CN101791727B - 电火花线切割加工方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种用于控制电火花线切割加工的方法，包括以下步骤：确定出将要在工件中切割的预先确定轮廓的至少一个预先确定的轮廓偏差(E_smax)；确定出至少一个几何元素的曲率，该几何元素限定出将要在工件中切割的轮廓的至少一段；根据预先确定的轮廓偏差(E_smax)并根据至少一个预先确定的几何元素的曲率计算出上电极丝导向器(WG_U)和下电极丝导向器(WG_L)的偏移量(s)；通过使上电极丝导向器(WGU)相对于下电极丝导向器(WGL)移动来设定偏移量(s)，从而使得当在工件中切割出该几何元素的时候，使得由上电极丝导向器(WG_U)与下电极丝导向器(WG_L)引导的线电极在该工件的当前切割方向上倾斜。

Description

电火花线切割加工方法及装置

技术领域

本发明涉及一种用于控制电火花线切割加工工艺的方法以及一种电火花线切割加工装置。

背景技术

电火花线切割加工(WEDM)是一种极其通用而且精确的加工工艺。通过线电极(电极丝)在工件中切割所需的轮廓。电极丝与工件根据加工程序的指令彼此相对移动。工件材料通过电极丝与工件之间施加的电火花脉冲的作用而被去除。

高端WEDM获得1μm以下的形状精度以及0.05μm以下的表面粗糙度Ra。这些结果是通过释放极低能量的放电脉冲而获得的。整个加工精度由全部误差分量的总和所确定。所期望的是，过去被容许的误差应当自此之后被予以考虑。在WEDM中，如果不考虑阻力误差、电极丝振动、电极丝损耗量等，那么工具与工件的接合基本上是线性的。

对于某些工件材料、工作条件等，电极丝会在加工表面上留下一些垂直延伸的切割痕迹。切割痕迹以突脊和沟槽的形式出现。有多种原因导致切割痕迹的出现。有时，突脊是由于工件材料的异质性，特别是传导性比基底材料小得多的夹杂物，例如渣粒、氧化物等。

如图1中所示，局部材料缺陷导致显著的离析出来的突脊。有时，切割痕迹是由于诸如在上部电源处或者电极丝导向器处堆积的较柔软的电极丝涂覆材料的磨损碎片的突然分离所导致。由于存在这些局部缺陷，电极丝会发生少量的侧向偏移，但是大到足以在走丝方向上留下切割痕迹。有时，切割痕迹是肉眼可见的，并且因此是非常不期望出现的。例如在电力中断的情况下，停止以及重新启动WEDM工艺是切割痕迹的另一种成因。

困难的工作条件或者不正确的设置是切割痕迹的其它成因。这里，在大多数情况下，突脊以及沟槽在整个加工表面上或者工件的整个侧面上出现，如图2中所示。这些切割痕迹远远小于由材料的缺陷所导致的大多数离析出来的突脊。放电脉冲的能量在每个连续切割中降低，从而使得有些时候难于通过传统方法去除切割痕迹。

在DE 4222186C2中提出，当沿着笔直或者仅略微弯曲的段进行精加工时，在切割方向上使该电极丝略微倾斜(也可参见的同族申请US 5’438’178，例如图4；说明书第5栏67行-第6栏22行；权利要求4)。上下电极丝导向器中的一个在另一个电极丝导向器之前预先使用，这导致上下加工路径之间的轻微延迟。由于WEDM通常在主切割以及一个或多个修整切割中执行，因此在连续切割中以变角度沿着加工路径引导线电极。这样，至少部分去除了切割痕迹-实现了表面平滑化。

同时，

提供了有关上下电极丝导向器之间的移位量的信息，从而获得良好的平滑。然而，

并未公开该方法如何在实际中应用以及在何种情况下在实际中应用，并且尤其没有公开该方法在拐角以及大曲率的弧形段中如何应用。

本发明的目的是提供一种用于控制WEDM工艺的改良方法以及一种改良的电火花线切割装置。

发明内容

根据第一方面，本发明提供一种用于控制电火花线切割加工的方法，该方法包括以下步骤：确定出将要在工件中切割的预先确定轮廓的至少一个预先确定的轮廓偏差；确定出至少一个几何元素的曲率，该几何元素限定出将要在工件中切割的轮廓的至少一段；根据预先确定的轮廓偏差并根据至少一个预先确定的几何元素的曲率计算出上导向器和下电极丝导向器的偏移量；并通过使得上导向器相对于下电极丝导向器移动来设定偏移量，从而使得在工件中切割出几何元素期间，由上电极丝导向器以及下电极丝导向器引导的线电极在工件的当前切割方向上倾斜。

根据第二方面，本发明提供一种电火花线切割装置，该装置包括：控制器，其用于控制在工件中切割包括至少一个几何元素的轮廓；线电极以及用于引导线电极的上电极丝导向器和下电极丝导向器，该上电极丝导向器和下电极丝导向器能够由控制器控制，其中，该控制器适于执行根据第一方面所述的方法。

