數(shù)控電火花線切割機(jī)的斷絲問題及分析

李 兵

（江蘇食品職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 淮安 223003）

數(shù)控電火花線切割機(jī)對(duì)各種形狀的沖模及零件自動(dòng)切割加工，具有精度高、速度快、周期短等優(yōu)點(diǎn)。它結(jié)合了機(jī)電一體化的綜合技術(shù)，既有普通數(shù)控機(jī)床常有的拖板，又有使電極絲往復(fù)循環(huán)的運(yùn)絲機(jī)構(gòu)，還有支持電極絲運(yùn)動(dòng)的絲架。對(duì)于帶斜度的機(jī)床還有使電極絲可以左右前后運(yùn)動(dòng)的絲架工作臺(tái)，此外還有供液系統(tǒng)，電氣部分等。因此數(shù)控電火花線切割機(jī)是一種綜合了機(jī)、電、液、化學(xué)等多門學(xué)科的高新技術(shù)產(chǎn)品。

1 數(shù)控電火花線割機(jī)的工作原理及總體結(jié)構(gòu)

圖1所示為數(shù)控電火花線割機(jī)的基本工作原理。操作人員者根據(jù)圖紙的尺寸編制成加工程序，通過手工鍵盤輸入或者編程機(jī)聯(lián)機(jī)輸入等方式將程序輸入到控制機(jī)內(nèi)。

圖1 電火花線割機(jī)原理圖

控制機(jī)在接收到加工命令后開始插補(bǔ)運(yùn)算，每運(yùn)算一次便發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào)，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)功率放大，然后驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)工作，由步進(jìn)電機(jī)傳動(dòng)絲杠拖動(dòng)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)。運(yùn)絲系統(tǒng)由運(yùn)絲電機(jī)傳動(dòng)貯絲筒，再通過行程開關(guān)使貯絲筒作往返運(yùn)動(dòng)，從而使電極絲運(yùn)動(dòng)。

高速走絲電火花線切割加工中的斷絲問題是十分普遍的問題。它會(huì)使加工中斷并需要重新開始，浪費(fèi)較多的時(shí)間，破壞了工件表面的完整性，降低了生產(chǎn)效率。而導(dǎo)致這種現(xiàn)象有多種原因。

2 斷絲原因的分析及解決辦法

2.1 與電極絲相關(guān)的斷絲

（1）絲張力及走絲速度。對(duì)于高速走絲線切割加工，一般采用0.06～0.25mm的銅絲，因它耐損耗、抗拉強(qiáng)度高、絲質(zhì)不易變脆且不易斷絲。提高電極絲的張力可減少絲振的影響，從而提高精度和切割速度，絲張力的波動(dòng)對(duì)加工穩(wěn)定性影響很大。

隨著走絲速度的提高，在一定范圍內(nèi)，加工速度也會(huì)提高。同時(shí)走絲速度的提高有利于電極絲把工作液帶入較大厚度的工件放電間隙中，有利于電蝕產(chǎn)物的排除和放電加工的穩(wěn)定。但走絲速度過高，電極絲容易抖動(dòng)嚴(yán)重，反而破壞了加工的穩(wěn)定性，這降低了加工速度，而且加工精度和表面粗糙度都會(huì)變差，并易造成斷絲。當(dāng)然，走絲速度也不能過低，否則由于損耗增加，也易斷絲，一般以小于10m/s為宜。

（2）電極絲的選擇。電極絲的選擇主要考慮電極絲的種類及直徑。通常切割加工所用的電極絲材料應(yīng)具有良好的導(dǎo)電性，抗拉強(qiáng)度大，絲本身不得有彎折和打結(jié)現(xiàn)象。常見的材料有鉬絲、鎢絲、鎢鉬絲、黃銅絲、銅鎢絲等。其中以鉬絲和黃銅絲用得較多。采用鎢絲加工，可獲得較高的加工速度，但放電后絲變脆，易斷絲。所以一般在走絲速度較慢時(shí)使用。鉬絲熔點(diǎn)、抗拉強(qiáng)度低，但韌性好，絲質(zhì)不易變脆而斷絲，因此，盡管性能不如鎢絲好，但目前使用卻最為廣泛。鎢鉬絲加工效果都比前兩種好，使用壽命和加工速度都比鉬絲高，但價(jià)格昂貴。銅絲的加工速度高，加工過程穩(wěn)定，但抗拉強(qiáng)度差，損耗也大，一般在低速走絲線切割加工中使用較多。

（3）新鉬絲及鉬絲自斷。新鉬絲表面有一層黑色氧化物，加工時(shí)切割速度快，工件表面呈粗黑色，這時(shí)電源能量太大，易斷絲。因此對(duì)于新鉬絲，加工電流需減小，等電極絲基本發(fā)白后，才能恢復(fù)正常電參數(shù)。

