再析往復(fù)走絲電火花線切割機床的改進

梅建恩，顧元章，謝天導(dǎo)，邵劍民，邱雪興

（蘇州市寶瑪數(shù)控設(shè)備有限公司，江蘇蘇州 215151）

由于電火花線切割機床的切割效率、電極絲損耗率和工件表面粗糙度等3 項放電加工專項指標(biāo)互相矛盾，所以在一次切割中，同時實現(xiàn)這3 項高指標(biāo)是不可能的。要獲得最高切割效率，工件表面粗糙度必定差，電極絲損耗也大；要獲得切割工件表面最低粗糙度值，必然要使用很低的切割效率。

單向走絲電火花線切割機床采用多次切割工藝，巧妙地把這3 項指標(biāo)分別放在不同次的切割加工中來實現(xiàn)，從而避開它們之間的矛盾。在第一次切割時，可考慮在較小絲損條件下，優(yōu)先考慮以最大切割效率加工；在第二次修正切割和第三次微精切割時，由于電火花脈沖放電在敞開環(huán)境下進行，排屑容易，故切割效率已不是主要矛盾，可逐步減小脈沖能量，優(yōu)先以降低工件表面粗糙度值為主要目的進行加工。因此，從放電加工的原理上分析，在電火花線切割機床上采用多次切割加工工藝，代表著其發(fā)展的方向。如何滿足多次切割中每次切割側(cè)重點不同的的分工要求，是往復(fù)走絲電火花線切割機床改進的關(guān)鍵點。

1 往復(fù)走絲電火花線切割機床實現(xiàn)多次切割工藝時存在的問題

在往復(fù)走絲電火花線切割機床上試驗多次切割工藝已有10 多年。該工藝的運用確實使機床的應(yīng)用范圍擴大，但在實際使用中發(fā)現(xiàn)許多性能還不盡如人意。首先分析單向走絲電火花線切割機床和往復(fù)走絲電火花線切割機床之間存在的不同。寶瑪數(shù)控有研制單向走絲電火花線切割機床的經(jīng)驗，對照單向走絲和往復(fù)走絲兩類機床的不同，分析其中的原因，認(rèn)為往復(fù)走絲機床直接搬用多次切割工藝尚存在以下問題：

（1）目前，往復(fù)走絲電火花線切割機床一般都使用簡單的等頻脈沖電源。由于電火花脈沖放電的隨機性，實際放電狀態(tài)是極其復(fù)雜的，有時甚至是瞬變的。這種等頻脈沖電源在實際切割加工中，無法像單向走絲線切割機床那樣，可根據(jù)放電狀態(tài)的實際需要，智能地對每一個輸往放電間隙的脈沖能量進行實時控制，也無法實現(xiàn)最佳的脈間消電離時間。另外，簡單電源還沒有專門為修正切割和微精加工設(shè)計的專用電路；在電源部分、電柜的布線和功率脈沖傳輸?shù)确矫?，也沒有采取窄脈寬功率脈沖所需相應(yīng)的條件和措施。

（2）電火花線切割加工通過對工作臺伺服控制來維持穩(wěn)定的放電加工，機床伺服跟蹤特性決定著放電加工的連續(xù)性和穩(wěn)定性。單向走絲電火花線切割機床控制工作臺進給的電路是采用經(jīng)典的伺服控制電路。針對多次切割加工的不同目的要求，設(shè)計了最優(yōu)的伺服跟蹤電壓和特性曲線，從而達(dá)到較穩(wěn)定的切割效果。而目前往復(fù)走絲電火花線切割機床一般都采用“變頻電路”，電路中串接一個開關(guān)時間2～3 μs、32～36 V 的穩(wěn)壓管，以間隙電壓減去32～36 V 電壓后，再對差值電壓進行電壓-頻率轉(zhuǎn)換的一種簡單壓頻控制電路，來控制放電的連續(xù)進行。由于這種電路是連續(xù)采樣，實際工作臺的進給速度還受脈沖占空比的影響。它在實現(xiàn)多次切割工藝時，由于放電條件的不同，微精切割時使用的最小脈寬已遠(yuǎn)小于2 μs，所以該電路很難獲得最佳的伺服跟蹤性能。

