多工位同步加工電火花線切割機床研制*

蘇國康，李海成，林 莉，李俊飛，張永俊

（1.廣東工業(yè)大學機電與工程學院，廣州 510006；2.廣州市非傳統(tǒng)制造技術及裝備重點實驗室，廣州 510006；3.廣東巨輪模具股份有限公司，揭陽 515500）

目前對輪胎模具和發(fā)動機中環(huán)狀零件的分塊切割是將環(huán)狀工件架空布置在專用線切割機床的圓形工作臺上，機床的卷絲筒連同絲架布置在圓形工作臺外的直線運動平臺上。切割前上下絲架沿徑向進入圓形工作臺，上臂在工件上方，下臂在架空的工件下方。切割時，絲架和卷絲筒向外運動，絲架上下臂間的鉬絲自內向外切割環(huán)狀工件，切割好之后，工件旋轉一個位置，進行下一條槽的切割[1]。由于是一條槽順序切割，不僅環(huán)形工件內應力分布不均勻，產生變形，而且加工效率極低，切割時間長達3～15d。另外，改進的方式為采用兩套絲架和卷絲筒直線運動平臺，對稱布置在圓形工作臺兩側對環(huán)狀工件同時進行切割[2]，但該方法占地面積大、成本高，而且在切割民品工件輪胎模具花紋圈時，如果需要避開花紋，需要移動機床轉一個角度切割，極不方便。為此本文創(chuàng)新發(fā)明了一種多槽同步加工電火花線切割機床，可以用一根電極絲，通過精心設計的走絲路徑，在環(huán)狀工件的多個位置同步進行徑向切割，提高加工效率的同時，最大程度地減小內應力分布不均，而且機床占地面積小，調整切割位置方便。

1 機床結構設計

對于環(huán)狀工件分塊切割，要提高加工效率、減少內應力，理想方式是采用多工位同步切割。

1.1 總體方案設計

普通的線切割機床卷絲筒、絲架靜止，工件隨X、Y工作臺做運動。專用的環(huán)形工件線切割機床，由于工件太重，工件不進給僅可旋轉，卷絲筒、絲架直線運動進行切割，通過工件旋轉，可以對花紋圈不同位置進行切割，也就是一條槽順序切割。本文提出全新的方案，工件、卷絲筒固定，多個獨立絲架沿徑向布置在圓形工作臺的不同位置上并可沿徑向運動，其運動部件比較見表1。本文介紹的多槽同步線切割加工機床通過特殊的走絲路徑設計，鉬絲依次通過各個絲架，絲架運動帶動上下臂之間的鉬絲對工作臺上工件不同部位自內向外同步進行切割，如圖1所示。圖2為一個典型的環(huán)狀工件-輪胎模具花紋圈。

根據(jù)工作臺面大小，設計4個絲架，每個絲架下端導軌都固定在一塊可以繞圓形工作臺中心旋轉的底板上，通過微旋轉底板帶動絲架旋轉，可以避開某處不允許切割到的部分，可以進行不等分切割，每個絲架均可沿固定在底板上的導軌做徑向運動。

表1 幾種線切割機床直線運動部件比較Table1 Comparison of linear moving parts of several linear cutting machine tools

圖1 多槽同步電火花線切割加工機床Fig.1 Multi-slot synchronous edm wire-cutting machine

圖2 典型環(huán)狀工件-輪胎模具花紋圈Fig.2 Typical ring workpiece-tire mold pattern ring

1.2 工作臺設計

根據(jù)工件形狀，工作臺設計為圓形，不僅工件置于其上，而且多個絲架也在工作臺上徑向分布，與此對照，現(xiàn)有的環(huán)狀工件線切割機床工作臺僅安放工件，絲架布置在圓形工作臺之外，占地面積大，而且一次僅能切割一條槽。

