專利名稱：用于電火花加工工件的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及按權(quán)利要求1和10的前序部分所述的用于電火花加工(funkenerosives Bearbeiten)工件的一種方法和一種裝置。
背景技術(shù)：
電火花加工時(shí)的一個(gè)主要問題在于一方面優(yōu)化加工的燒蝕功率，另一方面優(yōu)化待加工工件的表面質(zhì)量。加工過的工件應(yīng)該具有某個(gè)最終粗糙度(Endrauheit)和某個(gè)形狀精度(Formpraezision)。另外還要求在工件表面上盡可能小的熱影響區(qū)和盡可能小的電極磨損。所述邊界條件確定了加工持續(xù)的時(shí)間以及工件加工完成的成本。
在電火花加工中電火花發(fā)生器提供了能夠?qū)崿F(xiàn)燒蝕過程的、作用在工具電極和工件上的受控制的燒蝕脈沖(Erosionsimpuls)的序列。在背景技術(shù)中通常用以下種類的脈沖序列-等頻率脈沖序列(Isofrequente Impulsfolgen)，如它們例如在圖1a中所表示的那樣。那里表示了根據(jù)三個(gè)緊接著的燒蝕脈沖作用在工具電極上的電壓UFS隨時(shí)間的變化曲線。一個(gè)燒蝕脈沖的特征是電壓一直增高到一個(gè)規(guī)定的空載電壓Ui，保持恒定的空載電壓Ui持續(xù)到點(diǎn)燃該燒蝕脈沖，而在放電時(shí)(具有一個(gè)平均的放電電壓Uc)有一個(gè)電壓降，并且在電壓降到零時(shí)放電中斷。在產(chǎn)生下一個(gè)燒蝕脈沖之前，緊接著一個(gè)持續(xù)時(shí)間為ti的燒蝕脈沖是一個(gè)脈沖間隔t0。圖1b表示了附屬的、在一個(gè)燒蝕脈沖期間在工具電極上流動的電流隨時(shí)間的變化曲線IFS。這條電流變化曲線在放電時(shí)升高到一個(gè)保持恒定的平均放電值Ie并在該燒蝕脈沖結(jié)束時(shí)降到零。在等頻率脈沖序列中脈沖持續(xù)時(shí)間ti和間隔時(shí)間t0都保持恒定。點(diǎn)火延遲時(shí)間(在施加空載電壓Ui和電流升高或者空載電壓降低之間的時(shí)間)的隨機(jī)特性在這種方法中改變了對于每個(gè)電流脈沖的放電能量(放電電流同樣也保持恒定)，因此也改變了燒蝕量、相對磨損和最終粗糙度。
-等能量脈沖序列(Isoenergetische Impulsfolgen)，如它們例如在圖2a和2b中所表示的那樣，其中放電時(shí)間te和間隔時(shí)間t0都保持恒定。這里使工藝技術(shù)的結(jié)果達(dá)到較好的恒定性。等能量加工與等頻率加工相比較可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)較小的燒蝕量，這是因?yàn)橛糜诩庸さ膯挝粫r(shí)間內(nèi)的燒蝕脈沖較少。
另外在電火花加工工件的背景技術(shù)中電流脈沖的形狀通常是矩形的或梯形的。梯形的電流脈沖與矩形電流脈沖相比雖然有以下優(yōu)點(diǎn)由于在放電通道(Entladekanal)的建立階段中較小的電流密度而電極的磨損比較小，然而它也有缺點(diǎn)由于電流-時(shí)間-積分較小，因而燒蝕量就較小。
PCT(專利合作條約)公布文獻(xiàn)WO 01/32342試圖消除用梯形電流脈沖進(jìn)行加工的缺點(diǎn)，其方法是在一個(gè)預(yù)先規(guī)定的時(shí)間之后自放電開始起接通一個(gè)附加的發(fā)電機(jī)，它給該正常的電流脈沖迭加了一個(gè)很短的、高能量的三角形電流脈沖。該預(yù)先規(guī)定的時(shí)間按經(jīng)驗(yàn)求得，并用于減小電流密度并使電極磨損保持較小。盡管此處尤其在對硬金屬加工時(shí)可以加大該燒蝕量，但卻不能同時(shí)減小電極磨損，這是因?yàn)閷τ诿總€(gè)電流脈沖都有不同的條件。也就是說燒蝕過程是隨機(jī)的，因而每個(gè)電流脈沖的電流密度都跟隨于一種自身的梯度。另外利用一個(gè)附加的發(fā)電機(jī)也是費(fèi)事而昂貴的。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的任務(wù)是改善用于電火花加工工件的一種方法和一種裝置。
本發(fā)明分別用權(quán)利要求1和10的主題來解決該項(xiàng)任務(wù)。本發(fā)明的優(yōu)選方案則在從屬權(quán)利要求中進(jìn)行了說明。
根據(jù)本發(fā)明的第一個(gè)方面，提出一種用于以電火花來加工工件的方法，其中在工具電極上施加一個(gè)燒蝕脈沖。此外在燒蝕脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)檢測施加在工具電極上的電壓。最后，在求得了所測電壓的或者一個(gè)由此導(dǎo)出的值-如放電能量或者所測電壓與此時(shí)流過的電流之比值-的一種漸近特性(asymptotisches Verhalten)之后就使燒蝕脈沖中斷。
