CN101259550A - 一种适用于数控电火花线切割粗中精复合加工方法 - Google Patents

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郭永丰
杨晓冬
黄河
李朝将
刘华
李诗
李冬庆
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Harbin Institute of Technology
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Abstract

本发明公开了一种适用于数控电火花线切割的粗中精复合加工方法，该复合加工方法依据脉冲电源输出的脉冲电压、电流参数设定了粗加工规准、中加工规准和精加工规准；然后通过伺服控制系统检测到当前单边放电间隙δ间隙与粗加工间隙δ1、中加工间隙δ2、精加工间隙δ3进行间隙差值对比，获得粗加工、中加工和精加工状态。在整个加工过程中，脉冲电源的输出参数始终在粗、中、精加工规准之间自动循环变换，以实现粗加工、中加工、精加工一次成形的复合加工的目的。

Description

一种适用于数控电火花线切割粗中精复合加工方法
技术领域
本发明涉及一种对工件的加工方法，更特别地说，是指一种适用于数控电火花线切割的粗中精复合加工方法，属于IPC分类中的B23H大类。
背景技术
电火花线切割加工(Wire cut Electrical Dischatge Machining，简称WEDM)，有时也称线切割，其基本工作原理是利用连续移动的金属线(称为电极丝)作电极，对工件进行脉冲火花放电蚀除金属、切割成型。
与传统的切削加工方法不同，电火花线切割加工是利用工具电极和工件两极之间脉冲放电(脉冲电源提供电压、电流)时产生的电腐蚀现象对工件进行尺寸加工的加工方法。实用的电火花线切割加工一般应具有下列要求：
(1)必须使工具电极和工件被加工表面之间经常保持一定间隙，通常约为几微米至几百微米，如果间隙过大，极间电压不能击穿极间介质，因而不能产生火花放电。如果间隙过小，很容易形成短路接触，也不能产生火花放电。因此电火花线切割加工中必须有间隙自动调节装置，或称伺服控制系统。
(2)火花放电应是短时间的脉冲放电，放电持续时间为10-7～10-3秒，且每次放电后需停歇一段时间，以保证消电离，避免持续电弧放电烧伤工件。
(3)火花放电必须在具有一定绝缘性能的液体介质中进行，如煤油、皂化液等。液体介质又称工作液，它们必须具有(A)较高的绝缘性能，以利于产生脉冲性的火花放电；(B)液体介质还有排除间隙内电蚀产物，保证在时间和空间上分散的重复性脉冲放电正常进行；(C)冷却电极的作用。
因此，一般电火花线切割加工设备都具有实现这些要求的装置，它们包括脉冲电源，工作液循环系统，工具电极与工件的相对伺服进给控制系统以及机床主体等。其中，机床主体由床身、丝架、走丝机构和X-Y数控工作台等四个部分组成。脉冲电源能产生高频矩形脉冲，其正极加至工件，负极加至电极丝(钼丝)；脉冲信号的幅值和脉冲宽度等可以调节，以适应不同工况的需要。伺服进给系统是以专门的计算机为核心的控制系统。加工中控制系统按照输入的程序指令控制机床主体加工，期间需进行大量的插补运算，判别。变频进给系统则将加工中检测到的放电间隙中的平均电压反馈给控制系统，控制系统根据此反馈信号调节加工(X-Y数控工作台)进给速度。
目前无论是快走丝还是慢走丝线切割加工和脉冲电源的共同缺点是：(1)分多次粗、中、精多次切割加工时，操作人员需多次编写切割的轨迹程序，计算其单边切割留量，辅助处理料芯，比较繁琐；(2)多次切割时，无论是快走丝还是慢走丝，电极丝都是单侧面火花放电，会产生抖动，影响中加工、精加工的加工速度、以及表面质量和加工精度。
参见图1所示为现有电火花线切割加工多次切割时单边放电间隙示意图，图中，δ1、δ2、δ3分别是粗加工、中加工、精加工时的侧面单边放电间隙(电极丝2与加工轨迹3之间的间隙)，电极丝2不可避免地在工件1上产生了抖动，降低切割速度、加工精度和表面质量。
发明内容
为了解决上述缺陷，本发明的目的是提出一种适用于数控电火花线切割的粗中精复合加工方法，该粗中精复合加工方法中通过两个进给脉冲之间对脉冲电源的输出参数进行不同加工规准的顺次自动转换形成粗、中、精加工规准，然后通过放电间隙状态的在线检测来控制放电间隙的大小，从而进行三个不同加工规准的循环转换一次成形复合加工；然后根据放电状态脉冲利用率中的相对火花率
