陳成細(xì),奚學(xué)程,顧 琳,趙萬(wàn)生

(上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200240)

電火花線切割加工由于兩電極間不接觸,加工與硬度、韌性無(wú)關(guān),故易于加工難切削材料、薄且細(xì)小的工件、導(dǎo)電性差的精密陶瓷及形狀復(fù)雜的機(jī)械零件。由于電極絲是非剛體,加工過(guò)程中兩電極間作用力影響放電間隙的改變,導(dǎo)致電極絲撓曲及振動(dòng),從而造成拐角加工誤差。

造成拐角誤差的主要原因有:①電極絲滯后引起的幾何誤差;②加工路徑方向改變時(shí),由于放電合力作用產(chǎn)生的電極絲振動(dòng)引起的幾何誤差;③在拐角處,因電場(chǎng)集中造成放電幾率的增大而產(chǎn)生過(guò)切現(xiàn)象[1]。電火花線切割加工雖然是非接觸式加工,但電極絲放電時(shí)所承受的外力有:電極絲和工件之間的靜電力與電磁場(chǎng)力,此作用將電極絲拉向工件;放電高溫導(dǎo)致局部加工液膨脹汽化產(chǎn)生氣爆壓力,此作用力將電極絲推離工件;上下導(dǎo)向器的張緊力;高壓噴流時(shí),加工液對(duì)電極絲產(chǎn)生的沖流壓力。這些力在加工過(guò)程中產(chǎn)生的合力引起電極絲的撓曲及振動(dòng),在進(jìn)行拐角加工時(shí)造成了拐角加工誤差[2-3]。

為了降低拐角加工誤差,Taku ji Magara[4-5]等人提出了在拐角處通過(guò)增大放電脈間來(lái)降低電極絲撓曲;Hsue[6]等人提出改變多個(gè)加工參數(shù)的模式來(lái)降低撓曲;Kondou和Nishimoto[7]提出基于電極絲撓曲量來(lái)修改拐角軌跡的方法;Dauw和Beltram i[8]開(kāi)發(fā)了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電極絲撓曲的系統(tǒng),并根據(jù)撓曲量實(shí)時(shí)校正導(dǎo)向器軌跡的方法,但該方法由于需特殊的設(shè)備帶來(lái)了高昂的成本。調(diào)整電參數(shù)策略在較高精度時(shí)需要較長(zhǎng)的加工時(shí)間,且具體的控制參數(shù)辦法在文獻(xiàn)中也未明確;軌跡補(bǔ)償策略不會(huì)增加加工時(shí)間,且在已知期望高度平面電極絲撓曲量的情況下,能使該平面拐角誤差很小,但由于高度不同,電極絲撓曲量也不同,而不能使任意高度平面獲得相同的精度。所以,只有通過(guò)軌跡補(bǔ)償策略,使拐角誤差在期望平面內(nèi)很小或?yàn)榱?。通過(guò)控制加工參數(shù)策略,使任意其他高度平面的拐角誤差在允許范圍之內(nèi)[9]。

1 拐角類(lèi)型控制策略

由于拐角加工時(shí)方向的改變,使電極絲表面放電狀態(tài)發(fā)生了改變,引入放電角[10](圖1)來(lái)描述這一變化。

圖1 放電角

如圖2上圖所示,在直線切割時(shí),電火花放電角為180°,稱(chēng)為整個(gè)前表面放電,此時(shí)電極絲只向切割方向切向的反方向撓曲;而圖2下圖放電角小于180°,稱(chēng)為前表面局部放電,電極絲不僅受到切割方向的反向力,還受到垂直于切割方向的法向力,其電極絲的撓曲情況也更復(fù)雜。

圖2 電極絲放電狀態(tài)[11]

根據(jù)放電角將拐角分為兩類(lèi):整個(gè)前表面放電的包括凸模尖角、凸模圓角和凹模大半徑圓角;前表面局部放電包括凹模小半徑圓角。為了使凸模尖角能在整個(gè)前表面放電,采用圓弧過(guò)渡連接的策略,而不是采用直線過(guò)渡連接的策略,如圖3中OAB所示。

2 整個(gè)前表面放電加工拐角策略

2.1 軌跡補(bǔ)償策略

電極絲撓曲模型如圖4所示。為了簡(jiǎn)化做如下假設(shè):

圖3 凸模拐角連接策略

(1)上下導(dǎo)向器垂直對(duì)稱(chēng)于工件。

(2)張緊力作用在電極絲上,其受到均布載荷。

(3)δA是工件中央平面電極絲撓曲量;δB是工件上下平面電極絲撓曲量。

圖4 電極絲撓曲模型[9]

基于δA的凸模軌跡補(bǔ)償如圖5所示。導(dǎo)向器總是在切向于圓弧路徑上領(lǐng)先于電極絲撓曲量 δA。當(dāng)曲線通過(guò)工件中央平面的 A點(diǎn)時(shí),而在工件上下平面剛好通過(guò)B點(diǎn)。這樣補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)果使在工件中央平面的路徑?jīng)]有誤差,在工件上下平面的有向外誤差εT,這部分誤差只需在精加工中切去即可。上述軌跡補(bǔ)償策略并不適用于凹模大半徑圓弧,因?yàn)橄蛲庹`差εT會(huì)造成過(guò)切。

