CN103182575A - 线切割方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于借助于行进线来进行切割的方法，其特征在于，线和/或工件的线行进方向在切割方向上相对于彼此交替地倾斜到至少两个不同的具体角位置，结果造成在工件(2)上的(多个)有效切割高度变得小于整个工件高度。

Description

线切割方法
技术领域
本发明涉及一种借助于行进线来进行切割的方法。
背景技术
线放电加工机器用于制造冲裁模、冲头、电极和挤压模，但也可用于制造小至中系列且常常呈原型构造。
在最佳条件下，现代线放电电机(WEDM)在冷作钢中实现500mm2/min的切割速率。切割速率特别地取决于工件高度。在此方面参考在2003年10月发布的公司Agie SA公告"Experience" No. 23, Id. 027.158。将从本公告的最后一页(封底)收集得到相对于工件高度的切割速率的定性图示。这种略微简化的曲线图始于20mm的工件高度，但表示切割速率随着较低的工件高度而急剧下降。切割速率的图示表现出在约50mm工件高度处的最大值。在约30mm至100mm的中等工件高度范围，切割速率非常接近最大值。随着更大的工件高度，切割速率再次降低。
在WEDM中，电介质被以高压喷洒到切割间隙内，以用于排放被移除的粒子，具体地，选择性地，经由下线引导头，上线引导头或二者。切割间隙的宽度对应于线直径加上两倍火花间隙加上线振荡，也就是说约0.05至0.5mm。冲洗液体被直接地发送到切割间隙内，但在较大工件高度的情况下可检测到压力损失。工件越高，冲洗条件就变得越困难。
在非常小工件高度的情况下，条件完全相反。间隙冲洗是很高效的。火花间隙的污染相对地比较低，但对于稳定的过程而言，这略微会成为障碍。
上文所提到的特征在低导电材料的情况下特别重要。可在较小至中等工件高度的情况下实现相对较好的切割速率，但当工件高度相对较大时，仅很缓慢地前移。
发明内容
本发明计划纠正这个缺点。根据本发明，实现这个目的，其中，线电极在切割方向上倾斜，从而使得工件高度被分成至少两个子部段。
本发明涉及一种借助于一个或多个行进线来进行切割的方法和装置，特别地为电火花腐蚀、电化学或研磨性切割或混合过程，其中一个或多个线在切割方向上在至少两个不同的具体角位置交替地倾斜，结果导致工件上的有效切割高度变得小于整个工件高度。
现有技术已经披露了某些方法，其中线在切割方向上倾斜。EP2213400描述了一种用于电火花腐蚀切割(WEDM)的方法，其中，线电极根据相应轮廓曲率而在切割方向上倾斜，以便抵消脊的形成、且生成更精细的表面。线电极在此情况下缓慢且逐渐地倾斜，直到到达可允许的斜位置，且然后再次缓慢地拉直以便避免不连续性。因此，此公告的目的是为了改进加工的结果。JP6-143037描述了一种用于火花腐蚀切割(WEDM)的方法，其中线电极在首先切割的切割方向上倾斜，以便尽可能快地形成切割间隙，且随后抑制线电极振荡。线电极在切割间隙中缓慢地和逐渐地拉直以便防止不连续性。因此，此公告的目的是为了稳定在第一切割阶段中的过程。
相比而言，本发明的目的是为了实现更高的切割速率和因此加工设备更高的生产率。
附图说明
现借助于附图来更详细地展示本发明，在附图中：
图1以线放电加工机为例示出了作为工件高度函数的切割速率的曲线图。
图2示出了在线放电加工机中轴线的常规名称。
图3a、图3b示出了在具有相反线行进方向的切割机的情况下在根据本发明的切割方法中的线的角位置设置的图示。
图4a至图4c示出了在根据本发明的切割方法中用于设置线的角位置的可能顺序的图示。
图5a至图5c示出了在设置根据图4a至图4c的相应线倾斜顺序期间作为时间的函数的角位置的图示。
图6a至图6d示出了在设置根据图4a至图4c的线的角位置期间工件的切割平面的图示。
图7a至图7c分别示出了在具有相反的线行进方向的机器中作为时间的函数的角位置(7d)和线行进方向(7b)和脉冲发生器的接通的图形表示。
图8示出了在用于改进表面品质的已知方法中的工件的切割平面的图示。
具体实施方式
如上文所提到的那样，本发明涉及一种用于借助于至少一个行进线1进行切割的方法，至少一个行进线1在切割方向r上在至少两个不同的具体角位置交替地倾斜。因此，有效切割高度s小于整个工件高度h、或者小于在线的单个具体角位置进行切割期间所获得的切割高度(也就是说，无需在切割方向上周期性设置第二角位置)。