本发明的其它方面在从属权利要求、随后的描述以及附图中予以阐述。

附图说明

参照附图经由示例说明本发明的实施方式，其中：

图1显示了切割之后工件表面上的突脊；

图2显示了切割之后工件表面上的多个突脊和沟槽；

图3a示出了用于使工件表面平滑化的方法的实施方式；

图3b进一步示出了图3a的表面的平滑化；

图4a示出了切割之后工件表面上的突脊；

图4b-4d示出了图4a中显示的表面平滑处理方法的效果；

图5示出了电极丝导向器的倾斜度以及所导致的上下电极丝导向器的偏移量；

图6示出了当使线电极倾斜以及切割弯曲的轮廓时发生的轮廓偏差；

图7a示出了根据实施方式的使线电极相对于预编程的加工路径倾斜的第一种方案，其中，线电极与工件的顶面及底面的上交叉点及下交叉点分别落在加工路径上；

图7b示出了根据实施方式的使线电极相对于预编程的加工路径倾斜的第二种方案，其中，行经工件的线电极的中点落在加工路径上；

图7c示出了根据实施方式的使线电极相对于预编程的加工路径倾斜的第三种方案，其中，线电极的倾斜度处于图7a和7b的两个极值之间；

图8示出了将要切割轮廓的几何元素的末段内的线电极的倾斜度的变型；

图9示出了离开加工路径之后线电极的倾斜度的变型；

图10示出了具有六个几何元素的轮廓；

图11a示出了图10的轮廓以及几何元素之间的过渡段处的圆弧运动；

图11b-11d示出了几何元素之间的过渡段处的各种环形运动；

图12a-12d更详细地说明了偏移量的计算；

图13a示出了修正线电极在两个几何元素之间的各个过渡段处的倾斜；

图13b示出了根据实施方式的方法，其中，对于每个几何元素，将偏移量都被设定为最大偏移量；

图13c示出了根据实施方式的方法，其中，将偏移量设定为几何元素的最小偏移量；

图14示出了通过在某一距离上以不同的速度移动上下电极丝导向器从而使线电极倾斜的工艺；

图15显示了加工间隙距离，

图16示出了过度切割，以及

图17示出了根据本发明的实施方式的电火花线切割加工装置。

具体实施方式

图17示出了电火花线切割加工装置的实施方式。然而，在对图17进行进一步的详细描述之前，需要讨论一些通用术语。

如已经在引言部分中提到的那样，现有技术中的

文献没有公开例如将要在工件中切割的轮廓的弯曲几何元素中，如何执行线电极的倾斜及所导致的表面平滑处理。

已经认识到，如果没有充分考虑几何条件的话，该方法的实施会弊大于利。在加工路径、即，将要工件中切割的轮廓的任意段中随意使用平滑处理方法会导致不定的形状误差，这是由工件中应当切割的轮廓与工件中实际切割的轮廓之间的偏差所引发的。例如，在具有细节的轮廓段以及锐角转角段中，使电极丝在切割方向上倾斜导致不能容许的形状误差，尤其是垂直真直度误差。

通过在弯曲段内保持电极丝在切割方向上偏斜(倾斜)，垂直形状分别在外部曲线中变得凹入并在内部曲线中变得凸出。从纯几何角度来说，在弯曲路径段中与切割方向垂直的横截面显示出双曲线而不是直线。轮廓误差或者轮廓偏差取决于弯曲段的半径，并取决于由电极丝的倾斜角度给出的上下加工路径之间的延迟或者偏移。

换句话说，已经认识到，在上下加工路径的偏移量与轮廓误差之间存在折衷。当控制电火花线切割装置或者工件的电火花线切割加工工艺时，用于表面平滑处理的线电极的倾斜度与所引起的轮廓误差之间的折衷可用于设定导致容许轮廓或形状误差的用于线电极的“最优”、即最大容许倾斜度。

在某些实施方式中，确定将要在工件中切割的预先确定轮廓的至少一个轮廓偏差。如已经提到的那样，轮廓偏差(或者轮廓/形状误差)是工件中应当切割的轮廓与工件中实际切割的轮廓之间的偏差。该轮廓偏差是由线电极的倾斜度所产生的并且是相对于非倾斜、即垂直线电极的情况下的切割轮廓的偏差。该(容许)偏差可以例如由使用者预先确定。其它误差会引起附加的轮廓偏差，例如源于对线电极的诸如点火电压、放电电流等的其它参数进行控制的误差。

工件中应当切割的轮廓包括至少一个几何元素。几何元素是具有诸如直线、弧线、转角等的特定形状的一段轮廓。

接下来，确定至少一个几何元素的曲率，该至少一个几何元素限定出将要在工件中切割的轮廓中的至少一段。由此，在这个阶段，已知用于确定“最优”倾斜度的信息：几何元素的曲率和容许轮廓误差。

随后，根据预先确定的轮廓偏差并根据至少一个预先确定的几何元素的曲率，计算上导向器以及下电极丝导向器的偏移量。通过使上下电极丝导向器偏移，使电极丝倾斜，即电极丝运动到它的垂直方向之外，并且电极丝相对于它的垂直位置形成偏斜角度或者倾斜角度。例如，上下电极丝导向器被分别定位在工件的上方和下方，并且引导线电极沿其路线经过工件。在工件中切割几何元素期间，通过使上导向器相对于下电极丝导向器移动来设定偏移量，从而使得由上下电极丝导向器所引导的线电极在工件的当前切割方向上倾斜。例如通过移动上电极丝导向器、下电极丝导向器或者上下电极丝导向器，可以实现上下电极丝导向器之间的相对运动。

