對(duì)往復(fù)走絲電火花線切割加工技術(shù)發(fā)展的思考

張旭東,李謝峰

(1.杭州華方數(shù)控機(jī)床有限公司,浙江杭州310024;2.南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院,江蘇南京210016)

1 往復(fù)走絲和單向走絲線切割加工技術(shù)的區(qū)別

1944年,前蘇聯(lián)學(xué)者拉扎連珂夫婦發(fā)明了電火花加工,20世紀(jì)50年代初期傳入我國(guó),并開(kāi)始研究和應(yīng)用電火花加工技術(shù),自主研發(fā)了具有中國(guó)特色的往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床。

電火花線切割的加工原理是利用連續(xù)移動(dòng)的細(xì)金屬絲(稱為電極絲)作電極,對(duì)工件進(jìn)行脈沖火花放電蝕除金屬、切割成形。電火花加工是非接觸加工,可加工薄壁件、導(dǎo)電超硬材料,特殊的熱敏材料,半導(dǎo)體材料,特殊及復(fù)雜形狀零件,并可以優(yōu)化工藝路線。

電火花線切割機(jī)床主要分為單向走絲電火花線切割機(jī)床(單向走絲機(jī)床)和往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床(往復(fù)走絲機(jī)床、中走絲機(jī)床)。

單向走絲機(jī)床加工模式為:其電極絲作低速單向運(yùn)動(dòng),一般走絲速度低于0.2 m/s,電極絲放電后不再使用,工作液是去離子水,由于需要保證去離子水的電導(dǎo)率、離子數(shù)、溫度,所以需要增加過(guò)濾系統(tǒng)、消電離系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng),從而保證工作穩(wěn)定、均勻,加工質(zhì)量較好。一般切割厚度在300 mm以下,最高切割厚度600 mm,對(duì)形狀復(fù)雜零件的加工尺寸精度可達(dá)到 ±2～5 μ m;表面粗糙度可達(dá)到Ra 0.1～ 0.2 μ m(多次切割),最高切割速度(一次切割)可超過(guò)300 mm2/min。機(jī)床的自動(dòng)化程度高,加工穩(wěn)定性好,已向無(wú)人化加工發(fā)展。

往復(fù)走絲機(jī)床是我國(guó)獨(dú)創(chuàng)的電火花線切割加工模式,也是我國(guó)電加工機(jī)床行業(yè)生產(chǎn)和使用的主要機(jī)種,其電極絲作高速往復(fù)運(yùn)動(dòng),一般走絲速度為8～10 m/s,電極絲可重復(fù)使用,工作液是油基、乳化液、復(fù)合工作液,此類工作液能保證在一段時(shí)間內(nèi)切割穩(wěn)定,因而不需要額外的設(shè)備來(lái)控制,但高速走絲容易造成電極絲抖動(dòng)和反向時(shí)停頓,使加工質(zhì)量下降。我國(guó)的電火花線切割機(jī)床最大切割厚度能達(dá)到1 000 mm以上,最大切割速度為266 mm2/min,尺寸精度為±0.01 mm,表面粗糙度一般為Ra 2.5μ m,最佳可達(dá) Ra0.6 ～ 1 μ m 。

2 往復(fù)走絲線切割加工技術(shù)的“生命力”

一項(xiàng)技術(shù)的價(jià)值在于應(yīng)用,應(yīng)用取決于生產(chǎn)實(shí)踐的需求,所以需求決定技術(shù)的生命力。

對(duì)于往復(fù)走絲電火花線切割加工技術(shù)的價(jià)值,也應(yīng)由市場(chǎng)需求來(lái)決定。而對(duì)于往復(fù)走絲機(jī)床的需求來(lái)自于經(jīng)濟(jì)性和不可代替性兩個(gè)方面。

2.1 “往復(fù)走絲”的經(jīng)濟(jì)性

(1)設(shè)備制造成本:單向走絲機(jī)床所用的工作液是去離子水,同時(shí)由于其技術(shù)的要求,必須精確控制去離子水的電導(dǎo)率、壓力、離子數(shù)和溫度,因而附加了很多控制這些因素的設(shè)備,比如過(guò)濾系統(tǒng)、消電離系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng),導(dǎo)致單向走絲機(jī)床的設(shè)備制造成本高。而往復(fù)走絲機(jī)床所用的工作液主要是油基、乳化液、復(fù)合工作液,只需和水進(jìn)行合適的配比,而不必進(jìn)行復(fù)雜的測(cè)量和控制,因而附加設(shè)備很少。故單向走絲機(jī)床的制造成本遠(yuǎn)大于往復(fù)走絲機(jī)床。

