快走丝电火花线切割机床设计【含CAD图纸24张UG三维图纸模型word说明书】
沈阳理工大学学士学位论文摘 要高速走丝电火花线切割机床是我国的发明创造,其结构简单、性价比高,己经成为我国制造业中不可或缺的加工手段。电火花线切割加工具有无切削力,工件材料硬度对可加工性影响不大等优点,因此能适合各种特殊性能的材料和各种复杂表面及微细、精密、薄壁以及低刚性零件,电火花线切割技术在脆硬材料的切削及加工领域中已经广泛应用。随着制造技术的提升,要求电火花线切割机床具有高精度、高效率。所以研究具有高附加值、应用性很强的CNC控制系统的电火花线切割机床,提高产品的市场竞争力势在必行。本文针对快走丝电火花线切割机床的设计进行了详细描述。通过对使用性能,工作原理的分析和了解,将其分成三个主要部分。先选取标准件和校核主要部件,再利用UG三维软件进行综合实体设计,CAD做最后的出图修改,完成快走丝电火花线切割机床的设计。关键词:电火花线切割;硬脆材料;机床设计;结构AbstractAfter 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 materials 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 录1绪论11.1电火花线切割技术的发展11.1.1 国外切割设备发展过程及现状11.1.2 我国切割设备的现状51.2 线切割加工技术的发展方向及意义71.2.1 基于PC的数控系统的开发71.2.2 人工智能(AI)技术的运用81.2.3 机床设计的改善91.2.4 多次切割工艺的应用101.2.5 结论和展望112电火花线切割技术内容及研究122.1电火花线切割加工原理122.1.1 电火花线切割正常加工必须具备的条件122.1.2 电火花线切割加工的特点132.1.3 电火花线切割的应用范围132.2电火花线切割加工机床的特点142.2.1电火花线切割加工机床的分类142.2.2 电火花线切割加工机床的基本组成143UG软件介绍163.1UG的主要技术特点163.1.1 集成的产品开发环境163.1.2 全局相关性163.1.3 并行协同工作173.1.4 满足客户需要的开放式环境173.2UG的主要应用模块173.2.1 Gateway(基本环境)183.2.2 Modeling(建模)183.2.3 Shape Sdutio(工业产品造型)183.2.4 Drafting(制图)183.2.5 Manufacturing(加工)183.2.6 Structures(结构分析)193.2.7 Moldflow Part Adviser(注塑模分析)193.2.8 Motion(运动分析)193.2.9 Sheet Metal(钣金设计)193.2.10 Routing (管道)203.2.11 Wire Harness(布线)203.2.12 Assemblies(装配)203.2.13 Knowledge Fusion(知识融接)203.3UG与Pro/e的比较204快走丝电火花线切割机床设计的方案确定245快走丝电火花线切割机的设计285.1快走丝电火花线切割机的结构285.2传动机构:295.2.1 储丝筒305.2.2 联轴器305.3导丝机构:305.3.1 导丝架305.3.2 导轮部件结构315.3.3 导轮运动组合件的结构325.4XY工作台326电火花线切割机床的主要参数计算336.1确定储丝筒基本尺寸336.2主电动机的选择336.2.1 选择要点336.2.2有关计算:346.3电动机联轴器的选择356.3.1 常用联轴器特点356.3.2 有关计算356.4丝杠的选择和计算366.4.1 确定丝杠的相关参数366.4.2 相关计算366.4.3 确定丝杠副代号386.5同步带及同步带轮的选择及计算386.5.1 选定同步带386.5.2 选定同步带轮396.6工作台的设计406.6.1 工作台选材406.6.2 相关计算406.7步进电机的选择416.7.1 与丝杠联接的电动机确定416.7.2 有关计算426.8工作台导轨的选择457工艺方案的经济分析497.1标准件费用497.2材料费517.3工资527.4总成本估算538结 论549参考文献5510致谢57附录A 英文原文58附录B 中文翻译74881 绪论1.1 电火花线切割技术的发展电火花线切割加工(wire cut Electrical Discharge Machining,简称WEDM)是线电极电火花加工的简称,是电火花加工的一种,有时又称线切割,属电加工范畴,是由前苏联拉扎林科夫妇研究开关触点受火花放电腐蚀损坏的现象和原因时,发现电火花的瞬时高温可以使局部的金属熔化、氧化而被腐蚀掉,从而开创和发明了电火花加工方法。线切割机也于1960年发明于前苏联,我国是第一个用于工业生产的国家。被切割的工件作为工件电极,钼丝作为工具电极,脉冲电源发出一连串的脉冲电压,加到工件电极和工具电极上。钼丝与工件之间施加足够的具有一定绝缘性能的工作液.当钼丝与工件的距离小到一定程度时,在脉冲电压的作用下,工作液被击穿,在钼丝与工件之间形成瞬间放电通道,产生瞬时高温,使金属局部熔化甚至汽化而被蚀除下来。若工作台带动工件不断进给,就能切割出所需要的形状。