高速往复走丝电火花线切割的现状及发展

2013-10-14刘志东

机械制造与自动化 2013年2期

刘志东

（南京航空航天大学，江苏南京 210016）

0 引言

我国独有的高速往复走丝电火花线切割机床［1-2］（high speed wire–cut electrical discharge machining，HSWEDM）以其较高的性价比，在机械零件加工和中低端模具加工领域体现出巨大的市场潜力，发展前景广阔。近年来国内生产HSWEDM的企业为了应对日趋激烈的市场竞争，满足客户不断提高的加工需求，都将提高机床的加工精度和加工表面品质为主攻方向，但中国的HSWEDM究竟该向什么方向发展，本文进行了一些有益的探讨。

1 HSWEDM的市场分布、容量及在国内外的应用状况

HSWEDM的制造厂商全部都是中国本土企业，制造企业超过200家，主要集中在江苏、浙江、北京等省市，而销售主要以东部沿海地区的江苏、浙江、广东为主，在国外HSWEDM应用的国家地区主要集中在东南亚、中东、南美以及部分欧共体国家（德国、意大利等），目前销量呈现出较大幅度的上升趋势，尤其以印度、越南最为明显。HSWEDM的年产量已达6万台，目前全国保有量已达60万台以上［3］。目前HSWEDM主要应用在中低端模具的加工、中小批量零件的加工生产以及一些特殊材料的切割方面。但HSWEDM加工中由于需要较多的人工操作及干预，可控性较差，并且操作环境较脏，因此主要应用在发展中国家和地区。

2 HSWEDM技术的发展现状

2.1 HSWEDM的切割效率

HSWEDM的加工工艺指标尤其是切割效率在解决了极间冷却的指导思想，经历了从20世纪80年代至21世纪初的沉寂后，目前已经有了质的提高。采用智能脉冲电源，配合复合工作液，目前可以达到的切割加工指标是:以平均100 mm2/min的切割效率切割350 000 mm2工件，实际钼丝损耗小于0.01 mm;切割工件厚度为120 mm的Cr12模具钢，平均加工电流为7.2 A～7.3 A，连续切割10 000 mm2工件，平均切割效率为210 mm2/min;最大切割效率目前已经超过250 mm2/min。上述指标已经接近或达到中低档低速单向走丝电火花线切割（low speed wire－cut electrical discharge machining，LSWEDM）的一般切割效率要求，但由于HSWEDM的运行成本仅仅是LSWEDM的几十分之一甚至百分之一，因此在中小批量零件的切割生产中，HSWEDM具有十分明显的优势。能达到上述工艺指标的主要原因在于:首先是利用复合工作液保证了加工处于正常的极间冷却状态，其次，合理地调整放电脉冲电流的前后沿，减少了电极丝在加工过程的损耗［4］;第三，对极间非正常脉冲放电及时调整，如采用等能量脉冲，发现连续非正常放电时，及时切断脉冲输出以保护电极丝不受损伤等［5］。其典型的放电脉冲波形如图1所示。

图1 智能型脉冲电源典型等能放电波形图

2.2 高厚度切割

HSWEDM有别于LSWEDM的一个显著差异就在于能进行稳定的高厚度（厚度＞500 mm）切割。对于LSWEDM而言，极间冷却的保障是依靠去离子水高压喷入放电间隙以维持冷却与消电离状态，因此，当切割厚度超过200 mm后，断丝几率就会大大增加，而HSWEDM由于极间的工作介质主要依靠电极丝带入，因此，采用洗涤性良好的复合工作液后，冷却、洗涤及消电离等问题已不再成为高厚度切割的阻碍［6］。目前商品化的HSWEDM最高切割厚度已超过1 000 mm，并且已有1 500 mm以上切割厚度的定制产品问市。

2.3 大锥度切割

锥度切割时，电极丝须倾斜切入工件，因此，对于LSWEDM而言采用去离子水平行于电极丝倾斜高压喷射进入工件几乎是不可能的。因此在切割厚度较大的大锥度工件时，由于冷却不佳更加容易断丝。但HSWEDM主要是依靠电极丝将工作液带入切缝，因此只要工作液能较好地包裹住电极丝并随电极丝进入工件就比较容易实现大锥度工件的稳定切割。目前HSWEDM大锥度切割要解决的主要问题是如何保证工作液包裹住电极丝及解决由于导轮直径引起的U向交切误差（图2）导致锥度切割误差较大的问题。