工作臺上靠近外圓周部分，在絲架之間，設計有多個工件支撐塊，用于將環(huán)狀工件托起，架空在圓形工作臺臺面上，絲架的上、下臂可以分別深入工件上、下方，絲架上、下臂之間垂直狀態(tài)的鉬絲對模具進行自內向外的徑向切割。工件可以在支撐塊上繞工作臺中心旋轉，變換位置繼續(xù)進行多槽同步切割，根據(jù)需要可切割為8塊、16 塊不等。

工作臺中心設計有一根空心鋼管，上端面封閉作為一個小支撐面，布置有轉向導輪，用于引導鉬絲從一個絲架轉向到相鄰絲架。同時，電源線、工作液管均從空心鋼管側面引出到各絲架。

1.3 絲架設計

絲架結構如圖3所示，其固定在下方一塊可繞工作臺中心旋轉的底板上，底板上沿工作臺徑向安裝有導軌，絲架下臂實際上就是絲架底座，固定在底板導軌滑塊上。絲架上有3個導輪，下臂、上臂和頂端各一個。不同于一般線切割機床上下臂等長，這里的下臂比上臂長一個導輪直徑的距離，鉬絲是以內公切線的方式經過上下臂導輪。上臂可以調節(jié)高度以適應不同高度工件的切割，頂端導輪固定，高度不變，上臂高度變化不影響頂端導輪引導鉬絲進入工作臺中心鋼管上端面轉向導輪。

1.4 張緊機構設計

圖3 絲架Fig.3 Wire rack

由于多槽線切割加工機床走絲路徑長、轉折多，如圖4所示，導致鉬絲振動強，塑性拉伸變形量大，極易從導輪槽中跳出，也即“跳槽”，因此張緊機構顯得尤為重要。參照目前快走絲線切割機床常采用重力式和彈簧式恒張力控制系統(tǒng)[3]，機床在鉬絲進出卷絲筒的位置、工位2、工位4 附近設置了彈簧張緊機構。圖4～5為進、出卷絲筒位置的張緊機構；圖6為工位2、4位置的張緊機構。

2 電源設計

目前研究電火花線切割脈沖電源的研究很多，側重點不同，如無電解電源、節(jié)能電源[4]等。本文重點關注的是高效、低成本滿足多工位同步加工需求的電源。理論上講可采用一臺電源對4個工位同時供電，假設一個工位放電峰值電流10A，則4個工位為40A，大電流對場效應管要求高，影響場效應管壽命。如果采用4 臺電源為4個工位分別供電，則成本高、不緊湊。

為了減輕場效應管負擔、減少電源體積，同時考慮到現(xiàn)有電火花線切割脈沖電源占空比一般在1/3～1/8之間，超過100mm厚度，一般＜1/4。因此設計了四路分時輸出脈沖電源，其放電周期如圖7所示?？梢?，對于占空比1/4的脈沖電源來說，由于3/4的時間屬于閑置時間，因此完全可以在全周期時間給各工位分時供電，同時并不影響各工位本身的加工效率。

圖4 走絲路線及張緊裝置布置Fig.4 Silk route and tensioning arrangement

圖5 進出卷絲筒位置張緊器Fig.5 Position tensioner for inlet and outlet silk reel

假設脈沖周期100μs，占空比20%，將一個放電周期劃分為：1～20μs給第1個工位供電，25～45μs給第2個工位供電，50～70μs給第3個工位供電，75～95μs給第4個工位供電，接下來又一個循環(huán)。從電路設計上考慮，每兩個脈沖之間有一個相位差，并存在一個“死區(qū)時間”，保證在某一個時刻只有一個工位在放電加工。分時輸出電源加工如圖8所示，四路輸出的正負極分別接在4個工位工件上與對應導電塊。

電源采用逆變+斬波方式，具有體積小、輸出穩(wěn)定、調壓精準的優(yōu)點。脈沖電源主要由主電路、斬波電路、檢測電路、輔助電源和電源控制系統(tǒng)這5部分組成，其模塊組成如圖9所示。

