導(dǎo)語(yǔ)：微細(xì)絲數(shù)控電火花線切割加工機(jī)床研究一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：以加工微小復(fù)雜零件為目標(biāo)，對(duì)采用直徑0.02mm的微細(xì)電極絲進(jìn)行數(shù)控電火花微精線切割加工技術(shù)及工藝研究，開(kāi)發(fā)出了由微細(xì)絲走絲系統(tǒng)、細(xì)絲導(dǎo)向器和微精加工電源等構(gòu)成的微細(xì)電火花線切割加工系統(tǒng)，研制了具有無(wú)電阻防電解電源、高效、高精度、高表面質(zhì)量的微細(xì)絲數(shù)控單向走絲電火花線切割機(jī)床。

關(guān)鍵詞：電火花線切割加工；單向走絲；走絲系統(tǒng)；細(xì)絲導(dǎo)向器；微精加工

電源航空航天、國(guó)防軍工、IT、精密模具、微型機(jī)械、醫(yī)療器械、化纖紡絲、儀器儀表等領(lǐng)域的科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展，對(duì)微精加工設(shè)備的需求日益增多。采用微細(xì)絲進(jìn)行小圓角、窄縫、窄槽及微細(xì)零件的微精加工的數(shù)控電火花線切割加工，因其具有切縫窄、精度高、可加工復(fù)雜形面和各種難加工材料等優(yōu)勢(shì)，在微精機(jī)械生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用[1-5]。國(guó)外設(shè)備制造企業(yè)都花費(fèi)了大力氣進(jìn)行細(xì)絲切割技術(shù)的研究，比如微細(xì)電火花線切割加工機(jī)床可用直徑0.02mm的電極絲加工出外徑1.86mm、模數(shù)0.03、齒數(shù)60的微型齒輪，其加工精度可控制在1.0μm以下，表面粗糙度可達(dá)Ra0.2μm。但目前國(guó)內(nèi)針對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的研究力度還不夠，企業(yè)無(wú)相關(guān)產(chǎn)品，只有部分高校和科研院所進(jìn)行了一些實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的研究。本文通過(guò)采用直徑0.02mm的微細(xì)電極絲進(jìn)行數(shù)控電火花微精線切割加工技術(shù)及工藝研究，研制出具有無(wú)電阻防電解電源、高效、高精度和高表面質(zhì)量的微細(xì)絲數(shù)控單向走絲電火花線切割機(jī)床。目前，國(guó)內(nèi)外通用的電火花線切割機(jī)床采用的電極絲直徑均大于0.1mm。采用微細(xì)電極絲進(jìn)行切割加工一直是電火花線切割加工的難題。由于微細(xì)電極絲的直徑越小，其所能承受的張力也越小[4]，要實(shí)現(xiàn)正常切割并保證加工精度和表面質(zhì)量，對(duì)機(jī)械系統(tǒng)、走絲系統(tǒng)、高頻電源、檢測(cè)控制、抗干擾性能及工作液系統(tǒng)都提出了難度更高、更復(fù)雜的技術(shù)要求。因此，本文開(kāi)發(fā)的微細(xì)絲數(shù)控單向走絲電火花線切割系統(tǒng)是以DK7632單向走絲電火花線切割機(jī)床為基礎(chǔ)，且為了實(shí)現(xiàn)超細(xì)電極絲即直徑0.02mm的微細(xì)電極絲放電切割，還專門開(kāi)發(fā)了全新的走絲系統(tǒng)、細(xì)絲導(dǎo)向器和微精加工電源。

1新型微張力、恒張力、恒速走絲系統(tǒng)