(2)設(shè)備使用成本:單向走絲機(jī)床的電極絲是一次性使用,而往復(fù)走絲機(jī)床的電極絲是循環(huán)使用,大大節(jié)約了使用成本。單向走絲機(jī)床的工作液消電離需要樹(shù)脂、過(guò)濾需要過(guò)濾芯,每隔一段時(shí)間就要更換,而往復(fù)走絲機(jī)床工作液本身的特點(diǎn)決定它不需要這些消耗品。由于單向走絲機(jī)床附加了很多設(shè)備,必然導(dǎo)致其損耗的電能大于往復(fù)走絲機(jī)床。

目前市場(chǎng)價(jià)格,往復(fù)走絲機(jī)床為4～15萬(wàn)元,而單向走絲機(jī)床為50～100萬(wàn)元或更高。

除了加工精密(高精度和表面粗糙度)的零件,對(duì)中低精度和表面粗糙度要求的零件,往復(fù)走絲機(jī)床有著巨大的市場(chǎng)需求,雖然單向走絲機(jī)床也能加工這些零件,但加工成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)要大于往復(fù)走絲機(jī)床。如在切割速度為100 mm2/min,切割厚度60 mm的材料,對(duì)于往復(fù)走絲機(jī)床,電極絲(鉬絲)一次上絲長(zhǎng)度約300 m,其成本約30元,連續(xù)切割面積可達(dá)100萬(wàn)mm2,電極絲的成本為 3×10-5元/mm2,而用單向走絲機(jī)床切割,電極絲的成本為1.7×10-3元/mm2。

2.2 “往復(fù)走絲”具有不可替代性

往復(fù)走絲機(jī)床能切割更高厚度(600 mm以上)工件,而單向走絲機(jī)床卻望塵莫及,主要原因是:①單向走絲機(jī)床的絲速低于0.2 m/s,對(duì)于材料厚度在600 mm以上的工件,排除蝕除物的距離拉長(zhǎng),由于走絲速度慢,因而工作液不易被帶進(jìn)切縫,只能依靠水壓噴入,因?yàn)榭p隙很窄,高度越高,噴入就越困難,因而加劇了排屑的難度,從而造成切割困難,工件的表面質(zhì)量變差,增加了材料上端與下端的尺寸誤差;②往復(fù)走絲的絲速為8～10 m/s,由于走絲速度很快,工作液更容易被帶進(jìn)加工區(qū)域,從而能正常地排除蝕除物,使蝕除量和排屑量保持相對(duì)平衡的狀態(tài),保證了加工的穩(wěn)定性;③在大型零件的加工,比如船舶的大型齒輪加工、軍工大型特殊材料的加工,往復(fù)走絲加工具有不可替代性和經(jīng)濟(jì)性。

在數(shù)量巨大的機(jī)械零件和中低端模具零件加工領(lǐng)域,往復(fù)走絲機(jī)床的應(yīng)用更具優(yōu)勢(shì),市場(chǎng)潛力巨大,發(fā)展前景廣闊。只有清醒地看到這些,不斷地研發(fā)新技術(shù)、新工藝,并應(yīng)用于我們的產(chǎn)品上,提升往復(fù)走絲加工的工藝技術(shù)特長(zhǎng),才能使中國(guó)特色的往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床具有更強(qiáng)的生命力。

現(xiàn)在行業(yè)中各企業(yè)投入大量的資金和人力研究往復(fù)走絲機(jī)床的多次切割技術(shù),但有些盲目追求單向走絲機(jī)床的工藝指標(biāo),摒棄了往復(fù)走絲機(jī)床獨(dú)有的特點(diǎn)——經(jīng)濟(jì)性和不可替代性,偏離了正確的技術(shù)發(fā)展方向,所以我們必須有理性地市場(chǎng)定位和科學(xué)的技術(shù)發(fā)展方向。這樣往復(fù)走絲加工技術(shù)才會(huì)有更大、更廣的發(fā)展空間。