由于贮丝筒带动钼丝交替作正、反向的高速移动,所以钼丝基本上不被蚀除,可使用较长的时间。它主要用于加工各种形状复杂和精密细小的工件,例如冲裁模的凸模、凹模、凸凹模、固定板、卸料板等,成形刀具、样板、电火花成型加工用的金属电极,各种微细孔槽、窄缝、任意曲线等,具有加工余量小、加工精度高、生产周期短、制造成本低等突出优点,已在生产中获得广泛的应用,目前国内外的电火花线切割机床已占电加工机床总数的60以上。1960年,苏联首先研制出靠模线切割机床。中国于1961年也研制出类似的机床。早期的线切割机床采用电气靠模控制切割轨迹。当时由于切割速度低,制造靠模比较困难,仅用于在电子工业中加工其他加工方法难以解决的窄缝等。1966年,中国研制成功采用乳化液和快速走丝机构的高速走丝线切割机床,并相继采用了数字控制和光电跟踪控制技术。此后,随着脉冲电源和数字控制技术的不断发展以及多次切割工艺的应用,大大提高了切割速度和加工精度。1.1.1 国外切割设备发展过程及现状国外切割设备在脉冲电源、机械系统、断丝机理、加工控制等方面均有先进体现及发展。1、脉冲电源 电火花线切割加工时,一般采用水作工作液,放电时的电解腐蚀影响大,特别是对于硬质合金的加工,电解作用会使工件表面形成一层电解变质层,使硬度下降,模具寿命缩短。为克服电解变质层的影响,国外厂商推出无电解电源,日本Sodick公司的BS电源、日本Mitsubishi公司的AE电源、FANUC公司的AC电源、及Seibu公司的EP电源和Charmilles公司的SI电源等都是无电解电源。 其加工原理是在不产生放电的加工时间内(脉冲间 隔)施加一反极性电压,加工时仍采用以往的正极性加工,这样可以使漏电流控制到最低限度。采用无电解电源后,生产效率约比传统的电源降低30%,最大的生产效率约为260270mm2/min,加 工表面粗糙度达Ra0.10.2m。目前的无电解电源可以进行从粗加工到精加工的整个加工过程,但单独使用此电源所能达到的表面粗糙度略低于微精加工电路所达到的最佳指标,其优点在于消除了电解变质层,减少裂纹,提高表面硬度,大大提高了工件寿命,减少精修次数。此外,无电解电源在加工铝、黄铜、钛合金等材料时,工件的氧化情况也有很大的改善。电火花线切割加工件的表面缺陷,不仅指电解变质层,而且还包括热变质层、微裂纹镀覆层及铁锈等方面。为了改善工件的表面质量,Charmilles公司的对策是在等能量的原则下,将 脉宽变窄拉高,使放电能量集中,让材料以汽化方式蚀除。这样配备了MF微精加工电路的SI电源保证了表面完整性。用过去的电源加工时,变 质层为45 m,用SI电源及细丝加工时,变质层为1m以下。据介绍,日本Mitsubishi公司的EA电源加工后的表面也不产生微裂纹,可以获 得与磨削加工几乎一样的表面。与脉冲电源密切相关的还有电源参数的控制问题,它不仅涉及到电源技术,同时还涉及到自动控制领域。有关脉冲电源参数的控制将在控制系统部分叙述。2、机械系统 为提高加工精度和改善控制性能,电火花线 切割机床的机械部分也得到改进,有的已将电火花线切割加工技术提高到一个新的境界。 日本Sodick公司创造性地在电火花线切割机床的伺服系统上使用直线马达驱动,使精加工脉冲的利用率大幅度提高。直线运动的导向也采用了与直线电机高响应速度相适应的滚动导轨,这些措施的综合使用,实现了机床的精密控制和长期的精度保持性。 瑞士的CHARMILLES公司的超精密电火花线切割机床ROBOFIL-2030SI在机械系统上有自己的新意:该机采用新的走丝系统,电机丝在皮带运丝机构中作横向摆动,大大减少了皮带磨损出沟问题,使丝张力和走丝速度更加稳定,而且皮带的使用寿命至少有1000h。最近又推出了双走丝系统线切割机。 此外,自动穿丝技术方面也有重大进展。穿丝前除了进行加热、拉细、变硬的准备处理外,在保护套管下端还设有一细脖子,当电极丝经上述处理后,因为此处散热较慢,会过热拉断,形成自然的尖锥,从而不再需剪切机构,也不会有剪切毛刺,影响穿丝的成功率。用0.1mm的电极丝,可穿过0.16mm的起始孔50次,成功率100%,一次穿丝时间1015s。重穿丝可以在切缝中进行,不必回到起始孔位置,其范围已扩大到直径为0.070.3mm的电极丝。 另一个重大改进是用恒温水冷却立柱。ROBOFIL2030SI机床的工作液(高纯水)有一套温控装置,控制水温在(200.5)范围,用专门的循环水泵将其川流不息地在立柱冷却管道中通过,不管室温如何变化,立柱温度不变。瑞士的Agie公司为减少机床精度的变化对加工精度的影响,而采取了统一的温度场,其机床装有两套温度控制系统,分别控制加工区与U、V轴两轴的温度,以及电源箱、机床与室温的空气冷却。两套温控系统通过温度计进行调整,使温差不超过1。 在电火花线切割加工中,由于电极丝的滞后弯曲变形,在角度加工时会产生塌角误差,特别在小角度与小圆弧切割时表现更为明显。Agie公司在这方面拥有称为Pilot的专利技术,它利用一 套光学系统测量电极丝受力时弯曲变形量,由 CNC系统进行补偿,其分辨率为2m,采样频率为每秒15次,这样不仅提高了角度的加工精度,而且使加工速度比一般的拐角对策提高了60%。3、断丝机理 一般认为,断丝主要是由于火花放电集中引起电极丝温度过高而熔断,这一点与检测到的断丝先兆是一致的。因此从热传导理论研究电极丝的温度分布成为研究断丝机理的主要研究途径。