傅貴興 門(mén)延會(huì)

(宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川宜賓 644003)

高頻脈沖電源在電火花線(xiàn)切割加工設(shè)備中，其作用是在工件與鉬絲之間產(chǎn)生一個(gè)經(jīng)功率放大了的方波脈沖電源，是線(xiàn)切割機(jī)床加工的能源。脈沖電源的波形及其電參數(shù)，對(duì)加工效果影響極大。它的質(zhì)量?jī)?yōu)劣直接決定加工設(shè)備的穩(wěn)定性和生產(chǎn)效率的高低，也直接影響機(jī)床的加工速度、工件表面質(zhì)量、鉬絲損耗情況等。目前國(guó)內(nèi)眾多線(xiàn)切割機(jī)床生產(chǎn)廠家的快速走絲線(xiàn)切割高頻電源波形基本上采用適合于高速度和大厚度工件加工，且線(xiàn)路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于維修的矩形波。

對(duì)于線(xiàn)切割精加工而言，由于精加工表面是由大量放電坑堆積而成，放電坑的形狀和尺寸決定了表面粗糙度的大小。而放電坑的形成與高頻脈沖電源的放電電流直接相關(guān)，因此可以通過(guò)縮短脈沖寬度來(lái)減小放電能量進(jìn)而減小表面粗糙度值［1－2］。但到目前為止，關(guān)于放電電流的許多因素如加工極性等對(duì)加工表面粗糙度的影響規(guī)律還不太明確。因此，本文的主要目的是通過(guò)實(shí)驗(yàn)運(yùn)行分析，比較系統(tǒng)地總結(jié)高頻電源的設(shè)計(jì)方法和思路，總結(jié)放電電路能量及電流脈沖寬度對(duì)線(xiàn)切割電火花精加工表面粗糙度的影響規(guī)律，從而為如何提高線(xiàn)切割加工質(zhì)量找出一條新途徑。

1 放電電流能量的影響

電火花線(xiàn)切割加工的表面質(zhì)量與每次放電的去除量有關(guān)，每次放電的去除量取決于單個(gè)脈沖能量的大小。其計(jì)算公式為［3］:

式中:t0為脈沖放電時(shí)間;u(t)為間隙電壓;i(t)為間隙電流;E為單個(gè)脈沖放電能量。

在線(xiàn)切割加工過(guò)程中，每次放電的電壓基本保持不變，因此單個(gè)脈沖能量的大小主要由脈沖寬度和電流幅值兩個(gè)因素決定。

2 脈沖寬度對(duì)加工質(zhì)量的分析

(1)實(shí)驗(yàn)一

本實(shí)驗(yàn)所用的是DK77系列DK7725型快走絲電火花數(shù)控線(xiàn)切割機(jī)床，該機(jī)床主要用于高精密零件的加工，同時(shí)廣泛用于精密機(jī)械、汽車(chē)、電子、儀器儀表行業(yè)。采用了獨(dú)特的脈沖電源設(shè)計(jì)，在加工中不易發(fā)生燒絲現(xiàn)象，工作臺(tái)行程500 mm×400 mm，工作臺(tái)面尺寸790 mm×490 mm，工作臺(tái)最大承載200 kg，最大切割厚度300 mm，最大切割速度120 mm2/min，加工錐度 ±3°，加工表面粗糙度Ra≤1.2 μm。加工精度≤0.01 mm，鉬絲直徑0.1～0.24 mm，脈沖當(dāng)量0.001 mm，脈沖電源脈寬2～50 μs分級(jí)可調(diào)，加工電流0.2～4.5 A平均電流連續(xù)可調(diào)。

主要試件的厚度為50 mm的凸模，采用SRT－2型表面粗糙度儀測(cè)量。實(shí)驗(yàn)中用去離子水作為加工介質(zhì)，采用浸沒(méi)式加工。實(shí)驗(yàn)過(guò)程是:首先用機(jī)床對(duì)工件進(jìn)行粗加工和前兩次精加工，形成實(shí)驗(yàn)所需的基礎(chǔ)面(粗糙度約為Ra0.4 μm);之后再根據(jù)需要設(shè)定加工條件，在基礎(chǔ)面上進(jìn)行加工實(shí)驗(yàn)，所得脈寬間隙與加工質(zhì)量的關(guān)系如下表1所示。

表1 脈寬間隙與加工質(zhì)量的關(guān)系(1)

在這個(gè)范圍內(nèi)，加工精度符合技術(shù)要求，一致性較好，表明粗糙度控制較好，但速度稍慢。

(2)實(shí)驗(yàn)二

本實(shí)驗(yàn)加工一精度公差帶為+0.0250mm的工件，取鉬絲直徑與前試驗(yàn)相同，取0.1 mm，材料同實(shí)驗(yàn)一。分6檔依次選擇不同的脈沖寬度和間隔，得到的數(shù)據(jù)如表2所示。

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，隨著脈沖寬度的增加，切割速度加快，雖然尺寸仍在控制范圍內(nèi)，但粗糙度值已經(jīng)明顯增大，從精加工、半精加工滑到了粗加工的范圍。

為了進(jìn)一步摸清影響的情況，將脈沖寬度作進(jìn)一步的細(xì)分，實(shí)驗(yàn)時(shí)當(dāng)進(jìn)一步加大脈沖寬度時(shí)(大于40 μs)，電蝕物出現(xiàn)因過(guò)多來(lái)不及排走現(xiàn)象，這時(shí)加工穩(wěn)定性變差，Ra值迅速增大，加工速度反而受到影響。

表2 脈沖寬度與加工質(zhì)量的關(guān)系(2)

