（机械工程专业论文）高速走丝电火花线切割机加工精度分析及今后的发展方向.pdf

西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 页 摘要 电火花线切割加工技术广泛应用于工业、航空航天、医疗卫生和 几乎所有导电物质的加工中。它是一种非常重要的加工方法，甚至于 在某些方面，考虑到成本和时问，只能选择电火花线切割进行加工。 本篇论文在总结作者p i 身经验和参考大量文献的基础上，综述了 高速走丝电火花线切割机的基本原理，介绍了国外低速走丝电火花线 切割机的发展情况，回顾了国内的研究进展，介绍了电火花线切割机 的发展趋势。 本文分析了有关电火花线切割加工精度和稳定性的各种影响因 素，特别是电极丝的张力变化和振动。指出电极丝的位置精度是影响 加工性能的一+ 个重要因素。随着现代社会对工件的尺寸精度和表面粗 糙度的要求越来越高，我国传统的高速走丝电火花线切割机，由于难 于保证电极丝空间位置的一致性，在加工性能方面提高的空间不大， 无法实现高精度加工。虽然针对这个问题采取了很多措施，但限于高 速走丝的加工原理，要想把电极丝空间位置的精度提高到一个理想的 程度，几乎是不可能的。国内不少学者做了很多的研究工作，希望能 够改善高速走丝电火花线切割机的加工性能，但其加工性能并没有得 到较大的改进。本文指出，要想使我国的电火花线切割加工业发生一 个质变，只有大力发展低速走丝电火花线切割机。以满足当代社会对 制造技术的要求。 另外本文就发展低速走丝电火花线切割机的方法和策略，进行了 一定的探讨。 关键词：电火花；线切割机：高速走丝；发展方向 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第l i 页 a b s t r a c 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 e c h n o l o g yh a sb e e n u s e dw i d e l yi np r o d u c t i o n ，a e r o s p a c e ，a i r c r a f t ，m e d i c a la n dv i r t u a l l ya l l a r e a so fc o n d u c t i v em a t e r i a lm a c h i n i n g i ti ss u c ha ni m p o r t a n t o p e r a t i o n t h a t ，i ns o m em a n u f a c t u r i n ga r e a s ，w e d mi st h eo n l yc h o i c ei nt h er i g h t t i m ea n da ta j u s t i f i e d c o s t a n dt h ei n c r e a s e du s eo fw e d mi n m a n u f a c t u r i n gw i l lc o n t i n u et og r o w a ta na c c e l e r a t e dr a t e 7 i s p a p e rp r e s e n t s t h e c o n f i g u r a t i o n s a n dm e c h a n i s m so f h s w e d mb a s e do i lv a s tr e l a t e dl i t e r a t u r e sa n de x p e r i e n c e ，i n t r o d u c e s t h er e c e n to v e r s e a s a d v a n c e m e n to fl s w e d m 。r e v i e wt h er e s e a r c h s t a t ea th o m ea n da b r o a d ，i n t r o d u c et h ed e v e l o p i n gt e n d e n c yo fw e d m s oa st op r o v i d ear e f e r e n c et ot h ed o m e s t i cr e s e a r c h t h ei n f l u e n c eo fv a r i o u sf a c t o r st om a c h i n i n gp r e c i s i o na n ds t a b i l i t yi s a n a l y z e d ，e s p e c i a l l yt h ew i r et e n s i o nv a r y i n ga n dt h ev i b r a t i o ni nc u t t i n g p r o g r e s so fh i g hw i r et r a v e l i n gs p e e d i n gi s r e s e a r c h e d i ti sp o i n t e do u t t h a tt h ew i r e sp o s i t i o ni st h es i g n i f i c a n tf a c t o ra f f e c t i n gt h em