M. Jennes、R. Snoeys和W. Dekeyser建立了热模型,并分别用解析法和有限差分法计算了不同加工条件下电极丝上的温度分布。S.Banejee对Jennes的模型进行了修正和简化,新模型考虑了脉冲时间内放电通道宽度方向上的热能扩散。研究的结果表明:断丝前的热载荷超过平均值;脉冲宽度和丝径的大小对丝温的影响大;热对流系数对丝温的影响大,冲液的状态对避免断丝十分重要;焦耳热和丝振的作用可相对忽略K.P.Rajurkar等也进行了这方面的研究,但所获得的热传导计算结果与实际加工结果相差较大,只能是定性或粗定量地反映电极丝上的温度分布和蚀除速度。此外,他们还研究了冷处理后的电极丝与加工性能之间的关系,使用在77的低温中存放24小时后的电极丝进行切割,断丝的可能性降低了30%。 对于等能量脉冲电源,研究的结果表明断丝有两个重要先兆:(1)火花放电机率在短时间内(50ms2s)突然上升,由于放电频率过高使电极丝局部温度很高,进而导致断丝。(2)正常火花机率的下降,异常放电机率逐渐上升也是断丝的一个先兆,由于丝损上升,电极丝变细,最终被拉断。K.P.Rajurkar等还指出加工过程中工件厚度的突变是引起放电集中的主要原因之一,因此需要在线检测工件厚度的变化,调整相应的工艺参数,控制电极丝的进给速度和放电频率,在不断丝的情况下得到较佳的切割速度。 由于断丝先兆持续的时间短,防断丝控制的实时性要求高,因此控制参数的选择非常重要。在线切割加工中,脉冲间隔能够快速调节向放电间隙输入的能量,同时脉冲间隔变大,使放电间隙电蚀产物排除的时间增加,能有效改善放电集中现象,使断丝发生的机会大大降低,这使脉冲间隔成为防断丝控制的首选控制参数。4、 加工控制 电火花线切割加工中,由于检测量与控制量之间的非线性关系,使得经典控制理论难以取得较好的效果。针对高速走丝线切割加工控制,Huang.Y.H等在分析机床的加工工艺特点后,提出了步进电机进给步周期的推算算法,使在切割厚度变化情况下也能很好地跟踪,获得最佳切割速度。Zhang.W等用自校正控制算法来进行控制伺服进给,并通过试验确定系统的预报模型为二阶模型,控制模型的参数采用在线递推估计法。试验表明这些控制算法在一定的实验条件下取得了较好的加工效果,对不同的加工条件都有较好的适应能力。 对于慢走丝电火花线切割加工,火花放电机率的高低和波动不仅关系到加工速度,同时与加工稳定性和断丝问题是密切相关的。K.P.Ra2jurkar等认为不同厚度工件的最佳火花频率不同,因此必须实现工件厚度的实时检测。为了在线识别工件厚度,建立一个多输入参数模型,用间隙电压量、伺服进给量和实时检测的火花机率来识别,这使得在伺服进给不稳定时也能有很高的精确性。他们还通过实验建立了厚度与最佳火花机率关系的公式,当工件厚度识别后,最佳的火花频率也就确定了。在控制火花机率上,他们采用了自适应控制理论来建立了一个一阶控制模型,模型参数同样采用在线递推辨识以适应放电加工的随意性。试验表明,该控制策略使在变厚度切割条件下也能始终维持最佳的火花机率,保持高速切割,同时有效避免断丝的发生,这在电火花线切割加工自适应控制研究是相当先进的。 M.T.Yan,Y.S.Liao等是较早在电火花线切割加工控制系统中运用模糊逻辑控制理论的。同建立在精确数学模型的经典控制理论和现代控制理论想比,模糊控制更适合于多输入非线性、时变或具有高度不确定性的系统的控制,而且控制器的规划设计可以充分利用熟练操作人员及专家的经验;此外将自适应和学习能力引入到模糊控制中,使模糊控制规则、隶属函数和模糊量化在控制中可自动调整和完善。这些特点都非常适合电火花加工控制。在此基础上,对脉间和进给伺服参考电压采用模糊自适应控制。试验表明,与传统的控制相比较,采用模糊控制技术具有良好的自适应能力,控制器可以由放电间隙状态的检测来感知加工条件的变化,从而自动调节控制参数,如同一个熟练的机床操作人员,试验研究取得了满新意的结果。 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,他们提出了“放电 角”的新概念,并利用此概念分析了常见拐角加工 的材料去除率,指出在拐角切割且当保持恒速伺服进给时,材料蚀除量是在不断发生变化的,不象在进行直线切割时,材料蚀除量是恒定的,因此在切割拐角时,向放电间隙输入的放电能量要与材料的蚀除量相一致,否则拐角的切割由于过多的放电能量而形状精度下降。在控制放电能量的同时,他们还对电极丝的张力进行控制,当切割拐角时增加电极丝的张力来改善由于电极丝弯曲而使精度下降的现象,研究中的试验结果表明这种全面控制策略取得相当好的加工精度。它代表了这种切割方式最新发展水平。总之,国外切割设备的发展日新月异。300mm切割机已在生产线上运行,更大直径的切割机已经在研制或完善中,随着材料加工设备的更新换代,将在21世纪有力地推动超大规模集成电路的迅猛发展。1.1.2 我国切割设备的现状1、机床品种多样化、年产量稳步增长 多年来,我国生产的数控电火花线切割机一直是单一的高速走丝线切割机。近几年来,为了满足市场需要,又开发生产了自旋式电火花线切割机、走丝速度可调的电火花线切割机(含高低双速走丝电火花线切割机)以及低速走丝电火花线切割机等。机床品种的多样化可以满足用户的需要,扩大数控电火花线切割加工的应用范围。 