第四代中走丝电火花线切割机床的核心技术

李克君,刘 康,刘祯明,陈立新,杨得胜

(1.四川深扬数控机械有限公司,四川成都610061;2.四川理工学院/过程装备与控制工程四川省重点实验室,四川自贡643000)

1 中走丝电火花线切割机床现状

从往复走丝电火花线切割机床诞生至今,四十多个春秋的风风雨雨见证了中国制造业从小到大、由弱到强的发展历程。如果说往复走丝电火花线切割技术的发展是中国工业发展的一个缩影,那么在国家“十二五”规划的开局之年,有着中国特色的线切割技术同样也走到了一个承上启下的关键时期。然而,现实的情况是,中走丝线切割技术的发展并不是很尽如人意,目前市场上大多数中走丝机床在技术上仍存在4个方面的严重缺陷:①大面积、低粗糙度值的连续切割稳定性差;②多个相同零件加工的一致性差;③多孔位加工的定位精度差;④高度方向上的纵向尺寸误差大。在可操作性上还应注意以下问题:①操作者要有非常熟练的上丝和紧丝技艺;②操作者要有丰富的经验,能随时注意并排除电极丝因松紧变化而引起的故障;③操作者使用的导丝器,对穿丝极为不便;④操作者需掌握不同材料、不同厚度的各种电参数的组合与匹配,如没有相当的经验和时间的验证,是很难做到的。

无论是技术上的缺陷,还是操作上的问题,归根到底是技术创新力的不足。如果这些问题不能得到有效解决,那么中走丝线切割机床最终会被市场抛弃。因此,线切割机床制造企业不得不考虑发展方向的转型,而不是产品技术转型。

2 创新技术与创新理念

2.1 中走丝机床先进性划分

用级别划分中走丝机床的先进性只是一种尝试(表1),虽不一定准确,但能反映其发展走势,也为中走丝机床的研发提供一个方向性的参考。

2.2 第四代中走丝机床的标志

(1)全闭环自适应AC伺服电极丝张力控制系统

第四代是在第三代的基础上发展而来的,在电极丝张力的控制上更精确、人性化。采用双传感器实现了对高速运行电极丝的双向监测,以及运丝路径中加工区域张力的自适应修正,当电极丝运行出现保养性异常时,系统实现自动停机、报警提示。张力控制精度达到0.2 N/0.5 s。该技术已获得国家发明专利(ZL200810046296.5)。

(2)率先突破了变张力多次切割技术

在进行多次切割时,系统根据数据库的指令,对每一次切割时的张力设定值进行切换,虽然每次的张力绝对值不一样,但每次切割运行中的电极丝张力保持精确恒定,这是解决工件在低表面粗糙度值下纵向尺寸误差的有效途径。

2.3 新技术带来的新理念——五轴联动

中走丝线切割机床的五轴联动不同于一般数控机床,它包括原有的X 、Y 、U 、V、Z 轴(X 、Y 、U 、V轴必须实现联动),还有张力控制轴(F轴)。张力控制轴的结构为直线导轨、滚珠丝杠全闭环 AC伺服控制,且在进行大锥度切割时,F轴与U、V轴的控制必须遥相呼应,于是F轴就形成与U、V轴的联动,所以这和传统意义上的联动不一样。我们认为这是数控技术的新理念,也是第四代中走丝机床的标志之一。五轴联动是解决大锥度工件无导丝器多次切割、改善表面粗糙度的有效途径。