图2 导轮定位U向平移产生交切误差示意图

目前HSWEDM常用的大锥度四连杆机构原理如图3所示。

图3 普通四连杆摆动式大锥度线架原理图

四连杆大锥度机构进行大锥度运动时，导轮的交切误差只能依靠软件进行理论补偿。由于锥度机构本身存在各种机械误差，而补偿的模型是建立在理论结构的基础上的，因此导致实际补偿后锥度切割的误差可能会更大并且无规律可循。而为了避免因锥度头U向运动引起的电极丝与喷水板的干涉，往往将喷水嘴做成长条形状（图4），这样会导致工作液无法包裹住电极丝，致使对极间冷却效果大大降低，影响切割表面品质及切割稳定性。

图4 长槽式喷水板结构图

为解决此问题刘志东设计了一种大锥度喷水自动跟踪专利结构，其原理如图5所示，其在U，V方向的导丝定位原理如图6、7所示，机床照片如图8所示。其喷水嘴能随锥度头U向运动产生摆动，通过摆动喷嘴保证喷水板与电极丝始终处于垂直状态，从而对电极丝进行导丝并保证喷水能包裹住电极丝，以提高切割精度、稳定性及大锥度、大厚度的切割能力。目前HSWEDM的最大切割锥度已经可达±45°。

图8 喷水自动跟踪大锥度机床

2.3 稳定多次切割的实现

HSWEDM自20世纪80年代就已被证明可以进行多次切割，并且能达到较高的表面品质及切割精度［7］。但由于当时未能解决极间冷却问题致使一次切割效率不高（稳定切割效率基本在80～100 mm2/min），从而导致多次切割实用价值不大。随着本世纪初刘志东研制的复合工作液的出现及HSWEDM软硬件控制技术的发展，俗称“中走丝”的HSWEDM多次切割技术已成为一种实用的改善表面加工品质及精度的工艺方法［8］。但“中走丝”切割的稳定性、持久性又成为困扰其进一步发展的瓶颈，其最根本的问题仍然是如何保障电极丝空间位置的稳定性。具体体现在导轮寿命不长及导丝器使用不便等问题上。由于一般的导轮结构无法做到防止工作液进入导轮轴承，在导轮高速旋转（6 000～8 000 r/min）加工同时，伴随着工作液进入导轮组件轴承内部，工作液内的高硬度蚀除产物将对轴承形成严重的磨损，使得导轮对电极丝的定位精度很快就丧失殆尽;此外传统的圆孔导丝器由于穿丝十分困难，并且很快被电极丝所磨损，因此导丝器对电极丝如何很好地限位也是“中走丝”稳定切割的一个实际难题。近期随着刘志东研制的长寿命导轮（图9）及开合式导丝器（图10）的设计并投入实际使用［9-10］。电极丝空间位置的稳定性及持久性得到了一定程度的提高。长寿命导轮采用轴承内置结构，阻止工作液直接侵入轴承，开合式导丝器的使用方便了电极丝的挂丝，并且能实现全方位导丝作用。目前HSWEDM多次切割已经能达到Ra＜0.8 μm，切割精度稳定在0.01 mm以内。较好的情况下三次切割（割一修二）综合效率可达 80 mm2/min，Ra ＜1.2 μm［11］。

但在切割精度方面必须清醒认识到，由于HSWEDM受到电极丝换向冲击、电极丝因为往复走丝直径的损耗以及工作介质和电极丝张力不能精确控制等因素的影响，切割精度进一步提高难度很高，因此切割精度提高已经处于一个瓶颈状态。

2.4 HSWEDM 电极丝的寿命［12］

在HSWEDM加工中电极丝是重复使用的，而在LSWEDM加工中电极丝只是一次性使用，所以电极丝寿命对HSWEDM的加工的影响极大，同时也是影响切割精度和表面品质的重要因素和提升应用价值的重要途径。目前杭州华方有限公司的HSWEDM，在平均电流4 A和使用佳润1 A复合工作液条件下，切割60 mm的#45钢，一次上丝（300 m）切割工件面积可以达到900 000 mm2，平均切割效率超过100 mm2/min。

2.5 半导体及其他特种材料切割

半导体晶体因其对光、热、电、磁等外界因素变化具有十分敏感而独特的电学性质，已成为尖端科学技术中应用最为活跃的先进材料，特别是在通讯、家电、工业制造、国防工业、航空航天等领域中具有十分重要的作用［13］。半导体材料的电火花线切割又是HSWEDM应用领域的重要拓展，由于半导体进电时接触势垒及体电阻的存在，使得采用目前传统的电火花加工伺服控制系统完全失效，无法准确判断正常加工和短路状态，只能以恒速进给，因此无法保障切割的轨迹精度。刘志东课题组在深入研究半导体特殊的电特性的基础上，采用新型脉冲电源及改进的伺服控制系统，已实现了对电阻率10 Ω·cm以内的半导体材料的稳定切割。图11为P型单晶硅（2.1 Ω·cm）变厚度切割的样件，图12为微小、复杂和非直线切割样件。

