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沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文
摘 要
高速走絲電火花線切割機(jī)床是我國(guó)的發(fā)明創(chuàng)造，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性價(jià)比高，己經(jīng)成為我國(guó)制造業(yè)中不可或缺的加工手段。電火花線切割加工具有無切削力，工件材料硬度對(duì)可加工性影響不大等優(yōu)點(diǎn)，因此能適合各種特殊性能的材料和各種復(fù)雜表面及微細(xì)、精密、薄壁以及低剛性零件，電火花線切割技術(shù)在脆硬材料的切削及加工領(lǐng)域中已經(jīng)廣泛應(yīng)用。隨著制造技術(shù)的提升，要求電火花線切割機(jī)床具有高精度、高效率。所以研究具有高附加值、應(yīng)用性很強(qiáng)的CNC控制系統(tǒng)的電火花線切割機(jī)床，提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力勢(shì)在必行。本文針對(duì)快走絲電火花線切割機(jī)床的設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)描述。通過對(duì)使用性能，工作原理的分析和了解，將其分成三個(gè)主要部分。先選取標(biāo)準(zhǔn)件和校核主要部件，再利用UG三維軟件進(jìn)行綜合實(shí)體設(shè)計(jì)，CAD做最后的出圖修改，完成快走絲電火花線切割機(jī)床的設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：電火花線切割；硬脆材料；機(jī)床設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)
Abstract
After lots of investigation of the internal and external methods on modeling of wire EDM process, the dissertation presents an attempt at modeling. WEDM has advantages of no cutting force and little effect on process ability, which caused by the workpiece material’s hardness. Electric discharge wire-cutting technology has been used widely in the field of Tooling and Machining of Hard and brittle materials. As improving of manufacturing technology, high precession and efficiency of WEDM is needed. Therefore, study on the WEDM of high added value and strong applied CNC control system to improve the market competitiveness is imperative. In the focus of the high speed wire-cutting machine, the article have a detailed description for its design. Through the analysis and understanding of its performance and work principle, made it into three main sections. And select the standard parts and check the main components, then use UG three-dimensional software to comprehensive the physical design and CAD drawing software to final changes made to complete the design to the high speed wire-cutting machine.
Key words: Electric discharge wire-cutting; Hard and brittle materials; Machine design; Structure
目 錄
1 緒論 1
1.1 電火花線切割技術(shù)的發(fā)展 1
1.1.1 國(guó)外切割設(shè)備發(fā)展過程及現(xiàn)狀 1
1.1.2 我國(guó)切割設(shè)備的現(xiàn)狀 5
1.2 線切割加工技術(shù)的發(fā)展方向及意義 7
1.2.1 基于PC的數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā) 7
1.2.2 人工智能(AI)技術(shù)的運(yùn)用 8
1.2.3 機(jī)床設(shè)計(jì)的改善 9
1.2.4 多次切割工藝的應(yīng)用 10
1.2.5 結(jié)論和展望 11
2 電火花線切割技術(shù)內(nèi)容及研究 12
2.1 電火花線切割加工原理 12
2.1.1 電火花線切割正常加工必須具備的條件 12
2.1.2 電火花線切割加工的特點(diǎn) 13
2.1.3 電火花線切割的應(yīng)用范圍 13
2.2 電火花線切割加工機(jī)床的特點(diǎn) 14
2.2.1電火花線切割加工機(jī)床的分類 14
2.2.2 電火花線切割加工機(jī)床的基本組成 14
3 UG軟件介紹 16
3.1 UG的主要技術(shù)特點(diǎn) 16
3.1.1 集成的產(chǎn)品開發(fā)環(huán)境 16
3.1.2 全局相關(guān)性 16
3.1.3 并行協(xié)同工作 17
3.1.4 滿足客戶需要的開放式環(huán)境 17
3.2 UG的主要應(yīng)用模塊 17
3.2.1 Gateway（基本環(huán)境） 18
3.2.2 Modeling(建模) 18
3.2.3 Shape Sdutio（工業(yè)產(chǎn)品造型） 18
3.2.4 Drafting（制圖） 18
3.2.5 Manufacturing（加工） 18
3.2.6 Structures（結(jié)構(gòu)分析） 19
3.2.7 Moldflow Part Adviser（注塑模分析） 19
3.2.8 Motion（運(yùn)動(dòng)分析） 19
3.2.9 Sheet Metal（鈑金設(shè)計(jì)） 19
3.2.10 Routing （管道） 20
3.2.11 Wire Harness（布線） 20
3.2.12 Assemblies（裝配） 20
3.2.13 Knowledge Fusion（知識(shí)融接） 20
3.3 UG與Pro/e的比較 20
4 快走絲電火花線切割機(jī)床設(shè)計(jì)的方案確定 24
5 快走絲電火花線切割機(jī)的設(shè)計(jì) 28
5.1 快走絲電火花線切割機(jī)的結(jié)構(gòu) 28
5.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)： 29
5.2.1 儲(chǔ)絲筒 30
5.2.2 聯(lián)軸器 30
5.3 導(dǎo)絲機(jī)構(gòu)： 30
5.3.1 導(dǎo)絲架 30
5.3.2 導(dǎo)輪部件結(jié)構(gòu) 31
5.3.3 導(dǎo)輪運(yùn)動(dòng)組合件的結(jié)構(gòu) 32
5.4 XY工作臺(tái) 32
6 電火花線切割機(jī)床的主要參數(shù)計(jì)算 33
6.1 確定儲(chǔ)絲筒基本尺寸 33
6.2 主電動(dòng)機(jī)的選擇 33
6.2.1 選擇要點(diǎn) 33
6.2.2有關(guān)計(jì)算： 34
6.3 電動(dòng)機(jī)聯(lián)軸器的選擇 35
6.3.1 常用聯(lián)軸器特點(diǎn) 35
6.3.2 有關(guān)計(jì)算 35
6.4 絲杠的選擇和計(jì)算 36
6.4.1 確定絲杠的相關(guān)參數(shù) 36
6.4.2 相關(guān)計(jì)算 36
6.4.3 確定絲杠副代號(hào) 38
6.5 同步帶及同步帶輪的選擇及計(jì)算 38
