朱 寧,葉 軍,韓福柱,顧 琳,盧智良

(1.蘇州電加工機(jī)床研究所有限公司,江蘇 蘇州 215011;2.清華大學(xué)精密儀器與機(jī)械學(xué)系,北京 100084;3.上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院,上海 200030)

隨著航天、航空、軍工、汽車、半導(dǎo)體等關(guān)鍵制造領(lǐng)域,特別是精密模具制造業(yè)的迅速發(fā)展,對(duì)各類高、中、低檔數(shù)控電火花線切割機(jī)床的需求量不斷提高,市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)也日趨激烈,同時(shí)也刺激了線切割機(jī)床制造廠商對(duì)電火花線切割機(jī)床性能及功能的提升,促進(jìn)了數(shù)控電火花線切割的技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。下面結(jié)合實(shí)例,對(duì)最近幾年國(guó)內(nèi)外電火花線切割加工技術(shù)的發(fā)展動(dòng)態(tài)進(jìn)行綜述。

1 單向走絲電火花線切割的技術(shù)

精密數(shù)控單向走絲線切割技術(shù)與往復(fù)走絲線切割技術(shù)相比,以其優(yōu)異的加工性能,包括更好的加工效率、更好的加工精度、更好的表面質(zhì)量為現(xiàn)代制造業(yè)所廣泛認(rèn)知與采用。數(shù)控單向走絲電火花線切割機(jī)床屬5軸四聯(lián)動(dòng)高檔特種加工機(jī)床,可以進(jìn)行三維復(fù)雜型面零件的精密、微細(xì)切割,在實(shí)現(xiàn)特殊材料零件、復(fù)雜直紋曲面高效、微細(xì)、精密加工方面具有不可替代的獨(dú)特優(yōu)勢(shì),是精密模具、航天、航空、軍工、汽車、半導(dǎo)體等重要制造領(lǐng)域的關(guān)鍵加工裝備。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外研究人員和設(shè)備制造商采用信息化、智能化等技術(shù)手段,不斷提高脈沖電源、主機(jī)結(jié)構(gòu)、運(yùn)絲系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)等的技術(shù)水平,在提升線切割機(jī)床的加工效率、切割精度以及表面質(zhì)量等方面取得了許多卓有成效的進(jìn)展。

1.1 脈沖電源技術(shù)

高效電火花脈沖電源是單向走絲線切割機(jī)床的核心單元,高頻脈沖電源的自適應(yīng)控制策略的優(yōu)劣對(duì)單向走絲線切割的加工效率、加工精度以及加工表面粗糙度的影響至關(guān)重要。

1.1.1 高效脈沖電源技術(shù)

超窄脈沖電流的上升速率、加工過程檢測(cè)及脈沖參數(shù)的適應(yīng)控制能力及控制策略是影響加工效率的關(guān)鍵技術(shù)。脈沖寬度作用時(shí)間長(zhǎng),易造成熔化加工,使表面形貌變差,變質(zhì)層增加,內(nèi)應(yīng)力加大,易產(chǎn)生裂紋,且增加斷絲概率;脈寬小到一定值時(shí),作用時(shí)間短,形成汽化加工,可減小變質(zhì)層厚度,改善表面質(zhì)量,減小內(nèi)應(yīng)力,避免裂紋產(chǎn)生。

在高效加工方面,國(guó)外各公司推出了各自的系列高效自適應(yīng)控制電源,采用縮短放電時(shí)間,增大峰值電流的辦法,優(yōu)化放電能量,脈寬僅幾十納秒,峰值電流1000 A以上,形成汽化蝕除,表面質(zhì)量大大提高。如:瑞士阿奇夏米爾公司的AGIECUT PROGRESS V系列機(jī)床采用的AGIE IPG-VP集成式電源,具有適時(shí)檢測(cè)工件截面變化、實(shí)時(shí)優(yōu)化放電功率功能,平均加工電流可達(dá)60 A,最高加工效率可達(dá)500mm2/min。其Clean Cut脈沖電源,最大峰值電流達(dá)1200 A,最高電壓250 V,脈沖前沿達(dá)到600 A/μ s,只需2μs即可達(dá)到最大峰值電流,為快速加工打下了基礎(chǔ)。日本三菱電機(jī)公司的FA10S機(jī)床采用高速V電源,用直徑0.2mm的電極絲即可達(dá)到360mm2/min的高效加工;日本沙迪克公司的LQ33W電源在以往電源技術(shù)的基礎(chǔ)上,對(duì)電源供給的電感進(jìn)行了徹底研究,隨著再生電源再生率的改進(jìn),使得加工電流峰值的前沿和后沿邊變得極為陡峭,從而實(shí)現(xiàn)了最適合于高速加工的高峰值、短脈沖的電流波形。

根據(jù)放電狀態(tài)適時(shí)控制脈沖電源參數(shù)的自適應(yīng)控制策略對(duì)提高線切割加工效率、加工穩(wěn)定性、降低斷絲概率極其重要。日本發(fā)那科公司的ROBOCUT α系列機(jī)床采用AI脈沖控制技術(shù),統(tǒng)計(jì)單位時(shí)間內(nèi)的有效放電脈沖數(shù)和無(wú)效放電脈沖數(shù),適時(shí)控制放電能量和進(jìn)給速度,使放電能量分布均衡,防止由于集中放電而引起的斷絲,實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定高速加工。

1.1.2 高表面質(zhì)量加工及微精加工脈沖電源技術(shù)