高速走丝电火花线切割机是我国当前发展的主要产品,广大科技工作者为了进一步提高它的工艺性能及自动化程度做了大量开发研究工作,并开发生产了2000mm1200mm500mm及1000mm630mm1000mm等超大型高速走丝电火花线切割机床,扩大了它的应用范围,满足了用户的各种需要,使其年产量稳步增长,至今已达12000台/年,并有约300台/年出口到世界各国。 低速走丝电火花线切割机过去曾是“出口机”的代名词,现在已有苏州沙迪克三光机电有限公司、北京阿奇工业电子有限公司、苏州电加工机床研究所、汉川机床厂等多家制造厂商自行开发生产,年产量达300多台。这些机床性能好,价格不到进口机的一半,深受国内用户的欢迎。 自旋式电火花线切割机和走丝速度可调的电火花线切割机目前虽处在开发和完善阶段,产量也不大,但开发思想都是企图借鉴高速走丝和低速走丝二者的优点来创造一种新型的电火花线切割方法。它的成功不仅能为我国的电火花线切割机增加一个新品种,并以它性能价格比好以及加工消耗低的特点找到它自身的应用范围,而且为高速走丝的电火花线切割机的多次切割工艺奠定基础。2、高速走丝系统日趋完善 高速走丝有助于工作液进入窄小的加工区,改善排屑条件,这对于切割大厚度工件以及提高切割速度都是很有作用的;同时,电极丝的往返运动可使电极丝重复使用,减少电极丝的消耗,降低切割加工的生产成本。然而,高速走丝也会造成导向器(导轮、导向块等)的磨损和系统的振动,加上电极丝的张力不易控制,它将给加工稳定性、加工精度及表面质量带来严重影响。为了解决高速走丝所存在的问题,完善高速系统,广大科技工作者已做了大量的开发研究工作,并获得了明显的效果。 上海大量电子设备有限公司已于1999年开发生产了数字程序控制短程往返走丝系统,根据加工条件设定正向移动和反向移动的时间,以消除高速走丝的换向切割条纹,改善加工表面质量。北京阿奇工业电子有限公司根据高速走丝正向和反向移动张力不一的缺点,开发了新型的恒张力高速走丝机构。这种新型机构不仅可以紧 丝,而且可以保证正向和反向移动时电极丝的张力基本一致。因为,走丝系统上、下丝架的导轮是对称设置的,可以保证正、反移动时产生摩擦阻力相近,使电极丝的张力在整个加工过程中恒定。 电极丝的张力直接影响电极丝的振动和频率,并影响线切割加工效果。为了使高速走丝系统的电极丝张力恒定,华中理工大学开发了一种高速走丝线切割机钼丝恒张力伺服系统。这种控制系统的实际使用虽然存在不少问题,但他们的开发思路是积极的。 为了提高丝架的刚性,南昌江南电子仪器厂开发了龙门式丝架,非常适合于大中型电火花线发割机,且锥度切割不受偏移量限制。苏州沙迪克三光机电有限公司开发生产的锥度切割装置可以稳定切割72的锥形零件,而苏州金马机械电子公司的DK7740B机床能在200mm厚的工件作30锥度的切割,表明近几年来我国高速走丝WEDM机床的加工范围有了较大发展。1.2 线切割加工技术的发展方向及意义高速走丝线切割机由于受到电极丝损耗、机械部分的结构与精度、进给系统的开环控制、加工中工作液导电率的变化、加工环境的温度变化及本身加工的特点(如运丝速度快、振源比较多、导轮磨损大)等因素影响,机床的加工精度有限。以目前机床的现状,要在较短的时间内与低速走丝线切割机在加工精度方面进行竞争,困难是相当大的,而且研究开发的代价也会很高,机床的制造成本将大幅度提高,从现实和市场的角度来考虑都是不太适宜的。因此,高速走丝线切割机的发展策略是扬长避短,以发展中低档机床爲主,使机床向适当加工精度、良好的加工稳定性和容易操作的方向发展,来满足不断发展的生産需要。目前市场上高速走丝线切割机最大的优势在于拥有良好的性能价格比,机床的进一步发展必须以此爲基本出发点,不能过分强调机床加工精度,而忽视机床性能价格比的因素。如违背这一原则,机床制造商和用户都难以接受。爲在较短的时间内,使高速走丝线切割机的加工性能有较大的提高,在今后的发展中应优先注意以下方面的研究。1.2.1 基于PC的数控系统的开发数控系统是数控机床的核心部分,其控制性能不仅直接影响机床加工的质量和稳定性,而且也是扩大机床加工范围、实现复杂加工的重要手段。目前,各国都非常重视数控技术的研究,将其作爲实现制造技术突破性发展的一个重点。数控系统技术当前发展的一个重要趋势是开放式数控系统。其含义是:数控系统的开发者在一个统一的体系结构下开发自己的産品,该体系结构是一个广泛认可且透明的规范。这种结构对电加工机床数控系统的重要性已非常明确了1。高速走丝线切割机要进一步发展,必须摆脱单板机作爲数控系统,采用新的数控系统。根据目前国际上数控系统发展趋势及PC的发展情况,应开发和使用基于PC的数控系统。衆所周知,PC本身是插卡式结构,是标准的开放式体系结构的系统。如高速走丝线切割机开发基于PC的数控系统,那将是国産高速走丝线切割机数控系统向开放式数控系统发展的一个有效方法。当前,PC的价格持续下降,而性能和稳定性不断增强,使用PC不仅爲高速走丝线切割机数控系统提供了优越的硬件平台,而且能保持机床性能价格比的优势。目前国内已有基于PC的高速走丝线切割机数控系统,但其主要功能是加工轨迹编程,机床加工控制功能还很不完善,没有充分利用PC的资源。今後,可在以下几个方面开展工作:(1)传统的伺服进给控制系统多采用分立元件组成逻辑电路,对放电状态的检测一般采用平均电压法,这种方法的缺点是对放电间隙状态的检测不够准确,对放电开路状态较敏感,而对正常放电和短路放电状态响应较慢,难以进行准确的进给跟踪,因此加工的稳定性差。