電火花線切割電弧脈沖識別與斷絲控制

曹 俊，蔣 毅，韓晴清

（江南大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇無錫 214122）

電火花線切割加工技術(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)走絲電火花線切割加工難以避免的問題，一旦發(fā)生斷絲故障，不僅會損傷工件表面質(zhì)量甚至損壞導(dǎo)輪等部件，而且會大幅降低生產(chǎn)效率，因此預(yù)防斷絲一直是國內(nèi)外線切割工藝研究的重要課題[1-2]。

在往復(fù)走絲線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至無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]。美國林肯大學(xué)的Rajurkar[9]對斷絲現(xiàn)象進行的一系列研究表明，斷絲前火花放電率會突然上升，造成電極絲局部高溫，從而引發(fā)斷絲。我國學(xué)者[10]經(jīng)過對斷絲現(xiàn)象的分析與研究發(fā)現(xiàn)，往復(fù)走絲線切割中的斷絲是短時間內(nèi)輸入到加工間隙中熱負載增加且在空間上集中于一點所導(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大所致，并進而提出了利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對斷絲先兆進行預(yù)測，但實時性較差。

不同結(jié)構(gòu)脈沖電源的斷絲先兆信號不同[12]。針對特定的脈沖電源，應(yīng)從具體的電源拓撲結(jié)構(gòu)入手，分析其波形特征，并結(jié)合線切割機理分析判斷斷絲前的極間狀態(tài)，進而實現(xiàn)對斷絲的預(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，并通過檢測與抑制電弧放電的措施，在往復(fù)走絲線切割平臺中實現(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電路的主電路拓撲結(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，由于電感電流無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]，起到保護電極絲的作用。

圖1 基于BUCK電路的脈沖電源主電路拓撲結(jié)構(gòu)

功率開關(guān)管Q1和Q2受一對互補脈沖控制，當(dāng)Q1導(dǎo)通時，Q2關(guān)斷，電源向電容C充電，電感L將電能轉(zhuǎn)化為磁能儲存起來；當(dāng)Q1關(guān)斷時，Q2導(dǎo)通，電感L通過續(xù)流回路，將存儲的磁能轉(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，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)電源的波形特點是：空載波形在理論上為平穩(wěn)開路電壓，但在實際加工時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圖2、圖3。對比電壓波形可發(fā)現(xiàn)，在正常穩(wěn)定加工的狀態(tài)下，放電概率較低，短路與擊穿延時隨機零散發(fā)生，無擊穿延時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擊穿延時的電弧放電，電壓峰值較低。

圖2 正常加工時電壓電流波形

圖3 斷絲前電壓電流波形

對比電流波形，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，此時若不采取相應(yīng)的控制措施，電極絲隨時可能因過熱而燒斷。

結(jié)合線切割加工工藝進行分析，當(dāng)加工間隙中排屑條件良好、無蝕除產(chǎn)物聚集、有充分的冷卻時間時，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[14]（圖2）。而當(dāng)加工間隙過窄或工作液流動不暢時，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)的無擊穿延時的電弧放電，使極間呈微短路狀態(tài)，瞬時熱功率迅速上升（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)防斷絲首先要識別并設(shè)法抑制密集的電弧放電。另外，正常加工時所夾雜的少量零散電弧放電，也會導(dǎo)致電極絲損傷。針對這些少量、隨機的電弧放電，常用的平均電壓檢測方法難以很好對其進行區(qū)分，需對單個脈沖逐一識別才有可能實現(xiàn)精確檢測，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)對電弧放電的影響

選用直徑0.12 mm的鉬絲，在開路電壓為80 V時，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)走絲電火花線切割平臺上，對厚度為5 mm的不銹鋼板件進行加工實驗。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)走絲電火花線切割平臺

將獲得的連續(xù)電壓電流數(shù)據(jù)按照每10個脈沖周期為一個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。對于發(fā)生了放電的數(shù)據(jù)段，進一步分析了該數(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個以上的電流尖峰，則認為該時間段內(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驗中的電弧電流峰值。脈寬和脈間對電弧放電的影響分別見圖5、圖6。