對(duì)于電火花線切割精加工而言,加工效率和加工表面質(zhì)量是一對(duì)矛盾。為得到好的加工表面,每次放電的去除量必須非常的小,這勢(shì)必影響加工效率。為此國(guó)外電火花加工機(jī)床生產(chǎn)廠家推出了超高頻高速精加工脈沖電源,如瑞士阿奇夏米爾公司的Clean Cut脈沖電源,采用快速的開關(guān)元件,并對(duì)放電回路進(jìn)行整合,通過高頻窄脈沖放電,即可提高加工效率,又能獲得高品質(zhì)的加工表面,其加工表面粗糙度可達(dá)Ra≤0.2μm。日本沙迪克公司的線切割超高頻精加工回路(SUPPER PIKAN),在超短脈沖條件下獲得上百安培的高峰值電流,由脈沖變壓器輸出雙向脈沖進(jìn)行放電精細(xì)加工,脈沖變壓器輸入端是無(wú)電阻的場(chǎng)效應(yīng)管高速脈沖電路,可實(shí)現(xiàn)對(duì)超精加工的有效控制。用該電源切割20mm厚的鋼件,表面粗糙度達(dá) Ra 0.4μm。

此外,實(shí)現(xiàn)高表面質(zhì)量的精加工電源的關(guān)鍵技術(shù)之一,是如何布置極間供電電纜的走線方式,減少供電電纜寄生參數(shù)對(duì)微能量放電的影響。日本三菱電機(jī)推出的超微細(xì)精加工電源(Digital-FS),不用專門卡具,工件直接裝卡在工作臺(tái)上,可實(shí)現(xiàn) Ra 0.03μm的鏡面加工(硬質(zhì)合金材料,厚10mm)。日本牧野公司開發(fā)的MGW-Ⅵ電源備有SPG微細(xì)放電回路,也可實(shí)現(xiàn) Rz 0.17μm的鏡面加工。

1.2 防止斷絲技術(shù)

引發(fā)電極絲斷絲的因素很多,脈沖電源性能的優(yōu)劣、運(yùn)絲系統(tǒng)的穩(wěn)定性、沖液條件、加工過程的自適應(yīng)控制策略等,都對(duì)斷絲概率有重大影響。

偶發(fā)的斷絲是引起電火花線切割加工誤差甚至失敗的重要原因。有許多可在線辨識(shí)加工異常情況的適應(yīng)控制系統(tǒng)及相應(yīng)的防止斷絲的控制策略被開發(fā)出來(lái)。研究表明:在200 A以下較小電流峰值的加工時(shí),斷絲前瞬間會(huì)有放電點(diǎn)時(shí)間集中、空間集中、短路頻率增加等現(xiàn)象的發(fā)生;在電流峰值500 A以上,較大電流峰值的加工時(shí),斷絲前瞬間并沒有集中放電和短路頻率增加等現(xiàn)象的發(fā)生。有學(xué)者觀察到在斷絲前的5～40 ms內(nèi),間隙電壓會(huì)快速波動(dòng)。他們開發(fā)了一個(gè)檢測(cè)及控制系統(tǒng),在斷絲發(fā)生前切斷脈沖電源及伺服系統(tǒng)進(jìn)給,以防止斷絲帶來(lái)的危害,但這種方法對(duì)加工效率有所影響。日本三菱電機(jī)公司開發(fā)的PM控制就是加工過程中實(shí)時(shí)檢測(cè)出工件厚度、工作液流通狀況,并按工件厚度、工作液流通狀況自動(dòng)生成加工條件來(lái)控制加工能量,實(shí)現(xiàn)變截面加工等加工環(huán)境下最大速度的無(wú)斷絲加工。

斷絲的另一個(gè)原因是由于電極絲上過高的熱負(fù)載。電火花線切割加工過程中大部分熱量都通過電極絲傳出,少量由工作液帶走及輻射散熱。一些研究人員對(duì)不同加工參數(shù)下電極絲的熱負(fù)載展開了研究,并開發(fā)了熱仿真模型,建立了熱模型并分別用解析法和有限差分法計(jì)算了不同加工條件下電極絲上的溫度分布。研究結(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(duì)絲溫的影響大;熱對(duì)流系數(shù)對(duì)絲溫的影響大,沖液的狀態(tài)對(duì)避免斷絲十分重要;焦耳熱和絲振的作用可相對(duì)忽略。除了放電特性及溫度分布外,電極絲的機(jī)械強(qiáng)度對(duì)斷絲也有影響。研究表明電極絲的材料屈服、斷裂強(qiáng)度和斷絲有關(guān)。也有人對(duì)單向走絲電火花線切割加工中電極振動(dòng)對(duì)加工狀態(tài)和過程的影響展開研究,分析了連續(xù)放電力作用下絲的振動(dòng)模態(tài)以及對(duì)放電點(diǎn)轉(zhuǎn)移和分布的作用。

1.3 微細(xì)絲加工技術(shù)

