【正文】 時間，降低了工作效率。 第 28 頁 共 61 頁 圖 25 普通切割走絲控制示意圖 fig． 25 controling schematic diagram of HSWEDM 本章小結(jié) 本章闡述了對高速快走絲電火花線加割的加工原理、加工特點(diǎn)，介紹了快走 絲線切割機(jī)床的基本結(jié)構(gòu)，并對現(xiàn)有快走絲線切割機(jī)床的貯絲筒換向控制方法進(jìn) 行了一定的研究。 7． 不論工件硬度如何，幾乎都可加工。 于是在通道內(nèi)正極和負(fù)極表面分別為瞬時熱源，達(dá)到很高的溫度。 進(jìn) 給控制系統(tǒng)依切割軌跡控制方式不同而異。 第 19 頁 共 61 頁 (4) 對電極絲的低損耗。其二，工件厚度有一定的變化性以及不同加工要求 （ 如表面粗糙度、精度 、線切割速度等 ） 的需要， 如需維持穩(wěn)定加工，放電峰值電流又不能太小并且可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，否則 加工將不易穩(wěn)定進(jìn)行或者加工達(dá)不到要求，甚至根本無法加工。而焊接結(jié)構(gòu)輕便，制造容易，周期短，在制造 過程中需要采用一定的工藝方法來消除焊接殘余應(yīng)力，以減少變形。 國產(chǎn)高速快走絲電火花線切割機(jī)床在機(jī)床精度、功能、可靠性以及加工穩(wěn)定性等方面都有較大的差距，而根據(jù)機(jī)械部電加工產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測中心對國內(nèi)三十個企業(yè)的產(chǎn)品抽樣檢驗(yàn)的結(jié)果，國內(nèi)許多廠家線切割機(jī)床加工指標(biāo)并沒有達(dá)到廣告宣傳的指標(biāo)。高速快走絲線切割機(jī)床由于運(yùn)絲速度快，放電間隙內(nèi)的切屑容易排除，在大厚度工件切割時效果非常明顯，可以切割的厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于低速走絲機(jī)床。 ● 1992 年底開始研制的控制柜 SBJCUT6，它采用了先進(jìn)的 IBMPC386 微機(jī)控制系統(tǒng)， CRT 彩顯可進(jìn)行人機(jī)中文對話，操作極為方便，還具有相絲校直，動態(tài)跟蹤圖形顯示、局部視圖具有智能自動聚焦特性，全自動 鉬 絲短路回退，動 畫顯示 X， Y， U， V四座標(biāo)值 ，間隙補(bǔ)償，旋轉(zhuǎn)任意角度，正、反序切割，縮 放切割等功能。 ~20176。 為保證加工的高精度， Charmilles 公司的 ROBOFIL300/310 機(jī)床采用高質(zhì)量的，機(jī)床鑄件，滾柱軸承單程 V導(dǎo)軌，直流電機(jī)直接拖動，光柵位移全封閉 ． 其進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)有超載保護(hù)措施，此外還將運(yùn)動軸全部移到立柱線架上，工件不動。我國的電火花 線切割機(jī)一般最大加工速度為 216mm^2/min，國外已超過 30mm^2/min，我們的尺寸精度一般在 0． 01mm，國外達(dá) 177。 本文在總結(jié)實(shí)踐和參考大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，首先簡要地介紹了高速快走絲電火花線切割的基本組成、工作原理以及國內(nèi)外目前電火花線切割機(jī)床發(fā)展的現(xiàn)狀。 表 11 電火花線切割加工方法的應(yīng)用范圍 Table1l the application scope of HSWED Mmachining tools 分 類 適 用 范 圍 二維形狀模具 冷沖模 (沖裁模、彎曲模和拉伸模 )、粉末冶金、擠壓模、塑 料模 三維形狀模具 沖裁模落料凹模、三維 型材擠壓模、拉絲模 電火花加工用的電極 加工形狀復(fù)雜、微細(xì)通孔用的電極、加工帶斜度型腔的電極 微細(xì)精密加工 加工化學(xué)纖維噴絲頭異形窄縫、槽微型精密齒輪及模具 工量 具輪廓 成形刀鋸?fù)庑?、樣板凸輪及模? 