电火花线切割加工技术最新研究进展

豆尚成,赵万生,顾 琳,奚学程

(上海交通大学机械与动力工程学院机械系统与振动国家重点实验室,上海 200240)

近年来电火花线切割加工无论在加工过程控制,还是改进加工工艺方面都取得了许多新的进展。主要表现在突破了许多传统观念的束缚,产生了一些新的加工方法,以及一些新的控制和检测方式,这些进展既提高了加工质量,也提高了加工效率,不仅可在去离子水中加工,也可在其他混粉电介质溶液中加工,大大扩展了这一技术的应用领域。限于篇幅,下面仅就几项最新技术成果加以介绍。

1 加工工件的在线厚度辨识

对于电火花线切割加工,特别是加工阶梯状的工件,断丝和加工不稳定始终是降低加工效率的主要因素。传统的方法是针对工件最薄处来设置加工参数,然而,这样虽然降低了断丝的可能性并保持了稳定的加工,却大大降低了加工速度。因为很难在线得到工件的厚度并设置合适的加工参数,因此发展了许多近似数学模型来估计工件的厚度。这些模型表示了放电能量和材料去除率之间的关系,其中模型系数通过大量的实验获得。然而这样的静态数学模型只适用于加工厚度逐渐变化的工件,对于厚度突然增加或者减少的工件却不适用。为此,一个多输入的动态和随机模型被用来描述平均间隙电压,放电频率和机床进给速度之间的关系[1-2]。对于iso能量型的电火花线切割机床,有研究者提出了特定放电能量的概念。电火花加工过程涉及许多因素,从放电能量的观点看,每一个放电都是一个能量输出,能量分布在工件、电极丝以及在材料去除中的有效能量消耗上。它受许多因素的影响,比如:工件和电极丝之间的间隙、喷流压力、电介质的导电性以及放电持续时间等;对于典型波形的放电电压和电流,可计算出单次放电能量以及单位时间内的放电能量。考虑到放电过程中的非正常放电(电弧放电或短路)以及实际用于材料去除的能量所占总能量的比率,可得出有效放电功率;而被定义为去除单位体积材料的特定放电能量,不但与有效放电功率有关,还受到间隙宽度、工件高度以及电极丝进给速度的影响。因此,可得出材料去除量与放电频率之间关系的等式。其中的系数与文献[1]中不同,前者与放电持续时间、特定放电能量、放电效率、间隙宽度以及正常放电比率有关,而后者只是放电频率的函数,当工件高度改变时加工特性也发生改变,因此在估计到工件高度之前,很难得到正确的厚度辨识系数。由于影响高度辨识参数的值涉及许多变量且数量庞大,很难在线全部检测到,所以为了简化厚度辨识过程,首先用文献[1]中等式辨识出工件厚度,然后乘上一个修正因子,就得到了最终辨识工件厚度,而修正因子是初始辨识到的工件厚度的函数。实践证明[3],这种辨识工件厚度的方法是可行的、精确的,辨识误差小于1mm,并能很快完成。

2 电极丝偏差的在线检测

在电火花线切割加工过程中,虽然电极丝被施加了特定的张力以尽量保持电极丝的直线性,但由于丝的柔韧性,不可避免地会在加工过程中产生一定的延迟,特别是在丝的中部。文献[4]提出了一种结合摄像机和CCD的技术来测量电极丝经过工件时的偏差,这样,就可建立电极丝的偏差模型,用合适的方法来控制拐角切割,提高零件的加工精度。

该技术用两种方法来测量电极丝偏差,并比较它们的测量值,这样,设计者就可根据测量到的偏差值,来设置加工参数,使电极丝偏差控制在允许的范围之内。方法一被称为摄像机图象分析法(Camera Picture Analysis),简称CPA。其过程为用一个数字摄像机获得切割工件边沿的加工录像,可拍摄到在不同时间不同高度的电火花放电,通过计算电火花首次出现在工件和在指定位置上的时间偏差值,就能得到电极丝的偏差值;分析选定位置,那么就可画出电极丝的偏差曲线。方法二被称为截面测量法(Cross Section Measurement),简称CSM 法。其过程为在一个稳定状态下切割工件,然后,突然关掉放电电源,那么确切的电极丝偏差就会保留在工件上,把工件放在高精度电子显微镜下,就能得到精确的电极丝偏差曲线。实验表明由CPA方法和CSM方法测量的电极丝偏差的趋势是一样的,但由CPA测量的偏差值比CSM测量的值约小10%～20%,通常来说,CSM测量的结果会更接近真实的切割状况。根据CPA和CSM方法测得的偏差值,改变不同的加工参数,以减少电极丝偏差。

3 基于浮动阀值的放电间隙状态的检测

在电火花线切割加工中,放电间隙状态对于伺服控制以及脉冲电源的自适应控制是一个很重要的依据。目前广泛应用的固定阀值法很难用来测量非矩形间隙电压波形,文献[5]提出了浮动阀值法来检测间隙电流和测量与间隙峰值电流成比例变化的电压阀值,这样就可以在线实时地区分3种不同的放电状态(开路、放电和短路)。