根據(jù)本發(fā)明的第二個(gè)方面，提出一種用于以電火花來加工工件的裝置，這種裝置具有一個(gè)電火花發(fā)生器，用來產(chǎn)生所要施加在工具電極上的燒蝕脈沖。電火花發(fā)生器的設(shè)計(jì)應(yīng)使它在一個(gè)施加在工具電極上的燒蝕脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)能測得施加在工具電極上的電壓。該裝置還包括有一個(gè)與電火花發(fā)生器相連的機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)使它促使該電火花發(fā)生器在已經(jīng)求得所測得電壓的或者一個(gè)由此導(dǎo)出的值-如放電功率或所測電壓與此時(shí)流過的電流之比值-的一種漸近特性之后就中斷一個(gè)燒蝕脈沖。
以下根據(jù)優(yōu)選的實(shí)施例參照附圖對于本發(fā)明以及本發(fā)明的其它特征進(jìn)行詳細(xì)闡述。圖中示出圖1按照背景技術(shù)的等頻率電流脈沖序列的一種隨時(shí)間變化的電壓曲線(圖1a)和一種附屬的隨時(shí)間變化的電流曲線(圖1b)；圖2按照背景技術(shù)的等能量電流脈沖序列的一種隨時(shí)間變化的電壓曲線(圖2a)和一種附屬的隨時(shí)間變化的電流曲線(圖2b)；圖3按照本發(fā)明的一種等幾何電流脈沖的一種隨時(shí)間變化的電壓曲線(圖3a)，一種附屬的、電壓曲線的導(dǎo)數(shù)隨時(shí)間變化的曲線(圖3b)和一種附屬的隨時(shí)間變化的電流曲線(圖3c)；圖4按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的用于中斷燒蝕脈沖的機(jī)構(gòu)的一個(gè)原理電路簡圖；圖5在圖4中所示的用于中斷燒蝕脈沖的機(jī)構(gòu)的輸出電壓隨時(shí)間變化的電壓曲線；圖6按照本發(fā)明的另外一個(gè)實(shí)施例的燒蝕脈沖的一種隨時(shí)間變化的電壓曲線，其中脈沖持續(xù)時(shí)間取決于放電持續(xù)時(shí)間和點(diǎn)火時(shí)間的延遲；圖7按照本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的一個(gè)燒蝕脈沖的一種隨時(shí)間變化的電流曲線，其中在中斷燒蝕脈沖之前電流值升高了；圖8按照背景技術(shù)的一種燒蝕脈沖的隨時(shí)間變化的電流曲線，其中用于中斷燒蝕脈沖的機(jī)構(gòu)并不與集成在電火花發(fā)生器中的電流控制機(jī)構(gòu)同步；而且圖9按照本發(fā)明的另外一個(gè)實(shí)施例的一種燒蝕脈沖的隨時(shí)間變化的電流曲線，其中用于中斷燒蝕脈沖的機(jī)構(gòu)與集成在電火花發(fā)生器中的電流控制機(jī)構(gòu)同步。
具體實(shí)施例方式
為了更好地理解本發(fā)明和為說明本發(fā)明所用的技術(shù)性概念，首先根據(jù)圖1和2來說明電火花加工的一般原理，對于按背景技術(shù)的燒蝕脈沖序列來說這些圖則表示了電壓UFS和附屬電流IFS的隨時(shí)間變化的曲線。
對工件的電火花加工以通過在一種工作介質(zhì)(介電液體)中在兩個(gè)電極(工件和工具電極)之間的放電過程而引起的導(dǎo)電材料的燒蝕為基礎(chǔ)。所述燒蝕在空間和時(shí)間上相互分開，由非穩(wěn)定的放電(火花)引起。為此將工件和工具電極如此放在工作位置上，使它們二者之間保持一個(gè)工作間隙。若在電極上施加一個(gè)電壓(以一序列燒蝕脈沖的形式)，那么在超過了工作介質(zhì)的耐壓強(qiáng)度(這是由電極距離和介電液體的導(dǎo)電能力所規(guī)定的)之后就形成了一個(gè)高能的放電間隙。合適的電火花發(fā)生器提供了對于產(chǎn)生燒蝕脈沖所必需的能量。在背景技術(shù)中則首先使用靜態(tài)的脈沖發(fā)生器。
放電時(shí)導(dǎo)致材料燒蝕的物理學(xué)過程分成三個(gè)緊接著的主要階段建立階段、放電階段和衰減階段。在以下對這三個(gè)不同階段的描述中假定燒蝕脈沖以正的電壓施加在工具電極上并使該工具電極承擔(dān)了陽極的作用。當(dāng)然本發(fā)明也應(yīng)用于其它的燒蝕過程，其中例如該工具電極施加負(fù)的燒蝕脈沖。
在建立階段時(shí)，在兩個(gè)電極之間建立起放電通道。為此由電火花發(fā)生器將一個(gè)具有一個(gè)調(diào)定了的電壓值的燒蝕脈沖施加到電極上，該電壓就是所謂的空載電壓Ui，當(dāng)還沒有電流IFS經(jīng)過該放電通道流動時(shí)，該空載電壓就在放電間隙上作為最大值而出現(xiàn)。調(diào)定的空載電壓Ui還規(guī)定了在能夠點(diǎn)燃放電時(shí)的間隙寬度。在從加上燒蝕脈沖起的所謂點(diǎn)火延遲時(shí)間期滿之后，一個(gè)電流Ie就幾乎只是在放電通道的外表面上流動，而陽極則由于電子沖擊而部分地蒸發(fā)。此處主要發(fā)生工具電極的磨損。起陽極作用的工具電極從在放電間隙的電場中得到加速的負(fù)電子吸收能量。這些電子具備相對較小的質(zhì)量，并因而在一個(gè)相對較短的時(shí)間段之內(nèi)被加速。
