（机械制造及其自动化专业论文）高速走丝电火花多次切割精度及表面质量研究.pdf

n a n j i n gu n i v e r s i t yo f a e r o n a u t i c sa n d a s t r o n a u t 砀eg r a d u a t es c h o o l c o l l e g eo fm e c h a n i c a la n de l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g r e s e a r c ho nt h ec u t t i n ga c c u r a c ya n ds u r f a c e q u a l i t yo fm u l t i - - c u t t i n gi nh s w e d m a 砀e s i si n m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g b y z h a n g y a n a d v i s e db y p r o f e s s o r l i uz h i d o n g s u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n t o ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g j a n u a r y ，2 0 1 0 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外， 本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所 涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均己在文中以明确方式标 明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许 论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：盈奎色 e l期：如口参侈 南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 高速走丝电火花线切割机床由于性价比高及运行费用低等优势在机械加工领域得到了广泛 的应用，但其在多次切割中存在的切割精度不稳定及表面质量欠佳的问题一直制约着该技术的 发展，也影响了其在精加工领域的应用。目前高速走丝电火花多次切割过程中存在问题有：首 先，复合工作液条件下电极丝是否是间隙放电直接影响了多次切割精度能否稳定这一关键问题； 其次，由于多次切割的实际修正量直接影响到多次切割的绝对尺寸精度，实际修正量与理论修 正量的关系有待明确；再次，由于工作液中不可避免地存在电解质，多次切割加工表面有电解 腐蚀层的出现，直接影响工件的使用寿命；最后，由于受到目前脉冲电源的限制，多次切割表 面粗糙度一直没有明显的降低，与低速走丝电火花线切割相比仍然存在较大的差距。这些问题 的出现都直接影响了高速走丝电火花线切割机床在精加工领域的应用。针对上述问题，本文的 主要工作如下： 1 ) 研究了复合工作液条件下高速走丝电火花线切割的放电机理，通过理论分析和试验证明 在放电过程中并没有钝化膜的出现，电极丝与工件之间是间隙放电，为后续对多次切割工艺的 进一步研究打下基础。 2 ) 研究了复合工作液条件下高速走丝电火花多次切割的实际修正量的影响因素及规律，指 出脉宽、加工电流等电参数以及限位棒间电极丝跨距、实际进给速度、丝速等非电参数对实际 修正量有较大影响，而脉间和电极丝张力对实际修正量的影响不明显，结合工艺试验指出在综 合考虑第一次与最后一次切割放电间隙差异的情况下多次切割的实际修正量与理论修正量是相 吻合的。 3 ) 利用有限元分析方法对最后一次切割放电能量下所能达到放电凹坑的深度进行仿真，分 析了表面粗糙度r a 与放电凹坑深度h 之间的关系；将仿真结果与实际试验结果进行比较，仿 真分析的结果对试验工艺方法的改进具有指导作用。 