TWI433744B - 線切割放電加工裝置 - Google Patents

Description

線切割放電加工裝置

本發明是有關於一種在形成於線切割(wire)電極與工件(work)間的間隙(「加工間隙」)中產生放電，而對工件進行加工的線切割放電加工裝置。特別是，本發明是有關於一種對賦予沿著線切割搬送路徑行駛的線切割電極的張力進行控制的線切割放電加工裝置。

一般而言，在加工中，線切割電極與工件相對地在XY平面內移動，且線切割電極於一對線切割導軌(wire guide)間、沿著與XY平面大致垂直的方向搬送。行駛的垂直的線切割電極為放電加工用工具。將加工液、例如電阻率較高的水向加工間隙供給。為了使一次的放電產生特定持續時間(「接通(ON)時間」)，而對加工間隙施加電壓脈衝(voltage pulse)。藉由產生放電而於加工間隙中流通電流，且自工件中去除微量的材料。加工液沖洗加工屑、並將線切割電極冷卻。

接通時間結束、且經過特定的斷開(OFF)時間後，為了產生下一次的放電，而再次對加工間隙施加電壓脈衝。如此，將一連串的電流脈衝(current pulse)供給至加工間隙。接通時間及斷開時間非常短，藉由一次的放電而僅使微量的材料自工件中去除。如鋼絲鋸般對工件進行加工的線切割放電加工裝置適合於精密加工。

典型的線切割電極具有0.1～0.3 mm的直徑。線切割電極通常自捲線筒(wire bobbin)經由多個滑輪(pulley)及一對線切割導軌而向抽取裝置搬送。一對線切割導軌對於工件上下配置。抽取裝置進行將線切割電極的行駛速度維持在設定值的控制。張力賦予裝置設置於線切割搬送路徑中。線切割放電加工裝置控制張力賦予裝置，將賦予線切割電極的張力維持在設定值。線切割電極的張力例如是：根據線切割電極的直徑及材質而設定。若是將張力設定為較大值，則於一對線切割導軌間確保了良好的線切割電極平直度(straightness)。良好的平直度有助於高加工精度。但是，過大的張力可能引起不期望的線切割電極的斷裂(「斷線」)。過大的放電加工用能量亦容易引起斷線。

日本公開專利公報2003-266247號及日本專利平10-309631號揭示有：將線切割電極的張力確實維持在設定值的線切割放電加工裝置。

多數情況下，為維持高加工精度，而將線切割放電加工中的張力設定為十分大的值。放電加工用的能量決定了材料去除速度，換言之，決定了加工效率。但是，為了防止斷線，而使放電加工用的能量受到抑制。放電加工用的能量主要是藉由關於電流脈衝的加工條件、例如電流波峰(peak)Ip、接通時間及斷開時間而確定。使具有較大波峰電流的電流脈衝以高頻率產生，被認為有助於高速加工。

本發明的目的在於：提供一種防止斷線且提高材料去除速度的線切割放電加工裝置。而且，本發明的另一目的在於：提供一種不損害加工精度便提高材料去除速度的線切割放電加工裝置。為達成上述目的，本發明的線切割放電加工裝置包括：張力控制裝置，該張力控制裝置是根據直至線切割電極斷裂為止的斷線張力，而控制線切割電極的設定張力。

本發明是有關於一種線切割放電加工裝置，包括：張力控制裝置(60)，將行駛的線切割電極(1)的張力維持在設定張力(WT)，且線切割放電加工裝置在形成於線切割電極與工件(6)之間的加工間隙(3)中重複供給電流脈衝，而對工件進行加工。張力控制裝置包括：容許張力運算模組(module)(86)，求出容許張力(WTa)，所述容許張力(WTa)小於直至線切割電極斷裂為止的斷線張力(WTb)；以及，設定張力產生模組(88)，根據容許張力而產生設定張力。

設定張力產生模組(88)於設定張力(WT)小於容許張力(WTa)時，以不超過容許張力的方式增加設定張力即可。由於使張力增加至未達到斷線的程度，所以可獲得線切割電極較高的平直度。