通过使电极丝(电极)在切割方向上倾斜，可以实现工件的切割表面的平滑化。通过倾斜的线电极提高诸如从工件的表面突出的脊部或者其它结构的切割痕迹的平滑化，原因是由于存在电极丝的倾斜，延长了线电极与切割痕迹之间的接触时间。由此，线电极与切割痕迹接合更长时间并且由此提高了切割痕迹的平滑化。

例如，通过使上电极丝导向器(WG_U)与下电极丝导向器(WG_L)彼此相对移动而使电极丝以角度γ倾斜，从而导致在工件水平面处出现偏移量(s)。这例如通过保持下电极丝导向器WG_L静止同时移动承载工件的X/Y十字工作台，并且通过借助于U/V十字工作台来移动上电极丝导向器来实现。

通常，X/Y平面基本上平行于地表并且X/Y十字工作台适于在该X/Y平面内使得安装在其上的工件移动。U/V十字工作台适于例如使上电极丝导向器相对于下电极丝导向器移动，从而使得电极丝能够在例如平行于切割方向或者同样相对于切割方向成一定角度的不同方向上倾斜。

上点(P_U)以及下点(P_L)例如分别是电极丝轴线与工件的顶面及底面的交叉点。偏移量s可以被看作是这个上点P_U与下点P_L之间的距离在X/Y平面内投影的线段。由此，在这种情况下，该偏移量还取决于工件的高度(厚度)。

总之，能够在不同的位置处测量该偏移量：例如它可以被看作是上下电极丝导向器之间的偏移量或者它可以被看作是上下交叉点之间的距离在X/Y平面内投影的线段。然而，两个偏移量都通过使上和/或下电极丝导向器彼此相对移动予以设定，并且由于两个偏移量彼此成比例，因此它们能够轻易地互相转换。换句话说，两个偏移量是“可互换的”，并且在下文中在它们之间并没有进行区分。

当起动表面平滑处理时，电火花加工装置的控制单元根据多种规则使电极丝在切割方向上倾斜，如稍后所述。使最初垂直的电极丝在电极丝切割方向上倾斜到最大容许倾斜角度并且保持在所述角度，只要连续几何元素的曲率没有迫使减小倾斜度或者将电极丝重新设定到垂直位置。通过使上下电极丝导向器(WG_U，WG_L)在切割的同时以不同的速度移动，能够改变电极丝的倾斜度。例如，在某些实施方式中，使电极丝导向器移动，从而使得工件顶面处的路径速度高于底面处的路径速度。

在某些实施方式中，表面平滑处理方法通常用于精加工步骤中，并且可以例如包括一种或多种具有变偏斜角度和/或切割方向的修整切割。然而，已经可以以主切割的方式利用表面平滑处理方法。

实验已经显示出，电极丝约为0.5°的较小倾斜度导致了电极丝切割方向上的粗糙度(Ra⊥)的显著降低。利用略高的倾斜度就能使粗糙度进一步降低，但是不利于形状精度，因此有益的倾斜角度为大约0.5°-1°。

对于WEDM特有的是，电极丝切割方向上的粗糙度(Ra⊥)小于穿丝方向上的粗糙度(Ra＝)。在某些实施方式中，穿丝方向上的粗糙度(Ra＝)保持基本上不受本表面平滑处理方法的影响。在某些实施方式中，由于穿丝方向上的粗糙度(Ra＝)接近电极丝切割方向上的粗糙度(Ra⊥)，因此提高了Ra＝/Ra⊥的比率。这样，WEDM特有的表面状况就会更加不明显。

为了避免轮廓偏差超过比值，将计算出来的偏移量与预先确定的最大偏移量相比较。在计算出来的偏移量大于最大允许偏移量的情况下，该偏移量被设定为最大偏移量。

在某些实施方式中，根据预先确定的轮廓偏差以及当前几何元素的曲率计算当前几何元素的最大偏移量。如上所述，该偏移量通过使上下电极丝导向器彼此相对移动而获得。在切割当前几何元素之前或者在切割当前几何元素期间，可以执行该移动。通过计算最大偏移量，能够在切割当前几何元素之前设定该最大偏移量，并且例如，将其保持恒定直到完成当前几何形状的切割。

例如在起点段或者起始段、中间段以及末端段中可将几何元素进一步分段。由此，可计算用于当前几何元素的末端段的偏移量。接下来，计算下一个几何元素的最大偏移量。通过设定偏移量，使得该偏移量不会超过用于下一个几何元素的最大偏移，由此当前几何元素与下一个几何元素之间存在平滑过渡段是可能的。如上所述，轮廓包括可以是不同的几何元素。由此，存在着从一个(当前)几何元素到另一个(下一个)几何元素的过渡段。通过确定用于当前几何元素的末端段的(当前)偏移量以及用于下一个几何元素的最大偏移量，可将该偏移量设定为例如相同的值。

存在多个实施方式，以改变从一个几何元素到下一个几何元素的过渡段中的偏移量。

例如，在某些实施方式中，在用于当前几何元素的最大偏移量超过用于下一个几何元素的最大偏移量的情况下，在该几何元素的末端段中，将偏移量连续减小到用于下一个几何元素的最大偏移。

