三维超声波协同调制微细电火花线切割加工装置

摘要

本发明涉及线切割中的一种三维超声波协同调制微细电火花线切割加工装置。本发明提供了一种三维超声波协同调制微细电火花线切割加工装置，包括走丝单元、控制单元、超声波电源、调制电路、脉冲电源和驱动待加工的工件进行三维振动的三维超声波振动机构，其中，所述控制单元分别与所述脉冲电源、超声波电源连接。本发明的有益效果是：所述超声波电源驱动所述三维超声波振动机构振动，从而带动工件进行三维振动，有利于在低电压线切割加工的基础上，即放电间隙非常小的情况下，及时、高效的从放电间隙中排出放电废屑和气泡，从而保证了在放电间隙非常小的情况下，线切割可以顺利进行，从而提高了线切割的加工精度。

说明书

技术领域

本发明涉及线切割，尤其涉及线切割中的一种三维超声波协同调制微细电火花线切割加工装置。

背景技术

随着科技水平的发展，对工件的加工精度要求越来越高，电火花线切割的加工精度与加工间隙密切相关，目前的加工方式使得电火花线切割机的加工间隙已近乎达到极限。

能够提供微小单个脉冲放电能量的脉冲电源是实现微细电火花线切割加工的前提。在微能脉冲电源方面，目前有晶体管可控RC脉冲电源、并联谐振脉冲电源、能量可控脉冲电源，还有应用于微细电火花加工的电容耦合式脉冲电源、超声振动同步的脉冲电源等。但大多数都是以RC脉冲电源作为基础。RC脉冲电源电容储存的能量可表示为Wp=0.5(C+C')U2，其中Wp为单个脉冲放电能量(J)；C为标称电容的容值(F)；C'为杂散电容的容值(F)；U为RC电源的工作电压(V)。从公式可知，要降低单个脉冲放电能量，降低电压U更为直接有效。但根据传统的观点：电火花加工不能在低于火花维持电压（一般为20~30V）下进行加工，所以一般认为，降低电容的容值是一种较为理想的选择。但电容的容值受整个装置杂散电容C' (一般在几百pF~几千pF之间)的影响，因此，使得降低单个脉冲放电能量也有限度。但据最新的研究成果表明，用RC电源作为微能脉冲电源时，其放电过程不存在火花维持电压，可以在超低电压(低于火花维持电压)下进行火花放电，比如2V开路电压来加工，其加工方法是加大放电电容（最小10μF），使得加工表面质量较差，这当然不是理想的微细加工方法。

目前没有采用低电压放电来获得微细单个脉冲能量进行加工的原因是因为低电压加工时放电间隙非常小，放电废屑和气泡不能从放电间隙中及时排出，导致一直处于短路和拉弧放电状态，因此不能进行加工。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种三维超声波协同调制微细电火花线切割加工装置。

本发明提供了一种三维超声波协同调制微细电火花线切割加工装置，包括走丝单元、控制单元、超声波电源、调制电路、脉冲电源和驱动待加工的工件进行三维振动的三维超声波振动机构，其中，所述控制单元分别与所述脉冲电源、超声波电源连接，所述调制电路串接于所述脉冲电源、超声波电源之间，所述脉冲电源与所述走丝单元连接并为所述走丝单元的极间提供线切割加工的脉冲信号，所述脉冲电源检测所述走丝单元的极间的放电状态并反馈给所述调制电路，所述脉冲电源将其脉宽信号、脉间信号反馈给所述调制电路，所述超声波电源将其振幅信号、频率信号反馈给所述调制电路，所述调制电路结合所述走丝单元的极间的放电状态，将所述超声波电源的振幅信号、频率信号和所述脉冲电源的脉宽信号、脉间信号进行联合调制，所述调制电路将调制后的振幅信号、频率信号反馈给所述超声波电源，所述调制电路将调制后的脉宽信号、脉间信号反馈给所述脉冲电源，所述超声波电源与所述三维超声波振动机构连接，所述超声波电源根据所述调制电路调制后的振幅信号、频率信号驱动所述三维超声波振动机构振动。

作为本发明的进一步改进，所述三维超声波振动机构包括工作台，所述工作台上设有X轴超声波换能器、Y轴超声波换能器和超声波X轴进给机构，所述超声波X轴进给机构上设有X轴振动台，所述X轴超声波换能器与所述X轴振动台相接触，所述X轴振动台上设有超声波Y轴进给机构，所述超声波Y轴进给机构上设有Y轴振动台，所述Y轴超声波换能器与所述Y轴振动台相接触，所述Y轴振动台上设有与待加工的工件连接的Z轴超声波换能器。