4 ) 研究了多次切割条件下的表面质量，提出了在最后一次切割过程中采用负极性加工以避 免多次切割表面电解腐蚀层出现的工艺方法，并通过采用在多次切割的最后一次切割中使用压 缩空气和火花油为冷却介质进行负极性加工以降低最后一次切割的放电能量的工艺方法，达到 提高多次切割表面质量的目的。 关键词：高速走丝，多次切割，修正量，有限元分析，温度场，表面质量 i n t e r v a la n dw i r et e n s i o nh a v en oo b v i o u se f f e c to nt h ea c t u a lc o m p e n s a t i o n t h ee x p e r i m e n t sr e s u l t s i n d i c a t et h a tt h ea c t u a lc o m p o s i t i o ni si d e n t i c a lw i t ht h et h e o r e t i c a lc o m p o s i t i o na f t e rc o n s i d e r i n gt h e d i f f e r e n c eo fd i s c h a r g eg a pb e t w e e nf i r s tc u t t i n ga n dl a s to n e s 3 ) t h e r i n o a n a l y s i sw a sc a r r i e do u ti nt h el a s tc u t t i n go fm u l t i - c u t t i n gt oa n a l y z et h em a x i m u m d e p t ho fd i s c h a r g ec r a t e r , a n dt h e ni n d i c a t et h eo p t i m u ms u r f a c er o u g h n e s sw h i c hc a no b t a i ni nt h e m u l t i - c u t t i n gs u r f a c ei nh s w e d m c o m p a r i n gt h es i m u l a t i o nr e s u l tw i t he x p e r i m e n tr e s u l t ，t h e s i m u l a t i o nr e s u l tp l a y sag u i d i n gr o l et ot h ei m p r o v e m e n to f t e c h n i q u e 4 ) m u l t i - c u t t i n g ss u r f a c eq u a l i t yh a sb e e nr e s e a r c h e d p r o p o s e dt h er e v e r s e dp o l a r i t ym a c h i n i n g m e t h o dt oa v o i dt h ee l e c t r o l y t i cc o r r o s i o nl a y e r n e wm e t h o d st h a tr e v e r s e dp o l a r i t ym a c h i n i n gb y u s i n gn o n i o nk e r o s e n eo rc o m p r e s s e da i ra sw o r k i n gm e d i u mi nt h el a s tc u t t i n gh a v eb e e nc a r r i e do u t w h i c he n a b l et or e d u c ep u l s ee n e r g yo ft h el a s tc u t t i n gt oo b t a i nl o ws u r f a c er o u g h n e s s k e yw o r d s ：h s w e d m ，m u l t i - c u t t i n g ，c o m p o s i t i o n ，a n s y