往複（fù）走絲電火花線切割加工技術發展瓶頸及研究思路（lù）-特種加工機床網-數控機床市場網

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往複走絲電火花線切割加工技（jì）術發展瓶頸及研（yán）究思路

2016-12-21 來（lái）源：南京（jīng）航空航（háng）天大學機電學院（yuàn）作（zuò）者：劉誌東

摘要：分析了當前往複（fù）走絲電火花線切割機（jī）床在高效切割、解決絲耗、導絲定位等方麵遇到（dào）的技術瓶頸（jǐng），提出了相應的解決思（sī）路。對於高效切（qiē）割，關鍵問題是要（yào）解決大電（diàn）流加（jiā）工條件（jiàn）下工（gōng）作液（yè）在極間迅速（sù）汽化的問題；對於（yú）絲耗問題，提出（chū）了一種往（wǎng）複走絲漸進送絲的新走絲方式；對於電（diàn）極絲導絲問題，認為采用非強製間隙（xì）約束方式是導絲（sī）器的發展方式。

關鍵詞：往複走絲；電火花線切割加（jiā）工；發展瓶頸；研究思路

具有中國自主知識產權的往複走絲電火花線切割機（jī）床自20 世紀70 年代步入市場後，以其很高的性價比為模具加工市場所接受，目前（qián）已成為機械加工領域不可替代的加工手段，且（qiě）其應用領（lǐng）域在不斷拓展，技術水平也在不斷提（tí）升，並（bìng）正在逐步為世界各國所接（jiē）受[1，2]。近十幾年來，伴隨（suí）著具有多次（cì）切割功能的往（wǎng）複走絲電（diàn）火花線切割機（jī）床（俗稱“中走絲線切割機床”）的發展，往複走絲線切割加（jiā）工技術獲得了長足的進步，但由於其自身的加工特點，目前遇到了如（rú）高效切割、電極絲損耗處理及導絲持久性等一係列技術瓶頸。本文的目（mù）的在於針對這（zhè）些問題，從放電加工機理方麵（miàn）加以分析，為業內的研究人員提（tí）供（gòng）一個解決問題的參考思路。

1.往（wǎng）複走絲的“非對稱性”加工特點

往複走絲電火花線切割加工雖然冠以（yǐ）往複的名（míng）稱，但在往複走絲的加工過程中，由於受（shòu）到重力的作用，從微觀角度而言，其加工過（guò）程中的冷卻、排屑及消電離均（jun1）是非對稱過程，因此其加工始（shǐ）終是（shì）“非對稱（chēng）”的，也即走絲形式上的對稱由於遭遇到重力的（de）影響而被改變，從而顯示出了正反向走絲時各自差異的特性。這（zhè）種“非對稱”的（de）特征在高效、小參數精加工及（jí）高厚度切割時體（tǐ）現的（de）尤為明顯，主要體現在切割表麵在（zài）工件的上下端麵表麵質量包括燒傷情（qíng）況（圖1）不同（tóng）甚（shèn）至會影響到切割（gē）的精度；在正反走絲（sī）時（shí）也會因為切（qiē）割穩定性不同導致進給速度的不同；切割過程中電極絲張力（lì）會逐漸出現單（dān）邊鬆絲[3]等問題。因此在細化研究往複走絲切割時，應該針對其“非對稱”加工的觀點，通過改變正反向走絲（sī）時的高頻電（diàn）源參數、伺服跟蹤速度、走（zǒu）絲速度等來達到提高正反走絲加工工（gōng）藝指標均勻性和一致性的目的，如果（guǒ）再考慮到切割方向不同（tóng）導致的因導輪對電極絲定位的影響，這個問題（tí）將更加複雜。