作为本发明的进一步改进，所述工作台与所述Y轴超声波换能器之间设有垫块，所述超声波X轴进给机构包括设置在所述工作台上的X轴导轨和设置在所述X轴导轨上并与其形成移动副的X轴滑块，所述X轴滑块与所述X轴振动台连接，所述超声波Y轴进给机构包括设置在所述X轴振动台上的Y轴导轨和设置在所述Y轴导轨上并与其形成移动副的Y轴滑块，所述Y轴滑块与所述Y轴振动台连接。

作为本发明的进一步改进，所述三维超声波协同调制微细电火花线切割加工装置还包括机床本体，所述机床本体上设有机床XY轴进给装置，所述机床XY轴进给装置包括机床X轴进给机构和机床Y轴进给机构，所述机床Y轴进给机构与所述三维超声波振动机构的工作台连接，所述机床X轴进给机构与所述超声波X轴进给机构的进给方向相同，所述机床Y轴进给机构与所述超声波Y轴进给机构的进给方向相同。

作为本发明的进一步改进，所述控制单元通过伺服控制单元与所述机床XY轴进给装置连接，所述伺服控制单元驱动所述机床XY轴进给装置进给并将其进给状态反馈给所述控制单元，所述控制单元根据接收到的所述机床XY轴进给装置的进给状态通过所述超声波电源来调整所述三维超声波振动机构的振动状态，使所述机床XY轴进给装置的进给方向与所述三维超声波振动机构的振动方向相同。

作为本发明的进一步改进，所述机床XY轴进给装置通过放电检测单元与所述控制单元连接，所述放电检测单元检测所述走丝单元的极间的平均电压并反馈给所述控制单元。

作为本发明的进一步改进，所述超声波电源将其产生的超声波交变信号反馈到所述调制电路，所述调制电路将所述超声波电源产生的超声波交变信号转换为所述脉冲电源的开关信号并控制所述脉冲电源的关断。

作为本发明的进一步改进，所述超声波电源与所述调制电路之间串接有超声波前置放大器，所述超声波电源的超声波交变信号通过所述超声波前置放大器反馈给所述调制电路。

作为本发明的进一步改进，所述超声波电源与所述调制电路之间串接有压电陶瓷环，所述超声波电源的超声波交变信号通过所述压电陶瓷环反馈给所述调制电路。

作为本发明的进一步改进，所述走丝单元包括UV轴加工单元，所述走丝单元与所述控制单元连接，所述走丝单元向所述控制单元反馈其UV轴加工单元的加工状态，所述控制单元根据所述走丝单元反馈的UV轴加工单元的加工状态通过所述超声波电源控制所述三维超声波振动机构的振动方向。

本发明的有益效果是：通过上述方案，所述调制电路将调制后的振幅信号、频率信号反馈给所述超声波电源，所述调制电路将调制后的脉宽信号、脉间信号反馈给所述脉冲电源，所述超声波电源与所述三维超声波振动机构连接，所述超声波电源根据所述调制电路调制后的振幅信号、频率信号驱动所述三维超声波振动机构振动，从而带动工件进行三维振动，有利于在低电压线切割加工的基础上，即放电间隙非常小的情况下，及时、高效的从放电间隙中排出放电废屑和气泡，从而保证了在放电间隙非常小的情况下，线切割可以顺利进行，从而提高了线切割的加工精度。

附图说明

图1是本发明一种三维超声波协同调制微细电火花线切割加工装置的原理示意图；

图2是本发明所述三维超声波协同调制微细电火花线切割加工装置的三维超声波振动机构、机床XY轴进给装置的结构示意图；

图3是本发明所述三维超声波协同调制微细电火花线切割加工装置的三维超声波振动机构、机床XY轴进给装置的另一视角的结构示意图；

图4是图3的局部放大图A；

图5是本发明所述三维超声波协同调制微细电火花线切割加工装置的走丝单元的极间放电的控制信号图。

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。

图1至图5中的附图标号为：机床本体1；机床XY轴进给装置11；机床X轴进给机构111；机床Y轴进给机构112；三维超声波振动机构2；X轴超声波换能器21；Y轴超声波换能器22；Z轴超声波换能器23；X轴振动台24；Y轴振动台25；垫块26；X轴导轨27；Y轴滑块28；Y轴导轨29；X轴滑块210；工作台210；走丝单元3；UV轴加工单元31；电极丝32；控制单元4；放电检测单元5；伺服控制单元6；超声波电源7；调制电路8；脉冲电源9；工件10。

