s i n gr e s u l t ；s u m m a r i z e dt h es i g n i f i c a n c ew h i c ht h es p a c e c o m p l e xr u l e ds u r f a c es i m u l a t i o ns o f t w a r ed e v e l o p s k e y w o r d sd r yw e d m ；m u l t ic u t t i n g s ；c o m p l e xc u r v e d s u r f a c e ；m o v e m e n t s i m u l a t i o n i i i 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 目录 摘要。i a b s t r a c t i i i 第l 章绪论1 1 1 电火花线切割加工技术的发展现状1 1 2 气中电火花线切割加工技术的研究。4 1 3 复杂曲面电火花线切i - t t i 工技术的研究6 1 4 课题研究目的、来源及其内容。8 第2 章电火花线切割加工机理9 2 1 电火花线切割加工的物理模型9 2 1 1 单次放电模型- 9 2 1 2 重复放电模型1 1 2 1 3 电极丝受力分析1 1 2 2 电火花线切割加工的原理及应用1 2 2 2 1 电火花线切割加工原理1 2 2 2 2 电火花线切割加工工艺特点及应用范围1 3 2 3影响液中高速走丝电火花线切割工艺指标的因素。1 4 2 3 1 电参数对工艺指标的影响1 4 2 3 2 非电参数对工艺指标的影响1 7 2 4 电火花线切割加工参数的选择1 8 2 5 电火花线切割多次切割加工工艺1 9 2 5 1 电火花多次切割工艺简介1 9 2 5 2 多次切割工艺的应用2 0 2 6 本章小结2 1 第3 章电火花线切割气液组合多次切割实验设计2 2 3 1 电火花线切割气液组合多次切割加工工艺的提出2 2 3 1 1 加工中亟待解决的问题及其解决方案2 2 3 1 2 高速走丝多次切割加工的可行性分析2 3 。3 1 3 高速走丝电火花气液组合多次切割工艺2 3 3 2 气中电火花线切割实验设备及测量仪器2 4 2 4 2 7 2 9 3 0 3 1 3 1 3 2 3 2 3 3 3 3 3 5 4 2 3 第三、四次气中精加工3 7 。 4 3 多次加工实验3 8 4 3 1 气液组合多次切割与单次切割加工的对比3 9 4 3 2 不同介质下多次切割加工的对比4 0 4 4 实验结论及展望4 l 4 5 本章小结4 2 第5 章电火花线切割复杂曲面加工系统运动仿真4 3 5 1 复杂直纹曲面电火花线切割加工运动规律分析4 3 5 1 1 复杂直纹曲面电火花线切割加工运动参数4 3 5 1 2 复杂直纹曲面电火花线切割加工运动形式分析4 4 5 2 三轴双旋转联动运动系统数学模型的建立4 7 5 2 1 一般通用数学模型的建立4 8 5 2 2 几种典型三导线曲面数学模型5 0 5 3 转、摆、摆数控工作台介绍5l 5 3 1 工作原理和工艺动作分解5 1 5 3 2 机械运动示意图。5 2 5 4o p e n g l 仿真绘图及其基本思想5 3 5 4 1o p e n g l 简介5 3 5 4 2 仿真绘图的基本思想5 4 5 4 3 开发平台、程序设计方法及仿真编程语言的选择5 5 5 5 仿真软件开发过程5 6 5 5 1 数学模型的处理5 6 。5 6 5 8 6 1 6 1 6 ：! 6 4 6 6 。6 9 7 0 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 电火花线切割加工技术的发展现状 目前，电火花线切割加工技术已经成为模具和一些特殊形状与难加工高硬 度材料零件加工的重要手段之一。