試制品及零 件 加 工 試制品直接加工多品種、小批量的幾何形狀復(fù)雜的零件以及超大厚度的零件 特殊材料零 件 加工 半導(dǎo)體材料、鐵氧體材料、陶瓷材料、聚品金剛石 模具行業(yè)的迅速發(fā)展，對電火花線切割機(jī)床提出了更高的要求 [1][2]，從而也進(jìn)一步促進(jìn)了電火花線切割技術(shù)的發(fā)展，促使電火花線切割高新技術(shù)產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)， 產(chǎn)量不斷增長。 AGIE 公司的 AC 系列機(jī)床，盡管功能差異較大，但機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)卻大體相同。以三菱電機(jī)公司的機(jī)床為例 ，進(jìn)給當(dāng)量由 0． 5p 耐脈沖減至 0． lμ m/脈沖，控制軸由四軸增至六軸，程序存貯量由 3． 9 米紙帶增至260 米紙帶，程序號設(shè)定由 9999 條增至 99999999 條，等等。 ● 1990 年研制成功 DK7732 電火花線切割機(jī)，其控制柜采用 XK80AAA 微 型計算機(jī)線切割機(jī)床控制系統(tǒng)，它由專用單板計算機(jī)、接口板、直流穩(wěn)壓電 源、 專用鍵盤、操作控制鍵盤及屏幕顯示器 CRT 組成，并帶有電報機(jī)頭一臺，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電源，可進(jìn)行完整的中文人機(jī)對話、自動編程。 與低速走絲線切割機(jī)床相比，高速快走絲機(jī)床的優(yōu)勢體現(xiàn)在以下幾個方面。 過去低速走絲電火花線切割機(jī)床面對的市場主要是高效率、高精度、高表面質(zhì)量 的模具加工 ． 但隨著國外低速走絲電火花線切割機(jī)床生產(chǎn)廠家進(jìn)入國內(nèi)的線切割 行業(yè)，通過與國內(nèi)廠家以合資、合作的 方式進(jìn)入國內(nèi)市場，低價位的低速走絲電 火花線切割機(jī)床正在投入市場，高速快走絲電火花線切割機(jī)床的價格優(yōu)勢正在減 弱，低速走絲電火花線切割機(jī)床正越來越多地進(jìn)入過去高速快走絲電火花線切割 機(jī)床的加工領(lǐng)域。最后一章對研究內(nèi)容進(jìn)行了總結(jié)，并 提出了今后工作的展望。絲桿副的傳動齒形一般分為三角形普通 螺紋、梯形螺紋和圓弧螺紋三種。因此，脈沖能量 應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)，一般脈沖寬度約在 05~64μ s。 控制系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、控制精度、動態(tài)特性和自動化程度，都直接影 響著加工的工藝指標(biāo)和工人的勞動強(qiáng)度。 1. 介質(zhì)間的電離、擊穿，形成放電通道 第 22 頁 共 61 頁 當(dāng)脈沖電壓施加于工具電極與工件之間時，兩極之間立即形成一個電場。如圖 26 所示，當(dāng)工件要完成某一軌跡時，如圖中從 A 切割到 B時，對于某一點(diǎn) A，其切向速度為 V，此時通過分解可得工作臺在 X、 Y 方向所需的移動的速度分別為 Vx、 Vy，通過對步進(jìn)電機(jī)速度進(jìn)行控制，得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速，即可得到所需軌跡 [30][3I]。 在零件制造方面，可用于加工品種多、數(shù)量少的零件，特殊難加工材料的零件， 材料試驗(yàn)樣件，各種型孔、特殊齒輪凸輪、樣板、成型刀具，同時還可進(jìn)行微細(xì) 加工，異形槽和標(biāo)準(zhǔn)缺陷的加工等 ． 高速快走絲電火花線切割機(jī)床走絲方式控制 由于線切割加工中工件材料的切除 是利用電蝕原理來實(shí)現(xiàn)，在加工區(qū)域中，局部溫度很高，電極極易損耗，作為電極的 鉬 絲的保護(hù)是一關(guān)鍵問題。如圖 32 所示，設(shè)有兩 鉬 絲截面 ① 、 ② ，當(dāng)損耗不均勻時，兩截面所對應(yīng)的貯絲簡上每周繞的 鉬 絲長度也不等，在運(yùn)行的過程中也相應(yīng)的會產(chǎn)生長度增量。向前與 向后移動的距離是不等的，這樣通過多次循環(huán)，貯絲筒逐步移動到 B 點(diǎn)。 第 34 頁 共 61 頁 圖 35 短循環(huán)原理圖 fig． 