在放電階段由電火花發(fā)生器輸入的電能使主要是在工件上的材料產(chǎn)生熔化或蒸發(fā)。放電階段的特點(diǎn)是放電電壓與時(shí)間有關(guān)，若放電已經(jīng)點(diǎn)燃而且附屬的放電電流Ie流動了，那么在放電間隙上就出現(xiàn)放電電壓。往往規(guī)定一個(gè)平均放電電壓Ue，它取決于所使用的材料副，而且在大多數(shù)使用情況下位于15V和30V之間。放電電流Ie可以在發(fā)生器上調(diào)定到一個(gè)規(guī)定值。常常也規(guī)定一個(gè)工作電壓作為在加工期間施加在放電間隙上的電壓的算術(shù)平均值，并規(guī)定一個(gè)工作電流作為在加工期間流過放電間隙的放電電流Ie的算術(shù)平均值。工作電壓和工作電流是兩個(gè)用來調(diào)定和監(jiān)測燒蝕過程的測量值。放電能量是在放電時(shí)在放電間隙中所轉(zhuǎn)換的能量。通過這種能量就確定了各個(gè)放電的總量，而且也還基本上確定了燒蝕表面的構(gòu)成。
衰減階段隨著放電電流Ie的切斷而開始。等離子通道(Plasmakanal)破碎，而部分蒸發(fā)、部分為流體的材料就被拋出。在用正的極性加工時(shí)因此主要在衰減階段發(fā)生材料的燒蝕。
對于一個(gè)良好的燒蝕過程來說還必須在工作間隙中創(chuàng)造放電條件，該放電條件盡可能排除出現(xiàn)短路、誤放電和空載脈沖。對于用于電火花加工的其它詳細(xì)細(xì)節(jié)可參見Wilfried Knig-FritzKlocke的“加工方法，燒蝕和發(fā)生(Fertigungsverfahren，Abtragenund Generieren)”，Springer出版社，國際標(biāo)準(zhǔn)圖書編號3-540-63201-8。
確切地說根據(jù)圖3對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的說明，其中圖3a表示了一個(gè)燒蝕脈沖的電壓UFS的隨時(shí)間變化曲線，圖3b表示了圖3a中所示的放電階段持續(xù)時(shí)間的電壓變化曲線對時(shí)間的導(dǎo)數(shù)-dvFS/dt的附屬變化曲線(在空載電壓Ui降到放電電壓Ue之后)，圖3c表示了附屬的流動到工具電極上的電流IFS的隨時(shí)間變化的曲線。
眾所周知，由放電等離子體所引起的在陽極和陰極上的放電凹坑(Entladekrater)在放電持續(xù)時(shí)間te延長時(shí)就變大。在一定時(shí)間之后，在陰極上該等離子體最低點(diǎn)(Plasmafusspunkt)甚至開始移動到陰極表面上并引起較小的二次凹坑(Sekundaerkrater)(見ArndKarden所著“用提高生產(chǎn)率的電極材料和工作介質(zhì)的電火花下沉加工(Funkenerosive Senkbearbeitung mit LeistungssteigerndenElektrodenwerkstoffen und Arbeitsmedien)”卷2/2001，Shaker出版社，國際標(biāo)準(zhǔn)圖書編號3-8265-8392-2)。所加工的工件表面的粗糙度相應(yīng)于火花最低點(diǎn)(Funkenfusspunkt)的半徑(Daryl diBitonto el al.)?！盁g加工過程的理論模型(Theoretical modelsof the electrical discharge machining process)”，“I.一種簡單的陰極燒蝕模型(I.A Simple cathode erosion model)”和“II.陽極燒蝕模型(II.The anode erosion model)”應(yīng)用物理雜志(Journal of Applied physics)，第66卷，1989年9號刊，第4095-4111頁)。
由于在延長放電持續(xù)時(shí)間te時(shí)加大了電火花最低點(diǎn)的直徑因而就減少了等離子體通道中的電流密度，并因而減小了在工具電極和工件之間的放電電壓(見Matthias Timm的“用于電火花切割導(dǎo)電性能差的材料的電子電源(Elektronische Stromquelle fuer dasfunkenerosive Schneiden von elektrisch schlecht leitfaehigenWerkstoffen)”，Otto-von-Guericke-大學(xué)，馬德堡，1996，博士論文，第30頁)。
