电火花线切割加工工件形位误差的形成机理研究及抑制方法

摘要

电火花线切割加工(WEDM)是在传统电火花成型加工(EDM)的基础上，采用移动电极丝取代仿形电极，而得到一种加工效率和加工质量更高的新型电加工方式。由于工具电极直径较小(0.02-0.3mm)，无切削应力，且可以加工上下异性件及复杂曲面，电火花线切割加工广泛应用于对零件形位精度要求较高的领域，如：精密模具、仪器仪表、航空航天等。然而，实践中发现，进行直线切割时，当电极丝直径为250μm，零件的切缝宽度最大可达420μm；进行拐角切割时，零件的拐角误差达到10-200μm；进行锥度切割时，零件的锥度误差可达20％。如此显著的形位误差难以满足精密制造领域的需求。
　　本文旨在研究和抑制电火花线切割工件的形位误差。主要研究内容如下：
　　针对不合适的进给速度导致同一位置重复放电，从而降低工件的形位精度，建立了连续脉冲材料蚀除热模型来预测材料去除率。首先，综合考虑多个因素，分别建立了电火花线切割单脉冲放电和连续脉冲放电材料蚀除热模型来预测材料去除率。其次，根据热模型预测得到的材料去除率，在CNC系统中设置相应的最佳进给速度抑制重复放电现象。实验数据表明：在确定加工参数情况下，最佳进给速度可以使得实际加工速度和切缝精度同时达到最优。
　　针对加工参数交互影响的复杂性，难以同时达到多个工艺目标最优，采用工艺参数优化方法提高工件的形位精度。以拐角误差为例，设计27组不同角度切割的田口实验，采用广义回归、神经网络预测和支持向量机回归方法对加工参数进行回归建模，根据回归模型进行加工参数优化。同理，工艺加工参数优化的方法也可用于锥度切割误差和切缝宽度优化，本文不再赘述。
　　针对不规则的电极丝运动轨迹导致工件形位误差，分别建立了电极丝挠曲变形和振动的理论模型，并提出相应的抑制方法。首先，针对厚工件(h>10mm)的形位误差，分析了电极丝在导轮之间的受力情况，考虑不均匀温度场的影响，建立了导轮间的电极丝挠曲变形理论模型。其次，针对薄工件(h<2mm)的形位误差，分别建立了电极丝的三维温度场、电磁场和运动场模型，在此基础上，建立了电极丝三维振动的耦合模型。最后，与前人模型对比结果以及实验结果表明：本文建立的电极丝运动轨迹模型具有较高的精度，可以为控制系统对电极丝轨迹补偿提供初步基础。
　　针对电极丝挠曲变形和振动，建立了电极丝恒张力控制系统。首先，通过改进走丝系统的结构，增加闭环控制，搭建了该系统的软硬件平台；其次，采用系统辨识与智能PID控制方法精确控制电极丝张力。实验数据表明：该控制系统能够快速精准地控制电极丝张力；此外，该系统能够有效地降低拐角误差(15~35%)、切缝宽度(9~15%)和锥度误差(6.4%)。

目录

声明

符号索引表

1 绪 论

1.1 课题研究背景、来源及意义

1.2 工件形位误差研究现状

1.3 研究现状总结与问题分析

1.4 课题研究内容及章节编排

2 重复放电导致形位误差的机理研究与抑制

2.1 进给速度、放电状态和形位误差的关系

2.2 单脉冲放电材料蚀除热模型

2.3 连续脉冲放电材料蚀除热模型

2.4 最佳进给速度抑制形位误差

2.5 本章小结

3 工件拐角误差建模分析与工艺参数优化

3.1 工件拐角误差的主因素分析

3.2 工件拐角误差椭圆拟合模型

3.3 工件拐角误差的工艺参数拟合模型

3.4 工艺参数优化方法抑制拐角误差

3.5 本章小结

4 电极丝挠曲变形导致形位误差的机理研究

4.1 影响导轮间电极丝挠曲变形的因素分析

4.2 导轮间电极丝挠曲变形建模

4.3 电极丝挠曲变形模型验证与分析

4.4 抑制电极丝挠曲变形的主要策略

4.5 本章小结

5 电极丝振动导致形位误差的机理研究

5.1 电极丝三维温度场建模与分析

5.2 电极丝三维磁场建模与分析

5.3 连续脉冲电极丝振动多物理场耦合建模

5.4 电极丝振动模型求解、验证与分析

5.5 本章小结

6 电极丝恒张力控制系统抑制形位误差研究

6.1 慢走丝线切割电极丝张力分析

6.2 电极丝恒张力控制系统的搭建

6.3 电极丝恒张力系统辨识及智能PID控制

6.4 电极丝恒张力控制系统的形位误差实验

6.5 本章小结

7 全文总结与工作展望

7.1 全文总结

7.2 工作展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表的学术论文及专利