sf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，t e m p e r a t u r e f i e l d ，s u r f a c eq u a l i t y l i 南京航空航天大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目j 素i i i 图表清单 第1 章绪论1 1 1 电火花线切割技术简介1 1 1 1 加工原理l 1 1 2 加工特点及应用范围2 1 1 3 国内外发展现状3 1 1 3 1 脉冲电源3 1 1 3 2 机械系统4 1 1 3 3 加工控制5 1 1 3 4 我国电火花线切割技术的发展趋势及主要任务一6 1 2 电火花线切割多次切割技术7 1 2 1 多次切割技术的提出7 1 2 2 多次切割技术的优势j ：8 1 2 3h s w e d m 多次切割的条件及实现8 1 3 论文研究的背景1 1 1 4 论文选题的意义及研究的内容1 2 1 4 1 论文选题的意义1 2 1 4 2 论文研究的内容1 2 1 5 试验设备和测量仪器1 3 第2 章多次切割极间放电机理分析1 5 2 1 脉冲放电线切割加工的本质1 5 2 2 线切割加工工作液1 5 2 3 放电机理1 7 2 4 多次切割的极间状态2 2 2 4 1 放电间隙2 3 2 4 2 极间状态2 5 高速走丝电火花多次切割精度及表面质量提高技术 2 4 - 3 走丝速度的影响 2 5 本章小结 第3 章h s w e d m 多次切割修正量的研究。 3 1 多次切割的修正量 3 2 多次切割实际修正量的影响因素 3 2 1 试验条件 3 2 2 电参数对实际修正量的影响规律 3 2 - 3 非电参数对实际修正量的影响规律 3 3 实际修正量与理论修正量的关系 3 3 1 验证试验的试验条件 3 3 2 试验结果 3 - 3 3 实际修正量与理论修正量关系 3 4 本章小结 第4 章多次切割表面温度场有限元分析 4 1a n s y s 有限元分析软件介绍3 7 4 2a n s y s 热分析单元简介h 2 1 3 8 4 3 模型的建立4 0 4 3 1 数学模型的建立4 0 4 3 2 物理模型的建立4 0 4 3 3 热流密度载荷4 1 4 3 4 初始和边界条件4 2 4 3 5 材料的选取与建模4 3 4 4 单脉冲温度场分析及试验验证4 4 4 4 1 温度场模拟结果与分析4 4 4 4 2 实际工艺试验结果与仿真结果对比4 7 4 5 本章小结4 9 第5 章多次切割表面质量提高的研究5 0 5 1 电解作用的影响及处理方法5 0 5 1 1 电解作用的影响5 0 5 1 2 电解现象的处理方法5 l 5 2 负极性加工的研究5 3 5 2 1 极性效应5 3 南京航空航天大学硕士学位论文 5 2 2 工艺试验及试验结果分析5 4 5 3 不同工作介质下的负极性切割5 7 5 3 1 气中负极性多次切割5 7 5 3 2 火花油中负极性多次切割6 0 5 4 本章小结6 2 第6 章总结和展望6 4 6 1 总结6 4 6 2 展望6 5 参考文献6 6 致谢7 0 攻读硕士期间发表的学术论文。7 l 高速走丝电火花多次切割精度及表面质量提高技术研究 图表清单 图1 1 电火花线切割加工示意图1 图1 2 电极丝的空间位置偏离9 图1 3 电极丝张力控制系统和限位系统l o 图1 4 电极丝限位装置一1 0 图1 5 实验及测量设备。1 4 图2 1 放电间隙的微观示意图1 5 图2 2 电极丝与工件的位置关系1 8 图2 3 检测电极丝和工件表面是否存在钝化膜。2 0 图2 4 开路波形( 电压为5 v ，伟各，电流为o 0 5 a 格) 2 1 图2 5 短路波形( 电压为1 0 v 格，电流为0 5 w 格) 2 1 图2 6 间隙放电波形( 屯压5 0 v 格，电流5 a 格) 2 2 图2 7 多次切割间隙放电状态下电极丝的位置。2 2 图2 8 传统放电间隙的测量方法2 4 图2 9 多次切割放电与单次切割放电区别一2 5 图2 1 0 多次切割的实体图及放大图2 5 图2 1 1 电火花线切割极间状态2 6 图2 1 2 次切割放电波形( 电压5 0 0 w 格，电流2 a 格) 。