在其它实施方式中，偏移量在各个几何元素的末端处、也就是在一个(当前)到另一个(下一个)几何元素的过渡段处被降低到零。

还可以设定用于两个相邻几何元素的偏移量。在这种情况下，不需要改变从一个到另一个几何元素的过渡段的偏移量。例如，可将该偏移量设定成用于至少两个相邻几何元素的至少两个相邻几何元素的最小的最大偏移量。当然，还可以考虑多于两个几何元素。

在某些实施方式中，将用于当前几何元素的起点的偏移量连续增加到用于当前几何元素的最大偏移量。

如上所述，在曲率半径(R)极小或者作为曲率半径的倒数的曲率(K)极大的情况下，轮廓偏差可能变得过大。这种情况同样在转角元素中出现，该转角元素例如基本上形成垂直角度。由此，在某些实施方式中，在下一个几何元素的曲率半径等于或者小于预先确定的最小曲率半径或者在当前几何元素到下一个几何元素的过渡段包括转角元素的情况下，将该偏移量连续减小到零。

在从一个几何元素到另一个几何元素的过渡段处设置偏移量的另一个可能性是在该过渡段处插入另一个切割或者非切割运动，其中将偏移量设定为用于接下来的几何元素的新值。例如，将至少一个环形运动插入到当前几何元素到下一个几何元素的过渡段中，并且在该环形运动期间设定用于下一个几何元素的偏移量。该环形运动并非必须包括弧形或圆形元素，而是它可以是三角形或者椭圆形等。环形运动提供了将偏移量设定为新值的可能性，并且能够选择提供这种可能性的用于该环形运动的全部形状。

如上所述，在某些实施方式中，在工件中切割轮廓的线电极在工件的顶面上形成上轮廓点(P_U)并在工件的底面上形成下轮廓点(P_L)。在这种实施方式中，通过使上轮廓点(P_U)和/或下轮廓点(P_L)减速和停止中的至少一种可调整偏差(s)的每种变型。

为了进一步提高表面的平滑化，可翻转线电极的倾斜方向，以用于工件的连续修整切割。在某些实施方式中，以在切割方向上并未倾斜线电极的方式执行工件的至少一个主切割，而在接连的修整切割中使线电极倾斜。

在某些实施方式中，电火花线切割加工装置通常包括控制器以及线电极，该控制器用于控制在工件中切割出包括至少一个几何元素的轮廓。上电极丝导向器以及下电极丝导向器适于引导以及定位该线电极，例如以使线电极在切割方向上倾斜。控制器控制上下电极丝导向器并且控制器还适于执行如上所述的方法中的任一种。

返回到图17，电火花线切割加工(WEDM)装置包括用于引导线电极4的下臂6和上臂7。线电极4经过被工件夹具10所保持的工件1，并且切割出切割机件2。X-Y十字工作台9使工件1在X和Y方向上运动并且由此在毛坯1中切割出特定形式。U-V十字工作台9适于经由上电极丝导向器11使得线电极相对于下电极丝导向器12运动。通过在U/V方向上移动上电极丝导向器11，使得线电极4例如在切割方向上倾斜。为了控制线电极4与机件2的适当偏置距，上光电探测器14以及下光电探测器15探测机件2上方及下方的操作附近的火花亮度。

通常，通过一个或多个连续切割、例如通过(粗略的)主切割以及多个(精确)修整切割切出机件2。在某些情况下，如上所述，即便在执行修整切割之后，机件2的表面也将会显示出切割痕迹。通过利用U-V十字工作台9使线电极4在切割方向上倾斜，机件2的表面被平滑处理，原因是线电极4以一定角度消除切割痕迹，并且由此与各个切割痕迹保持更长时间的接触。

下面详细说明表面平滑效应以及用于执行平滑处理的方法。

通过使电极丝在连续切割中在切割方向上略微倾斜，在连续切割中并不“立刻”接合首次切割中产生的切割痕迹。可将电极丝与切割痕迹的接合表现为两段的交叉，即电极丝仅立刻接合切割痕迹的一小部分。由此，由于存在拉平效应使表面平滑化。在某些实施方式中，表面平滑处理尤其对突脊发挥作用，原因是这些脊部显著暴露在火花放电的作用下。

图3a和3b显示了在修整切割操作期间具有切割痕迹的工件。出于简化的目的，只显示出3个切割痕迹。电极丝由上下电极丝导向器WG_U和WG_L引导。电极丝从上到下接合该切割痕迹。在图3a中，电极丝与切割痕迹相遇，而在图3b中，已经越过了切割痕迹的大约一半。

图4a显示了主切割之后的工件表面，而工件的整个表面上都具有垂直延伸的切割痕迹。工件通过逐步降低的脉冲能量以及减小的工作间隙距离来连续受到多个修整切割，从而获得了所需的表面质量(图4a-4d)。

如上所述以及图6中所示，在某些实施方式中，该表面平滑处理方法意指在弯曲路径段中产生了称之为形状误差E_s的相对于预先确定轮廓的偏差，其由上下电极丝导向器之间的延迟所导致。当使电极丝在切割方向上倾斜时，由于在弯曲路径段中不能使上点P_U、下点P_L以及中间点全部与额定加工路径相对应，因此产生了形状误差E_s。该形状误差E_s与几何元素的曲率成比例，并且与偏移量s成比例，该偏移量s是例如上点P_U与下点P_L的偏移量。从加工程序中推导出用于各个几何元素的半径，而形状误差的最大容许值E_smax由使用者限定并且存储在WEDM装置的控制单元的存储器中。形状误差的最大容许值E_smax用于计算弯曲段中的偏移量s。

