電火花線切割技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

1、模具技術(shù) 2002. N0. 649文章編號: 1001- 4934( 2002) 06- 0049- 04電火花線切割技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢李明輝( 上海交通大學(xué) 塑性成形工程系, 上海 200030)摘 要: 在分析總結(jié)國內(nèi)外電火花線切割技術(shù)研究現(xiàn)狀以及我國近幾年來所取得的進步基礎(chǔ)上, 論述了我國電火花線切割技術(shù)的發(fā)展趨勢及其主要任務(wù)。關(guān)鍵詞: 電火花線切割; 研究現(xiàn)狀; 發(fā)展趨勢中圖分類號: TG661文獻標識碼: AAbstract: The research status and progresses obtained in recent years about Electric

2、Discharge Wire- cut-ting Technology are analyzed and summarized in this paper. The development trend and main tasks about Electric Discharge Wire- cutting Technology in our country are pointed out.Key words: Electric Discharge Wire- cutting T echnolog y; research status; development trend其加工原理是在不產(chǎn)生放

3、電的加工時間內(nèi)( 脈沖間1 電火花線切割技術(shù)的研究現(xiàn)狀隔) 施加一反極性電壓, 加工時仍采用以往的正極性加工, 這樣可以使漏電流控制到最低限度。采用電火花線切割技術(shù)經(jīng)過近半個世紀的發(fā)展,無電解電源后, 生產(chǎn)效率約比傳統(tǒng)的電源降低現(xiàn)已十分成熟, 并達到了相當高的工藝水平: 最大30%, 最大的生產(chǎn)效率約為 260 270mm2/ min, 加的切割速度可達 325m m2/ min, 最佳表面粗糙度工表面粗糙度達Ra0. 1 0. 2Lm。目前的無電解電達Ra0. 10. 2Lm, 加工尺寸精度可控制在幾個源可以進行從粗加工到精加工的整個加工過程, 但微米之內(nèi),高速走絲電火花線切割機還能穩(wěn)定切單

4、獨使用此電源所能達到的表面粗糙度略低于微割 1 米的超厚工件。為了提高電火花線切割工藝精加工電路所達到的最佳指標, 其優(yōu)點在于消除了水平, 提高機床自動化程度和智能化程度, 滿足市電解變質(zhì)層, 減少裂紋, 提高表面硬度, 大大提高了場的不同要求, 國內(nèi)外電加工研究人員及制造商工件壽命, 減少精修次數(shù)。此外, 無電解電源在加都在積極采用現(xiàn)代研究手段和先進技術(shù)進行深入工鋁、黃銅、鈦合金等材料時, 工件的氧化情況也有開發(fā)研究, 向電火花線切割加工信息化, 智能化和很大的改善。綠色化方向發(fā)展。電火花線切割加工件的表面缺陷, 不僅指電111 脈沖電源解變質(zhì)層, 而且還包括熱變質(zhì)層、微裂紋鍍覆層及鐵銹等方

5、面。為了改善工件的表面質(zhì)量,電火花線切割加工時, 一般采用水作工作液,Charmilles 公司的對策是在等能量的原則下, 將放電時的電解腐蝕影響大, 特別是對于硬質(zhì)合金的脈寬變窄拉高, 使放電能量集中, 讓材料以汽化方加工, 電解作用會使工件表面形成一層電解變質(zhì)式蝕除。這樣配備了 MF 微精加工電路的 SI 電層, 使硬度下降, 模具壽命縮短。為克服電解變質(zhì)源保證了表面完整性。用過去的電源加工時, 變層的影響, 國外廠商推出無電解電源, 日本 Sodick 公司的 BS 電源、日本 Mitsubishi 公司的 AE 電源、 FANUC 公司的 AC 電源、及 Seibu 公司的 EP 電源

6、和Charmilles 公司的 SI 電源等都是無電解電源。質(zhì)層為 4 5Lm, 用 SI 電源及細絲加工時, 變質(zhì)層為 1Lm 以下。據(jù)介紹, 日本 Mitsubishi 公司的EA 電源加工后的表面也不產(chǎn)生微裂紋, 可以獲得與磨削加工幾乎一樣的表面。收稿日期: 2002- 08- 15作者簡介: 李明輝( 1940 ) , 男, 教授。50Die and M ould T echnolog y No . 6 2002與脈沖電源密切相關(guān)的還有電源參數(shù)的控制問題, 它不僅涉及到電源技術(shù), 同時還涉及到自動控制領(lǐng)域。有關(guān)脈沖電源參數(shù)的控制將在控制系統(tǒng)部分敘述。112機械系統(tǒng)為提高加工精度和改善控