市電輸入通過主電路的整流-逆變-整流，輸出0～120V、峰值電流為10A的可調直流電壓；STM32F103 單片機發(fā)送斬波信號，四路斬波模塊把直流穩(wěn)壓電源的電壓斬成四路脈沖電壓，每路脈沖電壓分別接到每個工位上；加工期間，電壓檢測模塊實時采集每個工位的加工電壓，反饋到伺服運動控制系統(tǒng)；伺服運動控制系統(tǒng)根據(jù)預先設定PID算法實時調節(jié)進給速度，使有效放電脈沖比例最優(yōu)化。

圖6 工位2、4位置張緊器Fig.6 Position 2 and 4 tensioner

圖7 放電示意圖Fig.7 Schematic diagram of discharge

3 控制系統(tǒng)設計

圖8 分時輸出脈沖電源組成圖Fig.8 Composition diagram of time-sharing output pulse power supply

圖9 脈沖電源模塊組成圖Fig.9 Composition diagram of pulse power supply module

電火花線切割控制系統(tǒng)包括運動控制和伺服控制，這里的運動控制僅為直線運動，重點是伺服控制。日本Kunieda 等[5]研究了高精度加工伺服控制方法，臺灣國立大學Yan 等[6]研究了模糊控制、自適應控制在線切割加工中的應用，均取得了一定的效果。但在這里由于是用一根鉬絲對一個工件的不同位置同步進行加工，因此各工位之間電信號相互干擾，一種方案是將目前普通機床的控制系統(tǒng)應用于多槽線切割機床中，但由于不可能全部工位放電狀態(tài)都一致，只要有一個工位放電狀態(tài)不正常，例如間隙過小，此時全部絲架均需停止進給或后退，因為無法判斷是哪一個工位加工不正常，這顯然會大幅降低加工效率。理想的方案應該是能將4個工位信號進行解耦，各絲架可以單獨進行伺服控制，目前還僅是進行了常規(guī)伺服控制系統(tǒng)設計，解耦伺服控制還在繼續(xù)。

4 初步工藝試驗

為驗證機床結構的合理性、電源和控制系統(tǒng)功能，進行了初步驗證試驗。結果表明：無論是單一絲架分別運動，還是2個、3個或4個絲架同步運動，絲架均運動順暢，同時鉬絲運行平穩(wěn)，完全實現(xiàn)了原有的設計目標。實際測量張緊機構對加工的影響，結果表明，在其他條件不變的情況下，采用張緊機構后鉬絲跳動較沒有采用張緊機構明顯減小，用0.18mm的鉬絲加工，槽寬分別為0.21mm和0.24mm，同時實際加工中也沒有出現(xiàn)張緊前鉬絲頻繁“跳槽”的現(xiàn)象。

采用常規(guī)的伺服控制系統(tǒng)、分時輸出電源進行了初步試驗，取得了非常好的效果。雙槽同步加工效率較單槽提高1.8～2倍；同時槽寬的均勻性顯著提高，誤差在10μm 內，與之對比采用單路輸出電源同時給兩個工位供電，槽寬誤差高出數(shù)倍；采用分時輸出，加工過程穩(wěn)定，而單路輸出同時給雙工位供電，短路明顯增多。因此采用多路輸出分時供電，對后續(xù)進一步的控制系統(tǒng)設計將帶來巨大的好處。

5 結論

發(fā)明研制了一種全新的多槽同步電火花線切割機床，用于環(huán)形零件的分塊切割，經試驗驗證，機械結構完全達到預期目標，分時輸出專用電源滿足多槽切割要求，機床實現(xiàn)了多槽同步切割的構想，而且采用傳統(tǒng)控制方式進行的雙槽切割已經表現(xiàn)出了效率的大幅提升。后續(xù)將繼續(xù)進行多工位同步切割的解耦控制研究，在加工效率和質量上實現(xiàn)更大的突破。