对于典型的WEDM应用，最大容许形状误差E_smax可以大约为1μm，但是当涉及到高形状精度时，最大容许形状误差E_smax应当适当低于1μm。控制单元提供了最大容许形状误差E_smax的缺省值并且可被设计成仅接受特定范围内，例如低于3μm的E_smax的输入值。当仅仅要提高表面状况时，这种较大的值才可以是能够接受的。作为替代，控制单元可以根据加工尺寸、轮廓的最小特征尺寸(即半径，圆角尺寸等)和/或其它质量目标值而自动产生形状误差的最大容许值E_smax。

在某些实施方式中，E_smax仅仅表示本平滑处理方法在弯曲段中所允许的形状误差的最大容许值。可以理解的是，所述值还可根据缺省的或者使用者限定的包括形状误差的所有成因的总体容许轮廓误差E_kmax得出，或者通过表示所需精度的其它参数得出。

控制单元还可提供用于最大倾斜角度γ_Smax的缺省值或者提示使用者输入所述值。由于倾斜角度γ和偏移量s相互关联，因此最大偏移量s_max可以根据最大倾斜角度γ_Smax的值或者根据工件的高度H_w计算出来。

s＝tan(γ)＊H_w

s_max＝tan(γ_Smax)＊H_w

在直线、即没有弧线的加工路径中，一旦使电极丝在切割方向上倾斜(γ＝常数，曲率K＝0，以及K＝1/R并且R＝∞)，那么该平滑处理方法就不会引起形状误差、即凹入或凸起的表面。

在直线加工段内最终必须减小偏移量s，以避免在当前几何元素到接连的几何元素的过渡段处存在不连续性。例如，由于存在锐角转角，将电极丝重新设定成在垂直位置中达到转角，由此在当前几何元素内起动的对于电极丝的修正。

在弯曲的加工路径(曲率K≠0)中，该平滑处理方法导致特定的形状误差E_s。由此，偏移量s必须根据容许形状误差E_smax以及根据当前几何元素的半径进行设定。此外，如在直线加工情况下所说明的那样，偏移量s最终根据连续几何元素的曲率而被减小，从而避免在从当前到接下来的几何元素的过渡段处存在不连续性。

在一般情况下，瞬时偏移量s作为最大倾斜角度值γ_Smax或者最大偏移量s_max、最大容许形状误差E_smax以及当前和连续的几何元素的曲率K而被计算出。

在某些实施方式中，控制单元提供了最小平滑半径R_smin的缺省值，从而在锐角转角和小半径的情况下将该表面平滑处理方法排除在外。控制单元提供了最大容许形状误差E_smax的缺省值，并且可设计成只接受特定范围内、例如低于5mm的R_smin的输入值。特有的最小平滑半径R_smin可以是1mm。该值可以根据加工尺寸、WEDM的性能、所使用的电极丝直径或者其它参数进行限定。

一旦已知偏移量s，就可以通过比例原则并且考虑到工件的高度H_W、上电极丝导向器WG_U与工件顶部之间的距离以及下电极丝导向器WG_L与工件底部之间的距离计算出上电极丝导向器WG_U与下电极丝导向器WG_L的运动。

接下来，将半径R当作是包括偏置值的几何元素的半径。几何元素的半径由加工程序限定。偏置值、也就是电极丝的轴线与工件所需的几何形状之间的距离(+或者-)在用于每个加工步骤(主切割和修整切割)的偏置表中所限定。

关于如何使电极丝相对于编程的加工路径发生倾斜，存在于多个实施方式中实现的多种方案。

根据平滑处理方法的第一种方案，点P_U和P_L处在加工路径上(图6、7a)。在这种情况下，偏移量s表示弯曲路径段中的弦。最大形状误差对应于P_U与P_L之间的中点P_m处的弯矢。在这种情况下，将设定为处于最大允许形状误差内的允许偏移量s计算如下：

(s/2)²＝R²-(R-E_s)²-＞       s＝2＊√(2＊R＊E_s-E_s ²)

根据第二种方案，上点P_U与下点P_L之间的中点P_m处在加工路径上(图7b)。在这种情况下，偏移量s是加工路径的切线并且最大形状误差在偏移量s的末端、即P_U和P_L处出现。在这种情况下，将设定为处于最大允许形状误差内的允许偏移量s计算如下：

(s/2)²＝(R+E_s)²-R²-＞       s＝2＊√(2＊R＊E_s+E_s ²)

根据第三种方案，末端P_U和P_L以及是中点P_m均不处于编程的加工路径上，而是改为电极丝相对于编程的加工路径的倾斜度使得末端处与中点处的形状误差相等(图7c)。照这样，以最佳方式与编程的加工路径相对应。此时，将设定为处于最大允许形状误差内的允许偏移量s计算如下：

(s/2)²＝(R+E_s)²-(R-E_s)²-＞  s＝2＊√(4＊R＊E_s)＝4＊√(R＊E_s)

根据第一和第二种方案计算出来的偏移量s几乎是相同的，原因是E_s ²＜＜2＊R＊E_s。根据第三种方案计算出来的偏移量s比根据第一和第二种方案约大√2倍。换句话说，由于误差被平均分配到额定加工路径的两侧上，因此同一偏移量s导致较小的形状误差。