Figure A20081008892400041
、相对空载率
Figure A20081008892400042
、相对短路率
Figure A20081008892400043
与本发明按照三个加工规准进行加工工件时的单边放电间隙的关系获得单边放电间隙的大小。
本发明是一种适用于数控电火花线切割的粗中精复合加工方法，该方法是依据脉冲电源输出的脉冲电压、电流参数设定了粗加工规准、中加工规准和精加工规准；然后通过伺服进给控制系统检测到当前单边放电间隙δ间隙与粗加工间隙δ1、中加工间隙δ2、精加工间隙δ3进行间隙差值对比，获得粗加工、中加工和精加工状态。
所述的粗中精复合加工的切换条件为：
δ间隙＜δ1：当伺服进给控制系统检测到当前单边放电间隙δ间隙小于粗加工间隙δ1时，通过控制脉冲电源的输出参数执行粗加工规准，此时加工状态处于曲线①上的第一点P10至第二点P11之间；
δ1＜δ间隙＜δ2：当伺服进给控制系统检测到当前单边放电间隙δ间隙大于粗加工间隙δ1，且小于中加工间隙δ2时，通过控制脉冲电源的输出参数执行中加工规准，此时加工状态处于曲线②上的第三点P20至第四点P21之间；
δ2＜δ间隙＜δ3：当伺服进给控制系统检测到当前单边放电间隙δ间隙大于中加工间隙δ2，且小于精加工间隙δ3时，通过控制脉冲电源的输出参数执行精加工规准，此时的加工状态处于曲线③上的第五点P30至第六点P31之间；
δ间隙＞δ3：当伺服进给控制系统检测到当前单边放电间隙δ间隙大于精加工间隙δ3时，脉冲电源发出进给脉冲信号，并保持精加工规准，此时加工状态沿曲线③上的第六点P31向第五点P30的方向转移；所述进给脉冲信号的进给脉冲当量δ0等于精加工间隙δ3减粗加工间隙δ1。
本发明数控电火花线切割的粗中精复合加工方法的优点在于：
(1)根据脉冲电源输出参数在相邻两个进给脉冲的不同，设计了三个不同加工规准，粗加工规准、中加工规准、精加工规准；
(2)伺服进给控制系统依据三个不同的加工规准采用三种不同的加工状态对脉冲电源进行控制，从而实现了工件的粗加工、中加工和精加工；
(3)本发明伺服进给控制系统与脉冲电源的组合模式控制，可以单独与现有数控电火花线切割机床配套使用，也可嵌入至现有数控电火花线切割机床的伺服控制系统中。其操作方便，控制精度高；
(4)本发明采用工件在单脉冲进给中实现粗、中、精复合加工一次切割成形，提高了加工速度，降低了制造成本；
(5)本发明根据电极丝放电状态利用率与线切割加工单边放电间隙的关系特性相结合，精确地测量出单边放电间隙的大小，从而在线实时控制放电间隙。
附图说明
图1是背景技术中线切割加工多次切割时单边放电间隙示意图。
图2是本发明粗、中、精线切割加工空载、火花和短路时电压、电流放电波形曲线。
图3是本发明粗、中、精线切割加工放电间隙蚀除特性曲线。图中：①表示低电压、大电流的粗加工规准蚀除特性曲线；②表示中电压、中电流的中加工规准蚀除特性曲线；③表示高电压、小电流的精加工规准蚀除特性曲线。
图4是加工过程状态转移示意图。
图5是某一加工规准时放电状态利用率和间隙大小的特性曲线。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。
本发明是一种适用于数控电火花线切割的粗中精复合加工方法，该方法在一次进给过程中完成粗、中、精三种不同加工规准，利用在线实时检测加工间隙变化来控制加工规准转换，达到精加工要求后电极丝进给一步，再次完成下一次的粗、中、精加工规准，以此往复循环。
本发明粗中精复合加工方法的加工步骤为：依据脉冲电源输出的脉冲电压、电流参数设定了粗加工规准、中加工规准和精加工规准；然后通过伺服进给控制系统检测到当前单边放电间隙δ间隙与粗加工间隙δ1、中加工间隙δ2、精加工间隙δ3进行间隙差值对比，获得粗加工、中加工和精加工状态。
在本发明中，脉冲电源输出参数为低电压V1(40～80V)、大脉宽、大电流I1时定义为粗加工规准；脉冲电源输出参数为中电压V2(80～100V)、中脉宽、中电流I2时定义为中加工规准；脉冲电源输出参数为高电压V3(100～150V)、窄脉宽、小电流I3时定义为精加工规准。对于脉宽、电流可以参见图2所示的波形获得。采用粗、中、精三种加工规准时相应的脉冲电压和电流的波形结构。其中，粗加工(左边)低电压V1、大脉宽、大电流I1加工时，放电间隙δ1较小；精加工(右边)的高电压V3、窄脉宽、小电流I3波形时，放电间隙δ3较大；相对于粗加工、精加工其电压、脉宽、电流介于两者之间的是中加工。图3所示为线切割加工单边放电间隙蚀除特性曲线，图中曲线①、曲线②、曲线③分别为粗加工、中加工、精加工时的单边放电间隙蚀除特性曲线。其具体粗中精复合加工切换控制策略是：
