基于CPLD的绝缘陶瓷往复走丝电火花线切割加工间隙放电状态检测研究

郭永丰,郑绍清,侯朋举

(哈尔滨工业大学特种加工与机电控制研究所,黑龙江 哈尔滨 150001)

陶瓷具有高硬度、高熔点、耐腐蚀、低热导率以及低密度的特点,因而在工业中有着越来越广泛的应用。采用陶瓷材料制成的模具、发动机涡轮和主轴,因其良好的特性而备受青睐。但也正因为陶瓷的硬度和熔点都很高,使传统切削加工较困难,刀具磨损严重,加工效率低,成本高。

电火花加工技术一般用来加工导电材料。1993年日本学者毛利尚武和福泽康教授发明了辅助电极法,它可实现电火花加工绝缘陶瓷[1]。辅助电极法是在工件表面附加导电层,利用放电过程中形成的导电膜构成辅助电极实现放电加工。在控制好加工工艺参数的情况下,辅助电极不断地熔蚀和生成,实现连续放电加工。此后,毛利尚武教授和福泽康教授研究了利用辅助电极法,针对不同材质的绝缘陶瓷的成形加工和单向走丝电火花线切割加工[2]。

在绝缘陶瓷的电火花加工过程中,当导电膜形成状态差时,导电膜电阻大,出现高电压放电现象,使常规的往复走丝线切割加工状态检测装置不再适用;而对间隙放电状态的检测能为电源参数和伺服进给参数的选择提供依据,有利于提高加工效率和质量。因此,针对绝缘陶瓷往复走丝电火花线切割加工间隙状态检测的研究是非常有必要的。

本文采用自行研制的往复走丝电火花线切割机床进行研究。对间隙电压进行采样,实时判别出每个脉冲的放电状态,并进行计数统计,获取在不同加工参数下各状态所占的比率,以此来研究绝缘陶瓷往复走丝电火花线切割加工工艺,总结其加工特点,并将它作为伺服进给和工艺参数选择的依据。

1 加工间隙放电波形的特殊性

本文加工的绝缘陶瓷材料为Si3N4。为实现利用辅助电极法加工绝缘陶瓷,首先需要在陶瓷表面喷镀或压制一层导电材料,因此选用表面压制碳层的Si3N4绝缘陶瓷,陶瓷厚度为12mm,碳层厚度为1.5mm。在加工过程中,吸附形成的导电膜和碳层一起构成辅助电极,它和电极丝一起构成放电的两极,实现对材料的电火花蚀除加工。在加工过程中,由于形成的导电膜厚度不一致(厚度在0～30μm范围内[3]),导电膜的电阻由其厚度决定。文献[4]通过实测Si3N4已加工表面电阻率,发现其表面黑色导电层的电阻率达到20～100 Ω◦cm。当导电膜厚度小时,其电阻大,导致辅助电极电阻率远远高于金属的电阻率,阻值能达到40 Ω左右。而限流电阻一般采用小阻值电阻,在这种情况下,间隙将分掉大部分的电源电压,造成放电过程中间隙出现高电压现象(图1)。

图1 加工过程中采集的电压和电流波形图

2 间隙状态检测系统的设计

往复走丝电火花线切割机床加工金属时,放电状态一般分为3种,分别是空载、火花放电和短路状态。而对于绝缘陶瓷的加工,根据图1的加工间隙电压和电流波形,当间隙放电电压高于加工金属时的维持电压,将此时的火花放电状态称为高阻火花状态,此时的短路状态称为高阻短路状态。当导电膜形成良好时,此时导电膜厚度大,电阻小,间隙放电电压近似等于加工金属时的维持电压,将此时的火花放电状态称为低阻火花状态,此时的短路状态称为低阻短路状态。因此,在绝缘陶瓷往复走丝电火花线切割加工中,间隙放电状态被分为5种,分别是空载、高阻火花、低阻火花、高阻短路和低阻短路状态。检测装置在脉宽期间对间隙电压进行实时跟踪,通过设定 3个阈值 Vef1、Vef2和 Vef3,获取间隙电压信息,在脉宽结束时区分出此脉冲的放电状态(图2)。由于状态检测装置能区分出每一个脉冲的放电状态,便可推断出间隙的加工状态和导电膜的形成情况。

