陳成細,奚學程,顧 琳,趙萬生

(上海交通大學機械與動力工程學院機械系統(tǒng)與振動國家重點實驗室,上海 200240)

電火花線切割加工由于兩電極間不接觸,加工與硬度、韌性無關,故易于加工難切削材料、薄且細小的工件、導電性差的精密陶瓷及形狀復雜的機械零件。由于電極絲是非剛體,加工過程中兩電極間作用力影響放電間隙的改變,導致電極絲撓曲及振動,從而造成拐角加工誤差。

造成拐角誤差的主要原因有:①電極絲滯后引起的幾何誤差;②加工路徑方向改變時,由于放電合力作用產生的電極絲振動引起的幾何誤差;③在拐角處,因電場集中造成放電幾率的增大而產生過切現(xiàn)象[1]。電火花線切割加工雖然是非接觸式加工,但電極絲放電時所承受的外力有:電極絲和工件之間的靜電力與電磁場力,此作用將電極絲拉向工件;放電高溫導致局部加工液膨脹汽化產生氣爆壓力,此作用力將電極絲推離工件;上下導向器的張緊力;高壓噴流時,加工液對電極絲產生的沖流壓力。這些力在加工過程中產生的合力引起電極絲的撓曲及振動,在進行拐角加工時造成了拐角加工誤差[2-3]。

為了降低拐角加工誤差,Taku ji Magara[4-5]等人提出了在拐角處通過增大放電脈間來降低電極絲撓曲;Hsue[6]等人提出改變多個加工參數的模式來降低撓曲;Kondou和Nishimoto[7]提出基于電極絲撓曲量來修改拐角軌跡的方法;Dauw和Beltram i[8]開發(fā)了實時監(jiān)測電極絲撓曲的系統(tǒng),并根據撓曲量實時校正導向器軌跡的方法,但該方法由于需特殊的設備帶來了高昂的成本。調整電參數策略在較高精度時需要較長的加工時間,且具體的控制參數辦法在文獻中也未明確;軌跡補償策略不會增加加工時間,且在已知期望高度平面電極絲撓曲量的情況下,能使該平面拐角誤差很小,但由于高度不同,電極絲撓曲量也不同,而不能使任意高度平面獲得相同的精度。所以,只有通過軌跡補償策略,使拐角誤差在期望平面內很小或為零。通過控制加工參數策略,使任意其他高度平面的拐角誤差在允許范圍之內[9]。

1 拐角類型控制策略

由于拐角加工時方向的改變,使電極絲表面放電狀態(tài)發(fā)生了改變,引入放電角[10](圖1)來描述這一變化。

圖1 放電角

如圖2上圖所示,在直線切割時,電火花放電角為180°,稱為整個前表面放電,此時電極絲只向切割方向切向的反方向撓曲;而圖2下圖放電角小于180°,稱為前表面局部放電,電極絲不僅受到切割方向的反向力,還受到垂直于切割方向的法向力,其電極絲的撓曲情況也更復雜。

圖2 電極絲放電狀態(tài)[11]

根據放電角將拐角分為兩類:整個前表面放電的包括凸模尖角、凸模圓角和凹模大半徑圓角;前表面局部放電包括凹模小半徑圓角。為了使凸模尖角能在整個前表面放電,采用圓弧過渡連接的策略,而不是采用直線過渡連接的策略,如圖3中OAB所示。

2 整個前表面放電加工拐角策略

2.1 軌跡補償策略

電極絲撓曲模型如圖4所示。為了簡化做如下假設:

圖3 凸模拐角連接策略

(1)上下導向器垂直對稱于工件。

(2)張緊力作用在電極絲上,其受到均布載荷。

(3)δA是工件中央平面電極絲撓曲量;δB是工件上下平面電極絲撓曲量。

圖4 電極絲撓曲模型[9]

基于δA的凸模軌跡補償如圖5所示。導向器總是在切向于圓弧路徑上領先于電極絲撓曲量 δA。當曲線通過工件中央平面的 A點時,而在工件上下平面剛好通過B點。這樣補償的結果使在工件中央平面的路徑沒有誤差,在工件上下平面的有向外誤差εT,這部分誤差只需在精加工中切去即可。上述軌跡補償策略并不適用于凹模大半徑圓弧,因為向外誤差εT會造成過切。

圖5 凸模軌跡補償[9]

凹模大半徑圓弧采用基于 δB的軌跡補償策略(圖6)。其在工件上下平面有很小的誤差εn,幾乎可認為在上下平面沒有誤差,而在工件中央平面有向內誤差εT。

假設電極絲是柔性的,由微分方程[1]:

圖6 凹模大半徑軌跡補償[9]

式中:2H為工件厚度;2S為上下導絲嘴高度。

假設R≥εAL,略去二階項,由幾何關系得到以上兩種軌跡補償策略的拐角誤差均為:

2.2 加工參數調整策略

為了使 δA≤δAL,對放電脈間進行了控制。由HarukiObara[9]等人提出的控制方法,做了如下假設:

(1)電極絲直線切割時,撓曲量δA0已知。

(2)電極絲主要受放電爆炸力作用,且該力正比于放電頻率,即電極絲撓曲量正比于放電頻率。

則:

式中:fAL為使電極絲撓曲量δA=δAL的放電頻率;f0為直線切割時的放電頻率。

若放電周期固定,則平均工作電壓 VW:

式中:V0為空載電壓;Vg為放電電壓;td為平均放電延長時間;te為放電周期;t0為脈沖間隙。

給出計算步驟:

(1)由式(9)計算 f0。

(2)從式(6)由 εAL計算 δAL。

(3)從式(7)由 δA、δAL計算 fAL。

(4)從式(10)由 fAL替換f計算出t0AL。

其中 VW依賴于伺服電壓VS與伺服系統(tǒng)的增益,一般假設 VW=VS;電極絲直線切割撓曲量δA0由實驗獲得。

3 前表面局部放電加工拐角策略

3.1 頂角加工策略

3.1.1 軌跡補償策略

由于電極絲的撓曲,當導向器到達頂角時,工件仍未切到頂角。通過增大放電脈間,能使工件未切到的部分減小,但同時也帶來了加工時間的增加。為了減小加工誤差,同時不增加加工時間,采用圖7所示的過切加工軌跡補償策略[12]。

圖7 拐角斜面軌跡補償[12]

導向器過切量為電極絲在工件上表面的撓曲量,由式(2)和式(3)得:

3.1.2 加工參數策略

在允許誤差εAL下,頂角電極絲允許撓曲量 δAL依賴于拐角角度(圖8)。

由幾何關系求得:

當 θ＞90°時:

將上述允許撓曲量代入第2部分的公式,計算出放電脈間。

圖8 拐角誤差,拐角角度關系[11]

3.2 斜邊加工策略

3.2.1 加工參數策略

由于前表面局部放電,拐角斜邊切割時受到垂直于斜邊的法向力,將產生向內誤差,可通過增大伺服基準電壓[12],使切槽增大、向內誤差減小。但伺服基準電壓增大有上限,否則當通過拐角控制路徑,將加工參數設回正常值之后,在斜邊上將出現(xiàn)階梯狀。在允許的誤差下,根據不同的伺服基準電壓和不同的拐角角度,再通過實驗的方法來獲得允許的電極絲垂直于斜面的撓曲量,通過這一允許撓曲量由第2部分計算步驟來獲得放電脈間。

3.2.2 軌跡補償策略

斜面切割的軌跡補償策略如圖7所示的二次過切的策略,不同的二次過切量將由上一節(jié)獲得的允許斜面撓曲量來決定。

4 電極絲撓曲量的測定

為了獲得電極絲直線切割撓曲量,采用兩塊20 mm厚的304不銹鋼疊在一起切割[12](圖9)。

式中:L0為測得長度;L為編程長度;D為切槽寬度。

圖9 撓曲量測定[11]

5 結束語

本文給出了通過軌跡補償和加工參數調整來改善電火花線切割粗加工拐角加工精度的策略,分別分析了凸模、凹模大半徑圓弧前表面完全放電及凹模小半徑前表面局部放電情況的軌跡補償和調整放電脈間具體方法。最后給出了實驗獲得電極絲撓曲量的測定方法。

[1] Dekeyser W L,Snoeys R.Geom etric accuracy of wire-EDM[C]//Proceedings of the International Symposium for Electro-Machining.Nagoya,1989,226-232.

[2] Sanchez JA,Rodil JL,etal.On influence of cutting speed lim itation on the accuracy ofwire-EDM corner-cutting[J].Journalof MatarialProcessing Technology.2007,182:574-579.

[3] Shunsuke Tomura,Masanori Kunieda.Analysis of electromagnetic force in wire-EDM[J].Precision Engineering.2009,33:255-262.

[4] Magara T,Yatom i T,Yamada H,et al.Study on machining accuracy in w ire EDM part I—improvement ofmachining accu racy of corner parts in rough-cutting[J].Japan Society of Electrical Machining Engineers.1991,25(49):23-32.

[5] Magara T,Yatom i T,YamadaH,et al.Study onmachining accu-racy in w ire EDM part II—improvemen tofmachining accu racy of corner parts in finish-cutting[J].Japan Society of Electrical Machining Engineers.1992,26(52):1-15.

[6] HsueW J,Liao YS,Lu SS.A study of control strategy of w ire-EDM based on quantitativeM RR analysis[J].International Journalof ElectricalMachining.1999(4):33-39.

[7] L Kondou,K.Nishimoto.Precisely p rocess of wire electrode EDM[J].Japan Society of Electrical Machining Engineers,1985,19(37):12-27

[8] Ivano Beltram i,Axel Bertholds,Dirk Dauw.A simplified post process for wire cut EDM[J].Journal of Materials Processing Technology,1996,58:385-389

[9] Obara H,KawaiT,Ohsumi T,et al.Combined power and path con-rolmethod to improve corner accuracy of rough cu ts by wire EDM(1st report)[J].International Journal of Electrical Machining.2003(8):27-32.

[10] W.J.Hsue,Y.S.Liao,S.S.Lu.Fundamentalgeometry analysis ofw ire eletrical dischargemachining in corner cutting[J].International Jou rnalof Machina Tools Manufacture.1999,39:651-667.

[11] Chin-Teng Lin,I-Fang Chung,Shih-Yu Huang.Improvement of machining accuracy by fuzzy logic at corner parts for w ire-EDM[J].Fuzzy Sets and System s.2001,122:499-511.

[12] ObaraH,Kaw ai T,Ohsum i T,et al.Combined pow erand path con-trolmethod to improve corner accuracy of rough cutsby wire EDM(2st report)[J].International Jou rnal of Electrical Machining.2003(8):33-38.