2 6 图2 1 3 多次切割放电波形。2 7 图2 1 4 放电爆炸力对三次切割的影响2 8 图2 1 5 二次切割电极丝的走丝轨迹及切块厚度2 8 图2 1 6 丝速对加工精度的影响2 9 图2 1 7 不同丝速下电火花线切割表面形貌2 9 图3 1 电极丝限位和恒张力装置3 1 图3 2 切割轨迹3 1 图3 3 脉宽对实际修正量的影响一3 1 图3 4 平均加工电流对实际修正量的影响3 2 图3 5 脉间对实际修正量的影响3 2 图3 6 跨距对实际修正量的影响。3 3 图3 7 实际进给速度对实际修正量的影响3 3 v i 南京航空航天大学硕士学位论文 图3 8 运丝速度对实际修正量的影响一3 4 图3 9 电极丝张力对实际修正量的影响一3 4 图3 1 0 测量切缝的显微放人图3 5 图3 1 l 实际修正量与理论修正量的关系j 3 6 图4 1 物理模型。4 l 图4 2 最后一次切割放电波形图( 电压5 0 v 格，电流1 a 格) 4 2 图4 3 温度场仿真模型4 3 图4 4 网格划分模型4 3 图4 5 工件温度场分布图。4 4 图4 6 中心点a 温度随时问的变化曲线4 5 图4 7 凹坑深度分析1 4 5 图4 8 凹坑深度分析2 4 6 图4 9 凹坑深度分析3 4 6 图4 1 0 表面粗糙度r a 与放电凹坑深度h 的关系4 7 图5 1 电解波形( 电流o 1 格) 。5 1 图5 2 加_ 表面的微观图。5 1 图5 3 第一次切割波形( 电流5 a 格) 一5 2 图5 4 第二次切割波形( 电流1 0 a 格) 5 3 图5 5 第三次切割波形( 电流2 a 格) 5 3 图5 6 正、负极性切割表面形貌5 5 图5 7 多次切割第四次切割放电波形5 5 图5 8 不同条件下加工表面微观形貌5 9 图5 9 不同条件下加工表面单个凹坑的微观形貌5 9 图5 1 0 常压和高压空气中负极性放电波形比较5 9 图5 1 l 不同加工条件下表面微观形貌6 1 图5 1 2 不同加工条件下单个放电凹坑的微观形貌6 2 图5 1 3 工作液和火花油条件下的放电波形6 2 表1 1 电火花线切割技术的应用领域3 表1 2d k 7 7 3 2 机床各项指标1 4 表2 1 w e d m 使用介质性能及组分对比表一1 6 表3 1 试验参数。3 0 v i i 高速走丝电火花多次切割精度及表面质量提高技术研究 表3 2 验证试验试验参数3 4 表4 1c r l 2 物性参数随温度变化表4 3 表4 2 实际工艺试验参数一4 8 表5 1 最后一次切割负极性加工参数一5 4 表5 2 气体中负极性切割加工参数5 8 表5 3 火花油中负极性切割加工参数一6 1 南京航空航天大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 电火花线切割技术简介 电火花线切割加工【l l ( w i r e - c u t e l e c t f i c d i s c h a r g e m a c h i n e ，以下简称w e d m ) 是采用线状电 极作为工具对工件进行脉冲放电实现加工的。线切割机床按电极丝的运丝速度可分为高速走丝 机床和低速走丝机床。电极丝运动速度7 、一l o m s 的为高速走丝电火花线切割( 简称h s 、忱d m ) 机床，低于0 2 m s 的为低速走丝电火花线切割( 简称l s w e d m ) 机床。国产的绝大多数为 h s w e d m 机床，国外的和台湾地区都是l s w e d m 机床。目前，国内外的线切割机床已占电加 工机床的8 0 以上。 1 1 1 加工原理 电火花线切割加工的基本原理和电火花成型加工一样，是利用工具电极对工件进行脉冲放 电而实现加工的，但是电火花线切割加工无需制作成型电极，而是采用细金属丝( 电极丝) 作 为工具电极【2 1 。图1 1 为电火花线切割加工示意图。工件和电极丝分别接电源的正负极，电极丝 以一定的速度往复或单向运动，不断进入和离开放电区域，同时在电极丝和工件之间浇注放电 介质。此时，只要有效控制电极丝相对工件运动的轨迹和速度就能切割出一定形状和尺寸的工 件。 