解决放电间隙的检测必须对放电状态进行分类统计,并建立控制模型,可采用单独的芯片实现对放电间隙的检测,控制模型以软件的形式存在于PC中,芯片与PC以RS 232接口或主板插卡的方式连接。(2)传统的脉冲电源多爲等频的矩形和分组脉冲信号,放电信号不随放电加工中的间隙状态而自适应变化,加工效果差,因此研制数字自适应脉冲电源的意义重大,该电源可直接与PC相连接,获得放电间隙状态的信息,并根据一定的算法进行自适应控制。(3)加工参数的优化选取对高速走丝线切割加工也非常重要。长久以来,高速走丝线切割的工艺数据库和加工参数优选功能爲国内机床制造商所忽略,高速走丝线切割的工艺参数优化及自动选取软件将是新一代高速走丝线切割机必备的,同时基于PC的数控制系统可十分容易地将此软件模块进行集成。(4)目前的高速走丝线切割机几乎没有教育培训功能,因此机床的操作培训难,机床的的使用性能依赖操作人员的水平,已是衆所皆知的问题,而基于PC的数控系统将充分利用目前PC日益成熟的多媒体技术,将爲这一功能的实现提供良好的软、硬件基础。充分利用PC的资源来开发高性能的数控系统,将是高速走丝线切割机的一个重要发展方向。1.2.2 人工智能(AI)技术的运用智能化数控系统也是当前数控技术发展的另一个重要趋势。由于在机床加工控制系统中使用了智能控制技术,机床自动如有经验的操作者一样使加工过程持续、稳定、优化地进行。人工智能技术也成功地运用到加工参数的设定、加工程序的生成、工件位置的测定及加工结果的测量等整个机床操作过程,大大地提高了机床的加工性能和自动化程度,降低了对操作者的要求,使非熟练操作者也能取得熟练操作者的加工效果。且人工智能技术多以计算机软件的形式存于主控系统,因此研究开发的成本低,而且功能易于扩展、使用灵活、更新的速度快,在当前提高数控机床的自动化、可操作性和增强机床的功能中所起的作用越来越大。高速走丝线切割加工由于运丝速度快、开环控制等加工特点,故放电加工过程具有复杂的随机性,传统理论对其研究进展缓慢,加工机理至今还不十分明了。人工智能技术的兴起,爲高速走丝线切割加工技术的进一步发展提供了新的有效方法。低速走丝线切割机中,机械部分已是相当稳定,现在主要是软件的功能不断更新、增强,并逐步发展到运用人工智能技术。作爲有中国特色的高速走丝线切割机,应抓住这次机会,充分重视人工智能技术的研究和运用。人工智能技术运用到电火花线切割加工,在国际上也是一个新的领域,因此有一定的难度,在研究中要针对高速走丝线切割加工的关键性环节,同时注意借鉴国外发展的经验,使高速走丝电火花线切割机向智能化方向发展,以提高机床的整体加工性能。目前国内已开始进行人工智能技术在电火花线切割加工中的研究,然而研究的深度和广度还很不够。还有许多方面有待进一步研究:(1)高速走丝线切割机的伺服进给变频调节一直依靠操作人员,因此操作人员的工作强度大,机床性能的发挥受到限制。模糊控制技术是人工智能技术中的一个重要方面,它能模仿熟练工人对机床进行控制,已在电火花成形机上成功地应用,在电火花线切割加工中具有良好的应用前景。(2)总结多年来高速走丝线切割加工工艺研究成果,建立相应的知识库和专家系统,降低机床的操作难度是十分必要的。瑞士阿奇公司的Agievision专家系统,其智能化功能只需规定一些有关加工工件的性能和加工要求即可。加工工序是自动生成,且自动连接各道工序,无须人工干预,大大降低了机床操作人员的工作强度。(3)在加工参数自适应等方面能有所作爲。日本沙迪克公司推出了NF(神经模糊)数控电源,它不必输入复杂的NC代码能自动选择加工参数,并可根据加工状态自动进行调节,使电加工机床成爲一般操作人员也能使用好的机床,解决了电火花加工过程中工艺参数设置长期以来取决于操作人员水平的问题。将最新发展的人工智能技术引入到高速走丝线切割机中,研制高速走丝线切割机的智能化控制部件和执行机构,这与当前国家优先发展高技术産业是一致的,具有重要的实际意义。1.2.3 机床设计的改善爲改善高速走丝线切割机的加工精度,必须进一步改进机床的结构,使其更爲合理。目前机床的整体结构多爲音叉式,此种结构的刚度差,固有频率低,易发生振动,且放电加工将産生大量的热,使机床的本体发生较大的热变形,这都在一定程度上影响了高速走丝线切割机的加工精度。因此,在设计机床整体结构时,必须充分利用先进的技术手段进行分析以提高机床结构的合理性。这方面的研究将涉及到运用先进的计算机有限元模拟软件对机床的结构进行力学和热稳定性分析。同时,机床运动精度的改善对提高加工精度也是十分重要的,传统的方法是通过提高工作台传动链的零件精度与传动刚度来改善线切割机的运动精度,但这将使机床的成本大爲增加。而建立在基于PC数控系统的高速走丝线切割机,可方便地运用螺距误差与间隙补偿技术来提高机床的运动精度,这种方法可在进给系统开环控制状态下,较大幅度地提高机床的加工精度,且成本低,非常适合高速走丝线切割机。高速走丝线切割机的一个重要特征是电极丝高速往复循环使用,这使机床运丝系统的稳定性较差。当丝高速运行时,引起的振动较大,且导轮磨损大,此外电极丝的恒张力控制及张力分档调节较难,运丝系统的这些特点在一定程度上影响了加工精度。因此,必须加强对走丝系统结构的深入研究并进行改进,保证放电加工时电极丝运动的稳定性。