快走丝电火花线切割加工技术的发展趋势

快走丝电火花线切割加工技术的发展趋势

1 快走丝(高速走丝)线切割加工技术的现状

有我国特色的数控高速走丝电火花线切割加工技术自60年代末研制成功以来,经过30年的不断完善和发展,现已成为制造业中不可缺少的加工手段。目前,高速走丝线切割机的切割速度已由过去的20~40mm2/min普遍提高到100mm2/min以上,有的可达到260mm2/min,机床的加工精度为±0.01mm,工件的表面粗糙度为Ra1.25~2.5μm,因而可满足一般模具加工和其他复杂零件制造的要求。
随着科学技术的发展,对各类产品的制造要求越来越高,对线切割加工技术也提出了更高的要求。国外(欧美、日本等)研究发展的数控低速走丝电火花线切割机为适应对制造加工技术的要求,采用闭环数字交(直)流伺服控制系统,确保优良的动态性能和高定位精度,加工精度可控制在若干微米以内。同时机床具有数字自适应控制电源、自动穿丝、自动卸除废料、短路自动回退等自动化技术,此外对电极丝张力和工作液压力也可进行控制。由于使用了新技术并注重计算机软件技术的更新和发展,低速走丝线切割机的工艺指标已达到了相当高的水平。即使对形状复杂零件的加工,最高切割速度也可超过300mm2/min;尺寸精度可达到±2~5μm;表面粗糙度可达到Ra0.1~0.2μm(多次切割)。机床的自动化程度高,加工稳定性好,已向无人化加工发展。
由于高、低速走丝线切割加工采用不同的技术方案,无论是机床的结构,还是运丝系统或是加工条件都有很大的差异。简单地对比机床的加工性能未必十分恰当,但排除价格因素,与低速走丝线切割加工技术水平相比,高速走丝线切割加工的精度、功能、工艺指标、自动化程度等方面还有明显的差距。随着科技的发展,对制造技术的要求越来越高,高速走丝线切割机面临相当严峻的形势,应加快发展机床新技术,运用新工艺,奋力赶上。本文针对高速走丝线切割加工技术的发展趋势,结合当前数控技术的发展,进行了探讨。