如图1至图4所示，一种三维超声波协同调制微细电火花线切割加工装置，包括用于向工件10进行线切割的走丝单元3、用于数字控制的控制单元4、超声波电源7、调制电路8、脉冲电源9和驱动待加工的工件10进行三维振动的三维超声波振动机构2，其中，所述脉冲电源9能够实现低电压高频脉冲放电，并且可以实现调制放电，所述走丝单元3包括用于线切割的电极丝32，所述控制单元4分别与所述脉冲电源9、超声波电源7连接，所述调制电路8串接于所述脉冲电源9、超声波电源7之间，所述脉冲电源9与所述走丝单元3连接并为所述走丝单元3的极间提供线切割加工的脉冲信号，即所述脉冲电源9分别与所述走丝单元3的阳极、阴极连接，具体为，所述脉冲电源9一端与所述走丝单元3连接，另一端与所述工件10连接，所述脉冲电源9检测所述走丝单元3的极间的放电状态并反馈给所述调制电路8，所述脉冲电源9将其脉宽信号、脉间信号反馈给所述调制电路8，所述超声波电源7将其振幅信号、频率信号反馈给所述调制电路8，所述调制电路8结合所述走丝单元3的极间的放电状态，将所述超声波电源7的振幅信号、频率信号和所述脉冲电源9的脉宽信号、脉间信号进行联合调制，所述调制电路8将调制后的振幅信号、频率信号反馈给所述超声波电源7，所述调制电路8将调制后的脉宽信号、脉间信号反馈给所述脉冲电源9，所述超声波电源7与所述三维超声波振动机构2连接，所述超声波电源7根据所述调制电路8调制后的振幅信号、频率信号驱动所述三维超声波振动机构2振动，通过所述超声波电源7调节所述三维超声波振动机构2的振幅与频率，进而驱动工件10进行三维振动。

如图2至图4所示，所述三维超声波振动机构2包括工作台211，所述工作台211上设有X轴超声波换能器21、Y轴超声波换能器22和超声波X轴进给机构，所述超声波X轴进给机构上设有X轴振动台24，所述X轴超声波换能器与所述X轴振动台24相接触，所述X轴振动台24上设有超声波Y轴进给机构，所述超声波Y轴进给机构上设有Y轴振动台25，所述Y轴超声波换能器22与所述Y轴振动台25相接触，所述Y轴振动台25上设有与待加工的工件10连接的Z轴超声波换能器23。

如图2至图4所示，所述工作台211与所述Y轴超声波换能器22之间设有垫块26，用于垫高所述Y轴超声波换能器22，所述超声波X轴进给机构包括设置在所述工作台211上的X轴导轨27和设置在所述X轴导轨27上并与其形成移动副的X轴滑块28，所述X轴滑块28与所述X轴振动台24连接，所述超声波Y轴进给机构包括设置在所述X轴振动台24上的Y轴导轨29和设置在所述Y轴导轨29上并与其形成移动副的Y轴滑块210，所述Y轴滑块210与所述Y轴振动台25连接，通过所述三维超声波振动机构2可驱动工件10产生X轴、Y轴和Z轴三维振动，有利于及时、高效的从放电间隙中排出放电废屑和气泡。

如图2至图4所示，所述三维超声波协同调制微细电火花线切割加工装置还包括机床本体1，所述机床本体1上设有机床XY轴进给装置11，所述机床XY轴进给装置11包括机床X轴进给机构111和机床Y轴进给机构112，所述机床Y轴进给机构112与所述三维超声波振动机构2的工作台211连接，用于驱动工件10进行X轴和Y轴方向的进给，所述机床X轴进给机构111与所述超声波X轴进给机构的进给方向相同，所述机床Y轴进给机构112与所述超声波Y轴进给机构的进给方向相同，其中，X轴超声波换能器21和Y轴超声波换能器22都可以独立固定于工作台211上，在X轴超声波换能器21的作用下，X轴振动台24可以产生X轴振动，在Y轴超声波换能器22的作用下，Y轴振动台25可以产生Y轴振动，在Z轴超声波换能器23的作用下，工件10可以产生Z轴振动，如果X轴超声波换能器21、Y轴超声波换能器22和Z轴超声波换能器23同时工作，则工件10可产生X轴、Y轴和Z轴三维复合振动，同理，工件10既可以进行X轴、Y轴、Z轴三维中的任一单一振动，也可以进行X轴、Y轴、Z轴三维中的任意组合而成的复合运动，并且，X轴超声波换能器21的振动与机床X轴进给机构111的运动方向一致，Y轴超声波换能器22的振动与机床Y轴进给机构112的运动方向一致，从而可根据不同的伺服运动，采用不同的振动方式，可避免电极丝31由于工件10振动现被冲断。