圖5 凸模軌跡補(bǔ)償[9]

凹模大半徑圓弧采用基于 δB的軌跡補(bǔ)償策略(圖6)。其在工件上下平面有很小的誤差εn,幾乎可認(rèn)為在上下平面沒(méi)有誤差,而在工件中央平面有向內(nèi)誤差εT。

假設(shè)電極絲是柔性的,由微分方程[1]:

圖6 凹模大半徑軌跡補(bǔ)償[9]

式中:2H為工件厚度;2S為上下導(dǎo)絲嘴高度。

假設(shè)R≥εAL,略去二階項(xiàng),由幾何關(guān)系得到以上兩種軌跡補(bǔ)償策略的拐角誤差均為:

2.2 加工參數(shù)調(diào)整策略

為了使 δA≤δAL,對(duì)放電脈間進(jìn)行了控制。由HarukiObara[9]等人提出的控制方法,做了如下假設(shè):

(1)電極絲直線切割時(shí),撓曲量δA0已知。

(2)電極絲主要受放電爆炸力作用,且該力正比于放電頻率,即電極絲撓曲量正比于放電頻率。

則:

式中:fAL為使電極絲撓曲量δA=δAL的放電頻率;f0為直線切割時(shí)的放電頻率。

若放電周期固定,則平均工作電壓 VW:

式中:V0為空載電壓;Vg為放電電壓;td為平均放電延長(zhǎng)時(shí)間;te為放電周期;t0為脈沖間隙。

給出計(jì)算步驟:

(1)由式(9)計(jì)算 f0。

(2)從式(6)由 εAL計(jì)算 δAL。

(3)從式(7)由 δA、δAL計(jì)算 fAL。

(4)從式(10)由 fAL替換f計(jì)算出t0AL。

其中 VW依賴(lài)于伺服電壓VS與伺服系統(tǒng)的增益,一般假設(shè) VW=VS;電極絲直線切割撓曲量δA0由實(shí)驗(yàn)獲得。

3 前表面局部放電加工拐角策略

3.1 頂角加工策略

3.1.1 軌跡補(bǔ)償策略

由于電極絲的撓曲,當(dāng)導(dǎo)向器到達(dá)頂角時(shí),工件仍未切到頂角。通過(guò)增大放電脈間,能使工件未切到的部分減小,但同時(shí)也帶來(lái)了加工時(shí)間的增加。為了減小加工誤差,同時(shí)不增加加工時(shí)間,采用圖7所示的過(guò)切加工軌跡補(bǔ)償策略[12]。

圖7 拐角斜面軌跡補(bǔ)償[12]

導(dǎo)向器過(guò)切量為電極絲在工件上表面的撓曲量,由式(2)和式(3)得:

3.1.2 加工參數(shù)策略

在允許誤差εAL下,頂角電極絲允許撓曲量 δAL依賴(lài)于拐角角度(圖8)。

由幾何關(guān)系求得:

當(dāng) θ＞90°時(shí):

將上述允許撓曲量代入第2部分的公式,計(jì)算出放電脈間。

圖8 拐角誤差,拐角角度關(guān)系[11]

3.2 斜邊加工策略

3.2.1 加工參數(shù)策略

由于前表面局部放電,拐角斜邊切割時(shí)受到垂直于斜邊的法向力,將產(chǎn)生向內(nèi)誤差,可通過(guò)增大伺服基準(zhǔn)電壓[12],使切槽增大、向內(nèi)誤差減小。但伺服基準(zhǔn)電壓增大有上限,否則當(dāng)通過(guò)拐角控制路徑,將加工參數(shù)設(shè)回正常值之后,在斜邊上將出現(xiàn)階梯狀。在允許的誤差下,根據(jù)不同的伺服基準(zhǔn)電壓和不同的拐角角度,再通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)獲得允許的電極絲垂直于斜面的撓曲量,通過(guò)這一允許撓曲量由第2部分計(jì)算步驟來(lái)獲得放電脈間。

3.2.2 軌跡補(bǔ)償策略

斜面切割的軌跡補(bǔ)償策略如圖7所示的二次過(guò)切的策略,不同的二次過(guò)切量將由上一節(jié)獲得的允許斜面撓曲量來(lái)決定。

4 電極絲撓曲量的測(cè)定

為了獲得電極絲直線切割撓曲量,采用兩塊20 mm厚的304不銹鋼疊在一起切割[12](圖9)。

式中:L0為測(cè)得長(zhǎng)度;L為編程長(zhǎng)度;D為切槽寬度。

圖9 撓曲量測(cè)定[11]

5 結(jié)束語(yǔ)

本文給出了通過(guò)軌跡補(bǔ)償和加工參數(shù)調(diào)整來(lái)改善電火花線切割粗加工拐角加工精度的策略,分別分析了凸模、凹模大半徑圓弧前表面完全放電及凹模小半徑前表面局部放電情況的軌跡補(bǔ)償和調(diào)整放電脈間具體方法。最后給出了實(shí)驗(yàn)獲得電極絲撓曲量的測(cè)定方法。

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