234 图1 1 电火花线切割加工示意图 1 贮丝筒2 电极丝3 丝架4 导轮5 一脉冲电源6 一工作台7 工作液箱 电火花线切割放电加工的微观过程是热( 主要是表面热源) 和力( 电场力、磁场力、热力、 流体力学) 等综合作用的过程【3 1 。这一过程大致可分为介质击穿、放电通道形成、能量转换与 传递、电蚀产物的抛出和消电离等四个相对独立又相互连接的阶段。 高速走丝电火花多次切割精度及表面质量提高技术研究 电火花线切割加工时，每一个脉冲放电释放的能量使工件表面放电点的介质电离击穿，造 成放电点熔化甚至气化，最后这些熔融金属被抛出而形成一个凹坑，无数个脉冲连续放电产生 无数个凹坑的叠加，就能沿电极丝的轨迹形成一条切缝。在击穿前后，电极丝和工件的微观表 面总是凹凸不平的，每次脉冲放电前，电极丝与工件间离得最近的凸点处的电场强度最高，其 间的工作介质的电阻值较低而最先被击穿，即被分解成带负电的电子和带正电的离子而被电离， 形成放电通道。在电场力的作用下，通道内的负电子高速奔向阳极，工作介质的电阻值降低， 所通过的电流亦相应得增加到很大的数值。由于放电通道中电子、离子受到放电时磁场力和周 围放电介质的阻尼和压缩，放电通道的截面很小，通道中的电流密度很大。电子、离子等的高 速运动时相碰撞，通道中放出大量的热，整个放电通道形成一个瞬时热源聚集在放电点表面， 形成1 0 0 0 0 c 左右的高温，达到蚀除金属材料的目的。 1 1 2 加工特点及应用范围 自1 9 5 6 年前苏联生产出第一台电火花线切割机床至今已有5 0 多年，在此期间无论国外还 是国内的电火花线切割加工都经历了巨大的变化，从最初的靠模电火花线切割机床，到光电控 制电火花线切割机床，再到数控电火花线切割机床以及一系列加工技术、工艺方法的改进，使 得电火花线切割加工已成为目前应用最为广泛的特种加工方法【4 】，并愈来愈引起人们的关注和 重视。 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。由于加工过程中：r 具和t 件并不接触，因而几乎没有宏观切削力，对工具材料的硬度没有要求，可以用硬度低的t 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杂形状的零件，由于没有机械加 工中的宏观切削力，它非常适合于低刚度工件的加- t 及微细加工，尤其在模具制造行业中的应 用更加广泛【5 1 。电火花线切割加工的加工特征如下【3 】： ( 1 ) 工件必须是导电材料； ( 2 ) 材料的去除是依靠放电时产生的热能作用米实现的； ( 3 ) 工具电极和工件之间不直接接触，几乎没有切削力，所以加工的材料可以是高硬度材 料( 一般加工工件都可在淬火后进行) ； ( 4 ) ；b n - f 对象主要是平面形状，当机床上加上能使电极丝作相应倾斜运动的功能后，也可 以加工锥面，但是不能加：l = 盲孔； ( 5 ) 自动化程度高，操作方便，易于实现自动化； ( 6 ) 不需要制作成形电极，用简单的电极丝即可对工件进行加工。 ( 7 ) 加工的主要对象是平面形状，也可加工锥面，但除了最小拐角必须大于r ( r j 电极丝 半径+ 放电间隙) 的限制外，任何复杂的形状都可以加工。 ( 8 ) 轮廓加工所需的加：1 i 余量少，尤其能有效地使用贵重稀有的高价材料。 2 南京航空航天大学硕士学位论文 ( 9 ) 对h s w e d m 而言，电极丝不断往复使用，电极丝的损耗较小( 一般切割4 1 0 万 m 1 i i 2 电极丝直径减小0 0 1 m m ) 。而l s w e d m 电极丝一次使用，加工精度相对较高。 ( 1 0 ) 依靠计算机控制电极丝轨迹和间隙补偿功能，同时加工凹凸两种模具时，间隙可以任 意调节。 ( 1 1 ) 用去离子水( l s w e d m ) 和乳化液( h s w e d m ) 做放电介质，不必担心火灾。 线切割加工为新产品试制、精密零件加工及模具制造【6 】开辟了一条新的工艺途径，适合加 工各种特殊性能的材料和各种复杂表面及微细、精密、薄壁以及低刚性零件，因而广泛应用于 航空、电子、电器、汽车、家电、轻工等领域。电火花线切割技术用于模具制造已相当成熟， 据估计约有7 5 8 0 的电火花线切割机床用于模具n i t n ，因此电火花线切割技术已经成为 国内外冲压模制造中不可缺少的重要技术。