往復(fù)走絲電火花線切割變厚度高效無燒傷切割研究

潘 浩，劉志東，潘紅偉，張 明

（南京航空航天大學機電學院，江蘇南京210016）

電火花線切割加工技術(shù)以其高精度高、可加工難加工材料和復(fù)雜零件等特點，已廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟各領(lǐng)域的生產(chǎn)制造部門，成為一種必不可少的工藝手段[1]。隨著電火花線切割技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，變厚度、變截面的工件越來越多。在變厚度的情況下，加工中出現(xiàn)的切割不穩(wěn)定、切割速度降低和切割表面不均勻成為亟需解決的問題，尤其是如何在大電流高效切割過程中采用高頻脈沖電源自動調(diào)整處理變厚度切割狀況[2]、保證切割穩(wěn)定且各厚度的加工表面都不產(chǎn)生燒傷。對此，目前國內(nèi)外主要通過在線厚度識別輔助機床進行自適應(yīng)控制[3-7]，針對變厚度大能量且無燒傷切割方面的研究極少。

20世紀80年代，國內(nèi)有學者對電火花加工的進給、電源控制及加工狀態(tài)的識別問題進行了分析研究[8]。進入21世紀，國外學者提出了電火花加工控制系統(tǒng)的模型，對進給控制和加工參數(shù)控制各環(huán)節(jié)的關(guān)系進行了分析研究[9]。目前我國大多數(shù)往復(fù)走絲電火花線切割機床采用的伺服取樣方法為基于固定閾值的峰值電壓檢測法，相關(guān)控制系統(tǒng)設(shè)計簡單、成本低，雖在正常加工條件下可滿足加工要求，但是調(diào)節(jié)加工速度時往往取決于操作人員的經(jīng)驗，而且其反饋系統(tǒng)在某些工藝參數(shù)下可能無法進行穩(wěn)態(tài)調(diào)整，自動調(diào)節(jié)范圍較窄、自動調(diào)節(jié)能力不穩(wěn)定[13]，無法保障變厚度切割時的伺服跟蹤穩(wěn)定性。

本文針對變厚度工件在大能量切割時的切割穩(wěn)定性和表面燒傷問題進行了分析，設(shè)計了電源脈間反饋控制系統(tǒng)與步進電機進給控制系統(tǒng)共同作用的雙重反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)，使電火花線切割機床在高效切割變厚度工件表面基本無燒傷的條件下提升了切割速度。

1 試驗裝置和條件

試驗設(shè)備采用HF320M型往復(fù)走絲電火花線切割機床，試驗系統(tǒng)見圖1，導(dǎo)向器保證電極絲位置穩(wěn)定，利用重錘式張力機構(gòu)保證電極絲張力穩(wěn)定，試驗條件見表1。

圖1 試驗系統(tǒng)照片

表1 加工參數(shù)

如圖2所示，試驗采用階梯高度分別為20、40、60 mm的階梯狀工件，研究其切割速度和表面燒傷狀況。其中，圖2a所示用于前期理論分析試驗，圖2b所示用于后期效果驗證。

圖2 階梯狀工件切割示意圖

2 現(xiàn)有伺服取樣存在的問題

2.1 穩(wěn)定切割問題

往復(fù)走絲電火花線切割機床常用的伺服取樣方法為基于固定閾值的峰值電壓檢測法，其原理見圖3，極間放電電壓經(jīng)過穩(wěn)壓管，只有高于穩(wěn)壓管電壓的部分才能進入隨后的取樣電路，而取樣電路以獲取一段時間的極間電壓信號作為伺服驅(qū)動的依據(jù)。從相應(yīng)特性可知，當放電狀態(tài)發(fā)生變化時，檢測電壓及電機驅(qū)動的響應(yīng)必有一定滯后性[15]。