35 schematic diagram of shortcirclerevering 用這種短循環(huán)方法對 貯絲筒的正反轉(zhuǎn)進(jìn)行控制，其關(guān)鍵在于行程開關(guān) A、 B間的循環(huán)方式如何實(shí)現(xiàn)。 現(xiàn)有 鉬 絲運(yùn)行長度控制方法 由上一節(jié)可知單方向一次參與切削加工的 鉬 絲長度越短，總共累計的誤差也 越小，加工后工件的表面粗糙度也就越好，因此當(dāng)零件精度要求較高時，操作者 往往通過在貯絲筒上繞較短的 鉬 絲，或移動行程開關(guān)的位置只用整筒 鉬 絲中的一 小段等方法來縮短 鉬 絲長度，有廠家開發(fā)了用步進(jìn)電機(jī)帶動貯絲筒直線移動的短 循環(huán)換向式線切割機(jī)床 。為了實(shí)現(xiàn) 鉬 絲的快速運(yùn)轉(zhuǎn)，普通高速快走絲線切割機(jī)床采用了如圖 27 所示電路，使 鉬 絲進(jìn)行實(shí)現(xiàn)循環(huán)走絲 [43]~[46]。 2． 線切割主要進(jìn)行通 孔加工，加工主要形狀有面、曲線，被加工面有平面、 豎直面，也可加工具有一定錐度的斜面，但應(yīng)注意除小拐角必須大于某一 R(為電極絲半徑十放電間隙 )。 在電場作用 下電子高速向陽極運(yùn)動，對介質(zhì)中的粒子產(chǎn)生撞擊，導(dǎo)致帶電粒 子雪崩式增多，使介質(zhì)擊穿而電阻率迅速降低，形成放電通道，放電通道是由數(shù) 量大體相等的帶正電 (正離子 )和帶負(fù)電粒子 (電子 )以及中性粒子 (原子或分子 )組成的等離子體。此外，還有走絲機(jī)構(gòu)控制、機(jī)床操作控制以及其它輔助系統(tǒng)控制。脈沖寬度窄，放電能量小，雖然有利于提高加工精度和 改善表面粗糙度，但是會大大降低切 割速度。 齒輪或蝸輪傳動副的作用是實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)與絲桿之間的傳動。高速快走絲電火花線切割機(jī)床是電火花加工機(jī)床的一種，電火花線切割加工無需專門制作電極，而是采用細(xì)金屬絲作為工具電極，通過對工作臺的驅(qū)動，移動工件使之沿著給定的軌跡運(yùn)行、放電，從而加工 出相應(yīng)幾何圖形的工件。從 IMTS2020 上展出的低速走絲線切割機(jī)床可以了解到近年低速走絲電火花線切割機(jī)床發(fā)展水平 。高速快走絲線切割機(jī)床的價格一般為 10 萬以下，比慢走絲線切割機(jī)床要便宜得多，而且維護(hù)成本較低。 其高頻脈沖電源為上海市科技攻 關(guān)獲獎項(xiàng)目，各項(xiàng)加工工藝指標(biāo)均達(dá)到了當(dāng)時國內(nèi)先進(jìn)水平。 國內(nèi)電火花線切割機(jī)床發(fā)展?fàn)顩r 國外電火花線切割機(jī)床各生產(chǎn)公司為提高本公司產(chǎn)品的品質(zhì)不遺余力，對國 內(nèi)同行產(chǎn)生了巨大的促進(jìn)作用，近幾年來，我國電火花線切割機(jī)也取得了迅速發(fā) 展 [17]。 AC— 200D 機(jī)床采用框架式結(jié)構(gòu)，以增加走絲機(jī)構(gòu)的剛性。我國電火花線切割機(jī)床的擁有量已達(dá)五萬多臺，居世界首位，其中 95%為高速走絲電火花線切割機(jī)床 (英文為 HSWEDM)，它己在機(jī)械行業(yè)中起著重要的作用 。 根據(jù)課題要求，提出了利用短循環(huán)走絲方法以降低高速快走絲電火花線切割機(jī)床加工工件的表面粗糙度值 ； 并用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)的控制，完成了控制線路電路板設(shè)計和制作，利用控制電路對現(xiàn)有線割機(jī)床進(jìn) 行了改造。 兩者相比，除了采用的 工 藝不同外，無論在精度、功能、自動化程度、可靠性、加工穩(wěn)定性和加工工藝指 標(biāo)方面 。由于電極絲的滯后，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 時更為明顯， AGIE 公司在這方面擁有稱為 PIlot 的專利技術(shù)。不少廠 家開發(fā)了四聯(lián)桿裝置，不但上、下導(dǎo)輪可聯(lián)動，而 且可同步偏擺，使電極絲始終保持在導(dǎo)輪槽對稱平面內(nèi)，不發(fā)生單側(cè)刮擦，從而 擴(kuò)大了切割錐度的范圍。 