同时HSWEDM也已经被用在对聚晶金刚石及聚晶金刚石成形刀具的修整加工方面。

3 HSWEDM存在的主要问题

3.1 发展方向

对于普通的HSWEDM机床生产，由于企业进入的技术门槛比较低，因此目前国内存在大量的低水平重复性生产的企业，主要集中在江浙一带。这些企业生产的重点都集中在如何降低产品的制造成本方面，因此没有在产品品质、技术、外观方面的投入，在产品的销售方面只是单纯的进行价格的拼杀，这些企业产品在市场的流行造成了整个HSWEDM市场鱼龙混杂，客观上对整个HSWEDM的发展起到了阻碍作用。因此必须通过国家机床行业的强制执行标准、行业的监督及市场逐步的筛选，完成市场的规范运作。

3.2 技术研发方向

HSWEDM自身的特点决定了该设备是一种适合中低精度零件高效稳定切割及高厚度、大锥度及特种材料切割的设备，因此在这些方面的研究投入以达到高效稳定切割是十分有必要的。HSWEDM还是有许多技术值得科研机构认真地进行研究的，目前涉及HSWEDM的主要核心问题有:智能高频脉冲电源控制、电极丝张力控制、工作液量化控制和工作台精度控制等。

3.3 工作液系统

目前在使用复合工作液下，切割效率、工件的表面品质和电极丝寿命等工艺参数指标得到大幅度的提升，但是经过一段时间，复合工作液将会失效，从而导致各项工艺指标降低，所以复合工作液的使用寿命对加工起到至关重要的作用，而对这方面的研究没有量化和标准化，没有一种实用且有效的方法去判别复合工作液失效，除此之外，对工作液的过滤系统的研究也较少。

3.4 人机环境一体化

随着社会的发展，以人为本的思想深入人心，新一代成长起来的技术工人对工作环境和个人发展的要求越来越高。而目前的HSWEDM机床的工作环境较差，劳动强度较高（如穿丝），培训周期较长，但工人的收入一般，人机环境如果不进行改进和调整，企业很难培养出安心此工作的熟练技术工人，也会导致这种工艺方法在零件生产中的认可度下降。因此注重机床的环保性能，创造一个良好的工作环境，并提高机床的自动化程度，降低工人的劳动强度将是今后HSWEDM产品一个最主要和长期发展的方向。

4 HSWEDM发展方向

4.1 提高切割效率，面向零件加工

HSWEDM的发展主要有两个方向，其一是追求更高精度，更好表面品品质以及在电极丝使用寿命内的持久性，满足中端市场的需求;另一个是更高切割效率的实现以及在电极丝寿命周期内的持久性［14］。针对HSWEDM的特点，提高切割效率，应用于中低端精度零件的加工是一个很有前途的发展方向。目前，由于高频智能脉冲电源和复合工作液的运用，最高加工效率已达250 mm2/min，目前发展的重点是进一步提高在电极丝寿命内的高效性和持久性，如果能做到这一点，HSWEDM必能在零件加工领域占有更重要位置，进一步起到替代金属切削机床的很大一部分工作。

4.2 大厚度、大规格、大锥度加工

HSWEDM电极丝运动速度快，适用于大厚度、大锥度切割的特点是LSWEDM所无法匹敌的。HSWEDM较高的性价比也使得在大规格零件加工中具有比LSWEDM更加明显的优势。但HSWEDM大厚度、大规格、大锥度切割同样面临着持久稳定切割的问题，其中困扰HSWEDM几十年的问题就是所谓的电极丝“单边松丝”及大锥度切割时“导轮的交切误差”问题，目前刘志东课题组对上述问题的机理研究已经获得了显著进展，初步解决了电极丝“单边松丝”问题，大大提高了大厚度、大规格、大锥度零件切割的稳定性。伴随着适合大厚度切割的智能高频电源和复合工作液的进一步研究，并建立大厚度切削的工艺数据库。HSWEDM在这方面的优势将获得长久的保持。

