第四代中走絲電火花線切割機床的核心技術(shù)

李克君,劉 康,劉禎明,陳立新,楊得勝

(1.四川深揚數(shù)控機械有限公司,四川成都610061;2.四川理工學(xué)院/過程裝備與控制工程四川省重點實驗室,四川自貢643000)

1 中走絲電火花線切割機床現(xiàn)狀

從往復(fù)走絲電火花線切割機床誕生至今,四十多個春秋的風(fēng)風(fēng)雨雨見證了中國制造業(yè)從小到大、由弱到強的發(fā)展歷程。如果說往復(fù)走絲電火花線切割技術(shù)的發(fā)展是中國工業(yè)發(fā)展的一個縮影,那么在國家“十二五”規(guī)劃的開局之年,有著中國特色的線切割技術(shù)同樣也走到了一個承上啟下的關(guān)鍵時期。然而,現(xiàn)實的情況是,中走絲線切割技術(shù)的發(fā)展并不是很盡如人意,目前市場上大多數(shù)中走絲機床在技術(shù)上仍存在4個方面的嚴(yán)重缺陷:①大面積、低粗糙度值的連續(xù)切割穩(wěn)定性差;②多個相同零件加工的一致性差;③多孔位加工的定位精度差;④高度方向上的縱向尺寸誤差大。在可操作性上還應(yīng)注意以下問題:①操作者要有非常熟練的上絲和緊絲技藝;②操作者要有豐富的經(jīng)驗,能隨時注意并排除電極絲因松緊變化而引起的故障;③操作者使用的導(dǎo)絲器,對穿絲極為不便;④操作者需掌握不同材料、不同厚度的各種電參數(shù)的組合與匹配,如沒有相當(dāng)?shù)慕?jīng)驗和時間的驗證,是很難做到的。

無論是技術(shù)上的缺陷,還是操作上的問題,歸根到底是技術(shù)創(chuàng)新力的不足。如果這些問題不能得到有效解決,那么中走絲線切割機床最終會被市場拋棄。因此,線切割機床制造企業(yè)不得不考慮發(fā)展方向的轉(zhuǎn)型,而不是產(chǎn)品技術(shù)轉(zhuǎn)型。

2 創(chuàng)新技術(shù)與創(chuàng)新理念

2.1 中走絲機床先進性劃分

用級別劃分中走絲機床的先進性只是一種嘗試(表1),雖不一定準(zhǔn)確,但能反映其發(fā)展走勢,也為中走絲機床的研發(fā)提供一個方向性的參考。

2.2 第四代中走絲機床的標(biāo)志

(1)全閉環(huán)自適應(yīng)AC伺服電極絲張力控制系統(tǒng)

第四代是在第三代的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的,在電極絲張力的控制上更精確、人性化。采用雙傳感器實現(xiàn)了對高速運行電極絲的雙向監(jiān)測,以及運絲路徑中加工區(qū)域張力的自適應(yīng)修正,當(dāng)電極絲運行出現(xiàn)保養(yǎng)性異常時,系統(tǒng)實現(xiàn)自動停機、報警提示。張力控制精度達到0.2 N/0.5 s。該技術(shù)已獲得國家發(fā)明專利(ZL200810046296.5)。

(2)率先突破了變張力多次切割技術(shù)

在進行多次切割時,系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)庫的指令,對每一次切割時的張力設(shè)定值進行切換,雖然每次的張力絕對值不一樣,但每次切割運行中的電極絲張力保持精確恒定,這是解決工件在低表面粗糙度值下縱向尺寸誤差的有效途徑。

2.3 新技術(shù)帶來的新理念——五軸聯(lián)動

中走絲線切割機床的五軸聯(lián)動不同于一般數(shù)控機床,它包括原有的X 、Y 、U 、V、Z 軸(X 、Y 、U 、V軸必須實現(xiàn)聯(lián)動),還有張力控制軸(F軸)。張力控制軸的結(jié)構(gòu)為直線導(dǎo)軌、滾珠絲杠全閉環(huán) AC伺服控制,且在進行大錐度切割時,F軸與U、V軸的控制必須遙相呼應(yīng),于是F軸就形成與U、V軸的聯(lián)動,所以這和傳統(tǒng)意義上的聯(lián)動不一樣。我們認(rèn)為這是數(shù)控技術(shù)的新理念,也是第四代中走絲機床的標(biāo)志之一。五軸聯(lián)動是解決大錐度工件無導(dǎo)絲器多次切割、改善表面粗糙度的有效途徑。

