非对称加工电火花线切割可编程高频电源设计.pdf

2 0 1 1 年 1 1 月 第 3 9卷 第2 2期 机床与液压 MACHI NE T0OL HYDRAULI CS NO V ． 2 0 1 1 V0 1 ． 3 9 No ． 2 2 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 2 2 ． 0 0 7 非对称加工电火花线切割可编程高频电源设计 尚婕 ，姜文刚，李建华，蔡蓝图 江苏科技大学电子信息学院 ，江苏镇 江 2 1 2 0 0 3 摘要对双向走丝的电火花线切割提出一种非对称的切割方法，根据走丝方向，线切割机床采用不同的放 电脉冲参数 来加工工件。设计了实现该方法的可编程高频电源。实际使用表明该电源能在不降低加工精度的同时，较大幅度地提高 线切割加工速度。 关键词 电火花线切割；非对称加工 ；高频电源 中图分类号T G 6 6 1 文献标识码B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 2 2 0 2 4 3 As y mme t r i c W EDM Pr o g r a mma b l e Hi g h Fr e qu e nc y Po we r Su pp l y De s i g n S HANG J i e ，J I AN G We n g a n g ，L I J i a n h u a，C AI L a n t u S c h o o l o f E l e c t r o n i c a n d I n f o r m a t i o n ， J i a n g s u U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， Z h e n j i a n g J i a n g s u 2 1 2 0 0 3 ，C h i n a Ab s t r a c t A me t h o d o f a s y mme t r i c W E DM f o r t w o wa y wi r e mo v e me n t c u t h a s b e e n p r o p o s e d ．Ac c o r d i n g t o t h e d i r e c t i o n o f wi r e mo v e me n t ，t h e wo r k p i e c e wo u l d b e p r o c e s s e d b y E DM wi t h d i f f e r e n t p u l s e s p a r a me t e r s ．F o r t h i s p u r p o s e ，t h e p r o g r a mma b l e h i g h f r e q u e n c y p o w e r s u p p l y w a s d e s i g n e d ．Ac t u a l u s e s h o ws t h a t t h e l i n e c u t t i n g s p e e d wi l l b e g r e a t l y i mp r o v e d b y t h e p o we r s u p p l y ，b u t n o t r e d u c e d t h e p r e c i s i o n a t t h e s a me t i me ． Ke y wor d sW EDM ；As y mme t r i c pr o c e s s i ng；Hi g he q u e n c y p o we r s up p l y 电火花线切割加工 Wi r e E D M，简称 WE D M 是采用线状电极火花放电对工件进行电腐蚀，实现切 割，简称线切割 。根据线切割机床走丝速度的不 同，通常将其分为三种一是我国独创的快速走丝线 切割机床 WE D MH S ，电极丝采用钼丝，加工时 电极丝作高速往复运动，放电对工件进行切割，电极 丝的重复使用，降低了加工成本 ，但加工精度低 ；二 是低速走丝线切割机床 WE D ML S ，电极丝基本 采用铜丝，作低速单向运动，采用连续供丝的方式， 电极丝不重复使用，加工精度高但成本也高；三是复 合走丝线切割机床 WE D M ～C S ，电极丝采用钼 丝 ，电极丝在往复低速 走丝 的 同时 ，还作 旋转 运动 ， 电极丝可可重复使用，加工成本低 ，加工精度可以采 用多次切割来提高。 对于快走丝和复合走丝线切割 ，都存在电极丝往 复运动放电切 割加工 过程 ，电极丝走丝方 向通常为从 上到下和从下到上两个方向，走丝过程中用电脉冲来 切割工件，在加工时会产生加工屑。