3 往復(fù)走絲電火花線切割加工技術(shù)發(fā)展定位

我國(guó)往復(fù)走絲機(jī)床生產(chǎn)應(yīng)用已有40多年歷史,近幾年來(lái),在往復(fù)走絲機(jī)床的基礎(chǔ)上借鑒單向走絲機(jī)床的多次變速切割技術(shù),發(fā)展了中走絲線切割機(jī)床(屬往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床范疇)。如今,我們認(rèn)為行業(yè)有必要認(rèn)真地回顧和反思發(fā)展過(guò)程中的一些經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn),這對(duì)往復(fù)走絲電火花線切割技術(shù)進(jìn)一步健康的發(fā)展非常必要。如前所述,往復(fù)走絲電火花線切割技術(shù)的發(fā)展應(yīng)該基于其經(jīng)濟(jì)性和不可替代性,而盲目追求過(guò)高的技術(shù)指標(biāo),甚至希望達(dá)到單向走絲加工的技術(shù)水平和往復(fù)走絲電火花線切割技術(shù)已經(jīng)沒(méi)有發(fā)展空間的觀點(diǎn)都是不可取的。

行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中工藝技術(shù)指標(biāo)的制定,與單向走絲機(jī)床相比,不僅僅是工藝指標(biāo)的量不同,而更要體現(xiàn)往復(fù)走絲機(jī)床獨(dú)有的特征。

3.1 往復(fù)走絲線切割加工技術(shù)發(fā)展的主要方向

(1)現(xiàn)有往復(fù)走絲機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)水平還較低。以前我國(guó)往復(fù)走絲機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)是基于DOS平臺(tái)設(shè)計(jì)的,但現(xiàn)在越來(lái)越不能符合客戶的要求,所以開(kāi)始發(fā)展基于Windows平臺(tái)下的數(shù)控系統(tǒng),這樣必然導(dǎo)致知識(shí)產(chǎn)權(quán)的問(wèn)題,因?yàn)镈OS是開(kāi)放的知識(shí)平臺(tái),而Windows需要支付版權(quán)使用費(fèi),同時(shí)編程軟件也是國(guó)外的CAD軟件,這些也需要支付版權(quán)使用費(fèi),這樣往復(fù)走絲機(jī)床(包括中走絲機(jī)床)未來(lái)的發(fā)展必然受到桎梏,我們應(yīng)根據(jù)往復(fù)走絲線切割技術(shù)特點(diǎn),開(kāi)發(fā)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的編控軟件并逐步提高和完善。

(2)對(duì)走絲系統(tǒng)的精度和張力控制的研究不斷完善和深入。因?yàn)檫@兩個(gè)因素決定著正常放電的連續(xù)性,目前對(duì)電極絲導(dǎo)向輪,導(dǎo)向器的精度、壽命和防水的研究滯后,如低損耗長(zhǎng)壽命的導(dǎo)輪、導(dǎo)輪總成、導(dǎo)向器。

(3)脈沖放電電源的深入研究、電火花放電狀態(tài)的檢測(cè)和控制技術(shù)、電極絲壽命的研究。電極絲壽命是往復(fù)走絲電火花線切割生命力的根源,應(yīng)基于電極絲壽命追求高精度和低的粗糙度,比如在切割工件時(shí),電極絲在較短時(shí)間內(nèi)斷絲,會(huì)提高加工成本,同時(shí)斷絲后換絲繼續(xù)切割,會(huì)降低工件的加工質(zhì)量,所以切割連續(xù)性對(duì)“往復(fù)走絲”非常重要。

(4)電極絲及制造工藝的研究。如對(duì)電極絲表面鍍層的工藝性研究。

(5)工作液性能和壽命的研究?；谕鶑?fù)走絲電火花線切割技術(shù)的本質(zhì),對(duì)工作液進(jìn)行定位。提高切割速度,已經(jīng)是行業(yè)的一個(gè)重要的發(fā)展方向,切割速度包含兩個(gè)方面:工件的蝕除速度和工作液的排屑速度。只有這兩個(gè)速度同時(shí)提高,才能提高切割速度。如果工件的蝕除速度大于排屑速度,那么會(huì)出現(xiàn)加工不穩(wěn)定,切割速度下降,并且影響表面質(zhì)量。因此只有工作液和脈沖電源相輔相成,切割速度才能提高。滿足指定的加工工藝指標(biāo)要求,一次配制,連續(xù)切割的面積,稱為工作液壽命,工作液壽命決定往復(fù)走絲加工的連續(xù)性和一致性,延長(zhǎng)工作液的使用時(shí)間,減少了人工操作成本,這樣工作液的壽命就非常有意義了。