许多制造电子、仪表、电机、电器甚至汽车 和拖拉机以及飞机、火箭零件所用的模具或者空间形面零件本身采用电火花线 切割加工之后就可以直接使用。可以说电火花线切割是一种高精度的加工方 法，在模具制造、成型刀具加工、难加工材料和精密复杂零件的加工方面得到 广泛的运用。 电火花线切割加工时，在电极丝和工件之间进行脉冲放电。电极丝接脉冲 电源的负极，工件接脉冲电源的正极。当来一个脉冲时，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 0 0 0 0 。c 以上，高温使 工件金属熔化，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，这气化后的工作液和金属蒸汽瞬间迅速膨胀，并且有爆炸的特性。这 种热膨胀和局部微爆炸，抛出熔化和气化了的金属材料而实现对工件材料进行 电蚀切割加工n 1 。 随着科学技术的不断进步，各行各业，尤其是模具加工和宇航工业以及微 电子工业的发展，对材料提出了越来越高的要求。机械制造行业不断遇到高硬 度、高韧性、高熔点等难加工材料以及特殊结构，特别是复杂曲面零件的机械 加工难题妇儿驯。这些问题的解决极大地促进了电火花线切割加工技术的发展。 同时，对电火花线切割加工技术的研究在近十年来得到了突飞猛进的发展，从 而促进了电火花线切割加工新方法、新工艺的不断出现，扩大了电火花线切割 加工的工艺范围。 而且，现代制造技术及其相关技术为电火花线切割加工技术的发展提供了 良好机遇。柔性制造、人工智能技术、网络技术、敏捷制造、虚拟制造和绿色 制造等现代制造技术正逐渐渗透到电火花线切割加工技术中来，给电火花线切 割加工技术的发展带来了新的生机h 儿引。近年来，国内外很多研究机构对电火 花线切割加工技术进行了大量的研究，并且在许多方面取得了显著进展。 从国内情况看，我国的电火花线切割加工技术发展迅速，尤其是我国特有 的快走丝电火花线切割机床结构简单、价格低廉，各方面指标都有了较大的提 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 高。其最大加工速度已经达到2 2 6 m m 2 m i n ，表面粗造度最好水平为 r 。0 5 p m ，通常可达尺。2 口n ，尺寸精度可以达到0 o l m m 。但是，与国外发 达国家相比，我国的电火花线切割技术尚有差距。一些发达国家，特别是日本 和瑞士等国的电火花线切割加工机床，自动化程度高，功能多，加工过程稳定 可靠，加工工艺指标高，加工综合质量好。它们的最大加工速度达到了 5 0 0 m m 2 m i n ，尺寸精度可以控制在2 p m 之内，加工表面粗糙度小于 尺。0 2 p m 。而且，国外的这些电火花线切割加工机床一般还配有比较完善的加 工过程监控装置，能够实现自动穿丝，连续无人工作时间一般可达1 0 0 小时以 上，最好的可达1 5 0 小时以上m 儿 抽】【9 】。 瑞士阿奇公司的a g i ec u tp r o g e s s 开发的e c u t 电源在加工效率为 3 5 0 5 0 0 m m 2 m i n 的情况下，加工表面粗糙度可达r 。0 8 p m 。第一次高效切割 就能达到表面糙度r 。0 8 p m 水平，对于最终实现精密加工的多次切割来说，与 过去相比，可节省5 0 的加工时间，减少约4 0 的滤芯消耗、4 0 的树脂消 耗、6 0 的丝材消耗，具有明显的技术经济效益和较大的实用价值。我国苏州 电加工机床研究所和苏州三光科技有限公司，其d k 7 6 系列产品在国内具有领 先水平。以苏州三光的d k 7 6 3 2 为例，该机床开发的高峰值电流( 近千安培) 、 窄脉宽( 纳秒级) 、无电解、无限流电阻电源，使最大加工速度达到 3 5 0 r a m 2 m i n ，最佳表面粗糙度可达r 。