近年來(lái)在微電子產(chǎn)品、醫(yī)療器械、生物、航空、通信、MEMS等領(lǐng)域,微細(xì)產(chǎn)品的需求正在日益擴(kuò)大,微細(xì)電火花線切割加工以其可加工高精度的窄縫和復(fù)雜形狀的微小零件而備受關(guān)注,采用微細(xì)絲進(jìn)行切割加工也是各廠商研究的一個(gè)重要方向。微細(xì)絲加工時(shí),放電能量非常微弱,隨著電極絲直徑與放電能量的大幅度減小,放電過程及其作用機(jī)理都發(fā)生了本質(zhì)上的變化,對(duì)運(yùn)絲系統(tǒng)、微精電源、加工過程控制策略等要求極大地提高。國(guó)外最高水平已可采用直徑直徑0.02mm的電極絲加工。如日本牧野公司的UP系列精密線切割機(jī)采用橫向走絲方式,電極絲直徑范圍為0.02～0.20mm,可加工微細(xì)零件。國(guó)內(nèi),蘇州電加工機(jī)床研究所有限公司研究的細(xì)絲切割技術(shù),直徑可達(dá)0.05mm。

為了既提高加工效率又能保證微細(xì)形狀的加工,瑞士夏米爾公司首創(chuàng)雙絲自動(dòng)交換技術(shù),實(shí)現(xiàn)在一臺(tái)機(jī)床上用不同直徑的電極絲進(jìn)行粗、精切割加工。粗加工時(shí)使用加工效率高的直徑0.20～0.25mm的粗絲,精加工時(shí)自動(dòng)切換為適合于微細(xì)形狀加工的直徑0.02～0.15mm細(xì)絲。據(jù)報(bào)道這種加工方法可將加工時(shí)間縮短30%～60%。

1.4 機(jī)械平臺(tái)的改進(jìn)

影響單向走絲電火花線切割加工精度的因素很多,除脈沖電源的性能、綜合自適應(yīng)控制策略外,機(jī)床布局的合理性及其機(jī)械剛性、傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)剛性及傳動(dòng)精度、主機(jī)及工作液系統(tǒng)的熱平衡等對(duì)提高加工精度和改善控制性能的作用也非常重要。

日本沙迪克公司單向走絲電火花線切割機(jī)床創(chuàng)造性地采用直線伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng),大大提高了響應(yīng)速度和定位精度,使加工效率和精度提高顯著。最近日本三菱電機(jī)公司也將直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案應(yīng)用到他們的電加工機(jī)床上。瑞士阿奇夏米爾公司的vertex系列機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)采用整體模塊化設(shè)計(jì),主要運(yùn)動(dòng)軸采用分離式安裝方式,所有軸均配置雙測(cè)量系統(tǒng),輔以冷卻循環(huán)的優(yōu)化控制,可有效帶走工作區(qū)域產(chǎn)生的熱量。其ROBOFIL系列機(jī)床采用固定式工作臺(tái),以人造花崗石為主體,采用工作臺(tái)不動(dòng)的設(shè)計(jì)理念,使機(jī)床可以加載重型工件且保證持久的加工精度。瑞士阿奇公司為減少機(jī)床精度的變化對(duì)加工精度的影響,采用統(tǒng)一的溫度場(chǎng),機(jī)床裝有兩套溫度控制系統(tǒng),分別控制加工區(qū)與U、V兩軸的溫度,以及電源箱、機(jī)床與室內(nèi)空氣冷卻。兩套溫控系統(tǒng)通過溫度傳感器檢測(cè)并進(jìn)行控制,使二者溫差不超過1℃。日本牧野公司的W系列機(jī)床通過絕緣液體冷卻裝置循環(huán)控溫,保持整個(gè)床身在等溫狀態(tài),實(shí)現(xiàn)機(jī)床的熱平衡,提高機(jī)床的整體加工精度。

許多廠家不僅注重提升電火花線切割機(jī)床的加工性能,還從操作的方便性、安全性、節(jié)能等方面加以強(qiáng)化。比如日本牧野公司的SP系列機(jī)床采用雙片“V”型導(dǎo)絲嘴(圖1),使日常維護(hù)只需幾分鐘即可完成,且清洗完成后不需再進(jìn)行垂直度的矯正。

圖1 日本牧野的雙片“V”型導(dǎo)絲嘴

圖2 瑞士阿奇夏米爾公司的ICP防撞保護(hù)系統(tǒng)

瑞士阿奇夏米爾公司的ROBOFIL系列機(jī)床5個(gè)運(yùn)動(dòng)軸都設(shè)置ICP防撞系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)(圖2),可避免由編程錯(cuò)誤或誤操作引起的碰撞,該系統(tǒng)完全內(nèi)置于運(yùn)動(dòng)控制部件,可檢測(cè)出微小的異常力,并在工件或電極絲導(dǎo)向系統(tǒng)受損之前自動(dòng)停機(jī)。其自動(dòng)無(wú)孔探測(cè)功能也很實(shí)用,自動(dòng)跳步加工時(shí),如果預(yù)孔被忘記打出或孔位偏移,機(jī)床就會(huì)自動(dòng)移到下一個(gè)預(yù)孔上,這樣可防止在無(wú)人操作加工時(shí)停機(jī)。日本發(fā)那科公司的ROBOCUT α系列機(jī)床也能自動(dòng)無(wú)孔探測(cè),且在穿好絲之后發(fā)生短路時(shí),可自動(dòng)搜尋消除短路的位置,提高了連續(xù)無(wú)人操作運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性。

1.5 數(shù)控系統(tǒng)的增強(qiáng)