表1 中走絲線切割機床先進性劃分

2.4 提升中走絲機床品質(zhì)的技術(shù)途徑

(1)必須有性能先進的專家數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),徹底擺脫對操作者個人技能的依賴。

(2)對電極絲實行動態(tài)精確控制,這是依靠操作者也無法實現(xiàn)的。

(3)根據(jù)中走絲機床的工藝特點,對精加工時的電極絲直徑進行恒量化控制。

(4)研發(fā)中走絲專用控制系統(tǒng)軟件,實現(xiàn)高精度對中功能及螺距誤差補償功能。

(5)進行人性化應(yīng)用設(shè)計,只有當(dāng)中走絲機床的操作既輕松又簡便,才會被市場所接受。

3 核心技術(shù)

3.1 第三代智能專家控制系統(tǒng)

(1)高頻參數(shù)智能化。系統(tǒng)將根據(jù)用戶選擇的工件材料與工件厚度,自動選擇高頻參數(shù)。

(2)切割次數(shù)智能化。系統(tǒng)將根據(jù)用戶所需的工件表面質(zhì)量,提供切割所需的次數(shù),指導(dǎo)用戶編程。

(3)加工余量智能化。多次切割時,為保證良好的表面粗糙度和工件尺寸,系統(tǒng)將根據(jù)用戶對工件的要求,將每次切割的加工余量列成表格,指導(dǎo)用戶編程。

(4)切割跟蹤智能化。系統(tǒng)將根據(jù)高頻參數(shù)和加工余量,自動調(diào)節(jié)進給跟蹤頻率。

(5)短路判斷智能化。系統(tǒng)可自動監(jiān)測放電狀態(tài),根據(jù)放電狀態(tài)控制工作臺進給,避免發(fā)生實際上的短路。

(6)絲速控制智能化。在切割過程中,系統(tǒng)可根據(jù)切割的高頻參數(shù)自動切換走絲速度。

(7)張力參數(shù)智能化。系統(tǒng)根據(jù)切割次數(shù),自動切換張力值,并將張力值傳送至張力控制系統(tǒng)。

(8)專家數(shù)據(jù)庫為開放式設(shè)計,用戶可根據(jù)經(jīng)驗對數(shù)據(jù)進行修改,形成個人專用數(shù)據(jù)庫。

(9)系統(tǒng)具有低能量、高速進給自動切換功能。首次切割時的電流一般較大,在工件表面易因氧化層而燒斷鉬絲,本系統(tǒng)在電極絲未接觸工件時高速進給;當(dāng)電極絲接觸工件時自動切換為低能量切割,可避免燒斷鉬絲;當(dāng)電極絲完全切入工件后,系統(tǒng)自動恢復(fù)高能量設(shè)定,進行正常切割。

(10)高效斷續(xù)加工功能。當(dāng)鉬絲與工件沒有接觸時(空切),系統(tǒng)自動將進給跟蹤速度調(diào)至最快;一旦當(dāng)鉬絲與工件接觸后,系統(tǒng)又自動將跟蹤頻率恢復(fù)正常設(shè)定,進行切割。該功能可提高無效切割時的空走速度,減少無效切割的時間,在無人看守的情況下實現(xiàn)高效斷續(xù)加工。

(11)放電加工動態(tài)頻譜顯示。用戶可直觀地了解切割跟蹤的情況。

(12)用戶可根據(jù)實際情況選擇多次切割或單次切割控制,在單次切割控制時,系統(tǒng)將根據(jù)用戶選擇的不同加工電流,自動選擇最佳參數(shù)。

上述第 4 、5、7、9、10、12 條為自主創(chuàng)新技術(shù),其中,第9、10條為中國首創(chuàng)。

3.2 智能張力控制系統(tǒng)