0 3 a n ；无电解加工技术为消除工件变 质层，提高加工表面质量创造了条件：取消放电回路限流电阻和功率释放电 阻，不但可简化结构，而且与有电阻相比，可节能4 0 - - 一6 0 ；机床还具有工 艺数据库和多任务网络通讯等特点n 引。 多次切割快走丝电火花线切割机床可以较大程度地提高了加工工艺水平。 提高加工精度实现多次切割的主要应解决的技术问题有：加工过程中电极丝空 间形位变化的控制，采用高耐磨性的导向装置、恒张力的控制机构以及采用走 丝速度程控调节等措施，为实现多次切割创造了有利条件；窄脉宽、高峰值电 流的新型脉冲电源是提高多次切割工艺水平的重要条件；还有如采用短程往复 走丝、改变跟踪控制方法、进行系统工艺试验开发多次切割软件等。提高机床 的运动精度对任何h s w e d m 机床都重要，但对多次切割的h s w e d m 机床 更重要。苏州新火花的多次切割h s w e d m 机床，3 次切割能获得表面粗糙度 r 。1 2 彬，平均加工速度为5 0 m m 2 m i n ，加工件表面光泽，无切割条纹。 单次切割的最大加工效率可达1 4 0 m m 2 m i n ；上海大量t p 系列多次切割机进 行3 次切割后表面粗糙度r 。1 0 p m ，加工精度( 尺寸差) 6 0 a n n 0 1 。 随着生产领域对电火花加工技术需求的不断增加，近几年电火花线切割加 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 工技术的发展主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 新型的走丝系统除了能保证加工过程稳定及自动穿丝等传统的要求之 外，还能在保证加工精度的前提下提高加工效率。为防止断丝以保证加工过程 的稳定性，国外许多走丝系统都配备了针对断丝情况的预报及在线检测技术。 目前的断丝预报与在线检测技术大量采用了神经网络、时间序列等理论n 。 ( 2 ) 自动化、人工智能技术随着计算机软硬件技术、电力电子技术、网络 技术等相关技术的发展，电火花线切割加工的自动化程度越来越高，而人工智 能技术的出现更是把电火花线切割加工推向了新的发展。高度自动化、人工智 能的控制系统，自动化、人工智能技术一直是电火花线切割加工技术追求的目 标，自动化程度的高低直接决定了加工效率和加工精度n 。 ( 3 ) 微细电火花线切割加工目前微细电火花线切割加工技术主要应用在以 下几个方面：微细电极丝的电火花线切割加工，采用微细电极丝加工可获得 更好的加工表面与加工精度，且特别适用于微小零件窄槽、窄缝的加工，目前 已成功采用直径为2 5 _ 0 n 的电极丝进行切割。微小零件的电火花线切割加 工，一直是微细w e d m 加工的追求目标。目前已成功采用直径为1 0 0 p r o 的电 极丝加工外径为2 5 m m 的齿轮泵，零件的尺寸精度为1 5 1 t r n ，表面粗糙度为 r a o 1 5 t m 。微细成形电极的电火花线切割加工，可加工高精度的成形电 极，重复精度在1 a n 之间n 。 ( 4 ) 高效化电火花线切割加工技术近年来在提高电火花线切割加工效率方 面有了新的突破。以往直线电机主要用在加工中心上，目前直线电机已在日本 沙迪克公司的w e d m 机床上广泛应用。直线电机的使用使传动结构简单，不 用滚珠丝杠没有传动间隙，能实现高速度、高加速度移动，满足了加工高速响 应的特别要求n 。 瑞士阿奇夏米尔公司最新推出的线切割机，最大切割速度为 5 0 0 m m 2 m i n 。该公司生产的某系列电火花线切割机，不仅使用了先进的 “c l e a nc u t ”新型脉冲电源，还配备了小型h s r - 5 机器人，使其加工速度和其他 性能有了大幅度提高，成为目前电火花线切割机世界先进水平的代表之一。