例如在第一具体角位置与第二具体角位置之间周期性地做出转换，在每种情况下线1在切割方向上倾斜。在线1的两个具体角位置的加工优选地被设置为持续相同时间。因而，行进线1并不在整个工件高度上接合，而是替代地，平均仅在一半工件高度上接合。非常便于排出被移除的粒子且改进了切割速率，特别是在高工件的情况下。所述切割方法为火花腐蚀、电化学或研磨切割方法或混合切割方法。
图1中的曲线图以定性图示示出了作为根据当前现有技术的线放电加工机中工件高度函数的切割速率，例如，可从在介绍中所提到的该公司公告“Experience”中收集得到。
切割速率在约60mm的高度处达到最大值，在150mm已经低于最大值约20%，且然后非常急剧地降低。如果具有很高电阻的工件具有更高的高度，则几乎不可能加工这样的工件。因此，本发明提供一种用于增加对高工件的切割速率的解决方案，但也提供一种用于切割具有高电阻的材料的方法。
如所陈述的那样，行进线1在切割方向r上在至少两个不同的具体角位置交替地倾斜，参看图3a和图3b。这优选地由于上线引导件4相对于下线引导件3的相对移位而发生。线放电加工机常规地具有例如X/Y轴线，U/V轴线和Z轴线，其使得能允许相对于下线引导件3而调整上线引导件4。例如，在第一持续时间，上线引导件4在切割方向上相对于下线引导件3而向前偏移，结果导致线1设置于第一具体角位置；在第二持续时间，上线引导件4相对于下线引导件3后退，结果导致该线1设置于第二具体角位置。每个具体角位置被设置了具体持续时间，从而使得可在相应角位置加工所述工件2。根据需要来重复这个工序，在每种情况下交替地设置两个不同的角位置。若适当，在设置工具相对于工件2的相对位置的过程中也涉及X轴线和/或Y轴线。
为了执行该方法，在线与工件之间的相对角位置必须是可变的。在另一实施例中，在工件上发生至少两个不同角位置的设置，工件绕一轴线枢转，该轴线垂直于由线行进方向和切割方向所限定的平面。工件例如有张力地安装于市售的旋转轴线上，且使之交替地到相对于至少一根线的至少两个不同的具体角方位。
此处关于旋转轴线所述的实施例优选地适合于使得工件在单个旋转方向上枢转。这可证明在所用加工设备方面是有利的，特别是当多个线同时接合时，当同一根线的多个线部分并行地导向至工件且工件在多个位置被同时加工时，和/或当加工包括单个切割方向时。
特别是在专用机械设备中，用于枢转该工件的装置优选地与特殊加工任务相协调。在那样的程度，用于枢转工件的装置也可被具体地设计为例如用于小枢转角的两侧支承式的枢转吊架（gondola）。
用于在工件上设置不同角位置的另一实施例或可能性为可枢转的工作台，例如，根据Patric Pham, Thesis EPFL 4314，第130页的“Design of hybrid-kinematic mechanism  for  machine  tool”的具有并联运动机构的工作台(http://dx.doi.org/10.5075/epfl-thesis-4314)。
优选地，相对较小的角位置设置为例如+/-2°，从而使得切割条件在其它方面类似于被称作圆柱形切割(也就是说线竖直地行进通过)的那些情况。因此为了设置不同的角位置，仅必须执行略微的轴向移位(X/Y/U/V)。
转换角位置的过程优选地短暂地中断，例如，通过使发电机断开，或者至少短暂减小过程参数。但是，这种中断或减小局限于几百毫秒。
除了在介绍中所提到的线放电加工机(WEDM)之外，还已知被称作快线(Fastwire)机的机器(快线机也被称作FW机或HS-WEDM；也参看http: //blueline.gfac.com/index.php?id=14942&L=0)。不同于上文所提到的WEDM机，在FW机中的线行进方向是相反的，也就是说，线电极交替地在一个方向且然后在相反方向上运行。重复地使用同一线电极。线电极，通常为钼线，以高速行进且通过夹带，确保了在切割间隙中交换冲洗液体。在电化学/电热混合过程中发生了材料移除。FW机特别地在亚洲广泛地使用，因为采购和维护成本非常低。在传统工业国家中，FW机到目前为止几乎不再销售，主要是因为自动化程度非常低，且因为它们在性能方面不能与成本显著更高的WEDM机的性能相竞争。
下文的描述基本上涉及WEDM和FW，但这不应理解为是限制性的。