設定張力產生模組(88)於設定張力(WT)大於容許張力(WTa)時，以不低於特定下限值的方式而減少設定張力即可。特定下限值例如根據加工精度來決定即可。由於將張力減少到使加工精度不下降的程度，所以不損害加工精度便可防止斷線。

張力控制裝置(60)可更包括：斷線風險判斷模組(84)，判斷斷線風險(risk)；以及，餘量產生模組(85)，根據斷線風險而產生餘量(margin)(M)。容許張力運算模組(86)藉由自斷線張力(WTb)減去餘量、而求出容許張力(WTa)。斷線風險是：例如根據供給至加工間隙(3)的加工液的壓力(wp)來判斷。若液壓(wp)因故障或工件(6)的形狀而急遽下降、斷線風險增大的情況下，張力控制裝置亦可使斷線風險迅速下降。

[發明之效果]

本發明的線切割放電加工裝置根據直至線切割電極斷裂為止的斷線張力來求出容許張力，且將設定張力向容許張力變更，因此有效避免斷線。而且，就斷線的觀點而言，無需過度限制放電加工用能量，因此材料去除速度提高。

請參照圖1，說明本發明的線切割放電加工裝置。線切割電極1自繞線盤(wire reel)2經由線切割搬送路徑，而向抽取裝置5搬送。張力賦予裝置40、張力檢測器13、一對噴嘴(nozzle)7、8以及多個滑輪設置於線切割搬送路徑中。張力賦予裝置40對線切割電極1賦予用於維持線切割電極1的平直度的張力。張力賦予裝置40包含：賦予線切割電極1摩擦的制動滑輪(brake pulley)42、及與制動滑輪42連結的伺服馬達(servo motor)44。張力檢測器13例如包含應變計(strain gauge)，且設置於制動滑輪42與上側噴嘴7之間。

對工件6噴射加工液的噴嘴7、8夾持工件6而上下設置。於線切割電極1與工件6之間形成有加工間隙3。在高速加工時，噴嘴7、8以噴嘴7、8與工件6之間的距離d變得非常小的方式而配置。噴嘴7、8各自收容有線切割導軌(未圖示)、以高精度支持線切割電極1。液壓檢測器11檢測朝向加工間隙3所噴射的加工液的壓力，且液壓檢測器11設置於噴嘴7、8的每一者中。抽取裝置5包含：一對滑輪、以及與一對滑輪的一方連結的馬達(motor)。抽取裝置5中的馬達的旋轉速度是根據線切割電極1的行駛速度的設定值WS來決定。

線切割放電加工裝置包含：電源裝置56、加工液供給裝置57、張力控制裝置60及NC(Numerical Control，數控)裝置20。電源裝置56是為了將一連串的電流脈衝向加工間隙3供給而設置。加工液供給裝置57是為了將加工液向噴嘴7、8供給而設置。張力控制裝置60控制張力賦予裝置40中的伺服馬達44。線切割放電加工裝置更包含：電流檢測器9及放電次數檢測器10。電流檢測器9對流通於加工間隙3的電流(「間隙電流」)進行檢測，且以每特定時間間隔、例如每1毫秒來求出間隙電流的平均值。放電次數檢測器10以每特定時間間隔、例如每1毫秒來檢測加工間隙3中所產生的放電的次數。

NC裝置20包含：鍵盤(keyboard)、滑鼠(mouse)、觸控面板(touch panel)等輸入裝置、處理裝置及記憶體。NC程式及設定加工條件記憶於記憶體中。NC裝置20解讀NC程式，且控制使線切割電極1相對於工件6移動的多個馬達。NC裝置20根據設定加工條件，對電源裝置56及加工液供給裝置57供給控制信號。加工條件例如為：電流脈衝的峰值Ip、液壓WP、線切割電極的張力WT及行駛速度WS。而且，加工條件包含：線切割電極1的直徑、工件6的材質及板厚。NC裝置20將線切割電極的張力WT及行駛速度WS對張力控制裝置60供給。

