豆尚成,趙萬生,顧 琳,奚學(xué)程

(上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院機(jī)械系統(tǒng)與振動國家重點實驗室,上海 200240)

近年來電火花線切割加工無論在加工過程控制,還是改進(jìn)加工工藝方面都取得了許多新的進(jìn)展。主要表現(xiàn)在突破了許多傳統(tǒng)觀念的束縛,產(chǎn)生了一些新的加工方法,以及一些新的控制和檢測方式,這些進(jìn)展既提高了加工質(zhì)量,也提高了加工效率,不僅可在去離子水中加工,也可在其他混粉電介質(zhì)溶液中加工,大大擴(kuò)展了這一技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。限于篇幅,下面僅就幾項最新技術(shù)成果加以介紹。

1 加工工件的在線厚度辨識

對于電火花線切割加工,特別是加工階梯狀的工件,斷絲和加工不穩(wěn)定始終是降低加工效率的主要因素。傳統(tǒng)的方法是針對工件最薄處來設(shè)置加工參數(shù),然而,這樣雖然降低了斷絲的可能性并保持了穩(wěn)定的加工,卻大大降低了加工速度。因為很難在線得到工件的厚度并設(shè)置合適的加工參數(shù),因此發(fā)展了許多近似數(shù)學(xué)模型來估計工件的厚度。這些模型表示了放電能量和材料去除率之間的關(guān)系,其中模型系數(shù)通過大量的實驗獲得。然而這樣的靜態(tài)數(shù)學(xué)模型只適用于加工厚度逐漸變化的工件,對于厚度突然增加或者減少的工件卻不適用。為此,一個多輸入的動態(tài)和隨機(jī)模型被用來描述平均間隙電壓,放電頻率和機(jī)床進(jìn)給速度之間的關(guān)系[1-2]。對于iso能量型的電火花線切割機(jī)床,有研究者提出了特定放電能量的概念。電火花加工過程涉及許多因素,從放電能量的觀點看,每一個放電都是一個能量輸出,能量分布在工件、電極絲以及在材料去除中的有效能量消耗上。它受許多因素的影響,比如:工件和電極絲之間的間隙、噴流壓力、電介質(zhì)的導(dǎo)電性以及放電持續(xù)時間等;對于典型波形的放電電壓和電流,可計算出單次放電能量以及單位時間內(nèi)的放電能量。考慮到放電過程中的非正常放電(電弧放電或短路)以及實際用于材料去除的能量所占總能量的比率,可得出有效放電功率;而被定義為去除單位體積材料的特定放電能量,不但與有效放電功率有關(guān),還受到間隙寬度、工件高度以及電極絲進(jìn)給速度的影響。因此,可得出材料去除量與放電頻率之間關(guān)系的等式。其中的系數(shù)與文獻(xiàn)[1]中不同,前者與放電持續(xù)時間、特定放電能量、放電效率、間隙寬度以及正常放電比率有關(guān),而后者只是放電頻率的函數(shù),當(dāng)工件高度改變時加工特性也發(fā)生改變,因此在估計到工件高度之前,很難得到正確的厚度辨識系數(shù)。由于影響高度辨識參數(shù)的值涉及許多變量且數(shù)量龐大,很難在線全部檢測到,所以為了簡化厚度辨識過程,首先用文獻(xiàn)[1]中等式辨識出工件厚度,然后乘上一個修正因子,就得到了最終辨識工件厚度,而修正因子是初始辨識到的工件厚度的函數(shù)。實踐證明[3],這種辨識工件厚度的方法是可行的、精確的,辨識誤差小于1mm,并能很快完成。

2 電極絲偏差的在線檢測

在電火花線切割加工過程中,雖然電極絲被施加了特定的張力以盡量保持電極絲的直線性,但由于絲的柔韌性,不可避免地會在加工過程中產(chǎn)生一定的延遲,特別是在絲的中部。文獻(xiàn)[4]提出了一種結(jié)合攝像機(jī)和CCD的技術(shù)來測量電極絲經(jīng)過工件時的偏差,這樣,就可建立電極絲的偏差模型,用合適的方法來控制拐角切割,提高零件的加工精度。

該技術(shù)用兩種方法來測量電極絲偏差,并比較它們的測量值,這樣,設(shè)計者就可根據(jù)測量到的偏差值,來設(shè)置加工參數(shù),使電極絲偏差控制在允許的范圍之內(nèi)。方法一被稱為攝像機(jī)圖象分析法(Camera Picture Analysis),簡稱CPA。其過程為用一個數(shù)字?jǐn)z像機(jī)獲得切割工件邊沿的加工錄像,可拍攝到在不同時間不同高度的電火花放電,通過計算電火花首次出現(xiàn)在工件和在指定位置上的時間偏差值,就能得到電極絲的偏差值;分析選定位置,那么就可畫出電極絲的偏差曲線。方法二被稱為截面測量法(Cross Section Measurement),簡稱CSM 法。其過程為在一個穩(wěn)定狀態(tài)下切割工件,然后,突然關(guān)掉放電電源,那么確切的電極絲偏差就會保留在工件上,把工件放在高精度電子顯微鏡下,就能得到精確的電極絲偏差曲線。實驗表明由CPA方法和CSM方法測量的電極絲偏差的趨勢是一樣的,但由CPA測量的偏差值比CSM測量的值約小10%～20%,通常來說,CSM測量的結(jié)果會更接近真實的切割狀況。根據(jù)CPA和CSM方法測得的偏差值,改變不同的加工參數(shù),以減少電極絲偏差。