电火花线切割的具体应用范围如表1 1 所示： 表1 1 电火花线切割技术的应用领域 分类适用范围 二维形状模具 三维形状模具 电火花加工用的电极 微细精密加工 量具轮廓 试制品及零件加工 冷冲模( 冲裁模、弯曲模和拉伸模) 、 粉末冶金、挤压模、塑料模 冲裁模落料凹、三维型材挤压模、拉丝模 加工形状复杂、微细通孔用的电极、加工带斜度的型腔电极 加工化学纤维喷丝头异性窄缝、槽微型精密齿轮及模具 成型刀具外形、样板凸轮及模板 试制品直接加工多品种、小批量的几何形状 复杂的零件以及超大厚度零件 特殊材料零件加： 半导体材料、铁氧体材料、陶瓷材料、聚晶金刚石 1 1 3 国内外发展现状 电火花线切割技术经过近半个世纪的发展已十分成熟，并达到了相当高的工艺水平【8 】：最 大的切割速度可达5 0 0 咖2 m i n ，最佳表面粗糙度达r a 0 1 - - 0 2 # m ，加工尺寸精度可控制在几 个微米之内，高速走丝电火花线切割机还能稳定切割1 0 0 0 z m 的超厚工件。为了提高电火花线 切割工艺水平，提高机床自动化程度和智能化程度，满足市场的不同要求，国内外电加工研究 人员及制造商都在积极采脂现代研究手段和先进技术进行深入开发研究，向电火花线切割加工 信息化，智能化和绿色化方向发展。 1 1 3 1 脉冲电源 低速走丝电火花线切割一般采用去离子水作工作液，放电时的电解腐蚀影响大，特别是加 工硬质合金时，电解作用会在工件表面形成一层电解变质层，使硬度下降，模具寿命缩短。为 3 高速走丝电火花多次切割精度及表面质量提高技术研究 克服电解变质层的影响，国外厂商推出无电解电源【9 】，日本s o d i c k 公司的b s 电源、日本 m i t s u b i s h i 公司的a e 电源、f a n u c 公司的a c 电源、及s e i b u 公司的e p 电源和c h a r m i l l e s 公 司的s i 电源等都是无电解电源。 其加工原理是在不产生放电的加工时间内( 脉冲间隔) 施加一反极性电压，加工时仍采用以 往的正极性加工，这样可以使漏电流控制到最低限度。采用无电解电源后，生产效率约比传统 的电源降低3 0 ，最大的生产效率约为2 6 0 , 2 7 0 m m 2 m i n ，加工表面粗糙度达r a 0 1 0 2 肛m 。 目前的无电解电源可以进行从粗加工到精力n - r 的整个加工过程，但单独使用此电源所能达到的 表面粗糙度略低于微精加工达到的最佳指标，其优点在于消除了电解变质层，减少裂纹，提高 表面硬度，大大提高了工件寿命，减少精修次数。此外，无电解电源在加工铝、黄铜、钛合金 等材料时，工件的氧化情况也有很大的改善。 电火花线切割加工件的表面缺陷，不仅指电解变质层，而且还包括热变质层、微裂纹镀覆 层及铁锈等方面。为了改善工件的表面质量，c h a r m i l l e s 公司的对策是在等能量的原则下，将 脉宽变窄拉高，使放电能量集中，让材料以汽化方式蚀除】，这样配备了m f 微精加工电路的 s i 电源保证了表面质量。用过去的电源加工时，变质层为4 5 m a ，用s i 电源及细丝加工时， 变质层为l # m 以下。据介绍，日本m i t s u b i s h i 公司的e ai i 电源加工后的表面也不产生微裂纹， 可以获得与磨削加工几乎一样的表面。 1 1 3 2 机械系统 为提高加工精度和改善控制性能，电火花线切割机床的机械部分也得到改进，将电火花线 切割加工技术提高到一个新的境界u 卜1 2 】。日本s o d i c k 公司创造性地在电火花线切割机床的伺服 系统上使用直线马达驱动，使精加工脉冲的利用率大幅度提高。直线运动的导向也采用了与直 线电机高响应速度相适应的滚动导轨，这些措施的综合使用，实现了机床的精密控制和长期的 精度保持性。 瑞士的c h a r m i l l e s 公司的超精密电火花线切割机床r o b o f i l 一2 0 3 0 s i 在机械系统上有 自己的新意：该机采用新的走丝系统，电机丝在皮带运丝机构中作横向摆动，大大减少了皮带 磨损出沟问题，使丝张力和走丝速度更加稳定，而且皮带的使用寿命至少有1 0 0 0 h 。最近又推 出了双走丝系统线切割机。此外，自动穿丝技术方面也有重大进展。