6.5.1 選定同步帶 38
6.5.2 選定同步帶輪 39
6.6 工作臺(tái)的設(shè)計(jì) 40
6.6.1 工作臺(tái)選材 40
6.6.2 相關(guān)計(jì)算 40
6.7 步進(jìn)電機(jī)的選擇 41
6.7.1 與絲杠聯(lián)接的電動(dòng)機(jī)確定 41
6.7.2 有關(guān)計(jì)算 42
6.8 工作臺(tái)導(dǎo)軌的選擇 45
7 工藝方案的經(jīng)濟(jì)分析 49
7.1 標(biāo)準(zhǔn)件費(fèi)用 49
7.2 材料費(fèi) 51
7.3 工資 52
7.4 總成本估算 53
8 結(jié) 論 54
9 參考文獻(xiàn) 55
10 致謝 57
附錄A 英文原文 58
附錄B 中文翻譯 74
88
1 緒論
1.1 電火花線切割技術(shù)的發(fā)展
電火花線切割加工（wire cut Electrical Discharge Machining，簡(jiǎn)稱WEDM）是線電極電火花加工的簡(jiǎn)稱，是電火花加工的一種，有時(shí)又稱線切割，屬電加工范疇，是由前蘇聯(lián)拉扎林科夫婦研究開關(guān)觸點(diǎn)受火花放電腐蝕損壞的現(xiàn)象和原因時(shí)，發(fā)現(xiàn)電火花的瞬時(shí)高溫可以使局部的金屬熔化、氧化而被腐蝕掉，從而開創(chuàng)和發(fā)明了電火花加工方法。線切割機(jī)也于1960年發(fā)明于前蘇聯(lián)，我國(guó)是第一個(gè)用于工業(yè)生產(chǎn)的國(guó)家。
被切割的工件作為工件電極，鉬絲作為工具電極，脈沖電源發(fā)出一連串的脈沖電壓，加到工件電極和工具電極上。鉬絲與工件之間施加足夠的具有一定絕緣性能的工作液.當(dāng)鉬絲與工件的距離小到一定程度時(shí)，在脈沖電壓的作用下，工作液被擊穿，在鉬絲與工件之間形成瞬間放電通道，產(chǎn)生瞬時(shí)高溫，使金屬局部熔化甚至汽化而被蝕除下來。若工作臺(tái)帶動(dòng)工件不斷進(jìn)給，就能切割出所需要的形狀。由于貯絲筒帶動(dòng)鉬絲交替作正、反向的高速移動(dòng)，所以鉬絲基本上不被蝕除，可使用較長(zhǎng)的時(shí)間。它主要用于加工各種形狀復(fù)雜和精密細(xì)小的工件，例如沖裁模的凸模、凹模、凸凹模、固定板、卸料板等，成形刀具、樣板、電火花成型加工用的金屬電極，各種微細(xì)孔槽、窄縫、任意曲線等，具有加工余量小、加工精度高、生產(chǎn)周期短、制造成本低等突出優(yōu)點(diǎn)，已在生產(chǎn)中獲得廣泛的應(yīng)用，目前國(guó)內(nèi)外的電火花線切割機(jī)床已占電加工機(jī)床總數(shù)的60％以上。
1960年，蘇聯(lián)首先研制出靠模線切割機(jī)床。中國(guó)于1961年也研制出類似的機(jī)床。早期的線切割機(jī)床采用電氣靠?？刂魄懈钴壽E。當(dāng)時(shí)由于切割速度低，制造靠模比較困難，僅用于在電子工業(yè)中加工其他加工方法難以解決的窄縫等。1966年，中國(guó)研制成功采用乳化液和快速走絲機(jī)構(gòu)的高速走絲線切割機(jī)床，并相繼采用了數(shù)字控制和光電跟蹤控制技術(shù)。此后，隨著脈沖電源和數(shù)字控制技術(shù)的不斷發(fā)展以及多次切割工藝的應(yīng)用，大大提高了切割速度和加工精度。
1.1.1 國(guó)外切割設(shè)備發(fā)展過程及現(xiàn)狀
國(guó)外切割設(shè)備在脈沖電源、機(jī)械系統(tǒng)、斷絲機(jī)理、加工控制等方面均有先進(jìn)體現(xiàn)及發(fā)展。
1、脈沖電源
電火花線切割加工時(shí)，一般采用水作工作液，放電時(shí)的電解腐蝕影響大，特別是對(duì)于硬質(zhì)合金的加工，電解作用會(huì)使工件表面形成一層電解變質(zhì)層，使硬度下降，模具壽命縮短。為克服電解變質(zhì)層的影響，國(guó)外廠商推出無電解電源，日本Sodick公司的BS電源、日本Mitsubishi公司的AE電源、FANUC公司的AC電源、及Seibu公司的EP電源和Charmilles公司的SI電源等都是無電解電源。 其加工原理是在不產(chǎn)生放電的加工時(shí)間內(nèi)(脈沖間 隔)施加一反極性電壓，加工時(shí)仍采用以往的正極性加工，這樣可以使漏電流控制到最低限度。采用無電解電源后，生產(chǎn)效率約比傳統(tǒng)的電源降低30%，最大的生產(chǎn)效率約為260～270mm2/min，加 工表面粗糙度達(dá)Ra0.1～0.2μm。目前的無電解電源可以進(jìn)行從粗加工到精加工的整個(gè)加工過程，但單獨(dú)使用此電源所能達(dá)到的表面粗糙度略低于微精加工電路所達(dá)到的最佳指標(biāo)，其優(yōu)點(diǎn)在于消除了電解變質(zhì)層，減少裂紋，提高表面硬度，大大提高了工件壽命，減少精修次數(shù)。此外，無電解電源在加工鋁、黃銅、鈦合金等材料時(shí)，工件的氧化情況也有很大的改善。
電火花線切割加工件的表面缺陷，不僅指電解變質(zhì)層，而且還包括熱變質(zhì)層、微裂紋鍍覆層及鐵銹等方面。為了改善工件的表面質(zhì)量，Charmilles公司的對(duì)策是在等能量的原則下，將 脈寬變窄拉高，使放電能量集中，讓材料以汽化方式蝕除。這樣配備了MF微精加工電路的SI電源保證了表面完整性。用過去的電源加工時(shí)，變 質(zhì)層為4～5 μm，用SI電源及細(xì)絲加工時(shí)，變質(zhì)層為1μm以下。據(jù)介紹，日本Mitsubishi公司的EAⅡ電源加工后的表面也不產(chǎn)生微裂紋，可以獲 得與磨削加工幾乎一樣的表面。
與脈沖電源密切相關(guān)的還有電源參數(shù)的控制問題，它不僅涉及到電源技術(shù)，同時(shí)還涉及到自動(dòng)控制領(lǐng)域。有關(guān)脈沖電源參數(shù)的控制將在控制系統(tǒng)部分?jǐn)⑹觥?
2、機(jī)械系統(tǒng)
為提高加工精度和改善控制性能，電火花線 切割機(jī)床的機(jī)械部分也得到改進(jìn)，有的已將電火花線切割加工技術(shù)提高到一個(gè)新的境界。
日本Sodick公司創(chuàng)造性地在電火花線切割機(jī)床的伺服系統(tǒng)上使用直線馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，使精加工脈沖的利用率大幅度提高。直線運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)向也采用了與直線電機(jī)高響應(yīng)速度相適應(yīng)的滾動(dòng)導(dǎo)軌，這些措施的綜合使用，實(shí)現(xiàn)了機(jī)床的精密控制和長(zhǎng)期的精度保持性。
瑞士的CHARMILLES公司的超精密電火花線切割機(jī)床ROBOFIL-2030SI在機(jī)械系統(tǒng)上有自己的新意:該機(jī)采用新的走絲系統(tǒng)，電機(jī)絲在皮帶運(yùn)絲機(jī)構(gòu)中作橫向擺動(dòng)，大大減少了皮帶磨損出溝問題，使絲張力和走絲速度更加穩(wěn)定，而且皮帶的使用壽命至少有1000h。最近又推出了雙走絲系統(tǒng)線切割機(jī)。
此外，自動(dòng)穿絲技術(shù)方面也有重大進(jìn)展。穿絲前除了進(jìn)行加熱、拉細(xì)、變硬的準(zhǔn)備處理外，在保護(hù)套管下端還設(shè)有一細(xì)脖子，當(dāng)電極絲經(jīng)上述處理后，因?yàn)榇颂幧彷^慢，會(huì)過熱拉斷，形成自然的尖錐，從而不再需剪切機(jī)構(gòu)，也不會(huì)有剪切毛刺，影響穿絲的成功率。用<0.1mm的電極絲，可穿過<0.16mm的起始孔50次，成功率100%，一次穿絲時(shí)間10～15s。重穿絲可以在切縫中進(jìn)行，不必回到起始孔位置，其范圍已擴(kuò)大到直徑為0.07～0.3mm的電極絲。
另一個(gè)重大改進(jìn)是用恒溫水冷卻立柱。ROBOFIL2030SI機(jī)床的工作液(高純水)有一套溫控裝置，控制水溫在(20±0.5)℃范圍，用專門的循環(huán)水泵將其川流不息地在立柱冷卻管道中通過，不管室溫如何變化，立柱溫度不變。瑞士的Agie公司為減少機(jī)床精度的變化對(duì)加工精度的影響，而采取了統(tǒng)一的溫度場(chǎng)，其機(jī)床裝有兩套溫度控制系統(tǒng)，分別控制加工區(qū)與U、V軸兩軸的溫度，以及電源箱、機(jī)床與室溫的空氣冷卻。兩套溫控系統(tǒng)通過溫度計(jì)進(jìn)行調(diào)整，使溫差不超過1℃。
