連桿應(yīng)力槽電火花線切割加工的恒切深控制

王瑩，張永俊

（廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州510006）

連桿應(yīng)力槽電火花線切割加工的恒切深控制

王瑩，張永俊

（廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州510006）

連桿裂解技術(shù)中，連桿大頭孔應(yīng)力槽深度的一致性對(duì)裂解質(zhì)量而言至關(guān)重要。通過研究設(shè)計(jì)出一種用于電火花線切割機(jī)床加工連桿的機(jī)構(gòu)，采用電壓電流檢測(cè)電路判斷電極絲初次碰到工件的位置，并結(jié)合單片機(jī)計(jì)數(shù)功能保證連桿應(yīng)力槽深度的一致性，且槽深不受連桿毛坯內(nèi)孔尺寸、電極絲與連桿初始位置變化的影響。此外，添加快速輔助進(jìn)給功能，加快空行程運(yùn)行速度。實(shí)驗(yàn)證明該方法提高了連桿裂解加工的質(zhì)量和效率。

電火花線切割加工；控制單元；檢測(cè)電路；恒切深

裂解技術(shù)在經(jīng)濟(jì)性和質(zhì)量方面的優(yōu)勢(shì)顯著，目前在連桿加工中已廣泛應(yīng)用。在整個(gè)裂解工藝中，連桿大頭孔裂解槽的尺寸精度對(duì)裂解質(zhì)量有著重要影響［1］。在連桿裂解加工技術(shù)中，為了利于裂紋開啟、迅速擴(kuò)展并發(fā)生脆斷性斷裂，要求初始裂解槽的應(yīng)力集中系數(shù)要大［2］。在一定程度上，裂紋深度與斷裂強(qiáng)度成反比，當(dāng)斷裂紋大于臨界深度時(shí)裂紋失穩(wěn)；但由于裂解后需進(jìn)行連桿大頭孔的精加工，故斷裂槽深度不能太深，否則在最后精鏜大頭孔時(shí)會(huì)留下殘痕，因此槽深一般小于0.6mm。此外，大頭孔中心兩側(cè)的裂解槽深應(yīng)嚴(yán)格一致，保證同時(shí)裂開，以獲得兩側(cè)一致的高質(zhì)量斷裂面。

裂解槽的加工方法有拉削加工、激光加工及電火花線切割加工等。拉削加工時(shí)，拉刀會(huì)隨著時(shí)間而磨損，使槽寬變大，影響裂斷效果，故該方法已逐漸被淘汰。激光加工的優(yōu)點(diǎn)是高效、質(zhì)量好，但加工設(shè)備價(jià)格昂貴，使用維護(hù)成本高；在某些情況下，切口處會(huì)殘留高硬度的再凝固硬質(zhì)點(diǎn)，影響后續(xù)精鏜加工。電火花線切割加工彌補(bǔ)了上述缺陷與不足，在裂解槽加工中脫穎而出。

然而，現(xiàn)有的連桿裂斷應(yīng)力槽線切割機(jī)床缺少快進(jìn)功能，導(dǎo)致輔助進(jìn)給工時(shí)較長(zhǎng)，加工效率低；此外，當(dāng)連桿大頭孔尺寸存在誤差時(shí)，每次切出來(lái)的槽深不同，導(dǎo)致后續(xù)加工時(shí)廢品頻出，必須進(jìn)行二次加工或直接報(bào)廢工件。為了解決這些問題，本文設(shè)計(jì)了一種具有恒切深控制功能的電火花線切割機(jī)床控制系統(tǒng)，且兼具快速輔助進(jìn)給功能，可保證槽深的一致性，提高加工效率。

1 控制系統(tǒng)的組成

電火花線切割機(jī)床控制系統(tǒng)主要由脈沖電源、控制單元、檢測(cè)電路及運(yùn)動(dòng)單元組成。系統(tǒng)各部分組成見圖1。其中，脈沖電源為加工工件和電極絲提供高頻能量；間隙電壓檢測(cè)電路是對(duì)工件和電極絲的加工間隙電壓取值，判斷間隙狀態(tài)，并將間隙狀態(tài)反饋到控制單元［3］?？刂茊卧捎胐sPIC單片機(jī)控制電極絲向工件的快速進(jìn)給，并接收來(lái)自于間隙電壓檢測(cè)電路的信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行分析，進(jìn)而控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1 控制系統(tǒng)的組成

2 運(yùn)動(dòng)控制基本策略分析

往復(fù)走絲電火花線切割加工時(shí)，交替出現(xiàn)的空載、短路和正?；鸹ǚ烹姷?種加工狀態(tài)使電極絲與工件的間隙狀態(tài)隨之交替。其中，短路狀態(tài)對(duì)加工不利，可能導(dǎo)致流過電極絲的電流超過其承受范圍而被熔斷，所以在控制方案中需對(duì)加工狀態(tài)實(shí)時(shí)檢測(cè)，并對(duì)加工中出現(xiàn)的短路現(xiàn)象及時(shí)進(jìn)行處理。