采 用高效节能脉冲电源，日本三菱公司开发的f p i i 电源在保持了优良加工性能 的基础上，大幅度降低了电能的消耗，能源效率提高到近7 0 的水平n 羽。 ( 5 ) 绿色电火花线切割加工技术随着环保意识不断增强和环保法律的逐渐 健全，绿色产品逐渐成为未来产品市场上的主旋律，绿色制造正在成为一种新 的制造战略u 引。 使用气体介质和水基工作液。目前，绿色工作液可分为两种类型，一种是 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 水基工作液，另一种是气体介质。水基工作液主要分为两种，一种是自来水和 去离子水，另一种是添加有机物的水基工作液。以气体为介质的电火花加工技 术的研究以日本农工大学国枝正典( k u n i e d am a s a n o d ) 教授为代表，日本富山 大学还利用压缩空气作介质放电成形。 因此，进一步研究快走丝线切割加工技术，扩大其加工艺范围，尤其是利 用计算机等高科技工具和先进的科学方法来提高我国电火花线切割技术水平， 缩短同发达国家的差距，不仅具有重要的理论意义，而且具有显著的经济和社 会效益。 1 2 气中电火花线切割加工技术的研究 在世界性提倡生态环境保护的浪潮中，为了从生产的源头扼制污染的产 生，各国的制造业也正在向清洁生产模式方向上努力。例如，从控制使用切削 及磨削液出发，开展了冷风切削加工及冷风磨削加工研究n 劓，并将其应用于生 产线中。为了避免油加工液对人身的危害及火灾的发生，进行了水加工液电火 花加工的研究n 5 1 ，以及与水配合使用的添加剂研究n 引。日本的谷村等还进行了 水雾电火花加工研究n 。其特点为：减少了火灾的危险；使机床更加紧凑。由 于其加工间隙内仍存有水液，其加工特性仍然与用水加工液时相似。总之，上 述的电火花加工中始终没有脱离开使用加工液，因此也不可能从根本解决使用 加工液时存在的问题。 针对在加工液中进行电火花加工所存在的问题，以国枝正典教授为首的东 京农工大学国枝研究室，于1 9 9 5 年前后开展了气中( 干式) 电火花加工研究。所 谓气中电火花加工，是指用高速气体流替代传统的加工液，实现加工间隙内加 工屑的排出及起冷却作用的一种新加工方法“阳n 引。由于不使用加工液进行加 工，它又称为干式电火花加工。气中电火花加工的最大优点在于它是一种清洁 的加工方法。通过实验研究发现，相对与传统液中电火花线切割加工，气中电 火花线切割加工凭借其加工表面直线度高、工具电极损耗小、加工作用力小、 放电间隙窄、面变质层薄、加工表面无电解腐蚀、加工过程清洁环保等优点， 更适用于电火花线切割精加工工艺幢们眩。 日本电加工学会前会长增迟隆久教授，在第1 2 届国际电加工学会的主题报 告中，将气中电火花加工列为日本开发的最有发展前途和对未来电火花加工有 影响的新技术之一。他指出：“该项技术目前仍处于开发的初始阶段，但是由 于它消除了加工油液产物对环境的污染，期望其及早获得实际应用，达到电火 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 花清洁加工的目的乜2 抑。中国机械工程学会电加工分会副理事长赵万生教授， 发表文章认为：“上世纪9 0 年代中期，日本东京农工大学国枝正典博士等开展 了气中电火花加工技术较为深入的研究，并取得了令人振奋的实验结果，如果 能实现真正意义上的气中放电加工，将无疑对电火花加工工艺和设备本身产生 革命性的变化n 羽。 传统的低速走丝电火花线切割加工一般采用去离子水作为工作液。使用去 离子水进行加工时，会发生电解腐蚀，在工件表面上产生微空洞心引。此外，在 液中加工时，由于高柔性的电极丝受到较大的静电力和放电爆炸力作用，容易 使加工面沿厚度方向产生较大的形状误差。因此，在低速走丝线切割加工中， 通常采用逐步降低脉冲宽度等加工参数的多次切割的工艺方法，来提高加工精 度。