高速往復走絲電火花線切割的現狀及發(fā)展

劉志東

（南京航空航天大學，江蘇 南京 210016）

0 引言

我國獨有的高速往復走絲電火花線切割機床［1-2］（high speed wire–cut electrical discharge machining，HSWEDM）以其較高的性價比，在機械零件加工和中低端模具加工領域體現出巨大的市場潛力，發(fā)展前景廣闊。近年來國內生產HSWEDM的企業(yè)為了應對日趨激烈的市場競爭，滿足客戶不斷提高的加工需求，都將提高機床的加工精度和加工表面品質為主攻方向，但中國的HSWEDM究竟該向什么方向發(fā)展，本文進行了一些有益的探討。

1 HSWEDM的市場分布、容量及在國內外的應用狀況

HSWEDM的制造廠商全部都是中國本土企業(yè)，制造企業(yè)超過200家，主要集中在江蘇、浙江、北京等省市，而銷售主要以東部沿海地區(qū)的江蘇、浙江、廣東為主，在國外HSWEDM應用的國家地區(qū)主要集中在東南亞、中東、南美以及部分歐共體國家（德國、意大利等），目前銷量呈現出較大幅度的上升趨勢，尤其以印度、越南最為明顯。HSWEDM的年產量已達6萬臺，目前全國保有量已達60萬臺以上［3］。目前HSWEDM主要應用在中低端模具的加工、中小批量零件的加工生產以及一些特殊材料的切割方面。但HSWEDM加工中由于需要較多的人工操作及干預，可控性較差，并且操作環(huán)境較臟，因此主要應用在發(fā)展中國家和地區(qū)。

2 HSWEDM技術的發(fā)展現狀

2.1 HSWEDM的切割效率

HSWEDM的加工工藝指標尤其是切割效率在解決了極間冷卻的指導思想，經歷了從20世紀80年代至21世紀初的沉寂后，目前已經有了質的提高。采用智能脈沖電源，配合復合工作液，目前可以達到的切割加工指標是:以平均100 mm2/min的切割效率切割350 000 mm2工件，實際鉬絲損耗小于0.01 mm;切割工件厚度為120 mm的Cr12模具鋼，平均加工電流為7.2 A～7.3 A，連續(xù)切割10 000 mm2工件，平均切割效率為210 mm2/min;最大切割效率目前已經超過250 mm2/min。上述指標已經接近或達到中低檔低速單向走絲電火花線切割（low speed wire－cut electrical discharge machining，LSWEDM）的一般切割效率要求，但由于HSWEDM的運行成本僅僅是LSWEDM的幾十分之一甚至百分之一，因此在中小批量零件的切割生產中，HSWEDM具有十分明顯的優(yōu)勢。能達到上述工藝指標的主要原因在于:首先是利用復合工作液保證了加工處于正常的極間冷卻狀態(tài)，其次，合理地調整放電脈沖電流的前后沿，減少了電極絲在加工過程的損耗［4］;第三，對極間非正常脈沖放電及時調整，如采用等能量脈沖，發(fā)現連續(xù)非正常放電時，及時切斷脈沖輸出以保護電極絲不受損傷等［5］。其典型的放電脈沖波形如圖1所示。

圖1 智能型脈沖電源典型等能放電波形圖

2.2 高厚度切割

HSWEDM有別于LSWEDM的一個顯著差異就在于能進行穩(wěn)定的高厚度（厚度 ＞500 mm）切割。對于LSWEDM而言，極間冷卻的保障是依靠去離子水高壓噴入放電間隙以維持冷卻與消電離狀態(tài)，因此，當切割厚度超過200 mm后，斷絲幾率就會大大增加，而HSWEDM由于極間的工作介質主要依靠電極絲帶入，因此，采用洗滌性良好的復合工作液后，冷卻、洗滌及消電離等問題已不再成為高厚度切割的阻礙［6］。目前商品化的HSWEDM最高切割厚度已超過1 000 mm，并且已有1 500 mm以上切割厚度的定制產品問市。

