曹 俊，蔣 毅，韓晴清

（江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇無(wú)錫 214122）

電火花線(xiàn)切割加工技術(shù)在模具制造、硬質(zhì)合金切削和精密復(fù)雜零件加工中應(yīng)用廣泛。斷絲是往復(fù)走絲電火花線(xiàn)切割加工難以避免的問(wèn)題，一旦發(fā)生斷絲故障，不僅會(huì)損傷工件表面質(zhì)量甚至損壞導(dǎo)輪等部件，而且會(huì)大幅降低生產(chǎn)效率，因此預(yù)防斷絲一直是國(guó)內(nèi)外線(xiàn)切割工藝研究的重要課題[1-2]。

在往復(fù)走絲線(xiàn)切割加工中的斷絲主要分為正常斷絲和非正常斷絲兩種。正常斷絲是由于電極絲正常損耗變細(xì)至無(wú)法承受加工放電能量和張緊力而斷裂；非正常斷絲則是由加工過(guò)程的不穩(wěn)定[3-5]、加工電參數(shù)的不合理等導(dǎo)致的[6-8]。美國(guó)林肯大學(xué)的Rajurkar[9]對(duì)斷絲現(xiàn)象進(jìn)行的一系列研究表明，斷絲前火花放電率會(huì)突然上升，造成電極絲局部高溫，從而引發(fā)斷絲。我國(guó)學(xué)者[10]經(jīng)過(guò)對(duì)斷絲現(xiàn)象的分析與研究發(fā)現(xiàn)，往復(fù)走絲線(xiàn)切割中的斷絲是短時(shí)間內(nèi)輸入到加工間隙中熱負(fù)載增加且在空間上集中于一點(diǎn)所導(dǎo)致的。華南理工大學(xué)的章偉[11]發(fā)現(xiàn)斷絲是因電弧放電等造成加工間隙中能量密度過(guò)大所致，并進(jìn)而提出了利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)斷絲先兆進(jìn)行預(yù)測(cè)，但實(shí)時(shí)性較差。

不同結(jié)構(gòu)脈沖電源的斷絲先兆信號(hào)不同[12]。針對(duì)特定的脈沖電源，應(yīng)從具體的電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)入手，分析其波形特征，并結(jié)合線(xiàn)切割機(jī)理分析判斷斷絲前的極間狀態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)斷絲的預(yù)防與控制。本文采用基于BUCK主電路結(jié)構(gòu)的脈沖電源，研究了電源波形與斷絲事件之間的關(guān)系，并通過(guò)檢測(cè)與抑制電弧放電的措施，在往復(fù)走絲線(xiàn)切割平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)了控制延緩斷絲的效果。

1 脈沖電源主電路結(jié)構(gòu)

本文所采用的基于BUCK電路的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，其中ACS733是電流傳感器。該電路利用電感而非電阻作為限流元件，避免了電阻對(duì)電能的消耗，顯著降低了發(fā)熱，大幅度提高了電源的電能利用率。當(dāng)間隙被擊穿時(shí)，由于電感電流無(wú)法突變而具有緩升特性，加工間隙中的電流被限制在一定范圍內(nèi)[13]，起到保護(hù)電極絲的作用。

圖1 基于BUCK電路的脈沖電源主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

功率開(kāi)關(guān)管Q1和Q2受一對(duì)互補(bǔ)脈沖控制，當(dāng)Q1導(dǎo)通時(shí)，Q2關(guān)斷，電源向電容C充電，電感L將電能轉(zhuǎn)化為磁能儲(chǔ)存起來(lái)；當(dāng)Q1關(guān)斷時(shí)，Q2導(dǎo)通，電感L通過(guò)續(xù)流回路，將存儲(chǔ)的磁能轉(zhuǎn)化為電能，幫助電容C維持高壓，有助于擊穿放電。由于功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通電阻很小，導(dǎo)通Q2可減小續(xù)流二極管帶來(lái)的損耗，有助于提高電源轉(zhuǎn)換效率。