控制系統(tǒng)的基本策略見圖2。為了便于連桿的放置和拆卸，電極絲的初始位置應(yīng)與連桿留有一定的距離。在輔助時(shí)間里，控制器時(shí)刻檢測(cè)加工間隙狀態(tài)。當(dāng)開始執(zhí)行加工指令時(shí)，電極絲快速?gòu)奈恢?移動(dòng)到位置2；在位置2到位置3之間，電極絲以工進(jìn)速度進(jìn)給（此時(shí)電極絲未和連桿接觸）；隨著進(jìn)給的繼續(xù)，當(dāng)電極絲接觸到連桿時(shí)（位置4），間隙檢測(cè)電路會(huì)給單片機(jī)發(fā)出一個(gè)加工開始的信號(hào)，單片機(jī)識(shí)別其為首次火花放電，單片機(jī)控制器開始計(jì)數(shù)，直至發(fā)出期望的脈沖數(shù)，實(shí)現(xiàn)期望的槽深加工；然后快速返回初始位置1。在切割過程中，需對(duì)電火花線切割加工中的狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，如因短路原因執(zhí)行了電極絲的回退操作，則需對(duì)回退的脈沖數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償。

3 檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)中的電壓取樣電路能檢測(cè)電極絲的初始加工狀態(tài)和加工短路狀態(tài)［4］。圖3是間隙全值平均電壓檢測(cè)電路。其中，R1、C1、C2構(gòu)成低通濾波電路。濾波電路近似于一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，其滯后特性有助于加工的穩(wěn)定。這是因?yàn)榧庸ぶ胁粩嚯S機(jī)地出現(xiàn)空載、短路、火花放電等狀態(tài)，僅憑單個(gè)脈沖或某個(gè)狀態(tài)不能確定加工是否正常，只有在連續(xù)觀察一系列狀態(tài)后，才能做出準(zhǔn)確的判斷。此外，R2、R3為分壓電阻。二極管VD1能在脈沖間隔期間阻止濾波電容向前級(jí)電路放電。

圖2 電極絲運(yùn)動(dòng)軌跡

圖3 電壓取樣電路

短路狀態(tài)的檢測(cè)電路見圖4。U1為電壓比較器，在電極絲與工件之間采集到的電壓U從U1的正輸入端進(jìn)入，設(shè)定值與U1的負(fù)輸入端相連；當(dāng)采樣電路采得的間隙平均電壓值U比設(shè)定值小時(shí)，則認(rèn)為是短路狀態(tài)。此時(shí)，比較器的1腳輸出低電平，光耦U2的發(fā)光二極管有電流流過，光敏三極管導(dǎo)通，端口shortcut輸出低電平，給單片機(jī)短路外部中斷端口發(fā)送一個(gè)低電平信號(hào)。單片機(jī)接收到中斷信號(hào)后，進(jìn)入短路中斷程序，控制運(yùn)動(dòng)單元中的步進(jìn)電機(jī)回退相應(yīng)的步數(shù)。

圖4 短路狀態(tài)信號(hào)采樣電路

電極絲初碰連桿時(shí)，電流變化較大，較易采樣得到電流信號(hào)。圖5是加工開始狀態(tài)的信號(hào)采樣電路。當(dāng)電極絲與工件接觸時(shí)，流過電阻R10的電流增大，R10兩端的電壓也增大。R10兩端的電壓經(jīng)R11、R12分壓后與設(shè)定值比較，當(dāng)高于設(shè)定值時(shí)，比較器7腳輸出低電平，發(fā)光二極管發(fā)光，光敏三極管導(dǎo)通，端口Start給單片機(jī)相應(yīng)的中斷發(fā)送一個(gè)低電平信號(hào)。單片機(jī)接收到開始加工的外部中斷信號(hào)后，內(nèi)部計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，直到與已設(shè)定的槽深值相等時(shí)，則認(rèn)為加工到預(yù)定深度，單片機(jī)停止計(jì)數(shù)，并快速返回。