（4）電極絲損耗。選用粗絲對(duì)提高加工速度有好處，因?yàn)榫€徑增加，允許加工電流增大，但引起切縫會(huì)寬一些，一般適宜用φ0.15～0.02的電極絲。在上電極絲時(shí)，最好是使電極絲繞得緊一些，但必須在允許拉力以內(nèi)，這樣可使電極絲的固有振動(dòng)頻率較高，振幅較小，最怕的是電極絲有松有緊，其固有振動(dòng)頻率從低到高頻都有，很容易與機(jī)床的干擾產(chǎn)生共振，這將使電極絲運(yùn)行時(shí)，在某一段內(nèi)電極絲會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)，很容易在加工中引起短路加工不穩(wěn)，造成斷絲。此外也不應(yīng)用細(xì)直徑電極絲承受大電流來加工，這也易斷絲。

2.2 與工件相關(guān)的斷絲

（1）加工薄工件時(shí)的斷絲。薄工件一般指其厚度在3mm以下。其斷絲的主要原因是：線架上下導(dǎo)絲輪的開距是固定的，當(dāng)切割薄工件時(shí)，在高速走絲的情況下，電極絲失去了加工厚工件時(shí)產(chǎn)生的冷卻液的阻尼作用。加上火花放電的影響銀絲易抖動(dòng)。解決的辦法是，可調(diào)整加工電壓至50V左右，調(diào)整加工電流在0.3A左右，調(diào)整脈寬，降低轉(zhuǎn)速。如是交流電機(jī)拖動(dòng)的，則在三相的任意二相中串接一只電阻，降低相電壓，使其換向過渡時(shí)間稍長，實(shí)現(xiàn)軟換向，可有效減少抖動(dòng)。

（2）加工厚工件時(shí)的斷絲。厚工件一般指大于100mm的工件。切割厚工件時(shí)的斷絲可能發(fā)生在剛進(jìn)給一產(chǎn)生火花時(shí)或工件切割過程中以及工件切完時(shí)。

（3）工件中夾有不導(dǎo)電物質(zhì)引起的斷絲。外觀看似正常的材料在切割時(shí)，突然發(fā)生“短路”現(xiàn)象，不管怎樣排除都不能復(fù)原。這種情況多為在鍛打或熔煉的材料中夾有不導(dǎo)電雜質(zhì)。解決的辦法是，可編制一段每進(jìn)0.05～0.1mm便后退0.5～1mm的程序，在加工中反復(fù)使用，并加大冷卻液流量，一般可沖刷掉雜質(zhì)，恢復(fù)正常切割。

（4）線切割加工的工件多數(shù)都是在平磨以后，按正常的工藝，平磨后應(yīng)退磁。若工件未退磁，線切割加工中產(chǎn)生的電腐蝕顆粒易吸附在割縫中，特別是工件較厚時(shí)，不退磁易造成切割進(jìn)給不均勻，表面粗糙度值增大造成短路、斷絲。

2.3 與脈沖電源相關(guān)的斷絲

（1）加工電流很大，火花放電異常，導(dǎo)致斷絲。這種故障多數(shù)是脈沖電源的輸出已變?yōu)橹绷鬏敵鏊隆拿}沖電源的輸出級(jí)向多諧振蕩器逐級(jí)檢查波形，更換損壞的元件，使輸出為合乎要求的脈沖波形時(shí)才能投入使用。

（2）輸出電流超過限值斷絲。在加工過程中火花放電突然變?yōu)樗{(lán)色的弧光放電，電流超過限值，將鉬絲燒斷。用示波器測輸入端和振蕩部分都無波形輸出?？膳袛酁楣收铣鲈谡袷幉糠帧z查三極管時(shí)發(fā)現(xiàn)極間內(nèi)部擊穿，更換此管，高頻電源恢復(fù)正常。

（3）鉬絲上出現(xiàn)燒傷點(diǎn)發(fā)生斷絲。一旦鉬絲上出現(xiàn)“疙瘩”狀的燒傷點(diǎn)，極易發(fā)生斷絲現(xiàn)象。一般認(rèn)為，這是粘附在電級(jí)絲上的加工屑所為，該粘附物起到了使放電集中在電極絲上的作用，此時(shí)若冷卻散熱條件差，就很可能使該處的溫度升高，這樣一來在連續(xù)的放電中就可能繼續(xù)有其他加工屑粘附在該點(diǎn)附近，如此造成一種惡性循環(huán)，最后導(dǎo)致該處發(fā)生燒傷現(xiàn)象。