3 基于浮動閥值的放電間隙狀態(tài)的檢測

在電火花線切割加工中,放電間隙狀態(tài)對于伺服控制以及脈沖電源的自適應(yīng)控制是一個很重要的依據(jù)。目前廣泛應(yīng)用的固定閥值法很難用來測量非矩形間隙電壓波形,文獻(xiàn)[5]提出了浮動閥值法來檢測間隙電流和測量與間隙峰值電流成比例變化的電壓閥值,這樣就可以在線實時地區(qū)分3種不同的放電狀態(tài)(開路、放電和短路)。

在傳統(tǒng)脈沖電源的主電路中帶有限流電阻,間隙電壓和間隙電流為矩形。然而,在節(jié)能型電源中,去掉了限流電阻,它的電壓和電阻波形呈三角形狀。與傳統(tǒng)的電源比較,節(jié)能型電源的間隙電壓和間隙電流以一定的斜率增長。具有放電電壓的短路電壓也較高,特別是在高電流和大脈寬加工中,因此,固定電壓閥值法很難測得這兩種狀態(tài)。通過電路分析以及實驗,我們知道放電電壓和短路電壓為平行曲線,因此,可在放電和短路曲線之間設(shè)定一條曲線來區(qū)分這兩種狀態(tài),由于放電電壓和短路電壓隨著間隙電流的增長而增長,就可得到浮動閥值電壓。通過同樣的原理和計算方法,可利用另外一個浮動閥值電壓區(qū)分放電和開路狀態(tài)。

浮動閥值法的檢測電路由5個部分組成:間隙電壓采集和濾波模塊,電流采集模塊,放大器,信號比較和狀態(tài)區(qū)分模塊(圖1)。首先,電流傳感器采集間隙電流,通過放大器模塊,間隙電流分別被作為放電與短路之間及放電與開路之間的電壓閥值,在比較模塊中與濾波間隙電壓比較,就可得到開路狀態(tài)信號和短路狀態(tài)信號,并被送到狀態(tài)區(qū)分模塊,產(chǎn)生開路信號、放電信號、斷路信號和脈沖信號。

圖1 放電間隙狀態(tài)浮動閥值檢測框圖

4 加工表面在線修正技術(shù)

電火花線切割機(jī)床通常應(yīng)用于加工硬質(zhì)合金方面,然而典型的表面缺陷(如裂縫、微小的凹坑以及表面再凝固層等)降低了表面的一致性和零件的壽命,因此,人們期望通過一些方法來去除這些表面缺陷。文獻(xiàn)[6]提出了一種新的“表面在線修正技術(shù)”來完全去除工件上的表面缺陷。通過這種在電火花線切割加工后的表面一致性切割工藝(the Process of surface integrity cut)簡稱SI-cut,在線地去除切割電火花機(jī)床加工過程中產(chǎn)生的表面缺陷。在SI-cut過程中,工件和電極之間會發(fā)生電解現(xiàn)象。

在電火花線切割加工中,SI-cut加工發(fā)生在去離子水的正極工件和負(fù)極電極絲之間,這里沒有放電現(xiàn)象,而只有電解現(xiàn)象在工件和電極絲的間隙里產(chǎn)生,工件和電極絲之間的間隙通常由加工條件決定。SI-cut加工的過程如下:通常,在3次線切割后讓電極絲沿同樣的路徑加工,并設(shè)置電極絲的偏移量為0μm,這時開路電壓比在第三次切割時的電壓要低,因此在工件和電極絲之間很難產(chǎn)生放電現(xiàn)象;在SI-cut加工中,去離子水的導(dǎo)電率較低,可以假定電解現(xiàn)象是穩(wěn)定的,且去離子水逐漸地注入間隙中,那么,可認(rèn)為再凝固層包括裂縫在電解中被溶解或者被鈷的氧化物去除。在SI-cut后,通過掃描電子顯微鏡觀察,發(fā)現(xiàn)工件表面完全被碳化鎢和碳化鎢微粒覆蓋。碳化鎢是硬質(zhì)合金的主要成分,在SI-cut加工后均衡地分布在加工表面,因此觀察不到由WEDM加工后產(chǎn)生的裂縫和微小凹坑等表面缺陷。如果在SI-cut加工過程中產(chǎn)生火花放電,那么就會在工件表面形成裂縫,因此必須測量電流波形,以保證在該過程中只產(chǎn)生電解現(xiàn)象。通過觀察比較第三次放電加工和SI-cut加工時的電流波形可發(fā)現(xiàn),在第三次放電過程中有電流峰值,而在SI-cut加工中沒有電流峰值產(chǎn)生。

5 混粉對電火花線切割加工的影響

在電火花加工中,粉狀懸浮電介質(zhì)被用來提高材料去除率和提高表面質(zhì)量。文獻(xiàn)[7]首次提出了粉狀懸浮電介質(zhì)在電火花線切割中的應(yīng)用,并進(jìn)行了大量的實驗研究,分析了不同電極絲材料、粉狀物濃度和加工參數(shù)對平均間隙寬度、材料去除率、表面粗糙度等的影響。結(jié)果表明,粉狀懸浮物電介質(zhì)在電火花線切割中的應(yīng)用可提高加工質(zhì)量,但提高的數(shù)量取決于粉狀物的濃度,而粉狀物的濃度隨著工件材料的不同而不同。

6 結(jié)論

本文介紹了電火花線切割機(jī)床以及加工工藝方面的一些最新技術(shù),電火花線切割技術(shù)主要圍繞提高加工表面質(zhì)量和加工速度、擴(kuò)大電火花線切割加工范圍來展開。近年來,國內(nèi)外學(xué)者對電火花線切割技術(shù)實踐研究表明,創(chuàng)新思維和深入細(xì)致的基礎(chǔ)研究是電火花線切割加工向深度和廣度發(fā)展的基石。

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