7、制性能, 電火花線切割機床的機械部分也得到改進, 有的已將電火花線切割加工技術(shù)提高到一個新的境界。日本 Sodick 公司創(chuàng)造性地在電火花線切割機床的伺服系統(tǒng)上使用直線馬達驅(qū)動, 使精加工脈沖的利用率大幅度提高。直線運動的導(dǎo)向也采用了與直線電機高響應(yīng)速度相適應(yīng)的滾動導(dǎo)軌,這些措施的綜合使用, 實現(xiàn)了機床的精密控制和長期的精度保持性。瑞士的 CHARM ILLES 公司的超精密電火花線切割機床 ROBOFIL - 2030SI 在機械系統(tǒng)上有自己的新意: 該機采用新的走絲系統(tǒng), 電機絲在皮帶運絲機構(gòu)中作橫向擺動, 大大減少了皮帶磨損出溝問題, 使絲張力和走絲速度更加穩(wěn)定, 而且皮帶的使用壽命至少

8、有 1 000h。最近又推出了雙走絲系統(tǒng)線切割機。此外, 自動穿絲技術(shù)方面也有重大進展。穿絲前除了進行加熱、拉細、變硬的準備處理外, 在保護套管下端還設(shè)有一細脖子, 當電極絲經(jīng)上述處理后, 因為此處散熱較慢, 會過熱拉斷, 形成自然的尖錐, 從而不再需剪切機構(gòu), 也不會有剪切毛刺, 影響穿絲的成功率。用 0. 1mm 的電極絲,可穿過 0. 16mm 的起始孔 50 次, 成功率 100%, 一次穿絲時間 10 15s。重穿絲可以在切縫中進行, 不必回到起始孔位置, 其范圍已擴大到直徑為 0. 07 0. 3mm 的電極絲。另一個重大改進是用恒溫水冷卻立柱。 ROBO FIL2030SI 機床

9、的工作液( 高純水) 有一套溫控裝置, 控制水溫在( 20 ? 0. 5) e 范圍, 用專門的循環(huán)水泵將其川流不息地在立柱冷卻管道中通過, 不管室溫如何變化, 立柱溫度不變。瑞士的 Agie 公司為減少機床精度的變化對加工精度的影響, 而采取了統(tǒng)一的溫度場, 其機床裝有兩套溫度控制系統(tǒng), 分別控制加工區(qū)與U 、V 軸兩軸的溫度, 以及電源箱、機床與室溫的空氣冷卻。兩套溫控系統(tǒng)通過溫度計進行調(diào)整, 使溫差不超過 1 e 。在電火花線切割加工中, 由于電極絲的滯后彎曲變形, 在角度加工時會產(chǎn)生塌角誤差, 特別在小角度與小圓弧切割時表現(xiàn)更為明顯。Ag ie 公司在這方面擁有稱為 Pilot 的專利

10、技術(shù), 它利用一套光學(xué)系統(tǒng)測量電極絲受力時彎曲變形量, 由 CNC 系統(tǒng)進行補償, 其分辨率為 2Lm, 采樣頻率為每秒 15 次, 這樣不僅提高了角度的加工精度,而且使加工速度比一般的拐角對策提高了 60% 。113斷絲機理一般認為, 斷絲主要是由于火花放電集中引起電極絲溫度過高而熔斷, 這一點與檢測到的斷絲先兆是一致的。因此從熱傳導(dǎo)理論研究電極絲的溫度分布成為研究斷絲機理的主要研究途徑。 M. Jennes、R. Snoeys 和 W. Dekeyser 建立了熱模型, 并分別用解析法和有限差分法計算了不同加工條件下電極絲上的溫度分布。S. Banejee 對 Jennes 的模型進行了修

11、正和簡化, 新模型考慮了脈沖時間內(nèi)放電通道寬度方向上的熱能擴散。研究的結(jié)果表明: 斷絲前的熱載荷超過平均值; 脈沖寬度和絲徑的大小對絲溫的影響大; 熱對流系數(shù)對絲溫的影響大, 沖液的狀態(tài)對避免斷絲十分重要; 焦耳熱和絲振的作用可相對忽略。K. P . Rajurkar 等也進行了這方面的研究, 但所獲得的熱傳導(dǎo)計算結(jié)果與實際加工結(jié)果相差較大, 只能是定性或粗定量地反映電極絲上的溫度分布和蝕除速度。此外, 他們還研究了冷處理后的電極絲與加工性能之間的關(guān)系, 使用在 77 O 的低溫中存放 24 小時后的電極絲進行切割, 斷絲的可能性降低了 30% 。對于等能量脈沖電源, 研究的結(jié)果表明斷絲有兩個