當(dāng)發(fā)生擊穿放電時(shí)，電感L中的能量可持續(xù)提供到間隙中維持放電，有助于擊穿后的工件蝕除；若在該時(shí)刻再次導(dǎo)通Q1，因電感L中能量尚未釋放完畢，而仍保有一定的自感電壓，且由于L與外部電源E串聯(lián)，電容C兩端電壓顯著上升，直至超過(guò)外部電源電壓，這更有利于下一次擊穿，提高火花放電率。

因此，該電路結(jié)構(gòu)電源的波形特點(diǎn)是：空載波形在理論上為平穩(wěn)開(kāi)路電壓，但在實(shí)際加工時(shí)因水基工作液存在一定導(dǎo)電性，使電容C在脈寬和脈間時(shí)段內(nèi)分別充電和放電，而使空載電壓波形呈現(xiàn)為小型鋸齒波；擊穿發(fā)生后，間隙電壓較快速下降至放電電壓；放電結(jié)束后，極間電壓因疊加了自感電壓而顯著升高。

2 極間波形與斷絲機(jī)理

采用以上主電路的典型正常加工和斷絲前的電壓電流波形分別見(jiàn)圖2、圖3。對(duì)比電壓波形可發(fā)現(xiàn)，在正常穩(wěn)定加工的狀態(tài)下，放電概率較低，短路與擊穿延時(shí)隨機(jī)零散發(fā)生，無(wú)擊穿延時(shí)的放電較少且電壓峰值較高；而在斷絲之前，放電密集發(fā)生且?guī)缀蹙鶠闊o(wú)擊穿延時(shí)的電弧放電，電壓峰值較低。

圖2 正常加工時(shí)電壓電流波形

圖3 斷絲前電壓電流波形

對(duì)比電流波形，正常加工狀態(tài)下，電流波形中的尖峰較少、放電頻率較低，這也意味著電極絲散熱條件良好，易達(dá)到熱平衡；斷絲前的電流波形出現(xiàn)了較多的密集尖峰，導(dǎo)致極間在短時(shí)間內(nèi)因放電積聚大量能量，破壞了電極絲與外界的熱平衡，將引起電極絲局部溫度迅速升高，此時(shí)若不采取相應(yīng)的控制措施，電極絲隨時(shí)可能因過(guò)熱而燒斷。

結(jié)合線(xiàn)切割加工工藝進(jìn)行分析，當(dāng)加工間隙中排屑條件良好、無(wú)蝕除產(chǎn)物聚集、有充分的冷卻時(shí)間時(shí)，再次建立放電通道前必須先擊穿工作液，該現(xiàn)象在放電波形上表現(xiàn)為擊穿延時(shí)[14]（圖2）。而當(dāng)加工間隙過(guò)窄或工作液流動(dòng)不暢時(shí)，因蝕除產(chǎn)物排出受限，極間狀態(tài)惡化，導(dǎo)致在同一位置重復(fù)放電，使加工間隙溫度升高，并最終形成穩(wěn)定的電弧放電，從而燒傷工件表面甚至導(dǎo)致斷絲。該現(xiàn)象在電壓波形中表現(xiàn)為連續(xù)的無(wú)擊穿延時(shí)的電弧放電，使極間呈微短路狀態(tài)，瞬時(shí)熱功率迅速上升（圖3）。

持續(xù)的電弧放電將破壞熱平衡，極易導(dǎo)致斷絲。因此，要預(yù)防斷絲首先要識(shí)別并設(shè)法抑制密集的電弧放電。另外，正常加工時(shí)所夾雜的少量零散電弧放電，也會(huì)導(dǎo)致電極絲損傷。針對(duì)這些少量、隨機(jī)的電弧放電，常用的平均電壓檢測(cè)方法難以很好對(duì)其進(jìn)行區(qū)分，需對(duì)單個(gè)脈沖逐一識(shí)別才有可能實(shí)現(xiàn)精確檢測(cè)，從而為減少電弧放電概率和延緩斷絲創(chuàng)造條件。