電火花線切割加工機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)與典型的切削加工機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)有所不同,工具電極的軌跡運(yùn)動(dòng)功能只在完整的電火花線切割加工數(shù)控系統(tǒng)中占據(jù)很小的比例。而系統(tǒng)更多的是需結(jié)合加工過程實(shí)時(shí)檢測(cè),通過調(diào)節(jié)或控制眾多的可調(diào)參數(shù),包括放電過程和工具相對(duì)于工件的運(yùn)動(dòng)來(lái)獲得所希望的加工工藝指標(biāo),如切割速度、表面粗糙度、表面完整性、加工穩(wěn)定性、加工尺寸精度和形狀精度等等。高效的數(shù)控系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)精密加工必不可少的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)除對(duì)電火花線切割加工機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)在加工過程自適應(yīng)控制策略及自動(dòng)化控制功能方面強(qiáng)化研究外,著重在拐角加工精度控制、變厚度3D識(shí)別及其自適應(yīng)控制技術(shù)方面有較大突破。

1.5.1 加工過程檢測(cè)及控制技術(shù)

在加工過程中采用適應(yīng)控制系統(tǒng)是非常重要的,傳統(tǒng)的電火花線切割加系統(tǒng)采用線性控制器在加工過程中對(duì)放電間隙進(jìn)行伺服控制,但實(shí)際上由于測(cè)量量和控制量之間是非線性的,所以線性控制器的實(shí)際效果受加工條件的影響很大。國(guó)內(nèi)外的研究人員研究了包括模糊控制及自適應(yīng)控制的檢測(cè)控制系統(tǒng),提出了基于模糊邏輯控制和適應(yīng)策略的放電檢測(cè)及適應(yīng)控制系統(tǒng),可適用于較廣泛的加工范疇。此外,還設(shè)計(jì)了一種帶在線放電脈沖檢測(cè)系統(tǒng)的模糊控制器,應(yīng)用自學(xué)習(xí)模糊控制策略實(shí)現(xiàn)在控制放電頻率的同時(shí)通過實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)脈間來(lái)保持較高的材料去除率。

1.5.2 拐角加工精度控制技術(shù)

影響加工精度的因數(shù)很多,除機(jī)床的機(jī)械精度和運(yùn)絲系統(tǒng)的穩(wěn)定性外,加工間隙中放電時(shí)的爆炸力和高壓水在加工縫隙中向加工路徑后方的壓差推力對(duì)電極絲的滯后作用,也會(huì)造成電極絲實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡偏離數(shù)控代碼的預(yù)定軌跡,體現(xiàn)在加工小圓弧時(shí)實(shí)際圓弧直徑偏小、加工拐角處出現(xiàn)塌角,影響到加工質(zhì)量和精度。國(guó)內(nèi)外的專家學(xué)者對(duì)電極絲變形引起工件形狀誤差提出了數(shù)學(xué)模型。瑞士阿奇公司采用光學(xué)傳感器來(lái)在線觀測(cè)電極絲受力時(shí)的變形量,并通過一個(gè)控制算法來(lái)補(bǔ)償電極絲帶來(lái)的誤差進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高速加工。目前在研的及設(shè)備制造廠家常用的拐角加工精度控制策略有:

(1)能量控制法

在拐角或小R處實(shí)時(shí)降低加工電流、降低工作液壓力、增大電極絲張力、同時(shí)適應(yīng)控制加工速度等方式以降低電極絲的滯后影響。該方法實(shí)施簡(jiǎn)單、實(shí)用,但有一個(gè)缺點(diǎn),即當(dāng)需要加工高精度的拐角時(shí),加工時(shí)間會(huì)過長(zhǎng),影響加工效率。

(2)數(shù)控軌跡修正法

在數(shù)控代碼預(yù)定軌跡的基礎(chǔ)上,在一些拐角及大曲率位置對(duì)實(shí)際運(yùn)行軌跡作實(shí)時(shí)軌跡偏差補(bǔ)償,以彌補(bǔ)電極絲變形引起的工件形狀誤差,即基于預(yù)測(cè)的電極絲變形總量來(lái)修正加工拐角和 R角的數(shù)控軌跡,提高微細(xì)部位的加工精度。該方法可克服能量控制法影響加工效率的缺陷,但對(duì)同一型號(hào)機(jī)床的工藝一致性要求極高,如缺少精細(xì)工藝數(shù)據(jù)庫(kù)的配合,將無(wú)法得到滿意的軌跡補(bǔ)償效果。

(3)實(shí)時(shí)檢測(cè)修正法

開發(fā)一種電火花線切割加工時(shí)基于檢測(cè)器檢測(cè)到的電極絲偏差值在線修正導(dǎo)向器位置的系統(tǒng)。該系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性是非常誘人的,但這個(gè)系統(tǒng)需要特定的機(jī)器,對(duì)電極絲微小偏移的在線實(shí)時(shí)高精度檢測(cè)技術(shù)要求極高,至實(shí)際實(shí)施尚有困難。

1.5.3 變厚度識(shí)別及其自適應(yīng)控制技術(shù)

近年來(lái),電火花線切割加工領(lǐng)域研發(fā)出了可根據(jù)切除工件厚度變化調(diào)整的控制策略。由于加工過程中工件厚度發(fā)生變化時(shí)電極絲上的熱密度會(huì)改變從而導(dǎo)致斷絲,高度變化引起加工間隙的變化進(jìn)而導(dǎo)致加工精度變化。美國(guó)學(xué)者提出一個(gè)根據(jù)當(dāng)前切除工件厚度來(lái)調(diào)整放電頻率的模型,使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)評(píng)估工件厚度并使用模糊控制來(lái)減少加工變厚度工件時(shí)斷絲率。還有學(xué)者提出了一個(gè)基于知識(shí)的系統(tǒng),該系統(tǒng)由工作準(zhǔn)備、過程控制、加工輔助與錯(cuò)誤診斷3個(gè)模塊組成,可實(shí)現(xiàn)電火花線切割加工過程的檢測(cè)和控制。工作準(zhǔn)備模塊選取最佳的加工參數(shù),加工輔助與錯(cuò)誤診斷模塊提供診斷功能。這些系統(tǒng)的組合可提高WEDM機(jī)床的自動(dòng)化程度。