a c h i n i n g p e r f o r m a n c e a sh j l g h e r a n dh i g h e rl e v e lo fd i m e n s i o n a la c c u r a c ya n d s u r f a c eq u a l i t ya r ed e m a n d e d ，c o n v e n t i o n a lh s - w e d m w i l lc o n t i n u et o r e a c ht h e i rl i m i t a t i o n s i ti si m p o s s i b l et oo b t a i nap r e c i s ew o r kp i e c ew i t h g o o ds u r f a c eq u a l i t yo nh s w e d m ，t h i s i sb e c a u s ei ti sh a r dt ok e e pt h e s t a b i l i t yo f t h ew i r e sp o s i t i o nw h e nt h ew i r ei st r a v e l i n gi nah i g hs p e e d a n dc i r c u l a r l y t h o u g hm a n ym e a s u r e sa r et a k e nt ot h i sp r o b l e m ，b u ti t c a n tb es o l v e d t h e r eh a v eb e e nm a n yr e s e a r c h e so i lh s w e d mi nt h e p a s ta n da tp r e s e n t a 1 1 o ft h e mf o c u s e do nh o wt oi m p r o v em a c h i n i r l g p e r f o r m a n c e b u tt h ek e yp r o b l e m i si g n o r e d ，t h a ti st h ew i r e sp o s i t i o n t h es o l v i n gd i r e c t i o nh a sb e e np r o p o s e dt h a tl s - w e d ms h o u l db e d e v e l o p e d a n d t h em e t h o d sa n d s t r a t e g y a b o u th o wt o d e v e l o p l s w e d ma r es t u d i e d k e yw o r d s ：h s w e d m ，m a c h i n i n gp r e c i s i o n ，d e v e l o p i n g d i r e c t i o n 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论 1 9 6 5 年，上海电表厂张维良工程师发明了高速走丝电火花线 切割机。此后，经过三十多年的发展，线切割的加工速度由几十 m m 2 纠、时提高到二百多m m 2 d 、时，可加工的工件厚度从4 0 r a m 发 展到1 0 0 0 m m ，切割精度从2 0 1 11 t i 提高到l o1 t m 。与此同时， 国外( 包括我国的台湾地区) 则在大力发展低速走丝电火花线切 割机，两种电火花切割机在发展中工艺指标交替领先。直到8 0 年代初，我国的高速走丝电火花线切割机加工的工艺水平与国外 的低速走丝线切割机不相上下，但自此以后，高速走丝电火花线 切割机除了在加工厚度上尚能保持一定的领先优势外，在电火花 线切割机的其它工艺指标一一加工精度和表面粗糙度上，与低速 走丝电火花线切割机的差距越来越大。上个世纪9 0 年代以后，由 于低速走丝电火花线切割机在理论上和实践上都得到了较快发 展，致使我国的高速走丝电火花线切割机在加工精度上与低速走 丝电火花线切割机相比相差了整整一个数量级。其它在加工的自 动化、夜间无人值守方面、工艺参数的智能化选择方面、控制系 统的自适应控制方面、火花放电对工件表面机械性能的影响方面 和在机床故障的自诊断等等方面，高速走丝电火花线切割机比起 国外的低速走丝线切割机均相差甚远，早已与其不可同日而语， 以至于现在，高速走丝电火花线切割机成了低精度电火花线切割 机的代名词。 当然，我国的高速走丝电火花线切割机具有成本低廉的优势， 但随着科学技术的迅速发展，现代社会对加工精度和工件表面粗 糙度的要求越来越高，如何满足工件的技术要求是电火花线切割 机面临的主要矛盾。而线切割机的成本是次要矛盾。 我国的高速走丝电火花线切割机之所以在近2 0 年来发展缓 慢，主要是因为高速走丝电火花线切割的理论研究进展缓慢。而 理论研究的进展则受制于高速走丝的切割原理。因为走丝速度快， 电极丝振动幅度大，在空间的定位精度就差，这样加工精度就无 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 页 法提高，而低速走丝电火花线切割机电极丝的速度低得多，其空 间位置精度易于控制，加工精度就有了一个良好的基础。 