再析往复走丝电火花线机床的改进

 

 

 

摘要:通过对单向走丝和往复走丝电火花线切割机床多次切割的比较分析,总结出了在往复走丝电火花线切割机床上进行多次切割加工需要进一步改进的关键点及对关键点实施的改进措施,并介绍了宝玛数控新研制的一种高性能往复走丝多次切割电火花机床的技术性能指标。

由于电火花线切割机床的切割效率、电极丝损耗率和工件表面粗糙度等3项放电加工专项指标互相矛盾,所以在一次切割中,同时实现这3项高指标是不可能的。要获得最高切割效率,工件表面粗糙度必定差,电极丝损耗也大;要获得切割工件表面最低粗糙度值,必然要使用很低的切割效率。

单向走丝电火花线切割机床采用多次切割工艺,巧妙地把这3项指标分别放在不同次的切割加工中来实现,从而避开它们之间的矛盾。在第一次切割时,可考虑在较小丝损条件下,优先考虑以最大切割效率加工;在第二次修正切割和第三次微精切割时,由于电火花脉冲放电在敞开环境下进行,排屑容易,故切割效率已不是主要矛盾,可逐步减小脉冲能量,优先以降低工件表面粗糙度值为主要目的进行加工。因此,从放电加工的原理上分析,在电火花线切割机床上采用多次切割加工工艺,代表着其发展的方向。 如何满足多次切割中每次切割侧重点不同的的分工要求,是往复走丝电火花线切割机床改进的关键点。

1  往复走丝电火花线切割机床实现多次切割工艺时存在的问题

在往复走丝电火花线切割机床上试验多次切割工艺已有10多年。该工艺的运用确实使机床的应用范围扩大,但在实际使用中发现许多性能还不尽如人意。首先分析单向走丝电火花线切割机床和往复走丝电火花线切割机床之间存在的不同。宝玛数控有研制单向走丝电火花线切割机床的经验,对照单向走丝和往复走丝两类机床的不同,分析其中的原因,认为往复走丝机床直接搬用多次切割工艺尚存在以下问题:

(1)目前,往复走丝电火花线切割机床一般都使用简单的等频脉冲电源。由于电火花脉冲放电的随机性,实际放电状态是极其复杂的,有时甚至是瞬变的。这种等频脉冲电源在实际切割加工中,无法像单向走丝线切割机床那样,可根据放电状态的实际需要,智能地对每一个输往放电间隙的脉冲能量进行实时控制,也无法实现最佳的脉间消电离时间。另外,简单电源还没有专门为修正切割和微精加工设计的专用电路;在电源部分、电柜的布线和功率脉冲传输等方面,也没有采取窄脉宽功率脉冲所需相应的条件和措施。

(2)电火花线切割加工通过对工作台伺服控制来维持稳定的放电加工,机床伺服跟踪特性决定着放电加工的连续性和稳定性。单向走丝电火花线切割机床控制工作台进给的电路是采用经典的伺服控制电路。针对多次切割加工的不同目的要求,设计了最优的伺服跟踪电压和特性曲线,从而达到较稳定的切割效果。而目前往复走丝电火花线切割机床一般都采用“变频电路”,电路中串接一个开关时间2~3 μs、32~36 V的稳压管,以间隙电压减去32~36 V电压后,再对差值电压进行电压-频率转换的一种简单压频控制电路,来控制放电的连续进行。由于这种电路是连续采样,实际工作台的进给速度还受脉冲占空比的影响。它在实现多次切割工艺时,由于放电条件的不同,微精切割时使用的最小脉宽已远小于2 μs,所以该电路很难获得最佳的伺服跟踪性能。

(3)两类不同走丝方式的电火花线切割机床,在采用多次切割工艺时,在机床机械设计上存在最重要的区别,即运丝的稳定性有着巨大的差异,运丝速度的不同造成两者运丝性能上的巨大差异。单向走丝电火花线切割机床的运丝速度很低,故采用电极丝张力的闭环控制。由于其运丝速度低,现有执行元件的频率响应特性足以实现精确地实时闭环控制电极丝的张力,有些机床还采用多次张力闭环控制。而目前大部分的往复走丝线切割机床的运丝系统对张力的控制,还是很原始地靠操作工的经验和手感,先用人工紧丝的方法对储存在丝筒上的全部钼丝进行一次或多次紧丝。利用鉬丝的弹性变形,把预紧后的钼丝绕在丝筒上,其后对钼丝就不再控制。还有些机床安装了机械式的或非对称的机电紧丝装置,但存在动作频响低、紧丝容易松丝难等问题。另外,由于丝筒和其运动部件的制造中存在不可避免的允差、同轴度误差、轴承游隙等,导致了钼丝的高频率振动;由丝筒的锥度和丝筒导轨相对于线架运动的平行度和直线度允差等,又决定着钼丝的低频率振动,且在丝筒运动时,这些允差往往会造成钼丝长度累积误差,即在贮丝筒两端总会出现钼丝张力一头紧、另一头松的现象。