但是在较大的静电力和放电爆炸力的影响下，将影响加工精度的进一步提 高。针对以上问题，日本东京农工大学国枝研究室继气中电火花型腔加工，于 1 9 9 9 年又进行了低速走丝气中电火花线切割的开发研究工作。试验使用 s o d i c kb f 2 8 0 l 型低速走丝电火花线切割机床，在去离子水及多种气体介质 ( 大气、压缩空气、压缩氧气) 中，采用相同的参数，对模具钢及硬质合金材 料进行了精加工对比实验，实验结果表明： 1 气中电火花线切割加工的放电间隙比传统的液中加工时窄n 鲥； 2 气中电火花线切割加工的优点为加工时的直线度明显优于液中加工心叭； 3 气中电火花线切割精加工时的表面粗糙度与液中加工接近心： 4 气中电火花线切割精加工时的加工速度比液中加工时低艟4 1 。 哈尔滨理工大学于2 0 0 1 年开始，在国家自然科学基金项目“干式电火花线 切割机理及应用研究( 5 0 1 0 5 0 0 3 ) ”的资助下，开展了气中电火花线切割加工 研究。 首次采用我国特有的高速走丝电火花线切割机床( 苏州沙迪克三光公司生 产的d k 7 7 4 0 b 型线切割机床) 成功地进行了气中电火花线切割精加工的尝试 性实验，证明高速走丝气中电火花线切割精加工是可行的，并且得出了以下结 论： 1 高速气中电火花线切割加工中的放电间隙比使用乳化液加工时小心5 儿2 6 。； 2 大气中进行高速电火花线切割精加工钢材时，普遍较用乳化液加工时的 加工速度高，而且十分明显的超过低速电火花线切割精；臼n - r 时的加工速度乜7 1 。 结合高速走丝电火花线切割多次切割试验的结果可以认为，有望在未来的 高速走丝电火花线切割机床上将气中多次切割工艺推向实际应用啪2 9 1 。 采用低速走丝电火花线切割机床( 苏州沙迪克三光公司制造的d k 7 6 3 2 型 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 电火花线切割机床) ，针对典型模具钢材料c r l 2 m o v 开展了气中电火花线切割 精加工实验研究。为研究电参数、走丝速度等工艺参数对放电间隙、加工质量 ( 表面粗糙度、直线度) 及加工速度的影响，并探讨低速走丝电火花线切割精 加工的合理加工参数，在大气和去离子水两种介质条件下采用相同的加工参 数，对模具钢c r l 2 m o v 进行线切割精加工比较实验，并得出如下结论： 1 在其它加工条件相同情况下，气中加工的直线度都明显优于水中加工； 气中加工的放电间隙都比水中的窄；气中加工的表面粗糙度值与水中加工相 近。 2 在其它加工条件相同情况下，气中加工的加工速度都比水中加工低，而 适当选用较高的走丝速度有利于提高气中加工速度。 3 在两种加工介质中，随着伺服进给速度的减小，以正常加工为前提的伺 服基准电压取值范围( 简称伺服基准电压可用范围) 都变窄；而且气中的伺服 基准电压可用范围比液中宽。 4 与液中电火花加工相比，伺服电压的变化对气中加工的评价指标的影响 均较小啪】。 1 3 复杂曲面电火花线切割 j n - r 技术的研究 目前，电火花线切割加工技术已经成为模具加工的重要手段之一。但是， 有不少的模具却要求有落料角或上下两个截面具有不同的形状，这就给电加工 界提出如何实现锥度或复杂曲面电火花线切割的问题。随着人们的不断探索和 对这类问题的解决，推动了复杂曲面电火花线切割加工技术的发展。 在国产快走丝电火花线切割机床上利用附加装置可以实现锥度切割或复杂 直纹曲面零件的加工。其小的锥度切割装置可以分为单臂移动式、摆动杠杆式 和双臂移动式三类。以上三类锥度切割装置都是通过步进电机控制线切割丝架 使导轮带动电极丝产生偏移来实现锥度切割的，所以统称为偏移式丝架结构装 置。此外，电加工界的科技人员采用靠模补偿两次加工法也达到了在国产快走 丝线切割机床上加工锥度或其他复杂( 直纹) 曲面零件的目的。