如圖2中所示，張力控制裝置60包含：記憶體70及處理裝置80。記憶體70記憶有求出斷線張力WTb的數學式、液壓的閾值Href、Lref、餘量(margin)M、下限值WTm、增加量Δu及減少量Δd。斷線張力WTb為直至線切割電極1斷裂為止的張力，且藉由數學式1而求出。

[數學式1]

WTb=A1×Amean/(n×s)+B1

Amean：平均間隙電流

n：放電次數

s：已使用的線切割電極的剖面積

A1：斜度(比例常數)

B1：截距

數學式1的變數為平均間隙電流Amean、放電次數n及剖面積s。平均間隙電流Amean為間隙電流的平均值。放電次數為特定時間內、在加工間隙3中所產生的放電的次數，換言之為電流脈衝數。剖面積s為加工中通過加工間隙3的線切割電極1的剖面積。換言之，剖面積s為放電加工中所使用的線切割電極的剖面積。於數學式1中，平均間隙電流Amean藉由放電次數n及剖面積s進行除法運算而得出。求出斷線張力WTb的數學式1是根據工件6的板厚而不同。

發明者藉由實驗表明，如圖3中所示，斷線張力WTb對應於值Amean/(n×s)的增加而減少。已使用的線切割電極的剖面積s藉由(未使用線切割電極的剖面積)-(因放電加工所產生的消耗Δs)而求出。因放電加工所產生的消耗Δs藉由數學式2而求出。

[數學式2]

Δs=A2×Amean/WS-B2

Amean：平均間隙電流

WS：線切割行駛速度

A2：斜度(比例常數)

B2：截距

數學式2的變數為平均間隙電流Amean及線切割行駛速度WS。線切割行駛速度WS為線切割電極1沿著線切割搬送路徑行駛的速度，藉由公尺/分(m/min)來表示。發明者藉由實驗表明，如圖4中所示，因放電加工所產生的消耗Δs對應於值Amean/WS的增加而增加。求出因放電加工所產生的消耗Δs的數學式2是根據線切割電極1的直徑及工件6的材質及板厚而不同。

第1閾值Href比第2閾值Lref大。第1閾值Href為設定液壓WP的90%，第2閾值Lref為設定液壓WP的50%。閾值Href、Lref是為了將斷線風險分類為「低」、「高」及「非常高」該3個等級(level)而使用。記憶有對應於斷線風險的3個等級「低」、「高」及「非常高」的3個餘量M1、M2及M3。

下限值WTm根據所需的加工精度來確定。若張力低於下限值WTm，則不滿足所需的加工精度。張力的增加量Δu及減少量Δd是使線切割電極1的張力向容許張力WTa變化的幅度。張力的急遽變化會成為對於張力控制而言不期望的干擾。因此，為使張力階段性地增加，而使增加量Δu為較小值。為迅速避免斷線，而使減少量Δd為大於增加量Δu的值。

處理裝置80包含：斷線風險判斷模組84、餘量產生模組85、容許張力運算模組86及設定張力產生模組88。斷線風險判斷模組84自記憶體70讀出液壓的閾值Href、Lref。液壓檢測器11對噴嘴7、8內的各液壓進行檢測，並將檢測液壓wp供給至斷線風險判斷模組84。斷線風險判斷模組84將液壓wp與閾值Href、Lref進行比較。

若將供給至加工間隙3的加工液的壓力維持在較高值WP，則斷線風險降低。如圖5中所示，當噴嘴7、8與工件6之間的距離d較小時，檢測液壓wp維持在大致設定值WP。於大部分高速加工中，距離d儘可能維持在較小值。然而，若例如距離d因工件6的形狀而變大，則檢測液壓wp變得小於閾值Href，斷線風險變高。而且，若例如因故障或工件6的形狀，而使液壓wp變得小於閾值Lref，則因線切割電極1的不充分的冷卻，而使斷線風險變得非常高。