当前，我国的电加工业还在围绕如何使高速走丝电火花线切割 机接近或赶上国外的低速走丝线切割机的加工水平进行研究。那 么，我国电火花线切割机怎样才能够早日摆脱发展缓慢、徘徊不 前的局面，满足当今社会对电火花线切割机在加工品质上的需求， 今后应该以什么样的对策，向什么方向发展是一个急待解决的问 题。只有早日找出制约我国电火花线切割机发展的原因，制订出 正确的发展方向，才能使我国的线切割机在加工性能上有一个较 大的提高，产生一个质的飞跃，满足现代科学技术的迅速发展对 加工制造业的要求，跟上社会发展的步伐。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第3 页 第2 章电火花线切割工作原理 电火花线切割机床是种电火花加工机床，它是利用工具电 极对工件进行脉冲放电实现加工的。但电火花线切割加工无需制 作电极，而是采用细金属丝作为工具电极，沿着给定的轨迹加工 出相应几何图形的工件。线切割机床按电极丝运动的速度，可分 为高速走丝和低速走丝。电极丝运动速度7 1 0 m s 的为高速走丝， 低于o 2 m s 的为低速走丝。国产的绝大多数为高速走丝，国外的 和台湾地区都是低速走丝。 2 1 脉冲放电切割加工的物理本质 电火花线切割加工是基于在液体介质中小间隙脉冲放电时材 料的电腐蚀的切割加工，它是相当复杂的瞬变的微观物理过程， 大致可分为介质击穿和通道形成，能量转换和传递，电蚀产物的 抛出和消电离四个阶段。 脉冲放电的原始阶段是电极间介质的击穿，介质击穿过程非 常迅速，一般为0 1 1us 。介质一旦被击穿，便形成放电通道， 间隙电流迅速上升，电流密度可高达1 0 5 _ 1 0 8 a c m 2 。介质击穿后， 脉冲电源通过放电通道瞬时释放能量，把电能转换为热能、动能、 磁能、光能、声能及电磁波辐射能等。其中大部分转化为热能， 使两极放电点局部熔化和气化，并且使通道中的介质气化和热分 解。还有一些热量在传递、辐射过程中消耗掉。一次脉冲放电产 生一个放电痕，在高速走丝电火花线切割加工中，因电极丝相对 工件快速运动，使放电通道也相应移动，所以单个脉冲的放电痕 呈卵圆形。材料的抛出可以呈液相、气相、固相。材料的抛出是 热爆炸力、电动力、流体动力等综合作用的结果。一次脉冲放电 后，还应有一段间隔时间，使间隙介质消电离，即通道中带电粒 子复合为中性粒子，恢复液体介质的绝缘强度，以待下次脉冲击 穿放电。 谱南交通大学工程硕士研究生学位论文第4 页 2 2 疏松接触，轻压放电原理 我国电火花线切割加工自6 0 年代采用高速走丝的方式及用乳 化液介质后，对其加工机理研究得较少。其放电加工原理已超出 了传统电火花加工的理论范畴。 由于乳化液介质具有定的电导率，在两极施加脉冲电压后， 将会产生弱电解作用，使工件表面形成较薄的电解钝化膜。这一薄 层钝化膜连同电极丝表面的氧化膜均具有一定的绝缘性，因此电 极丝与工件在0 0 0 5 0 0 1 m m 正常电极间隙和通常i o o v 左右的电 源电压下不会击穿放电。只有当电极丝相对工件进给到两者相接 触，电极丝微弯曲，轻轻压在工件上，再加上电极丝自身在高速 移动，因机械磨擦作用造成钝化膜破坏，某处绝缘强度急剧下降 引起火花放电。电极丝自身运动速度越快，工件表面的薄膜被机 械磨损的点越多，放电点转移的机会越多，这样就形成了连续的 放电加工，甚至在单个脉冲放电时f , - j 内，会出现多次瞬时短路。 可见疏松接触，轻压放电加工的原理包括了电火花、电解及机械 磨擦等几种方式，但本质与放电加工还是一致的。 拙 胃 图2 - 1 电火花线切i - z j d h i 示意图 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第5 页 图2 1 为电火花切割加工示意图。图中脉冲电源的正极接工 件，负极接电极丝。电极丝以一定的速度往复运动。在电极丝和 工件间注入具有一定量的液体介质，使电极丝和工件之间发生脉 冲放电，再加上有效地控制电极丝和工件在水平面内的相对运动 轨迹和速度，就可以切割出具有一定形状和尺寸的工件。 2 3 线切割机的组成部分： 机床主要由坐标工作台、高速走丝机构、丝架导轮机构、床 身、工作液系统、脉冲电源和控制器七部分组成，x 、y 坐标工作 台是用来装夹被加工工件，x 轴、y 轴由控制器发出进给信号，分 别控制两步进电动机，运行预定的轨迹。 2 _ 3 1 坐标工作台 坐标工作台主要由拖板、导轨、丝杆运动副、齿轮传动机构 四部分组成 2 3 2 高速走丝机构 高速走丝机构主要用来带动电极丝按一定的线速度移动，并 将电极丝整齐地排绕在储丝筒上。 2 3 3电极丝的运动系统 丝架导轮机构与走丝机构组成了电极丝的运动系统。丝架的 主要功用是在电极丝按给定的线速度运动时，对电极丝起支撑作 用，使电极丝工作部分与工做台平面保持一定的几何角度。导轮 位于丝架悬臂的端部，丝架通过导轮对电极丝起支撑作用。 2 3 4 工作液系统 工作液系统用以在电火花线切割加工过程中，供给有一定绝 缘性质的工作介质一工作液，以冷却电极丝和工件，排除电蚀 产物等，这样才能保证火花放电持续进行。一般线切割机床的工 作液系统包括：工作液箱、工作液泵、流量控制阀、进液管、回 液管及过滤网等。 2 3 5电火花线切割脉冲电源 电火花线切割脉冲电源通常又叫高频电源，是数控电火花线 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第6 页 切割机床的主要组成部分，是影响线切割加工工艺指标的主要因 素之一。 