在電火花線切割加工中，由于電極絲的滯后彎曲變形，在角度加工時(shí)會(huì)產(chǎn)生塌角誤差，特別在小角度與小圓弧切割時(shí)表現(xiàn)更為明顯。Agie公司在這方面擁有稱為Pilot的專利技術(shù)，它利用一 套光學(xué)系統(tǒng)測(cè)量電極絲受力時(shí)彎曲變形量，由 CNC系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償，其分辨率為2μm，采樣頻率為每秒15次，這樣不僅提高了角度的加工精度，而且使加工速度比一般的拐角對(duì)策提高了60%。
3、斷絲機(jī)理
一般認(rèn)為，斷絲主要是由于火花放電集中引起電極絲溫度過高而熔斷，這一點(diǎn)與檢測(cè)到的斷絲先兆是一致的。因此從熱傳導(dǎo)理論研究電極絲的溫度分布成為研究斷絲機(jī)理的主要研究途徑。M. Jennes、R. Snoeys和W. Dekeyser建立了熱模型，并分別用解析法和有限差分法計(jì)算了不同加工條件下電極絲上的溫度分布。S.Banejee對(duì)Jennes的模型進(jìn)行了修正和簡(jiǎn)化，新模型考慮了脈沖時(shí)間內(nèi)放電通道寬度方向上的熱能擴(kuò)散。研究的結(jié)果表明:斷絲前的熱載荷超過平均值;脈沖寬度和絲徑的大小對(duì)絲溫的影響大;熱對(duì)流系數(shù)對(duì)絲溫的影響大，沖液的狀態(tài)對(duì)避免斷絲十分重要;焦耳熱和絲振的作用可相對(duì)忽略
K.P.Rajurkar等也進(jìn)行了這方面的研究，但所獲得的熱傳導(dǎo)計(jì)算結(jié)果與實(shí)際加工結(jié)果相差較大，只能是定性或粗定量地反映電極絲上的溫度分布和蝕除速度。此外，他們還研究了冷處理后的電極絲與加工性能之間的關(guān)系，使用在77Ο的低溫中存放24小時(shí)后的電極絲進(jìn)行切割，斷絲的可能性降低了30%。
對(duì)于等能量脈沖電源，研究的結(jié)果表明斷絲有兩個(gè)重要先兆:(1)火花放電機(jī)率在短時(shí)間內(nèi)(50ms～2s)突然上升，由于放電頻率過高使電極絲局部溫度很高，進(jìn)而導(dǎo)致斷絲。(2)正常火花機(jī)率的下降，異常放電機(jī)率逐漸上升也是斷絲的一個(gè)先兆，由于絲損上升，電極絲變細(xì)，最終被拉斷。K.P.Rajurkar等還指出加工過程中工件厚度的突變是引起放電集中的主要原因之一，因此需要在線檢測(cè)工件厚度的變化，調(diào)整相應(yīng)的工藝參數(shù)，控制電極絲的進(jìn)給速度和放電頻率，在不斷絲的情況下得到較佳的切割速度。
由于斷絲先兆持續(xù)的時(shí)間短，防斷絲控制的實(shí)時(shí)性要求高，因此控制參數(shù)的選擇非常重要。在線切割加工中，脈沖間隔能夠快速調(diào)節(jié)向放電間隙輸入的能量，同時(shí)脈沖間隔變大，使放電間隙電蝕產(chǎn)物排除的時(shí)間增加，能有效改善放電集中現(xiàn)象，使斷絲發(fā)生的機(jī)會(huì)大大降低，這使脈沖間隔成為防斷絲控制的首選控制參數(shù)。
4、 加工控制
電火花線切割加工中，由于檢測(cè)量與控制量之間的非線性關(guān)系，使得經(jīng)典控制理論難以取得較好的效果。針對(duì)高速走絲線切割加工控制，Huang.Y.H等在分析機(jī)床的加工工藝特點(diǎn)后，提出了步進(jìn)電機(jī)進(jìn)給步周期的推算算法，使在切割厚度變化情況下也能很好地跟蹤，獲得最佳切割速度。Zhang.W等用自校正控制算法來進(jìn)行控制伺服進(jìn)給，并通過試驗(yàn)確定系統(tǒng)的預(yù)報(bào)模型為二階模型，控制模型的參數(shù)采用在線遞推估計(jì)法。試驗(yàn)表明這些控制算法在一定的實(shí)驗(yàn)條件下取得了較好的加工效果，對(duì)不同的加工條件都有較好的適應(yīng)能力。
對(duì)于慢走絲電火花線切割加工，火花放電機(jī)率的高低和波動(dòng)不僅關(guān)系到加工速度，同時(shí)與加工穩(wěn)定性和斷絲問題是密切相關(guān)的。K.P.Ra2jurkar等認(rèn)為不同厚度工件的最佳火花頻率不同，因此必須實(shí)現(xiàn)工件厚度的實(shí)時(shí)檢測(cè)。為了在線識(shí)別工件厚度，建立一個(gè)多輸入?yún)?shù)模型，用間隙電壓量、伺服進(jìn)給量和實(shí)時(shí)檢測(cè)的火花機(jī)率來識(shí)別，這使得在伺服進(jìn)給不穩(wěn)定時(shí)也能有很高的精確性。他們還通過實(shí)驗(yàn)建立了厚度與最佳火花機(jī)率關(guān)系的公式，當(dāng)工件厚度識(shí)別后，最佳的火花頻率也就確定了。在控制火花機(jī)率上，他們采用了自適應(yīng)控制理論來建立了一個(gè)一階控制模型，模型參數(shù)同樣采用在線遞推辨識(shí)以適應(yīng)放電加工的隨意性。試驗(yàn)表明，該控制策略使在變厚度切割條件下也能始終維持最佳的火花機(jī)率，保持高速切割，同時(shí)有效避免斷絲的發(fā)生，這在電火花線切割加工自適應(yīng)控制研究是相當(dāng)先進(jìn)的。
M.T.Yan，Y.S.Liao等是較早在電火花線切割加工控制系統(tǒng)中運(yùn)用模糊邏輯控制理論的。同建立在精確數(shù)學(xué)模型的經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論想比，模糊控制更適合于多輸入非線性、時(shí)變或具有高度不確定性的系統(tǒng)的控制，而且控制器的規(guī)劃設(shè)計(jì)可以充分利用熟練操作人員及專家的經(jīng)驗(yàn);此外將自適應(yīng)和學(xué)習(xí)能力引入到模糊控制中，使模糊控制規(guī)則、隸屬函數(shù)和模糊量化在控制中可自動(dòng)調(diào)整和完善。這些特點(diǎn)都非常適合電火花加工控制。在此基礎(chǔ)上，對(duì)脈間和進(jìn)給伺服參考電壓采用模糊自適應(yīng)控制。試驗(yàn)表明，與傳統(tǒng)的控制相比較，采用模糊控制技術(shù)具有良好的自適應(yīng)能力，控制器可以由放電間隙狀態(tài)的檢測(cè)來感知加工條件的變化，從而自動(dòng)調(diào)節(jié)控制參數(shù)，如同一個(gè)熟練的機(jī)床操作人員，試驗(yàn)研究取得了滿新意的結(jié)果。
在拐角切割控制加工上，W.J.Hsue,S.S.Lu等在控制策略上有新的成果，他們提出了“放電 角”的新概念，并利用此概念分析了常見拐角加工 的材料去除率，指出在拐角切割且當(dāng)保持恒速伺服進(jìn)給時(shí)，材料蝕除量是在不斷發(fā)生變化的，不象在進(jìn)行直線切割時(shí)，材料蝕除量是恒定的，因此在切割拐角時(shí)，向放電間隙輸入的放電能量要與材料的蝕除量相一致，否則拐角的切割由于過多的放電能量而形狀精度下降。在控制放電能量的同時(shí)，他們還對(duì)電極絲的張力進(jìn)行控制，當(dāng)切割拐角時(shí)增加電極絲的張力來改善由于電極絲彎曲而使精度下降的現(xiàn)象，研究中的試驗(yàn)結(jié)果表明這種全面控制策略取得相當(dāng)好的加工精度。它代表了這種切割方式最新發(fā)展水平。
總之，國(guó)外切割設(shè)備的發(fā)展日新月異。300mm切割機(jī)已在生產(chǎn)線上運(yùn)行，更大直徑的切割機(jī)已經(jīng)在研制或完善中，隨著材料加工設(shè)備的更新?lián)Q代，將在21世紀(jì)有力地推動(dòng)超大規(guī)模集成電路的迅猛發(fā)展。
1.1.2 我國(guó)切割設(shè)備的現(xiàn)狀
1、機(jī)床品種多樣化、年產(chǎn)量穩(wěn)步增長(zhǎng)
多年來,我國(guó)生產(chǎn)的數(shù)控電火花線切割機(jī)一直是單一的高速走絲線切割機(jī)。近幾年來,為了滿足市場(chǎng)需要,又開發(fā)生產(chǎn)了自旋式電火花線切割機(jī)、走絲速度可調(diào)的電火花線切割機(jī)(含高低雙速走絲電火花線切割機(jī))以及低速走絲電火花線切割機(jī)等。機(jī)床品種的多樣化可以滿足用戶的需要,擴(kuò)大數(shù)控電火花線切割加工的應(yīng)用范圍。
高速走絲電火花線切割機(jī)是我國(guó)當(dāng)前發(fā)展的主要產(chǎn)品,廣大科技工作者為了進(jìn)一步提高它的工藝性能及自動(dòng)化程度做了大量開發(fā)研究工作,并開發(fā)生產(chǎn)了2000mm×1200mm×500mm及1000mm×630mm×1000mm等超大型高速走絲電火花線切割機(jī)床,擴(kuò)大了它的應(yīng)用范圍,滿足了用戶的各種需要,使其年產(chǎn)量穩(wěn)步增長(zhǎng),至今已達(dá)12000臺(tái)/年,并有約300臺(tái)/年出口到世界各國(guó)。