2.往複走絲的技術（shù）瓶（píng）頸問題

2.1 高效穩（wěn）定切（qiē）割

往複走絲電火花線切割加工（gōng）的工藝指標尤其是切割效率在解決了極間冷（lěng）卻的指導思（sī）想、經曆了從20 世紀80 年代（dài）至21 世紀初的沉寂後，目前已（yǐ）有了質的提高。但由於其自身往複走絲（sī）的特（tè）點，使其切割精（jīng）度不可（kě）能與單向走絲（sī）電火花線切割加工進行最終的抗衡，其良好（hǎo）性價比的一個重要體現在於能進行高（gāo）效（xiào）、長期穩定的切割加工（gōng），尤其體現在高厚度（dù）切割方麵（miàn），因此對於往複走絲線（xiàn）切割加工而言，切割效率的提高（gāo）及持（chí）久性是一個（gè）永恒的話題。往複走絲（sī）線切割加工效率方麵的研究重點可分為兩方麵：其一是提高（gāo）實用（yòng）的、持續穩定的切割效率，目前持續穩定的效率已（yǐ）達120~140 mm2/min，今後努力的目標希望（wàng）能達到160~180 mm2/min，且對於150 mm 以上厚度（dù）的工（gōng）件也同樣適用；其二是提高最高切割效率，目前采用智能脈衝（chōng）電源，配合複合工作液，最大切割效率已達300 mm2/min。上述指標已接近或達到中檔單向走絲線切割加工的一（yī）般效率要求，但運行成本僅僅是單（dān）向走絲線切割加工的幾十分之一甚至百分之一[4]，因此在中小（xiǎo）批量零（líng）件的切割生（shēng）產中具有（yǒu）十分明（míng）顯的優勢。

但必須注意的是：往複走絲線切（qiē）割加工當切（qiē）割效率超過150 mm2/min 後，工件表（biǎo）麵將逐（zhú）漸（jiàn）產生嚴重的交叉燒傷痕跡，其最根本的原因還是高效切割時極間放電狀況（kuàng）惡化所致。圖2a 為極間有充足工作液的切割示意及工件切割後表（biǎo）麵情況，此時切割表麵色澤基本均勻，但如持續增加（jiā）放電能量（平均加工電流>6 A）至效率超過150 mm2/min 後，切割效率隨著放電能量的增（zēng）加將上升十分緩慢（màn），而工件表麵燒傷則更嚴重，且電（diàn）極絲斷絲幾率大大升高（圖2b）。此時導致切割效率的提高又遇到另一（yī）個瓶頸。工件表麵出現嚴重的交叉燒傷痕跡，說明極間處於十分惡劣的放電狀態，其主要問題在於隨著放電能量的增加，放電形成的熱量將使得電極絲帶入切縫（單邊（biān）放電間隙約0.01~0.02 mm）的有限工作介質（zhì）瞬間汽化，導致極間（jiān）尤其是在電極絲出口區域處於工作介質（zhì）很（hěn）少甚至無（wú）工作介質狀態，致使（shǐ）該區域的冷卻、洗滌、排屑及（jí）消電離狀態惡化。由於工件和電極絲在該區域得不到及時的冷卻（què），造成排屑困難，從而使工件表麵產生嚴重燒傷且斷絲的（de）幾率大大（dà）增加（jiā）。在此種加工條件下，任何對於高頻電源的改進措施及伺服控製策略對於切割（gē）工藝指標的提高都將收效甚（shèn）微，因為此時最關鍵問題已轉化為極（jí）間（jiān）放電狀態的惡化及（jí）不穩定，所以如何能及時將工作介質帶入放電間隙並將蝕除產物排出（chū）切縫已（yǐ）成為能否進一步提高切割效率的首要前提。

下麵分兩（liǎng）個部分（fèn）來論述提高切割效率的途徑。一方麵為（wéi）在洗滌冷卻較充分前（qián）提下（一般切割電（diàn）流<5 A），提高單位電流蝕除效率；另一方麵是在大能量加工前提下（一般切（qiē）割電流>6 A）提（tí）高高效切割（gē）效率。