本文采用的電極絲為TUNGSTENCUT-WIRETWS-20鎢切絲，其直徑為0.02mm、抗拉強(qiáng)度約157g（3850N/mm2），且彈性差、易拉斷。正常切割，就需對(duì)走絲系統(tǒng)提出很高的要求，如微張力、恒張力、恒速可調(diào)，而一般的帶磁粉離合器的走絲系統(tǒng)已不適合上述要求，為此本文新開(kāi)發(fā)了一套走絲系統(tǒng)。在系統(tǒng)的加工界面中，操作者可在“運(yùn)絲速度”一欄調(diào)節(jié)絲速，由計(jì)算機(jī)控制速度輪無(wú)極變速，使電極絲的走絲速度基本保持恒定。放絲速度的快慢由放絲輪給定，在重錘輪后面安裝有精密角位移傳感器，采集傳感器位置的變化信號(hào)，經(jīng)反饋電路進(jìn)行快速處理來(lái)控制放絲輪的速度快慢，使重錘輪的位置基本保持在中間位置，且使電極絲的張緊力與所配重錘的重量滿足一定的函數(shù)關(guān)系；同時(shí)需減小運(yùn)絲系統(tǒng)整個(gè)輪系的阻尼，以實(shí)現(xiàn)電極絲的張緊力恒定控制。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，加工時(shí)的絲張力約保持為50g，這樣既保證了切割正常又不易斷絲。此外，需借助一個(gè)過(guò)渡輪將電極絲按“8”字形繞在聚氨脂輪上，由一個(gè)小壓輪壓住，這樣布置可避免原系統(tǒng)的電極絲在張力輪上的纏繞方式易產(chǎn)生溝槽的缺陷，使電極絲不易打滑，張力也更穩(wěn)定。收絲輪用于纏繞經(jīng)過(guò)加工區(qū)放電后的廢銅絲或廢鎢絲，由軟特性力矩電機(jī)SYL2.5驅(qū)動(dòng)，需具有一定的拉緊力，使廢絲不會(huì)被拉斷，同時(shí)對(duì)走絲輪沒(méi)有影響。廢絲輪的前面是排絲輪，排絲輪在SD2.5交流伺服電機(jī)和凸輪傳動(dòng)下實(shí)現(xiàn)往返運(yùn)動(dòng)，使廢絲在收絲輪上排列均勻。在重錘輪的下方設(shè)置有斷絲開(kāi)關(guān)，電極絲斷，則切斷放電電源，同時(shí)走絲輪、放絲輪、排絲輪和收絲輪停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

2新型細(xì)絲導(dǎo)向器

導(dǎo)向器具有導(dǎo)絲、進(jìn)電、供液三大功能。絕大部分的單向走絲電火花線切割機(jī)床，其導(dǎo)向均采用整體封閉式金剛石圓導(dǎo)向器，電極絲在各個(gè)方向上的導(dǎo)向精度一致，同軸式噴嘴可承受高壓水的壓力，使放電間隙沖液更充分。但直徑0.02mm的微細(xì)電極絲，其彈性差、易斷，且彈性模量幾乎為零，與棉絲相當(dāng)，如果采用過(guò)去的“插入”式穿絲方法則根本無(wú)法穿進(jìn)整體封閉式金剛石圓導(dǎo)向器。為了保證直徑0.02mm微細(xì)電極絲穿絲更方便及運(yùn)絲穩(wěn)定、精確，同時(shí)保證細(xì)絲切割時(shí)的穩(wěn)定性和可靠性，本文開(kāi)發(fā)了如圖2所示的新型細(xì)絲導(dǎo)向器。圖3是新型單方向窄縫敞開(kāi)式細(xì)絲上、下導(dǎo)向器的示意圖。電極絲采用平移“掛入”的方法實(shí)現(xiàn)穿絲，非常方便、可靠。新型導(dǎo)向器的創(chuàng)新點(diǎn)在于采用帶錐臺(tái)的雙圓柱氧化鋯陶瓷棒，能對(duì)直徑0.02mm的微細(xì)電極絲進(jìn)行定位，解決了整體V型導(dǎo)向底部圓角直徑≤0.02mm時(shí)無(wú)法加工的問(wèn)題；還設(shè)計(jì)了三個(gè)圓柱形陶瓷棒壓板，使電極絲導(dǎo)向精度高、準(zhǔn)確度好；為了適應(yīng)電極絲“掛入”的要求，將噴嘴設(shè)計(jì)成“哈夫”結(jié)構(gòu)，即穿絲時(shí)打開(kāi)、加工時(shí)閉合，靈活方便。