图2 间隙状态判别时序图

图3是间隙状态检测和伺服控制系统框图。整个系统由电阻分压模块、差分运放采样模块、比较电路模块、光电隔离模块、复杂可编程逻辑器件CPLD模块、多轴伺服运动控制卡模块以及上位机组成。由于系统采用高速CPLD作为状态检测系统主构芯片,它能实现在线编程,因此整个系统具有高集成度和柔性。

图3 间隙状态检测及伺服控制系统图

通过差分运放对间隙电压进行采样,利用电流传感器对间隙电流进行采样,将采样结果送入比较电路,通过和设定的阈值进行比较,判断当前电压和电流所处的区间。比较电路输出的结果经光电隔离送入复杂CPLD中,用硬件描述语言对CPLD进行内部编程,内部逻辑电路对输入信号经一系列逻辑运算得到当前的间隙放电状态。判别状态反馈到脉冲电源主振发生电路,作为控制脉冲参数的依据。同时对判别出的状态进行计数,并将其结果发送到多轴伺服运动控制卡,作为伺服控制的依据。运动控制卡通过PCI104总线与工控机相连,将状态信息和运动信息传输到显示界面上,显示界面利用Microsoft Visual C++编写。

在图2中,Vef1、Vef2和 Vef3是比较电路中比较器1、比较器2和比较器3的阈值。阈值 Vef3设定为3～5 V,它的作用是区分每个脉冲的脉宽和脉间,控制检测程序只在脉宽期间对放电状态进行判别;在脉间期间不判别状态,防止产生误判断。在比较器3输出高电平期间(即脉宽期间),不同的间隙放电状态拥有不同的比较器1和比较器2输出(图4)。在脉宽期间,如果比较器1和比较器2的输出存在下降沿,则表明间隙电压由高至低发生击穿现象,且间隙电压小于 Vef2,此脉冲放电为低阻火花状态。当脉宽期间比较器1输出存在下降沿,比较器2输出不存在下降沿,则表明虽然间隙发生了击穿,但间隙电压高于 Vef2而小于 Vef1,认定此脉冲放电为高阻火花状态。当脉宽期间比较器1和比较器2输出都不存在下降沿时,则需从以下3种情况分析。首先,如果比较器1的输出为高电平,表明间隙两端电压高于 Vef1,认为此脉冲放电为空载状态;其次,如果比较器1的输出为低电平,而比较器2的输出为高电平,表明间隙两端电压一直在 Vef1和 Vef2之间,而又不存在间隙击穿,因此认为此脉冲放电为高阻短路状态,第三,如果比较器2的输出一直为低电平,表明间隙两端电压一直低于 Vef2,且也不存在间隙击穿,认为此脉冲放电为低阻短路状态。

图4 状态判别流程图

3 绝缘陶瓷加工试验

3.1 加工试验条件和方法

试验采用往复走丝电火花线切割机床,电极丝选用直径为0.15mm的钼丝,丝速为9.5 m/s。采用浸液式加工,工作液为煤油。用多轴伺服运动控制卡控制各轴运动,可实现XY平面的任意曲线运动。加工实验采用以设定速度恒速进给方式。但当间隙发生短路时,伺服停止进给并回退,回退一定距离后继续以设定速度恒速进给。脉冲电源为自行研制的等电流脉宽模式电源,其直流电源E=100 V,短路峰值电流为20 A。脉冲电源依靠电流传感器对间隙电流进行检测,并送入比较电路。当电流大于设定阈值时,作为间隙击穿信号。在绝缘陶瓷加工试验中,电流设定阈值为7 A。由于导电膜的形成受各种因素影响,因此当导电膜形成差时,回路电阻增加,产生高电压放电现象,即高阻放电状态,此时电流可能小于设定值7 A。由于此时CPLD没有获得间隙击穿信号,高压主回路一直处于导通状态,间隙一直有电流通过,因而产生了电流脉宽大于设定值的情况,这便是长脉宽放电现象(图1)。由于导电膜形成缓慢,为防止电流脉宽过长而造成断丝现象,设定最大电流脉宽为250μs,即不管间隙电流是否超过7 A,当间隙放电持续时间超过250μs时,脉冲电源根据算法自动关断主回路,强制进入脉间阶段。