發(fā)明人已經(jīng)獲知可以由放電電壓Ue導(dǎo)出，在什么時(shí)刻電火花最低點(diǎn)的直徑不再擴(kuò)大了，這是因?yàn)樵谳斎氲哪芰亢蛷娜刍陌肭蜉敵鲋凉ぜ械臒崮苤g達(dá)到了一種熱平衡。他們還認(rèn)識到放電脈沖不必更長地繼續(xù)下去，這是因?yàn)閺倪@個(gè)時(shí)刻起就已達(dá)到了所希望的粗糙度了。若放電電壓Ue具有一種漸近的特性，那就正好達(dá)到了這個(gè)時(shí)刻。如果放電電流Ie保持恒定，那么該漸近的特性就是一種基本上隨時(shí)間恒定變化的放電電壓Ue。若放電電流Ie不恒定，那么放電電壓Ue的漸近特性與放電電流Ie的時(shí)間變化曲線有關(guān)。舉例來說當(dāng)放電電流Ie隨時(shí)間而線性提高，那么該放電電壓Ue的漸近特性同樣也隨時(shí)間呈線性提高，但一般具有不同的斜率。在某些情況下可以更簡單地由一個(gè)另外的、由放電電壓Ue所導(dǎo)出的數(shù)值來求得漸近特性。
這種所導(dǎo)出的數(shù)值例如可以是放電功率，它可以由單位時(shí)間測得的放電電壓Ue和單位時(shí)間流過的放電電流Ie的乘積來確定。它也可以是一個(gè)數(shù)值，該數(shù)值通過單位時(shí)間測得的放電電壓Ue除以單位時(shí)間流過的放電電流Ie來推導(dǎo)出。總之此處所用的概念“漸近特性”是指假定放電電壓Ue(或?qū)С龅臄?shù)值大小，如放電功率)處于平衡，此時(shí)瞬時(shí)流動的放電電流為Ie時(shí)凹坑直徑基本認(rèn)為是一個(gè)最大值時(shí)的那種特性。當(dāng)然有一個(gè)最大的凹坑直徑以及還有一個(gè)對應(yīng)的放電電壓Ue屬于每一個(gè)放電電流Ie，該放電電壓在一定條件下才延遲出現(xiàn)。因而當(dāng)放電電流Ie隨時(shí)間而變化時(shí)所述漸近特性也可以是一種任意“復(fù)雜”的隨時(shí)間而變化的特性，也就是說并不限于一個(gè)漸近值或者一種漸近線(直線)。
在圖3a-c中用點(diǎn)劃的垂直線標(biāo)出了放電電壓Ue有一個(gè)漸近特性時(shí)的時(shí)刻。對于一個(gè)恒定的放電電流Ie來說，該漸近特性如上所述就是一種隨時(shí)間恒定的放電電壓Ue。這種隨時(shí)間的恒定常數(shù)例如可以通過間隙電壓UFS(或者放電電壓Ue)對時(shí)間的求導(dǎo)-dVFS/dt來求得，所求導(dǎo)數(shù)在漸近特性時(shí)基本上等于零(或者小于一個(gè)規(guī)定的閾值)。緊挨著該對時(shí)間的導(dǎo)數(shù)小于一個(gè)規(guī)定的閾值的時(shí)刻之前，在圖3中還標(biāo)出了另外一個(gè)時(shí)刻作為實(shí)線的垂直線，由這個(gè)時(shí)刻起放電電壓Ue的對時(shí)間導(dǎo)數(shù)-dVFS/dt則迅速下降(這個(gè)時(shí)刻也可以用來確定達(dá)到了放電電壓Ue的漸近特性)。
對于一種銅/鋼副(工具電極/工件)來說，放電電壓Ue的漸近值例如為24V左右。但這個(gè)值并不等同于對所有的放電脈沖和工具電極/工件副，這是因?yàn)樵跓g間隙上的電壓降例如取決于放電電流Ie和電極幾何特性。此外一種燒蝕過程的已知特性是其大部分為隨機(jī)的特性，該特性取決于在工作間隙中不斷變化的物理關(guān)系。
當(dāng)放電電流Ie隨時(shí)間的變化曲線比較復(fù)雜時(shí)，可以用其它的由放電電壓Ue或放電能量所導(dǎo)出的數(shù)值來求得達(dá)到一個(gè)漸近的特性。當(dāng)放電電流Ie線性變化時(shí)例如可以監(jiān)測什么時(shí)候該放電電壓Ue的第二個(gè)對時(shí)間的導(dǎo)數(shù)降到一個(gè)規(guī)定閾值之下(放電電壓Ue的隨時(shí)間變化曲線的曲率也就是說基本上接近零或者曲線隨時(shí)間呈線性變化)。
由放電脈沖所必需的用于達(dá)到這個(gè)狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間并不是恒定的，這是因?yàn)榉烹娺_(dá)到一個(gè)規(guī)定的火花最低點(diǎn)直徑所用的速度取決于間隙中宏觀的狀況以及取決于放電間隙內(nèi)的局部幾何特征。如果例如由前面的電火花放電遺留下局部短時(shí)間熔化的材料，而且在前面放電的附近進(jìn)行新的放電，那么花費(fèi)較小的能量和時(shí)間，以便達(dá)到所希望的直徑。
最好在充分利用上述認(rèn)識的基礎(chǔ)上對燒蝕過程進(jìn)行如下優(yōu)化首先借助于對(最好是保持恒定的)放電電流Ie的規(guī)定值根據(jù)經(jīng)驗(yàn)的測量來求得附屬的表面粗糙度，該表面粗糙度在放電電壓Ue變成漸近的每個(gè)時(shí)刻都可以達(dá)到的。放電電流Ie和表面粗糙度這些數(shù)值對作為工藝參數(shù)存儲在電火花發(fā)生器中，以便在以后調(diào)用一個(gè)所要實(shí)現(xiàn)的表面粗糙度時(shí)，就能夠求出附屬的要由電火花發(fā)生器調(diào)定的放電電流Ie。