2 3 5 1 脉冲电源具有以下特点； 1 适当的脉冲峰值电流并可调整在实际加工中，由于加工精 度和电极丝运转张力的要求，电极丝的直径不宜太粗，一般电极 丝直径在巾0 0 8 中o 2 5 m m 之间。这样，受电极丝直径的限制，它 所允许的放电峰值电流就不能太大。但由于工件有一定的厚度， 欲维持稳定加工，放电峰值电流又不能太小，否则加工将不易稳 定进行或者根本无法加工，故线切割加工的放电峰值电流的变化 范围一般在1 0 2 5 a 之内。 2 可调的脉冲宽度在电火花线切割加工中，欲获得较高的加 工精度和较好的表面粗糙度，应使每次脉冲放电在工件上产生的 放电凹坑要适当。这就需要控制单个脉冲的能量。当根据加工条 件选定脉冲峰值电流后，可尽量减小脉冲宽度。脉冲宽度越窄， 即放电时间越短，放电所产生的热量就越来不及传导和扩散，而 被局限在工件和电极丝间很小的范围内。一方面热传导损耗小， 能量利用率提高了，另一方面更重要的是在工件上形成的放电凹 坑不仅小，而且也不存在烧伤现象。同时放电凹坑分散重叠较好， 表面光滑平整，使放电表面凸凹不平度小，从而可以获得较高的 加工精度和较好的表面粗糙度。但是，线切割脉冲电源的单个脉 冲能量过小的话，将会使切割速度大大下降，或使加工根本无法 进行。这样，脉冲能量就要控制在一定范围内，一般脉冲宽度约 在0 5 6 4us 。 3 可调的脉冲重复频率亦即可调的脉冲间隔脉冲宽度窄，放 电能量小，虽然有利于提高加工精度和改善表面粗糙度，但是会 使切割速度大大降低。为了兼顾这几项工艺指标，应尽量提高脉 冲频率，即缩短脉冲问隔，增大单位时间内的放电次数。这样既 能获得较好的表面粗糙度，又能得到较高的切割速度。 但是脉冲间隔太小，会使消电离过程不充分，造成电弧放电 并引起加工表面烧伤。因此，脉冲间隔不能太小，只能在保证火 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第7 页 花放电稳定的前提下，尽量减小脉冲间隔。 一般情况下，线切割加工的脉冲重复频率约在5 5 0 0 k h z 范围 内。 4 对电极丝的低损耗在高速走丝方式的线切割加工中，电极 丝往复使用，它的损耗会直接影响加工精度，损耗较大时还会增 大断丝的机率。因此，线切割机应具有对电极丝的低损耗特性， 以保证一定的加工精度和维持长时间的稳定加工，电极丝损耗大 小是脉冲电源性能好坏的重要标志之一。 2 3 5 2 线切割脉冲电源的基本组成线切割脉冲电源是由脉冲发 生器、推动级、功放及直流电源四部分组成，如图2 2 所示。 图2 - 2 线切割脉冲电源的组成 1 脉冲发生器脉冲发生器是脉冲电源的脉冲源，脉冲宽度t ，、 脉冲间隔t 。和脉冲频率厂均由脉冲发生器确定和调节。 2 推动级( 也称前置放大级)推动级用以对脉冲发生器发出 的脉冲信号进行放大，增大所输出脉冲的功率，以推动功率放大 级正常工作。 3 功率放大级功放是将推动级所提供的脉冲信号进行放大， 为工件和电极丝之问进行切割时的火花放电提供所需要的脉冲电 压和电流，使其获得足够的放电能量，以便顺利稳定地进行切割 加工。 2 4 常用的脉冲电源的波形 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第8 页 为了满足不同表面粗糙度的加工需要，有些脉冲电源既能提 供矩形波，又能提供分组波。一般情况下使用矩形波加工，矩形 波脉冲电源对提高切割速度和改善表面粗糙度这两项工艺指标是 互相矛盾的。即当提高切割速度时，表面粗糙度变差。要获得较 好的表面粗糙度，就得采取较小的脉冲宽度，使得切割速度下降 很多。而高频分组波在一定程度上能解决这两者之问的矛盾。波 形如图2 3 所示。其原理方框图如图2 - 4 所示，脉冲形成电路是由 高频短脉冲发生器、低频分组脉冲发生器和门电路组成。高频分 组脉冲发生器是产生小脉冲宽度与小脉冲间隔的高频多谐振荡 器，低频分组脉冲发生器是产生大脉冲宽度和大脉冲间隔的低频 多谐振荡器。两个多谐振荡器输出的脉冲信号经过“与门”( 或者 “与非f - j ”) 后，就可以输出分组脉冲波形。这样的波形再经过脉 冲放大和功率输出级，就能在放电间隙得到同样波形的电压脉冲。 由于每一个放电脉冲的放电能量比较小，使切割表面的表面粗糙 度r a 值减小。但由于脉冲问隔较小，对加工间隙消电离不利，所 以在输出一组高频窄脉冲后，需经过一个比较大的脉冲间隔，使 加工间隙充分消电离后，再输入下组高频脉冲。这样高频短脉 冲的频率可以提得很高，缓和了粗糙度与切割速度之间的矛盾， 二者都得到很好的兼顾，保证了加工的稳定进行。 图2 - 3 高频分组脉冲波形 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第9 页 图2 4 高频分组脉冲原理图 电极丝 工件 2 5 线切割工艺参数的选择 脉冲电源的波形与参数对材料的电腐蚀过程影响极大，它们 决定着放电痕( 表面粗糙度) 的大小、蚀除率的大小，切缝宽度 的大小和钼丝的损耗率， 进而影响到加工的工艺指 标。 2 5 1 脉冲参数对加工工 艺指标的影响下面以矩 形波脉冲电源为例，说明 脉冲参数对加工工艺指标 的影响。矩形波电源的波 形如图2 5 所示，它是晶 体管脉冲电源中使用最普 ft 图2 - 5 矩形脉冲波形 遍的一种波形，也是线切割 加工中行之有效的波形之一。 