3 脈沖參數(shù)對(duì)電弧放電的影響

選用直徑0.12 mm的鉬絲，在開(kāi)路電壓為80 V時(shí)，分別設(shè)置不同的脈沖寬度和脈沖間隔參數(shù)，在如圖4所示的桌面型往復(fù)走絲電火花線(xiàn)切割平臺(tái)上，對(duì)厚度為5 mm的不銹鋼板件進(jìn)行加工實(shí)驗(yàn)。利用高速數(shù)據(jù)采集卡結(jié)合分壓電路以及ACS733高速電流傳感器采集加工過(guò)程中的電壓電流數(shù)據(jù)。

圖4 桌面型往復(fù)走絲電火花線(xiàn)切割平臺(tái)

將獲得的連續(xù)電壓電流數(shù)據(jù)按照每10個(gè)脈沖周期為一個(gè)單位分割成離散的數(shù)據(jù)段，利用電壓波形結(jié)合閾值判斷各數(shù)據(jù)段內(nèi)是否發(fā)生放電。對(duì)于發(fā)生了放電的數(shù)據(jù)段，進(jìn)一步分析了該數(shù)據(jù)段內(nèi)的電流波形，若其峰值電壓較低且出現(xiàn)了5個(gè)以上的電流尖峰，則認(rèn)為該時(shí)間段內(nèi)出現(xiàn)了需抑制的電弧放電，并將所有電弧放電的數(shù)據(jù)段數(shù)量除以所有放電數(shù)據(jù)段數(shù)量，得到電弧放電概率。此外，也提取了所有電弧放電的電流峰值，并取其平均值作為該次實(shí)驗(yàn)中的電弧電流峰值。脈寬和脈間對(duì)電弧放電的影響分別見(jiàn)圖5、圖6。

圖5 脈沖寬度對(duì)電弧放電的影響（脈間90μs）

圖6 脈間對(duì)電弧放電的影響（脈寬10μs）

如圖5所示，在脈沖間隔不變的條件下，隨著脈沖寬度的增加，電弧放電出現(xiàn)概率及其電流峰值均明顯升高，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中也更易發(fā)生斷絲。峰值電流是電火花線(xiàn)切割加工中的一個(gè)重要加工參數(shù)，峰值電流的大小在微觀層面上決定了加工表面的電蝕坑大小。相較于一般的電阻限流式脈沖電源，本文所采用的脈沖電源利用電感代替電阻作為限流元件，實(shí)現(xiàn)了電流的緩升。在工作液、主回路電感不變的條件下，脈沖寬度的大小決定了電流上升的時(shí)間。電流上升時(shí)間長(zhǎng)，峰值電流也就越大；反之，峰值電流則越小[15]。當(dāng)脈寬較小時(shí)，單次放電持續(xù)時(shí)間短，加工間隙中兩極間正離子與電子形成放電通道的時(shí)間也越短，形成的放電通道直徑小，蝕除產(chǎn)物顆粒少且小，也易排出；當(dāng)脈寬較大時(shí)，所形成的放電通道直徑較大，所產(chǎn)生的蝕除產(chǎn)物顆粒大且多，極易堵塞極間，造成集中放電并產(chǎn)生電弧[16-17]，從而導(dǎo)致斷絲。

如圖6所示，當(dāng)脈沖寬度不變時(shí)，電弧放電概率隨著脈沖間隔時(shí)間增加而呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但其電流峰值基本不變。脈間的大小決定了加工間隙中消電離、排出蝕除產(chǎn)物和降溫的時(shí)間[18]。當(dāng)脈間過(guò)于小時(shí)，加工間隙中消電離不充分，易引起電弧放電甚至斷絲。只有脈間合適時(shí)，加工間隙才能充分在下一次擊穿前充分消電離，防止出現(xiàn)電弧放電。