低速走絲電火花線切割機(jī)過去曾是“出口機(jī)”的代名詞,現(xiàn)在已有蘇州沙迪克三光機(jī)電有限公司、北京阿奇工業(yè)電子有限公司、蘇州電加工機(jī)床研究所、漢川機(jī)床廠等多家制造廠商自行開發(fā)生產(chǎn),年產(chǎn)量達(dá)300多臺(tái)。這些機(jī)床性能好,價(jià)格不到進(jìn)口機(jī)的一半,深受國(guó)內(nèi)用戶的歡迎。
自旋式電火花線切割機(jī)和走絲速度可調(diào)的電火花線切割機(jī)目前雖處在開發(fā)和完善階段,產(chǎn)量也不大,但開發(fā)思想都是企圖借鑒高速走絲和低速走絲二者的優(yōu)點(diǎn)來創(chuàng)造一種新型的電火花線切割方法。它的成功不僅能為我國(guó)的電火花線切割機(jī)增加一個(gè)新品種,并以它性能價(jià)格比好以及加工消耗低的特點(diǎn)找到它自身的應(yīng)用范圍,而且為高速走絲的電火花線切割機(jī)的多次切割工藝奠定基礎(chǔ)。
2、高速走絲系統(tǒng)日趨完善
高速走絲有助于工作液進(jìn)入窄小的加工區(qū),改善排屑條件,這對(duì)于切割大厚度工件以及提高切割速度都是很有作用的;同時(shí),電極絲的往返運(yùn)動(dòng)可使電極絲重復(fù)使用,減少電極絲的消耗,降低切割加工的生產(chǎn)成本。然而,高速走絲也會(huì)造成導(dǎo)向器(導(dǎo)輪、導(dǎo)向塊等)的磨損和系統(tǒng)的振動(dòng),加上電極絲的張力不易控制,它將給加工穩(wěn)定性、加工精度及表面質(zhì)量帶來嚴(yán)重影響。為了解決高速走絲所存在的問題,完善高速系統(tǒng),廣大科技工作者已做了大量的開發(fā)研究工作,并獲得了明顯的效果。
上海大量電子設(shè)備有限公司已于1999年開發(fā)生產(chǎn)了數(shù)字程序控制短程往返走絲系統(tǒng),根據(jù)加工條件設(shè)定正向移動(dòng)和反向移動(dòng)的時(shí)間,以消除高速走絲的換向切割條紋,改善加工表面質(zhì)量。
北京阿奇工業(yè)電子有限公司根據(jù)高速走絲正向和反向移動(dòng)張力不一的缺點(diǎn),開發(fā)了新型的恒張力高速走絲機(jī)構(gòu)。這種新型機(jī)構(gòu)不僅可以緊 絲,而且可以保證正向和反向移動(dòng)時(shí)電極絲的張力基本一致。因?yàn)?走絲系統(tǒng)上、下絲架的導(dǎo)輪是對(duì)稱設(shè)置的,可以保證正、反移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生摩擦阻力相近,使電極絲的張力在整個(gè)加工過程中恒定。
電極絲的張力直接影響電極絲的振動(dòng)和頻率,并影響線切割加工效果。為了使高速走絲系統(tǒng)的電極絲張力恒定,華中理工大學(xué)開發(fā)了一種高速走絲線切割機(jī)鉬絲恒張力伺服系統(tǒng)。這種控制系統(tǒng)的實(shí)際使用雖然存在不少問題,但他們的開發(fā)思路是積極的。
為了提高絲架的剛性,南昌江南電子儀器廠開發(fā)了龍門式絲架,非常適合于大中型電火花線發(fā)割機(jī),且錐度切割不受偏移量限制。蘇州沙迪克三光機(jī)電有限公司開發(fā)生產(chǎn)的錐度切割裝置可以穩(wěn)定切割72°的錐形零件,而蘇州金馬機(jī)械電子公司的DK7740B機(jī)床能在200mm厚的工件作30°錐度的切割,表明近幾年來我國(guó)高速走絲WEDM機(jī)床的加工范圍有了較大發(fā)展。
1.2 線切割加工技術(shù)的發(fā)展方向及意義
高速走絲線切割機(jī)由于受到電極絲損耗、機(jī)械部分的結(jié)構(gòu)與精度、進(jìn)給系統(tǒng)的開環(huán)控制、加工中工作液導(dǎo)電率的變化、加工環(huán)境的溫度變化及本身加工的特點(diǎn)(如運(yùn)絲速度快、振源比較多、導(dǎo)輪磨損大)等因素影響，機(jī)床的加工精度有限。以目前機(jī)床的現(xiàn)狀，要在較短的時(shí)間內(nèi)與低速走絲線切割機(jī)在加工精度方面進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)，困難是相當(dāng)大的，而且研究開發(fā)的代價(jià)也會(huì)很高，機(jī)床的制造成本將大幅度提高，從現(xiàn)實(shí)和市場(chǎng)的角度來考慮都是不太適宜的。因此，高速走絲線切割機(jī)的發(fā)展策略是揚(yáng)長(zhǎng)避短，以發(fā)展中低檔機(jī)床爲(wèi)主，使機(jī)床向適當(dāng)加工精度、良好的加工穩(wěn)定性和容易操作的方向發(fā)展，來滿足不斷發(fā)展的生産需要。目前市場(chǎng)上高速走絲線切割機(jī)最大的優(yōu)勢(shì)在于擁有良好的性能價(jià)格比，機(jī)床的進(jìn)一步發(fā)展必須以此爲(wèi)基本出發(fā)點(diǎn)，不能過分強(qiáng)調(diào)機(jī)床加工精度，而忽視機(jī)床性能價(jià)格比的因素。如違背這一原則，機(jī)床制造商和用戶都難以接受。爲(wèi)在較短的時(shí)間內(nèi)，使高速走絲線切割機(jī)的加工性能有較大的提高，在今后的發(fā)展中應(yīng)優(yōu)先注意以下方面的研究。
1.2.1 基于PC的數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)
數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的核心部分，其控制性能不僅直接影響機(jī)床加工的質(zhì)量和穩(wěn)定性，而且也是擴(kuò)大機(jī)床加工范圍、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜加工的重要手段。目前，各國(guó)都非常重視數(shù)控技術(shù)的研究，將其作爲(wèi)實(shí)現(xiàn)制造技術(shù)突破性發(fā)展的一個(gè)重點(diǎn)。數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)當(dāng)前發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)是開放式數(shù)控系統(tǒng)。其含義是：數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)者在一個(gè)統(tǒng)一的體系結(jié)構(gòu)下開發(fā)自己的産品，該體系結(jié)構(gòu)是一個(gè)廣泛認(rèn)可且透明的規(guī)范。這種結(jié)構(gòu)對(duì)電加工機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的重要性已非常明確了［1］。
高速走絲線切割機(jī)要進(jìn)一步發(fā)展，必須擺脫單板機(jī)作爲(wèi)數(shù)控系統(tǒng)，采用新的數(shù)控系統(tǒng)。根據(jù)目前國(guó)際上數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)及PC的發(fā)展情況，應(yīng)開發(fā)和使用基于PC的數(shù)控系統(tǒng)。衆(zhòng)所周知，PC本身是插卡式結(jié)構(gòu)，是標(biāo)準(zhǔn)的開放式體系結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)。如高速走絲線切割機(jī)開發(fā)基于PC的數(shù)控系統(tǒng)，那將是國(guó)産高速走絲線切割機(jī)數(shù)控系統(tǒng)向開放式數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)有效方法。當(dāng)前，PC的價(jià)格持續(xù)下降，而性能和穩(wěn)定性不斷增強(qiáng)，使用PC不僅爲(wèi)高速走絲線切割機(jī)數(shù)控系統(tǒng)提供了優(yōu)越的硬件平臺(tái)，而且能保持機(jī)床性能價(jià)格比的優(yōu)勢(shì)。