（1）在洗滌冷卻較充分前提下（xià）（一般切割電流<5 A），提高單位電（diàn）流蝕除效率的主要措施：

① 進一步提高脈衝電源的（de）脈衝加工利用率。目前一般的脈衝取樣伺服進（jìn）給配合佳潤複合工作液（yè）的使用，可使脈衝電源的（de）放電脈衝利用率接近甚至超（chāo）過90 %，而采用智能化的（de）脈衝電源可結合放電間隙狀態的檢測、等能量脈衝電（diàn）源（圖3）的應（yīng）用、放（fàng）電能量的控製及有害脈衝的抑（yì）製等技術，在進一步降低電極絲損（sǔn）耗的同時，提高放電脈衝的利用率至95%以（yǐ）上；同時由（yóu）於抑（yì）製了有害脈衝的輸出（如一旦檢測出（chū）現持（chí）續短路情況就及（jí）時切斷脈（mò）衝電源），可使單位電流的切割效率從25~30 mm2/(min·A) 上升（shēng）至30~35 mm2/(min·A)。但客觀而言，在洗滌、冷卻較充分前提下，智（zhì）能電源對切割效率的提高貢獻限，研究的重點主要（yào）在電極絲使（shǐ）用壽命的（de）提高方麵。

② 對脈衝蝕除方式（shì）的研究。放電後工件表麵材料的蝕除形式主要有熱熔化蝕除和熱氣化蝕除兩種，業內對於往複走絲線切割加工脈衝能（néng）量蝕除方式的研究仍（réng）處（chù）在一（yī）個模糊階段。蝕除方式不僅與蝕除效率有關（guān），還與加工（gōng）表麵的完整性、電極絲的損（sǔn）傷程度等一係（xì）列指標有關，是一個值得深入研究（jiū）的（de）課題。

③ 工作液性能的進一（yī）步研究。目前以佳潤複合工作液為代表的工（gōng）作液主要解決了平均切割電流<5 A 條件（jiàn）下極間的洗（xǐ）滌、冷卻（què）及消電離問題，使極（jí）間處於正（zhèng）常的放電狀態[5-7]，而切割效率的提高還有一個重要的因素就是單個脈衝的放電蝕除量問題，該問題（tí）與（yǔ）放電後能量（liàng）在極間的傳輸、熱量的擴（kuò）散（sàn）等因素有關。鑒於上述機理，工作液（yè）應具有（yǒu）更低的電導率（lǜ），以減少在放電過（guò）程中漏電流的能量損（sǔn）失，同時應具有較高的動（dòng）態粘度，以有利於壓縮（suō）放電通道，使放（fàng）電能量集中，達到高效（xiào）蝕除材料的目的，此外還應具（jù）有較高的氣化點，以減少極（jí）間工作介質（zhì）的氣化量。

④ 張力控製（zhì）問題。張力的控製並不能直接獲得加工效率的提升，但可通過改善加工的穩定性、提高切縫的均勻性獲得切割效率的提高。圖4 是檢測到的一般加工（gōng）區電極絲張力與絲筒轉速對應圖。從（cóng）圖中可（kě）看出電極絲（sī）正反運行時張力的變化是十分明顯的，出現一邊鬆一邊（biān）緊的問題，且換向時導輪的轉動慣量會造成張力的突變[8]。電極絲正反走絲張力的變化會導致切割中電極絲的振動加強，並產生切縫寬度變寬及不均勻（yún），因此如（rú）果（guǒ）能解決電極（jí）絲（sī）張力不均勻問題，將使放電脈衝利用（yòng）率進一步提升且切縫寬度均勻及收（shōu）窄，從而能從這（zhè）方麵獲得因為（wéi）切縫材料蝕除量降（jiàng）低所帶來（lái）的切割效率的提高。

⑤ 電極絲進電問題（tí）。目前最（zuì）常用的電極絲進電方式是導電塊進電，導電塊（kuài）由硬質合金或鎢鋼材（cái）料製造（zào），鉬絲以8~12 m/s 的線速度貼著導電塊表麵滑動摩擦運動，兩者接觸處為一個短圓弧線（xiàn）段。由於鉬絲（sī）與進電塊之間的接觸電阻不穩定，放電能量（liàng）傳輸到（dào）加工區域必然因為有接觸（chù）電阻及電極絲自身的電阻產生（shēng）能量損耗。如能盡可能將進電點移動（dòng）至靠近加工區域（圖（tú）5 所示虛線框位置），減少（shǎo）能量消耗並（bìng）盡可能獲取更接近於加（jiā）工區（qū）域的取樣信號（通常取樣點和進電點在一起），將由此獲取加工效率的進一步提高。