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改變脈寬或脈間都會(huì)影響電弧放電概率。這是因?yàn)楦淖兠}寬或脈間，實(shí)際上是改變脈沖的占空比，當(dāng)占空比較小時(shí)，加工間隙中溫度下降快，蝕除產(chǎn)物也有相對(duì)充裕的時(shí)間排出，間隙消電離效果更好，出現(xiàn)電弧放電的概率更??；當(dāng)占空比較大時(shí)，更有可能出現(xiàn)電弧放電。但減小脈寬也意味著峰值電流更小、放電通道更窄以及蝕除產(chǎn)物更少更易排除，因此在本文的主放電回路中，脈寬大小對(duì)電弧放電概率和電弧電流峰值產(chǎn)生了更加顯著的影響。

為抑制電弧放電，必須首先檢測(cè)電弧放電脈沖，但電弧放電與正?；鸹ǚ烹娫谄骄妷荷想y以區(qū)分，且本文所采用放電回路的電弧電流峰值隨著脈寬而改變（圖5），因此也不能采用電壓電流閾值法[19]進(jìn)行零星電弧脈沖的識(shí)別，從而進(jìn)一步增大了檢測(cè)難度。

盡管電弧電流峰值隨著脈寬增大而上升，但根據(jù)脈沖電源結(jié)構(gòu)可知：主放電回路中的電感不變，脈寬對(duì)電弧放電時(shí)電流的上升速率并無(wú)影響，故可通過(guò)對(duì)電流波形的梯度設(shè)置閾值來(lái)識(shí)別電弧放電并進(jìn)一步控制脈寬，以降低電極絲斷絲風(fēng)險(xiǎn)。

4 基于電弧識(shí)別的斷絲控制

基于電弧識(shí)別的斷絲控制方案，其硬件結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖7。采用STM32芯片作為下位機(jī)，利用定時(shí)器輸出高頻控制脈沖，控制BUCK主放電回路輸出加工脈沖；選用ACS733霍爾電流傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量加工間隙中的電流，并輸出到STM32的AD轉(zhuǎn)換引腳，ACS733傳感器可提供1 MHz帶寬的模擬輸出，能實(shí)現(xiàn)間隙電流檢測(cè)的高響應(yīng)、高線(xiàn)性度要求；通過(guò)合理配置STM32中ADC時(shí)鐘分頻、采樣時(shí)間以及外部觸發(fā)周期，結(jié)合DMA技術(shù)可使采樣頻率最高達(dá)到860 kHz，能滿(mǎn)足電流波形的測(cè)量要求。采用基于ARMv8架構(gòu)的RK3399處理器作為上位機(jī)來(lái)運(yùn)行線(xiàn)切割數(shù)控系統(tǒng)，并與下位機(jī)之間利用CAN總線(xiàn)進(jìn)行通訊以設(shè)置脈沖參數(shù)等。由于電弧放電引起斷絲過(guò)程時(shí)間較短，為提高實(shí)時(shí)性，當(dāng)STM32識(shí)別出電弧放電并判斷斷絲危險(xiǎn)較大時(shí)，直接通過(guò)STM32改變控制脈沖，并通過(guò)高速光耦繞過(guò)CAN總線(xiàn)，直接觸發(fā)RK3399外部中斷，以控制伺服進(jìn)給模塊迅速回退，避免斷絲。

圖7 斷絲預(yù)警系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

電弧脈沖的識(shí)別流程見(jiàn)圖8。由于電弧放電峰值電壓較低，且電流梯度變化較大，因此可以在每個(gè)脈沖周期內(nèi)，結(jié)合峰值電壓分析其電流梯度特征。若峰值電壓較低且電流梯度高于閾值，則認(rèn)為該周期內(nèi)出現(xiàn)了電弧脈沖，并將其記錄下來(lái)。若此后的4個(gè)周期內(nèi)不再出現(xiàn)電弧脈沖，則認(rèn)為加工狀態(tài)已自行恢復(fù)正常，不采取后續(xù)措施；若此后電弧脈沖持續(xù)出現(xiàn)，則認(rèn)為發(fā)生了連續(xù)電弧放電，需做出進(jìn)一步的反應(yīng)。