对于电极丝的往返循环使用使电极丝産生放电损耗是不能忽视的,它会对加工精度産生影响。此外在重视商品包装的今天,机床的外观设计和包装也十分重要,注意运用人机工程学和美学对高速走丝线切割机进行设计是很重要的,这对富有中国特色的高速走丝线切割机走向世界具有重要意义。总之,改善机床设计的研究涉及面较广,在考虑保持机床性能价格比优势的前提下,研究开发的难度是很大的,然而,一旦有所突破,将对高速走丝线切割加工技术産生重大的影响。1.2.4 多次切割工艺的应用多次切割加工是高速走丝线切割加工技术的一个重要发展方向。目前无论是金属切削机床还是低速走丝线切割机,一次加工都无法得到良好的加工效果,欲达到较高的加工精度,都必须在粗加工後再作精加工才能获得。低速走丝线切割机能达到很高的加工精度,也因采用了多次切割工艺。爲改善高速走丝线切割机的加工品质,必须进行多次切割加工的研究。以往的高速走丝线切割机由于功能和结构所限,不具备进行多次切割的基础。近年来,高速走丝线切割机的脉冲电源、进给策略和电极丝的张力控制等方面有了较大的提高,爲多次切割工艺的应用提供了可能性。目前有的高速走丝线切割机已能实施多次切割加工,并能一定程度地提高加工精度。然而,研究应用的深度还不够。爲更好地实现多次切割加工,机床的功能和结构有待于进一步改进和提高;爲保证多次切割加工的效率,仍须大幅度提高一次加工的速度,第一次切割加工的速度应保持在100mm2/min以上4。国内的研究机构在进行多次切割研究的同时,要注意尽快地把研究成果转化到机床的加工技术中,以实现加工精度的提高。1.2.5 结论和展望高速走丝电火花线切割机是我国独创的电加工机床,在模具制造及零件加工领域内有广泛的应用,在中低档市场中占有相当的分量。目前,高速走丝线切割机如何发展是电加工行业十分关心的课题。我们必须吸取国外的成功经验,扬长避短,直接应用当今计算机技术的最新成果,尽快研制功能强大的基于PC的数控系统,从硬件上爲高速走丝线切割机的发展打下良好的基础;同时注意人工智能技术与高速走丝线切割机的结合,运用计算机软件技术来提高机床的性能。此外,加强机床本体的研究和开展多次切割工艺技术的应用,使机床的整体加工水平有一个较大的提高,不断增强高速走丝线切割机在市场上的竞争能力。在运用新技术、新工艺的同时,还必须重视对电火花线切割加工工艺规律进行深入细致的基础理论和实验研究,这也是一个非常重要的环节2 电火花线切割技术内容及研究2.1 电火花线切割加工原理电火花线切割加工原理如图11所示,工具电极(钼丝或铜丝)接直流脉冲电源的负极,工件接直流脉冲电源的正极,当工具电极和工件的距离在一定范围内时,产生脉冲性火花放电,对工件进行切割。火花放电能够切割工件的主要原因是:正负电极在绝缘工作液中靠近时,由于正负电极的微观表面是凹凸不平的,电极间的电场分布并不均匀,离得最近的凸点处的电场强度最高,两极间介质先被击穿,形成放电通道,同时电流迅速上升。在强大的电场力作用下,通道内的负电子以很高的速度奔向阳极(正极),正离子也以高速奔向阴极(负极)。负电子和正离子在高速运动时互相碰撞,阳极和阴极表面分别受到电子流和离子流的强烈轰击,使两电极间隙内的微小通道中瞬时产生高温,通道中心温度达到500010000度,瞬时产生的高温由于来不及扩散,使局部金属材料熔化甚至少量金属气化,同时在工件和电极之间的部分绝缘工作液也产生气化,气化后的金属蒸汽和工作液迅速膨胀并产生爆炸,使得熔化和气化后的金属材料从金属表面抛离出来而达到切割的目的。图1.1 电火花线切割加工原理图2.1.1 电火花线切割正常加工必须具备的条件(1)工具电极与工件的被加工表面之间必须保持一定量的间隙,间隙的大小由加工电压 、脉冲电流大小,脉冲间隙等电规准来决定,间隙大小一般在几十微米之间。如果间隙小于或大于这个距离,都不能进行火花放电。间隙过小,正负极容易短路,不能产生火花放电;间隙过大,极间电压不易击穿介质,也不能产生火花放电。(2)在切割工件时,必须在绝缘工作液中进行。常用的绝缘工作液有煤油、皂化液、去离子水等,用的工作液不一样,在相同的电规准下,加工的速度和表面精度也不尽相同。用绝缘性工作液主要有以下几个作用:利于产生脉冲性的火花放电;排除间隙内电蚀产物;起冷却电极的作用。(3)采用脉冲电源,火花放电必须是脉冲性、间歇性的。(4)被加工材料必须导电。只有导电材料才能产生火花放电,导电材料一般为金属材料和半导体非金属材料等。2.1.2 电火花线切割加工的特点 接利用线状的电极丝作为电极,不需要像电火花成型加工的成型工具电极,可节约电极设计和制造费用,缩短了生产准备时间。 可以加工用传统切削加工方法难以加工的微细异形孔、窄缝和形状复杂的零件。 利用电蚀原理加工,电极丝与工件不直接接触,两者之间的作用力很小,因而工件的变形很小,电极丝、夹具不需要太高的强度。 传统的车、铣、钻加工中,刀具硬度必须比工件硬度大,而电火花线切割机床的电极丝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难以加工或无法加工的材料。在加工中作为刀具的电极丝无须刃磨,可以节省辅助时间和刀具费用。 直接利用电、热能进行加工,可以方便地对影响加工精度的加工参数进行调整,有利于加工精度的提高,便于实现加工过程的自动化控制。 