斷線風險判斷模組84根據噴射至加工間隙3的加工液的壓力wp，而將斷線風險分類。當檢測液壓wp為第1閾值Href以上時，斷線風險分類為「低」等級。當檢測液壓wp小於第1閾值Href且為第2閾值Lref以上時，斷線風險分類為「高」等級。當檢測液壓wp小於第2閾值Lref時，斷線風險分類為「非常高」等級。

表示斷線風險的資料(data)供給至餘量產生模組85。產生餘量(margin)的餘量產生模組85自記憶體70選擇性地讀出對應於斷線風險的餘量M。當斷線風險為「低」時，產生第1餘量M1。當斷線風險為「高」時，產生大於第1餘量M1的第2餘量M2。當斷線風險為「非常高」時，產生大於第2餘量M2的第3餘量M3。餘量M供給至容許張力運算模組86。

NC裝置20將設定加工條件供給至容許張力運算模組86。該加工條件包含：線切割電極1的直徑、工件6的材質及板厚、及線切割行駛速度WS。電流檢測器9將平均間隙電流Amean供給至容許張力運算模組86。放電次數檢測器10將放電次數n供給至容許張力運算模組86。容許張力運算模組86根據線切割電極1的直徑、工件6的材質及板厚，自記憶體70選擇性地讀出求出斷線張力WTb的數學式。容許張力運算模組86根據數學式2求出線切割電極的消耗Δs，由此求出已使用的線切割電極的剖面積s。進而，容許張力運算模組86根據數學式1求出斷線張力WTb。容許張力運算模組86藉由自斷線張力WTb減去餘量M而求出容許張力WTa。容許張力WTa為線切割電極1未達到斷線的張力的最大值。容許張力WTa的一例表示於圖3中。容許張力WTa供給至設定張力產生模組88。

NC裝置20將初始設定張力WT1供給至設定張力產生模組88。為確保線切割電極1的平直性，初始設定張力WT1為充分的張力。因此，無需使張力大於初始設定張力WT1，初始設定張力WT1為張力的上限值。張力控制裝置60將線切割電極1的張力於上限值WT1至下限值WTm為止的範圍內進行控制。設定張力產生模組88根據容許張力WTa而產生設定張力WT。

請參照圖6，說明設定張力產生模組88產生設定張力WT的流程(process)的一例。該流程適合於高速放電加工。張力控制裝置60於接收操作者的執行指令開始放電加工後，執行流程。於流程開始時，設定張力WT等於初始設定張力WT1。在步驟(step)S1中經過100毫秒後，於步驟S2中、設定張力產生模組88輸入容許張力WTa。於步驟S3中、當前的設定張力WT為容許張力WTa以下時，流程前進至步驟S4。

步驟S4中、當值WT+Δu為上限值WT1以上時，流程前進至步驟S5。若並非如此，流程前進至步驟S8。步驟S5中、當容許張力WTa為上限值WT1以上時，步驟S6中設定張力WT變為上限值WT1。若並非如此，則步驟S7中設定張力WT變為容許張力WTa。如此一來，設定張力產生模組88以不超過上限值WT1的方式，使設定張力WT增加。

步驟S8中、當值WT+Δu為容許張力WTa以上時，步驟S7中設定張力WT變為容許張力WTa。若並非如此，則步驟S9中設定張力WT增大為值WT+Δu。如此一來，設定張力產生模組88以不超過容許張力WTa的方式，使設定張力WT增加。增加量Δu於使張力不急遽變化的程度中為較小值。

步驟S3中、當前的設定張力WT大於容許張力WTa時，流程前進至步驟10。步驟S10中、值WT-Δd為下限值WTm以下時，流程前進至步驟S11。若並非如此，則流程前進至步驟S13。步驟S11中、容許張力WTa為下限值WTm以下時，步驟S12中設定張力WT變為下限值WTm。若並非如此，則步驟S7中設定張力WT減少為容許張力WTa。如此一來，設定張力產生模組88以不低於下限值WTm的方式使設定張力WT減少。