目前國(guó)內(nèi)已有基于PC的高速走絲線切割機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，但其主要功能是加工軌跡編程，機(jī)床加工控制功能還很不完善，沒有充分利用PC的資源。今後，可在以下幾個(gè)方面開展工作：
(1)傳統(tǒng)的伺服進(jìn)給控制系統(tǒng)多采用分立元件組成邏輯電路，對(duì)放電狀態(tài)的檢測(cè)一般采用平均電壓法，這種方法的缺點(diǎn)是對(duì)放電間隙狀態(tài)的檢測(cè)不夠準(zhǔn)確，對(duì)放電開路狀態(tài)較敏感，而對(duì)正常放電和短路放電狀態(tài)響應(yīng)較慢，難以進(jìn)行準(zhǔn)確的進(jìn)給跟蹤，因此加工的穩(wěn)定性差。解決放電間隙的檢測(cè)必須對(duì)放電狀態(tài)進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，并建立控制模型，可采用單獨(dú)的芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)放電間隙的檢測(cè)，控制模型以軟件的形式存在于PC中，芯片與PC以RS 232接口或主板插卡的方式連接。
(2)傳統(tǒng)的脈沖電源多爲(wèi)等頻的矩形和分組脈沖信號(hào)，放電信號(hào)不隨放電加工中的間隙狀態(tài)而自適應(yīng)變化，加工效果差，因此研制數(shù)字自適應(yīng)脈沖電源的意義重大，該電源可直接與PC相連接，獲得放電間隙狀態(tài)的信息，并根據(jù)一定的算法進(jìn)行自適應(yīng)控制。
(3)加工參數(shù)的優(yōu)化選取對(duì)高速走絲線切割加工也非常重要。長(zhǎng)久以來，高速走絲線切割的工藝數(shù)據(jù)庫和加工參數(shù)優(yōu)選功能爲(wèi)國(guó)內(nèi)機(jī)床制造商所忽略，高速走絲線切割的工藝參數(shù)優(yōu)化及自動(dòng)選取軟件將是新一代高速走絲線切割機(jī)必備的，同時(shí)基于PC的數(shù)控制系統(tǒng)可十分容易地將此軟件模塊進(jìn)行集成。
(4)目前的高速走絲線切割機(jī)幾乎沒有教育培訓(xùn)功能，因此機(jī)床的操作培訓(xùn)難，機(jī)床的的使用性能依賴操作人員的水平，已是衆(zhòng)所皆知的問題，而基于PC的數(shù)控系統(tǒng)將充分利用目前PC日益成熟的多媒體技術(shù)，將爲(wèi)這一功能的實(shí)現(xiàn)提供良好的軟、硬件基礎(chǔ)。
充分利用PC的資源來開發(fā)高性能的數(shù)控系統(tǒng)，將是高速走絲線切割機(jī)的一個(gè)重要發(fā)展方向。
1.2.2 人工智能(AI)技術(shù)的運(yùn)用
智能化數(shù)控系統(tǒng)也是當(dāng)前數(shù)控技術(shù)發(fā)展的另一個(gè)重要趨勢(shì)。由于在機(jī)床加工控制系統(tǒng)中使用了智能控制技術(shù)，機(jī)床自動(dòng)如有經(jīng)驗(yàn)的操作者一樣使加工過程持續(xù)、穩(wěn)定、優(yōu)化地進(jìn)行。人工智能技術(shù)也成功地運(yùn)用到加工參數(shù)的設(shè)定、加工程序的生成、工件位置的測(cè)定及加工結(jié)果的測(cè)量等整個(gè)機(jī)床操作過程，大大地提高了機(jī)床的加工性能和自動(dòng)化程度，降低了對(duì)操作者的要求，使非熟練操作者也能取得熟練操作者的加工效果。且人工智能技術(shù)多以計(jì)算機(jī)軟件的形式存于主控系統(tǒng)，因此研究開發(fā)的成本低，而且功能易于擴(kuò)展、使用靈活、更新的速度快，在當(dāng)前提高數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)化、可操作性和增強(qiáng)機(jī)床的功能中所起的作用越來越大。
高速走絲線切割加工由于運(yùn)絲速度快、開環(huán)控制等加工特點(diǎn)，故放電加工過程具有復(fù)雜的隨機(jī)性，傳統(tǒng)理論對(duì)其研究進(jìn)展緩慢，加工機(jī)理至今還不十分明了。人工智能技術(shù)的興起，爲(wèi)高速走絲線切割加工技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供了新的有效方法。低速走絲線切割機(jī)中，機(jī)械部分已是相當(dāng)穩(wěn)定，現(xiàn)在主要是軟件的功能不斷更新、增強(qiáng)，并逐步發(fā)展到運(yùn)用人工智能技術(shù)。作爲(wèi)有中國(guó)特色的高速走絲線切割機(jī)，應(yīng)抓住這次機(jī)會(huì)，充分重視人工智能技術(shù)的研究和運(yùn)用。人工智能技術(shù)運(yùn)用到電火花線切割加工，在國(guó)際上也是一個(gè)新的領(lǐng)域，因此有一定的難度，在研究中要針對(duì)高速走絲線切割加工的關(guān)鍵性環(huán)節(jié)，同時(shí)注意借鑒國(guó)外發(fā)展的經(jīng)驗(yàn)，使高速走絲電火花線切割機(jī)向智能化方向發(fā)展，以提高機(jī)床的整體加工性能。目前國(guó)內(nèi)已開始進(jìn)行人工智能技術(shù)在電火花線切割加工中的研究，然而研究的深度和廣度還很不夠。還有許多方面有待進(jìn)一步研究：
(1)高速走絲線切割機(jī)的伺服進(jìn)給變頻調(diào)節(jié)一直依靠操作人員，因此操作人員的工作強(qiáng)度大，機(jī)床性能的發(fā)揮受到限制。模糊控制技術(shù)是人工智能技術(shù)中的一個(gè)重要方面，它能模仿熟練工人對(duì)機(jī)床進(jìn)行控制，已在電火花成形機(jī)上成功地應(yīng)用，在電火花線切割加工中具有良好的應(yīng)用前景。
(2)總結(jié)多年來高速走絲線切割加工工藝研究成果，建立相應(yīng)的知識(shí)庫和專家系統(tǒng)，降低機(jī)床的操作難度是十分必要的。瑞士阿奇公司的Agievision專家系統(tǒng)，其智能化功能只需規(guī)定一些有關(guān)加工工件的性能和加工要求即可。加工工序是自動(dòng)生成，且自動(dòng)連接各道工序，無須人工干預(yù)，大大降低了機(jī)床操作人員的工作強(qiáng)度。
(3)在加工參數(shù)自適應(yīng)等方面能有所作爲(wèi)。日本沙迪克公司推出了NF(神經(jīng)模糊)數(shù)控電源，它不必輸入復(fù)雜的NC代碼能自動(dòng)選擇加工參數(shù)，并可根據(jù)加工狀態(tài)自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使電加工機(jī)床成爲(wèi)一般操作人員也能使用好的機(jī)床，解決了電火花加工過程中工藝參數(shù)設(shè)置長(zhǎng)期以來取決于操作人員水平的問題。
將最新發(fā)展的人工智能技術(shù)引入到高速走絲線切割機(jī)中，研制高速走絲線切割機(jī)的智能化控制部件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，這與當(dāng)前國(guó)家優(yōu)先發(fā)展高技術(shù)産業(yè)是一致的，具有重要的實(shí)際意義。
1.2.3 機(jī)床設(shè)計(jì)的改善
爲(wèi)改善高速走絲線切割機(jī)的加工精度，必須進(jìn)一步改進(jìn)機(jī)床的結(jié)構(gòu)，使其更爲(wèi)合理。目前機(jī)床的整體結(jié)構(gòu)多爲(wèi)音叉式，此種結(jié)構(gòu)的剛度差，固有頻率低，易發(fā)生振動(dòng)，且放電加工將産生大量的熱，使機(jī)床的本體發(fā)生較大的熱變形，這都在一定程度上影響了高速走絲線切割機(jī)的加工精度。因此，在設(shè)計(jì)機(jī)床整體結(jié)構(gòu)時(shí)，必須充分利用先進(jìn)的技術(shù)手段進(jìn)行分析以提高機(jī)床結(jié)構(gòu)的合理性。這方面的研究將涉及到運(yùn)用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)有限元模擬軟件對(duì)機(jī)床的結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)和熱穩(wěn)定性分析。同時(shí)，機(jī)床運(yùn)動(dòng)精度的改善對(duì)提高加工精度也是十分重要的，傳統(tǒng)的方法是通過提高工作臺(tái)傳動(dòng)鏈的零件精度與傳動(dòng)剛度來改善線切割機(jī)的運(yùn)動(dòng)精度，但這將使機(jī)床的成本大爲(wèi)增加。而建立在基于PC數(shù)控系統(tǒng)的高速走絲線切割機(jī)，可方便地運(yùn)用螺距誤差與間隙補(bǔ)償技術(shù)來提高機(jī)床的運(yùn)動(dòng)精度，這種方法可在進(jìn)給系統(tǒng)開環(huán)控制狀態(tài)下，較大幅度地提高機(jī)床的加工精度，且成本低，非常適合高速走絲線切割機(jī)。