如果排屑不畅， 不能充分消除电离，产生二次放电，影响切割速度 ， 电极丝不能得到充分冷却 ，影响加工质量，甚至造成 短路 、断丝 。 排屑是否顺畅和走丝方 向密切相关 ，线切割主要 在电脉冲间隔期间进行排屑，在不同的走丝方向需要 的排屑时间不一样。现有的电火花线切割机床的电脉 冲的宽度 和问隔在不 同的走丝方 向设置是一样的 ，特 别对于较厚的加工工件 ，为了在不利于排屑的走丝方 向时能顺利排屑，设置较大的脉冲间隔，这样整体切 割速度就受到影响。因此针对往复走丝的线切割提出 非对称的加工方法 ，根据不同的走丝方向采用不同的 电脉冲参数，并设计适用于该方法的高频电源，在不 影响精度 的前提下提高加工 速度 。 1 电脉冲参数对线切割的影响 电脉冲参数对线切割 的影 响主要包括 电脉冲宽 度r， k 和 电 脉 冲 间 隔 T g ，如 图 1 所 示。电 脉冲宽度增加 ，释放的电 图1 脉冲波形 能增加，单次腐蚀工件的量加大，加工速度提高，但 工件表面精度下降。在增加切割量同时，电极丝腐蚀 也较多，损耗加大，因此过大的放电脉冲极易造成断 丝。要提高工件表面精度，必须降低电脉冲宽度 ，速 度下降。速度和精度是矛盾的，因此，需要根据工件 要求的表面精度选择合适的电脉冲宽度。 电脉冲问隔和电脉冲宽度是相关的，电脉冲宽度 收稿 日期 2 0 1 01 0 0 6 基金项目江苏科技大学国家发明专利基金项目 2 1 1 0 1 0 1 3 ；企业委托项目 2 0 0 8 D X 0 9 5 F 作者简介尚婕 1 9 7 9 一 ，女，硕士，讲师，研究方向为机电一体化控制。E ma i l s h a n g j 1 6 3 ． c o n。 第 2 2期 尚婕 等非对称加工电火花线切割可编程高频电源设计 2 5 增加，切割量变大，加工屑增多，需要更大的电脉冲 间隔来排屑，因此现有的大部分快走丝线切割机床 ， 电脉冲间隔是设置成 电脉冲宽度的多少倍来实现的。 在相同的电脉冲宽度下 ，设置较小的电脉冲间隔，意 味着平均放电电流增加，提高了切割速度，电极丝损 耗也增加。较小的电脉冲间隔会导致排屑不畅，每次 加工屑不能及时排出，使得电极丝对加工屑放电，不 能直接加工工件，导致速度下降。排屑不畅极易造成 短路，烧伤工件甚至断丝。另外电脉冲间隔的设置和 加工工件 厚度 有很 大 关 系 ，越厚 的工件 为 了顺 利排 屑 ，要求越宽的电脉冲间隔，但是如果电脉冲间隔设 置过大，切割速度明显降低。 电脉冲宽度和电脉冲间隔设置时可以先根据加工 表面精度要求选择合适的电脉冲，然后通过示波器观 察电流波形来确定电脉冲间隔。如果观察到短路 ，表 明电脉冲宽度过大或者电脉冲间隔过小 ；如果观察到 有较多的脉冲不放电，则电脉冲宽度过小或者电脉冲 间隔过大。同时要兼顾电极丝的平均电流不能太大， 影响其寿命。 2非对称加工方法 从 以上分析 可知排 屑主要 在电源脉冲间隔期间进 行 ，对于往复走丝的线切割机床，走丝方向通常为从 上到下 和从下 到上两个 方 向 ，乳 化 液 由于 重力 的原 因总是往下 流 。走 丝 方 向从 上 往 下 时 ， 由于走 丝 、 重力和乳化液的作用更利于排 出加工屑。走丝方向 从下往上时，由于电极丝带动部分乳化液往上走 ， 所以不利于排屑。对于厚的加工工件 ，为了在不利 于排 屑 的走 丝方 向时能顺 利排 屑 ，电脉 冲要设 置较 大的脉冲间隔，而该脉冲间隔对于利于排屑的走丝 方向又太大了，但是现有的线切割机床的电脉冲参 数在两个走丝方向是一样 的，这样整体切割速度就 受 到影响 。 为了提高加工速度 ，提出可以在不同的走丝方向 设置不同的电脉冲参数非对称加工方法，具体如下 在利于排屑的走丝方向，减小电脉冲间隔，增加或不 改变电脉冲宽度 ；在不利 于排屑 的走丝方 向，增 加电 脉冲间隔，减小或不改变电脉冲宽度。如果要保证两 个走丝方向的加工表面精度一致，可以保持电脉冲宽 度不变，根据走丝方向改变电脉冲间隔。该方法有利 于顺利排 屑 ，并且适用 于不 同厚 度工件 的快速 切割 ， 提高了往复走丝线切割的效率和速度。 3高频电源实现 线切割的高频电源包括脉冲发生器和功率放大， 在这里只介绍脉冲发生器部分。其核心是采用 8 9 S 5 1 单片机，包括走丝方向检测、不同走丝方向电脉冲参 数设置、串1 2 和 E R O M等电路，如图2所示。 图2 脉冲发生器 2 6 机床与液压 第 3 9卷 有两种方式设置电脉冲参数，一种是插补计算机 或上位机通过串口J 7 来设置，J 7经过电平转换芯片 S P 2 3 2与 8 9 S 5 1 相连，通过串口，上位机可以随时改 变电脉冲参数 ，这对于加工厚度变化的工件特别有 用 ；另外一种是通过面板开关来设置，保留开关设置 方式是为了和现有的线切割机床兼容 ，如果机床脉冲 电源升级直接更换脉冲发生器电路板 ，无需更改线 路。