日本三菱電機(jī)公司和瑞士阿奇夏米爾公司在機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)裝備有CAD/CAM系統(tǒng),機(jī)床可方便讀入3D和2D數(shù)據(jù),同時(shí)通過CAM直接生成NC數(shù)據(jù)。在CAD/CAM系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,日本三菱電機(jī)公司開發(fā)出了3D自適應(yīng)控制方法(3D-PM),該方法利用機(jī)床內(nèi)的CAD/CAM系統(tǒng)解析三維數(shù)據(jù),自動(dòng)識(shí)別加工工件毛坯形狀特征。這樣機(jī)床可知道加工任意時(shí)刻電極絲在加工工件毛坯中的位置、毛坯工件的厚度以及周圍毛坯的具體形狀,并根據(jù)這些信息進(jìn)行一系列的控制。比如:即使是變斷差工件,根據(jù)電極絲周圍毛坯形狀自動(dòng)調(diào)節(jié)Z軸位置,可方便實(shí)現(xiàn)噴嘴緊貼零件的加工,提高加工速度。3D自適應(yīng)控制方法在變斷差加工方面的另一個(gè)功能就是變斷差工件的精度控制。以往的斷差控制一般是通過檢測(cè)加工速度來(lái)判斷工件厚度,在斷差處改變加工條件實(shí)現(xiàn)斷差精度的控制。但這種傳統(tǒng)的方法在斷差厚度改變瞬間或以后才能改變加工條件,其結(jié)果是在斷差處出現(xiàn)條紋。3D自適應(yīng)控制方法打破了傳統(tǒng)方法的局限性,由于它可提前知道斷差位置,進(jìn)而可在進(jìn)入斷差位置的任意時(shí)刻改變加工條件,這樣擴(kuò)大了斷差控制的自由度,可大幅度減小斷差處出現(xiàn)的條紋,提高變斷差加工的加工精度。據(jù)介紹該方法可將斷差精度控制到2μm以內(nèi)。

1.6 國(guó)內(nèi)單向走絲線切割加工技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

單向走絲線切割加工技術(shù)相當(dāng)復(fù)雜,可以說(shuō)是電加工產(chǎn)品皇冠上的明珠,從脈沖電源到檢測(cè)控制、從主機(jī)到數(shù)控系統(tǒng)都有許多技術(shù)障礙與難題,國(guó)內(nèi)能夠自主研發(fā)生產(chǎn)單向走絲電火花線切割機(jī)床的廠家為數(shù)不多,對(duì)新一代單向走絲線切割加工技術(shù)研究起步也較晚。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)單向走絲電火花線切割機(jī)床的主要骨干企業(yè)有蘇州電加工機(jī)床研究所有限公司、蘇州三光科技股份有限公司、北京安德建奇數(shù)字設(shè)備有限公司等。盡管國(guó)內(nèi)的單向走絲電火花線切割技術(shù)相對(duì)落后,但經(jīng)過這么多年的發(fā)展,與國(guó)外機(jī)床的差距在漸漸縮小。

蘇州電加工機(jī)床研究所有限公司的DK7632單向走絲電火花線切割機(jī)床(圖3)在原有技術(shù)基礎(chǔ)上又有新的突破,改進(jìn)了放電狀態(tài)檢測(cè)及伺服控制電路,實(shí)現(xiàn)了放電狀態(tài)檢測(cè)電路溫漂硬件補(bǔ)償,提高了檢測(cè)精度,采用恒電壓加工伺服控制與恒速進(jìn)給加工相結(jié)合的控制策略,既保證了工件加工的尺寸精度,又可確保變截面加工和拐角控制能順利進(jìn)行,進(jìn)一步提高了加工穩(wěn)定性和微細(xì)部位的加工精度。另外該機(jī)床還可配置微精加工電源,可實(shí)現(xiàn)表面粗糙度＜Ra 0.4μm的微細(xì)加工。該公司新研制的浸液式單向走絲電火花線切割機(jī)床采用直線伺服電機(jī)作為X、Y軸驅(qū)動(dòng),可避免傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)式電機(jī)-絲杠-螺母?jìng)鲃?dòng)鏈所帶來(lái)的遲滯,響應(yīng)速度和定位精度大大提高,配置了高精度數(shù)控轉(zhuǎn)盤(直驅(qū)電機(jī)),實(shí)現(xiàn)了A軸與直線軸的聯(lián)動(dòng)控制,可實(shí)現(xiàn)諸如端面凸輪等特殊零件的加工。此外,該公司對(duì)微細(xì)絲線切割技術(shù)的研究也有新的突破,已可實(shí)現(xiàn)最細(xì)電極絲直徑0.05mm的微細(xì)加工。