试验中,脉冲电源为等电流脉宽模式电源,间隙不存在图2中的矩形空载状态,它将以击穿延时的状态等待直至击穿,因此状态检测系统并不对空载状态进行区分。通过上位机采集30 min内其余4种脉冲放电状态的脉冲数,分析各状态占总脉冲数的百分比,以此获得间隙的加工状态。设定30 min内各状态脉冲数为高阻火花 NHG、低阻火花 NHD、高阻短路 NDG和低阻短路 NDD。定义30 min内放电状态总脉冲数为 Nsum=NHG+NHD+NDG+NDD,则高阻火花脉冲数占总脉冲数的比率为 NHG/Nsum,低阻火花的比率为NHD/Nsum,高阻短路的比率为NDG/Nsum,低阻短路的比率为 NDD/Nsum。

3.2 试验结果及分析

图5a是各间隙放电状态的比率和电流脉宽设定值之间的关系曲线。试验中,加工时设定的进给速度为 1μm/s,脉间保持 100μs不变。从图 5a 可看出,在不同电流脉宽的情况下,高阻火花状态的比率很高,占总数的90%以上,而低阻火花状态、高阻短路状态和低阻短路状态的比率则都只占总数的10%不到。这说明在采用较低速度进给的情况下,绝缘陶瓷加工过程中发生短路(包括短路低阻和短路高阻)的情况较少,这与加工金属材料的情况是一致的。但同时,低阻火花的比率很低(远低于高阻火花的比率),导致这种情况的原因可能是电源短路峰值电流能达到20 A,而进给速度只有 1μm/s,使加工过程中放电不连续,导电膜形成不稳定,辅助电极的电阻大,因而高阻火花的比率远高于低阻火花的比率。随着电流脉宽的增大,各状态的比率基本不变。这是因为在加工绝缘陶瓷时,由于发生高阻放电的情况较多,造成了长脉宽放电现象,一些脉宽长度甚至等于设定的最大电流脉宽长度250μs,这些长脉宽和电流设定脉宽同时存在,使电源设定的电流脉宽对加工影响不显著。

图5b是各间隙放电状态比率和进给速度之间的关系曲线。试验中采用的电流脉宽为20μs,脉间为100μs。从图5b可看出,随着进给速度的提高,高阻火花占总数的比率降低了。而低阻火花、高阻短路和低阻短路状态各自的比率则升高了。这是因为随着加工速度的提高,加工连续性变好,导电膜形成情况趋向稳定,因而导电膜的电阻率降低,低阻放电增加,低阻火花的比率随进给速度的增加有较大增幅也能反映出这点。同时,随着进给速度的提高,短路放电状态(包括高阻短路和低阻短路状态)的比率上升。这是因为当进给速度加快时,部分时段内间隙的蚀除速度和导电膜的形成速度小于伺服进给速度,使间隙发生短路现象。

图5 加工试验曲线

4 结论

本文针对绝缘陶瓷往复走丝电火花线切割加工间隙状态检测系统进行了研究,并利用研制的检测系统进行了加工试验,对检测系统的有效性进行了验证。试验表明能对加工过程进行监控,并得出以下结论。

(1)研制的检测系统可实现检测每个间隙脉冲放电状态,并将间隙放电状态分为空载、高阻火花、低阻火花、高阻短路和低阻短路5种状态。一段时间内统计的各状态脉冲数占总脉冲数的比率,可反映出当前间隙的加工状态。

(2)利用检测系统进行加工试验得到的结果表明,由于长脉宽现象的存在,使电流脉宽的设定值对加工的影响不显著。且在一定范围内提高进给速度,有利于提高导电膜形成的连续性,但同时也会提高短路率。

[1]Mohri N,Fukuzawa Y,Tani T,et al.Assisting electrode method for machining insulating ceramics[J].Annals of the CIRP,1996,45(1):201-204.

[2]Mohri N,Fukuzawa Y,Tani T,et al.Some considerations to machining characteristics of insulating ceramics towards pratical use in industry[J].Annals of the CIRP,2002,51(1):161-164.

[3]Fukuzawa Y,Imata A,et al.Mechanical strength of the wire EDM insulating ZrO2ceramics by assisting electrode method[C]//Proceeding of the 15th of International Symposium on Electromachining,Pittsburgh:2007:165-169.

[5]郭永丰,邓冠群,白基成,等.绝缘陶瓷氮化硅高速走丝线切割加工技术研究[C]//2007年中国机械工程学会年会论文集:第12届全国特种加工学术会议专辑.长沙:2007:165-168.