高速走絲線切割機(jī)的一個(gè)重要特征是電極絲高速往復(fù)循環(huán)使用，這使機(jī)床運(yùn)絲系統(tǒng)的穩(wěn)定性較差。當(dāng)絲高速運(yùn)行時(shí)，引起的振動(dòng)較大，且導(dǎo)輪磨損大，此外電極絲的恒張力控制及張力分檔調(diào)節(jié)較難，運(yùn)絲系統(tǒng)的這些特點(diǎn)在一定程度上影響了加工精度。因此，必須加強(qiáng)對(duì)走絲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的深入研究并進(jìn)行改進(jìn)，保證放電加工時(shí)電極絲運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。對(duì)于電極絲的往返循環(huán)使用使電極絲産生放電損耗是不能忽視的，它會(huì)對(duì)加工精度産生影響。此外在重視商品包裝的今天，機(jī)床的外觀設(shè)計(jì)和包裝也十分重要，注意運(yùn)用人機(jī)工程學(xué)和美學(xué)對(duì)高速走絲線切割機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)是很重要的，這對(duì)富有中國(guó)特色的高速走絲線切割機(jī)走向世界具有重要意義?？傊纳茩C(jī)床設(shè)計(jì)的研究涉及面較廣，在考慮保持機(jī)床性能價(jià)格比優(yōu)勢(shì)的前提下，研究開發(fā)的難度是很大的，然而，一旦有所突破，將對(duì)高速走絲線切割加工技術(shù)産生重大的影響。
1.2.4 多次切割工藝的應(yīng)用
多次切割加工是高速走絲線切割加工技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。目前無論是金屬切削機(jī)床還是低速走絲線切割機(jī)，一次加工都無法得到良好的加工效果，欲達(dá)到較高的加工精度，都必須在粗加工後再作精加工才能獲得。低速走絲線切割機(jī)能達(dá)到很高的加工精度，也因采用了多次切割工藝。爲(wèi)改善高速走絲線切割機(jī)的加工品質(zhì)，必須進(jìn)行多次切割加工的研究。以往的高速走絲線切割機(jī)由于功能和結(jié)構(gòu)所限，不具備進(jìn)行多次切割的基礎(chǔ)。近年來，高速走絲線切割機(jī)的脈沖電源、進(jìn)給策略和電極絲的張力控制等方面有了較大的提高，爲(wèi)多次切割工藝的應(yīng)用提供了可能性。目前有的高速走絲線切割機(jī)已能實(shí)施多次切割加工，并能一定程度地提高加工精度。然而，研究應(yīng)用的深度還不夠。爲(wèi)更好地實(shí)現(xiàn)多次切割加工，機(jī)床的功能和結(jié)構(gòu)有待于進(jìn)一步改進(jìn)和提高；爲(wèi)保證多次切割加工的效率，仍須大幅度提高一次加工的速度，第一次切割加工的速度應(yīng)保持在100mm2/min以上［4］。國(guó)內(nèi)的研究機(jī)構(gòu)在進(jìn)行多次切割研究的同時(shí)，要注意盡快地把研究成果轉(zhuǎn)化到機(jī)床的加工技術(shù)中，以實(shí)現(xiàn)加工精度的提高。
1.2.5 結(jié)論和展望
高速走絲電火花線切割機(jī)是我國(guó)獨(dú)創(chuàng)的電加工機(jī)床，在模具制造及零件加工領(lǐng)域內(nèi)有廣泛的應(yīng)用，在中低檔市場(chǎng)中占有相當(dāng)?shù)姆至?。目前，高速走絲線切割機(jī)如何發(fā)展是電加工行業(yè)十分關(guān)心的課題。我們必須吸取國(guó)外的成功經(jīng)驗(yàn)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，直接應(yīng)用當(dāng)今計(jì)算機(jī)技術(shù)的最新成果，盡快研制功能強(qiáng)大的基于PC的數(shù)控系統(tǒng)，從硬件上爲(wèi)高速走絲線切割機(jī)的發(fā)展打下良好的基礎(chǔ)；同時(shí)注意人工智能技術(shù)與高速走絲線切割機(jī)的結(jié)合，運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)來提高機(jī)床的性能。此外，加強(qiáng)機(jī)床本體的研究和開展多次切割工藝技術(shù)的應(yīng)用，使機(jī)床的整體加工水平有一個(gè)較大的提高，不斷增強(qiáng)高速走絲線切割機(jī)在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)能力。在運(yùn)用新技術(shù)、新工藝的同時(shí)，還必須重視對(duì)電火花線切割加工工藝規(guī)律進(jìn)行深入細(xì)致的基礎(chǔ)理論和實(shí)驗(yàn)研究，這也是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)
2 電火花線切割技術(shù)內(nèi)容及研究
2.1 電火花線切割加工原理
電火花線切割加工原理如圖1－1所示，工具電極（鉬絲或銅絲）接直流脈沖電源的負(fù)極，工件接直流脈沖電源的正極，當(dāng)工具電極和工件的距離在一定范圍內(nèi)時(shí)，產(chǎn)生脈沖性火花放電，對(duì)工件進(jìn)行切割。火花放電能夠切割工件的主要原因是：正負(fù)電極在絕緣工作液中靠近時(shí)，由于正負(fù)電極的微觀表面是凹凸不平的，電極間的電場(chǎng)分布并不均勻，離得最近的凸點(diǎn)處的電場(chǎng)強(qiáng)度最高，兩極間介質(zhì)先被擊穿，形成放電通道，同時(shí)電流迅速上升。在強(qiáng)大的電場(chǎng)力作用下，通道內(nèi)的負(fù)電子以很高的速度奔向陽極（正極），正離子也以高速奔向陰極（負(fù)極）。負(fù)電子和正離子在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)互相碰撞，陽極和陰極表面分別受到電子流和離子流的強(qiáng)烈轟擊，使兩電極間隙內(nèi)的微小通道中瞬時(shí)產(chǎn)生高溫，通道中心溫度達(dá)到5000－10000度，瞬時(shí)產(chǎn)生的高溫由于來不及擴(kuò)散，使局部金屬材料熔化甚至少量金屬氣化，同時(shí)在工件和電極之間的部分絕緣工作液也產(chǎn)生氣化，氣化后的金屬蒸汽和工作液迅速膨脹并產(chǎn)生爆炸，使得熔化和氣化后的金屬材料從金屬表面拋離出來而達(dá)到切割的目的。
圖1.1 電火花線切割加工原理圖
2.1.1 電火花線切割正常加工必須具備的條件
（1）工具電極與工件的被加工表面之間必須保持一定量的間隙，間隙的大小由加工電壓 、脈沖電流大小，脈沖間隙等電規(guī)準(zhǔn)來決定，間隙大小一般在幾十微米之間。如果間隙小于或大于這個(gè)距離，都不能進(jìn)行火花放電。間隙過小，正負(fù)極容易短路，不能產(chǎn)生火花放電；間隙過大，極間電壓不易擊穿介質(zhì)，也不能產(chǎn)生火花放電。
（2）在切割工件時(shí)，必須在絕緣工作液中進(jìn)行。常用的絕緣工作液有煤油、皂化液、去離子水等，用的工作液不一樣，在相同的電規(guī)準(zhǔn)下，加工的速度和表面精度也不盡相同。用絕緣性工作液主要有以下幾個(gè)作用：利于產(chǎn)生脈沖性的火花放電；排除間隙內(nèi)電蝕產(chǎn)物；起冷卻電極的作用。
（3）采用脈沖電源，火花放電必須是脈沖性、間歇性的。
（4）被加工材料必須導(dǎo)電。只有導(dǎo)電材料才能產(chǎn)生火花放電，導(dǎo)電材料一般為金屬材料和半導(dǎo)體非金屬材料等。
2.1.2 電火花線切割加工的特點(diǎn)
⑴ 接利用線狀的電極絲作為電極，不需要像電火花成型加工的成型工具電極，可節(jié)約電極設(shè)計(jì)和制造費(fèi)用，縮短了生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間。
⑵ 可以加工用傳統(tǒng)切削加工方法難以加工的微細(xì)異形孔、窄縫和形狀復(fù)雜的零件。