圖3 蘇州電加工機(jī)床研究所有限公司的DK7632機(jī)床

蘇州三光科技股份有限公司推出了一款新型單向走絲電火花線切割機(jī)床(圖4),該機(jī)床配有運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)全閉環(huán)控制、無(wú)電解粗加工電源、低粗糙度精加工電源,可實(shí)現(xiàn)表面粗糙度Ra 0.3μm的微細(xì)鏡面加工。另外該機(jī)床還新配備了自動(dòng)穿絲功能,打破了國(guó)內(nèi)機(jī)床只有半自動(dòng)穿絲的局面。

圖4 蘇州三光科技股份有限公司的LA500機(jī)床

北京安德建奇數(shù)字設(shè)備有限公司推出了AW310T帶自動(dòng)穿絲裝置的浸水式高精密數(shù)控單向走絲線切割機(jī)。該機(jī)床配有直線光柵尺位置檢測(cè)和全閉環(huán)控制系統(tǒng);采用先進(jìn)的脈沖電源和放電回路控制技術(shù),實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化控制,能夠精確檢測(cè)和控制每一個(gè)放電脈沖,從而獲得高的加工速度和好的表面質(zhì)量,可實(shí)現(xiàn)表面粗糙度Ra 0.3μm的微細(xì)鏡面加工,尺寸精度＜±3μm;另外該機(jī)床配有帶第六控制軸的6軸四聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng),滿足零件分度定位加工的需要,同時(shí)內(nèi)置了人造金鋼石(PCB)材料特殊加工電源,用來(lái)滿足特殊需求的加工,擴(kuò)大了機(jī)床的應(yīng)用范圍和銷售市場(chǎng)。

2 往復(fù)走絲電火花線切割加工技術(shù)

我國(guó)特有的往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床具有低廉的價(jià)格以及高效大厚度加工的能力,與單向走絲線切割機(jī)床相比,其主要特點(diǎn)為:結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、往復(fù)走絲、價(jià)格低廉、切割厚度大、運(yùn)行成本低。但其劣勢(shì)也很明顯,主要是加工精度低、加工表面質(zhì)量不盡如人意。往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床以中低端用戶為主要應(yīng)用群體。隨著模具行業(yè)對(duì)加工要求的不斷提高以及市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日趨激烈,近年來(lái)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床的廠家都將提升機(jī)床的加工精度和表面質(zhì)量作為產(chǎn)品發(fā)展的主攻目標(biāo),在主機(jī)、電源、加工工藝方面都有新的創(chuàng)新和提升,紛紛推出具有更高性能的往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床,即俗稱的“中走絲電火花線切割機(jī)床”。

所謂“中走絲電火花線切割機(jī)床”其本質(zhì)還是往復(fù)走絲電火花線切割加工技術(shù),充分發(fā)揮了低成本、高效加工及大厚度加工能力的特點(diǎn),著重在脈沖電源電路結(jié)構(gòu)、伺服進(jìn)給控制策略、運(yùn)絲速度控制、工作液性能、數(shù)控系統(tǒng)以及多次切割工藝技術(shù)等方面提升機(jī)床品質(zhì)。采用類似于單向走絲線切割加工的多次切割加工技術(shù),使機(jī)床的加工精度及表面質(zhì)量有了大幅度的提高,增強(qiáng)了往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床的競(jìng)爭(zhēng)力。

2.1 主機(jī)精度的提升

2.1.1 提升機(jī)床主機(jī)精度的措施

機(jī)床主機(jī)及運(yùn)絲系統(tǒng)的精度是切割精度的重要保障。一些廠家采用直線導(dǎo)軌、雙螺母滾珠絲杠、交流伺服電機(jī)直聯(lián)驅(qū)動(dòng),激光干涉儀檢測(cè)螺距誤差補(bǔ)償,可提高機(jī)床的定位精度和重復(fù)定位精度,為多次切割工藝的實(shí)施提供了基本保障。

2.1.2 運(yùn)絲系統(tǒng)的技術(shù)進(jìn)步

北京市電加工研究所采用雙向恒張力張絲機(jī)構(gòu),可極大提高運(yùn)絲的穩(wěn)定性,電極絲的抖動(dòng)更小,即使大錐度切割也能保持動(dòng)態(tài)恒張力;四川深揚(yáng)數(shù)控機(jī)床有限公司的“智能張力控制系統(tǒng)”也可保持運(yùn)絲張力的穩(wěn)定性,提高多次切割時(shí)的表面質(zhì)量,減少切割條紋。

為了提高運(yùn)絲精度,進(jìn)而提高加工精度,許多廠家在運(yùn)絲系統(tǒng)的精度控制方面做了許多研究,如加強(qiáng)導(dǎo)絲輪的精度控制、加大導(dǎo)絲輪直徑、采用寶石圓孔導(dǎo)向器、寶石擋絲棒等。這些措施一定程度上提高了加工精度,但采用圓孔導(dǎo)向或擋絲棒等措施存在導(dǎo)向器易磨損的問題,運(yùn)絲精度還有待進(jìn)一步研究。

江蘇三星機(jī)械制造有限公司開發(fā)了一種有別于傳統(tǒng)的直立式貯絲筒結(jié)構(gòu),也是一種創(chuàng)新嘗試。

2.2 脈沖電源的進(jìn)步

脈沖電源的性能直接影響線切割加工的效率、電極絲的損耗率。國(guó)內(nèi)相關(guān)廠家對(duì)往復(fù)走絲電火花線切割脈沖電源的技術(shù)主要從主振電路及脈沖電源主回路的創(chuàng)新加以提升。