单向走丝线切割机床采用间隙仅为5~10 μm的固定导向器作为导丝元件,其对电极丝的导向精度极高。往复走丝线切割机床在多次切割时,往往也采用导向器,但导向孔径与钼丝间的间隙不可能做得很小,钼丝反复使用后,其丝径不断磨损,导向精度远远不如前者。此外,钼丝的纵向和横向振动大,这些振动经导向短细孔,通过衍射进入放电加工区。所以两类机床同样采用导向器,但导向精度却存在很大差异。

经分析,要实现高性能的多次切割加工,必须要对造成钼丝振动的振源、贮丝筒和其部件的制造质量进行控制,尤其对丝筒的径向跳动、全跳动等误差进行控制,采取对丝筒高频振动的吸振措施,这些是造成钼丝高频振动的主因。就目前的研究现状表明,用任何张力控制执行元件还无法进行响应和控制,有待进一步研究。对于钼丝振动的低频部分,可采用闭环张力的实时伺服控制来解决,这两项措施是往复走丝电火花线切割机床实现多次切割的先决条件。

2  一种高性能往复走丝多次切割电火花线切割机床的设计

宝玛数控分别针对上述问题进行了分析,通过改进设计,研制出了一种高性能往复走丝电火花线切割机床。

2.1  智能高频脉冲电源

在研制单向走丝电火花线切割机床高频脉冲电源的基础上,把其智能高频脉冲电源进行改进和发展,研制成一种适合于往复走丝线切割加工特点的高频脉冲电源。该电源有以下特性:

(1)采用单向走丝线切割机床使用的智能高频脉冲电源技术方案,根据放电状态实时控制每一个输往放电间隙的脉冲能量。在正常脉冲放电状况时,实现等能量脉冲放电,从而实现在相同表面粗糙度条件下,获得较高的切割效率,同时获得较低的钼丝损耗率。

(2)为第一次切割、第二次修正切割和第三次微精切割加工,分别设计了符合其特性要求,分为3个脉宽段和不同特性的电流波形的脉冲生成电路。最小的微精加工脉宽为0.3 μs。在功率脉冲输出上,采用符合高频功率脉冲传输要求的措施,以保证最终送入放电间隙的脉冲放电电流波形失真度最小。

(3)直接采用单向走丝电火花线切割机床的伺服控制电路。该电路采用脉宽时采样、脉间保持的脉冲放电采样方法。即使在脉宽1.2 μs的微小脉冲下,该电路都能实现根据采样放电状况进行伺服跟踪控制工作台的进给。第一次切割、第二次修正切割和第三次微精切割时,采用不同伺服跟踪和跟踪灵敏度。采用这种伺服控制电路后,经过第二次修正切割,基本可将试件的几何精度误差修正到5 μm左右。经过第三次微精切割,标准试件的几何精度可修到3 μm。再经第四次精细切割,标准试件的表面粗糙度值可达Ra0.7 μm。这样,伺服控制电路就为实现高精度、低表面粗糙度值的微精切割加工创造了条件。

2.2  采用导轮轴向进电专利装置

单向走丝和往复走丝电火花线切割机床都采用导电块形式的进电装置。电极丝作为导电副的一半,直接与超硬材料制成的导电块滑动接触传输功率脉冲大峰值电流。从理论上讲两者接触面接近于线状,且相对滑动摩擦速度即为运丝速度。前者由于运丝速度低而平稳,采用该进电方法,传输功率脉冲能量较稳定。但往复走丝线切割机床在第一次切割时,其滑动摩擦速度高达8~12 m/s,这样不但造成钼丝的机械磨损,带有纵波、横波振动高速运动的钼丝还会造成两接触副之间的接触不良,从而易诱发鉬丝与导电块之间产生与放电间隙串联的电蚀放电。一旦钼丝与导电块之间发生电蚀放电,这种在有氧环境中的脉冲放电会造成钼丝的烧伤和导电块的早期磨损;且电极丝与导电块间的电蚀放电,往往易越演越劣,最后造成断丝和烧蚀导电块。此外,在使用以放电状态采样为控制脉冲能量基础的智能高频脉冲电源,会造成脉冲电源智能控制功能的不稳定。为此,宝玛数控引进了一项进电装置专利,由一对专用的耐磨抗电蚀材料副来传输高频脉冲能量。这对导电副采用平面接触,两者相对旋转线速度仅为运丝速度的1/20以下,且采用高频响弹性装置,以保证导电副间的可靠接触。经过二年的试用,该进电装置工作寿命长,可靠性高,大大降低了钼丝损耗。

