基于电火花线切割机床的真圆弧插补方法研究

刘克福,雷玉勇,肖 宜,王昆仑

(西华大学机械工程学院，四川 成都 610039)

·机电工程·

基于电火花线切割机床的真圆弧插补方法研究

刘克福,雷玉勇,肖 宜,王昆仑

(西华大学机械工程学院，四川 成都 610039)

传统线切割机床利用“逐点比较插补”原理进行加工，存在加工效率低、表面粗糙等缺点。针对此不足，提出真圆弧插补方法。在电火花线切割机床原有二自由度(X方向、Y方向)工作台的基础上，增加一个新型三自由度旋转工作台，变“逐点比较插补”为“真圆弧插补”。文章对真圆弧插补的工作原理和实现方法进行了详细阐述。实例分析表明，采用真圆弧插补加工纯圆弧，其效率提高21.46%，加工45°的斜线，其效率提高29.29%，且钼丝走过的轨迹为光滑圆弧和直线，提高了加工零件的表面质量，扩大了电火花线切割技术的应用领域。

电火花线切割加工；真圆弧插补；三自由度；旋转工作台

传统电火花线切割机床的插补原理采用沿X方向和Y方向的直线进给[1]，即用一系列沿X方向和Y方向的阶梯型直线来逼近斜线、圆弧及其他任意轮廓形状，以此实现对复杂零件的加工，然而此方法加工出来的零件表面粗糙度大、加工效率低，所加工零件的表面质量无法完全满足现代化高精度精密零部件的要求；因此，电火花线切割在应用上受到一定限制。目前，已有科研人员对电火花线切割技术进行了多方面的研究和改进[2-15],但是在提高加工效率、降低表面粗糙度方面，这些研究都未能克服电火花线切割技术“逐点比较插补”原理的自身局限性。

本文针对传统线切割加工“逐点比较插补”原理存在的不足，在作者专利的基础上，提出一种新的“真圆弧插补”方法来实现轮廓曲线的精确加工，使加工表面质量和加工效率得到较大提高，这对改进线切割机床具有重要的现实意义。

1 传统线切割加工的“逐点比较插补”原理

一个零件的实际轮廓线可能由直线、圆弧、样条曲线或任意曲线组成。传统的电火花线切割加工曲线时通常采用如图1所示的“逐点比较插补”方式进行，即钼丝所走的轨迹是一系列沿X轴和Y轴方向的阶梯直线段，以此去近似逼近原轮廓线，控制步长越小，加工精度越高；但是用“逐点比较插补”方法加工出来的轨迹，从微观上看仍然是阶梯形状的折线，被加工零件表面质量差。

图1 逐点比较插补原理示意图

2 “真圆弧插补”原理

“真圆弧插补”是在电火花线切割机床原有二自由度(X轴、Y轴)工作台的基础上，增加如图2所示的三自由度(旋转C轴、X′轴、Y′轴)旋转工作台[16]。该旋转工作台的C轴通过螺栓固定在机床原有X、Y轴工作台之上。C轴旋转台9之上设有用于实现位置补偿的X′轴和Y′轴，工件装夹于固定台6上，固定台6安装在Y′轴上，并可随X′轴和Y′轴水平移动，同时X′轴和Y′轴还可以随C轴转动。为保证加工轨迹为光滑的圆弧曲线，只需将所要加工的圆弧曲线的圆心和C轴的旋转中心重合，使钼丝到旋转中心的距离正好等于待加工圆弧半径，此时只需在加工过程中转动C轴就可以切割出光滑的圆弧曲线。

1—X轴、Y轴工作台；2—X′轴丝杆；3—X′轴导轨；4—Y′轴丝杠；5—工作台；6—固定台；7—工件；8—Y′轴导轨；9—C轴旋转台。

图2 旋转工作台结构设计示意图

为了将所要加工的圆弧曲线的圆心和C轴的旋转中心重合，必须保证工件和钼丝在水平面内的相对位置不动，而移动C轴旋转中心到待加工圆弧曲线中心处，使二者重合。具体可通过X轴和Y轴带动旋转台水平移动，在X轴、Y轴移动过程中为保证工件相对于钼丝的位置不动，必须由X′轴和Y′轴来进行位置补偿。

2.1 标准圆弧插补加工方法

加工如图3(a)所示的标准圆弧4时，可按如下步骤实现真圆弧插补。设该加工轨迹的圆心为O′′，半径为R，控制系统通过控制X轴与X′轴、Y轴与Y′轴的协调运动，使C轴旋转中心O′移动到与圆弧曲线的圆心O′′重合，并使钼丝与C轴工作台中心O′之间的距离等于R，移动过程中须保证工件位置不动(该过程所花时间为加工圆弧的准备时间)。