2.2.1 數(shù)字化脈沖電源

一些廠家研發(fā)的數(shù)字化脈沖電源采用可編程邏輯器件作為高頻脈沖電源的主振控制芯片,可產(chǎn)生多種靈活多變的脈沖波形,實(shí)現(xiàn)了硬件級(jí)的實(shí)時(shí)脈沖參數(shù)適應(yīng)控制?？捎蓴?shù)控系統(tǒng)數(shù)字設(shè)置脈沖電源的電流前沿的上升速率,降低電極絲損耗,自動(dòng)變規(guī)準(zhǔn)加工,可適應(yīng)多次切割需求及提高大厚度加工的穩(wěn)定性和提高加工效率,減少斷絲概率。

2.2.2 無(wú)電阻脈沖電源

蘇州三光科技股份有限公司研發(fā)的無(wú)電阻脈沖電源采用了全新的電路結(jié)構(gòu)模式,主回路無(wú)限流電阻,功率管的關(guān)斷能量可直接回饋至供電端,與同類產(chǎn)品相比電源節(jié)能達(dá)80%以上,由于主回路的電感作用,加工時(shí)的電極絲損耗極低,加工20萬(wàn)mm2,用直徑0.18mm的電極絲的損耗僅為0.01mm。

2.3 環(huán)境保護(hù)

以往的往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床,工作液在加工過程中因電極絲的高速運(yùn)行和火花放電,在工作區(qū)形成有害健康的霧化環(huán)境,影響操作人員的身體健康和設(shè)備壽命?，F(xiàn)在越來(lái)越多的廠家在機(jī)床的工作區(qū)設(shè)置封閉環(huán)保外罩,可有效地防止工作液的飛濺,大大降低了環(huán)境污染。

2.4 多次切割工藝技術(shù)

許多廠家為了進(jìn)一步提升往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床的性能,注重研究往復(fù)走絲電火花多次切割加工工藝,配備了較為豐富的多次切割加工工藝數(shù)據(jù)庫(kù),可使往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床也能像單向走絲線切割機(jī)床一樣進(jìn)行多次切割加工,可根據(jù)工件材料、厚度及加工要求自動(dòng)調(diào)用脈沖參數(shù)、運(yùn)絲速度、切割速度等工藝參數(shù),自動(dòng)化程度有較大提高,大大提高了往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床的加工精度,擴(kuò)展了其應(yīng)用范圍。

2.5 數(shù)控系統(tǒng)滿足多次切割需求

以往國(guó)內(nèi)流行的往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)數(shù)控系統(tǒng)軟件主要應(yīng)用于普通機(jī)床,無(wú)法很好地滿足多次切割的要求。如沒有機(jī)械零位定位功能、無(wú)法進(jìn)行精確的螺距補(bǔ)償,不能對(duì)絲速、脈沖電源參數(shù)等工藝條件進(jìn)行在線實(shí)時(shí)控制,不能很好地滿足多次切割工藝的其他控制需求等。針對(duì)上述問題,近年來(lái)一些廠家開發(fā)了新型數(shù)控系統(tǒng)軟件,除具有傳統(tǒng)的電火花線切割數(shù)控系統(tǒng)軟件的全部功能外,還針對(duì)中速走絲電火花線切割機(jī)床的特殊控制要求,增加了機(jī)械零位定位功能、精確的螺距補(bǔ)償功能,對(duì)不同絲速、脈沖電源參數(shù)等工藝條件進(jìn)行多次切割自動(dòng)控制功能以及豐富的專家數(shù)據(jù)庫(kù),既保證了普通往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床的通用性,又較好地兼顧了多次切割的特殊性,涵蓋了高、低檔次的往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床的控制需求。

2.6 工作液及工作液系統(tǒng)

工作液對(duì)線切割加工效果影響很大,國(guó)內(nèi)相關(guān)廠家,如北京東興潤(rùn)滑劑有限公司、蘇州寶瑪數(shù)控設(shè)備有限公司及南京航空航天大學(xué)等加強(qiáng)了對(duì)工作液的研究,研發(fā)的水溶性工作液具有環(huán)保、使用期長(zhǎng)、加工穩(wěn)定、加工效率提高,特別是符合多次切割工藝的特點(diǎn),克服了傳統(tǒng)工作液難以適應(yīng)多次切割加工的缺陷。此外許多廠家還強(qiáng)化了工作液系統(tǒng)的清潔與過濾,更進(jìn)一步滿足了多次切割加工工藝的要求。

2.7 達(dá)到的加工效果

近年來(lái)經(jīng)過國(guó)內(nèi)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)和廠家不懈的技術(shù)創(chuàng)新,往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床的加工性能不斷得到提升,實(shí)用加工指標(biāo)可達(dá)到:

(1)一次切割加工效率120～150mm2,此時(shí)電極絲損耗≤0.01mm/20萬(wàn)mm2,也有報(bào)道稱最高加工效率可達(dá)200mm2以上;

(2)加工表面粗糙度Ra 1.0μm左右;

(3)出廠時(shí)的加工精度≤±0.01mm;

(4)加工表面條紋明顯改善。

3 電火花線切割加工技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

近年來(lái),國(guó)內(nèi)外數(shù)控單向走絲電火花線切割加工技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)有如下幾個(gè)方面:

(1)更高的加工效率。主要研究快速檢測(cè)控制及抗干擾技術(shù)、效率更高的納秒級(jí)、大峰值電流、無(wú)電阻脈沖電源技術(shù)、快速自動(dòng)穿絲技術(shù)等;