δ间隙＜δ1：当伺服进给控制系统检测到当前单边放电间隙δ间隙小于粗加工间隙δ1时，通过控制脉冲电源的输出参数执行粗加工规准，此时加工状态处于曲线①上的第一点P10至第二点P11之间；
δ1＜δ间隙＜δ2：当伺服进给控制系统检测到当前单边放电间隙δ间隙大于粗加工间隙δ1，且小于中加工间隙δ2时，通过控制脉冲电源的输出参数执行中加工规准，此时加工状态处于曲线②上的第三点P20至第四点P21之间；
δ2＜δ间隙＜δ3：当伺服进给控制系统检测到当前单边放电间隙δ间隙大于中加工间隙δ2，且小于精加工间隙δ3时，通过控制脉冲电源的输出参数执行精加工规准，此时的加工状态处于曲线③上的第五点P30至第六点P31之间；
δ间隙＞δ3：当伺服进给控制系统检测到当前单边放电间隙δ间隙大于精加工间隙δ3时，脉冲电源发出进给脉冲信号，并保持精加工规准，此时加工状态沿曲线③上的第六点P31向第五点P30的方向转移；所述进给脉冲信号的进给脉冲当量δ0等于精加工间隙δ3减粗加工间隙δ1(δ0＝δ3-δ1)。因此，整个加工过程在单边放电间隙蚀除特性曲线上体现为如图4所示的循环。图中，在第一点P10，伺服控制系统发出控制脉冲A，X-Y数控工作台开始加工，加工参数为粗加工参数，随着工件材料的蚀除，当单边放电间隙逐渐扩大到第二点P11时，将高频脉冲的输出参数转换成中加工规准，以中加工的规准从第三点P20加工到第四点P21，当单边放电间隙逐渐扩大到第四点P21时，再将高频脉冲的输出参数转换为精加工参数，以精加工的规准从第五点P30加工到第六点P31。当单边放电间隙逐渐扩大到第六点P31时，伺服控制系统发出控制脉冲B(即发出一个进给脉冲)，并保持精加工参数继续加工，当检测到单边放电间隙发生突变或较大变化时，将高频脉冲的输出参数转换成粗加工规准，一个单步脉冲加工的循环结束，再重复上述粗中精加工过程。由于一个单步脉冲中参数转换多次，转换是根据放电间隙大小。放电间隙大小很难直接测得，本发明专利申请中利用放电状态利用率(所述放电状态利用率包括有相对火花率：
Figure A20081008892400071
相对空载率：
Figure A20081008892400072
相对短路率：
Figure A20081008892400073
且
Figure A20081008892400074
)与线切割加工单边放电间隙的关系特性曲线，如图5所示。通过放电状态利用率实时检测出当前相对火花率
Figure A20081008892400075
相对空载率
Figure A20081008892400076
相对短路率
Figure A20081008892400077
从而获得粗、中、精加工规准的单边放电间隙变化在线实时检测的目的。本发明的粗、中、精加工规准可以嵌入至现有数控电火花线切割机床的控制系统中，用户可以根据检测到的参数，自动转换加工规准。对于当前间隙与粗、中、精间隙的差值比较，是对间隙中的相对火花率
Figure A20081008892400081
相对空载率
Figure A20081008892400082
相对短路率
Figure A20081008892400083
进行比较，而每个间隙中的相对火花率
Figure A20081008892400084
相对空载率
Figure A20081008892400085
相对短路率
Figure A20081008892400086
是可以通过“高速走丝电火花线切割机床放电状态检测系统”检测得到。
本发明专利申请的目的在于改进了现有电火花线切割加工中重复进行工件、工作台、电极丝之间的位置调节的缺点，通过对脉冲电源输出参数的优化使线切割一次加工成形，提高了工作效率、加工精度，减小了表面粗糙度。具体方法是(1)在脉冲电源上设有输出脉冲参数变换控制模块，可实现脉冲电源在粗、中精加工脉冲参数之间的自动变换；(2)由伺服控制系统在线实时检测电极丝与工件之间的间隙放电状态，可以实时获得电极丝与工件之间的间隙变化；(3)本发明复合加工方法将工件、电极丝与工作台进给控制相结合，从而使工件在单脉冲进给中实现粗、中、精复合加工一次切割成形，(4)而且电极丝始终处于双边放电，大大减小电极丝的振动，提高了加工速度、加工精度和表面质量。