由實(shí)驗(yàn)一和實(shí)驗(yàn)二所得的數(shù)據(jù)可看出:在電流幅值相同的情況下，表面粗糙度、精度和加工速度隨脈沖寬度或脈沖間隔的增加逐漸增大，在脈沖寬度增加的初期，加工速度增大較明顯。這是由于脈寬的增大意味著放電的作用時(shí)間增加，脈沖能量隨之增大;而在一定的放電時(shí)間內(nèi)，電流幅值的提高也將使脈沖能量增大。這將導(dǎo)致放電坑直徑和深度的增加，從而使表面粗糙度值增大?？梢?jiàn)，隨著單個(gè)脈沖能量的增大，每次放電的去除量相應(yīng)增加，加工速度雖然可以得到提高，但是表面粗糙度將隨之惡化。因此，對(duì)于線(xiàn)切割精加工而言，要改善表面粗糙度，必須控制單個(gè)脈沖能量的大小。

3 脈沖間隙的影響

脈沖間隙反映了兩個(gè)脈沖之間的間隔，間隔時(shí)間減少，在其他條件保持不變的情況下等于將脈沖的頻率提高，為了便于衡量脈沖間隙對(duì)表面粗糙度和精度的影響，實(shí)驗(yàn)時(shí)仍采用與實(shí)驗(yàn)一和實(shí)驗(yàn)二中的相同的條件，只改變脈沖間隔，得到表3的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表3 脈沖間隙對(duì)加工質(zhì)量的影響

從表3試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，脈沖間隔對(duì)加工速度影響較大，而對(duì)表面粗糙度影響較小。脈沖間隔選擇越小，切割越快，反之就慢。

通過(guò)以上的試驗(yàn)可以得出，在線(xiàn)切割機(jī)床加工中，高頻脈沖電源是影響加工表面質(zhì)量的主要因素。脈沖寬度的增加，切割進(jìn)給速度提高，表面粗糙度值會(huì)增大。脈沖間隔的減小，切割進(jìn)給速度增大，而表面粗糙度值增大不多，但脈沖間隔對(duì)加工速度的影響大，而對(duì)表面粗糙度的影響小。減小脈沖間隔可以提高加工速度，但脈沖間隔不能太小，否則對(duì)消除電離不充分，電蝕物來(lái)不及排除，將使加工變得不穩(wěn)定，容易燒傷工件并斷絲。脈沖間隔太大也會(huì)導(dǎo)致不能連續(xù)進(jìn)給，使加工變得不穩(wěn)定。但在實(shí)際的生產(chǎn)加工中，應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況，選擇合適的脈寬、脈間比，調(diào)節(jié)出合適的加工速度(變頻跟蹤速度)，從而有效地控制工件的表面粗糙度。脈沖寬度決定單脈沖能量，脈寬越大單脈沖能量越大，加工粗糙度值增大但易于穩(wěn)定加工。脈沖間隔要根據(jù)切割工件的厚度來(lái)選定，廠家會(huì)對(duì)此給出相應(yīng)的參數(shù)，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)置，從而提高線(xiàn)切割加工質(zhì)量。一般對(duì)于厚度在45 mm以下鋼材工件都容易滿(mǎn)足技術(shù)指標(biāo)和工藝要求，容易通過(guò)適度減小脈寬提高加工質(zhì)量，減小脈沖間隔以提高切割速度。

從切割流暢考慮，切割厚度在45～100 mm之間的鋼，脈寬要大于20 μs，脈沖間隙要大于6倍脈寬，厚度在100～200 mm之間工件，脈寬要大于40 μs，脈沖間隙要大于10倍脈寬，這樣單個(gè)脈沖既保證有足夠的能量，也有足夠的時(shí)間排除蝕物。

以上試驗(yàn)是針對(duì)鋼材工件加工試驗(yàn)得出，實(shí)際上也可以作為其他金屬材料如鋁材切割的參考。不過(guò)，由于鋁材的特性原因，需要在輔助配置和參數(shù)設(shè)置方面做一些個(gè)別改進(jìn)才能滿(mǎn)足工藝要求［4］。

4 結(jié)語(yǔ)

以上分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果可為現(xiàn)有的電火花線(xiàn)切割機(jī)床的高頻電源改造提供一定的現(xiàn)實(shí)依據(jù)，借助成熟的單片機(jī)及串行通信技術(shù)［5］，研制一種可精確調(diào)整電參數(shù)的高頻脈沖電源，來(lái)實(shí)現(xiàn)脈沖寬度、放電間隙的自適應(yīng)控制，提高線(xiàn)切割加工的質(zhì)量和效率。有利于提高電火花線(xiàn)切割的質(zhì)量;有利于保證線(xiàn)切割的正常加工速度，充分發(fā)揮線(xiàn)切割機(jī)的巨大潛力;有利于減少鉬絲損耗，最大限度降低成本。

［1］霍孟友，艾興，張建華.放電脈沖時(shí)間參數(shù)可編程調(diào)控的一種新方法［J］.電加工與模具，2006(2):31 －32.

［2］張晨亮，劉曉青，呂棟騰.快走絲線(xiàn)切割機(jī)床表面粗糙度影響因素分析［J］.現(xiàn)代機(jī)械，2011(4):23－24.

［3］蔣軍，韓福柱.放電電流對(duì)電火花線(xiàn)切割精加工表面粗糙度的影響規(guī)律研究［J］.電加工與模具，2006(1):12 －15.

［4］萬(wàn)華，李林喜，范文學(xué).快走絲電火花線(xiàn)切割對(duì)鋁材加工技術(shù)的改進(jìn)［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2012(6):142 －145.

［5］李庭貴.單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)及項(xiàng)目化訓(xùn)練［M］.成都:西南交通大學(xué)出版社，2009.