本发明可特别有利地结合FW机而使用。由于为使线行进方向反向的过程停顿在FW机中在任何情况下是周期性需要的，优选地同时改变了在切割方向上所述线相对于工件的相对角位置。FW机通常具有约600m的线材。线行进速度达到约10 m/s，从而使得在约60s之后线行进方向反向。对于100mm的工件高度和100 mm2/min的典型切割速率，因此切割速度达到约1mm/min。因而，在每个线行进方向上一次切割100mm高工件的约1mm。
FW线行进方向和在切割方向上所述线的角位置优选地彼此协调，从而使得线当其进入切割间隙时立即撞击到待加工的工件子高度上。因此，例如，若如在图3a中所示，仅上线引导件4在切割方向上相对于下线引导件3向前偏移，线行进方向l将会被设置为使得线1从上方运行到工件2。如果，相比而言，如图3b所示，仅下线引导件3在切割方向上相对于上线引导件4向前偏移，则线行进方向l将被设置为使得线1从下方运行到工件2。清洁冲洗液体因而较早地到达切割间隙中的工作位置。也可在具有相反线行进方向的其它线切割方法中采用这个措施，例如，具有疏松磨粒(浆)的研磨切割方法。
此处，针对结合FW采用根据本发明的方法的先决条件此处也为：线可以在至少两个不同角位置交替地倾斜。上文所述的枢转装置可同样用于设置线和/或工件的至少两个不同的角位置。在无U/V轴线的切割机中，用于以固定量调整线引导件的装置呈最简单的形式就足够了。因此能简单地设置至少两个不同的具体角位置，具体而言，(在一方面)竖直线行进方向(第一角位置)和(在另一方面)由于线引导件偏移而出现的第二角位置。
本发明优选地用于直轮廓部分，因为已知在弯曲轮廓位置(半径和拐角)在切割方向上使得线倾斜导致了轮廓误差。轮廓误差取决于瞬时轮廓曲率，线的倾斜角和工件高度。采用了与在介绍中所提到的现有技术(EP2223400)中广泛解释的相同的关系和边界条件。如果接受了具体轮廓误差，则根据本发明的该方法因此也可用于略微弯曲轮廓的区域中。
为了转换具体角位置，优选地引入了过程停顿。 在此过程停顿期间并不发生材料移除。在具体角位置之间的转换因此应当快速地发生。从一个角位置到另一角位置的周期性转换优选地以最大定位速度发生；但是，线应当到达相应目标位置、而不会超调。因此，在为了转换所述线相对于工件的相对角位置而停顿之后，线优选地并不直接地运动到目标位置以重新开始加工，而是替代地到达位于例如目标位置之前5至500μm，通常50μm的靠近位置。在为了使所述线相对于工件的相对角位置反向而停顿之前，存储了结束位置，也就是说工件和/或线的位置，为了随后在相同的相对角位置进行加工。用于重新开始加工的目标位置对应于在相同角位置中的前一切割时期结束时线的结束位置。在为了转换线相对于工件的相对角位置而停顿之后用于重新开始加工的工件的和/或线的新目标位置是由在相同相对角位置中的前一加工阶段期间工件的和/或线的存储的结束位置来决定。线优选地以减小的速度从靠近位置移动到目标位置，在线腐蚀加工的情况下，优选地以最大过程受控速度进行。
根据本发明，线优选地在切割方向上在两个不同的角位置倾斜；但是，根据本发明的方法也可实施为具有三个或更多的不同具体角位置。由此可相对应地划分多个不同角位置的平均有效切割高度。
线或工件优选地在切割方向上交替地向两个不同的具体角位置倾斜，相对于工件或者相对于竖直线行进方向的两个角位置的倾斜角量是相同的、但倾斜方向是相反的。例如，线或工件一次在切割方向向前倾斜、且一次在切割方向向后倾斜，例如以相同的量。
图4a至图4c示出了可能线倾斜顺序的非决定性选择。切割方法优选地始于和/或结束于竖直线行进方向，至少两个不同的具体角位置在开始与结束之间交替地设置。当在直轮廓部分开始和结束时线被拉直，生成拐角和半径，而不会有任何轮廓误差。
图4a示出了线倾斜顺序，其中线首先处于竖直初始位置A0，在切割方向上的第一角位置A1和在切割方向上的第二角位置A2然后交替地设置；角位置A1与A2交替地设置，直到加工或该轮廓部分结束。最后，再次设置了竖直线行进方向A0。切割方法优选地始于至少两个具体角位置之一，也就是说，初始位置对应于至少两个具体角位置之一。
图4b示出了具有两个具体角位置的线倾斜顺序，其中该线首先处于竖直位置，此处，竖直线行进方向A0为待设置的两个角位置之一；在切割方向上的第一具体角位置A0和在切割方向上的第二具体角位置A1交替地设置。
图4c示出了另一线倾斜顺序，其中在切割方向上的三个不同的具体角位置交替地设置。