⑶ 利用電蝕原理加工，電極絲與工件不直接接觸，兩者之間的作用力很小，因而工件的變形很小，電極絲、夾具不需要太高的強(qiáng)度。
⑷ 傳統(tǒng)的車、銑、鉆加工中，刀具硬度必須比工件硬度大，而電火花線切割機(jī)床的電極絲材料不必比工件材料硬，所以可以加工硬度很高或很脆，用一般切削加工方法難以加工或無法加工的材料。在加工中作為刀具的電極絲無須刃磨，可以節(jié)省輔助時(shí)間和刀具費(fèi)用。
⑸ 直接利用電、熱能進(jìn)行加工，可以方便地對(duì)影響加工精度的加工參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，有利于加工精度的提高，便于實(shí)現(xiàn)加工過程的自動(dòng)化控制。
⑹ 電極絲是不斷移動(dòng)的，單位長(zhǎng)度損耗少，特別是慢走絲線切割加工時(shí)，電極絲一次性使用，故加工精度高（可達(dá)±2.5μm）
⑺ 采用線切割加工沖模時(shí)，可實(shí)現(xiàn)凸、凹模一次加工成形。
2.1.3 電火花線切割的應(yīng)用范圍
電火花線切割加工由于具有諸多優(yōu)勢(shì)，主要應(yīng)用在以下幾個(gè)方面：
（1）廣泛應(yīng)用于沖壓模具的加工。
（2）加工微細(xì)異形孔、任意曲線窄縫和復(fù)雜形狀的工件。
（3）加工鑲拼型腔模、拉絲模、粉末冶金模、波紋板成型模。
（4）加工樣板尺和成型刀具。
（5）加工硬質(zhì)合金和切割薄片材料。
（6）加工凸輪和特殊齒輪。
（7）加工半導(dǎo)體材料以及稀有、貴重金屬材料的割斷。
（8）適合于小批量、多品種零件的加工，減少模具制作費(fèi)用，縮短生產(chǎn)周期。
2.2 電火花線切割加工機(jī)床的特點(diǎn)
2.2.1電火花線切割加工機(jī)床的分類
1）．電火花線切割加工簡(jiǎn)述
電火花線切割加工是電火花加工的一個(gè)分支，是一種直接利用電能和熱能進(jìn)行加工的工藝方法，它用一根移動(dòng)著的導(dǎo)線（電極絲）作為工具電極對(duì)工件進(jìn)行切割，故稱線切割加工。線切割加工中，工件和電極絲的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是由數(shù)字控制實(shí)現(xiàn)的，故又稱為電火花線切割加工，簡(jiǎn)稱線切割加工。
2）．電火花線切割加工機(jī)床的分類
（1）按走絲速度分：可分為慢速走絲方式和高速走絲方式線切割機(jī)床。
（2）按加工特點(diǎn)分：可分為大、中、小型以及普通直壁切割型與錐度切割型線切割機(jī)床。
（3）按脈沖電源形式分：可分為ＲＣ電源、晶體管電源、分組脈沖電源及自適應(yīng)控制電源線切割機(jī)床。
2.2.2 電火花線切割加工機(jī)床的基本組成
電火花線切割加工機(jī)床可分為機(jī)床主機(jī)和控制臺(tái)兩大部分。
圖1.2 快走絲線切割機(jī)床主機(jī)
1)．控制臺(tái)
控制臺(tái)中裝有控制系統(tǒng)和自動(dòng)編程系統(tǒng)，能在控制臺(tái)中進(jìn)行自動(dòng)編程和對(duì)機(jī)床坐標(biāo)工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行數(shù)字控制。
2)．機(jī)床主機(jī)
機(jī)床主機(jī)主要包括坐標(biāo)工作臺(tái)、運(yùn)絲機(jī)構(gòu)、絲架、冷卻系統(tǒng)和床身五個(gè)部分。圖6-1為快走絲線切割機(jī)床主機(jī)示意圖。
（1）坐標(biāo)工作臺(tái) 它用來裝夾被加工的工件，其運(yùn)動(dòng)分別由兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制。
（2）運(yùn)絲機(jī)構(gòu) 它用來控制電極絲與工件之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
（3）絲架 它與運(yùn)絲機(jī)構(gòu)一起構(gòu)成電極絲的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。它的功能主要是對(duì)電極絲起支撐作用，并使電極絲工作部分與工作臺(tái)平面保持一定的幾何角度，以滿足各種工件（如帶錐工件）加工的需要。
（4）冷卻系統(tǒng) 它用來提供有一定絕緣性能的工作介質(zhì)——工作液，同時(shí)可對(duì)工件和電極絲進(jìn)行冷卻。
3 UG軟件介紹
Unigraphics，是美國(guó)Unigraphics Solutions of EDS公司對(duì)出的CAD/CAE/CAM高端軟件，為制造產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品開發(fā)的全過程提供解決方案。功能包括：概念設(shè)計(jì)，工程設(shè)計(jì)，性能分析和制造等，廣泛應(yīng)用與汽車，航天航空，機(jī)械，電子產(chǎn)品，醫(yī)療儀器等行業(yè)。
3.1 UG的主要技術(shù)特點(diǎn)
3.1.1 集成的產(chǎn)品開發(fā)環(huán)境
UG是集成的CAD/CAM/CAE軟件集，能夠完成概念設(shè)計(jì)，詳細(xì)設(shè)計(jì)，裝配，生成工程圖，結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)分析，數(shù)控加工的全過程。
3.1.2 全局相關(guān)性
通過應(yīng)用主模型方法，保證設(shè)計(jì)，裝配，工程分析，制造等所有應(yīng)用模塊之間保持完全的相關(guān)性，主模型方法如圖3.1所示。
裝配
數(shù)控加工
制圖
主模型
結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)分析
圖3.1 主模型方法
3.1.3 并行協(xié)同工作
通過Internet技術(shù)，在設(shè)計(jì)過程中，不同的設(shè)計(jì)人員可以同時(shí)進(jìn)行不同的設(shè)計(jì)任務(wù)。每一個(gè)設(shè)計(jì)人員都可以根據(jù)自己的訪問權(quán)限對(duì)同一個(gè)產(chǎn)品的不同零件，組件和裝配進(jìn)行工作。因此，產(chǎn)品的任何修改信息都可以立即被所有的設(shè)計(jì)人員獲得。
3.1.4 滿足客戶需要的開放式環(huán)境
為了方便用戶的開發(fā)設(shè)計(jì)，UG提供了多種用戶開發(fā)工具，包括：
（1） UG/Open GRIP：為用戶提供的腳本語言，可以方便地對(duì)UG進(jìn)行二次開發(fā)。
（2） UG/Open API：UG提供了其他應(yīng)用成粗的編程接口，支持當(dāng)前流行的編程語言，包括C++，C，JAVA等。
（3） UG/Open++：UG提供了真正面向?qū)ο蟮木幊探涌?，用C++語言編寫，具有面向?qū)ο缶幊痰睦^承性，多態(tài)性等全部?jī)?yōu)點(diǎn)
3.2 UG的主要應(yīng)用模塊
UG提供了多種應(yīng)用模塊，每個(gè)模塊具有各自的特定功能，各個(gè)模塊相對(duì)獨(dú)立有相互聯(lián)系，通過下拉菜單Application可以許多不同的應(yīng)用模塊，如圖3.2所示。
圖3.2 “Application”下拉菜單
3.2.1 Gateway（基本環(huán)境）
Gateway（基本環(huán)境）是其他交互應(yīng)用的先決條件，是打開UG后進(jìn)入的第一個(gè)應(yīng)用模塊。
Gateway允許擁護(hù)編輯部件文件，創(chuàng)建新的部件文件，保存文件，打印圖樣屏幕布局，輸入和輸出各種文件類型以及其他的通用功能。該應(yīng)用模塊還提供強(qiáng)化的視圖顯示操作，屏幕布局和層功能，工作坐標(biāo)系操作，對(duì)象信息和分析以及訪問在線幫助。
3.2.2 Modeling(建模)
UG的Modeling（建模）模塊提供的實(shí)體建模系統(tǒng)加速了概念設(shè)計(jì)，用戶可以通過為設(shè)計(jì)不同部分定義精確的關(guān)系而合并他們的設(shè)計(jì)要求和限制。用戶用基于模型的建模特征和約束可以快速實(shí)現(xiàn)概念設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)。