12、重要先兆: ( 1) 火花放電機率在短時間內(nèi)( 50ms 2s) 突然上升, 由于放電頻率過高使電極絲局部溫度很高, 進而導(dǎo)致斷絲。( 2) 正?；鸹C率的下降, 異常放電機率逐漸上升也是斷絲的一個先兆, 由于絲損上升, 電極絲變細, 最終被拉斷。K. P . Rajurkar 等還指出加工過程中工件厚度的突變是引起放電集中的主要原因之一, 因此需要在線檢測工件厚度的變化, 調(diào)整相應(yīng)的工藝參數(shù), 控制電極絲的進給速度和放電頻率, 在不斷絲的情況下得到較佳的切割速度。由于斷絲先兆持續(xù)的時間短, 防斷絲控制的實時性要求高, 因此控制參數(shù)的選擇非常重要。在線切割加工中, 脈沖間隔能夠快速調(diào)節(jié)向放電間

13、隙輸入的能量, 同時脈沖間隔變大, 使放電間隙電蝕產(chǎn)物排除的時間增加, 能有效改善放電集中現(xiàn)象, 使斷絲發(fā)生的機會大大降低, 這使脈沖間隔成為防斷絲控制的首選控制參數(shù)。114加工控制電火花線切割加工中, 由于檢測量與控制量模具技術(shù) 2002. N0. 651之間的非線性關(guān)系, 使得經(jīng)典控制理論難以取得較好的效果。針對高速走絲線切割加工控制, Huang . Y. H 等在分析機床的加工工藝特點后, 提出了步進電機進給步周期的推算算法, 使在切割厚度變化情況下也能很好地跟蹤, 獲得最佳切割速度。Zhang. W 等用自校正控制算法來進行控制伺服進給, 并通過試驗確定系統(tǒng)的預(yù)報模型為二階模型, 控

14、制模型的參數(shù)采用在線遞推估計法。試驗表明這些控制算法在一定的實驗條件下取得了較好的加工效果, 對不同的加工條件都有較好的適應(yīng)能力。對于慢走絲電火花線切割加工, 火花放電機率的高低和波動不僅關(guān)系到加工速度, 同時與加工穩(wěn)定性和斷絲問題是密切相關(guān)的。K. P . Ra-jurkar 等認為不同厚度工件的最佳火花頻率不同, 因此必須實現(xiàn)工件厚度的實時檢測。為了在線識別工件厚度, 建立一個多輸入?yún)?shù)模型, 用間隙電壓量、伺服進給量和實時檢測的火花機率來識別, 這使得在伺服進給不穩(wěn)定時也能有很高的精確性。他們還通過實驗建立了厚度與最佳火花機率關(guān)系的公式, 當工件厚度識別后, 最佳的火花頻率也就確定了。在

15、控制火花機率上, 他們采用了自適應(yīng)控制理論來建立了一個一階控制模型,模型參數(shù)同樣采用在線遞推辨識以適應(yīng)放電加工的隨意性。試驗表明, 該控制策略使在變厚度切割條件下也能始終維持最佳的火花機率, 保持高速切割, 同時有效避免斷絲的發(fā)生, 這在電火花線切割加工自適應(yīng)控制研究是相當先進的。M . T . Yan, Y. S. Liao 等是較早在電火花線切割加工控制系統(tǒng)中運用模糊邏輯控制理論的。同建立在精確數(shù)學(xué)模型的經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論想比, 模糊控制更適合于多輸入非線性、時變或具有高度不確定性的系統(tǒng)的控制, 而且控制器的規(guī)劃設(shè)計可以充分利用熟練操作人員及專家的經(jīng)驗; 此外將自適應(yīng)和學(xué)習(xí)能力引入

16、到模糊控制中, 使模糊控制規(guī)則、隸屬函數(shù)和模糊量化在控制中可自動調(diào)整和完善。這些特點都非常適合電火花加工控制。在此基礎(chǔ)上, 對脈間和進給伺服參考電壓采用模糊自適應(yīng)控制。試驗表明, 與傳統(tǒng)的控制相比較, 采用模糊控制技術(shù)具有良好的自適應(yīng)能力, 控制器可以由放電間隙狀態(tài)的檢測來感知加工條件的變化, 從而自動調(diào)節(jié)控制參數(shù),如同一個熟練的機床操作人員, 試驗研究取得了滿新意的結(jié)果。在拐角切割控制加工上, W. J. Hsue, S. S. Lu 等在控制策略上有新的成果, 他們提出了/ 放電角0的新概念, 并利用此概念分析了常見拐角加工的材料去除率, 指出在拐角切割且當保持恒速伺服進給時, 材料蝕除量