(6)對(duì)穩(wěn)定切割600 mm以上超高厚度的技術(shù)發(fā)展要投入更多的力量。

(7)進(jìn)一步提高坐標(biāo)工作臺(tái)的精度和持續(xù)性。

特別要強(qiáng)調(diào)的是,以上技術(shù)的發(fā)展都要基于往復(fù)走絲線切割機(jī)床的經(jīng)濟(jì)性和不可代替性。

3.2 往復(fù)走絲線切割加工技術(shù)發(fā)展的定位

(1)基于往復(fù)走絲電火花線切割技術(shù)的本質(zhì),對(duì)精度和表面粗糙度定位要適當(dāng)。由于電極絲是重復(fù)使用,客觀存在電極絲損耗;再者,鉬絲在高溫影響下,其彈性性能會(huì)變化,從而使其屈服程度也變化,必然造成電極絲前后空間位置的不一致,導(dǎo)致形狀輪廓誤差;由于電極絲換向還會(huì)產(chǎn)生放電的周期性停頓和電極絲張力的波動(dòng),以上因素不利于加工精度和表面粗糙度的提高,所以這兩方面的指標(biāo)不能定得太高。否則,電極絲的壽命將大大下降,必然增加使用成本。如果為進(jìn)一步提高指標(biāo)采用更復(fù)雜的技術(shù),其效果有限,而制造成本大幅提高,失去了其經(jīng)濟(jì)性,所以要將往復(fù)走絲機(jī)床的精度和表面粗糙度定位在中低精度水平,才能保持切割指標(biāo)的連續(xù)性和一致性。我們認(rèn)為比較合理的定位是:尺寸精度≤±0.005 mm,表面粗糙度 Ra≤1 μ m,同時(shí)電極絲壽命應(yīng)≥20萬(wàn)mm2,這樣才能真實(shí)體現(xiàn)往復(fù)走絲電火花線切割技術(shù)的價(jià)值。

(2)基于往復(fù)走絲電火花線切割技術(shù)的價(jià)值特點(diǎn),大量應(yīng)用于一次切割的工藝,所以切割速度的工藝指標(biāo)更有意義,要大力發(fā)展高速切割的技術(shù),同時(shí)準(zhǔn)確全面評(píng)估切割速度也非常重要。我們認(rèn)為準(zhǔn)確的切割速度指標(biāo)應(yīng)包含電極絲壽命,如切割60 mm厚碳鋼工件,一次切割速度應(yīng)定位≥150 mm2/min,同時(shí)電極絲壽命應(yīng)為50萬(wàn)mm2。

(3)超高厚度工件切割是往復(fù)走絲機(jī)床不可替代性的主要方面,可靠穩(wěn)定切割1 000 mm以及更高厚度工件是往復(fù)走絲技術(shù)發(fā)展的重要方向,提高智能切割變頻進(jìn)給技術(shù)是關(guān)鍵。對(duì)加工600 mm厚工件,切割速度應(yīng)定位在70 mm2/min以上,電極絲壽命50萬(wàn)mm2。

4 結(jié)論與展望

(1)往復(fù)走絲電火花線切割技術(shù)指標(biāo)應(yīng)定位在中低精度機(jī)械零件的加工,且有巨大市場(chǎng)需求。

(2)往復(fù)走絲電火花線切割技術(shù)的發(fā)展必須要基于經(jīng)濟(jì)性和不可替代性,發(fā)展空間巨大。

(3)作為引導(dǎo)行業(yè)健康發(fā)展的行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)必須體現(xiàn)往復(fù)走絲電火花線切割技術(shù)的獨(dú)有特點(diǎn)。加工精度、表面粗糙度和切割速度都應(yīng)在一定的電極絲壽命的前提下,這樣才有實(shí)際意義。

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