在工件加工期間對于每個(gè)加工步驟都要編制燒蝕脈沖的序列，這種脈沖具有一個(gè)規(guī)定的放電電流Ie，它用于實(shí)現(xiàn)一種希望的加工粗糙度。對于每個(gè)放電脈沖可以使放電電流Ie一直流動到求得放電電壓Ue的一種漸近特性為止。在這個(gè)時(shí)刻電流密度和電極磨損是最小的。接著或者中斷放電脈沖，或者在中斷之前如以下所述那樣進(jìn)行(提高放電電流Ie)。在這種燒蝕脈沖時(shí)還可以優(yōu)先地使放電持續(xù)時(shí)間(在放電電流Ie提高時(shí)開始放電直至達(dá)到放電電壓Ue的漸近特性)提高一個(gè)安全系數(shù)。在有適應(yīng)性的放電持續(xù)時(shí)間的這樣所得的燒蝕脈沖中就可以談及等幾何特性的脈沖序列，因?yàn)榘伎拥膸缀翁匦允呛愣ǖ摹?br>
在燒蝕脈沖中斷之后電火花發(fā)生器插入了一個(gè)脈沖間隔，該脈沖間隔最好與所經(jīng)過的放電持續(xù)時(shí)間成正比。這個(gè)脈沖間隔特別優(yōu)選地是以前的燒蝕脈沖的放電持續(xù)時(shí)間和點(diǎn)火延遲時(shí)間的一個(gè)函數(shù)。這個(gè)函數(shù)可以這樣來選擇使得當(dāng)以前的燒蝕脈沖的點(diǎn)火延遲時(shí)間大于一個(gè)下閾值時(shí)，該脈沖間隔就正比于放電持續(xù)時(shí)間；而當(dāng)點(diǎn)火延遲時(shí)間小于該下閾值時(shí)，它是一個(gè)恒定值。圖6表示了三個(gè)脈沖間隔20、21、22，它們的持續(xù)時(shí)間t0正比于前面的放電持續(xù)時(shí)間te。圖6中所表示的間隔23持續(xù)時(shí)間為t0，它例如大致等于間隔20、21和22中的最長的間隔22。因此間隔23選得例如大于間隔20和21，這是因?yàn)楫?dāng)點(diǎn)火延遲時(shí)間太小時(shí)工件材料在蒸發(fā)之后往往沒有完全地重新硬化。這可以導(dǎo)致電極的金屬化，而且存在有產(chǎn)生電弧的危險(xiǎn)。
為了最佳地調(diào)定間隔時(shí)間，可以應(yīng)用一種具有模糊邏輯(fuzzyLogic)的系統(tǒng)或者一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它除了所述的輸入?yún)?shù)(點(diǎn)火延遲時(shí)間、放電持續(xù)時(shí)間te)以外還考慮到其它的輸入?yún)?shù)(例如間隙的導(dǎo)電性、短路頻度、工藝過程的不穩(wěn)定性、放電時(shí)的高頻比率等等)用于計(jì)算間隔時(shí)間，這是因?yàn)樵谒龅妮斎雲(yún)?shù)和間隔時(shí)間之間并不存在簡單的相互關(guān)系。為此要參考有關(guān)的文獻(xiàn)，例如Dirk F.Dauw的博士論文“電火花加工的在線鑒別和優(yōu)化(OnlineIdentification and Optimization of Electro-DischargeMachining)”，洛文教會大學(xué)(Katholieke Universiteit Leuven)的博士論文，1985。
用上述措施就保證了每個(gè)放電脈沖只要持續(xù)所需要的時(shí)間長短，而且每單位時(shí)間中的燒蝕脈沖數(shù)量、以及因此燒蝕量都進(jìn)行了優(yōu)化。在工具電極磨損減小時(shí)一個(gè)較高的燒蝕速度是有利的，總之是每個(gè)燒蝕脈沖有較高的材料燒蝕量，而并不加大表面粗糙度，并不惡化其它的規(guī)定質(zhì)量的加工特征(例如電極磨損、表面質(zhì)量、尺寸下限等等)。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于間隙寬度保持得相對較小，并因此更早地達(dá)到所要求的質(zhì)量目標(biāo)。此外有利的是由于在放電時(shí)的熱負(fù)載而受到損傷的表面層變得更小了。
所述措施可以優(yōu)選地既用于粗加工也用于精加工。
可以應(yīng)用一種特別的電流脈沖作為其它措施，該電流脈沖緊接著在脈沖結(jié)束之前短時(shí)地提高脈沖的電流振幅，從而當(dāng)?shù)入x子體通道破碎時(shí)更好地將陰極側(cè)的熔池拋出去，并加強(qiáng)清洗作用的效率。此外在放電脈沖終止處電流的增高阻止了工件上熔化狀態(tài)的一種可能的重新硬化，而且該熱損傷的邊緣層變得更小。因此整個(gè)加工時(shí)間變得更短了，這是因?yàn)樵诰o隨的精加工中用于去除該表層所必須花費(fèi)的時(shí)間更少了。這樣一種電流脈沖在圖7中簡要示出，其中在達(dá)到放電電壓的漸近特性時(shí)在一個(gè)規(guī)定的持續(xù)時(shí)間內(nèi)將電火花發(fā)生器的放電電流Ie提高至一個(gè)電流值，該電流值要大于放電時(shí)(也就是在達(dá)到放電電壓的漸近特性之前)的放電電流Ie。這個(gè)提高的電流值與“正常的”放電電流的比值可以根據(jù)所要達(dá)到的結(jié)果來調(diào)定。