3微精加工電源

納秒級(jí)超精脈沖電源是實(shí)現(xiàn)微細(xì)電火花脈沖放電的關(guān)鍵部件。因此，要實(shí)現(xiàn)微細(xì)加工，必需能提供超窄的納秒級(jí)的放電脈沖。同時(shí)，由于絲徑很細(xì)、放電間隙很小，如果無(wú)合適的主振控制策略，極易產(chǎn)生斷絲。本文采用大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷?，編制了較科學(xué)的主振控制策略，并根據(jù)適時(shí)放電狀況及歷史放電狀態(tài)，綜合決策當(dāng)前適時(shí)放電脈沖的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了硬件級(jí)、脈沖級(jí)的脈沖參數(shù)自適應(yīng)控制，提高了加工效率，降低了斷絲概率；同時(shí)，還優(yōu)化設(shè)計(jì)了微精加工電路，將全部微精加工電路濃縮于一塊功率板上，以提高抗干擾性能；采用高速同軸鍍銀放電線與加工間隙連接，以及進(jìn)口大功率高速功率管及前置功放驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)小于20ns的功率脈沖的放大及傳輸，從而達(dá)到加工最佳表面粗糙度小于Ra0.1μm的技術(shù)指標(biāo)。脈沖電源的結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖4。控制脈沖電源的脈沖放電能量是實(shí)現(xiàn)微細(xì)電火花線切割加工的關(guān)鍵技術(shù)[1]。針對(duì)直徑0.02mm微細(xì)電極絲的放電切割，本文對(duì)脈沖電源進(jìn)行了改進(jìn)。有別于針對(duì)粗加工大效率切割的納秒級(jí)超窄高峰值電流無(wú)電阻放電回路和針對(duì)精加工光潔度要求的可控RC充放電脈沖電源放電回路，本文增加了有阻分檔雙極性納秒級(jí)超窄超精脈沖電源回路，還對(duì)探測(cè)電流回路進(jìn)行了改進(jìn)，并經(jīng)過(guò)大量加工試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，放電效果良好、可控。同時(shí)，還依據(jù)超窄脈沖電源電路的放電狀態(tài)檢測(cè)電路，對(duì)納秒級(jí)脈沖電源進(jìn)行自適應(yīng)控制，使主振電路產(chǎn)生正確、有序的脈沖，使加工更穩(wěn)定，不易斷絲。

