基于CPLD的絕緣陶瓷往復(fù)走絲電火花線切割加工間隙放電狀態(tài)檢測(cè)研究

郭永豐,鄭紹清,侯朋舉

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)特種加工與機(jī)電控制研究所,黑龍江 哈爾濱 150001)

陶瓷具有高硬度、高熔點(diǎn)、耐腐蝕、低熱導(dǎo)率以及低密度的特點(diǎn),因而在工業(yè)中有著越來越廣泛的應(yīng)用。采用陶瓷材料制成的模具、發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪和主軸,因其良好的特性而備受青睞。但也正因?yàn)樘沾傻挠捕群腿埸c(diǎn)都很高,使傳統(tǒng)切削加工較困難,刀具磨損嚴(yán)重,加工效率低,成本高。

電火花加工技術(shù)一般用來加工導(dǎo)電材料。1993年日本學(xué)者毛利尚武和福澤康教授發(fā)明了輔助電極法,它可實(shí)現(xiàn)電火花加工絕緣陶瓷[1]。輔助電極法是在工件表面附加導(dǎo)電層,利用放電過程中形成的導(dǎo)電膜構(gòu)成輔助電極實(shí)現(xiàn)放電加工。在控制好加工工藝參數(shù)的情況下,輔助電極不斷地熔蝕和生成,實(shí)現(xiàn)連續(xù)放電加工。此后,毛利尚武教授和福澤康教授研究了利用輔助電極法,針對(duì)不同材質(zhì)的絕緣陶瓷的成形加工和單向走絲電火花線切割加工[2]。

在絕緣陶瓷的電火花加工過程中,當(dāng)導(dǎo)電膜形成狀態(tài)差時(shí),導(dǎo)電膜電阻大,出現(xiàn)高電壓放電現(xiàn)象,使常規(guī)的往復(fù)走絲線切割加工狀態(tài)檢測(cè)裝置不再適用;而對(duì)間隙放電狀態(tài)的檢測(cè)能為電源參數(shù)和伺服進(jìn)給參數(shù)的選擇提供依據(jù),有利于提高加工效率和質(zhì)量。因此,針對(duì)絕緣陶瓷往復(fù)走絲電火花線切割加工間隙狀態(tài)檢測(cè)的研究是非常有必要的。

本文采用自行研制的往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床進(jìn)行研究。對(duì)間隙電壓進(jìn)行采樣,實(shí)時(shí)判別出每個(gè)脈沖的放電狀態(tài),并進(jìn)行計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì),獲取在不同加工參數(shù)下各狀態(tài)所占的比率,以此來研究絕緣陶瓷往復(fù)走絲電火花線切割加工工藝,總結(jié)其加工特點(diǎn),并將它作為伺服進(jìn)給和工藝參數(shù)選擇的依據(jù)。

1 加工間隙放電波形的特殊性

本文加工的絕緣陶瓷材料為Si3N4。為實(shí)現(xiàn)利用輔助電極法加工絕緣陶瓷,首先需要在陶瓷表面噴鍍或壓制一層導(dǎo)電材料,因此選用表面壓制碳層的Si3N4絕緣陶瓷,陶瓷厚度為12mm,碳層厚度為1.5mm。在加工過程中,吸附形成的導(dǎo)電膜和碳層一起構(gòu)成輔助電極,它和電極絲一起構(gòu)成放電的兩極,實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的電火花蝕除加工。在加工過程中,由于形成的導(dǎo)電膜厚度不一致(厚度在0～30μm范圍內(nèi)[3]),導(dǎo)電膜的電阻由其厚度決定。文獻(xiàn)[4]通過實(shí)測(cè)Si3N4已加工表面電阻率,發(fā)現(xiàn)其表面黑色導(dǎo)電層的電阻率達(dá)到20～100 Ω?cm。當(dāng)導(dǎo)電膜厚度小時(shí),其電阻大,導(dǎo)致輔助電極電阻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于金屬的電阻率,阻值能達(dá)到40 Ω左右。而限流電阻一般采用小阻值電阻,在這種情況下,間隙將分掉大部分的電源電壓,造成放電過程中間隙出現(xiàn)高電壓現(xiàn)象(圖1)。