上述或者其它关于如何使电极丝相对于编程的加工路径倾斜的方案中的一种可以由使用者进行选择或者由控制单元根据实际加工而自动地设定。在耦合的冲模部件的情况下，生产出冲头和模具以避免过盈。例如，为了安全起见，根据第一种方案制成所有的外部曲线并且根据第二种方案制成内部曲线。

如图5所示，将偏移量s分成两个相等的部分，其中P_U早于P_m1/2s并且P_L在P_m之后延迟1/2s，或者反之。由于上电极丝导向器WG_U与工件顶部之间的距离以及下电极丝导向器WG_L与工件底部之间的距离基本上是相等的，因此中点P_m处在工件高度H_w的一半处。

在接下来的描述中，主要参考使用上述第二个选择方案的实施方式，也就是偏移量s的中点P_m与编程的加工路径相对应(图5和图7b)。

如上所述，在某些实施方式中，考虑到具有大曲率的弧形段和转角，已经对电极丝进行修正。然而，表面平滑处理方法可与特定的转角策略相结合，其中，在阳角中，通过插入例如JP59-115125中所提出的圆弧运动或者通过在加工路径附近插入环形运动或者通过使电极丝移动远离加工路径，对加工路径进行选择性地修正。与如图8中所示的在加工路径上进行修正有所不同，电极丝离开了一个或多个环中的原始加工路径，如图9和11b-11d所示，使得一个或多个连续的几何元素可加工成具有在特定段内允许的最大倾斜角度γ。这样，可以产生具有最小形状误差的锐角转角并且同时保持电极丝倾斜度从而获得良好的表面平滑化。在加工路径的插入段中，形状精度是不相关的，因此电极丝可以予以随意倾斜及修正。

该方法还可被系统地用于几何元素中具有不同曲率的各个过渡点处。例如，可以在直线段与弯曲段之间增加圆弧运动，如图11a所示。所需要的倾斜角度γ被设定在该圆弧段内。这样，能够在各个几何元素的整个长度上施加恒定的最大偏移量s_Emax。

由于不能总是应用上述“技巧”，因此在某些实施方式中，电极丝的倾斜度被控制在在几何元素内。在某些实施方式中，特别由于上下电极丝导向器以不同的速度移动从而改变电极丝的倾斜度，这或许是该表面平滑处理方法需要考虑的方面。由此，在这种实施方式中，需要指示如何改变电极丝的倾斜度的至少一个参数。一种可能性是限定出γ＝0与γ_Smax之间的距离L，反之亦然，如图8所示。倾斜或者修正“速度”可以通过引入倾斜角度变化系数K_γ予以限定，该倾斜角度变化系数K_γ代表最大偏移量s_Kmax与距离L之间的比率。这样，距离L与将要设定的最大偏移量s_Kmax成比例。

K_γ＝s_Kmax/L    -＞L＝s_Kmax/K_γ

K_γ的值存储在控制单元的存储器中。K_γ的典型值为0.2，从而使得例如在最大偏移量s_Kmax＝100μm的情况下，在L＝500μm时完成电极丝倾斜或者修正。

接下来的实施方式示出了如何利用特定的加工几何形状计算偏移量s。图10的实施方式指的是由6个几何元素组成的模具的加工。WEDM操作包括主切割以及两个修整切割，而修整切割利用本表面平滑处理方法予以执行。

工件高度H_W为18mm并且最大倾斜角度γ_Smax为1°。最大容许形状误差E_smax为1μm并且最小平滑半径R_Smin为400μm。倾斜角度变化系数K_γ为0.2。

该实施方式中，为了获得所需的形状精度，至少必须满足下面的主要原则：

-偏移量s小于或者等于各个几何元素的最大偏移量s_Emax(图12b)；

-当前几何元素GE_n的端部的偏移量s小于或者等于接连的几何元素GE_(n+1)的最大偏移量s_Emax(图12c，情况F1，点划线)。为了符合这条原则，必须足够早地减小该偏移量s，始终考虑倾斜/修正“速度”。

为了完全利用平滑处理方法，在相邻的几何元素的过渡处可以采用接下来的附加原则：

-在当前几何元素GE_n的起点处：如果前一个几何元素GE_(n-1)的端部处的偏移量s小于当前几何元素GE_n的起点处的偏移量s，那么力求达到当前几何元素GE_(n)的最大偏移量s_Emax(图12c，情况I1)；

-在当前几何元素GE_n的起点处：如果前一个几何元素GE_(n-1)的端部处的偏移量s大于或者等于当前几何元素GE_n的起点处的偏移量s，那么并不影响当前几何元素GE_(n)的偏移量s(图12c，情况I2，虚线)；

-在当前几何元素GE_n的末端。如果接连几何元素GE_(n+1)的起点的偏移s大于当前几何元素GE_n的末端的偏移s，那么当前几何元素GE_(n)的偏移s不受影响(图12c，情况F2)。

参考图12a-12d，更加详细地示出该实施方式中偏移量s的计算。

首先，最大倾斜角度γ_Smax已经被设定为1°，由此限制了偏移量s，从而使得最大偏移量s_Kmax为314μm(图12a)。

插入语：除了上面所讨论的边界条件(原则)之外，应用于全部直线段以及半径≥过渡半径R_Smax、即最大偏移量s_Kmax所在处的半径的全部弧形段的最大偏移量s_Kmax导致了最大允许形状误差E_smax。