2.3 大錐度切割

錐度切割時，電極絲須傾斜切入工件，因此，對于LSWEDM而言采用去離子水平行于電極絲傾斜高壓噴射進入工件幾乎是不可能的。因此在切割厚度較大的大錐度工件時，由于冷卻不佳更加容易斷絲。但HSWEDM主要是依靠電極絲將工作液帶入切縫，因此只要工作液能較好地包裹住電極絲并隨電極絲進入工件就比較容易實現大錐度工件的穩(wěn)定切割。目前HSWEDM大錐度切割要解決的主要問題是如何保證工作液包裹住電極絲及解決由于導輪直徑引起的U向交切誤差（圖2）導致錐度切割誤差較大的問題。

圖2 導輪定位U向平移產生交切誤差示意圖

目前HSWEDM常用的大錐度四連桿機構原理如圖3所示。

圖3 普通四連桿擺動式大錐度線架原理圖

四連桿大錐度機構進行大錐度運動時，導輪的交切誤差只能依靠軟件進行理論補償。由于錐度機構本身存在各種機械誤差，而補償的模型是建立在理論結構的基礎上的，因此導致實際補償后錐度切割的誤差可能會更大并且無規(guī)律可循。而為了避免因錐度頭U向運動引起的電極絲與噴水板的干涉，往往將噴水嘴做成長條形狀（圖4），這樣會導致工作液無法包裹住電極絲，致使對極間冷卻效果大大降低，影響切割表面品質及切割穩(wěn)定性。

圖4 長槽式噴水板結構圖

為解決此問題劉志東設計了一種大錐度噴水自動跟蹤專利結構，其原理如圖5所示，其在U，V方向的導絲定位原理如圖6、7所示，機床照片如圖8所示。其噴水嘴能隨錐度頭U向運動產生擺動，通過擺動噴嘴保證噴水板與電極絲始終處于垂直狀態(tài)，從而對電極絲進行導絲并保證噴水能包裹住電極絲，以提高切割精度、穩(wěn)定性及大錐度、大厚度的切割能力。目前HSWEDM的最大切割錐度已經可達±45°。

圖8 噴水自動跟蹤大錐度機床

2.3 穩(wěn)定多次切割的實現

HSWEDM自20世紀80年代就已被證明可以進行多次切割，并且能達到較高的表面品質及切割精度［7］。但由于當時未能解決極間冷卻問題致使一次切割效率不高（穩(wěn)定切割效率基本在80～100 mm2/min），從而導致多次切割實用價值不大。隨著本世紀初劉志東研制的復合工作液的出現及HSWEDM軟硬件控制技術的發(fā)展，俗稱“中走絲”的HSWEDM多次切割技術已成為一種實用的改善表面加工品質及精度的工藝方法［8］。但“中走絲”切割的穩(wěn)定性、持久性又成為困擾其進一步發(fā)展的瓶頸，其最根本的問題仍然是如何保障電極絲空間位置的穩(wěn)定性。具體體現在導輪壽命不長及導絲器使用不便等問題上。由于一般的導輪結構無法做到防止工作液進入導輪軸承，在導輪高速旋轉（6 000～8 000 r/min）加工同時，伴隨著工作液進入導輪組件軸承內部，工作液內的高硬度蝕除產物將對軸承形成嚴重的磨損，使得導輪對電極絲的定位精度很快就喪失殆盡;此外傳統的圓孔導絲器由于穿絲十分困難，并且很快被電極絲所磨損，因此導絲器對電極絲如何很好地限位也是“中走絲”穩(wěn)定切割的一個實際難題。近期隨著劉志東研制的長壽命導輪（圖9）及開合式導絲器（圖10）的設計并投入實際使用［9-10］。電極絲空間位置的穩(wěn)定性及持久性得到了一定程度的提高。長壽命導輪采用軸承內置結構，阻止工作液直接侵入軸承，開合式導絲器的使用方便了電極絲的掛絲，并且能實現全方位導絲作用。目前HSWEDM多次切割已經能達到Ra＜0.8 μm，切割精度穩(wěn)定在0.01 mm以內。較好的情況下三次切割（割一修二）綜合效率可達 80 mm2/min，Ra ＜1.2 μm［11］。