此外放電電流的電流脈沖最好在開始時(shí)有一個(gè)電流密度的慢慢升高的脈沖波前(Flanke)(見圖7中的電流脈沖)，這個(gè)脈沖波前在放電階段或者在建立階段的終結(jié)處限制了電極磨損(為此例如可見US 5,187,341，其公開內(nèi)容這里通過參考而被接收，而且結(jié)束處是一個(gè)盡可能陡地降落的脈沖波前)。
現(xiàn)代的電火花發(fā)生器例如在US 5,280,153中作了描述的那樣用發(fā)出脈沖的技術(shù)(getaktete Technik)來實(shí)現(xiàn)。一個(gè)唯一的發(fā)生器因此既可以在電流脈沖開始時(shí)提供緩慢增高的電流脈沖波前，也可以在結(jié)束時(shí)提供電流的升高，而在硬件上卻不需要附加的費(fèi)用，這是因?yàn)閷﹄娏髅}沖形式的控制最好在一個(gè)場可編程門脈沖陣列FPGA(Field Programmable Gate Array)中執(zhí)行。
由于放電電流Ie常常通過接入和斷開晶體管來進(jìn)行調(diào)節(jié)，這些晶體管使放電電流Ie保持在一個(gè)規(guī)定的下包絡(luò)線和一個(gè)規(guī)定的上包絡(luò)線之間，因而產(chǎn)生一個(gè)電流脈沖，它具有一種如在圖7至9中所示的那樣具有特征的電流脈動性。電流脈動性脈沖波前的陡度在通常情況下并不選得過大，以便使開關(guān)頻率保持得盡可能低。如上所述那樣，降落的電流脈沖波前應(yīng)該在電流脈沖結(jié)束處盡可能地陡，以便使材料燒蝕量達(dá)到最大化并有利于清洗作用。因此電火花發(fā)生器的設(shè)計(jì)應(yīng)使脈沖終端在每個(gè)時(shí)刻都能夠引入，在這個(gè)時(shí)刻如圖9所示電流振幅為最大。因此就保證了脈沖波前在其整個(gè)曲線上盡可能陡地延伸。根據(jù)與圖8的比較這就更明顯了，圖8表示了一個(gè)相反的例子，它沒有這種專門設(shè)計(jì)的電火花發(fā)生器。那是當(dāng)電流振幅較低時(shí)就斷開該電流脈沖。若考察圖8中該整個(gè)降落的電流脈沖波前的話，那么這個(gè)脈沖波前從一個(gè)平坦的部段開始，并且只有在某一個(gè)時(shí)間持續(xù)段之后(它對應(yīng)于電流波動性的一半的周期持續(xù)時(shí)間)以該陡的部段終止。這種不利的情況只導(dǎo)致了較小的清洗作用。然而良好的清洗作用是必需要的，用以較少剛性和脆性地在燒蝕工藝過程中、在工件表面上形成由于熱負(fù)荷而產(chǎn)生的所謂白色層。原則上來說，剛性和脆性的白色層降低了工件表面的質(zhì)量，并因而例如降低用電火花法制造的沖頭工具的使用壽命。
提高電流和保證陡的降落脈沖波前-這兩項(xiàng)措施當(dāng)然可以組合起來。
圖4表示了按照本發(fā)明的一種優(yōu)選的實(shí)施例的一種用于適應(yīng)地中斷電流脈沖的機(jī)構(gòu)的原理電路簡圖，該機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)用于檢測放電電壓Ue達(dá)到其漸近特性時(shí)的時(shí)刻。這種機(jī)構(gòu)從功能上集成在一個(gè)電火花發(fā)生器中，正如它例如在US 5,280,153中所描述的那樣，該專利的公開內(nèi)容通過參照而被在此處引用。該機(jī)構(gòu)包括有一個(gè)衰減構(gòu)件10，它獲得通常由電火花發(fā)生器所檢測到的間隙電壓UFS(相應(yīng)于放電電壓Ue)作為輸入信號，并使這個(gè)電壓輸出例如衰減20倍。衰減的電壓然后分別由兩個(gè)并聯(lián)的低通濾波器11和12進(jìn)行濾波，其中低通濾波器12的時(shí)間常數(shù)大于低通濾波器11的時(shí)間常數(shù)。
低通濾波器11和12的輸出信號在點(diǎn)火延遲時(shí)間內(nèi)被限制到一個(gè)最大值(該最大值例如可以對應(yīng)于一個(gè)40V的間隙電壓)。為此低通濾波器接收另外一個(gè)控制信號作為輸入信號，例如由電火花發(fā)生器所產(chǎn)生的信號“放電”，它在點(diǎn)火延遲時(shí)間內(nèi)有一個(gè)邏輯的低電平，而在放電時(shí)間te內(nèi)(也就是說在放電電流流動時(shí))則有一個(gè)邏輯的高電平。該控制信號的增高的脈沖波前可以通過一個(gè)延遲構(gòu)件而稍有延遲，以便使它例如對應(yīng)于那個(gè)放電電流Ie已經(jīng)有一個(gè)與零不同的值(例如調(diào)定的最大放電電流Ie的半值或者就是最大值)的時(shí)刻。相應(yīng)地也可以直接由放電電流Ie求出電火花發(fā)生器的控制信號，例如何時(shí)該電流達(dá)到其最大值的一半或就是最大值。