过渡半径R_Smax推导如下：

s＝2＊√(2＊R＊E_s+E_s ²)其中E_s＝E_smax并且s＝s_Kmax-＞R_Smax＝((1/2s_Kmax)²-E_smax ²)/(2＊E_smax)

由此，根据本示例，过渡半径R_Smax为12.324mm。对于全部半径R≥R_Smax，偏移量s＝s_Kmax导致了形状误差E_s≤1μm，而对于所有半径R＜R_Smax，限制偏移量s以产生形状误差E_s＝E_smax＝1μm。

其次，偏移量s由各个几何元素的曲率所限定(图12b)。用于各个几何元素GE的最大偏移量s_Emax计算如下：

s＝2＊√(2＊R＊E_s+E_s ²)其中R＝包括偏置值的GE的半径

s_Emax＝2＊√(2＊R_E＊E_s+E_s ²)

第三，必须观察最小平滑半径R_Smin。在图10的实施方式中，表面平滑处理方法应用于半径≥0.4mm的全部弧形段，由此，除了几何元素5以外，该方法应用于半径低于R_Smin的所有几何元素。由此，电极丝在加工路径的这个段中并不倾斜。

几何元素	1	2	3	4	5	6
							sEmax[μm]	155	sKmax	63	sKmax	280	sKmax

第四，将各个几何元素的端部处的偏移量s减小到下一个几何元素的起点所所允许的偏移量s(图12c，点划线)，以及第五，将各个几何元素的起点处的偏移量s增加到有前面的限定所设定的边界(图12c，虚线)。图12d显示了将要根据加工路径上的位置设定的偏移量s的全部边界。

存在其它实施方式以控制一系列几何元素中的电极丝的倾斜度或者偏移量s。例如，电极丝总是在从一个几何元素到另一个的过渡处进行修正，如图13a所示。作为替代，能够根据最小的最大偏移量s_Emax来选择偏移量s，从而使得电极丝在几个几何元素内保持在同一倾斜度，如图13c所示。该技术方案尤其适用于具有极少锐角转角以及极少半径低于R_Smin的弧形段的几何元素。这种技术方案的缺点在于电极丝倾斜角度不是最优的，但是与现有技术相比，加工结果得到了改进并且会导致更加均质的表面。作为比较，上面说明的平滑处理方法在对应的图13b中显示出来。

如先前所说明的那样，通过在弯曲段内保持电极丝在切割方向上倾斜，工件的垂直形状分别在外部曲线中变得凹入并在内部曲线中变得凸出。

众所周知，WEDM处理期间电极丝的位置受到引力及斥力的影响，从而发生电极丝的偏转(参见例如CH 591919，EP 0963272)。引力和斥力受到例如点火电压、放电电流、脉冲停顿、点火延迟时间、工作间隙距离等的加工参数的影响。

由此，在某些实施方式中，通过改变弯曲段中的一个或多个上述加工参数，能够补偿由该表面平滑处理方法所导致的误差中的至少一部分。特别地，能够根据预期的形状误差来改变几何元素内的加工参数。

如图14所示，上下电极丝导向器以不同速度移动特定距离从而使电极丝在切割方向上倾斜。由此，在工件上下表面处的加工速度是不同的。这意味着在电极丝移动较慢的位置上去除较多的工件材料，并且反之亦然。换句话说，关于高度的工作间隙距离与加工速度成比例，如图15所示。

除了材料的略微过度去除之外，电极丝在电极丝切割方向上倾斜角度的改变会在过渡点处导致出现脊部，该脊部遍布工件高度的一部分。在图16中，阴影区域示出了材料的过度去除、即过度切割。

在某些实施方式中，为了限制所述误差，将最大倾斜角度限制为对较小的值并且将倾斜距离L设定成足够长(各自地，倾斜角度变化系数K_γ应当较小)。

随着进一步测量，某些实施方式包括补偿算法，其中，改变电极丝路径以分别避免在改变电极丝倾斜角度的区域中的过度切割及切割不足。在这些区域内，例如通过与工件高度的一半处的加工距离L_m相对比，分别考虑上表面处的加工距离L_U以及下表面处的加工距离L_L，来消除过度切割和切割不足。实际上，这意味着使电极丝横向、即垂直于切割方向倾斜，从而补偿由电极丝在切割方向上的倾斜度的改变所引起的误差。通过EP 1769871获知一种类似方法以提高锥度加工的精度。

在某些实施方式中，控制单元提供了表面平滑处理方法所使用的设定参数的缺省值以计算偏移量s，并最终计算上下电极丝导向器的路径。缺省值包括例如最大容许形状误差E_smax、最大倾斜角度γ_Smax或者最大偏移量s_Kmax、最小平滑半径R_Smin、倾斜角度变化系数K_γ等。缺省值可以由使用者予以改变用于特定的应用。在某些实施方式中，考虑到当前加工的特定参数，例如几何形状的类型(例如，从结构的到平面的)、所需精度、工件的厚度等，缺省值有控制单元通过采用特定算法来自动予以确定。