本发明的不同之处在于：
一、粗加工、半精加工、精加工一次成形复合加工方法
该方法的基本原理是在相邻两个进给脉冲之间，对高频脉冲电源的输出参数进行粗加工、半精加工、精加工规准的顺次自动转换，在工件相对于电极丝的包容加工表面上，逐次进行低电压、大脉宽、大电流的粗加工；中等电压、中等脉宽、中等电流的中加工以及高电压、窄脉宽、小电流的精加工之后，再发出下一个进给脉冲，使加工间隙变小，当检测到间隙发生相应的变化时，高频脉冲电源的输出参数又按照粗加工、中加工、精加工规准的顺序进行顺次自动转换，如此周而复始的加工规准自动转换和发出进给脉冲，即可实现不需多次切割，仅通过按编程轨迹一次进给加工就能够对工件加工表面的任意一点都进行粗加工、中加工以及精加工的目的，解决了快走丝线切割机床难以实现多次切割的问题和慢走丝线切割机床多次切割时编程、操作繁琐，单一侧面放电造成电极丝抖动的难题，从而提高切割速度、加工精度和表面质量。
二、线切割机床高频脉冲电源输出参数在线实时控制方法
该方法通过伺服控制系统实时检测线切割加工单边放电间隙，并根据单边放电间隙的大小控制脉冲电源的输出参数，以实现粗加工、中加工、精加工一次成形的复合加工的目的。
三、线切割加工单边放电间隙变化在线实时检测方法
利用“高速走丝电火花线切割机床放电状态检测系统”(2006年no.3，P.37-39公开的)检测相对火花率：
Figure A20081008892400091
相对空载率：相对短路率：
Figure A20081008892400093
然后根据放电状态脉冲利用率与线切割加工单边放电间隙的关系特性间接地测量出单边放电间隙的大小，达到单边放电间隙变化在线实时检测的目的，从而在线实时控制放电间隙。
在本发明中引用符号的物理意义如下表所述：
Figure A20081008892400094

Claims (3)

1、一种适用于数控电火花线切割的粗中精复合加工方法，数控电火花线切割至少包括有提供加工间隙电压的脉冲电源，以及对火花放电进行自动调节的伺服进给控制系统，其特征在于：粗中精复合加工的切换(A)依据脉冲电源输出的脉冲电压、电流参数设定了粗加工规准、中加工规准和精加工规准；(B)根据放电状态脉冲利用率得到当前单边放电间隙δ间隙；(C)将所述当前单边放电间隙δ间隙与粗加工间隙δ1、中加工间隙δ2、精加工间隙δ3进行间隙差值对比来控制提供给加工间隙的加工规准。
2、根据权利要求1所述的粗中精复合加工方法，其特征在于：所述当前单边放电间隙δ间隙包括有相对火花率
Figure A20081008892400021
相对空载率
Figure A20081008892400022
相对短路率
Figure A20081008892400023
且
Figure A20081008892400024
Figure A20081008892400025
3、根据权利要求1所述的粗中精复合加工方法，其特征在于粗中精复合加工的切换条件为：
δ间隙＜δ1：当伺服进给控制系统检测到当前单边放电间隙δ间隙小于粗加工间隙δ1时，通过控制脉冲电源的输出参数执行粗加工规准，此时加工状态处于曲线①上的第一点(P10)至第二点(P11)之间；
δ1＜δ间隙＜δ2：当伺服进给控制系统检测到当前单边放电间隙δ间隙大于粗加工间隙δ1，且小于中加工间隙δ2时，通过控制脉冲电源的输出参数执行中加工规准，此时加工状态处于曲线②上的第三点(P20)至第四点(P21)之间；
δ2＜δ间隙＜δ3：当伺服进给控制系统检测到当前单边放电间隙δ间隙大于中加工间隙δ2，且小于精加工间隙δ3时，通过控制脉冲电源的输出参数执行精加工规准，此时的加工状态处于曲线③上的第五点(P30)至第六点(P31)之间；
δ间隙＞δ3：当伺服进给控制系统检测到当前单边放电间隙δ间隙大于精加工间隙δ3时，脉冲电源发出进给脉冲信号，并保持精加工规准，此时加工状态沿曲线③上的第六点(P31)向第五点(P30)的方向转移；所述进给脉冲信号的进给脉冲当量δ0等于精加工间隙δ3减粗加工间隙δ1。
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