电极丝是不断移动的,单位长度损耗少,特别是慢走丝线切割加工时,电极丝一次性使用,故加工精度高(可达2.5m) 采用线切割加工冲模时,可实现凸、凹模一次加工成形。2.1.3 电火花线切割的应用范围电火花线切割加工由于具有诸多优势,主要应用在以下几个方面:(1)广泛应用于冲压模具的加工。(2)加工微细异形孔、任意曲线窄缝和复杂形状的工件。(3)加工镶拼型腔模、拉丝模、粉末冶金模、波纹板成型模。(4)加工样板尺和成型刀具。(5)加工硬质合金和切割薄片材料。(6)加工凸轮和特殊齿轮。(7)加工半导体材料以及稀有、贵重金属材料的割断。(8)适合于小批量、多品种零件的加工,减少模具制作费用,缩短生产周期。2.2 电火花线切割加工机床的特点2.2.1电火花线切割加工机床的分类1)电火花线切割加工简述电火花线切割加工是电火花加工的一个分支,是一种直接利用电能和热能进行加工的工艺方法,它用一根移动着的导线(电极丝)作为工具电极对工件进行切割,故称线切割加工。线切割加工中,工件和电极丝的相对运动是由数字控制实现的,故又称为电火花线切割加工,简称线切割加工。2)电火花线切割加工机床的分类(1)按走丝速度分:可分为慢速走丝方式和高速走丝方式线切割机床。(2)按加工特点分:可分为大、中、小型以及普通直壁切割型与锥度切割型线切割机床。(3)按脉冲电源形式分:可分为电源、晶体管电源、分组脉冲电源及自适应控制电源线切割机床。2.2.2 电火花线切割加工机床的基本组成电火花线切割加工机床可分为机床主机和控制台两大部分。图1.2 快走丝线切割机床主机1)控制台控制台中装有控制系统和自动编程系统,能在控制台中进行自动编程和对机床坐标工作台的运动进行数字控制。2)机床主机 机床主机主要包括坐标工作台、运丝机构、丝架、冷却系统和床身五个部分。图6-1为快走丝线切割机床主机示意图。(1)坐标工作台 它用来装夹被加工的工件,其运动分别由两个步进电机控制。(2)运丝机构 它用来控制电极丝与工件之间产生相对运动。(3)丝架 它与运丝机构一起构成电极丝的运动系统。它的功能主要是对电极丝起支撑作用,并使电极丝工作部分与工作台平面保持一定的几何角度,以满足各种工件(如带锥工件)加工的需要。(4)冷却系统 它用来提供有一定绝缘性能的工作介质工作液,同时可对工件和电极丝进行冷却。3 UG软件介绍Unigraphics,是美国Unigraphics Solutions of EDS公司对出的CAD/CAE/CAM高端软件,为制造产业产品开发的全过程提供解决方案。功能包括:概念设计,工程设计,性能分析和制造等,广泛应用与汽车,航天航空,机械,电子产品,医疗仪器等行业。3.1 UG的主要技术特点3.1.1 集成的产品开发环境UG是集成的CAD/CAM/CAE软件集,能够完成概念设计,详细设计,装配,生成工程图,结构与运动分析,数控加工的全过程。3.1.2 全局相关性通过应用主模型方法,保证设计,装配,工程分析,制造等所有应用模块之间保持完全的相关性,主模型方法如图3.1所示。装配数控加工制图主模型结构和运动分析图3.1 主模型方法3.1.3 并行协同工作通过Internet技术,在设计过程中,不同的设计人员可以同时进行不同的设计任务。每一个设计人员都可以根据自己的访问权限对同一个产品的不同零件,组件和装配进行工作。因此,产品的任何修改信息都可以立即被所有的设计人员获得。3.1.4 满足客户需要的开放式环境为了方便用户的开发设计,UG提供了多种用户开发工具,包括:(1) UG/Open GRIP:为用户提供的脚本语言,可以方便地对UG进行二次开发。(2) UG/Open API:UG提供了其他应用成粗的编程接口,支持当前流行的编程语言,包括C+,C,JAVA等。(3) UG/Open+:UG提供了真正面向对象的编程接口,用C+语言编写,具有面向对象编程的继承性,多态性等全部优点3.2 UG的主要应用模块UG提供了多种应用模块,每个模块具有各自的特定功能,各个模块相对独立有相互联系,通过下拉菜单Application可以许多不同的应用模块,如图3.2所示。图3.2 “Application”下拉菜单3.2.1 Gateway(基本环境) Gateway(基本环境)是其他交互应用的先决条件,是打开UG后进入的第一个应用模块。Gateway允许拥护编辑部件文件,创建新的部件文件,保存文件,打印图样屏幕布局,输入和输出各种文件类型以及其他的通用功能。该应用模块还提供强化的视图显示操作,屏幕布局和层功能,工作坐标系操作,对象信息和分析以及访问在线帮助。3.2.2 Modeling(建模)UG的Modeling(建模)模块提供的实体建模系统加速了概念设计,用户可以通过为设计不同部分定义精确的关系而合并他们的设计要求和限制。用户用基于模型的建模特征和约束可以快速实现概念设计和详细设计。该模块支持Solid Modeling(实体建模),Feature Modeling(特征建模),FreeForm Modeling(自由形状建模),Sheet Meature Modeling(钣金特征建模)和UserDefined Features(用户自定义特征)等建模方式。该模块是其他应用模块的基础。3.2.3 Shape Sdutio(工业产品造型)Shape Sdutio (工业产品造型)是用语帮助进行概念设计的UG建模和分析工具。着这些工具包括初步概念家段的基本操作,如产品构思的建立和可视化操作等。