（2）大能（néng）量前提（tí）下（一般切割電流>6 A）提高高效切割效率問題：

在大能量前提下（一（yī）般切割電流>6 A）提高高效切割效率關鍵（jiàn）在於如何解決工作液在極間迅速被汽化[9]的（de）問題，為此采用的主要措施（shī）可分為增加極間工作液的進入量的主動措施及減（jiǎn）少極間工（gōng）作液的汽化（huà）量的被動措施。

主動措施有：

① 增加噴液壓力及放（fàng）電間隙。以往（wǎng）往複走（zǒu）絲均采用澆注式冷卻，基本是通（tōng）過（guò）工作液吸附在電極絲上並隨著電極絲帶入（rù）切縫，而實驗（yàn）表明，采用一（yī）定壓力將工作液（yè）噴入切縫，可（kě）將工作液盡可能多地帶（dài）入切縫[7]，但前提是，必須研製（zhì）一種（zhǒng）不產（chǎn）生泡沫的工作液，以防止在高壓噴射條件下形成大（dà）量的泡沫，影響加工的穩定性，且采用這種方式還須借助脈衝電源（yuán）的（de）改（gǎi）進，以增加放電間隙的寬度。

② 電極絲的（de）外觀形狀及材料的（de）改變。通過電（diàn）極絲外觀形狀的改變，如采用絞合、螺旋形狀的電極絲或使電極絲表（biǎo）麵具有更好的吸附工（gōng）作液性能，如毛化電（diàn）極絲表麵，使電極絲能將更多的工作液帶入極間，同時（shí）帶出更多的蝕除產（chǎn）物，其中雙絞合（hé）電（diàn）極絲示意如圖6 所示。

絞合電極絲在走絲過程中可通過自身螺旋（xuán）狀容納空（kōng）間及走絲時形成的對液體介質的（de）螺旋吸入效應，盡可能多地“拖拽並吸（xī）入（rù）”外部及已加工切縫中（zhōng）的工作介質進入放電間隙（xì），同時（shí）及時（shí）將（jiāng）蝕除產物“強製拖拽”出放電間隙，以提高高效切割時極間（jiān）的冷卻、洗滌、排屑及消電離作用。由於洗滌（dí）、冷（lěng）卻、排屑及消（xiāo）電離作用大大增強，尤其是強製性“拖拽並吸入”更（gèng）多的工作介（jiè）質，將使極間獲得充分的（de）冷卻環境，解決極間因為高效切割產生的工作（zuò）介質瞬間氣化問題，使電極絲能獲（huò）得及時冷卻，從（cóng）而承載更大（dà）的加工能量，提高切割效率（lǜ）。

被動措（cuò）施（shī）有：

① 工作液方麵，在保障極間（jiān）處於良好洗滌、冷卻、消電（diàn）離的條件下，使工作液具有更高氣化（huà）點的組分（fèn），以減少工作（zuò）液在極間的氣化量，此外還可增加工作液在電極絲表麵的吸附性能，讓（ràng）電極絲能（néng）盡可能多地（dì）將工作液帶（dài）入（rù）切縫。

② 設計並采（cǎi）用使工（gōng）作液氣（qì）化率低的脈衝電源及參數，增大放電間隙，並采（cǎi）用“非對稱”脈衝電源。脈衝電源在一個脈衝期間的能量分配及脈衝間隔分配均會導致對工作液產生不（bú）同的汽（qì）化率，且在正反向走（zǒu）絲時采用不同的脈衝間隔均（jun1）會在一定程度上減少往複走絲的“非對稱性”。

目前從實施的（de）可行性而言，改變電極絲的截（jié）麵外觀以提高高（gāo）效切割效率可行性較強，但電極（jí）絲截麵形狀（zhuàng）的改變（biàn）還需解（jiě）決電極絲應力（lì）、變形、電極絲直徑控製等問題。