但在切割精度方面必須清醒認識到，由于HSWEDM受到電極絲換向沖擊、電極絲因為往復走絲直徑的損耗以及工作介質和電極絲張力不能精確控制等因素的影響，切割精度進一步提高難度很高，因此切割精度提高已經處于一個瓶頸狀態(tài)。

2.4 HSWEDM 電極絲的壽命［12］

在HSWEDM加工中電極絲是重復使用的，而在LSWEDM加工中電極絲只是一次性使用，所以電極絲壽命對HSWEDM的加工的影響極大，同時也是影響切割精度和表面品質的重要因素和提升應用價值的重要途徑。目前杭州華方有限公司的HSWEDM，在平均電流4 A和使用佳潤1 A復合工作液條件下，切割60 mm的#45鋼，一次上絲（300 m）切割工件面積可以達到900 000 mm2，平均切割效率超過100 mm2/min。

2.5 半導體及其他特種材料切割

半導體晶體因其對光、熱、電、磁等外界因素變化具有十分敏感而獨特的電學性質，已成為尖端科學技術中應用最為活躍的先進材料，特別是在通訊、家電、工業(yè)制造、國防工業(yè)、航空航天等領域中具有十分重要的作用［13］。半導體材料的電火花線切割又是HSWEDM應用領域的重要拓展，由于半導體進電時接觸勢壘及體電阻的存在，使得采用目前傳統的電火花加工伺服控制系統完全失效，無法準確判斷正常加工和短路狀態(tài)，只能以恒速進給，因此無法保障切割的軌跡精度。劉志東課題組在深入研究半導體特殊的電特性的基礎上，采用新型脈沖電源及改進的伺服控制系統，已實現了對電阻率10 Ω·cm以內的半導體材料的穩(wěn)定切割。圖11為P型單晶硅（2.1 Ω·cm）變厚度切割的樣件，圖12為微小、復雜和非直線切割樣件。

同時HSWEDM也已經被用在對聚晶金剛石及聚晶金剛石成形刀具的修整加工方面。

3 HSWEDM存在的主要問題

3.1 發(fā)展方向

對于普通的HSWEDM機床生產，由于企業(yè)進入的技術門檻比較低，因此目前國內存在大量的低水平重復性生產的企業(yè)，主要集中在江浙一帶。這些企業(yè)生產的重點都集中在如何降低產品的制造成本方面，因此沒有在產品品質、技術、外觀方面的投入，在產品的銷售方面只是單純的進行價格的拼殺，這些企業(yè)產品在市場的流行造成了整個HSWEDM市場魚龍混雜，客觀上對整個HSWEDM的發(fā)展起到了阻礙作用。因此必須通過國家機床行業(yè)的強制執(zhí)行標準、行業(yè)的監(jiān)督及市場逐步的篩選，完成市場的規(guī)范運作。

3.2 技術研發(fā)方向

HSWEDM自身的特點決定了該設備是一種適合中低精度零件高效穩(wěn)定切割及高厚度、大錐度及特種材料切割的設備，因此在這些方面的研究投入以達到高效穩(wěn)定切割是十分有必要的。HSWEDM還是有許多技術值得科研機構認真地進行研究的，目前涉及HSWEDM的主要核心問題有:智能高頻脈沖電源控制、電極絲張力控制、工作液量化控制和工作臺精度控制等。

3.3 工作液系統

目前在使用復合工作液下，切割效率、工件的表面品質和電極絲壽命等工藝參數指標得到大幅度的提升，但是經過一段時間，復合工作液將會失效，從而導致各項工藝指標降低，所以復合工作液的使用壽命對加工起到至關重要的作用，而對這方面的研究沒有量化和標準化，沒有一種實用且有效的方法去判別復合工作液失效，除此之外，對工作液的過濾系統的研究也較少。