实现方法：第1步，X轴正向移动，同时X′轴反向补偿，使Y′轴向右移动至O′′处，如图3(b)所示；第2步，Y轴正向移动，同时Y′轴反向补偿，使O′点运动至O′′点，如图3(c)所示；第3步，在钼丝正常走丝的情况下，C轴旋转运动1周，完成标准圆弧加工，加工出来的轨迹曲线为光滑圆弧曲线。

2.2 斜线段插补加工方法

如果加工轨迹是与X轴成θ(0°<θ<180°)角的直线，如图4(a)所示的AB线段，控制系统驱动C轴顺时针转动一个θ角，变斜线为在X轴方向的直线进行加工处理。加工之前，应使斜线段的起点A(即机床钼丝位置)与C轴旋转中心O′重合，并顺时针转动C轴一个θ角，使直线AB与X轴平行(该过程所花时间为加工直线的准备时间)。

实现方法：第1步，X轴正向移动，同时X′轴反向补偿，使Y′轴移动至A点上，如图4(b)所示；第2步，Y轴正向移动，同时Y′轴反向补偿，使O′点运动至A点，如图4(c)所示；第3步，C轴顺时针转动一个θ角，使直线AB与X轴平行，如图4(d)所示；第4步，X轴正向移动相应直线段的长度，完成斜线段AB加工，加工出来的轨迹为光滑直线。

如加工轨迹为连续多个线段，则在每2条线段相交处会有加工停顿时间(准备时间)，在停顿期间，可停止给钼丝通电，并使钼丝筒停止运转，这样可避免在准备时间内钼丝和工件之间放电而影响加工零件的光滑性。

2.3 一般曲线插补加工方法

实际生产中，所有轮廓轨迹均可分解为标准圆弧、直线(包括斜线)和一般曲线，按照上述分类和加工步骤，都可实现轮廓曲线的高效率精确加工。

3 真圆弧插补方法的优点

1)从原理上着手，设计了一种实现“真圆弧插补”功能的电火花线切割机床工作台，克服了传统“逐点比较插补”原理自身的不足，从工作原理的根源上改进了电火花线切割技术。用光滑的圆弧曲线逼近原曲线，避免了用传统逐点比较插补方法加工零件时，表面所形成的阶梯型非光滑加工折线的产生，较大提高了所加工零件的表面质量。

2)提高了电火花线切割技术的加工效率。如图6所示，对于标准圆弧，折线3为传统逐点比较插补的加工轨迹。假设待加工的圆弧直径为d，则钼丝在X轴方向的所有插补线段长度的总和为2d，在Y轴方向的所有插补线段长度的总和为2d，故钼丝按传统逐点比较插补所经过的轨迹长度为4d。采用真圆弧插补原理，钼丝走过的轨迹长度为圆的周长πd，比传统的圆弧插补轨迹的长度短(4-π)d，加工效率提高了Δη=[(4-π)d]/4d=21.46%。

1—机床钼丝位置；2—真圆弧插补加工轨迹；3—逐点比较插补加工轨迹。

图6 标准圆加工效率对比图

1—机床钼丝位置；2—真圆弧插补加工轨迹；3—逐点比较插补加工轨迹。

图7 斜线段加工效率对比图

考虑加工圆弧和加工斜线之前有准备时间，由于在准备过程中，机床各轴可实现快速进给运动，其速度远大于工作进给速度，其准备时间远小于加工时间，所以总效率仍会得到较大提高。

3)在相同加工精度等级情况下，“真圆弧插补”加工路径更短，表面粗糙度更小，适用范围更广，扩大了电火花线切割技术的应用领域。

4)开发周期短、成本低。为实现“真圆弧插补”功能，硬件方面只需在原有机床的基础上增加一个三自由度旋转工作台，并配合控制软件即可实现，便于该设备及时投入实际的生产。

4 结论

针对传统电火花线切割加工效率低、表面质量差的不足，本文提出了“真圆弧插补”方法，实现了精确逼近原曲线轨迹的加工目的，降低了表面粗糙度。对于标准圆弧曲线加工，其效率提高了21.46%，对于45°斜线段加工，其效率提高了29.29%，这说明该方法能有效克服传统逐点比较插补效率低的缺点。该“真圆弧插补”方法及理论还可以类似地推广到其他采用逐点比较插补原理进行加工的机床设备上，如水射流机床等，具有较大实际意义。

[1]张明，韩荣娟，张振苓.电火花线切割车削机床的研究及实现[J].制造技术与机床，2008(11)：25-26.