穿丝前除了进行加热、拉 细、变硬的准备处理外，还使保护套管的下端变细。当电极丝经上述处理后，因为此处散热较 慢，会过热拉断，形成自然的尖锥，从而不再需剪切机构，也不会有剪切毛刺，不会影响穿丝 的成功率。用直径小于o 1 m m 的电极丝，可穿过直径小于0 1 6 m m 的起始孔5 0 次，成功率1 0 0 ， 一次穿丝时间1 0 1 5 s 。重穿丝可以在切缝中进行，不必回到起始孔位置，其范围已扩大到直 径0 0 7 o 3 m m 的电极丝。 4 南京航空航天大学硕士学位论文 另一个重大改进是用恒温水冷却立柱。r o b o f i l 2 0 3 0 s i 机床的工作液( 高纯水) 有一套温控 装置，控制水温在( 2 0 4 - 0 5 ) 范围，用专门的循环水泵将其川流不息地在立柱冷却管道中通过， 不管室温如何变化，立柱温度不变。瑞士的a g i e 公司为减少机床精度的变化对加工精度的影响， 采取了统一的温度场，其机床装有两套温度控制系统，分别控制加工区与u 、v 轴两轴的温度， 以及电源箱、机床与室温的空气冷却。两套温控系统通过温度计进行调整，使温差不超过i c 。 在电火花线切割加工中，由于电极丝的滞后弯曲变形，在角度加工时会产生塌角误差，特别在 小角度与小圆弧切割时表现更为明显。a g i e 公司在这方面拥有称为p i l o t 的专利技术，它利用 套光学系统测量电极丝受力时弯曲变形量，由c h i c 系统进行补偿，其分辨率为2 # m ，采样 频率为每秒1 5 次，这样不仅提高了角度的加工精度，而且使加工速度比一般的拐角对策提高了 6 0 。 1 1 3 3 加工控制【1 3 】 电火花线切割加工中，由于检测量与控制量之间的非线性关系，使得经典控制理论难以取 得较好的效果。针对高速走丝线切割加工控制，h u a n g y h 等在分析机床的加工工艺特点后， 提出了步进电机进给步周期的推算算法，使在切割厚度变化情况下也能很好地跟踪，获得最佳 切割速度。z h a n g w 等用自校正控制算法来进行控制伺服进给，并通过试验确定系统的预报模 型为二阶模型，控制模型的参数采用在线递推估计法。试验表明这些控制算法在一定的实验条 件下取得了较好的加工效果，对不同的加工条件都有较好的适应能力。 对于慢走丝电火花线切割加工，火花放电机率的高低和波动不仅关系到加工速度，同时与 工稳定性和断丝问题是密切相关的。i c e r a j u r k a r 等认为不同厚度工件的最佳火花频率不同，因 此必须实现工件厚度的实时检测。为了在线识别工件厚度，建立一个多输入参数模型，用间隙 电压量、伺服进给量和实时检测的火花机率来识别，这使得在伺服进给不稳定时也能有很高的 精确性。他们还通过实验建立了厚度与最佳火花机率关系的公式，当工件厚度识别后，最佳的 火花频率也就确定了。在控制火花机率上，他们采用了自适应控制理论米建立了一个一阶控制 模型，模型参数同样采用在线递推辨识以适应放电加工的随意性。试验表明，该控制策略使在 变厚度切割条件下也能始终维持最佳的火花机率，保持高速切割，同时有效避免断丝的发生， 这在电火花线切割加工自适应控制研究是相当先进的。m t y a n ，y s l i a o 等是较早在电火花线 切割加工控制系统中运用模糊逻辑控制理论的。同建立在精确数学模型的经典控制理论和现代 控制理论想比，模糊控制更适合于多输入非线性、时变或具有高度不确定性的系统的控制，而 且控制器的规划设计可以充分利用熟练操作人员及专家的经验；此外将自适应和学习能力引入 到模糊控制中，使模糊控制规则、隶属函数和模糊量化在控制中可自动调整和完善。这些特点 都非常适合电火花加工控制。在此基础上，对脉间和进给伺服参考电压采用模糊自适应控制。 5 高速走丝电火花多次切割精度及表面质量提高技术研究 试验表明，与传统的控制相比较，采用模糊控制技术具有良好的自适应能力，控制器可以由放 电间隙状态的检测来感知加工条件的变化，从而自动调节控制参数，如同一个熟练的机床操作 人员，试验研究取得了满新意的结果。 在拐角切割控制加工上，w j h s u e ，s s l u 等在控制策略上有新的成果，他们提出了“放 角”的新概念，并利用此概念分析了常见拐角加工的材料去除率，指出在拐角切割且当保持恒 速伺服进给时，材料蚀除量是在不断发生变化的，不象在进行直线切割时，材料蚀除量是恒定 的，因此在切割拐角时，向放电间隙输入的放电能量要与材料的蚀除量相一致，否则拐角的切 割由于过多的放电能量而形状精度下降。