2 快走丝(高速走丝)线切割加工技术的发展趋势

高速走丝线切割机由于受到电极丝损耗、机械部分的结构与精度、进给系统的开环控制、加工中工作液导电率的变化、加工环境的温度变化及本身加工的特点(如运丝速度快、振源比较多、导轮磨损大)等因素影响,机床的加工精度有限。以目前机床的现状,要在较短的时间内与低速走丝线切割机在加工精度方面进行竞争,困难是相当大的,而且研究开发的代价也会很高,机床的制造成本将大幅度提高,从现实和市场的角度来考虑都是不太适宜的。因此,高速走丝线切割机的发展策略是扬长避短,以发展中低档机床为主,使机床向适当加工精度、良好的加工稳定性和容易操作的方向发展,来满足不断发展的生产需要。目前市场上高速走丝线切割机最大的优势在于拥有良好的性能价格比,机床的进一步发展必须以此为基本出发点,不能过分强调机床加工精度,而忽视机床性能价格比的因素。如违背这一原则,机床制造商和用户都难以接受。为在较短的时间内,使高速走丝线切割机的加工性能有较大的提高,在今后的发展中应优先注意以下方面的研究。
2.1 基于PC的数控系统的开发
数控系统是数控机床的核心部分,其控制性能不仅直接影响机床加工的质量和稳定性,而且也是扩大机床加工范围、实现复杂加工的重要手段。目前,各国都非常重视数控技术的研究,将其作为实现制造技术突破性发展的一个重点。数控系统技术当前发展的一个重要趋势是开放式数控系统。其含义是:数控系统的开发者在一个统一的体系结构下开发自己的产品,该体系结构是一个广泛认可且透明的规范。这种结构对电加工机床数控系统的重要性已非常明确了。
高速走丝线切割机要进一步发展,必须摆脱单板机作为数控系统,采用新的数控系统。根据目前国际上数控系统发展趋势及PC的发展情况,应开发和使用基于PC的数控系统。众所周知,PC本身是插卡式结构,是标准的开放式体系结构的系统。如高速走丝线切割机开发基于PC的数控系统,那将是国产高速走丝线切割机数控系统向开放式数控系统发展的一个有效方法。当前,PC的价格持续下降,而性能和稳定性不断增强,使用PC不仅为高速走丝线切割机数控系统提供了优越的硬件平台,而且能保持机床性能价格比的优势。
目前国内已有基于PC的高速走丝线切割机数控系统,但其主要功能是加工轨迹编程,机床加工控制功能还很不完善,没有充分利用PC的资源。今后,可在以下几个方面开展工作:
(1)传统的伺服进给控制系统多采用分立元件组成逻辑电路,对放电状态的检测一般采用平均电压法,这种方法的缺点是对放电间隙状态的检测不够准确,对放电开路状态较敏感,而对正常放电和短路放电状态响应较慢,难以进行准确的进给跟踪,因此加工的稳定性差。解决放电间隙的检测必须对放电状态进行分类统计,并建立控制模型,可采用单独的芯片实现对放电间隙的检测,控制模型以软件的形式存在于PC中,芯片与PC以RS 232接口或主板插卡的方式连接。
(2)传统的脉冲电源多为等频的矩形和分组脉冲信号,放电信号不随放电加工中的间隙状态而自适应变化,加工效果差,因此研制数字自适应脉冲电源的意义重大,该电源可直接与PC相连接,获得放电间隙状态的信息,并根据一定的算法进行自适应控制。
(3)加工参数的优化选取对高速走丝线切割加工也非常重要。长久以来,高速走丝线切割的工艺数据库和加工参数优选功能为国内机床制造商所忽略,高速走丝线切割的工艺参数优化及自动选取软件将是新一代高速走丝线切割机必备的,同时基于PC的数控制系统可十分容易地将此软件模块进行集成。
(4)目前的高速走丝线切割机几乎没有教育培训功能,因此机床的操作培训难,机床的的使用性能依赖操作人员的水平,已是众所皆知的问题,而基于PC的数控系统将充分利用目前PC日益成熟的多媒体技术,将为这一功能的实现提供良好的软、硬件基础。
充分利用PC的资源来开发高性能的数控系统,将是高速走丝线切割机的一个重要发展方向。
2.2 人工智能(AI)技术的运用
智能化数控系统也是当前数控技术发展的另一个重要趋势。由于在机床加工控制系统中使用了智能控制技术,机床自动如有经验的操作者一样使加工过程持续、稳定、优化地进行。人工智能技术也成功地运用到加工参数的设定、加工程序的生成、工件位置的测定及加工结果的测量等整个机床操作过程,大大地提高了机床的加工性能和自动化程度,降低了对操作者的要求,使非熟练操作者也能取得熟练操作者的加工效果。且人工智能技术多以计算机软件的形式存于主控系统,因此研究开发的成本低,而且功能易于扩展、使用灵活、更新的速度快,在当前提高数控机床的自动化、可操作性和增强机床的功能中所起的作用越来越大。
高速走丝线切割加工由于运丝速度快、开环控制等加工特点,故放电加工过程具有复杂的随机性,传统理论对其研究进展缓慢,加工机理至今还不十分明了。人工智能技术的兴起,为高速走丝线切割加工技术的进一步发展提供了新的有效方法。低速走丝线切割机中,机械部分已是相当稳定,现在主要是软件的功能不断更新、增强,并逐步发展到运用人工智能技术。作为有中国特色的高速走丝线切割机,应抓住这次机会,充分重视人工智能技术的研究和运用。人工智能技术运用到电火花线切割加工,在国际上也是一个新的领域,因此有一定的难度,在研究中要针对高速走丝线切割加工的关键性环节,同时注意借鉴国外发展的经验,使高速走丝电火花线切割机向智能化方向发展,以提高机床的整体加工性能。目前国内已开始进行人工智能技术在电火花线切割加工中的研究,然而研究的深度和广度还很不够。还有许多方面有待进一步研究:
(1)高速走丝线切割机的伺服进给变频调节一直依靠操作人员,因此操作人员的工作强度大,机床性能的发挥受到限制。模糊控制技术是人工智能技术中的一个重要方面,它能模仿熟练工人对机床进行控制,已在电火花成形机上成功地应用,在电火花线切割加工中具有良好的应用前景。
(2)总结多年来高速走丝线切割加工工艺研究成果,建立相应的知识库和专家系统,降低机床的操作难度是十分必要的。瑞士阿奇公司的Agievision专家系统,其智能化功能只需规定一些有关加工工件的性能和加工要求即可。加工工序是自动生成,且自动连接各道工序,无须人工干预,大大降低了机床操作人员的工作强度。
(3)在加工参数自适应等方面能有所作为。日本沙迪克公司推出了NF(神经模糊)数控电源,它不必输入复杂的NC代码能自动选择加工参数,并可根据加工状态自动进行调节,使电加工机床成为一般操作人员也能使用好的机床,解决了电火花加工过程中工艺参数设置长期以来取决于操作人员水平的问题。
将最新发展的人工智能技术引入到高速走丝线切割机中,研制高速走丝线切割机的智能化控制部件和执行机构,这与当前国家优先发展高技术产业是一致的,具有重要的实际意义。
2.3 机床设计的改善
为改善高速走丝线切割机的加工精度,必须进一步改进机床的结构,使其更为合理。目前机床的整体结构多为音叉式,此种结构的刚度差,固有频率低,易发生振动,且放电加工将产生大量的热,使机床的本体发生较大的热变形,这都在一定程度上影响了高速走丝线切割机的加工精度。因此,在设计机床整体结构时,必须充分利用先进的技术手段进行分析以提高机床结构的合理性。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。同时,机床运动精度的改善对提高加工精度也是十分重要的,传统的方法是通过提高工作台传动链的零件精度与传动刚度来改善线切割机的运动精度,但这将使机床的成本大为增加。而建立在基于PC数控系统的高速走丝线切割机,可方便地运用螺距误差与间隙补偿技术来提高机床的运动精度,这种方法可在进给系统开环控制状态下,较大幅度地提高机床的加工精度,且成本低,非常适合高速走丝线切割机。
高速走丝线切割机的一个重要特征是电极丝高速往复循环使用,这使机床运丝系统的稳定性较差。当丝高速运行时,引起的振动较大,且导轮磨损大,此外电极丝的恒张力控制及张力分档调节较难,运丝系统的这些特点在一定程度上影响了加工精度。因此,必须加强对走丝系统结构的深入研究并进行改进,保证放电加工时电极丝运动的稳定性。对于电极丝的往返循环使用使电极丝产生放电损耗是不能忽视的,它会对加工精度产生影响。此外在重视商品包装的今天,机床的外观设计和包装也十分重要,注意运用人机工程学和美学对高速走丝线切割机进行设计是很重要的,这对富有中国特色的高速走丝线切割机走向世界具有重要意义。总之,改善机床设计的研究涉及面较广,在考虑保持机床性能价格比优势的前提下,研究开发的难度是很大的,然而,一旦有所突破,将对高速走丝线切割加工技术产生重大的影响。
2.4 多次切割工艺的应用
多次切割加工是高速走丝线切割加工技术的一个重要发展方向。目前无论是金属切削机床还是低速走丝线切割机,一次加工都无法得到良好的加工效果,欲达到较高的加工精度,都必须在粗加工后再作精加工才能获得。低速走丝线切割机能达到很高的加工精度,也因采用了多次切割工艺。为改善高速走丝线切割机的加工品质,必须进行多次切割加工的研究。以往的高速走丝线切割机由于功能和结构所限,不具备进行多次切割的基础。近年来,高速走丝线切割机的脉冲电源、进给策略和电极丝的张力控制等方面有了较大的提高,为多次切割工艺的应用提供了可能性。目前有的高速走丝线切割机已能实施多次切割加工,并能一定程度地提高加工精度。然而,研究应用的深度还不够。为更好地实现多次切割加工,机床的功能和结构有待于进一步改进和提高;为保证多次切割加工的效率,仍须大幅度提高一次加工的速度,第一次切割加工的速度应保持在100mm2/min以上[4]。国内的研究机构在进行多次切割研究的同时,要注意尽快地把研究成果转化到机床的加工技术中,以实现加工精度的提高。

3 结论和展望

高速走丝电火花线切割机是我国独创的电加工机床,在模具制造及零件加工领域内有广泛的应用,在中低档市场中占有相当的分量。目前,高速走丝线切割机如何发展是电加工行业十分关心的课题。我们必须吸取国外的成功经验,扬长避短,直接应用当今计算机技术的最新成果,尽快研制功能强大的基于PC的数控系统,从硬件上为高速走丝线切割机的发展打下良好的基础;同时注意人工智能技术与高速走丝线切割机的结合,运用计算机软件技术来提高机床的性能。此外,加强机床本体的研究和开展多次切割工艺技术的应用,使机床的整体加工水平有一个较大的提高,不断增强高速走丝线切割机在市场上的竞争能力。在运用新技术、新工艺的同时,还必须重视对电火花线切割加工工艺规律进行深入细致的基础理论和实验研究,这也是一个非常重要的环节。(转载:国际金属加工网)

 

 

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