1991 年大批 量投產(chǎn)。高速快走絲線切割機(jī)床操作相對簡單，操作人員容易培訓(xùn)?？偟恼f來，目前低速走絲線切割機(jī)床的發(fā)展水平為 ： Tkm（ 平均表面輪廓度 ） 達(dá)2~4μ m， Ra0． 2，切割尖角和小圓弧精度落 3’，加工硬質(zhì)合金沒有微觀裂紋，沒有變質(zhì)層，可直接進(jìn)行精密模具加工，模具壽命明顯提高。 圖 21 線切割機(jī)床結(jié)構(gòu)示意圖 fig． 2ldiagrammatic drawing of HSWEDM 床身是支承坐標(biāo)工作臺、走絲機(jī)構(gòu)和絲架的基體，它應(yīng)具有一定的剛度和強(qiáng) 第 16 頁 共 61 頁 度。 1． 脈沖電源應(yīng)具有以下特點(diǎn) [22][23]： (1) 應(yīng)有適當(dāng)?shù)拿}沖峰值電流并可調(diào)整 。因此，脈沖間隔不能太小，只能在保證火花放電穩(wěn)定的前提下，盡量減小 脈沖間隔。 切割軌跡控制系統(tǒng)主要有靠模仿形控制、光電跟蹤控制、數(shù)字程序控制等三 種類型。高壓高溫的放電通道，以及隨后瞬時金屬氣化形成的氣體 (以后發(fā)展成氣泡 )急速擴(kuò)展，產(chǎn)生一個強(qiáng)烈的沖擊波向四周傳播 ． 在放電過程中， 還伴隨著一系列派生現(xiàn)象，其中有熱效應(yīng)，電磁效應(yīng)、光效應(yīng)、聲效應(yīng)及頻率范圍很寬的電磁輻射和爆炸沖擊波等。 5． 靠微機(jī)控制電極絲軌跡和間隙補(bǔ)償功能，間隙可在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)， 因此，可利用同一程序進(jìn)行模具的凹凸加工。線路的工作原理如下 ： 第 27 頁 共 61 頁 SB SB2 分別作為啟動按鈕和整個電路控制按鈕，啟動時應(yīng)按下 SBI 進(jìn)行啟動。但在使用的過程中， 我們也發(fā)現(xiàn)，這種循環(huán)的加工方式有較大的缺陷，主要表現(xiàn)在以下二個方面 ． 1． 鉬 絲的損耗增大 這種短循環(huán)方式由于只是調(diào)整了 A、 B 點(diǎn)之間的距離來實(shí)現(xiàn)短循環(huán)，因此在加工過程中，只有 A、 B 點(diǎn)之間的 鉬 絲參與了加工循環(huán)線切割，而對于 A 和 B點(diǎn)以外的 鉬 絲則不參與切割工作。 本章小結(jié) 本章介紹了 鉬 絲長度對表面粗糙度的影響，介紹了兩種改變 鉬 絲循環(huán)長度的 走絲控制方式的結(jié)構(gòu)和原理，并對它們的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較，提出了用單片機(jī)控 制短循環(huán)走絲的新方法 。 圖 33 用步進(jìn)電機(jī)貯絲簡循環(huán)的控制 fig． 33 windingcanister circle by stepping molor 用步進(jìn)電機(jī)控制貯絲筒的移動，需有一套獨(dú)立的數(shù)控系統(tǒng)，如圖 34 所示為這一數(shù)控系統(tǒng)的組 成 ： 第 33 頁 共 61 頁 圖 34 步進(jìn)電機(jī)控制循環(huán)系統(tǒng)組成 fig． 34 circle system by stepping motor 由于增加了獨(dú)立的數(shù)控系統(tǒng)，大大地增加了制造成本，從現(xiàn)有改制成功的產(chǎn)品來看，它對機(jī)床的改造較大，投入的成本較大，因此改造后線切割機(jī)床的售價也成倍提高，如普通型的 DK7725 線切割機(jī)床售價在 5 萬以下，而步進(jìn)電機(jī)帶動貯絲筒直線移動的控制方式線切割機(jī)床售價達(dá) 12 萬左右。 圖 31 貯絲簡形狀誤差 fig． 3l shaping error of windingcanisler 第 30 頁 共 61 頁 若貯絲簡存在一定誤差，設(shè)誤差方向及角度如圖所示，從 A 點(diǎn)到 B 點(diǎn)的圈數(shù)為 n圈，從 A 點(diǎn)運(yùn)行至 B 點(diǎn)后，每圈的長度增量計算如下 ： 半徑 r 的變化為 ： 周長變化