在控制放电能量的同时，他们还对电极丝的张力进行 控制，当切割拐角时增加电极丝的张力来改善由于电极丝弯曲而使精度下降的现象，研究中的 试验结果表明这种全面控制策略取得相当好的加工精度。 1 1 3 4 我国电火花线切割技术的发展趋势及主要任务 随着国民经济的高速发展和科学技术的不断进步，社会对各类产品的需求量日益增大，并 对制造业提出了更高的要求。我国电火花线切割行业必然会珍惜这个大好发展机会，积极采用 现代研究手段和先进技术进行深入开发研究，促使我国电火花线切割技术向信息化、智能化和 绿色化方向不断发展，以满足当前市场的需要。未来的发展，将主要表现在以下几个方面。 ( 1 ) 高速走丝线切割机床仍然稳步发展。高速走丝电火花线切割机是我国的发明创造。由 于高速走丝有利于改善排屑条件，适合于大厚度和大电流高速切割，加工性能价格比优异，深 受广大用户的欢迎，因而在未来较长的一段时间内，高速走丝电火花线切割机仍是我国电加工 行业的主要发展机型。高速走丝线切割机床的目前年产量年已达到3 5 万台年，今后虽然还会 有所增长，但目前的发展重点应该是提高高速走丝电火花线切割机的质量和加工稳定性，扬长 避短，使其满足那些量大面宽的普遍模具及一般精度要求零件的加工需要。根据市场发展的需 要，高速走丝电火花线切割机的工艺水平必须相应提高，其最大切割速度应稳定在1 0 0 m m 2 m i n 以上，而加工尺寸精度控制在4 - 0 0 0 5 0 0 1 m m 范围内，加工表面粗糙度达到r a l - 2 弘m 。这就 需要在机床结构、加工工艺、高频电源及控制系统等方面加以完善，并积极采用各种先进技术， 重视窄脉宽高峰值电流的高频电源的开发及应用。 ( 2 ) 重视低速走丝电火花线切割机床的开发和发展低速走丝电火花线切割机床。由于低速 走丝电火花线切割机床的电极丝移动平稳，易获得较高加工精度和表面粗糙度，适合于精密模 具和高精度零件加工。我国在引进、消化、吸收的基础上，也开发并批量生产了低速走丝电火 花线切割机，满足了国内市场的部分需要。现在必须加强对低速走丝机的深入研究，开发新的 规格品种，为市场提供更多的国产低速走丝电火花线切割机。与此同时，还应该在大量实验研 究的基础上，建立完整的工艺数据库，完善其c a d c a m 软件，使自主版权的c a d c a m 软件 6 南京航空航天大学硕士学位论文 商品化。 ( 3 ) 为使机床结构更加合理，必须用先进的技术手段对机床总体结构进行分析。这方面的 研究将涉及到运用先进的计算机有限元模拟软件对机床的结构进行力学和热稳定性分析。为了 更好地参与国际市场竞争，还应该注重造型设计，在保证机床技术性能和清洁加工的前提下， 使机床结构合理，操作方便，外形新颖。 ( 4 ) 为了提高坐标工作台精度，除考虑热变形及先进的导向结构外，还应采用丝距误差补 偿和间隙补偿技术，以提高机床的运动精度。对于大型线切割机来说，采用十字滑板工作台结 构就不够合理，而南昌江南电子仪器厂开发的d k 7 7 1 0 0 型龙门式机床则值得研究。龙门式机床 的工作台只作y 方向运动，x 方向运动在龙门架上完成，上下导轮座挂于横架上，可以分别控 制。这不仅增加了丝架的刚性，而且工作台只作y 方向运动，省去了x 方向滑板，有助于提高 工作台的承重能力，降低整机总重量。 ( 5 ) 高速走丝电火花线切割机的走丝机构是影响其加工质量及加工稳定性的关键部件，目 前存在的问题较多，必须认真加以改进。目前已开发的恒张力装置及可调速的走丝系统，应在 进一步完善的基础上推广应用。 ( 6 ) 支持新机型的开发研究。目前所开发的自旋式电火花线切割机、高低双速走丝电火花 线切割机、走丝速度连续可调的电火花线切割机，在机床结构和走丝方式上都有创新。尽管它 们还不够完善，但这类的开发研究工作都有助于促进电火花线切割技术的发展，必须积极支持， 并帮助完善。 1 2 电火花线切割多次切割技术 1 2 1 多次切割技术的提出 高速走丝电火花线切割机床是我国独创且富有特色的民族产品，拥有良好的性能价格比、 用户投资小、运行成本低等优势，成