利用偏移式丝架 结构装置或靠模补偿两次加工法，它们的加工原理部是通过改变电极丝的倾斜 角度来实现锥度切割的。但是，由于受走丝系统自身条件的限制，只能完成小 斜度零件的加工。要加工大斜度或复杂直纹曲面零件，还需要另想办法幢儿引。 哈尔滨量具刀具厂研制了一个数控回转台，利用它在数控电火花线切割机 床上成功地加工出了阿基米德螺旋线凸轮。苏州三光厂设计了数控回转工作 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 台，作为商品线切割机床的附件，可用以切割凸轮和分度。利用他们开发的斜 度切割装置在电火花线切割机床上完成了锥度切割哺删。上海第七纺织机械厂利 用数控回转台装置在线切割机床上加工复杂曲面零件，也取得了一定的成绩。 国营五二三厂在电火花线切割机床上安装了一台分度装置，利用电火花线切割 方法加工高强度、高硬度和高韧性金属材料零件，保证了产品的质量要求。不 仅扩大了线切割机床的应用范围，同时也为加工某些复杂曲面零件提供了新的 途径。 哈尔滨工业大学研制的两轴数控转摆工作台，可以在电火花线切割机床上 加工出一些形状复杂，上、下表面异形的空间直纹曲面零件。利用该装置可以 切割加工出3 0 。斜面的零件，从而拓宽了国产快走丝数控电火花线切割机床的 应用范围。其博士研究生周正干和麦山在他们攻读博士学位期间，利用他们研 制的装置和系统，在线切割机床上加工出了一些具有实用价值的复杂空间直纹 曲面零件b 。 苏州长风机械总厂生产的d k 系列数控电火花快走丝线切割机床的切割斜 度1 2 。苏州沙迪克三光机电有限公司生产的d k 系列数控电火花快走丝线切割 机床也可以实现1 2 。的切割斜度。深圳福斯特数控机床有限公司生产的f s t 系 列数控电火花线切割机床的切割斜度可达3 6 。苏州金马机械电子公司生产的 d k 系列数控电火花快走丝线切割机床最大切割锥度可达8 0 “捌。 国外生产的电火花线切割机床主要为慢速走丝线切割机床。由于这些慢速 走丝线切割机床结构和工艺上的特点，可以很容易地在电极丝上增加两个电机 ( u 和v 电机) ，驱动电极丝导向器沿两个相互垂直的方向运动，使电极丝倾斜 一定的角度而实现锥度切割。慢速走丝线切割机床装有电极丝恒张力调整机 构，可以保证电极丝倾斜较大的角度而不被拉断，因此，能加工较大锥度( 最 大锥度可达3 0 。) 的零件阻3 1 。 日本牧野公司生产的e c 3 1 4 1 型线切割机床采用刚性龙门框架结构形式， u 、v 、z 轴装在横梁上，再加上两端固定式上下导向装置，在加工时除了工作 台x 、y 轴移动外，u 、v 、z 轴可以同时移动，可以加工高精度的三维曲面零 件。日本三菱电机有限公司生产的f 系列线切割机床利用锥度加工装置也可以 加工空间曲面零件。获日本专利j p 5 9 7 6 7 2 6 的电火花线切割机床，可以实现一 些特殊要求的复杂空间曲面零件的线切割加工m 1 。 瑞士a g i e 公司生产的电火花线切割a g i ec u t1 0 0 d 、2 0 0 d 和3 0 0 d 等系 列机床，由微机控制五轴进行切割，切割锥度可达3 0 。可以比较容易地加工 直立面、锥面、圆锥面、上下异半径圆弧过渡面、离散坡面和连续变坡面等复 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 杂曲面零件。瑞士c h a r m i l l e s 公司开发的r o b o f i l 2 9 0 、3 0 0 、5 0 0 等系列 慢速走丝电火花线切割机床，被认为是目前世界上线切割机床水平的代表。在 r o b o f i l 线切割机床上，利用五轴联动可以加工各种复杂曲面零件n 引。 1 4 课题研究目的、来源及其内容 在我国高速走丝电火花机床广泛应用在模具加工及精密零件制造工业。