[2]贾志新，滕向阳，闫凯，等.立式回转电火花线切割加工新技术[J].机械工程师，2006(5)：19-20.

[3]张鹏，贾志新，滕向阳.立式旋转单向走丝电火花线切割机走丝系统的设计[J].机械设计与制造，2010(12)：137-139.

[4]谢冬和.DK7732型电火花线切割机加工技术的改进[J].制造技术与机床，2012(2)：140-142.

[5]SAHA S，PACHON M，GHOSHAL A，et al. Finite Element Modeling and Optimization to Prevent Wire Breakage in Electro-discharge Machining[J]. Mechanics Research Communications，2004，31：451-463.

[6]发那科株式会社.电火花线切割机和电火花线切割加工方法：中国，CN200510115317.0[P].2006-05-24.

[7]任福君，姜永成.大厚度复杂曲面线切割丝损在线检测及补偿[J].机械工程学报，2008，44(6)：237-242.

[8]黄瑞宁，楼云江.微细线切割电极丝形位误差分析[J].哈尔滨工业大学学报，2012，44 (3)：69-74.

[9]PURI A B，BHATTACHARYYA B. An Analysis and Optimisation of the Geometrical Inaccuracy due to Wire Lag Phenomenon in WEDM[J]. International Journal of Machine Tools & Manufacture，2003，43：151-159.

[10]PAN Huijun，LIU Zhidong，GAO Lian，et al. Study of Small Holes on Monocrystalline Silicon Cut by WEDM[J]. Materials Science in Semiconductor Processing，2013，16：385-389.

[11]TAKINO H，ICHINOHE T，TANIMOTO K，et al. Cutting of Polished Single-crystal Silicon by Wire Electrical Discharge Machining[J]. Precision Engineering，2004，28：314-319.

[12]EGASHIRA K，MIZUTANI K. Micro-drilling of Monocrystalline Silicon using a Cutting Tool[J]. Journal of the International Societies for Precision Engineering and Nanotechnology，2002，26：263-268.

[13]HAN Fuzhu，ZHANG Jie，SOICHIRO I. Corner Error Simulation of Rough Cutting in Wire EDM[J]. Precision Engineering，2007，31：331-336.

[14]MURPHY K D，LIN Zhengmao. The Influence of Spatially Nonuniform Temperature Fields on the Vibration and Stability Characteristics of EDM Wires[J]. International Journal of Mechanical Sciences，2000，42： 1369-1390.

[15]蔡长韬,曾焕鑫. 基于信噪比的线切割工艺参数优化分析[J]. 西华大学学报：自然科学版,2011,30(3):21-24.

[16]肖宜，刘克福,雷玉勇，等.真圆弧插补线切割机床用旋转工作台：中国，CN201320401985.X[P].2014-01-08.

[17]张晓丹，郑连存，郑权.应用计算方法教程[M].北京：机械工业出版社，2008：217-229.

(编校：饶莉)

Research of True Circular Interpolation Method Base on WEDM Workbench

LIU Ke-fu，LEI Yu-yong，XIAO Yi，WANG Kun-lun

(SchoolofMechanicalEnginneering,XihuaUniversity,Chengdu610039China)

Traditional WEDM use point-by-point comparison interpolation principle for processing. It has some disadvantages such as low efficiency, rough surface and other shortcomings. Aimed at these problems, true circular interpolation method is proposed. A new type of rotary workbench with three degrees of freedom, is added to the original two degrees of freedom(Xdirection,Ydirection) WEDM workbench in order to change "point-by-point comparison interpolation" to "true circular interpolation". Working principle of true circular interpolation method and its realization method are discussed in detail. Example analyses show that, using the true circular interpolation method to process pure arc and 45-degree diagonal line, the efficiency is improved by 21.46%, 29.29%, respectively. And molybdenum wire walking trajectory is smooth arc and straight line, the surface quality of wire cutting parts is greatly improved. The mothed extends the application field of wire electric discharge cutting technology.

WEDM；true circular interpolation；three degrees of freedom；rotary workbench

2015-01-04

四川省科技项目(2014JY0173)；“流体及动力机械教育部重点实验室”项目。

刘克福(1971—)，男，副教授，硕士生导师，主要研究方向为机电液一体化及自动控制。E-mail:liukefu@mail.xhu.edu.cn

TG659;TP391.7

A

1673-159X(2015)05-0043-04

10.3969/j.issn.1673-159X.2015.05.007