圖5 脈沖寬度對電弧放電的影響（脈間90μs）

圖6 脈間對電弧放電的影響（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，在實驗過程中也更易發(fā)生斷絲。峰值電流是電火花線切割加工中的一個重要加工參數(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間。電流上升時間長，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，單次放電持續(xù)時間短，加工間隙中兩極間正離子與電子形成放電通道的時間也越短，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，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，電弧放電概率隨著脈沖間隔時間增加而呈現(xiàn)下降趨勢，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)物和降溫的時間[18]。當(dāng)脈間過于小時，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，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。

上述實驗結(jié)果表明，改變脈寬或脈間都會影響電弧放電概率。這是因為改變脈寬或脈間，實際上是改變脈沖的占空比，當(dāng)占空比較小時，加工間隙中溫度下降快，蝕除產(chǎn)物也有相對充裕的時間排出，間隙消電離效果更好，出現(xiàn)電弧放電的概率更?。划?dāng)占空比較大時，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]進行零星電弧脈沖的識別，從而進一步增大了檢測難度。

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，脈寬對電弧放電時電流的上升速率并無影響，故可通過對電流波形的梯度設(shè)置閾值來識別電弧放電并進一步控制脈寬，以降低電極絲斷絲風(fēng)險。

4 基于電弧識別的斷絲控制

基于電弧識別的斷絲控制方案，其硬件結(jié)構(gòu)見圖7。采用STM32芯片作為下位機，利用定時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霍爾電流傳感器實時測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，能實現(xiàn)間隙電流檢測的高響應(yīng)、高線性度要求；通過合理配置STM32中ADC時鐘分頻、采樣時間以及外部觸發(fā)周期，結(jié)合DMA技術(shù)可使采樣頻率最高達到860 kHz，能滿足電流波形的測量要求。采用基于ARMv8架構(gòu)的RK3399處理器作為上位機來運行線切割數(shù)控系統(tǒng)，并與下位機之間利用CAN總線進行通訊以設(shè)置脈沖參數(shù)等。由于電弧放電引起斷絲過程時間較短，為提高實時性，當(dāng)STM32識別出電弧放電并判斷斷絲危險較大時，直接通過STM32改變控制脈沖，并通過高速光耦繞過CAN總線，直接觸發(fā)RK3399外部中斷，以控制伺服進給模塊迅速回退，避免斷絲。

圖7 斷絲預(yù)警系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

電弧脈沖的識別流程見圖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，則認為該周期內(nèi)出現(xiàn)了電弧脈沖，并將其記錄下來。若此后的4個周期內(nèi)不再出現(xiàn)電弧脈沖，則認為加工狀態(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)，則認為發(fā)生了連續(xù)電弧放電，需做出進一步的反應(yīng)。

識別出電弧放電后，采用多級預(yù)警、分級處理的方式控制并延緩斷絲。具體的處理方案是：當(dāng)STM32首次檢測到電弧放電時，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。由于脈沖寬度過小會導(dǎo)致脈沖能量過小、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對應(yīng)引腳電平，觸發(fā)上位機電弧警告中斷，并立刻控制伺服機構(gòu)回退；在此過程中若仍舊檢測到電弧放電，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)上位機斷絲預(yù)警中斷，RK3399進入斷絲預(yù)警中斷后，立刻回退至加工起始點并停止加工，同時發(fā)布報警信息。

將以上基于電弧識別與抑制的斷絲控制方案整合到圖4所示的電火花線切割系統(tǒng)中，選用直徑0.12 mm鉬絲，在80 V開路電壓、90μs脈間及不同脈寬條件下進行實驗驗證，并記錄該實驗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。實驗結(jié)果見圖9、圖10。

如圖9所示，采用基于電弧識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)量級提高，這說明通過降低脈寬、進給回退、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)、延長電極絲壽命。在脈寬15μs、脈間90μs的工況下進行電弧識別與抑制之后，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)，但因脈寬更大時的放電能量更大、切割速度更快、加工效率更高，說明通過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現(xiàn)放電能量更大的加工過程，從而提高線切割加工的效率。

圖10 電弧抑制前后電極絲壽命對比

5 結(jié)論

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

（2）本文通過脈沖參數(shù)實驗并結(jié)合理論分析，解釋了脈寬與脈間對于電弧放電發(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的電弧脈沖識別方案。

（3）本文還提出并實現(xiàn)了基于電弧識別與抑制的斷絲控制方案，實驗表明：該方案能通過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。