圖5 加工開始狀態(tài)的信號(hào)采樣電路

4 軟件程序的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)選用步進(jìn)電機(jī)，并利用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作。因?yàn)橛糜隍?qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的脈沖信號(hào)只與頻率有關(guān)，與占空比無(wú)關(guān)，因此產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的脈沖只需一個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器。采用dsPIC30F單片機(jī)，讓定時(shí)計(jì)數(shù)器工作在定時(shí)模式，每次進(jìn)入計(jì)數(shù)溢出中斷時(shí)，相應(yīng)的脈沖輸出端口電平翻轉(zhuǎn)，發(fā)出脈沖，并根據(jù)所采集到的間隙電壓狀態(tài)確定該如何記錄輸出脈沖。具體實(shí)施過程如下:根據(jù)工廠的實(shí)踐，應(yīng)力槽深度為0.4～0.6mm。在單片機(jī)中設(shè)定計(jì)數(shù)器的值N，使其切割深度為0.6mm。剛開始單片機(jī)控制電極絲快速向工件進(jìn)給，并未接觸到工件，單片機(jī)記錄脈沖數(shù)在變量A中；當(dāng)電極絲與連桿開始接觸，記錄工進(jìn)脈沖數(shù)在變量B中，直到計(jì)數(shù)值B與設(shè)定值N相等，單片機(jī)停止計(jì)數(shù)。步進(jìn)電機(jī)開始回退，回退的步數(shù)為（A+B）；進(jìn)而實(shí)現(xiàn)恒切深。當(dāng)加工過程中發(fā)生短路時(shí)，電極絲回退一個(gè)固定的距離，所對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)為C；在步進(jìn)電機(jī)回退C步的同時(shí)，變量B減去C。單片機(jī)程序流程見圖6。

圖6 運(yùn)動(dòng)控制程序框圖

5 實(shí)驗(yàn)

利用電火花線切割機(jī)床對(duì)連桿做切割實(shí)驗(yàn)，以此驗(yàn)證恒切深控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)選用加工電源電壓為90 V，電源頻率為10 kHz，占空比為0.3。

設(shè)定深度參數(shù)為8000，該值為控制器的控制脈沖數(shù)。理論切割深度的計(jì)算表達(dá)式為:

式中:δ為脈沖當(dāng)量，mm/脈沖；θ為步距角，°；i為傳動(dòng)比；P為絲杠螺距，mm。已知P=2 mm、θ=1.8°、驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分?jǐn)?shù)為100，即i=1/100，代入式（1）可求得脈沖當(dāng)量δ=0.0001mm/脈沖，則8000個(gè)深度參數(shù)對(duì)應(yīng)的理論切割深度為0.8mm。

電火花線切割加工的槽深尺寸見表1。定義槽深尺寸差為實(shí)際槽深與理論槽深的尺寸差值，槽間尺寸差為槽與槽之間的尺寸差值。從表1可看出，切割出的槽深誤差較小，證明所設(shè)計(jì)的具有恒切深控制功能的電火花線切割機(jī)床控制系統(tǒng)是可行的。

表1 切割槽深數(shù)據(jù)μm

6 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)連桿裂解槽加工提出的特殊要求，應(yīng)用disPIC單片機(jī)開發(fā)了一套專用電火花線切割控制系統(tǒng)，具有快速進(jìn)給、回退功能，并利用間隙電壓檢測(cè)電路對(duì)加工狀態(tài)進(jìn)行判別，檢測(cè)到的變化信號(hào)發(fā)送到單片機(jī)，由單片機(jī)對(duì)其進(jìn)行識(shí)別處理，發(fā)送相應(yīng)的脈沖信號(hào)給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器使電機(jī)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)恒切深功能。實(shí)驗(yàn)證明本系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)要求。

［1］寇淑清，楊慎華，趙慶華，等.發(fā)動(dòng)機(jī)連桿裂解加工初始裂紋槽幾何參數(shù)研究［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，39（9）:1487-1490.

［2］劉曉寧，唐勇軍，張永俊.電火花線切割加工連桿裂解槽技術(shù)研究［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2010（10）:1240-1244.

［3］胡建華，汪煒，徐啟華.電火花成型加工間隙電壓在線檢測(cè)與處理的新方法［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2006（10）: 93-95.

［4］霍孟友，張建華，艾興.電火花放電加工間隙狀態(tài)檢測(cè)方法綜述［J］.電加工與模具，2003（3）:17-19.

The Constant Cutting Depth Control on the Stress Groove of Connecting Rod in WEDM

Wang Ying，Zhang Yongjun
（Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China）

On the technology of fracture splitting connecting rod，the consistency of each stress groove on crank bore is vital to processing quality.A mechanism processing connecting rod using wire electrical-dischargemachining（WEDM）is designed.Where the electrode wire touches the work piece first time，the location is judged by voltage and current detection circuits.Then，the consistency of stress grooves is guaranteed by the counting function ofmicrocontroller.With thismethod，the size of crank bore and the initial location of electrode wire and connecting rod have no effect on the groove depth.Besides，the rapid feed auxiliary function is added to speed up the empty running.Experiments proved that this technique improve the quality and efficiencymachining.

WEDM；control unit；detection circuit；the constant cutting depth

TG661

A

1009－279X（2015）01－0018-03

2014-11-25

教育部博士點(diǎn)基金資助項(xiàng)目（500130027）

王瑩，女，1989年生，碩士研究生。