1 短路峰值电流，对切割速度v w i 和表面粗糙度船的影响 图2 - 6 是在一定的工艺条件下，短路峰值电流矗对切割速度v w i 和表面粗糙度值r 口的影响曲线。由图可知，当其它工艺条件不变 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 0 页 时，增加短路峰值电流，切割速度提高，表面粗糙度变差。这是 因为短路峰值电流大，表明相应的加工电流峰值就大，单个脉冲 能量亦大，所以放电痕大，故切割速度高，表面粗糙度差。增大 短路峰值电流，不但使工件放电痕变大，而且使电极丝损耗变大，这 两者均使加工精度有所降低。 一鲫 1 。70 三60 ) o 驯 = 二20 主10 048121620 i 、h 2 6 加工自流对工：指标自影自线 0 20 406080 i ? ”s 目2 7 耕宽度对工z 指荐响自线 2 脉冲宽度对工艺指标的影响图2 7 是在一定工艺条件下， 脉冲宽度t 。对切割速度v w i 和表面粗糙度r a 影响的曲线。由图 可知，增加脉冲宽度，使切割速度提高，但表面粗糙度变差。这 是因为脉冲宽度增加，使单个脉冲的放电能量增大，则放电痕也 增大。同时，随着脉冲宽度的增加，电极丝的损耗也变大。 通常，电火花线切割加工用于精加工和中等精度加工时，单 个脉冲的放电能量应限制在一定的范围之内。当短路峰值电流选 定后，脉冲宽度要根据具体的加工要求来选定。 3 脉冲间隔对工艺指标的影晌图2 8 是在一定的工艺条件 下，脉冲间隔乙对切割速度v w i 和表面粗糙度r a 影响的曲线。由 图可知，减小脉冲间隔，切割速度提高，表面粗糙度r a 稍有增大， 严别 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 1 页 这表面脉冲间隔对切割速度影响较大，对表面粗糙度影响较小。 因为在单个脉冲放电能量确定的情况下，脉冲间隔较小，致使脉 冲频率提高，即单位时间内放电加工的次数增多，平均加工电流 增大，故切割速度提高。 实际上，脉冲间隔不能太小，它受间隙绝缘状态恢复速度的 限制，如果脉冲间隔太小，放电产物来不及排除，放电间隙来不 及消电离，这将使加工变得不稳定，易造成烧伤工件或断丝。但 是脉冲间隔也不能太大，因为这会使切割速度明显降低，严重时 不能连续进给，使加工变得不稳定。 80 一川 三60 宇j0 音40 三ju 二2o 耋l0 图2 8 脉) 间隔对工艺指标的影响曲线目2 9 开路电压对工艺指标_ i l ；。88 线 4 开路电压对工艺指标的影响图2 - 9 是在一定的工艺条件 下，开路电压肌对加工速度v w i 和表面粗糙度r a 影响的曲线。 由图可知，随着开路电压峰值的提高，加工电流增大，切割速度 提高，表面粗糙度r a 增大。电压提高使加工间隙变大，所以加工 精度略有降低。但间隙大，有利于放电产物的排除和消电离，提 高了加工的稳定性和脉冲利用率。 矧裂 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 2 页 2 5 2 根据加工对象合理选择电参数 1 对切割速度有要求要求切割速度高时，应提高脉冲电源的 空载电压，增大短路电流，增大脉冲宽度。但是切割速度和表面 粗糙度是互相矛盾的两个工艺指标，所以，必须在满足表面粗糙 度的前提下再追求高的切割速度。而且切割速度还受到间隙消电 离的限制，所以，还要有适宜的脉冲间隔。 2 对表面粗糙度有要求要求表面粗糙度较小时，若切割的工 件厚度在8 0 m m 以内，则选用分组波的脉冲电源为好，它与同样 能量的矩形波脉冲电源相比，在相同的切割速度条件下，可以获 得较小的表面粗糙度。 无论是矩形波还是分组波，其单个脉冲能量小，则r a 值 亦小。也就是说，脉冲宽度小，脉冲间隔适当，峰值电压低，峰 值电流小时，表面粗糙度较好。 3 对厚工件的切割切割厚工件( 大于2 0 0 m m ) 时，应选用 矩形波、高电压、大电流、大脉冲宽度和大的脉冲间隔，这样可 充分消电离，从而保证加工的稳定性。切割薄工件和试切样板时， 电参数应取小一些，否则会使放电间隙增大。 2 6电火花线切割加工自适应控制的基本原理 在放电加工中，不同的工件材料，不同的切割厚度，粗、中、 精不同的电规准，以及加工中的一些其它随机变化的干扰因素， 都会影响放电状态的变化和切割加工的生产率及稳定性，这就要 求我们要随时根据电压电流表反映出来的放电状态对电加工参数 进行及时的调节，而这需要操作者具有丰富的经验。随着电子技 术、控制技术的发展，目前已经可用自适应控制系统对上述主要 变化和干扰因素的影响进行自动调节，加工过程始终保持在较高 的生产率和较稳定的状态。自适应控制系统能够检测间隙状态的 变化，并能根据这种变化自动修正变频进给速度和脉冲间隔等加 工参数，使线切割加工处于最佳或较佳状态。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 3 页 2 6 1 自适应控制的控制原理 建立一个完善的自适应控制系统，首先应该建立一个符合实 际的数学模型，然后通过检测，调节各个变量，从而达到控制过 程最佳化的目的。但是，在电火花加工中达到这个目的是很困难 的。电火花加工中两极间的状态在不同的条件下具有不同的特征， 即空载、火花放电、过渡电弧放电、电弧放电及短路五种状态，其 特征波形如图2 1 0 所示。 