(2)更高的加工精度。主要研究多次切割技術(shù)和拐角加工精度控制策略、精密尋邊技術(shù)、采用直線電機(jī)實(shí)現(xiàn)納米級(jí)驅(qū)動(dòng)技術(shù)、機(jī)床熱平衡控制技術(shù);

(3)更高的加工表面質(zhì)量。主要研究高效微精加工脈沖電源技術(shù)、高表面質(zhì)量加工技術(shù);

(4)微細(xì)加工。主要研究更細(xì)電極絲的細(xì)絲運(yùn)行的恒速、恒張力運(yùn)絲系統(tǒng),微精加工電源、微細(xì)切割檢測(cè)及控制技術(shù)、細(xì)絲切割工藝技術(shù);

(5)智能控制。主要發(fā)展五軸數(shù)控四軸聯(lián)動(dòng)并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)伺服控制和工藝控制策略的智能數(shù)控系統(tǒng)、更完善的專家工藝數(shù)據(jù)庫(kù);

(6)綠色節(jié)能。主要發(fā)展節(jié)能型、無(wú)電阻、低功耗的高效脈沖電源,通過電磁屏蔽等措施減少加工時(shí)的對(duì)外電磁輻射等。

4 我國(guó)電火花線切割加工領(lǐng)域亟待發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 高效高加工表面質(zhì)量脈沖電源關(guān)鍵技術(shù)的研究

脈沖電源技術(shù)是電火花線切割加工最為核心的關(guān)鍵技術(shù),國(guó)內(nèi)與國(guó)外電火花線切割加工機(jī)的主要差距之一就是脈沖電源技術(shù)。目前國(guó)外的脈沖電源已實(shí)現(xiàn)了通過放電狀態(tài)對(duì)單個(gè)脈沖能量的優(yōu)化控制,脈沖寬度最小可控制到納秒級(jí)。而這些技術(shù)是提高加工速度、加工表面質(zhì)量的關(guān)鍵,必須努力去探索這方面的關(guān)鍵技術(shù),才有可能同國(guó)外企業(yè)抗衡。

4.2 放電狀態(tài)控制、拐角控制、段差控制等關(guān)鍵技術(shù)的研究

電火花線切割加工的控制技術(shù)包括放電狀態(tài)控制、拐角控制、段差控制等,也是目前國(guó)內(nèi)外線切割機(jī)床薄弱的方面。這些控制技術(shù)左右著加工效率和加工精度,多是國(guó)外企業(yè)經(jīng)多年的摸索結(jié)合現(xiàn)代控制技術(shù)和數(shù)字化技術(shù)而形成的專用控制技術(shù),有些控制方法聽起來(lái)簡(jiǎn)單,但國(guó)內(nèi)企業(yè)照搬卻很困難,需花時(shí)間和人力耐心探索。

4.3 高性能的往復(fù)走絲電火花線切割技術(shù)

應(yīng)充分發(fā)揮往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床低成本、高效加工及大厚度加工能力的特點(diǎn),在機(jī)床的機(jī)械精度、重復(fù)定位精度、運(yùn)絲系統(tǒng)的穩(wěn)定性、脈沖電源的性能、工作液的電導(dǎo)率以及多次切割的工藝等方面綜合治理,對(duì)具有多次切割功能的數(shù)控系統(tǒng)要求更高,同時(shí)還應(yīng)考慮生產(chǎn)成本、應(yīng)用范圍的綜合平衡,要有一個(gè)合理的市場(chǎng)定位。不計(jì)成本地片面提高其某些性能,往往得不償失。

4.4 基礎(chǔ)研究

盡管電火花線切割加工技術(shù)取得了一定的發(fā)展,但同電火花成形加工一樣,其基礎(chǔ)理論的研究卻一直未能有較大的進(jìn)展。到目前為止,電火花加工無(wú)論在機(jī)械設(shè)計(jì)、自動(dòng)控制還是加工工藝方面,很大程度上還依賴于數(shù)年來(lái)所積累的經(jīng)驗(yàn),這種局面一定會(huì)限制它今后的發(fā)展。因此,科研工作者應(yīng)致力于電火花加工的基礎(chǔ)理論研究,通過理論指導(dǎo)實(shí)踐,這樣,在不遠(yuǎn)的將來(lái),電火花加工技術(shù)會(huì)得到更大的突破。

5 結(jié)束語(yǔ)

電火花線切割加工技術(shù)是特種加工技術(shù)的一個(gè)重要應(yīng)用分支,是精密模具、航天、航空、軍工、汽車、半導(dǎo)體等制造領(lǐng)域的關(guān)鍵加工技術(shù),在相關(guān)重要制造領(lǐng)域中發(fā)揮著難以替代的作用。隨著新技術(shù)、新工藝、新器件的不斷應(yīng)用,國(guó)際上單向走絲電火花線切割加工設(shè)備已具備了很高的技術(shù)能力。目前我國(guó)單向走絲電火花線切割機(jī)床僅能達(dá)到國(guó)外中檔設(shè)備水平,總體水平與高端產(chǎn)品相比還存在著顯著差距。而往復(fù)走絲數(shù)控電火花線切割技術(shù),則應(yīng)在保留低造價(jià)、低使用成本特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,提高加工性能,增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力,這將是我國(guó)電火花線切割技術(shù)研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)的努力目標(biāo)。