3.電（diàn）極絲損耗的解決途徑（jìng）

現有的往複走絲線切割（gē）加工由於采用單絲筒循環往複走絲，必然（rán）會產生以下缺陷：

（1）貯絲筒（tǒng）通（tōng）常一次（cì）上（shàng）絲的長度為200~300 m，由於這段（duàn）電極絲一直在進行往（wǎng）複（fù）放電切割，電極絲（sī）產生損耗是必然現（xiàn）象。目前采用佳潤複合（hé）工作液，以100 mm2/min 的切割效率連續切割時，切割15 萬mm2，電極絲直（zhí）徑損耗0.01 mm（從直（zhí）徑0.18 mm 開始）。因此（cǐ）在大麵（miàn）積切割時，將由於電極絲的損耗導致起始切縫與最終（zhōng）切縫因為電極絲損耗而產生寬（kuān）度不（bú）同，對切（qiē）割精度形成影響（xiǎng）。

（2）在大麵積切（qiē）割過程中一旦發（fā）生斷絲，由於此時電（diàn）極（jí）絲已（yǐ）從開始到斷絲處有了損耗，如果采用通（tōng）常的退回原起割點、重（chóng）新（xīn）換鉬絲（sī）再進行切割的方法，從起割點到斷絲點，就會因為切縫（féng）寬度逐漸（jiàn）變窄的原因（暫時不考慮（lǜ）工件變形（xíng）及軌跡精度等問題），影響（xiǎng）電（diàn）極絲從起割（gē）點到斷絲點的進給速度，也就是說，此時從起割點到斷絲點（diǎn）並不（bú）是空（kōng）切了，而是需要再次（cì）切（qiē）割才能到斷（duàn）絲點，這樣就會大大延長總切割時（shí）間並影響加工精度（dù）。

（3）傳統的往複走絲線切割加工在走絲過（guò）程中，存在（zài）單邊鬆絲（sī）問題，也就（jiù）是（shì）在絲筒的兩頭，存在電極絲一頭鬆一頭緊的問題，雖然目（mù）前采用的（de）恒張力裝置（zhì）（如機械重錘式張（zhāng）力機構、機械彈簧式張力機構等）可部分緩解該問題，但同時也會增（zēng）加斷絲的（de）幾率。

（4）電極絲（sī）的損耗會影響到多次切割修整的精度。

為解決上（shàng）述問題，目前已有廠家在控製係統中采用軟件（jiàn）補償方（fāng）法來彌補切割中因為電極絲損耗帶來的切縫寬度改變產（chǎn）生的誤差[10]，也有廠（chǎng）家采用絲筒上（shàng）電（diàn）極絲分段投入加工（gōng）的方法，如一（yī）次（cì）切割用絲筒上（shàng）的一段電極絲，而多次切割，為減少因電極絲（sī）損耗對修整（zhěng）的影響，采用另外一段沒有損耗（hào）的電極絲進行修整，但上述方（fāng）法都不（bú）能完全解決電極絲損耗帶來的對（duì）加工精度的影響。

目前由於電極絲冷拉工藝的日趨完（wán）善（shàn），鉬（mù）絲在冷拉（lā）過程中（zhōng），可按定長拉製。由此提出一種電火花線（xiàn）切割雙絲筒電極絲往（wǎng）複漸進式走絲方式（已（yǐ）申請發明專利），通過雙貯絲筒使得電極絲在完成（chéng）高速往複（fù）走絲的同時通過（guò）往複走絲的不對等控製（zhì），使電極絲整體微量推進，以（yǐ）抵消電極絲的損耗，從而使電極絲的損耗在（zài）整個切割過程中可通過電極（jí）絲的（de）漸進補充而抵消，保障在切割過程中，切縫中的電極（jí）絲（sī）直徑基本（běn）不變。在一（yī）定程度上保障了加工精度不會因為電極絲的損耗（hào）而降低，此外當斷絲情況發生時電極絲可沿寬度一致的切縫快速空切到（dào）斷絲點或（huò）在斷（duàn）絲點原地穿絲。該雙絲筒（tǒng）結構同時保障了加工區域電極絲的張力處於恒定狀態。電火花線切（qiē）割電極絲往複漸進式走絲方式原理見圖7。