該模塊支持Solid Modeling（實(shí)體建模），F(xiàn)eature Modeling（特征建模），F(xiàn)ree—Form Modeling（自由形狀建模），Sheet Meature Modeling（鈑金特征建模）和User—Defined Features（用戶自定義特征）等建模方式。該模塊是其他應(yīng)用模塊的基礎(chǔ)。
3.2.3 Shape Sdutio（工業(yè)產(chǎn)品造型）
Shape Sdutio （工業(yè)產(chǎn)品造型）是用語幫助進(jìn)行概念設(shè)計(jì)的UG建模和分析工具。著這些工具包括初步概念家段的基本操作，如產(chǎn)品構(gòu)思的建立和可視化操作等。
3.2.4 Drafting（制圖）
Drafting（制圖）模塊是讓用戶從在建模模塊中常見的三維模型，或者使用內(nèi)置的曲線/草圖工具創(chuàng)建的二維設(shè)計(jì)布局生成工程圖樣。生成的圖樣與模型相關(guān)聯(lián)，對(duì)模型進(jìn)行任何改動(dòng)，圖樣也自動(dòng)隨之改動(dòng)。
Drafting模塊支持自動(dòng)生成圖樣布局，包括正交投影視圖，剖視圖，局部放大視圖以及等軸側(cè)圖等，并支持自動(dòng)尺寸標(biāo)注，自動(dòng)建立裝配件明細(xì)表等功能。
3.2.5 Manufacturing（加工）
Manufacturing（加工）模塊提供交互式編程和后處理磨削，鉆削，車削，線切割等刀具 的能力；提供交互指定銑削輪廓和銑削腔操作的能力和指定復(fù)雜銑削操作（3軸到5軸加工）的能力；可定制的配置文件用語定義有效的加工處理器，刀具庫，后處理器和其他參數(shù)，以適應(yīng)特定的加工過程；模板允許用戶界面和加工計(jì)劃，包括機(jī)床，刀具，加工方法和操作順序。
3.2.6 Structures（結(jié)構(gòu)分析）
Structures（結(jié)構(gòu)分析）模塊是一種簡(jiǎn)單卻功能強(qiáng)大的有限元建模和分析工具。該應(yīng)用旨在服務(wù)于需要哦緊密聯(lián)系集合模型的分析環(huán)境的設(shè)計(jì)工程師和分析員，為設(shè)計(jì)工程師或分析員提供了快速完成有限元的概念性和細(xì)節(jié)性分析的能力。
Structures（結(jié)構(gòu)分析）模塊被設(shè)計(jì)成允許創(chuàng)建。分析以及平谷各種設(shè)計(jì)選擇。場(chǎng)景可以被定義為主模型的變型。UG主模型，體提升以及部件間表達(dá)式形成Unigraphics建模應(yīng)用場(chǎng)景的支持概念。
3.2.7 Moldflow Part Adviser（注塑模分析）
Moldflow Part Adviser（注塑模分析）用于在注模中分析化塑料流。用戶在部件上建立有限元網(wǎng)格并描述和塑料的條件?？梢灾貜?fù)地決定最優(yōu)條件分析軟件包產(chǎn)生的圖形結(jié)果。該模塊節(jié)約了設(shè)計(jì)，注模制造以及材料成本。
3.2.8 Motion（運(yùn)動(dòng)分析）
Motion（運(yùn)動(dòng)分析）模塊用于對(duì)模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，并提供了精密，靈活和綜合的建模能力。該應(yīng)用模塊完全的設(shè)計(jì)和編輯能力允許用戶開發(fā)任意關(guān)節(jié)數(shù)的空間機(jī)制，完成運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，并以多種形式提供抑郁理解的分析結(jié)果。該應(yīng)用模塊還為第三方運(yùn)動(dòng)學(xué)分析程序提供界面。
3.2.9 Sheet Metal（鈑金設(shè)計(jì)）
Sheet Metal（鈑金設(shè)計(jì)）模塊是基于針對(duì)鈑金不見交工的設(shè)計(jì)的應(yīng)用，能夠定義成型表，折彎順序以及重新形成實(shí)體模型考慮材料的變形金屬性。為后續(xù)應(yīng)用從實(shí)體，形狀以及線框幾何體生成精確的平面展開圖數(shù)據(jù)。
3.2.10 Routing （管道）
Routing （管道）模塊提供了已經(jīng)裝配好的模型設(shè)計(jì)和規(guī)劃管道的功能，例如可以利用該模塊為航空發(fā)動(dòng)內(nèi)部設(shè)計(jì)從燃料箱到各個(gè)圍繞發(fā)動(dòng)機(jī)的噴嘴的管道。利用該模塊可以完成以下管道的設(shè)計(jì)和規(guī)劃：水管，氣管，油管，電氣線路，固定管線的鋼架等。
3.2.11 Wire Harness（布線）
Wire Harness（布線）模塊使得電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)者能夠在產(chǎn)品機(jī)械裝配模型的3D表面建立電氣布線的描述。利用該模塊能夠?qū)⑺邢嚓P(guān)的電氣不見放置與裝配模型內(nèi)部，并建立布線線路的中心線，然后在所有部件之間生成導(dǎo)線，從而使包裝設(shè)計(jì)和布線安裝圖在相同的環(huán)境里完成設(shè)計(jì)和修改。
3.2.12 Assemblies（裝配）
Assemblies（裝配）模塊支持“從上到下”和“從下到上”的裝配建模。該模塊提供了裝配結(jié)構(gòu)的快速移動(dòng)并允許移動(dòng)直接訪問任何足見或字裝配的設(shè)計(jì)模型，支持“上下文設(shè)計(jì)”途徑，即在裝配的環(huán)境中工作時(shí)可以對(duì)任何足見的設(shè)計(jì)模型做改變。
3.2.13 Knowledge Fusion（知識(shí)融接）
Knowledge Fusion（知識(shí)融接）模塊提供了一個(gè)圖形用戶截面，允許擁護(hù)對(duì)集合模型和裝配應(yīng)用工程知識(shí)驅(qū)動(dòng)規(guī)則和設(shè)計(jì)意圖。用戶可以打開或者關(guān)閉該模塊，從而為知識(shí)融接用戶提供了一個(gè)良好的開發(fā)環(huán)境。
3.3 UG與Pro/e的比較
比較之一
通過對(duì)幾門CAD/CAM軟件的學(xué)習(xí)和使用，我認(rèn)為UG主要適合于大型的汽項(xiàng)目建立復(fù)雜的數(shù)模，而Pro/e主要適合于中小企業(yè)快速建立較為簡(jiǎn)單的數(shù)模。在建模較為復(fù)雜的時(shí)候，往往是任何參數(shù)都是沒有用處的，一般用Pro/e建立開始較為簡(jiǎn)單的線框、曲面，然后轉(zhuǎn)到UG里面進(jìn)行高級(jí)曲面的建立、倒角。由于產(chǎn)品反復(fù)更改，參數(shù)大多數(shù)都被刪掉了。兩種軟件各有優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)該混合建模才能達(dá)到最佳效果。零件較大、較復(fù)雜的時(shí)候，加工一般用UG做好數(shù)模，cimatrone做粗加工，UG精加工。
比較之二
關(guān)于混合建模。UG的一個(gè)最大特點(diǎn)就是混合建模，我理解就是在一個(gè)模型中允許存在無相關(guān)性的特征。如在建模過程中，可以通過移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系創(chuàng)建特征構(gòu)造的基點(diǎn)。這些特征似乎和先前創(chuàng)建的特征沒有位置的相關(guān)性。因?yàn)镹AVIGATOR TREE中（類似Pro/e中的模型樹）沒有坐標(biāo)系變換的記錄。又如創(chuàng)建BASIC CURVE，在NAVIGATOR TREE中也沒有作為一個(gè)參數(shù)化特征的記錄，比如我如果想把一條圓弧曲線改成樣條曲線就非常困難，而且有時(shí)改變并不影響子特征的變化。而在Pro/E中極為強(qiáng)調(diào)特征的全相關(guān)性，所有特征按照創(chuàng)建的先后順序及參考有著嚴(yán)格的父子關(guān)系。對(duì)父特征的修改一定會(huì)反映到子特征上。我曾就這個(gè)問題在上海問過EDS的UG技術(shù)工程師，他們說全相關(guān)性可以說是一把雙刃劍，對(duì)于經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)師，設(shè)計(jì)修改會(huì)非常方便，而對(duì)于經(jīng)驗(yàn)不多的設(shè)計(jì)者，則非常容易出現(xiàn)修改后無法生成的錯(cuò)誤，此時(shí)混合建模就比較適用。
關(guān)于Datum