图5a至图5c示出了在根据图4a至图4c设置线倾斜顺序期间，随着时间，相对于竖直线行进方向的角位置的分布、以及所述线的相对于竖直线行进方向的倾斜角α0。如已经关于图4a所提到的那样，图5a涉及在加工所述轮廓部分期间交替地设置两个不同具体角位置A1和A2的线倾斜顺序。每个具体角位置被设置为具体分配的持续时间(t1，t2)且在相应具体角位置对工件进行加工。
角位置A1被设置为以倾斜角α1(此处为负的)持续时间t1。在t1与t2之间的加工停顿期间，使该线从倾斜角α1到倾斜角α2。维持第二角位置A2一段持续时间t2。随后通过再次设置角位置A1等来重复该过程。
所设置的具体角位置的持续时间取决于多种因素。在FW机中，线料的长度是有限的且线行进速度相对较高。在具有相反的线行进方向的FW机中，所设置的具体角位置的持续时间优选地对应于在线行进方向的两次反向之间的持续时间。在具有很大线料(例如数千米)的机器中，具体角位置被设置的持续时间分别优选地为预定的，或者在切割速率的基础上来确定或计算。
针对每个角位置的每个持续时间 (t1, t2, t3,…… )优选地被优化以得到最佳的切割性能。在此情况下，优选地，至少考虑到：为了转换角位置的过程停顿和在此具体角位置的相应切割性能。
每个持续时间(t1, t2, t3,……)优选地具有相等的长度，从而使得加工分数和平均有效切割高度在每个角位置基本上相等。 
但是，在至少两个不同具体角位置的加工分数未必要相同。例如，线可在切割方向上倾斜到第一具体角位置持续3/5的时间，且可倾斜到切割方向上的第二角位置持续2/5的时间。这可为有利的，特别地，在两个不同具体角位置的切割性能不同的情况下，例如当在工件高度上存在着不均匀的切割条件时。
图6a至图6c示出了在每种情况下在根据图4a至图4c来设置线的角位置期间工件的切割平面的图示。可识别的图案示出了其上已经设置了具体角位置的区域。在图6a和图6b中可看出两个不同的角位置和过渡区域。图6c示出了三个不同的角位置和两个过渡区域。在图6a至图6c中也可看到工件上的接合高度(也就是说在相应角位置在工件上的有效切割高度)随着持续时间(t1，t2，t3……)变化。
图6d示出了从图6a的窗口的放大图。有效切割高度在子时段开始时是最小(h1a，h2a)，且恒定地增加直到该子时段的结束(h1b，h2b)。在两个不同具体角位置的交替设置期间，工件上的平均有效切割高度等于h1b和h2b之和的一半。在工件上的最小接合高度与最大接合高度之间的差异δh是由具体角位置所设置的持续时间、由角位置的量和方向、以及由切割速率来给出。δh应优选地是不太高的，从而使得：在设置了具体角位置的持续时间期间并不发生加工条件的急剧改变。因此可得到合适角位置，且因此基于预期的切割速率和可允许的差异δh进行设置。
图7b示出了在具有相反线行进方向的机器(例如，FW机)中所述线随着时间的行进速度的曲线。线行进速度在开始时为零；线行进速度v1然后被设置且维持了第一持续时间；线行进方向随后转换且线行进速度v2被设置为第二持续时间。交替地设置两个线行进方向。图7c示出了脉冲发生器随着时间接通且在过程停顿期间断开。
图7a示出了角位置或倾斜角随着时间的图形表示；图7a对应于上文所述的图5a。角位置的变化优选地与线行进方向的转换同时进行，因为加工在任何情况下在转换期间被中断。
控制程序可优选地自动确定根据本发明的线切割方法是否能有利地被采用。为此目的，比较了当用于根据本发明的切割方法时预期的切割速率与用于传统切割方法的切割速率。例如作为材料和/或工件高度的函数来在机器控制装置的存储器中存储了预期的切割速率，例如呈表格的形式。除了切割速率之外，也可存储其它比较标准，例如目标值，例如表面品质，轮廓准确度，等等。
根据本发明的线切割方法优选地与一种多线系统相组合，例如与下面这样的多线系统相组合：线以多种方式被偏转和引导从而使得相同线的两个或更多的线部分被并行地导向至工件，且在多个位置处同时加工工件；或者在另一示例中，与下面这样一种多线系统相组合：多个独立的线被并行地导向至工件，并且在多个位置处同时地加工工件。
本发明优选地适合于被称作全切割(也被称作主切割)的操作。该方法特别适合于利用具体切割方向来简单地切断。
本发明可特别有利地用于较大工件高度的情况；在WEDM中，也预期了特别地从约150mm开始的切割速率的适用增加。在具有较差导电性的特殊材料的情况下(半导体、石英、陶瓷等)，甚至能当工件高度较低时增加切割速率。

Claims (16)