識(shí)別出電弧放電后，采用多級(jí)預(yù)警、分級(jí)處理的方式控制并延緩斷絲。具體的處理方案是：當(dāng)STM32首次檢測(cè)到電弧放電時(shí)，根據(jù)前文得出的脈寬與電弧放電關(guān)系，立刻降低脈沖寬度，抑制電弧放電。由于脈沖寬度過(guò)小會(huì)導(dǎo)致脈沖能量過(guò)小、放電蝕除能力不足、切割速度降低以及加工效率降低，在降低脈寬后，如不再出現(xiàn)電弧放電，則需立即恢復(fù)原定脈寬，在安全的前提下保證往復(fù)走絲線(xiàn)切割加工效率；若電弧放電仍持續(xù)發(fā)生，則STM32經(jīng)高速光耦拉低RK3399對(duì)應(yīng)引腳電平，觸發(fā)上位機(jī)電弧警告中斷，并立刻控制伺服機(jī)構(gòu)回退；在此過(guò)程中若仍舊檢測(cè)到電弧放電，則表明極有可能發(fā)生斷絲，STM32應(yīng)立刻關(guān)閉電源，并觸發(fā)上位機(jī)斷絲預(yù)警中斷，RK3399進(jìn)入斷絲預(yù)警中斷后，立刻回退至加工起始點(diǎn)并停止加工，同時(shí)發(fā)布報(bào)警信息。

將以上基于電弧識(shí)別與抑制的斷絲控制方案整合到圖4所示的電火花線(xiàn)切割系統(tǒng)中，選用直徑0.12 mm鉬絲，在80 V開(kāi)路電壓、90μs脈間及不同脈寬條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并記錄該實(shí)驗(yàn)條件下采用斷絲控制方案前后的電弧放電概率及電極絲的切割壽命。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖9、圖10。

如圖9所示，采用基于電弧識(shí)別的斷絲控制方案后，各脈寬下的電弧放電概率明顯下降，且隨著脈寬增大，電弧放電概率下降概率約保持為50%，說(shuō)明該方案在電弧抑制上取得了良好的效果。

如圖10所示，采用斷絲控制方案后，在各脈寬條件下的電極絲使用壽命均有一定提高，尤其在脈寬較大的工況下，電極絲壽命出現(xiàn)了數(shù)量級(jí)提高，這說(shuō)明通過(guò)降低脈寬、進(jìn)給回退、關(guān)閉電源等方式抑制電弧脈沖能明顯改善加工間隙工作狀態(tài)、延長(zhǎng)電極絲壽命。在脈寬15μs、脈間90μs的工況下進(jìn)行電弧識(shí)別與抑制之后，電極絲的壽命與不采用電弧抑制策略且脈寬為10μs的工況相當(dāng)，但因脈寬更大時(shí)的放電能量更大、切割速度更快、加工效率更高，說(shuō)明通過(guò)本文所提出的斷絲控制方案能在保證電極絲安全的情況下實(shí)現(xiàn)放電能量更大的加工過(guò)程，從而提高線(xiàn)切割加工的效率。

圖10 電弧抑制前后電極絲壽命對(duì)比

5 結(jié)論

（1）本文分析了基于BUCK主電路結(jié)構(gòu)的電火花線(xiàn)切割加工脈沖電源的脈沖特性及其對(duì)斷絲的影響機(jī)理。

（2）本文通過(guò)脈沖參數(shù)實(shí)驗(yàn)并結(jié)合理論分析，解釋了脈寬與脈間對(duì)于電弧放電發(fā)生概率及其電流峰值的影響，提出了基于電流脈沖梯度曲線(xiàn)的電弧脈沖識(shí)別方案。

（3）本文還提出并實(shí)現(xiàn)了基于電弧識(shí)別與抑制的斷絲控制方案，實(shí)驗(yàn)表明：該方案能通過(guò)抑制電弧放電的方式有效控制和延緩斷絲，提高加工穩(wěn)定性與效率。