但 由于高速走丝通常采用单次加工工艺，致使加工精度难以进一步提高，另外传 统高速走丝机床在进行复杂曲面的加工方面存在局限性。所以，急需开展高速 走丝线切割多次切割加工工艺的研究，并进行复杂直纹曲面加工技术的研究。 气中电火花线切割加工技术是近几年出现的一项新技术，加工中以气体介 质取代液体加工介质。与传统电火花线切割加工相比，由于具有加工表面直线 度高、放电间隙窄、加工表面无电解腐蚀、加工过程清洁环保等特点，适用于 电火花线切割精加工。另外，高速走丝气中电火花线切割精加工的加工速度明 显高于乳化液中的加工速度，为我国特有的高速走丝电火花线切割机床的精加 工提供了一条新途径。 本课题在高速走丝电火花线切割液中多次切割加工工艺及气中线切割精加 工工艺的基础上，开发了高速走丝电火花线切割气液组合多次切割加工工艺 ( 第一、二次切割采用液中加工，第三次采用气中切割) ；并对复杂直纹曲面电 火花线切害- u ：j i 工过程进行了运动分析及仿真的研究。为提高高速走丝线切割加 工质量及拓宽复杂曲面加工范围提供了新途径。 本课题来源于黑龙江省自然科学基金项目“高速走丝气中线切割精加工机 理及应用研究( e 2 0 0 5 2 0 ) ”和黑龙江省教育厅科技项目“高速走丝气中电火花线 切割精加工机理研究( 1 0 0 5 1 0 4 6 ) ”。 研究内容主要从选择典型的被加工材料c r l 2 m o v ，进行气中与液中加工 的对比实验着手，进行以下几方面问题： 1 探讨在高速走丝电火花线切割加工中，采用多次切割工艺所应具备的条 件及对现有工艺的改进措施； 2 尝试进行线切割气液组合多次切割工艺研究，分别探讨第一次切割、第 二次切割及第三次切割的影响规律及提高加工质量的措施l 3 系统地分析复杂直纹曲面电火花线切割加工运动规律，建立了相应的运 动数学模型，编制模拟复杂曲面电火花线切割加工过程的仿真软件，获得初步 的虚拟加工结果。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第2 章电火花线切割加工机理 电火花加工( e 1 e c t r i c a ld i s c h a r g em a c h i n i n g 简称e d m ) 是在加工过程中，使 工具和工件之间不断产生脉冲性的火花放电，靠放电时局部、瞬时产生的高温 把金属蚀除下来。而电火花线切割加工( w hc u te d m ，简称w e d m ) 是在电火 花加工的基础上于2 0 世纪5 0 年代末最早在前苏联发展起来的一种新的工艺形 式，采用线状电极( 钼丝或铜丝) 靠火花放电对工件进行切割，故称为电火花线 切割。 火花放电时，电极表面的金属材料究竟是怎样被蚀除下来的，这一微观的 物理过程也就是电火花加工的物理本质，或称机理。了解这一微观过程，有助 于掌握电火花加工工艺的基本规律，对脉冲电源、进给装置、机床设备等提出 合理的要求。 2 1 电火花线切t u r n 工的物理模型 电火花线切割加工的物理模型可看作单次放电蚀除的海量叠加。从很多实 验资料来看，每次电火花放电的微观过程也比较复杂的，它是由电场力、磁 力、热力、流体动力、电化学和胶体化学等综合作用的过程。 2 1 1 单次放电模型 由于每次脉冲放电的作用时间很短，放电间隙又f i p j , ，在加工区中进行着 电、磁、热、流体动力等各种激烈的变化过程，所以电火花加工的机理相当复 杂，人们对它的认识还有待深化。目前一般认为，单个脉冲放电的物理过程由 下列四个连续阶段组成。 1 介质问的电离、击穿，形成放电通道当脉冲电压施加于工具电极与工件 之间时，两极之间立即形成一个电场。随着极间电压的升高或是极间距离的减 小，极间电场强度也将随着增大。当阴极表面某处的电场强度增加到 1 0 5 v m m ( 1 0 0 v o n ) 左右时，就会产生场致电子发射，由阴极表面向