步驟S13中、當值WT-Δd為容許張力WTa以下時，步驟S7中設定張力WT減少為容許張力WTa。若並非如此，則步驟S14中設定張力WT僅減少Δd。為使急遽上升的斷線風險下降，而減少量Δd為大於增加量Δu的值。因此，當設定張力產生模組88於使容許張力WTa大幅度地低於設定張力WT時，使設定張力WT大幅度減少。只要於步驟S6、S7、S9、S12或緊接著S14的步驟S15中結束加工，則流程結束。若並非如此，則流程返回至步驟S1。

張力檢測器13將檢測張力wt供給至張力控制裝置60。將線切割電極1的張力維持在設定張力WT的張力控制裝置60是：根據檢測張力wt與設定張力WT的偏差，而對伺服馬達44供給旋轉速度的指令信號。

本發明並不限定於所圖示的實例。熟悉此技藝者當瞭解只要不脫離本發明的精神及範圍則可對本發明的構成進行各種改良及變形。若本發明的改良及變形包含於申請專利範圍及其同等物中，則本發明將該等所涉及的內容作為目的。

1．．．線切割電極

2．．．繞線盤

3．．．加工間隙

5．．．抽取裝置

6．．．工件

7、8．．．噴嘴

9．．．電流檢測器

10．．．放電次數檢測器

11．．．液壓檢測器

13．．．張力檢測器

20．．．NC裝置

40．．．張力賦予裝置

42．．．製動滑輪

44．．．伺服馬達

56．．．電源裝置

57．．．加工液供給裝置

60．．．張力控制裝置

70．．．記憶體

80．．．處理裝置

84．．．斷線風險判斷模組

85．．．餘量產生模組

86．．．容許張力運算模組

88．．．設定張力產生模組

Amean．．．平均間隙電流

n．．．放電次數

s．．．已使用線切割電極的剖面積

d．．．距離

wp．．．檢測液壓

wt‧‧‧檢測張力

WT‧‧‧設定張力

WS‧‧‧設定值

WP‧‧‧設定液壓

WTa‧‧‧容許張力

WTb‧‧‧斷線張力

WT1‧‧‧初始設定張力

WTm‧‧‧下限值

M‧‧‧餘量

△u‧‧‧增加量

△d‧‧‧減少量

△s‧‧‧線切割電極的消耗

Href‧‧‧第1閾值

Lref‧‧‧第2閾值

圖1是表示本發明的線切割放電加工裝置的前視圖。

圖2是表示圖1中的張力控制裝置的一例的方塊圖。

圖3是繪製直至線切割電極斷線為止的斷線張力的圖表。

圖4是繪製線切割電極的消耗的圖表。

圖5是繪製供給至加工間隙的加工液的壓力的圖表。

圖6是表示設定張力產生模組產生設定張力的製程的一例的流程圖。

60．．．張力控制裝置

70．．．記憶體

80．．．處理裝置

84．．．斷線風險判斷模組

85．．．餘量產生模組

86．．．容許張力運算模組

Amean．．．平均間隙電流

n．．．放電次數

wp．．．檢測液壓

wt．．．檢測張力

WT．．．設定張力

WS．．．設定值

WTa．．．容許張力

WTb．．．斷線張力

WT1．．．初始設定張力

WTm．．．下限值

M．．．餘量

Δu．．．增加量

Δd．．．減少量

Href．．．第1閾值

Lref．．．第2閾值

Claims (18)