在某些实施方式中，本发明还用于改进工件的整个加工表面的质量。然而，在某些实施方式中，表面平滑处理方法不需要在整个加工路径上起动，而是可应用于其有限的段，例如以便消除入口切割区域中的脊部、提高功能表面的质量等。

表面平滑处理方法实施方式已经参照所谓的圆柱形切割、即切割操作垂直于X/Y平面进行描述。熟练技术人员可以设想，本发明还可用于锥度切割操作或者其它适当的电火花线切割加工操作。

参考标记列表

电极丝切割方向上的倾斜角度           γ

最大倾斜角度                         γ_Smax

偏移量                               s

最大偏移量                           s_max

几何元素的最大偏移量                 s_Emax

具有最大倾斜角度的最大偏移量         s_Kmax

倾斜距离                             L

由偏移量s所导致的形状误差            E_s

最大形状误差                         E_smax

最大轮廓误差                         E_kmax

倾斜角度变化系数                     K_γ

工件高度                             H_W

弯曲的几何元素的半径                 R

最小平滑半径                         R_Smin

过渡半径                             R_Smax

弯曲的几何元素的曲率                 K

上电极丝导向器                WG_U

下电极丝导向器                WG_L

工件上表面上的点              P_U

工件下表面上的点              P_L

P_U与P_L之间的中点              P_m

工件                          1

切割机件                      2

线电极                        4

下臂                          6

上臂                          7

X-Y十字工作台                 8

U-V十字工作台                 9

工件夹具                      10

上电极丝导向器                11

下电极丝导向器                12

上光电探测器                  14

下光电探测器                  15

Claims (13)

1.一种用于控制电火花线切割加工的方法，包括以下步骤：

-确定出将要在工件中切割的预先确定轮廓的至少一个预先确定的轮廓偏差(E_smax)；

-确定至少一个几何元素的曲率，所述几何元素限定出将要在工件中切割的轮廓的至少一段；

-根据预先确定的轮廓偏差(E_smax)并根据预先确定的所述至少一个几何元素的曲率计算出上电极丝导向器(WG_U)和下电极丝导向器(WG_L)的偏移量(s)；

-通过使所述上电极丝导向器(WG_U)相对于所述下电极丝导向器(WG_L)移动来设定所述偏移量(s)，从而使得在工件中切割出所述几何元素时，使得由所述上电极丝导向器(WG_U)与所述下电极丝导向器(WG_L)引导的线电极在所述工件的当前切割方向上倾斜。

2.如权利要求1所述的方法，还包括将计算出来的所述偏移量(s)与预先确定的最大偏移量(s_max)相比较，并且在计算出来的所述偏移量(s)大于所述最大偏移量(s_max)的情况下，将所述偏移量(s)设定为最大偏移量(s_max)的步骤。

3.如权利要求1或2所述的方法，还包括根据预先确定的所述轮廓偏差(E_smax)以及当前几何元素的曲率计算当前几何元素的最大偏移量(s_Emax)的步骤。

4.如权利要求3所述的方法，其中，将所述偏移量(s)计算出来用于当前几何元素的末端段，并且所述偏移量(s)不超过用于下一个几何元素的最大偏移量(s_Emax)。

5.如权利要求4所述的方法，其中，在用于当前几何元素的最大偏移量(s_Emax)超过用于下一个几何元素的最大偏移量(s_Emax)的情况下，在所述当前几何元素的末端段内，将偏移量(s)连续减小到用于下一个几何元素的所述最大偏移(s_Emax)。

6.如权利要求3所述的方法，其中，在每个几何元素的端部处，将所述偏移量(s)减小到零。

7.如权利要求3所述的方法，其中，对于至少两个相邻的几何元素，将所述偏移量(s)设定为所述至少两个相邻几何元素的最小的最大偏移量(s_Emax)。

8.如权利要求3所述的方法，其中，将用于当前几何元素的起点处的偏移量(s)连续增加到用于当前几何元素的最大偏移量(s_Emax)。

9.如权利要求1所述的方法，其中，在下一个几何元素的曲率半径等于或者小于预先确定的最小曲率半径(R_Smin)的情况下，或者在当前几何元素到下一个几何元素的过渡段包括转角元素的情况下，将所述偏移量(s)连续减小到零。

10.如权利要求1所述的方法，还包括在当前几何元素到下一个几何元素的过渡段中插入至少一个环形运动，并在环形运动期间调整用于下一个几何元素的偏移量(s)的步骤。

11.如权利要求1所述的方法，其中，在所述工件中切割所述轮廓的线电极在所述工件的上表面上形成上轮廓点(P_U)并在所述工件的下表面上形成下轮廓点(P_L)，并且其中，所述偏移量(s)的每次变化都通过使所述上轮廓点(P_U)和/或所述下轮廓点(P_L)减速以及停止中的至少一种进行调整。

12.如权利要求1所述的方法，其中，将所述线电极的倾斜方向翻转以用于所述工件的连续切割。

13.一种电火花线切割加工装置，包括：

-控制器，其用于控制在工件(1)中切割包括至少一个几何元素的轮廓；

-线电极(4)以及

-用于引导所述线电极(4)的上电极丝导向器(11)以及下电极丝导向器(12)，所述上电极丝导向器(11)和所述下电极丝导向器(12)由所述控制器控制，其中，所述控制器用于执行如权利要求1-12中的任一项所述的方法。

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