空载火花放电过渡电弧电弧放电短路 图2 - 1 0 电火花加工中的五种特征波形图 火花放电在电压波形上有强烈的高频波动，火花维持电压高 ( 约2 5 v ) ；过渡电弧放电的电压波形波动微弱，维持电压稍低； 电弧放电的电压波形几乎没有波动，维持电压比火花放电时约低 3 5 v 。如果对以上几种放电状态进行采样测量，经模数转换后， 与数学模型特征值进行比较，然后调节电参数，控制变频进给量。 也就是说，脉冲发生器中的变频电路，它能把放电间隙中平均电 压的变化，成比例地转换成脉冲频率的变化，从而控制电极丝切 割工件的进给速度。当电极间隙较大、间隙平均电压较高时，则 输出较高的频率，使步进电机加速进给；反之，当进给速度太快， 放电间隙变小，平均电压变低时，变频电路输出较低的频率，使 步进电机减速，从而保持合适的放电间隙，使放电问隙尽量处于 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 4 页 最佳的放电状态。变频进给控制电路大大提高了加工的稳定性。 2 6 2 对变频进给电路手工调节 不可因为变频进给电路能自动跟踪工件的蚀除速度，并始终 维持某一放电间隙( 不会开路不走或短路闷死) ，便错误地认为加 工时可不必或可随便调节变频进给量。实际上某一具体加工条件 下只存在一个相应的最佳进给量，此时钼丝的进给速度恰好等于 工件实际可能的最大蚀除速度。如果人们设置好的进给速度小于 工件实际可能的蚀除速度( 称欠跟踪或欠进给) ，则加工状态偏开 路，无形中降低了生产率；如果设置好的进给速度大于工件实际 可能的蚀除速度( 称过跟踪或过进给) ，则加工状态偏短路，实际 近给和切割速度也将下降，而且增加了断丝和“短路闷死”的危 险。 在高速走丝电火花线切割机中，加工的进给速度是由变频电路 控制的，理论上它能使钼丝的进给速度“跟踪”工件的蚀除速度， 防止放电间隙开路或短路，而自动维持一个合适的放电间隙。这 在实际上是做不到的。下面较为详细地论述一下这个问题： 1 目前所使用的进给控制系统，一般只检测间隙的平均电压， 而平均电压不只对应着火花放电的电压，空载电压，短路电压都 混在一起。故对于同一平均电压值，它所对应的放电状态有很大 差别。这样，用平均电压作为反馈的控制信号源实际上是不准确 的。 2 高速走丝电火花线切割机对反馈的滞后性。首先高速走丝 电火花线切割机的机械传动部分并非完全刚性而是一个弹性系 统。只要不是匀速进给，工作台就存在加速度或减速度，因而产 生弹性压缩或弹性恢复，使电极与工作台之间不一致。其次，由 于高速走丝电火花线切割机为疏松接触放电，反馈电压产生进给 运动，进给运动使电极丝拉力增加，进而增加电极丝对工件表面 工作液膜的压力，最后改变介质膜的厚度。欠跟踪时，滞后时间 长，过跟踪时，滞后时间短研究表明“3 ( ，这种滞后最大可达几十 毫秒以上。但由于间隙电压对加工状态的响应几乎没有延时，导 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 5 页 致间隙电压对问隙状态的反应时间与加工进给时间间隙状态的反 应时间不在一个数量级上，致使反馈有时起反作用，不仅不能及 时调整进给，反而扰乱了正常进给，加工在短路和开路问换来换 去，电流忽大忽小，严重影响加工顺利进行。再次，反馈作用的程 度不易掌握，反馈作用强，易使系统不稳定，反馈作用弱，起不 到反馈的作用。 实际上，由于进给系统中步进电机、传动部件等有机械惯性 等造成的滞后现象，不论是欠进给还是过进给，自动调节系统都 会使进给速度忽快忽慢，加工过程变得不稳定。加工表面发焦呈 淡褐色，出现不稳定条纹，工件上下端面出现过烧现象等。因此， 合理地调节变频进给系统，使机床达到较好的加工状态是很重要 的。 2 6 3 合理调整变频进给的方法 图2 1 1 电火花线切割加工时的几种典型波形 图2 1 1 为电火花线切割加工时可能出现的几种典型波形： f a ) 为过跟踪，没有空载波且短路波较浓。( b ) 为欠跟踪，没有短路 波且空载波较浓。( c ) 为正常跟踪，三种波形都有，其中加工波最 浓。 f 1 ) 示波器观察和分析加工状态的方法用示波器来观察加工 状态，它不仅直观，而且还可以测量脉冲电源的各种电参数。将 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 6 页 示波器输入线的正极接工件， 节变频进给，使加工波最浓， 加工状态。 负极接电极丝，调整好示波器，调 空载波和短路波最淡，此时为最佳 ( 2 ) 电流表观察分析加工状态的方法根据实践和理论证明的 结果，用矩形波脉冲电源进行线切割加工时，无论工件的材料、 厚度和电规准大小，只要调节变频进给旋钮，把加工电流( 即电 流表上指示出的平均电流) 调节到大约等于短路电流( 即脉冲电 源短路时表上指示的电流) 的7 0 8 0 ，就可保证为最佳加工状 态，即此时变频进给速度最合理，加工最稳定，切割的速度最高。 理论上，加工电流与短路电流的最佳比值芦与脉冲电源的空 载电压( 峰值电压u ) 和火花放电的维持电压以的关系为 夕可加i 短= l u d 职( 2 一1 ) 据此公式，用计算法或实测法获得短路电流值，求得加工电流。 上面两种调节方法，都必须在工作液供给充足且有良好清洁 度，导轮精度良好，钼丝松紧合适等正常切割条件下才能取得较 好的效果。