（4）鉬絲上出現(xiàn)燒蝕點(diǎn)發(fā)生斷絲。在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，每隔一段即有一個(gè)燒蝕點(diǎn)。輕微的像一個(gè)霉點(diǎn)，嚴(yán)重的可明顯看到鉬絲的燒蝕點(diǎn)。這是由于電極絲與工件間拉弧造成的，因某種原因使工件上A點(diǎn)與鉬絲上B點(diǎn)拉弧，電極絲在運(yùn)動(dòng)，A、B二點(diǎn)間的閏弧越拉越長，A點(diǎn)又與最接近的B點(diǎn)開始拉弧，如此周而復(fù)始，即形成有規(guī)律間隔的蝕點(diǎn)，使電極絲的強(qiáng)度大大下降。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因主要是進(jìn)給系統(tǒng)末級(jí)輸出不平衡，調(diào)整進(jìn)給系統(tǒng)，這種現(xiàn)象即可消除。

2.4 與走絲裝置及工作液相關(guān)的斷絲

（1）與走絲裝置相關(guān)的斷絲，其根本原因還是該裝置精度變差，會(huì)增加鉬絲的抖動(dòng)，破壞火花放電的正常間隙，易造成大電流集中放電，從而增加斷絲的機(jī)會(huì)。

（2）對(duì)要求切割速度高或大厚度工件，其工作液的配比可適當(dāng)?shù)恍┘s5％～8％的濃度，這樣加工較穩(wěn)定，不易斷絲。

（3）工作液臟污，時(shí)間用長后綜合性能變差是引起斷絲的重要原因。實(shí)踐中，可這樣來衡量工作液是否變差；當(dāng)加工電流為2A左右，其切割速度為40mm/min左右，每天工作8h，使用兩天后效果最好，繼續(xù)使用8～10天則易斷絲，須更換新的工作液。

2.5 操作不當(dāng)引起的斷絲

（1）換擋不及時(shí)。在正式切割前，都要用手動(dòng)檔強(qiáng)迫高頻電流接能，用來校對(duì)始點(diǎn)以便起步和記零。一旦起步完成，轉(zhuǎn)入正常切割，操作者應(yīng)立即把“手動(dòng)”檔轉(zhuǎn)入“自動(dòng)”檔，機(jī)床才能自動(dòng)進(jìn)行。否則，在第一個(gè)換向時(shí)，高頻電流就會(huì)燒斷，因?yàn)槭謩?dòng)檔是不受換向開關(guān)控制的。

（2）換向定位塊壓持不準(zhǔn)。特別是有鉬絲穿過預(yù)鉆孔的工件，在壓絲后必須檢查一下?lián)Q向切塊的壓緊位置是否合適，一般在貯絲筒兩端至少應(yīng)留4mm的鉬絲為換向余量（指排絲距離）。如果余量過少或沒把鉬絲壓緊，運(yùn)行后順第2個(gè)換向時(shí)就會(huì)斷絲。

（3）中途停機(jī)時(shí)沒有先切斷高頻電流。停機(jī)絲速為零時(shí)，且又與工件發(fā)生短路，高頻電流必然會(huì)把鉬絲燒斷。

2.6 工作臺(tái)移動(dòng)不勻速引起的斷絲

機(jī)床有X和Y向絲杠，按指令程序帶動(dòng)工作臺(tái)，在平面內(nèi)4個(gè)象限作任意運(yùn)動(dòng)。工件的切割精度靠絲杠保證。絲紅和螺母的間隙是靠彈簧來消除的。如果絲杠潤滑不良或彈簧力不足，會(huì)引起工作臺(tái)爬行移動(dòng)，在這種情況下切割，高頻電流會(huì)出現(xiàn)頻繁的短路，如不及時(shí)排除故障，勢必造成斷絲。

在調(diào)節(jié)變頻跟蹤速度時(shí)，應(yīng)盡量使進(jìn)給速度約等于工件蝕除速度，這樣脈沖利用率高，加工速度快，加工狀態(tài)穩(wěn)定。進(jìn)給速度過高，短路頻繁，絲老化快，在電流表上可看出加工電流較大。加工速度過低，進(jìn)給速度調(diào)節(jié)過慢，易使放電間隙不穩(wěn)定，產(chǎn)生過渡電弧放電，極易燒斷電極絲。正式加工時(shí)，一般將進(jìn)給速度下降10％～20％，可有效減少短路和斷絲。

3 小結(jié)

影響加工質(zhì)量和線切割斷絲的因素很多，由于各種機(jī)床的設(shè)計(jì)策略及加工工藝不同，造成加工質(zhì)量下降和引起斷絲的原因也不同，有時(shí)可能不僅僅是一個(gè)或兩個(gè)因素，而是多個(gè)因素引起的。但只要對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)地分析和科學(xué)地分類，就可以對(duì)這些復(fù)雜而且零亂的因素進(jìn)行控制與調(diào)整，從而避免斷絲現(xiàn)象，提高加工工件質(zhì)量。