圖3 固定閾值峰值電壓檢測法原理圖

在對厚度一致的工件進行電火花線切割時，電極絲的伺服進給速度與工件蝕除速度相當，此時切割穩(wěn)定，檢測電壓與電機驅(qū)動的相應(yīng)滯后性較小；但當工件厚度變化時，由于工件的蝕除速度產(chǎn)生突跳，基于固定閾值的峰值電壓檢測法的響應(yīng)滯后性增大。在占空比1∶5、平均電流5 A的條件下切割圖2a所示單向階梯工件和變厚度工件，獲得的放電電壓及電流波形見圖4?？梢姡穸?0 mm工件的放電波形正常，放電概率在90%以上（圖4b）；當工件厚度降低時，切割厚度20 mm工件時的放電概率低于90%，空載率上升，伺服進給系統(tǒng)欠跟蹤（圖4a）；當工件厚度增大時，切割厚度60 mm工件時的短路率上升，伺服進給系統(tǒng)出現(xiàn)過度跟蹤（圖4c）。因此，傳統(tǒng)的基于固定閾值峰值電壓檢測法對于變厚度工件的切割必然產(chǎn)生切割不穩(wěn)定的現(xiàn)象。

圖4 切割不同厚度工件的放電波形圖

2.2 燒傷問題

往復(fù)走絲電火花線切割的工件表面產(chǎn)生燒傷的主要原因是，在大能量切割過程中，極間工作介質(zhì)迅速汽化，導(dǎo)致在極間缺乏工作介質(zhì)的條件下進行放電，此時由于蝕除產(chǎn)物無法及時排出而燒結(jié)于工件表面[16]。根據(jù)表1，在平均切割電流5 A時切割圖2a所示工件的表面燒傷情況見圖5。可見，厚度越高，燒傷越嚴重，這已嚴重影響切割工件的表面質(zhì)量和電極絲壽命，甚至產(chǎn)生斷絲。因此，針對較厚工件的切割，要保證極間有充足的工作介質(zhì)來及時排出極間蝕除產(chǎn)物[17]。

圖5 變厚度切割工件表面形貌

3 雙重反饋控制系統(tǒng)設(shè)計

針對目前變厚度切割時伺服取樣系統(tǒng)存在的切割不穩(wěn)定以及在大能量條件下易產(chǎn)生表面燒傷的問題，本文分別設(shè)計了伺服進給系統(tǒng)和脈沖間隔調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以伺服進給系統(tǒng)為主保障切割穩(wěn)定、以脈沖間隔調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)脈沖間隔，從而盡可能保障工件表面無燒傷。

3.1 伺服進給系統(tǒng)

穩(wěn)定切割的理想狀況是加工過程中的材料蝕除與電極絲進給相匹配，即間隙不變。本文以放電概率檢測方法解決了穩(wěn)定切割問題，放電概率檢測是通過對每個放電脈沖進行判斷鑒別，再進行統(tǒng)計處理后識別出極間間隙狀態(tài)的一種方法[15]。通過放電概率檢測模塊檢測出加工過程中每個脈沖放電的類型，即正常放電脈沖、短路脈沖、空載脈沖。

開路、空載、正常放電三種放電狀態(tài)的概率與加工間隙之間的特性曲線見圖6[18]。當間隙變大時，短路發(fā)生概率逐漸減小至零，開路狀態(tài)發(fā)生概率逐漸增大到1；反之，當間隙變小時，空載率逐漸減小到零，而短路率逐漸增大到1，即短路。當間隙在一定范圍內(nèi)時，三種放電狀態(tài)共存。由于電火花線切割只存在這三種加工狀態(tài)，因此三種狀態(tài)發(fā)生的概率之和等于1。

圖6 放電概率與加工間隙關(guān)系曲線

在開路和短路狀態(tài)的概率曲線交點上，火花放電狀態(tài)的概率取得極大值，而且在該點附近火花放電的概率曲線變化較平緩。當隨機發(fā)生的開路脈沖和短路脈沖數(shù)相等時，有效放電脈沖利用率最大，切割速度也最高，此時的間隙就是最佳極間間隙距離。在最佳極間間隙狀態(tài)附近的一個小鄰域內(nèi)，火花率變化不大。因此，本文以空載率等于短路率作為變厚度穩(wěn)定切割的調(diào)節(jié)依據(jù)。

3.2 脈沖間隔調(diào)節(jié)系統(tǒng)

在大能量切割條件下產(chǎn)生表面燒傷、切割速度上升緩慢的根本原因是極間缺乏工作介質(zhì)，導(dǎo)致電蝕產(chǎn)物無法及時排出而燒結(jié)在加工表面[19]，而對工件表面燒傷影響最明顯的是脈沖間隔，因此本文選擇脈沖間隔作為改善表面燒傷的主要因素。