該控制系統(tǒng)是公司自主創(chuàng)新研發(fā)的高精度電極絲張力控制系統(tǒng),獲得國家發(fā)明專利,擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)。該系統(tǒng)為全數(shù)字、全閉環(huán)、高響應(yīng)的交流伺服控制系統(tǒng),對高速運行的電極絲張力控制精度達到0.2 N/0.5 s。該系統(tǒng)采用液晶顯示,人機交互,直觀簡潔,具有自動上絲控制、自動緊絲控制、絲架升降無須取絲、電極絲張力精確適時補償、斷絲保護、參數(shù)斷電記憶保護、實時顯示張力值、張力輪位置手動調(diào)節(jié)、張力調(diào)節(jié)輪超程保護等多項實用功能。

3.3 電極絲刀庫化控制系統(tǒng)

本系統(tǒng)是借鑒加工中心的刀庫控制理念,自主創(chuàng)新研發(fā)的智能化控制系統(tǒng),可實現(xiàn)線切割機床從粗加工到精加工過程中的電極絲自動更換。系統(tǒng)設(shè)計包括換刀信號發(fā)送單元、控制單元、執(zhí)行機構(gòu)、檢測機構(gòu)。其理論依據(jù)是電極絲的機械性能與直徑成正比,與放電能量成反比。工作時系統(tǒng)根據(jù)操作者的加工工藝要求,控制單元控制儲絲筒自動進行粗、精加工切換,粗加工時使用粗加工區(qū)電極絲(相當(dāng)于用粗加工刀具),當(dāng)粗加工完成,系統(tǒng)發(fā)出精加工信號,控制單元控制執(zhí)行機構(gòu)自動切換到精加工區(qū)電極絲(相當(dāng)于換上精加工刀具),由于精修切割具有小能量單邊放電磨削的特點,電極絲的損耗幾乎為零,電極絲的機械性能幾乎不變,因此,保證了工件精加工時的工藝需求,至此完成精加工過程。再次加工時,系統(tǒng)又恢復(fù)從粗到精的加工過程,所有過程完全智能化實現(xiàn),無須操作者干預(yù)。

3.4 首部Windows XP系統(tǒng)下運行的中走絲專用控制軟件

該軟件是以校企“產(chǎn)學(xué)研”方式合作研發(fā)的,是完全具有自主知識產(chǎn)權(quán)的中走絲專用控制系統(tǒng)。系統(tǒng)基于Windows XP運行,在繼承現(xiàn)有線切割機床控制功能的基礎(chǔ)上,參照低速走絲機床系統(tǒng),開發(fā)了“矩陣式”定位精度補償功能、定位式螺距誤差補償功能、精確的自動對中心功能和自動校垂直功能等。

4 人性化應(yīng)用設(shè)計

4.1 主導(dǎo)輪防水總成

已申請專利號:200420033291.6。該項設(shè)計具有較好的防水效果,拆裝組合便捷。

4.2 Z軸結(jié)構(gòu)

已申請專利號:200820140768.9。采用進口直線導(dǎo)軌、滾珠絲杠結(jié)構(gòu),最先將低速走絲Z軸結(jié)構(gòu)引用到中走絲機床上,使Z軸升降水平方向的定位精度達到0.002 mm以內(nèi),自動升降操作簡便,且Z軸升降時不用拆卸電極絲。

4.3 導(dǎo)輪保護器

導(dǎo)輪保護器正在申請專利。它不僅對導(dǎo)輪及傳感器形成保護,同時還實現(xiàn)了只要將電極絲放入保護器內(nèi),即使電極絲在松弛狀態(tài)也永遠(yuǎn)不會從導(dǎo)輪V形槽內(nèi)脫落,該技術(shù)使上絲穿絲操作極為簡便。

4.4 新型過渡導(dǎo)輪定位組件

已申請專利號:201120074850.8。組件為外螺紋結(jié)構(gòu),導(dǎo)輪外套設(shè)計有統(tǒng)一的軸向定位臺階,可保證所有導(dǎo)輪定位在規(guī)定的同一空間平面,且拆裝非常簡便。