圖1 加工過程中采集的電壓和電流波形圖

2 間隙狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床加工金屬時(shí),放電狀態(tài)一般分為3種,分別是空載、火花放電和短路狀態(tài)。而對(duì)于絕緣陶瓷的加工,根據(jù)圖1的加工間隙電壓和電流波形,當(dāng)間隙放電電壓高于加工金屬時(shí)的維持電壓,將此時(shí)的火花放電狀態(tài)稱為高阻火花狀態(tài),此時(shí)的短路狀態(tài)稱為高阻短路狀態(tài)。當(dāng)導(dǎo)電膜形成良好時(shí),此時(shí)導(dǎo)電膜厚度大,電阻小,間隙放電電壓近似等于加工金屬時(shí)的維持電壓,將此時(shí)的火花放電狀態(tài)稱為低阻火花狀態(tài),此時(shí)的短路狀態(tài)稱為低阻短路狀態(tài)。因此,在絕緣陶瓷往復(fù)走絲電火花線切割加工中,間隙放電狀態(tài)被分為5種,分別是空載、高阻火花、低阻火花、高阻短路和低阻短路狀態(tài)。檢測(cè)裝置在脈寬期間對(duì)間隙電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤,通過設(shè)定 3個(gè)閾值 Vef1、Vef2和 Vef3,獲取間隙電壓信息,在脈寬結(jié)束時(shí)區(qū)分出此脈沖的放電狀態(tài)(圖2)。由于狀態(tài)檢測(cè)裝置能區(qū)分出每一個(gè)脈沖的放電狀態(tài),便可推斷出間隙的加工狀態(tài)和導(dǎo)電膜的形成情況。

圖2 間隙狀態(tài)判別時(shí)序圖

圖3是間隙狀態(tài)檢測(cè)和伺服控制系統(tǒng)框圖。整個(gè)系統(tǒng)由電阻分壓模塊、差分運(yùn)放采樣模塊、比較電路模塊、光電隔離模塊、復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD模塊、多軸伺服運(yùn)動(dòng)控制卡模塊以及上位機(jī)組成。由于系統(tǒng)采用高速CPLD作為狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)主構(gòu)芯片,它能實(shí)現(xiàn)在線編程,因此整個(gè)系統(tǒng)具有高集成度和柔性。

圖3 間隙狀態(tài)檢測(cè)及伺服控制系統(tǒng)圖

通過差分運(yùn)放對(duì)間隙電壓進(jìn)行采樣,利用電流傳感器對(duì)間隙電流進(jìn)行采樣,將采樣結(jié)果送入比較電路,通過和設(shè)定的閾值進(jìn)行比較,判斷當(dāng)前電壓和電流所處的區(qū)間。比較電路輸出的結(jié)果經(jīng)光電隔離送入復(fù)雜CPLD中,用硬件描述語言對(duì)CPLD進(jìn)行內(nèi)部編程,內(nèi)部邏輯電路對(duì)輸入信號(hào)經(jīng)一系列邏輯運(yùn)算得到當(dāng)前的間隙放電狀態(tài)。判別狀態(tài)反饋到脈沖電源主振發(fā)生電路,作為控制脈沖參數(shù)的依據(jù)。同時(shí)對(duì)判別出的狀態(tài)進(jìn)行計(jì)數(shù),并將其結(jié)果發(fā)送到多軸伺服運(yùn)動(dòng)控制卡,作為伺服控制的依據(jù)。運(yùn)動(dòng)控制卡通過PCI104總線與工控機(jī)相連,將狀態(tài)信息和運(yùn)動(dòng)信息傳輸?shù)斤@示界面上,顯示界面利用Microsoft Visual C++編寫。

在圖2中,Vef1、Vef2和 Vef3是比較電路中比較器1、比較器2和比較器3的閾值。閾值 Vef3設(shè)定為3～5 V,它的作用是區(qū)分每個(gè)脈沖的脈寬和脈間,控制檢測(cè)程序只在脈寬期間對(duì)放電狀態(tài)進(jìn)行判別;在脈間期間不判別狀態(tài),防止產(chǎn)生誤判斷。在比較器3輸出高電平期間(即脈寬期間),不同的間隙放電狀態(tài)擁有不同的比較器1和比較器2輸出(圖4)。在脈寬期間,如果比較器1和比較器2的輸出存在下降沿,則表明間隙電壓由高至低發(fā)生擊穿現(xiàn)象,且間隙電壓小于 Vef2,此脈沖放電為低阻火花狀態(tài)。當(dāng)脈寬期間比較器1輸出存在下降沿,比較器2輸出不存在下降沿,則表明雖然間隙發(fā)生了擊穿,但間隙電壓高于 Vef2而小于 Vef1,認(rèn)定此脈沖放電為高阻火花狀態(tài)。當(dāng)脈寬期間比較器1和比較器2輸出都不存在下降沿時(shí),則需從以下3種情況分析。首先,如果比較器1的輸出為高電平,表明間隙兩端電壓高于 Vef1,認(rèn)為此脈沖放電為空載狀態(tài);其次,如果比較器1的輸出為低電平,而比較器2的輸出為高電平,表明間隙兩端電壓一直在 Vef1和 Vef2之間,而又不存在間隙擊穿,因此認(rèn)為此脈沖放電為高阻短路狀態(tài),第三,如果比較器2的輸出一直為低電平,表明間隙兩端電壓一直低于 Vef2,且也不存在間隙擊穿,認(rèn)為此脈沖放電為低阻短路狀態(tài)。