4.3 高精度及表面完整性

多次切割技术是电火花线切割提高加工精度及表面品质的根本手段［15］。具有多次切割功能的HSWEDM机床（俗称“中走丝”）已成为HSWEDM的发展趋势，代表了HSWEDM的技术水平，随着“中走丝”机床技术水平的不断提高，其切割精度和表面品质已经可以部分替代中低档的LSWEDM机床，目前关键的问题是要解决切割精度的持久稳定性问题，而最核心的问题就是电极丝空间位置稳定性的保持。目前随着长寿命导轮、开合式导丝器、单边松丝问题的解决、闭环张力控制装置、智能脉冲电源及复合工作液等综合技术的采用，“中走丝”的切割精度及持久性已经获得很大的提高，后续的发展应该围绕着精密切割的细节技术方面进行，如尖角切割时能量、张力、轨迹的控制调整方面，以提高精密环节的精度。但也必须清楚认识到“中走丝”采用的仍然是往复走丝方式，还存在电极丝的损耗、换向的冲击及工作液、张力的量化控制等一系列问题，因此HSWEDM精度的提高目前已经到了一个瓶颈阶段，精度的进一步提高所面临的困难和代价都是很高的。

当进入精密加工领域后，表面变质层和微裂纹等问题就成为影响零件机械性能的重要问题。在LSWEDM采用去离子水进行各种复杂形状零件高精度加工时，人们便注意到电蚀（电解）问题的危害，由此发明了抗电解电源以防止普通脉冲电源所产生的微弱的电解及锈蚀问题。在目前的“中走丝”切割中，由于所使用的工作液均含有较多的电解质，因此对工件表面的电解作用肯定不可避免。刘志东课题组提出的“在最后一次精修加工中使用不含离子的矿物油作为工作介质，从而保证最后一次切割不会产生电解作用的方法”己被证明该方法是适合和可行的。

4.4 加工参数的可控性

HSWEDM一直是一种对操作人员技术和经验依赖度较高的设备，而这一问题在现今产品的使用和推广，尤其是在国际市场上已经体现出诸多的局限，因此对于HSWEDM参数的可控性已成为需要刻不容缓解决的问题。目前已经通过变频器实现了对丝速的控制;利用高频智能脉冲电源实现了对脉冲波形输出的控制;在对电极丝张力控制方面，虽然尝试了如重锤式，力矩电动机式等许多方法，但仍未能找到上丝简单可靠，操作人员易于接收的理想方式;另一个可控方面的难点是工作液的量化控制问题，复合工作液的研制成功，极大地促进了HSWEDM加工指标的提高，加速了“中走丝”机床的实用化和商品化，但复合工作液性能与加工指标的对应关系及量化控制目前还没有具体的解决措施，这就需要开发出一套工作液控制系统，包含工作液关键指标的量化，工作液喷液的量化，工作液寿命的量化等，以完善HSWEDM的参数可控性。

4.5 操作自动化

随着企业用工成本的不断上升，使用HSWEDM机床的企业对机床操作自动化的要求将会越来越高，越来越多的工作需要依靠机床自身来完成。如在LSWEDM上普遍使用的自动穿丝技术，遇到异常切割状况时的高频脉冲电源自动调整处理，自动寻找穿丝孔位置等，尤其是上丝的方便性和自动化程度，是HSWEDM实现操作自动化要求的迫切需要，当然其难度也是相当高的。目前应该着力发展减少上丝工作量的半自动化上丝操作机构。

4.6 节能环保

在节能环保日益重视的今天，开发节能环保的电火花线切割机床将会变成一种社会的必然要求。其含义主要包括:对机床进行结构的改进设计，在提高机床自身品质的同时，给工人创造一个洁净的工作环境，目前国内开发出的“环保型”机床主要是针对加工时工作液的飞溅和雾化进行防护，以改善操作环境，机床的专利外观设计如图13所示;而更重要的是对工作液进行净化过滤以及废液的处理，如何使失效的废液达到环保排放的要求是需要认真研究的课题。目前全年的HSWEDM工作原液的生产量已经超过1万吨，稀释成工作液后最后排放到大自然的将超过10万吨，而这些废液基本上均是未经过处理的，已经对自然环境造成了巨大的污染，这一问题是必须解决的问题。现在主要通过逐步淘汰油剂工作液，推广环保组分的复合型工作液，并且对废液进行处理来进行。

图13 环保型专利机床外观

5 结语

HSWEDM作为我国特有的技术，在近几年中获得飞速的发展，应用领域也在不断拓展，在国际市场上也逐渐为广大客户所认知，但同时也发现其存在很多急待改进的问题，这就需要不断的进行技术、市场、环保方面的探索，找准方向，沉下心来，攻克难关，只有这样HSWEDM的应用领域才能进一步拓展，市场也会进一步扩大，带动我国电火花加工产业迅速的发展。

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