3.4 人機環(huán)境一體化

隨著社會的發(fā)展，以人為本的思想深入人心，新一代成長起來的技術工人對工作環(huán)境和個人發(fā)展的要求越來越高。而目前的HSWEDM機床的工作環(huán)境較差，勞動強度較高（如穿絲），培訓周期較長，但工人的收入一般，人機環(huán)境如果不進行改進和調整，企業(yè)很難培養(yǎng)出安心此工作的熟練技術工人，也會導致這種工藝方法在零件生產中的認可度下降。因此注重機床的環(huán)保性能，創(chuàng)造一個良好的工作環(huán)境，并提高機床的自動化程度，降低工人的勞動強度將是今后HSWEDM產品一個最主要和長期發(fā)展的方向。

4 HSWEDM發(fā)展方向

4.1 提高切割效率，面向零件加工

HSWEDM的發(fā)展主要有兩個方向，其一是追求更高精度，更好表面品品質以及在電極絲使用壽命內的持久性，滿足中端市場的需求;另一個是更高切割效率的實現以及在電極絲壽命周期內的持久性［14］。針對HSWEDM的特點，提高切割效率，應用于中低端精度零件的加工是一個很有前途的發(fā)展方向。目前，由于高頻智能脈沖電源和復合工作液的運用，最高加工效率已達250 mm2/min，目前發(fā)展的重點是進一步提高在電極絲壽命內的高效性和持久性，如果能做到這一點，HSWEDM必能在零件加工領域占有更重要位置，進一步起到替代金屬切削機床的很大一部分工作。

4.2 大厚度、大規(guī)格、大錐度加工

HSWEDM電極絲運動速度快，適用于大厚度、大錐度切割的特點是LSWEDM所無法匹敵的。HSWEDM較高的性價比也使得在大規(guī)格零件加工中具有比LSWEDM更加明顯的優(yōu)勢。但HSWEDM大厚度、大規(guī)格、大錐度切割同樣面臨著持久穩(wěn)定切割的問題，其中困擾HSWEDM幾十年的問題就是所謂的電極絲“單邊松絲”及大錐度切割時“導輪的交切誤差”問題，目前劉志東課題組對上述問題的機理研究已經獲得了顯著進展，初步解決了電極絲“單邊松絲”問題，大大提高了大厚度、大規(guī)格、大錐度零件切割的穩(wěn)定性。伴隨著適合大厚度切割的智能高頻電源和復合工作液的進一步研究，并建立大厚度切削的工藝數據庫。HSWEDM在這方面的優(yōu)勢將獲得長久的保持。

4.3 高精度及表面完整性

多次切割技術是電火花線切割提高加工精度及表面品質的根本手段［15］。具有多次切割功能的HSWEDM機床（俗稱“中走絲”）已成為HSWEDM的發(fā)展趨勢，代表了HSWEDM的技術水平，隨著“中走絲”機床技術水平的不斷提高，其切割精度和表面品質已經可以部分替代中低檔的LSWEDM機床，目前關鍵的問題是要解決切割精度的持久穩(wěn)定性問題，而最核心的問題就是電極絲空間位置穩(wěn)定性的保持。目前隨著長壽命導輪、開合式導絲器、單邊松絲問題的解決、閉環(huán)張力控制裝置、智能脈沖電源及復合工作液等綜合技術的采用，“中走絲”的切割精度及持久性已經獲得很大的提高，后續(xù)的發(fā)展應該圍繞著精密切割的細節(jié)技術方面進行，如尖角切割時能量、張力、軌跡的控制調整方面，以提高精密環(huán)節(jié)的精度。但也必須清楚認識到“中走絲”采用的仍然是往復走絲方式，還存在電極絲的損耗、換向的沖擊及工作液、張力的量化控制等一系列問題，因此HSWEDM精度的提高目前已經到了一個瓶頸階段，精度的進一步提高所面臨的困難和代價都是很高的。