低通濾波器11和12提供了在圖5a中所示的輸出信號A和B(上水平線表示了上面所述的最大值)。信號A表示了此時(shí)的放電電壓Ue，在該放電電壓時(shí)通過相應(yīng)地調(diào)定低通濾波器11的時(shí)間常數(shù)只是已經(jīng)消除了噪聲。通過相應(yīng)地調(diào)定低通濾波器12的時(shí)間常數(shù)，該信號B是信號A的一個(gè)強(qiáng)烈濾過波的變型，在該信號A中首先這些過渡部位具有一個(gè)平緩的變化曲線。兩個(gè)信號A和B在一個(gè)運(yùn)算放大器13中減去，該放大器則輸出一個(gè)在圖5b中所示的信號C。在放電階段中其變化曲線基本上對應(yīng)于凹坑擴(kuò)展的梯度。在空載時(shí)間內(nèi)，信號C在達(dá)到空載電壓時(shí)以及在緊隨著的電壓降時(shí)具有脈沖尖峰。然后將信號C在一個(gè)比較器15中與一個(gè)由閾值存儲器14所提供的閾值參照地進(jìn)行比較。比較器15提供一個(gè)在圖5c中所表示的輸出信號D。信號D有一個(gè)邏輯的低電平，如果信號C參照地超過該閾值，并且在相反情況下有一個(gè)邏輯的高電平(圖5c并不表示邏輯的高電平，信號D本來在點(diǎn)火延遲時(shí)間內(nèi)也采用該電平；在一定條件下這個(gè)電平可能已在比較器15中受到了抑制，其方法是此電平也得到了控制信號“放電”作為輸入信號，并使其輸出保持在一個(gè)邏輯的低電平上，如果控制信號“放電”處于一個(gè)邏輯的低電平的話)。信號D被輸入給一個(gè)“與”門16，它作為另外的輸入得到了電火花發(fā)生器的控制信號“放電”。如果發(fā)生放電并且有一個(gè)放電電流Ie流動的話，那么信號“放電”(如上所述)就在一個(gè)邏輯高電平上?！芭c”門16提供一個(gè)輸出信號E，它具有一個(gè)從邏輯低電平至邏輯高電平增高的脈沖波前，它表明了已經(jīng)達(dá)到了放電電壓Ue的漸近特性；并且還具有從邏輯高電平至邏輯低電平而降低的脈沖波前，它表明放電已結(jié)束了。
這種專門的對電流脈沖的切斷在模擬技術(shù)中是可以很方便地實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)然它也可以在數(shù)字技術(shù)中實(shí)現(xiàn)，其方法是對其各個(gè)組成部分的上述功能例如在一個(gè)所謂FPGA-組件(場可編程門脈沖陣列，例如Xilinx公司的，2011 Logic Drive，SonJose，CA 95124)中進(jìn)行編碼?？蛇x擇的是，也可以考慮用于求出何時(shí)達(dá)到了放電電壓Ue的漸近特性的時(shí)刻的其它的電路變型方案。例如一個(gè)簡單的相應(yīng)地調(diào)整過的高通濾波器在放電期間被輸入了放電電壓Ue作為輸入?yún)?shù)，該高通濾波器可以在達(dá)到放電電壓Ue的一個(gè)近似的隨時(shí)間恒定的變化曲線時(shí)提供一個(gè)顯著的輸出值。
該總的放電持續(xù)時(shí)間，其開始用“放電”信號的一個(gè)升高的脈沖波前來指明，而其結(jié)束則用信號E的一個(gè)升高的脈沖波前來指明，這個(gè)放電持續(xù)時(shí)間可以優(yōu)選地用來通過當(dāng)前的燒蝕加工來推導(dǎo)出其它的信息(若放電持續(xù)時(shí)間短，那么例如只燒蝕一個(gè)頂尖部，等等)并在必要時(shí)根據(jù)所求得的放電持續(xù)時(shí)間來調(diào)定其它的電火花參數(shù)。
權(quán)利要求
1.借助于一個(gè)工具電極對一個(gè)工件進(jìn)行電火花加工的方法，其中-將一個(gè)燒蝕脈沖施加在該工具電極上，-在燒蝕脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)檢測施加在工具電極上的電壓(Ue)，其特征在于，-在求得了所檢測的電壓(Ue)的或一個(gè)由此導(dǎo)出的數(shù)值—如放電功率或者所檢測的電壓與此時(shí)流過的電流之比值—的漸近特性之后，使燒蝕脈沖中斷。
2.按權(quán)利要求1所述的方法，其中至少在燒蝕脈沖持續(xù)時(shí)間的一部分之內(nèi)、在放電時(shí)流動到工具電極上的一個(gè)放電電流(Ie)被控制到一個(gè)恒定的值，并且測出漸近特性作為所檢測的電壓(Ue)的時(shí)間導(dǎo)數(shù)低于一個(gè)給定(參照的)閾值的時(shí)刻。
3.按權(quán)利要求2所述的方法，其中求出一個(gè)放電的開始，并在中斷燒蝕脈沖之后加入一個(gè)具有一個(gè)第一持續(xù)時(shí)間(t0)的脈沖間隔，該間隔取決于一個(gè)第二持續(xù)時(shí)間(te)，該第二持續(xù)時(shí)間規(guī)定為在前面的燒蝕脈沖中在放電開始與求出漸近特性之間的時(shí)間。
4.按權(quán)利要求3所述的方法，其中第一持續(xù)時(shí)間(t0)正比于第二持續(xù)時(shí)間(te)。
5.按權(quán)利要求3或4所述的方法，其中第一持續(xù)時(shí)間(t0)還與一個(gè)點(diǎn)火延遲時(shí)間(ti)有關(guān)，所述點(diǎn)火延遲時(shí)間規(guī)定為在施加燒蝕脈沖至放電開始之前的時(shí)間。