在传统脉冲电源的主电路中带有限流电阻,间隙电压和间隙电流为矩形。然而,在节能型电源中,去掉了限流电阻,它的电压和电阻波形呈三角形状。与传统的电源比较,节能型电源的间隙电压和间隙电流以一定的斜率增长。具有放电电压的短路电压也较高,特别是在高电流和大脉宽加工中,因此,固定电压阀值法很难测得这两种状态。通过电路分析以及实验,我们知道放电电压和短路电压为平行曲线,因此,可在放电和短路曲线之间设定一条曲线来区分这两种状态,由于放电电压和短路电压随着间隙电流的增长而增长,就可得到浮动阀值电压。通过同样的原理和计算方法,可利用另外一个浮动阀值电压区分放电和开路状态。

浮动阀值法的检测电路由5个部分组成:间隙电压采集和滤波模块,电流采集模块,放大器,信号比较和状态区分模块(图1)。首先,电流传感器采集间隙电流,通过放大器模块,间隙电流分别被作为放电与短路之间及放电与开路之间的电压阀值,在比较模块中与滤波间隙电压比较,就可得到开路状态信号和短路状态信号,并被送到状态区分模块,产生开路信号、放电信号、断路信号和脉冲信号。

图1 放电间隙状态浮动阀值检测框图

4 加工表面在线修正技术

电火花线切割机床通常应用于加工硬质合金方面,然而典型的表面缺陷(如裂缝、微小的凹坑以及表面再凝固层等)降低了表面的一致性和零件的寿命,因此,人们期望通过一些方法来去除这些表面缺陷。文献[6]提出了一种新的“表面在线修正技术”来完全去除工件上的表面缺陷。通过这种在电火花线切割加工后的表面一致性切割工艺(the Process of surface integrity cut)简称SI-cut,在线地去除切割电火花机床加工过程中产生的表面缺陷。在SI-cut过程中,工件和电极之间会发生电解现象。

在电火花线切割加工中,SI-cut加工发生在去离子水的正极工件和负极电极丝之间,这里没有放电现象,而只有电解现象在工件和电极丝的间隙里产生,工件和电极丝之间的间隙通常由加工条件决定。SI-cut加工的过程如下:通常,在3次线切割后让电极丝沿同样的路径加工,并设置电极丝的偏移量为0μm,这时开路电压比在第三次切割时的电压要低,因此在工件和电极丝之间很难产生放电现象;在SI-cut加工中,去离子水的导电率较低,可以假定电解现象是稳定的,且去离子水逐渐地注入间隙中,那么,可认为再凝固层包括裂缝在电解中被溶解或者被钴的氧化物去除。在SI-cut后,通过扫描电子显微镜观察,发现工件表面完全被碳化钨和碳化钨微粒覆盖。碳化钨是硬质合金的主要成分,在SI-cut加工后均衡地分布在加工表面,因此观察不到由WEDM加工后产生的裂缝和微小凹坑等表面缺陷。如果在SI-cut加工过程中产生火花放电,那么就会在工件表面形成裂缝,因此必须测量电流波形,以保证在该过程中只产生电解现象。通过观察比较第三次放电加工和SI-cut加工时的电流波形可发现,在第三次放电过程中有电流峰值,而在SI-cut加工中没有电流峰值产生。

5 混粉对电火花线切割加工的影响

在电火花加工中,粉状悬浮电介质被用来提高材料去除率和提高表面质量。文献[7]首次提出了粉状悬浮电介质在电火花线切割中的应用,并进行了大量的实验研究,分析了不同电极丝材料、粉状物浓度和加工参数对平均间隙宽度、材料去除率、表面粗糙度等的影响。结果表明,粉状悬浮物电介质在电火花线切割中的应用可提高加工质量,但提高的数量取决于粉状物的浓度,而粉状物的浓度随着工件材料的不同而不同。

6 结论

本文介绍了电火花线切割机床以及加工工艺方面的一些最新技术,电火花线切割技术主要围绕提高加工表面质量和加工速度、扩大电火花线切割加工范围来展开。近年来,国内外学者对电火花线切割技术实践研究表明,创新思维和深入细致的基础研究是电火花线切割加工向深度和广度发展的基石。

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[3] Liao Y S,Chuang T J,Yu Y P.On-line estimation of workpiece height in W EDM[C]//Proceedings of the 16th International Symposium on Electromachining.Shanghai,2010:255-260.

[4] Liang JF,Tsai C F,Lin M H,et al.Measuremen tof w ire deflection in w ire-cut EDM machining[C]//Proceedings of the 16th InternationalSym posium on Electromachining.Shanghai,2010:255-260.

[5] Li,Chaojiang,Bai Jicheng,Guo Yongfeng,et al.Monitoring technology of gap discharge status based on floating th reshold for WEDM[C]//Proceedings of the 16th International Symposium on Electromachining.Shanghai,2010:271-274.

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