圖4 狀態(tài)判別流程圖

3 絕緣陶瓷加工試驗(yàn)

3.1 加工試驗(yàn)條件和方法

試驗(yàn)采用往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床,電極絲選用直徑為0.15mm的鉬絲,絲速為9.5 m/s。采用浸液式加工,工作液為煤油。用多軸伺服運(yùn)動(dòng)控制卡控制各軸運(yùn)動(dòng),可實(shí)現(xiàn)XY平面的任意曲線運(yùn)動(dòng)。加工實(shí)驗(yàn)采用以設(shè)定速度恒速進(jìn)給方式。但當(dāng)間隙發(fā)生短路時(shí),伺服停止進(jìn)給并回退,回退一定距離后繼續(xù)以設(shè)定速度恒速進(jìn)給。脈沖電源為自行研制的等電流脈寬模式電源,其直流電源E=100 V,短路峰值電流為20 A。脈沖電源依靠電流傳感器對(duì)間隙電流進(jìn)行檢測(cè),并送入比較電路。當(dāng)電流大于設(shè)定閾值時(shí),作為間隙擊穿信號(hào)。在絕緣陶瓷加工試驗(yàn)中,電流設(shè)定閾值為7 A。由于導(dǎo)電膜的形成受各種因素影響,因此當(dāng)導(dǎo)電膜形成差時(shí),回路電阻增加,產(chǎn)生高電壓放電現(xiàn)象,即高阻放電狀態(tài),此時(shí)電流可能小于設(shè)定值7 A。由于此時(shí)CPLD沒有獲得間隙擊穿信號(hào),高壓主回路一直處于導(dǎo)通狀態(tài),間隙一直有電流通過,因而產(chǎn)生了電流脈寬大于設(shè)定值的情況,這便是長脈寬放電現(xiàn)象(圖1)。由于導(dǎo)電膜形成緩慢,為防止電流脈寬過長而造成斷絲現(xiàn)象,設(shè)定最大電流脈寬為250μs,即不管間隙電流是否超過7 A,當(dāng)間隙放電持續(xù)時(shí)間超過250μs時(shí),脈沖電源根據(jù)算法自動(dòng)關(guān)斷主回路,強(qiáng)制進(jìn)入脈間階段。

試驗(yàn)中,脈沖電源為等電流脈寬模式電源,間隙不存在圖2中的矩形空載狀態(tài),它將以擊穿延時(shí)的狀態(tài)等待直至擊穿,因此狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)并不對(duì)空載狀態(tài)進(jìn)行區(qū)分。通過上位機(jī)采集30 min內(nèi)其余4種脈沖放電狀態(tài)的脈沖數(shù),分析各狀態(tài)占總脈沖數(shù)的百分比,以此獲得間隙的加工狀態(tài)。設(shè)定30 min內(nèi)各狀態(tài)脈沖數(shù)為高阻火花 NHG、低阻火花 NHD、高阻短路 NDG和低阻短路 NDD。定義30 min內(nèi)放電狀態(tài)總脈沖數(shù)為 Nsum=NHG+NHD+NDG+NDD,則高阻火花脈沖數(shù)占總脈沖數(shù)的比率為 NHG/Nsum,低阻火花的比率為NHD/Nsum,高阻短路的比率為NDG/Nsum,低阻短路的比率為 NDD/Nsum。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖5a是各間隙放電狀態(tài)的比率和電流脈寬設(shè)定值之間的關(guān)系曲線。試驗(yàn)中,加工時(shí)設(shè)定的進(jìn)給速度為 1μm/s,脈間保持 100μs不變。從圖 5a 可看出,在不同電流脈寬的情況下,高阻火花狀態(tài)的比率很高,占總數(shù)的90%以上,而低阻火花狀態(tài)、高阻短路狀態(tài)和低阻短路狀態(tài)的比率則都只占總數(shù)的10%不到。這說明在采用較低速度進(jìn)給的情況下,絕緣陶瓷加工過程中發(fā)生短路(包括短路低阻和短路高阻)的情況較少,這與加工金屬材料的情況是一致的。但同時(shí),低阻火花的比率很低(遠(yuǎn)低于高阻火花的比率),導(dǎo)致這種情況的原因可能是電源短路峰值電流能達(dá)到20 A,而進(jìn)給速度只有 1μm/s,使加工過程中放電不連續(xù),導(dǎo)電膜形成不穩(wěn)定,輔助電極的電阻大,因而高阻火花的比率遠(yuǎn)高于低阻火花的比率。隨著電流脈寬的增大,各狀態(tài)的比率基本不變。這是因?yàn)樵诩庸そ^緣陶瓷時(shí),由于發(fā)生高阻放電的情況較多,造成了長脈寬放電現(xiàn)象,一些脈寬長度甚至等于設(shè)定的最大電流脈寬長度250μs,這些長脈寬和電流設(shè)定脈寬同時(shí)存在,使電源設(shè)定的電流脈寬對(duì)加工影響不顯著。