當進入精密加工領域后，表面變質層和微裂紋等問題就成為影響零件機械性能的重要問題。在LSWEDM采用去離子水進行各種復雜形狀零件高精度加工時，人們便注意到電蝕（電解）問題的危害，由此發(fā)明了抗電解電源以防止普通脈沖電源所產生的微弱的電解及銹蝕問題。在目前的“中走絲”切割中，由于所使用的工作液均含有較多的電解質，因此對工件表面的電解作用肯定不可避免。劉志東課題組提出的“在最后一次精修加工中使用不含離子的礦物油作為工作介質，從而保證最后一次切割不會產生電解作用的方法”己被證明該方法是適合和可行的。

4.4 加工參數的可控性

HSWEDM一直是一種對操作人員技術和經驗依賴度較高的設備，而這一問題在現今產品的使用和推廣，尤其是在國際市場上已經體現出諸多的局限，因此對于HSWEDM參數的可控性已成為需要刻不容緩解決的問題。目前已經通過變頻器實現了對絲速的控制;利用高頻智能脈沖電源實現了對脈沖波形輸出的控制;在對電極絲張力控制方面，雖然嘗試了如重錘式，力矩電動機式等許多方法，但仍未能找到上絲簡單可靠，操作人員易于接收的理想方式;另一個可控方面的難點是工作液的量化控制問題，復合工作液的研制成功，極大地促進了HSWEDM加工指標的提高，加速了“中走絲”機床的實用化和商品化，但復合工作液性能與加工指標的對應關系及量化控制目前還沒有具體的解決措施，這就需要開發(fā)出一套工作液控制系統，包含工作液關鍵指標的量化，工作液噴液的量化，工作液壽命的量化等，以完善HSWEDM的參數可控性。

4.5 操作自動化

隨著企業(yè)用工成本的不斷上升，使用HSWEDM機床的企業(yè)對機床操作自動化的要求將會越來越高，越來越多的工作需要依靠機床自身來完成。如在LSWEDM上普遍使用的自動穿絲技術，遇到異常切割狀況時的高頻脈沖電源自動調整處理，自動尋找穿絲孔位置等，尤其是上絲的方便性和自動化程度，是HSWEDM實現操作自動化要求的迫切需要，當然其難度也是相當高的。目前應該著力發(fā)展減少上絲工作量的半自動化上絲操作機構。

4.6 節(jié)能環(huán)保

在節(jié)能環(huán)保日益重視的今天，開發(fā)節(jié)能環(huán)保的電火花線切割機床將會變成一種社會的必然要求。其含義主要包括:對機床進行結構的改進設計，在提高機床自身品質的同時，給工人創(chuàng)造一個潔凈的工作環(huán)境，目前國內開發(fā)出的“環(huán)保型”機床主要是針對加工時工作液的飛濺和霧化進行防護，以改善操作環(huán)境，機床的專利外觀設計如圖13所示;而更重要的是對工作液進行凈化過濾以及廢液的處理，如何使失效的廢液達到環(huán)保排放的要求是需要認真研究的課題。目前全年的HSWEDM工作原液的生產量已經超過1萬噸，稀釋成工作液后最后排放到大自然的將超過10萬噸，而這些廢液基本上均是未經過處理的，已經對自然環(huán)境造成了巨大的污染，這一問題是必須解決的問題?，F在主要通過逐步淘汰油劑工作液，推廣環(huán)保組分的復合型工作液，并且對廢液進行處理來進行。

圖13 環(huán)保型專利機床外觀

5 結語

HSWEDM作為我國特有的技術，在近幾年中獲得飛速的發(fā)展，應用領域也在不斷拓展，在國際市場上也逐漸為廣大客戶所認知，但同時也發(fā)現其存在很多急待改進的問題，這就需要不斷的進行技術、市場、環(huán)保方面的探索，找準方向，沉下心來，攻克難關，只有這樣HSWEDM的應用領域才能進一步拓展，市場也會進一步擴大，帶動我國電火花加工產業(yè)迅速的發(fā)展。

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