进给速度调节得适宜，则加工稳定，切割速度高，工 件加工表面细而亮，丝纹均匀，可获得较小的表面粗糙度和较高 的精度。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 7 页 第3 章国内外线切割机发展概况 3 1 我国线切割机发展概况 高速走丝电火花线切割机是我国独创的电加工设备，它结构 简单，生产成本和使用成本低廉，易切割大厚度工件，经过3 0 多 年的发展，以其性能价格比的优势，正成为我国产量最大，应用 最广泛的普及型数控机床，在模具制造和零件加工中发挥着重要 作用。目前，切割速度已由过去的2 0 4 0 m m 2 m i n 普遍提高到 1 0 0 m m 2 m i n 以上，个别甚至高达2 6 0 m m 2 m i n ，机床的加工精度为 0 o l r n m 。但由于机床本身构造的局限性，虽然也做过许多改进， 但在加工精度的研究和应用上并未取得实质性突破，整体水平仍 属于低档产品。其加工精度低，精度保持性差，自动化程度低， 数控功能简单，技术发展较慢，加工表面粗糙度长期停留在r a 2 5 g tm 左右，在较低的水平上重复生产。电火花线切割在模具工业， 国防工业和精微制造业中占有重要地位。面对科技迅猛发展和市 场竞争的现实，国外不断提出一些新概念和新方法，并逐步应用 于实践当中。其生产的低速走丝电火花线切割机，加工技术先进， 加工精度高，精度保持性好，自动化程度高，数控功能完善。尤 其是具有智能化控制系统和专家咨询系统以及应用了表面完整性 概念进行加工，其工艺水平已远远超过高速走丝电火花线切割机。 加工出来的模具无需光整，这不仅大大缩短了模具的制造周期， 而且还保证了模具的加工精度。而我国由于拘泥于具有中国特色 的由我国发明的高速走丝电火花线切割机，又缺乏足够的研究力 量和资金投入，致使基础理论研究进展缓慢，难以取得突破性和 创新性的发展。机床的加工精度、自动化程度、功能和可靠性等 方面与低速走丝电火花线切割机存在相当大的差距。 我国的电加工线切割机床行业，经过3 0 多年的发展，形成了 具有一定规模的行业。目前，我国共有6 0 多个电加工机床生产企 业，分布在江苏、浙江、北京、上海等近2 0 个省、市，其中国有 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 8 页 企业约占近1 3 ，外资企业约占1 1 0 ，其它为集体或私有的中小型 企业。我国生产的机床主要以高速走丝线电火花线切割机为主， 中档线切割机尤其是高档线切割机主要依赖于进口。每年进口的 电加工机床数量仅占国内电火花线切割机销售量的1 1 0 不到，但 销售额却占总销售额的4 0 。高速走丝电火花线切割机在数量上 能够比较充分地满足市场需要，全功能数控低速走丝电火花线切 割机、带a w f 的电火花线切割机和具有微细切割功能的电火花线 切割机国内尚不能供货，需要进口。加工精密模具需要的细丝切 割、防电解电源等都是空白，模糊控制技术，有效的专家系统也 还不能提供商品化的产品【2 】。目前国内的线切割加工仍然以高速走 丝切割加工为主，低速走丝切割加工只占很小一部分。近几年来， 国产电火花线切割机床的规模有了很大的发展，除了生产高速走 丝电火花线切割机床外，也能少量生产功能简单的低速走丝电火 花线切割机床。 3 2 新型高速走丝电火花线切割机床的特点 3 2 1 机械部分 1 机床结构机床结构采用了新颖的低床身、模块组合式结构。 2 精密传动机构工作台传动采用了精密滚珠丝杠副和精密直 线滚动导轨，滚珠丝杠采用五相步进电动机直接传动，进一步提 高了传动的刚度和精度。 3 润滑情况改善了运动部件的润滑条件。 4 电极丝恒张力机构的应用采用电极丝恒张力机构，如重锤 和弹簧组合机构等，使电极丝在加工过程中保持恒定的张力，并 在切割锥度时，电极丝在恒张力状态下跟随导轮伸长和缩短，不 至于拉断或造成松丝。 5 锥度加工功能目前，许多生产厂家线切割机床的切割锥度 为6 。3 0 。8 0 m m ，己有几个厂家的线切割机床，其切割锥度达 到6 0 。1 0 0 m m 。 3 2 2 控制系统 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 9 页 编程控制一体化，主机采用通用计算机及双c p u 结构，加工 的同时可进行编程工作。切割加工图形跟踪显示，还可显示放电 状态的波形。可对工件轮廓进行三维造型，三维切割；采用i s o 代码，i s 0 代码和3 b 代码可相互转换。能读入a u t o c a d 的d x f 文件并对其编程切割。能接受扫描仪扫描的图形，并对其进行编 程切割。能与计算机联网。能控制加工大锥度和上下异形面。 3 2 3 脉冲电源 采用了大功率v m o s 晶体管作功放管，使得输出功率增大， 能切割厚度为6 0 0 m m 甚至1 0 0 0 m m 的工件；有的脉冲电源在加工 电流为2 6 a 时，切割2 0 0 0 0 0 m m 2 ，电极丝直径损耗小于0 0 0 5 m m ； 在加工电流为3 6 a 时，切割2 0 0 0 0 0 m m 2 ，直径损耗小于0 0 l m m 。 3 3 国外( 包括我国台湾省) 的低速走丝电火花线切割机床 3 3 1 概况 国外电火花线切割机床都是低速走丝。用黄铜为主的电极丝， 一般直径为0 1 0 3 r a m 。走丝速度为o 0 0 l 0 2 5 m s ，电极丝张力 为2 2 5 n 可调。