葛紅光,張秋菊

(江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,江蘇無錫214122)

“中走絲”電火花線切割加工是在傳統(tǒng)往復(fù)走絲電火花線切割加工的基礎(chǔ)上,通過借鑒單向走絲電火花線切割加工的一些工藝技術(shù),實(shí)現(xiàn)無條紋切割和多次切割的一種工藝技術(shù)[1]。在加工過程中,首先用高速穩(wěn)定的切割方式對工件進(jìn)行粗加工,而后再用低速切割的方式對工件進(jìn)行精加工,這種加工方式能在很大程度上提高加工效率和表面質(zhì)量。所以目前“中走絲”電火花線切割機(jī)床在國內(nèi)具有很大的市場應(yīng)用前景。

不是所有的往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床都能進(jìn)行多次切割[2],這與其配置的脈沖電源有很大的關(guān)系?！爸凶呓z”電火花線切割加工過程中,在粗加工和精加工時(shí)由于加工目的不同,所以對加工電參數(shù)有著不一樣的要求。不同加工電參數(shù)的調(diào)整是通過脈沖電源的調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)的,一些傳統(tǒng)的往復(fù)走絲線切割脈沖電源很難滿足“中走絲”電火花線切割加工電參數(shù)調(diào)整的要求。目前,電火花線切割脈沖電源的發(fā)展方向主要有智能型脈沖電源、節(jié)能式脈沖電源、無電解脈沖電源、微細(xì)加工脈沖電源[3-4]。而不管何種脈沖電源,脈沖的發(fā)生和控制都是非常重要的。本文針對“中走絲”電火花線切割加工脈沖電源的電參數(shù)大范圍可調(diào)的基本性能要求,設(shè)計(jì)了一種可實(shí)現(xiàn)該基本性能要求的脈沖發(fā)生和控制裝置。

1 “中走絲”電火花線切割加工的特點(diǎn)及對脈沖電源的要求

“中走絲”電火花線切割加工在粗加工時(shí)采用高速走絲(8～12 m/s)、精加工時(shí)采用低速走絲(1～3 m/s)的方式,并通過多次切割來提高加工質(zhì)量?！爸凶呓z”電火花線切割加工首次切割的主要任務(wù)是對工件進(jìn)行粗加工,可在保證加工穩(wěn)定性的同時(shí),選用較高的幅值電流和較大的脈沖寬度對其進(jìn)行切割。由于首次切割是以高速穩(wěn)定為前提,往往會(huì)造成工件表面質(zhì)量很差。所以第二次切割的主要任務(wù)就是用中等規(guī)格的脈沖寬度和峰值電流對工件進(jìn)行精修,把工件的表面粗糙度Ra控制在1.4～1.7 μ m之間。第三次切割的主要任務(wù)就是對加工表面進(jìn)行拋磨修光,使工件的表面質(zhì)量達(dá)到加工要求,這時(shí)就需要選擇較小的脈沖寬度和脈沖電流[5-6]。

表1是一組用直徑0.18 mm的鉬絲和JR1A復(fù)合工作液切割厚度為40 mm的普通鋼件時(shí)的電參數(shù)實(shí)驗(yàn)參考表,實(shí)際加工的電參數(shù)的值要根據(jù)加工材料、電極絲直徑、冷卻液進(jìn)行一定的調(diào)整?？梢?在各個(gè)不同的加工階段,由于加工目的的不同,其加工所需的電參數(shù)的值大不相同,需要及時(shí)對電參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

表1 “中走絲”電火花線切割電參數(shù)實(shí)驗(yàn)參考表

綜上所述,在“中走絲”電火花線切割加工過程中,電參數(shù)的選擇和調(diào)節(jié)十分關(guān)鍵。從電參數(shù)對加工過程的影響和“中走絲”線切割加工的特點(diǎn)可看出,“中走絲”線切割所需脈沖電源應(yīng)具備電參數(shù)大范圍可調(diào)且穩(wěn)定可靠的基本性能和一定程度的自適應(yīng)性。大范圍可調(diào)性包括:脈沖寬度和間隔最小可達(dá) 1 μ s及以下,最大至少達(dá)到100 μ s;脈沖電流0～10 A可調(diào)。一般脈沖空載電壓都是根據(jù)工件材料和工件厚度直接選定而不在加工過程中進(jìn)行調(diào)整。

2 脈沖發(fā)生和控制裝置

電火花線切割脈沖電源主要由脈沖發(fā)生和控制裝置、間隙狀態(tài)檢測裝置等硬件電路和間隙狀態(tài)判別、自適應(yīng)控制策略等軟件程序組成。使用硬件電路產(chǎn)生脈沖的方式雖然成本低廉,但可調(diào)性受到了很大程度的限制,且波形一般為正弦波形,并不穩(wěn)定可靠,故一些傳統(tǒng)往復(fù)走絲線切割脈沖電源很難應(yīng)用于“中走絲”電火花線切割加工。

2.1 脈沖的發(fā)生與調(diào)節(jié)