正常放電加工和有燒傷表面的極間放電加工如圖7所示。正常放電時由于極間充滿工作介質(zhì)，放電需擊穿兩極間的工作介質(zhì)，存在較多比例的擊穿延時波形甚至空載波形；一旦形成燒傷，由于極間蝕除產(chǎn)物的搭接橋作用，具有擊穿延時波形的比例幾乎不存在。因此，當具有放電延時的波形較少時，工件表面燒傷將加重。

圖7 極間放電加工示意圖

放電延時脈沖檢測是放電延時脈沖概率計算的關(guān)鍵。檢測時，先要區(qū)分正常放電，再根據(jù)放電延時與正常放電的區(qū)別鑒別放電延時的脈沖。本試驗的脈沖寬度為40μs，設(shè)定以脈沖發(fā)出5μs后的電平高低作為是否具有擊穿延時的判據(jù)，即脈沖發(fā)出5μs后檢測到高電平，則判斷為具有擊穿延時脈沖，進而計算具有放電延時的脈沖概率；反之，則未有擊穿延時。

由圖8所示的不同擊穿延時比率下的表面燒傷狀況可知，加工表面燒傷狀況會隨著目標擊穿延時比率的升高而減輕。因此，本文通過脈沖間隔的調(diào)節(jié)，保障有一定比例的擊穿延時波形，從而達到減少工件表面燒傷的目的。當擊穿延時波形率小于目標擊穿延時波形率時，空載率和具有放電延時的正常放電率較少，極間工作介質(zhì)不充足，則應(yīng)提高脈沖間隔時間，使工作液有時間進入極間，達到放電在極間充滿工作液的條件下進行，保護電極絲和工件表面；當擊穿延時波形率大于目標擊穿延時波形率時，極間工作液均勻，應(yīng)當減小脈沖間隔時間，以提高切割速度。本文以擊穿延時率為25%（實際設(shè)定為23%~27%）作為調(diào)整脈沖間隔的依據(jù)，取占空比調(diào)節(jié)范圍為1∶3~1∶15。

圖8 不同擊穿延時比率的表面燒傷狀況

綜上所述，極間放電概率檢測方法能直接區(qū)分放電過程中的各種脈沖，與傳統(tǒng)固定閾值峰值電壓檢測法相比，不受脈沖參數(shù)的占空比等因素影響，能直接反映極間間隙狀態(tài)?；诜烹姼怕蕶z測的伺服控制流程見圖9，先設(shè)定系統(tǒng)初始工藝參數(shù)，再按設(shè)定準則自動調(diào)節(jié)并加工。加工時，機床對放電脈沖進行實時采樣，首先計算當前的脈沖放電概率，由此得出空載率與短路率的偏差值，并根據(jù)PID控制器調(diào)節(jié)進給速率，從而維持變厚度加工的穩(wěn)定切割；接著，檢測脈沖擊穿延時概率，當概率超出預(yù)設(shè)范圍時，調(diào)節(jié)脈沖間隔、增加極間消電離和清洗時間，以避免加工表面燒傷。

圖9 基于概率檢測的伺服控制流程圖

3.3 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計的雙重反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)見圖10。伺服進給系統(tǒng)主要由絲杠、電機、驅(qū)動器和控制卡組成，電源控制系統(tǒng)主要由功放板、FPGA控制器、波形鑒別模塊組成。系統(tǒng)原理如下：

圖10 雙重反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（1）電源正負極分別接工件和電極絲，工作臺載著工件按設(shè)定軌跡在絲杠帶動下進給。

（2）FPGA根據(jù)正常放電概率發(fā)送脈沖指令，指令經(jīng)驅(qū)動器放大后控制電機前進速度，為使系統(tǒng)具備較高的穩(wěn)定性和靈敏度，采用PID控制算法作為進給速度調(diào)節(jié)的控制規(guī)則[20]；引入比例、積分、微分三個環(huán)節(jié)，以空載率與短路率的偏差作為調(diào)節(jié)依據(jù)，通過比例環(huán)節(jié)快速消除空載率與短路率的偏差，通過積分環(huán)節(jié)保持放電狀態(tài)在空載率等于短路率的條件下實現(xiàn)穩(wěn)定切割，通過微分環(huán)節(jié)在空載率與短路率偏差變得過大之前為系統(tǒng)提供調(diào)節(jié)信號。