1.一种借助于行进线(1)来切割工件(2)的方法，其特征在于，所述线(1)和/或所述工件(2)在切割方向(r)上交替地相对于彼此倾斜到至少两个不同的具体角位置，结果导致在所述工件(2)上的(多个)有效切割高度变得小于所述整个工件高度(h)，为了转换具体角位置引入了过程停顿，在过程停顿期间并不发生材料移除。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述切割方向(r)上的每个具体角位置设置为具体分配的持续时间(t1, t2, t3)，且其中在所述相应角位置加工所述工件(2)。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，为了得到最佳切割性能，优化在所述切割方向(r)上的针对每个具体角位置的所述持续时间。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，为了设置在所述切割方向(r)上至少两个不同的具体角方位，下线引导件(3)和/或上线引导件(4)相对于彼此在切割方向上发生移位。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，为了设置在所述切割方向(r)上的至少两个不同的具体角位置，所述工件(2)绕一轴线枢转，所述轴线垂直于由所述线行进方向和切割方向所限定的平面。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述切割方向(r)中的至少两个具体角位置之一为竖直线行进方向。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述线(1)和/或所述工件(2)在所述切割方向(r)上交替地倾斜为相对于彼此的不同的两个具体角位置，所述两个具体角位置的倾斜角的量相同、且倾斜方向相反。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述线的所述线行进方向(1)交替地相反，且在所述线行进方向(1)的反向期间所述线相对于所述工件的相对角位置发生变化。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述线行进方向(1)和在所述切割方向(r)上的所述线的相对角位置彼此协调，从而使得所述线当其进入切割间隙时立即撞击到待加工的所述工件切割区域上。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在为了使所述线(1)相对于所述工件(2)的相对角位置反向而停顿之前，存储所述工件(2)的和/或所述线(1)的结束位置，以便在相同的相对角位置进行随后的加工。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，在为了转换所述线(1)相对于所述工件(2)的相对角位置而停顿之后用于重新恢复加工的所述工件(2)的和/或所述线(1)的目标位置是由在以相同相对角位置的前一加工阶段期间所述工件的和/或所述线(1)的存储的结束位置来决定。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，确定靠近位置，所述靠近位置相对于用于重新开始加工的目标位置而言在所述切割方向(r)上后退具体量，具体是5至500μm。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述线(1)相对于所述工件(2)的相对角位置的反向以最大定位速度发生直到所述靠近位置，且以过程受控速度而获得用于重新开始加工的位置。
14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述线(1)以多种方式重定向和引导，从而使得两个或更多个线部分彼此平行地导向至所述工件(2)，且在多个位置处同时加工所述工件(2)。
15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，多个线彼此平行地导向至所述工件(2)，且在多个位置处同时地加工所述工件(2)。
16.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过电火花腐蚀、电化学和/或研磨来进行材料移除。
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