本文采用FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)作為脈沖產(chǎn)生器件,在其外部連接50 MHz的晶振。然后在50 MHz的時(shí)鐘頻率下,通過Verilog語言編寫參數(shù)化計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)脈沖發(fā)生功能。

脈沖發(fā)生模塊的流程見圖1。圖中,T0表示脈沖寬度;T1表示脈沖間隔;T表示總的脈沖時(shí)間的計(jì)數(shù)值;初始狀態(tài)下為脈沖周期,即 T0+T1;Temp表示脈沖發(fā)生過程中的一個(gè)中間變量;OutValue表示脈沖輸出值(0 or 1)。脈沖發(fā)生的過程就是 T向下計(jì)數(shù)到脈沖間隔值T1,即經(jīng)過T0時(shí)間后,由高電平跳變?yōu)榈碗娖?隨后繼續(xù)往下計(jì)數(shù)到0,即經(jīng)過T1時(shí)間后,從低電平跳變?yōu)楦唠娖?。如此往?fù)循環(huán),形成連續(xù)不斷的脈沖輸出。T0和 T1的值可通過人為調(diào)整,也可通過其他程序來調(diào)整。

圖1 脈沖發(fā)生程序流程圖

在50 MHz的時(shí)鐘頻率下,脈沖發(fā)生器可產(chǎn)生最小20 ns脈寬和20 ns脈間的脈沖信號,并都能以20 ns為最小增量無限增大。圖2a是脈沖寬度 T0=0.5 μ s、脈沖間隔 T1=2.5 μ s 的波形圖 ,圖 2b 是脈沖寬度 T0=50 μ s、脈沖間隔 T1=70 μ s的波形圖。可看出,通過這種方式產(chǎn)生的脈沖波形相對于硬件電路產(chǎn)生的正弦波更符合穩(wěn)定可靠的要求,波形良好。

圖2 不同脈寬和脈間的波形圖

2.2 主放電回路設(shè)計(jì)

主放電回路中,在加工電源和負(fù)載之間并聯(lián)6組高邊驅(qū)動(dòng)MOS管,在負(fù)載和地級之間連接一組低邊驅(qū)動(dòng)MOS管。高邊驅(qū)動(dòng)的脈沖信號和低邊驅(qū)動(dòng)的脈沖信號相反,由FPGA產(chǎn)生脈沖信號后,通過74ls04芯片對脈沖信號取反得到。在高邊驅(qū)動(dòng)電路中,首先用UCC27322芯片將經(jīng)過隔離的FPGA脈沖信號放大為12 V,再通過芯片IR2117對MOS管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制。在MOS管導(dǎo)通時(shí)進(jìn)行脈沖放電,關(guān)閉則截止。在低邊驅(qū)動(dòng)回路中,直接用UCC27322芯片對MOS管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制。此MOS管導(dǎo)通可形成接地回路,能及時(shí)將脈間剩余電量消除,以減少波形下降沿的時(shí)間,獲得較好的脈沖間隙狀態(tài),可在一定程度上提高加工工件表面質(zhì)量。

放電回路原理圖見圖3。通過控制6組高邊驅(qū)動(dòng)的MOS管的導(dǎo)通和截止來控制脈沖電流的大小。VCC加工電源電壓為0～60 V。若加工電源電壓為60 V,限流電阻 Rz為30 Ω,則單個(gè)MOS管可通過2 A的電流;當(dāng)6組MOS管都導(dǎo)通時(shí),電流可達(dá)12 A,具有很大的放電電流可調(diào)范圍。

圖3 放電回路原理圖

圖4a和圖4b分別是加工電源電壓20 V時(shí)單個(gè)MOS驅(qū)動(dòng)放電和兩個(gè)MOS驅(qū)動(dòng)放電波形圖。從圖中可看出,在選擇多個(gè)MOS管進(jìn)行驅(qū)動(dòng),在增大脈沖電流的同時(shí),也會(huì)在一定程度上提高加工電壓。加工電壓的提高,可在一定程度上提高加工間隙狀態(tài),提高切割效率和表面質(zhì)量。

圖4 MOS驅(qū)動(dòng)放電波形圖

圖5a 和圖 5b 分別是脈寬 1 μ s、脈間 5 μ s、加工電源電壓20 V時(shí),負(fù)載和地級之間有無MOS管回路的波形圖?？煽闯?在負(fù)載和地級之間加上MOS管回路,可明顯提高波形的質(zhì)量,以獲得良好的切割效率和加工質(zhì)量。

3 結(jié)束語

電參數(shù)的選擇和調(diào)節(jié)對“中走絲”電火花線切割加工過程的穩(wěn)定性和加工質(zhì)量十分重要。針對“中走絲”線切割脈沖電源參數(shù)大范圍可調(diào)的性能要求,設(shè)計(jì)了基于FPGA的脈沖發(fā)生和控制裝置。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,脈寬、脈間和脈沖電流等參數(shù)的調(diào)節(jié)范圍大、波形質(zhì)量穩(wěn)定可靠,能滿足“中走絲”線切割脈沖電源的性能要求。在實(shí)際應(yīng)用中,通過與自適應(yīng)控制器的配合,可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)電火花線切割加工過程中對電脈沖的智能控制。

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