（3）鑒別電路將采集的電壓信號經(jīng)分壓濾波處理之后，通過LM339四路差動比較器與參考電壓作對比。

（4）FPGA對鑒別電路產(chǎn)生的信號計數(shù)和計算，得出擊穿延時率、空載率和短路率，并在發(fā)送各種放電概率的同時放大或縮小PWM波的脈間間隔。

（5）當電極絲與工件之間的短路率高于空載率時，電機降低速度直至停止運動；當二者之間的空載率高于短路率時，電機驅(qū)動工件進給。另外，當擊穿延時率低于設(shè)定值時，電源脈間增大；反之，電源脈間減小。

（6）上位機由LABVIEW程序開發(fā)，主要實現(xiàn)加工參數(shù)設(shè)定、根據(jù)放電概率通過PID實時控制步進電機兩個功能。

4 試驗結(jié)果

為驗證本文所設(shè)計雙重反饋控制系統(tǒng)的可行性，分別對圖2b所示雙向階梯零件使用原有控制系統(tǒng)和雙重反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)進行切割并對比其表面質(zhì)量和切割速度。

4.1 表面質(zhì)量

采用現(xiàn)有機床系統(tǒng)對變厚度工件進行放電切割試驗，參數(shù)同表1，電流升至5 A。在試驗過程中可觀察到，由于原系統(tǒng)采用的伺服取樣方法為基于固定閾值的峰值電壓檢測法，加工過程的進給跟蹤狀況不穩(wěn)，電流隨著工件厚度的增加略有升高；采用雙重反饋系統(tǒng)對相同的變厚度工件進行放電切割實驗，參數(shù)同表1，最高平均電流升至7 A，設(shè)置目標擊穿延時率為25%（實際設(shè)定為23%~27%），系統(tǒng)在開始加工后進給。

圖11分別展示了兩種控制系統(tǒng)的表面質(zhì)量對比。如圖11a所示，當用現(xiàn)有系統(tǒng)在5 A電流下切割時，可見隨著厚度增加，工件表面燒傷越來越嚴重，且中間最厚處有堆積產(chǎn)物，這將嚴重影響后續(xù)修刀；如圖11b所示，當用雙重反饋系統(tǒng)在最高平均電流7 A下切割時，可見工件表面燒傷情況明顯減輕，基本無堆積產(chǎn)物，故認為雙重反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)可在大能量條件下實現(xiàn)工件的正常加工且能減少表面燒傷。

圖11 切割工件加工對比

工件表面粗糙度能直接反映加工表面質(zhì)量。圖12是用粗糙度儀測量的兩種表面粗糙度變化情況。可見，采用雙重反饋系統(tǒng)加工的工件，其表面粗糙度值整體較低且各個階梯較均勻，這樣可使后續(xù)修刀更加穩(wěn)定。其中，階梯3幾乎不變，而其他階梯在燒傷去除后的表面粗糙度值降低，可見燒傷是導(dǎo)致表面粗糙度值上升的原因。

圖12 切割工件表面粗糙度

4.2 切割速度

圖13是雙重反饋系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)的切割速度對比情況?？梢姡捎秒p重反饋系統(tǒng)的切割速度比原有系統(tǒng)的提高了24%。這是由于平均電流從原有的最高5 A提高到了最高7 A，進而提高了切割能量，實現(xiàn)穩(wěn)定、高效的切割。

圖13 階梯零件不同厚度處的切割速度

5 結(jié)論

（1）在大能量切割條件下，變厚度工件由于極間狀況不同，采用現(xiàn)有峰值電壓伺服取樣法無法實現(xiàn)穩(wěn)定跟蹤切割。

（2）放電脈沖的擊穿延時率與切割工件表面燒傷程度密切相關(guān)。

（3）雙重反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)以短路率等于空載率為原則調(diào)節(jié)伺服進給系統(tǒng)，可保證加工穩(wěn)定性，以擊穿延時率作為判據(jù)調(diào)節(jié)電源脈沖間隔，可改善加工表面燒傷狀況。

（4）雙重反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)與傳統(tǒng)峰值電壓檢測法相比，將平均電流從5 A提高至7 A，切割速度提高了24%，且表面燒傷狀況明顯改善。