17、是在不斷發(fā)生變化的, 不象在進行直線切割時, 材料蝕除量是恒定的, 因此在切割拐角時, 向放電間隙輸入的放電能量要與材料的蝕除量相一致, 否則拐角的切割由于過多的放電能量而形狀精度下降。在控制放電能量的同時, 他們還對電極絲的張力進行控制, 當切割拐角時增加電極絲的張力來改善由于電極絲彎曲而使精度下降的現(xiàn)象, 研究中的試驗結(jié)果表明這種全面控制策略取得相當好的加工精度。2 我國電火花線切割技術(shù)的近期進步211機床品種多樣化、年產(chǎn)量穩(wěn)步增長多年來, 我國生產(chǎn)的數(shù)控電火花線切割機一直是單一的高速走絲線切割機。近幾年來, 為了滿足市場需要, 又開發(fā)生產(chǎn)了自旋式電火花線切割機、走絲速度可調(diào)的電火花線切割

18、機( 含高低雙速走絲電火花線切割機) 以及低速走絲電火花線切割機等。機床品種的多樣化可以滿足用戶的需要, 擴大數(shù)控電火花線切割加工的應(yīng)用范圍。高速走絲電火花線切割機是我國當前發(fā)展的主要產(chǎn)品, 廣大科技工作者為了進一步提高它的工藝性能及自動化程度做了大量開發(fā)研究工作,并開發(fā)生產(chǎn)了2 000mm 1 200 mm 500m m及 1 000mm 630mm 1 000mm 等超大型高速走絲電火花線切割機床, 擴大了它的應(yīng)用范圍, 滿足了用戶的各種需要, 使其年產(chǎn)量穩(wěn)步增長, 至今已達 12 000 臺/ 年, 并有約 300 臺/ 年出口到世界各國。低速走絲電火花線切割機過去曾是/ 出口機0的代名

19、詞, 現(xiàn)在已有蘇州沙迪克三光機電有限公司、北京阿奇工業(yè)電子有限公司、蘇州電加工機床研究所、漢川機床廠等多家制造廠商自行開發(fā)生產(chǎn), 年產(chǎn)量達 300 多臺。這些機床性能好, 價格不到進口機的一半, 深受國內(nèi)用戶的歡迎。自旋式電火花線切割機和走絲速度可調(diào)的電火花線切割機目前雖處在開發(fā)和完善階段, 產(chǎn)量也不大, 但開發(fā)思想都是企圖借鑒高速走絲和低速走絲二者的優(yōu)點來創(chuàng)造一種新型的電火花線切割方法。它的成功不僅能為我國的電火花線切割機增加一個新品種, 并以它性能價格比好以及加工消耗低的特點找到它自身的應(yīng)用范圍, 而且為高速走絲的電火花線切割機的多次切割工藝奠定52Die and M ould T ech

20、nolog y No . 6 2002基礎(chǔ)。212高速走絲系統(tǒng)日趨完善高速走絲有助于工作液進入窄小的加工區(qū), 改善排屑條件, 這對于切割大厚度工件以及提高切割速度都是很有作用的; 同時, 電極絲的往返運動可使電極絲重復(fù)使用, 減少電極絲的消耗, 降低切割加工的生產(chǎn)成本。然而, 高速走絲也會造成導(dǎo)向器( 導(dǎo)輪、導(dǎo)向塊等) 的磨損和系統(tǒng)的振動, 加上電極絲的張力不易控制, 它將給加工穩(wěn)定性、加工精度及表面質(zhì)量帶來嚴重影響。為了解決高速走絲所存在的問題, 完善高速系統(tǒng), 廣大科技工作者已做了大量的開發(fā)研究工作, 并獲得了明顯的效果。上海大量電子設(shè)備有限公司已于 1999 年開發(fā)生產(chǎn)了數(shù)字程序控制短程往返走絲系統(tǒng), 根據(jù)加工條件設(shè)定正向移動和反向移動的時間, 以消除高速走絲的換向切割條紋, 改善加工表面質(zhì)量。北京阿奇工業(yè)電子有限公司根據(jù)高速走絲正向和反向移動張力不一的缺點, 開發(fā)了新型