4加工參數(shù)及加工實(shí)例

影響微細(xì)絲電火花線切割加工質(zhì)量的因素很多，本文主要對(duì)微細(xì)電極絲材料、張力、工作液種類、壓力、流量、電導(dǎo)率、微能量電源參數(shù)及微當(dāng)量伺服進(jìn)給等工藝參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)研究，進(jìn)一步優(yōu)化運(yùn)絲速度、張力、工作液流量和壓力、脈沖電源等微細(xì)絲切割工藝參數(shù)的影響與匹配。在工藝試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，獲得了穩(wěn)定、可靠、實(shí)用的微細(xì)絲切割功能。本文用直徑0.02mm微細(xì)電極絲對(duì)厚度約1mm的不銹鋼板進(jìn)行了加工試驗(yàn)，探索高頻脈沖電源參數(shù)對(duì)加工效率及表面粗糙度的影響。4.1脈沖寬度對(duì)加工效率及表面粗糙度的影響由于微細(xì)絲電源主回路結(jié)構(gòu)采用有阻分檔雙極性納秒級(jí)超窄超精脈沖電源回路，放電回路的電感L對(duì)電流的上升率起次要作用，若放電回路的限流電阻分檔固定，則脈沖電流峰值也分檔固定，這主要取決于供電電壓V及回路電阻R的參數(shù)。其中，回路電阻R為一個(gè)常量，供電電壓V一旦設(shè)定，也是一個(gè)常量，因而脈沖電流峰值分檔固定。放電能量隨著脈沖寬度成正比變化，即脈寬Ton越大、放電能量越大，加工效率也越高。當(dāng)然，Ton的增大是有限制的，特別是對(duì)于直徑0.02mm微細(xì)電極絲而言，當(dāng)電流增大產(chǎn)生的瞬間熱量超過(guò)微細(xì)電極絲的承受能力時(shí)，就會(huì)發(fā)生斷絲。顯然，Ton越大，加工表面粗糙度值也越大，但變化關(guān)系并非線性；當(dāng)Ton較小時(shí)，加工表面粗糙度對(duì)此敏感度較大，當(dāng)Ton大到一定量時(shí)，加工表面粗糙度漸趨穩(wěn)定。4.2脈沖停歇對(duì)加工穩(wěn)定性及加工效率的影響脈沖停歇Toff越小，放電頻率越高，平均放電能量越大，加工效率就越高。但如果脈沖停歇Toff太小，放電間隙恢復(fù)時(shí)間太短，放電期間產(chǎn)生的熱量得不到充分冷卻，將會(huì)增大斷絲概率。脈沖寬度Toff時(shí)間是幾十納秒～幾百納秒，脈沖停歇Toff時(shí)間則是幾微秒～幾十微秒，脈沖占空比達(dá)十倍以上。脈沖停歇Toff的少量變化將會(huì)引起平均加工電流較大幅度的變化，對(duì)加工效率隨之產(chǎn)生較大的影響。因此，往往在加工過(guò)程中將脈沖停歇Toff設(shè)置為一個(gè)較佳參數(shù)，較少改變。4.3供電電壓對(duì)加工效率及表面粗糙度的影響當(dāng)Ton參數(shù)不變，僅改變供電電壓V的大小，即可改變脈沖電流峰值Ip的幅度，從而影響加工效率及加工表面粗糙度。因此在加工過(guò)程中，供電電壓必須恒定，為此設(shè)計(jì)了SCR可控硅三相橋式穩(wěn)壓電路，以確保加工過(guò)程中的供電電壓穩(wěn)定。此外，在精加工時(shí)，若要降低加工表面粗糙度值，除了減小脈沖寬度Ton以外，還可降低供電電壓V，以達(dá)到所需的加工表面粗糙度。4.4加工實(shí)例本文基于自制的微細(xì)絲電火花線切割機(jī)床，進(jìn)行了大量的工藝試驗(yàn)及典型件加工，可切割厚度最高達(dá)到2.8mm，并在厚度為1mm的不銹鋼板上切割出最窄切縫0.023mm。加工所得實(shí)物見(jiàn)圖5。

5結(jié)束語(yǔ)

本文研制了具有無(wú)電阻防電解電源、高效、高精度、高表面質(zhì)量的微細(xì)絲單向走絲電火花線切割機(jī)床，可實(shí)現(xiàn)電極絲直徑為0.02mm的微細(xì)電極絲放電切割。該研究成果的關(guān)鍵技術(shù)如微細(xì)電源，還可應(yīng)用于微細(xì)電火花小孔加工和微細(xì)電火花成形加工?？傮w而言，直徑0.02mm微細(xì)電極絲的放電切割是極其復(fù)雜的系統(tǒng)過(guò)程，特別是針對(duì)各種復(fù)雜形面和各種難加工材料的加工，在保證一定效率的情況下，既要求切割精度又要求高光潔度，在控制系統(tǒng)的進(jìn)給伺服控制方面如拐彎控制還有待進(jìn)一步完善，在加工穩(wěn)定性和加工效率等方面，國(guó)內(nèi)外技術(shù)水平仍有較大差距。因此，研究人員在未來(lái)還要進(jìn)行更深入的研究和更多的工藝試驗(yàn)，不斷完善直徑0.02mm微細(xì)電極絲的放電切割性能。

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作者:劉斌 吳強(qiáng) 成哲 單位:蘇州電加工機(jī)床研究所有限公司