表1 中走丝线切割机床先进性划分

2.4 提升中走丝机床品质的技术途径

(1)必须有性能先进的专家数据库系统,彻底摆脱对操作者个人技能的依赖。

(2)对电极丝实行动态精确控制,这是依靠操作者也无法实现的。

(3)根据中走丝机床的工艺特点,对精加工时的电极丝直径进行恒量化控制。

(4)研发中走丝专用控制系统软件,实现高精度对中功能及螺距误差补偿功能。

(5)进行人性化应用设计,只有当中走丝机床的操作既轻松又简便,才会被市场所接受。

3 核心技术

3.1 第三代智能专家控制系统

(1)高频参数智能化。系统将根据用户选择的工件材料与工件厚度,自动选择高频参数。

(2)切割次数智能化。系统将根据用户所需的工件表面质量,提供切割所需的次数,指导用户编程。

(3)加工余量智能化。多次切割时,为保证良好的表面粗糙度和工件尺寸,系统将根据用户对工件的要求,将每次切割的加工余量列成表格,指导用户编程。

(4)切割跟踪智能化。系统将根据高频参数和加工余量,自动调节进给跟踪频率。

(5)短路判断智能化。系统可自动监测放电状态,根据放电状态控制工作台进给,避免发生实际上的短路。

(6)丝速控制智能化。在切割过程中,系统可根据切割的高频参数自动切换走丝速度。

(7)张力参数智能化。系统根据切割次数,自动切换张力值,并将张力值传送至张力控制系统。

(8)专家数据库为开放式设计,用户可根据经验对数据进行修改,形成个人专用数据库。

(9)系统具有低能量、高速进给自动切换功能。首次切割时的电流一般较大,在工件表面易因氧化层而烧断钼丝,本系统在电极丝未接触工件时高速进给;当电极丝接触工件时自动切换为低能量切割,可避免烧断钼丝;当电极丝完全切入工件后,系统自动恢复高能量设定,进行正常切割。

(10)高效断续加工功能。当钼丝与工件没有接触时(空切),系统自动将进给跟踪速度调至最快;一旦当钼丝与工件接触后,系统又自动将跟踪频率恢复正常设定,进行切割。该功能可提高无效切割时的空走速度,减少无效切割的时间,在无人看守的情况下实现高效断续加工。

(11)放电加工动态频谱显示。用户可直观地了解切割跟踪的情况。

(12)用户可根据实际情况选择多次切割或单次切割控制,在单次切割控制时,系统将根据用户选择的不同加工电流,自动选择最佳参数。

上述第 4 、5、7、9、10、12 条为自主创新技术,其中,第9、10条为中国首创。

3.2 智能张力控制系统

该控制系统是公司自主创新研发的高精度电极丝张力控制系统,获得国家发明专利,拥有完全自主知识产权。该系统为全数字、全闭环、高响应的交流伺服控制系统,对高速运行的电极丝张力控制精度达到0.2 N/0.5 s。该系统采用液晶显示,人机交互,直观简洁,具有自动上丝控制、自动紧丝控制、丝架升降无须取丝、电极丝张力精确适时补偿、断丝保护、参数断电记忆保护、实时显示张力值、张力轮位置手动调节、张力调节轮超程保护等多项实用功能。

3.3 电极丝刀库化控制系统

本系统是借鉴加工中心的刀库控制理念,自主创新研发的智能化控制系统,可实现线切割机床从粗加工到精加工过程中的电极丝自动更换。系统设计包括换刀信号发送单元、控制单元、执行机构、检测机构。其理论依据是电极丝的机械性能与直径成正比,与放电能量成反比。工作时系统根据操作者的加工工艺要求,控制单元控制储丝筒自动进行粗、精加工切换,粗加工时使用粗加工区电极丝(相当于用粗加工刀具),当粗加工完成,系统发出精加工信号,控制单元控制执行机构自动切换到精加工区电极丝(相当于换上精加工刀具),由于精修切割具有小能量单边放电磨削的特点,电极丝的损耗几乎为零,电极丝的机械性能几乎不变,因此,保证了工件精加工时的工艺需求,至此完成精加工过程。再次加工时,系统又恢复从粗到精的加工过程,所有过程完全智能化实现,无须操作者干预。

3.4 首部Windows XP系统下运行的中走丝专用控制软件

该软件是以校企“产学研”方式合作研发的,是完全具有自主知识产权的中走丝专用控制系统。系统基于Windows XP运行,在继承现有线切割机床控制功能的基础上,参照低速走丝机床系统,开发了“矩阵式”定位精度补偿功能、定位式螺距误差补偿功能、精确的自动对中心功能和自动校垂直功能等。