6.按權(quán)利要求5所述的方法，其中第一持續(xù)時(shí)間(t0)與點(diǎn)火延遲時(shí)間(ti)有關(guān)，從而只要該點(diǎn)火延遲時(shí)間(ti)低于一個(gè)第二閾值，那么該點(diǎn)火延遲時(shí)間就有一個(gè)最小值。
7.按上述權(quán)利要求之一所述的方法，其中這樣來控制在一個(gè)燒蝕脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)、在放電時(shí)在工具電極上流動的放電電流(Ie)，使得該放電電流在一個(gè)第三持續(xù)時(shí)間內(nèi)、也就是在求出漸近特性之后開始的并隨燒蝕脈沖的中斷而結(jié)束的時(shí)間內(nèi)提高到一個(gè)規(guī)定的電流值處。
8.按上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中，在放電時(shí)在一個(gè)燒蝕脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)在工具電極上流動的放電電流(Ie)借助于一個(gè)給定的上包絡(luò)線和一個(gè)下包絡(luò)線來進(jìn)行控制，從而使所述放電電流在這兩條包絡(luò)線之間上升并下降，其中使燒蝕脈沖在放電電流(Ie)的電流值為最大的時(shí)刻中斷。
9.按權(quán)利要求2至8中任一項(xiàng)所述的方法，其中，其它的燒蝕參數(shù)根據(jù)第二持續(xù)時(shí)間(te)來調(diào)節(jié)，這個(gè)時(shí)間規(guī)定為在前面的燒蝕脈沖中從放電開始至求出漸近特性之間的時(shí)間。
10.用于對工件進(jìn)行電火花加工的裝置，該裝置具有一個(gè)用于產(chǎn)生要施加在工具電極上的燒蝕脈沖的電火花發(fā)生器，該電火花發(fā)生器應(yīng)如此設(shè)計(jì)使得它在一個(gè)施加在工具電極上的燒蝕脈沖的持續(xù)時(shí)間內(nèi)檢測到施加在工具電極上的電壓(Ue)，其特征在于一種與電火花發(fā)生器相連接的機(jī)構(gòu)(10-16)，該機(jī)構(gòu)如此設(shè)計(jì)使得它在求得了所檢測的電壓(Ue)的或者一個(gè)由此導(dǎo)出的值—如放電功率或檢測到的電壓與此時(shí)流動的電流的比例關(guān)系—的一種漸近特性之后，就使該電火花發(fā)生器中斷一個(gè)燒蝕脈沖。
11.按權(quán)利要求10所述的裝置，其中這樣設(shè)計(jì)電火花發(fā)生器，使得該電火花發(fā)生器求出一個(gè)放電的開始并在燒蝕脈沖中斷之后加入一個(gè)具有一個(gè)第一持續(xù)時(shí)間(t0)的脈沖間隔，該第一持續(xù)時(shí)間取決于一個(gè)第二持續(xù)時(shí)間(ti)，該第二持續(xù)時(shí)間規(guī)定為在以前的燒蝕脈沖中從放電開始到求出漸近特性之間的時(shí)間。
12.按權(quán)利要求10或11所述的裝置，其中這樣來設(shè)計(jì)該電火花發(fā)生器，使得該電火花發(fā)生器這樣控制在一個(gè)燒蝕脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)在放電時(shí)在工具電極上流動的放電電流(Ie)，使得該放電電流在一個(gè)第三持續(xù)時(shí)間內(nèi)提高到一個(gè)預(yù)先規(guī)定的電流值處，該第三持續(xù)時(shí)間在求出漸近特性后開始并隨同中斷燒蝕脈沖而結(jié)束。
13.按權(quán)利要求10至12中任一項(xiàng)所述的裝置，其中這樣來設(shè)計(jì)該電火花發(fā)生器，使得該電火花發(fā)生器能借助于規(guī)定的一個(gè)上包絡(luò)線和一個(gè)下包絡(luò)線來控制所述在燒蝕脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)在放電時(shí)在工具電極上流動的放電電流(Ie)，從而使放電電流(Ie)在這些包絡(luò)線之間上升和下降；而且使該電火花發(fā)生器在放電電流(Ie)的電流值為最大的時(shí)刻中斷該燒蝕脈沖。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于電火花加工工件的一種方法和一種裝置。此時(shí)在工具電極上施加一個(gè)燒蝕脈沖。在燒蝕脈沖持續(xù)期間內(nèi)還檢測施加在工具電極上的電壓(U
文檔編號B23H1/02GK1533858SQ200410032349
公開日2004年10月6日 申請日期2004年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月2日
發(fā)明者M·博卡多羅, R·克納爾克, S·博尼尼, M 博卡多羅, 啥, 崮 申請人:阿杰公司