利用單片機控製貯絲筒的轉動，實現電極絲的往（wǎng）複（fù）漸進式送絲運動（dòng），例如：正向走（zǒu）絲300.001 m 後反向收絲300 m，再正向走絲300.001 m 後反向收絲300 m……如此往複運動，每次循環總有（yǒu）1 mm的新絲（sī）補充進入加工區域，因而電極絲的損耗可依靠每次多進入（rù）加工區域的1 mm 電極絲來補償，以減少加工過程中的（de）電極絲損耗，尤其對於切割高厚度和大切割麵（miàn）積的工件效（xiào）果更為明顯，從而提高加工精度。且（qiě）當（dāng）斷絲現象發生時（shí），電極絲（sī）可沿寬度基本一致的切縫（féng）快速空切到斷絲點或在斷絲點原地（dì）穿絲，大大提高了加工效率。采用這種走絲方式後，由於電極絲損耗可依靠漸進進入加工區域的電極絲進（jìn）行補償，故損耗對加工的影響程度大大（dà）降低（dī）甚至可以忽略，因（yīn）此諸（zhū）如在單向走絲上適用（yòng）的技術也（yě）可考慮在往複走絲上（shàng）采用，如抗電解（jiě）電源技術等。采用這種走（zǒu）絲方式，能基本消除以往電極絲損耗對加工的影響，當然目前這隻是一個構想，具體結構及控製的實現還需進一步細化（huà）。

4.導絲方式問題

對於往複走絲線切割加工而言，往複走絲（sī）導致的對電極絲（sī）空間位置的影響是較大（dà）的，因此采用導絲器對電極絲進行定位和導向是目前“中走（zǒu）絲機床”普遍采用的（de）方法（fǎ）。但導絲的方式決（jué）定了導絲器的精度和壽（shòu）命（mìng）。由於電極絲的（de）反複（fù）使用及（jí）鉬絲的硬度大大高於單向走絲線切割加工黃銅絲的硬度，因此在導絲器材料相同時，往複走絲線切割加工導絲器的使用壽命將大大低（dī）於單向走絲線（xiàn）切割加工，其對比（bǐ）情況（kuàng）見表1。

表1 往複走絲與單向走絲線切割加工導（dǎo）絲器（qì）壽（shòu）命比較

由表1 可知，往（wǎng）複走絲線切割（gē）加（jiā）工會大（dà）大降低導絲器的壽命，因此其導絲方式隻能以“減少電極絲（sī）抖動”為主要手段，如果硬要靠導絲器強製性牽拉電極絲以達到限位的作用是不現實的，這也就是為什麽目前“中走絲”導絲器隻能用（yòng）在直體及隨動導絲大錐度機床上的根本原因，至於在（zài）沒有隨動導絲的小錐度機床上使用（yòng）導絲器並進行小錐度切割的加工方式，其導絲器的使（shǐ）用壽命將很短。

本課題組（zǔ）設計了一種六連杆大錐（zhuī）度（dù）隨（suí）動導絲及噴水機構[11]，其原理見圖8。由於電極絲方向始終與導絲（sī）器中的V 型槽重合（圖9），設計於導（dǎo）絲器上的噴水嘴噴出的工作液始終能包裹住電極絲（sī）並隨（suí）電極絲進入加工區，因此能起到很好（hǎo）的洗滌、冷卻（què）和消（xiāo）電離作用，這對於加工精度、切割效率和表麵質量的提高均起到積極作用[12]。隨（suí）動導絲及噴水機構見圖10a，切割現場見圖10b。

5.結束（shù）語

本文分析了往複走絲線切（qiē）割加工在高效切割（gē）、降低絲耗、導絲定位等方麵遇到的技術瓶頸（jǐng），並（bìng）從放電加工機理方麵著手分析，為研究人員提供一個解決問題（tí）的參考思（sī）路，望能進一步促進往複（fù）走絲線切割（gē）加工技術的（de）發展。

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