开关 s 1 、s 2 、s 7 、s 8 用来进行电脉冲宽度设置 ， 开关 s 3 、S 4 、s 5 、s 6用来设置电脉冲的间隔，设置 成是电脉冲宽度的多少倍。参数区分开关 s 9闭合时 表示设置利于排屑走丝方向的放电脉冲参数 ，s 9开 关打开时表示设置不利于排屑走丝方向的放电脉冲参 数，两组脉冲参数都保存在 X 5 0 4 5 P芯片的 E P R O M 内，停电也不会丢失。参数是采用串口设置还是面板 开关设置取决于开关 S 1 1的状态，S 1 1 打开表示面板 设置有效，闭合表示串口设置有效。 线切割机床是通过行程开关控制接触器来改变走 丝方向，从接触器的辅助触点引出走丝方向信号，即 图 2中的 S 1 0通过插座 J 4送 给 8 9 S 5 1 。8 9 S 5 1 通过 对 走丝方向检测，在走丝的两个不同的方向，按照设置 好的电脉冲参数，分别生成不同电脉冲宽度和电脉冲 间隔的放电脉冲进行加工。加工时，在利于排屑的走 丝方向，采用利于排屑走丝方向的电脉冲参数进行加 工。在不利于排屑的走丝方向，采用不利于排屑走丝 方向的电脉冲参数进行加工，最后重复上述步骤往复 切割，直到加工完毕。 8 9 S 5 1 的 P 2 0管脚输出加工电脉冲，通过放大后 驱动后面的功率放大电路。K l 是控制脉冲输出的继 电器，在电极丝换 向期间其触点断开，禁止脉冲输 出。 为了得到更精确的电脉冲，8 9 S 5 1的晶振采用 2 4 MH z ，使得单片机的指令周期为 0 ． 5 s ，电脉冲的时 间参数误差不超过 0 ． 5 Iz s 。X 5 0 4 5 P除了含有 E R O M 外还有看门狗和电源电压检测的功能，提高了脉冲发 生器工作的可靠性。 8 9 S 5 1 的主程序主要实现初始化，包括初始化各 种初值和中断 、开中断、读 E R O M，在主循环内实 现清看门狗、读脉冲参数设定开关状态、检测走丝方 向、根据脉冲参数设定开关状态计算当前走丝方向定 时器高电平和低 电平计数值、将 电脉冲参数缓存到 E R O M等。单片机定时器中断的主要任务是根据主 程序计算的高电平和低电平计数值判断该输出低电平 还是高电平。如果高电平计数到，则设置输出为低电 平并设置低电平计数值；如果低电平计数到，则设置 输出为高电平并设置高电平计数值。串口中断实现通 信，定时器中断的优先级要高于串口中断，以免通信 时是影响脉冲输出。 4结论 所设计的高频电源在 D K 7 7 5 0线切割机床上使用 时，采用钼丝直径为 0 ． 1 5 m m，切割厚度为 4 8 0 m m 的4 5号钢工件 ，电脉冲宽度设置一样，在不利于排 屑的走丝方 向，电脉冲宽度 与电脉冲 间隔比设为 1 1 6 ；在利于排屑的走丝方向，电脉冲宽度与电脉冲 间隔比设为 1 8 ，而原来只能设置成和不利于排屑的 走丝方向一样的 1 1 6 。在切割厚度为 2 5 0 m m的 4 5 号钢工件时 ，电脉冲宽度设置一样 ，在不利于排屑的 走丝方向，电脉冲宽度与电脉冲间隔比为 1 1 3 ；而 在利于排屑的走丝方向，电脉冲宽度与电脉冲间隔比 为 1 7 ，原来也 只能设置成 1 1 3 。由于在两 个走丝方 向，电脉冲宽度设置一样，所以工件表面的加工精度 基本不受影响，因此采用文中方法设计的高频电源能 够较大幅度地提高线切割加工速度 ，而且加工工件越 厚效果越明显 。 参考文献 【 1 】张利堂， 刘勇， 杜树浩． 基于神经网络的电火花线切割加 工工艺仿真研究 [ J ] ． 组合机床与 自动化加工技术， 2 0 1 0 3 8 38 7 ． 【 2 】 冯巧波 ， 周佳骏． 慢走丝电火花线切割加工精度影响因 素的研究[ J ] ． 机械设计与制造， 2 0 1 0 8 1 8 51 8 6 ． 【 3 】 廖剑霞． 复合走丝电火花线切割机床走丝方式改善加工 性能的实现[ J ] ． 机械科学与技术， 2 0 1 0 ， 2 9 7 9 3 6 9 3 9． 【 4 】夏卫锋． 数控线切割加工排屑不畅的解决办法 [ J ] ． 机 床与液压， 2 0 1 0， 3 8 1 2 1 1 51 1 6 ． 【 5 】 鲍中美． 线切割加工工艺中主要电参数对加工质量影响 的分析及合理选择[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 7 ， 3 5 4 1 0 0 1 01 ． 【 6 】葛晓阳． 线切割机床 电参数对工艺指标影响的研究 [ J ] ． 机床与液压． 2 0 0 9， 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