（3）兩類不同走絲方式的電火花線切割機床，在采用多次切割工藝時，在機床機械設(shè)計上存在最重要的區(qū)別，即運絲的穩(wěn)定性有著巨大的差異，運絲速度的不同造成兩者運絲性能上的巨大差異。單向走絲電火花線切割機床的運絲速度很低，故采用電極絲張力的閉環(huán)控制。由于其運絲速度低，現(xiàn)有執(zhí)行元件的頻率響應(yīng)特性足以實現(xiàn)精確地實時閉環(huán)控制電極絲的張力，有些機床還采用多次張力閉環(huán)控制。而目前大部分的往復(fù)走絲線切割機床的運絲系統(tǒng)對張力的控制，還是很原始地靠操作工的經(jīng)驗和手感，先用人工緊絲的方法對儲存在絲筒上的全部鉬絲進行一次或多次緊絲。利用鉬絲的彈性變形，把預(yù)緊后的鉬絲繞在絲筒上，其后對鉬絲就不再控制。還有些機床安裝了機械式的或非對稱的機電緊絲裝置，但存在動作頻響低、緊絲容易松絲難等問題。另外，由于絲筒和其運動部件的制造中存在不可避免的允差、同軸度誤差、軸承游隙等，導(dǎo)致了鉬絲的高頻率振動；由絲筒的錐度和絲筒導(dǎo)軌相對于線架運動的平行度和直線度允差等，又決定著鉬絲的低頻率振動，且在絲筒運動時，這些允差往往會造成鉬絲長度累積誤差，即在貯絲筒兩端總會出現(xiàn)鉬絲張力一頭緊、另一頭松的現(xiàn)象。

單向走絲線切割機床采用間隙僅為5～10 μm的固定導(dǎo)向器作為導(dǎo)絲元件，其對電極絲的導(dǎo)向精度極高。往復(fù)走絲線切割機床在多次切割時，往往也采用導(dǎo)向器，但導(dǎo)向孔徑與鉬絲間的間隙不可能做得很小，鉬絲反復(fù)使用后，其絲徑不斷磨損，導(dǎo)向精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如前者。此外，鉬絲的縱向和橫向振動大，這些振動經(jīng)導(dǎo)向短細(xì)孔，通過衍射進入放電加工區(qū)。所以兩類機床同樣采用導(dǎo)向器，但導(dǎo)向精度卻存在很大差異。

經(jīng)分析，要實現(xiàn)高性能的多次切割加工，必須要對造成鉬絲振動的振源、貯絲筒和其部件的制造質(zhì)量進行控制，尤其對絲筒的徑向跳動、全跳動等誤差進行控制，采取對絲筒高頻振動的吸振措施，這些是造成鉬絲高頻振動的主因。就目前的研究現(xiàn)狀表明，用任何張力控制執(zhí)行元件還無法進行響應(yīng)和控制，有待進一步研究。對于鉬絲振動的低頻部分，可采用閉環(huán)張力的實時伺服控制來解決，這兩項措施是往復(fù)走絲電火花線切割機床實現(xiàn)多次切割的先決條件。

2 一種高性能往復(fù)走絲多次切割電火花線切割機床的設(shè)計

寶瑪數(shù)控分別針對上述問題進行了分析，通過改進設(shè)計，研制出了一種高性能往復(fù)走絲電火花線切割機床。

2.1 智能高頻脈沖電源

在研制單向走絲電火花線切割機床高頻脈沖電源的基礎(chǔ)上，把其智能高頻脈沖電源進行改進和發(fā)展，研制成一種適合于往復(fù)走絲線切割加工特點的高頻脈沖電源。該電源有以下特性：

（1）采用單向走絲線切割機床使用的智能高頻脈沖電源技術(shù)方案，根據(jù)放電狀態(tài)實時控制每一個輸往放電間隙的脈沖能量。在正常脈沖放電狀況時，實現(xiàn)等能量脈沖放電，從而實現(xiàn)在相同表面粗糙度條件下，獲得較高的切割效率，同時獲得較低的鉬絲損耗率。