用去离子水作工作液。控制系统基本上为闭环或 半闭环系统。工作台或锥度部件等的驱动电动机多为直流伺服电 机，并向交流伺服电机发展。具有恒张力，恒速的走丝功能，还具 有自动穿丝和自动接线机构，因而在机床的整体布局及机械结构 上与国内的线切割机床有较大的区别。配备有自适应控制系统， 对于不同的加工对象如：冲模、铸模以及不同材质、不同粗糙度 要求的工件，能自动选择相应的技术条件。由于国外线切割机床 的主要特点是走丝速度较低，与高速走丝机床的走丝速度 ( 8 - l l m s ) 相比要低得多。因此，导向机构可以不用导轮，而采 用固定式的圆孔形金刚石模导向块，对电极丝的约束性好。此外 由于导向块和电极丝是点接触，即使是锥度切割，电极丝的导向 位置也不会产生偏差，可以进行高速高精度切割。 3 3 2 低速走丝线电火花线切割机的结构特点 1 高刚性机械构造应用最新的计算机解析技术，对机械结构 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 0 页 进行最优化设计，实现了高刚性的机械结构，此外，还对材料变 形，温度影响等采取了补偿措施，为高精度加工奠定了基础。 2 电极丝驱动系统为了使电极丝的运动保持稳定状态，采用 最新式的伺服电机恒张力控制装置来调节张力，与以往的电磁制 动器相比，不仅稳定，而且电极丝张力调节部分简单，操作方便。 图3 1 低速走丝电火花线切割机床电极丝走行路径 图3 1 所示为低速走丝电火花线切割机床电极丝走行路 径。主要是由电极丝供给绕线轴，电极丝恒张力机构和电极丝 自动卷绕机构组成。为了防止电极丝散乱，电极丝供给绕线轴 上装有力矩很小的预张力电机。 由于电极丝只使用一次，放电后的电极丝就成为废弃物， 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 1 页 因此不用考虑电极丝的损耗，可选用高切割速度的电规准。 3 自动穿丝机构自动穿丝机构采用了高性能负荷传感器 除具有自动穿丝、自动接线功能外，还具有自动切断和再接线 功能。用于跳步模和级进模线切割。从而大大减轻了劳动强度， 提高了工作效率，而且还可实现无人化运行。 4 工作台的定位精度应用了直流伺服电动机和工作台闭 环半闭环控制，具有螺距误差自动补偿和反向间隙自动补偿功 能，工作时自动进行螺距误差补偿，使工作台的定位精度1 0 umo 5 精密滚针导轨和滚珠丝杆采用精密的传动机构，以保证 工作台传动精确灵敏。 6 加工液及加工液供给装置国外线切割机床一般都使用 去离子水作工作液，所以需要配有将自来水加工成去离子水的 树脂交换器和精密过滤器。 加工中工作液的电阻率需控制在一定范围之内( 1 0 - 1 0 0 k q c m ) 。否则放电间隙的尺寸就会发生变化，从而影响加工 精度。另外工作液的温度也需要得到很好的控制，否则同样影 响加工精度。 7 电极丝及导向机构采用固定式的圆孔形金刚石模导向 块，对电极丝约束性好，电极丝的导向位置不会产生偏差，可 以进行高速高精度切割。 3 3 3 低速走丝电火花线切割机的发展状况 电火花线切割机床水平较高的国家和公司为：瑞士的阿奇公 司( a g i e ) ，夏米尔( c h a r m i l l e s ) ，日本的三菱公司，s o d i c k 公司及牧野公司( m a k i n o ) 等。为适应制造加工技术的要求，目前 线切割机床控制系统已从单独轨迹控制发展到适应控制。适应控 制作用已深入到工作液水质调节( 电导率、恒温等) 、脉冲电源的 自动调节、加工测量、自动穿丝、自动卸除废料和短路自动回退 等自动化技术的各方面。采用了闭环数字交( 直) 流伺服控制系 统，确保了优良的动态性能和高定位精度。此外，工作液压力也 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 2 页 可进行控制。由于使用了新技术并注重计算机软件技术的更新和 发展，低速走丝切割机的工艺指标已经达到了相当高的水准。在 全行程上的定位精度在2 3 l a m 左右，重复定位精度在2 u m 左右， 即使对形状复杂零件的加工，最高切割速度也可超过3 0 0 m m 2 m i n ， 尺寸精度可达到2um ，表面粗糙度可达到r a 0 1 0 2um ，基本 上可实现全自动加工，已向着无人化、电加工中心和网络控制方 向发展。如瑞士夏米尔公司的r o b o f i l2 0 3 0 s i 型低速走丝电火 花线切割机，是一种高档精密机床，可直接加工精密模具，而无需 研磨抛光，加工工件变质层1 0un l ，加工精度为1 8 3 0 l am ， 加工表面粗糙度r a 为o 小。o 2 um 。该机还具有由o 0 5 m m 的细丝 切割功能，且从中0 0 5 r a m 到由o 3 m m 的任何电极丝运行，都不需 进行走丝机构的调整和更换。从中0 0 5 m m 到巾o 3 m m 的电极丝均 能自动穿丝。该机可配机器人，还可纳入计算机集成制造系统， 代表了当前低速走丝电火花线切割机的发展水平。 3 4 国产低速走丝电火花线切割机床概况 我国长期以来主要着重于发展高速走丝电火花线切割机床。 1 9 8 9 年苏州电加工机床研究所引进日本f a n u c 公司的h c 一6 型 c n c 线切割机床技术，目前发展为d k 7 6 3 2 型数控低速走丝电火 花线切割机床。近几年北京机