圖5b是各間隙放電狀態(tài)比率和進(jìn)給速度之間的關(guān)系曲線。試驗(yàn)中采用的電流脈寬為20μs,脈間為100μs。從圖5b可看出,隨著進(jìn)給速度的提高,高阻火花占總數(shù)的比率降低了。而低阻火花、高阻短路和低阻短路狀態(tài)各自的比率則升高了。這是因?yàn)殡S著加工速度的提高,加工連續(xù)性變好,導(dǎo)電膜形成情況趨向穩(wěn)定,因而導(dǎo)電膜的電阻率降低,低阻放電增加,低阻火花的比率隨進(jìn)給速度的增加有較大增幅也能反映出這點(diǎn)。同時(shí),隨著進(jìn)給速度的提高,短路放電狀態(tài)(包括高阻短路和低阻短路狀態(tài))的比率上升。這是因?yàn)楫?dāng)進(jìn)給速度加快時(shí),部分時(shí)段內(nèi)間隙的蝕除速度和導(dǎo)電膜的形成速度小于伺服進(jìn)給速度,使間隙發(fā)生短路現(xiàn)象。

圖5 加工試驗(yàn)曲線

4 結(jié)論

本文針對(duì)絕緣陶瓷往復(fù)走絲電火花線切割加工間隙狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了研究,并利用研制的檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了加工試驗(yàn),對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。試驗(yàn)表明能對(duì)加工過程進(jìn)行監(jiān)控,并得出以下結(jié)論。

(1)研制的檢測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)檢測(cè)每個(gè)間隙脈沖放電狀態(tài),并將間隙放電狀態(tài)分為空載、高阻火花、低阻火花、高阻短路和低阻短路5種狀態(tài)。一段時(shí)間內(nèi)統(tǒng)計(jì)的各狀態(tài)脈沖數(shù)占總脈沖數(shù)的比率,可反映出當(dāng)前間隙的加工狀態(tài)。

(2)利用檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行加工試驗(yàn)得到的結(jié)果表明,由于長脈寬現(xiàn)象的存在,使電流脈寬的設(shè)定值對(duì)加工的影響不顯著。且在一定范圍內(nèi)提高進(jìn)給速度,有利于提高導(dǎo)電膜形成的連續(xù)性,但同時(shí)也會(huì)提高短路率。

[1]Mohri N,Fukuzawa Y,Tani T,et al.Assisting electrode method for machining insulating ceramics[J].Annals of the CIRP,1996,45(1):201-204.

[2]Mohri N,Fukuzawa Y,Tani T,et al.Some considerations to machining characteristics of insulating ceramics towards pratical use in industry[J].Annals of the CIRP,2002,51(1):161-164.

[3]Fukuzawa Y,Imata A,et al.Mechanical strength of the wire EDM insulating ZrO2ceramics by assisting electrode method[C]//Proceeding of the 15th of International Symposium on Electromachining,Pittsburgh:2007:165-169.

[5]郭永豐,鄧冠群,白基成,等.絕緣陶瓷氮化硅高速走絲線切割加工技術(shù)研究[C]//2007年中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)年會(huì)論文集:第12屆全國特種加工學(xué)術(shù)會(huì)議專輯.長沙:2007:165-168.