（2）為第一次切割、第二次修正切割和第三次微精切割加工，分別設(shè)計了符合其特性要求，分為3個脈寬段和不同特性的電流波形的脈沖生成電路。最小的微精加工脈寬為0.3 μs。在功率脈沖輸出上，采用符合高頻功率脈沖傳輸要求的措施，以保證最終送入放電間隙的脈沖放電電流波形失真度最小。

（3）直接采用單向走絲電火花線切割機床的伺服控制電路。該電路采用脈寬時采樣、脈間保持的脈沖放電采樣方法。即使在脈寬1.2 μs 的微小脈沖下，該電路都能實現(xiàn)根據(jù)采樣放電狀況進行伺服跟蹤控制工作臺的進給。第一次切割、第二次修正切割和第三次微精切割時，采用不同伺服跟蹤和跟蹤靈敏度。采用這種伺服控制電路后，經(jīng)過第二次修正切割，基本可將試件的幾何精度誤差修正到5 μm 左右。經(jīng)過第三次微精切割，標(biāo)準(zhǔn)試件的幾何精度可修到3 μm。再經(jīng)第四次精細(xì)切割，標(biāo)準(zhǔn)試件的表面粗糙度值可達(dá)Ra0.7 μm。這樣，伺服控制電路就為實現(xiàn)高精度、低表面粗糙度值的微精切割加工創(chuàng)造了條件。

2.2 采用導(dǎo)輪軸向進電專利裝置

單向走絲和往復(fù)走絲電火花線切割機床都采用導(dǎo)電塊形式的進電裝置。電極絲作為導(dǎo)電副的一半，直接與超硬材料制成的導(dǎo)電塊滑動接觸傳輸功率脈沖大峰值電流。從理論上講兩者接觸面接近于線狀，且相對滑動摩擦速度即為運絲速度。前者由于運絲速度低而平穩(wěn)，采用該進電方法，傳輸功率脈沖能量較穩(wěn)定。但往復(fù)走絲線切割機床在第一次切割時，其滑動摩擦速度高達(dá)8～12 m/s，這樣不但造成鉬絲的機械磨損，帶有縱波、橫波振動高速運動的鉬絲還會造成兩接觸副之間的接觸不良，從而易誘發(fā)鉬絲與導(dǎo)電塊之間產(chǎn)生與放電間隙串聯(lián)的電蝕放電。一旦鉬絲與導(dǎo)電塊之間發(fā)生電蝕放電，這種在有氧環(huán)境中的脈沖放電會造成鉬絲的燒傷和導(dǎo)電塊的早期磨損；且電極絲與導(dǎo)電塊間的電蝕放電，往往易越演越劣，最后造成斷絲和燒蝕導(dǎo)電塊。此外，在使用以放電狀態(tài)采樣為控制脈沖能量基礎(chǔ)的智能高頻脈沖電源，會造成脈沖電源智能控制功能的不穩(wěn)定。為此，寶瑪數(shù)控引進了一項進電裝置專利，由一對專用的耐磨抗電蝕材料副來傳輸高頻脈沖能量。這對導(dǎo)電副采用平面接觸，兩者相對旋轉(zhuǎn)線速度僅為運絲速度的1/20 以下，且采用高頻響彈性裝置，以保證導(dǎo)電副間的可靠接觸。經(jīng)過二年的試用，該進電裝置工作壽命長，可靠性高，大大降低了鉬絲損耗。

2.3 采用全對稱閉環(huán)張力伺服控制的運絲系統(tǒng)

由于每只導(dǎo)輪都有各自的轉(zhuǎn)動慣量和摩擦力，在運絲時，鉬絲張力又存在振動。經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，在往復(fù)雙向運絲機構(gòu)上各段鉬絲的張力是不同的，且隨著鉬絲的雙向運動，各段鉬絲張力的大小大體隨運絲方向的轉(zhuǎn)換呈交替轉(zhuǎn)換狀況。

寶瑪數(shù)控設(shè)計了一種全對稱閉環(huán)張力伺服控制運絲系統(tǒng)，其特點是：

（1）不管鉬絲處在正方向還是反方向運絲，其張力檢測部件總是檢測包括放電加工區(qū)在內(nèi)的那一個鉬絲環(huán)內(nèi)的張力。由于是全對稱結(jié)構(gòu)，所以測試到的鉬絲環(huán)的張力，不會受到運絲方向改變的影響。這種機構(gòu)可保證不失真地檢測到放電加工區(qū)那一段鉬絲的實時動態(tài)張力。因此，該閉環(huán)張力控制機構(gòu)在設(shè)計合理性和檢測精度上具有獨特的優(yōu)點。