如图1至图4所示，所述控制单元4通过伺服控制单元6与所述机床XY轴进给装置11连接，所述伺服控制单元6驱动所述机床XY轴进给装置11进给并将其进给状态反馈给所述控制单元4，所述控制单元4根据接收到的所述机床XY轴进给装置11的进给状态通过所述超声波电源7来调整所述三维超声波振动机构2的振动状态，使所述机床XY轴进给装置11的进给方向与所述三维超声波振动机构2的振动方向相同，其中，当工件10沿X轴运动时，只驱动X轴超声波换能器21工作，即工件10只进行X轴振动；当工件10沿Y轴运动时，只驱动Y轴超声波换能器22工作，即工件10只进行Y轴振动；当UV轴加工单元31控制电极丝31产生偏角时，只驱动Z轴超声波换能器23工作，即工件10只进行Z轴振动。

如图1至图4所示，所述机床XY轴进给装置11通过放电检测单元5与所述控制单元4连接，所述放电检测单元5检测所述走丝单元3的极间的平均电压并反馈给所述控制单元4，其中，为保证加工质量，可通过放电检测单元5检测走丝单元3极间的平均电压等状态来控制电极回退。

如图1至图4所示，所述超声波电源7将其产生的超声波交变信号反馈到所述调制电路8，所述调制电路8将所述超声波电源7产生的超声波交变信号转换为所述脉冲电源9的开关信号并控制所述脉冲电源9的关断，其中，所述调制电路9将所述超声波电源7产生的超声波交变信号转换为所述脉冲电源9的开关信号，当振动使工件10与微细的电极丝31接近期间，达到放电间隙距离，满足放电条件，施加放电加工脉冲电压；当振动使工件10与微细的电极丝31远离期间，极间间隙变大，关断脉冲电压，开始消电离（当然可以实现自动关断（与超声频率有关），即工件10与电极丝31之间的距离大于放电间隙而不满足放电条件，这样可以不依靠脉冲电源9的脉宽大小，如果超声频率足够高，可以得到非常窄的脉宽，这样理论上使用的放电脉冲电源可以大脉宽方式甚至使用直流电源加工），使脉冲电源9与工件10超声振动保持相位有序同步，这样便可实现了超声波信号调制微细线切割加工脉冲电源的目的。

如图5所示，通过调制电路8产生的控制变量（频率、振幅、脉宽、脉间）传递给执行单元进而对工件10加工，其中，将X轴超声波换能器21、Y轴超声波换能器22、Z轴超声波换能器23与工件10结合，加在放电间隙的脉冲信号采用低电压（例如低于20V）放电，在电火花线切割加工过程中不断检测走丝单元3极间的放电状态，并将放电状态及时反馈给控制单元4，调制电路8通过内部控制算法及时调整超声波电源7的频率信号和振幅信号以及脉冲电源9的脉宽信号和脉间信号，从而使有效火花放电效率最高，能在一定程度提高加工质量和加工效率，可有效提高加工质量，解决低电压放电条件下电蚀产物排出困难这一技术难题，产生极小的放电间隙。

如图1至图4所示，所述超声波电源7与所述调制电路8之间串接有超声波前置放大器，所述超声波电源7的超声波交变信号通过所述超声波前置放大器反馈给所述调制电路8。

如图1至图4所示，所述超声波电源7与所述调制电路8之间串接有压电陶瓷环，所述超声波电源7的超声波交变信号通过所述压电陶瓷环反馈给所述调制电路8。

如图1至图4所示，所述走丝单元3包括UV轴加工单元31，所述走丝单元3与所述控制单元4连接，所述走丝单元3向所述控制单元4反馈其UV轴加工单元31的加工状态，所述控制单元4根据所述走丝单元3反馈的UV轴加工单元31的加工状态通过所述超声波电源7控制所述三维超声波振动机构2的振动方向。

本发明提供的一种三维超声波协同调制微细电火花线切割加工装置，所述调制电路8将调制后的振幅信号、频率信号反馈给所述超声波电源7，所述调制电路8将调制后的脉宽信号、脉间信号反馈给所述脉冲电源9，所述超声波电源7与所述三维超声波振动机构2连接，所述超声波电源7根据所述调制电路8调制后的振幅信号、频率信号驱动所述三维超声波振动机构2振动，从而带动工件10进行一维、二维或者三维振动（可根据线切割来适用不同的维数振动），有利于在低电压（例如低于20V）线切割加工的基础上，即放电间隙非常小的情况下，及时、高效的从放电间隙中排出放电废屑和气泡，从而保证了在放电间隙非常小的情况下，线切割可以顺利进行，从而提高了线切割的加工精度，并且，不会造成电极丝31的断裂，结构简单，安装方便，实现了微细精密加工的需求。

本发明提供的一种三维超声波协同调制微细电火花线切割加工装置，实现了低电压、小能量连续加工，得到较小的放电间隙，提高了加工精度、加工质量和稳定性，满足小型化和精密化产品的要求，具有重要的理论意义和工程应用价值。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。