4.5 復(fù)合型長壽命導(dǎo)電塊

已申請專利號:200820140769.3。該導(dǎo)電塊外形似梅花圓片,外圈為YG8硬質(zhì)合金,中間鑲嵌銅材,水平安裝,電極絲與導(dǎo)電塊端面接觸,耐磨和導(dǎo)電性能好。磨損后可旋轉(zhuǎn)一個小角度持續(xù)使用,旋轉(zhuǎn)一周后翻面還可用同樣方法再使用。導(dǎo)電性能和使用壽命,都是傳統(tǒng)導(dǎo)電塊的數(shù)十倍。

4.6 框架式折疊門水槽

已申請專利號:200920304351.6。解決了工作臺防水板不落地的要求,為了穿絲操作方便,該水槽不采用向兩側(cè)開門的方式,而是單側(cè)折疊開門,框架結(jié)構(gòu)主要是為減輕重量。

這些專利設(shè)計與核心技術(shù)相比,或許是雕蟲小技,但它們卻有著非常大的現(xiàn)實意義,不僅給操作者帶來極大的方便,其指導(dǎo)思想也充分體現(xiàn)了以人為本的科學(xué)發(fā)展觀。

5 驗收高端中走絲機床的重要指標(biāo)

高端中走絲機床的核心技術(shù)既不是作秀,更不是演戲,而是要刺刀見紅地殺開一條血路,要真正為用戶創(chuàng)造更高的價值,要勇敢地靠近低速走絲,所以高端中走絲機床的指標(biāo)必須具有實戰(zhàn)性、高端性,這主要體現(xiàn)在高精度、高穩(wěn)定性和人性化操作等要求上。我們參照低速走絲機床的國家標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合中走絲線切割機床的特點,制定了考核真正高端中走絲機床的技術(shù)指標(biāo)。在無須使用任何形式導(dǎo)絲器的狀態(tài)下,這些技術(shù)指標(biāo)主要有:

(1)表面粗糙度:Ra≤1.0 μ m/30 000 mm2。

(2)絕對尺寸精度誤差:≤±0.005 mm。

(3)一致性尺寸誤差:≤0.005 mm/30件。

(4)縱向尺寸誤差:≤0.005/100 mm。

(5)機床定位精度:按低速走絲國家標(biāo)準(zhǔn)驗收。

(6)30°大錐度無導(dǎo)絲器多次切割 Ra≤1.2 μ m/30 000 mm。

6 結(jié)束語

核心技術(shù)不是目的,精確量化的技術(shù)指標(biāo)才是價值。與核心技術(shù)相比,用戶更關(guān)心的是完整的技術(shù)指標(biāo),它既明確了精度要求,也對穩(wěn)定性給予了明確規(guī)范,再結(jié)合如前所述的人性化應(yīng)用設(shè)計,至此,無論是技術(shù)上的嚴(yán)重缺陷還是可操作性上的問題都得到了有效解決。高端中走絲機床的精度指標(biāo)固然是核心技術(shù)造就的,然而當(dāng)我們把這些核心技術(shù)運用于泰州某品牌機身上時,卻因“水土不服”而無法達到這些精度要求,這就說明了再好的核心技術(shù)也要有與之相配的主機平臺。

總之,核心技術(shù)要靠自主研發(fā),在時間上需要持續(xù)創(chuàng)新、永無止境,在空間上更要多學(xué)科、多領(lǐng)域的集成創(chuàng)新,這就需要凝聚一支高素質(zhì)的創(chuàng)新團隊。企業(yè)不僅要有“老當(dāng)益壯不墜青云之志、窮且益堅寧移白首之心”的堅定意志,還要敢于面對由于研發(fā)人員流動給企業(yè)創(chuàng)新研發(fā)帶來的高風(fēng)險,所以說制約實戰(zhàn)型高端中走絲機床發(fā)展的不是技術(shù)瓶頸,而是企業(yè)的管理瓶頸和文化瓶頸。

中走絲線切割加工技術(shù)發(fā)展的前途是光明的,道路是曲折的,一分耕耘一分收獲,堅持不懈努力,必能修得正果。