（2）為提高整個系統(tǒng)的頻率響應(yīng)速度，采用了伺服控制執(zhí)行元件。系統(tǒng)的伺服執(zhí)行元件可根據(jù)用戶的需要，或選用BYG 電機，或選用日本進口的安川交流伺服電機?？刂齐娐贩謩e有兩路輸出，可同樣滿足這兩類伺服電機的控制需要。

（3）鉬絲張力檢測部件經(jīng)過計量傳遞來校正，從而保證每臺機床鉬絲張力的精確度和一致性。整個鉬絲閉環(huán)張力伺服執(zhí)行機構(gòu)各部件間的自動控制，全部受電路中一套數(shù)字邏輯電路的控制，從而使整個閉環(huán)張力伺服控制系統(tǒng)工作可靠。

（4）運絲的閉環(huán)張力由機床數(shù)控系統(tǒng)控制。用戶在預(yù)置加工參數(shù)時，增加了一項“鉬絲張力”的預(yù)置輸入。在多次切割的每次轉(zhuǎn)換切割時，機床數(shù)控計算機將根據(jù)用戶預(yù)置張力自動改變鉬絲張力。經(jīng)用線材張力計實測，張力值的轉(zhuǎn)換是實時完成的。下一步將嘗試國外單向走絲電火花線切割機床所采用的“拐角處理”功能，在切割到輪廓拐角處，自動減少脈沖能量，同時適度增加鉬絲張力，從而提高切割輪廓的精度。

（5）機床斷絲保護和自動報警的檢測，改由張力檢測部件控制完成。其控制的靈敏度和反應(yīng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于目前采用兩塊導(dǎo)電塊與鉬絲同時接觸的斷絲檢測方案。這樣，在新機床的整個運絲系統(tǒng)上，不使用鎢鋼導(dǎo)電塊，從而大大降低了由于鉬絲與導(dǎo)電塊之間機械高速磨擦造成的鉬絲損耗。

（6）設(shè)計了閉環(huán)張力伺服控制機構(gòu)自動調(diào)整和位置保護裝置，設(shè)計了張力調(diào)整部件的極限位置保護裝置和燈光指示。在鉬絲張力自動調(diào)整至極限位置時，系統(tǒng)將聲、光報警。為方便用戶操作，系統(tǒng)設(shè)計手動方式和自動方式，可采用手動或自動調(diào)整張力控制執(zhí)行機構(gòu)返回到最佳起始位置。

（7）新機床還設(shè)計了自動預(yù)張力的自動上絲機構(gòu)。在完成自動上絲后，將由計算機控制鉬絲張力自動調(diào)整到用戶預(yù)置的張力值。完全取消了人工上絲、手工緊絲工序，從而真正達(dá)到歐共體CE 安全標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)機械指令的要求。

（8）新機床采用電動升降線架。在升降線架時，不必拆裝鉬絲，閉環(huán)張力系統(tǒng)可自適應(yīng)調(diào)節(jié)，始終保持預(yù)置的鉬絲張力。

3 機床加工測試實例

（1）精度和粗糙度

工件厚度40 mm，材料Cr12，平均加工速度55 mm2/min。三次切割試件尺寸精度為0.004 mm，表面粗糙度Ra1.0 μm。

工件厚度20 mm，材料Cr12，平均加工速度20 mm2/min。四次切割試件尺寸精度為0.004 mm，表面粗糙度Ra0.7 μm。

（2）鉬絲損耗

工件厚度40 mm，材料Cr12，平均加工速度80 mm2/min。加工300 000 mm2，鉬絲損耗為0.01 mm。

（3）切割效率

工件厚度40 mm，材料Cr12。實用穩(wěn)定切割效率：在120 mm2/min 下穩(wěn)定切割500 000 mm2；較大切割效率：在200 mm2/min 下切割12000 mm2以上；最大切割效率：250 mm2/min。