1. 一種線切割放電加工裝置，包括：張力控制裝置，將行駛的線切割電極的張力維持在設定張力，且所述線切割放電加工裝置對形成於所述線切割電極與工件之間的加工間隙重複供給電流脈衝，而對所述工件進行加工，其中，所述張力控制裝置包括：容許張力運算模組，求出容許張力，所述容許張力小於直至所述線切割電極斷裂為止的斷線張力；以及設定張力產生模組，於所述設定張力大於所述容許張力時，使所述設定張力減少。
2. 如申請專利範圍第1項所述的線切割放電加工裝置，其中，所述設定張力產生模組於所述設定張力小於所述容許張力時，使所述設定張力增加。
3. 如申請專利範圍第2項所述的線切割放電加工裝置，其中，所述設定張力產生模組於所述設定張力小於所述容許張力時，以不超過所述容許張力的方式使所述設定張力增加。
4. 如申請專利範圍第1項所述的線切割放電加工裝置，其中，所述設定張力產生模組於所述設定張力大於所述容 許張力時，以不低於特定下限值的方式使所述設定張力減少。
5. 如申請專利範圍第1項所述的線切割放電加工裝置，其中，所述設定張力產生模組於所述設定張力小於所述容許張力時，使所述設定張力僅增加特定增加量，所述設定張力產生模組於所述設定張力大於所述容許張力時，使所述設定張力僅減少大於所述特定增加量的特定減少量。
6. 如申請專利範圍第1項所述的線切割放電加工裝置，更包括：電流檢測器，對流通於所述加工間隙的間隙電流進行檢測，且所述容許張力運算模組根據所述間隙電流求出所述斷線張力。
7. 如申請專利範圍第1項所述的線切割放電加工裝置，更包括：放電次數檢測器，於每特定時間間隔對所述加工間隙所產生的放電次數進行檢測，且所述容許張力運算模組根據所述放電次數求出所述斷線張力。
8. 如申請專利範圍第1項所述的線切割放電加工裝置，其中，所述容許張力運算模組根據已使用的線切割電極的剖面積，來求出所述斷線張力。
9. 如申請專利範圍第8項所述的線切割放電加工裝 置，其中，所述容許張力運算模組藉由自未使用線切割電極的剖面積減去因放電加工所產生的消耗，而求出所述已使用的線切割電極的剖面積。
10. 如申請專利範圍第9項所述的線切割放電加工裝置，其中，所述容許張力運算模組根據所述線切割電極行駛的速度與所述間隙電流，來求出所述消耗。
11. 如申請專利範圍第1項所述的線切割放電加工裝置，其中，所述容許張力運算模組藉由自所述斷線張力減去餘量，而求出所述容許張力。
12. 如申請專利範圍第11項所述的線切割放電加工裝置，其中，所述張力控制裝置更包括：斷線風險判斷模組，對斷線風險進行判斷；以及餘量產生模組，根據所述斷線風險而產生所述餘量。
13. 如申請專利範圍第12項所述的線切割放電加工裝置，其中，所述斷線風險判斷模組將斷線風險至少分類為「低」等級與「高」等級，所述餘量產生模組於所述斷線風險處於「低」等級時、產生第1餘量，所述餘量產生模組於所述斷線風險處於「高」等級時、產生大於所述第1餘量的第2餘量。
14. 如申請專利範圍第12項所述的線切割放電加工裝置，更包括：噴射噴嘴，對所述加工間隙供給加工液；以及液壓檢測器，檢測所述加工液的壓力，且所述斷線風險判斷模組根據所述壓力，來判斷所述斷線風險。
15. 如申請專利範圍第14項所述的線切割放電加工裝置，其中，所述斷線風險判斷模組於所述壓力為第1閾值以上時，將所述斷線風險分類為「低」等級，所述斷線風險判斷模組於所述壓力小於所述第1閾值時，將所述斷線風險分類為「高」等級。
16. 如申請專利範圍第15項所述的線切割放電加工裝置，其中，所述餘量產生模組於所述斷線風險處於「低」等級時、產生第1餘量，所述餘量產生模組於所述斷線風險處於「高」等級時、產生大於所述第1餘量的第2餘量。
17. 如申請專利範圍第15項所述的線切割放電加工裝置，其中，所述斷線風險判斷模組於所述壓力小於所述第1閾值且小於第2閾值時，將所述斷線風險分類為「非常高」等級。
18. 如申請專利範圍第17項所述的線切割放電加工 裝置，其中，所述餘量產生模組於所述斷線風險處於「低」等級時、產生第1餘量，所述餘量產生模組於所述斷線風險處於「高」等級時、產生大於所述第1餘量的第2餘量，所述餘量產生模組於所述斷線風險處於「非常高」等級時、產生大於所述第2餘量的第3餘量。