3.2.4 Drafting(制图) Drafting(制图)模块是让用户从在建模模块中常见的三维模型,或者使用内置的曲线/草图工具创建的二维设计布局生成工程图样。生成的图样与模型相关联,对模型进行任何改动,图样也自动随之改动。Drafting模块支持自动生成图样布局,包括正交投影视图,剖视图,局部放大视图以及等轴侧图等,并支持自动尺寸标注,自动建立装配件明细表等功能。3.2.5 Manufacturing(加工)Manufacturing(加工)模块提供交互式编程和后处理磨削,钻削,车削,线切割等刀具 的能力;提供交互指定铣削轮廓和铣削腔操作的能力和指定复杂铣削操作(3轴到5轴加工)的能力;可定制的配置文件用语定义有效的加工处理器,刀具库,后处理器和其他参数,以适应特定的加工过程;模板允许用户界面和加工计划,包括机床,刀具,加工方法和操作顺序。3.2.6 Structures(结构分析)Structures(结构分析)模块是一种简单却功能强大的有限元建模和分析工具。该应用旨在服务于需要哦紧密联系集合模型的分析环境的设计工程师和分析员,为设计工程师或分析员提供了快速完成有限元的概念性和细节性分析的能力。Structures(结构分析)模块被设计成允许创建。分析以及平谷各种设计选择。场景可以被定义为主模型的变型。UG主模型,体提升以及部件间表达式形成Unigraphics建模应用场景的支持概念。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。用户在部件上建立有限元网格并描述和塑料的条件。可以重复地决定最优条件分析软件包产生的图形结果。该模块节约了设计,注模制造以及材料成本。3.2.8 Motion(运动分析)Motion(运动分析)模块用于对模型进行运动分析,并提供了精密,灵活和综合的建模能力。该应用模块完全的设计和编辑能力允许用户开发任意关节数的空间机制,完成运动学分析,并以多种形式提供抑郁理解的分析结果。该应用模块还为第三方运动学分析程序提供界面。3.2.9 Sheet Metal(钣金设计)Sheet Metal(钣金设计)模块是基于针对钣金不见交工的设计的应用,能够定义成型表,折弯顺序以及重新形成实体模型考虑材料的变形金属性。为后续应用从实体,形状以及线框几何体生成精确的平面展开图数据。3.2.10 Routing (管道)Routing (管道)模块提供了已经装配好的模型设计和规划管道的功能,例如可以利用该模块为航空发动内部设计从燃料箱到各个围绕发动机的喷嘴的管道。利用该模块可以完成以下管道的设计和规划:水管,气管,油管,电气线路,固定管线的钢架等。3.2.11 Wire Harness(布线)Wire Harness(布线)模块使得电气系统设计者能够在产品机械装配模型的3D表面建立电气布线的描述。利用该模块能够将所有相关的电气不见放置与装配模型内部,并建立布线线路的中心线,然后在所有部件之间生成导线,从而使包装设计和布线安装图在相同的环境里完成设计和修改。3.2.12 Assemblies(装配)Assemblies(装配)模块支持“从上到下”和“从下到上”的装配建模。该模块提供了装配结构的快速移动并允许移动直接访问任何足见或字装配的设计模型,支持“上下文设计”途径,即在装配的环境中工作时可以对任何足见的设计模型做改变。3.2.13 Knowledge Fusion(知识融接)Knowledge Fusion(知识融接)模块提供了一个图形用户截面,允许拥护对集合模型和装配应用工程知识驱动规则和设计意图。用户可以打开或者关闭该模块,从而为知识融接用户提供了一个良好的开发环境。3.3 UG与Pro/e的比较比较之一 通过对几门CAD/CAM软件的学习和使用,我认为UG主要适合于大型的汽项目建立复杂的数模,而Pro/e主要适合于中小企业快速建立较为简单的数模。在建模较为复杂的时候,往往是任何参数都是没有用处的,一般用Pro/e建立开始较为简单的线框、曲面,然后转到UG里面进行高级曲面的建立、倒角。由于产品反复更改,参数大多数都被删掉了。两种软件各有优点,应该混合建模才能达到最佳效果。零件较大、较复杂的时候,加工一般用UG做好数模,cimatrone做粗加工,UG精加工。 比较之二 关于混合建模。UG的一个最大特点就是混合建模,我理解就是在一个模型中允许存在无相关性的特征。如在建模过程中,可以通过移动、旋转坐标系创建特征构造的基点。这些特征似乎和先前创建的特征没有位置的相关性。因为NAVIGATOR TREE中(类似Pro/e中的模型树)没有坐标系变换的记录。又如创建BASIC CURVE,在NAVIGATOR TREE中也没有作为一个参数化特征的记录,比如我如果想把一条圆弧曲线改成样条曲线就非常困难,而且有时改变并不影响子特征的变化。而在Pro/E中极为强调特征的全相关性,所有特征按照创建的先后顺序及参考有着严格的父子关系。对父特征的修改一定会反映到子特征上。我曾就这个问题在上海问过EDS的UG技术工程师,他们说全相关性可以说是一把双刃剑,对于经验丰富的设计师,设计修改会非常方便,而对于经验不多的设计者,则非常容易出现修改后无法生成的错误,此时混合建模就比较适用。 关于Datum
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