2.3  采用全对称闭环张力伺服控制的运丝系统

由于每只导轮都有各自的转动惯量和摩擦力,在运丝时,钼丝张力又存在振动。经测试发现,在往复双向运丝机构上各段钼丝的张力是不同的,且随着钼丝的双向运动,各段钼丝张力的大小大体随运丝方向的转换呈交替转换状况。

宝玛数控设计了一种全对称闭环张力伺服控制运丝系统,其特点是:

(1)不管钼丝处在正方向还是反方向运丝,其张力检测部件总是检测包括放电加工区在内的那一个钼丝环内的张力。由于是全对称结构,所以测试到的钼丝环的张力,不会受到运丝方向改变的影响。这种机构可保证不失真地检测到放电加工区那一段钼丝的实时动态张力。因此,该闭环张力控制机构在设计合理性和检测精度上具有独特的优点。

(2)为提高整个系统的频率响应速度,采用了伺服控制执行元件。系统的伺服执行元件可根据用户的需要,或选用BYG电机,或选用日本进口的安川交流伺服电机。控制电路分别有两路输出,可同样满足这两类伺服电机的控制需要。

(3)钼丝张力检测部件经过计量传递来校正,从而保证每台机床钼丝张力的精确度和一致性。整个钼丝闭环张力伺服执行机构各部件间的自动控制,全部受电路中一套数字逻辑电路的控制,从而使整个闭环张力伺服控制系统工作可靠。

(4)运丝的闭环张力由机床数控系统控制。用户在预置加工参数时,增加了一项“钼丝张力”的预置输入。在多次切割的每次转换切割时,机床数控计算机将根据用户预置张力自动改变钼丝张力。经用线材张力计实测,张力值的转换是实时完成的。下一步将尝试国外单向走丝电火花线切割机床所采用的“拐角处理”功能,在切割到轮廓拐角处,自动减少脉冲能量,同时适度增加钼丝张力,从而提高切割轮廓的精度。

(5)机床断丝保护和自动报警的检测,改由张力检测部件控制完成。其控制的灵敏度和反应速度远远优于目前采用两块导电块与钼丝同时接触的断丝检测方案。这样,在新机床的整个运丝系统上,不使用钨钢导电块,从而大大降低了由于钼丝与导电块之间机械高速磨擦造成的钼丝损耗。

(6)设计了闭环张力伺服控制机构自动调整和位置保护装置,设计了张力调整部件的极限位置保护装置和灯光指示。在钼丝张力自动调整至极限位置时,系统将声、光报警。为方便用户操作,系统设计手动方式和自动方式,可采用手动或自动调整张力控制执行机构返回到最佳起始位置。

(7)新机床还设计了自动预张力的自动上丝机构。在完成自动上丝后,将由计算机控制钼丝张力自动调整到用户预置的张力值。完全取消了人工上丝、手工紧丝工序,从而真正达到欧共体CE安全标准中有关机械指令的要求。

(8)新机床采用电动升降线架。在升降线架时,不必拆装钼丝,闭环张力系统可自适应调节,始终保持预置的钼丝张力。

3  机床加工测试实例

(1)精度和粗糙度

工件厚度40 mm,材料Cr12,平均加工速度55 mm2/min。三次切割试件尺寸精度为0.004 mm,表面粗糙度Ra1.0 μm。

工件厚度20 mm,材料Cr12,平均加工速度20 mm2/min。四次切割试件尺寸精度为0.004 mm,表面粗糙度Ra0.7 μm。

(2)钼丝损耗

工件厚度40 mm,材料Cr12,平均加工速度80 mm2/min。加工300 000 mm2,钼丝损耗为0.01 mm。

(3)切割效率

工件厚度40 mm,材料Cr12。实用稳定切割效率:在120 mm2/min下稳定切割500 000 mm2;较大切割效率:在200 mm2/min下切割12000 mm2以上;最大切割效率:250 mm2/min。

全文摘自《电加工与模具》2013年第6期。作者:梅建恩,顾元章,谢天导,等。

 

 

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