4 人性化应用设计

4.1 主导轮防水总成

已申请专利号:200420033291.6。该项设计具有较好的防水效果,拆装组合便捷。

4.2 Z轴结构

已申请专利号:200820140768.9。采用进口直线导轨、滚珠丝杠结构,最先将低速走丝Z轴结构引用到中走丝机床上,使Z轴升降水平方向的定位精度达到0.002 mm以内,自动升降操作简便,且Z轴升降时不用拆卸电极丝。

4.3 导轮保护器

导轮保护器正在申请专利。它不仅对导轮及传感器形成保护,同时还实现了只要将电极丝放入保护器内,即使电极丝在松弛状态也永远不会从导轮V形槽内脱落,该技术使上丝穿丝操作极为简便。

4.4 新型过渡导轮定位组件

已申请专利号:201120074850.8。组件为外螺纹结构,导轮外套设计有统一的轴向定位台阶,可保证所有导轮定位在规定的同一空间平面,且拆装非常简便。

4.5 复合型长寿命导电块

已申请专利号:200820140769.3。该导电块外形似梅花圆片,外圈为YG8硬质合金,中间镶嵌铜材,水平安装,电极丝与导电块端面接触,耐磨和导电性能好。磨损后可旋转一个小角度持续使用,旋转一周后翻面还可用同样方法再使用。导电性能和使用寿命,都是传统导电块的数十倍。

4.6 框架式折叠门水槽

已申请专利号:200920304351.6。解决了工作台防水板不落地的要求,为了穿丝操作方便,该水槽不采用向两侧开门的方式,而是单侧折叠开门,框架结构主要是为减轻重量。

这些专利设计与核心技术相比,或许是雕虫小技,但它们却有着非常大的现实意义,不仅给操作者带来极大的方便,其指导思想也充分体现了以人为本的科学发展观。

5 验收高端中走丝机床的重要指标

高端中走丝机床的核心技术既不是作秀,更不是演戏,而是要刺刀见红地杀开一条血路,要真正为用户创造更高的价值,要勇敢地靠近低速走丝,所以高端中走丝机床的指标必须具有实战性、高端性,这主要体现在高精度、高稳定性和人性化操作等要求上。我们参照低速走丝机床的国家标准并结合中走丝线切割机床的特点,制定了考核真正高端中走丝机床的技术指标。在无须使用任何形式导丝器的状态下,这些技术指标主要有:

(1)表面粗糙度:Ra≤1.0 μ m/30 000 mm2。

(2)绝对尺寸精度误差:≤±0.005 mm。

(3)一致性尺寸误差:≤0.005 mm/30件。

(4)纵向尺寸误差:≤0.005/100 mm。

(5)机床定位精度:按低速走丝国家标准验收。

(6)30°大锥度无导丝器多次切割 Ra≤1.2 μ m/30 000 mm。

6 结束语

核心技术不是目的,精确量化的技术指标才是价值。与核心技术相比,用户更关心的是完整的技术指标,它既明确了精度要求,也对稳定性给予了明确规范,再结合如前所述的人性化应用设计,至此,无论是技术上的严重缺陷还是可操作性上的问题都得到了有效解决。高端中走丝机床的精度指标固然是核心技术造就的,然而当我们把这些核心技术运用于泰州某品牌机身上时,却因“水土不服”而无法达到这些精度要求,这就说明了再好的核心技术也要有与之相配的主机平台。

总之,核心技术要靠自主研发,在时间上需要持续创新、永无止境,在空间上更要多学科、多领域的集成创新,这就需要凝聚一支高素质的创新团队。企业不仅要有“老当益壮不坠青云之志、穷且益坚宁移白首之心”的坚定意志,还要敢于面对由于研发人员流动给企业创新研发带来的高风险,所以说制约实战型高端中走丝机床发展的不是技术瓶颈,而是企业的管理瓶颈和文化瓶颈。

中走丝线切割加工技术发展的前途是光明的,道路是曲折的,一分耕耘一分收获,坚持不懈努力,必能修得正果。