往復(fù)走絲電火花線切割高效低損耗切割研究

李謝峰 劉志東 張旭東 李凌鈴

1.南京航空航天大學(xué)，南京，210016 2.杭州華方數(shù)控機(jī)床有限公司，杭州，310024

往復(fù)走絲電火花線切割高效低損耗切割研究

李謝峰1劉志東1張旭東2李凌鈴1

1.南京航空航天大學(xué)，南京，210016 2.杭州華方數(shù)控機(jī)床有限公司，杭州，310024

目前，高速往復(fù)走絲電火花線切割最高切割效率已突破200mm2／min，傳統(tǒng)脈沖電源靠單純提高脈沖能量來(lái)增加切割效率會(huì)導(dǎo)致鉬絲損傷大、損耗加劇，短時(shí)間內(nèi)就可能出現(xiàn)斷絲。從脈沖電源的放電波形分析入手，分析了傳統(tǒng)脈沖電源和高效低損耗脈沖電源的差異。研究認(rèn)為，采用階梯脈沖合理控制放電電流的前后沿，在加工中對(duì)非正常放電脈沖及時(shí)切斷以減小對(duì)電極絲造成的損傷及損耗，采用等能量脈沖方式提高放電利用率等措施能大大提高切割效率，改善切割表面粗糙度，在切割效率190～200mm2／min條件下能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定切割。

電火花線切割；高效；低損耗；加工機(jī)理

0 引言

電火花線切割效率提高的研究永遠(yuǎn)是該行業(yè)最關(guān)注的課題，國(guó)外低速單向走絲電火花線切割（low speed wire－cut electrical discharge machining，LSWEDM）的最大切割效率在300 mm2／mim左右沉寂了一段時(shí)間后，近來(lái)有了新的突破。最新開(kāi)發(fā)的窄脈寬高峰值電流脈沖電源，在與其他特定條件（各種控制方式、供液條件、復(fù)合材質(zhì)電極絲等）的配合下，可使最高切割效率達(dá)到500mm2／min［1］。對(duì) LSWEDM 來(lái) 說(shuō)，銅絲 是一次使用的，所以銅絲的損耗對(duì)加工精度影響甚微，在常規(guī)加工中可不予考慮，故追求更高切割效率對(duì)生產(chǎn)有著重大的意義。目前，高速往復(fù)走絲電火花線切割（high speed wire－cut electrical discharge machining，HSWEDM）的最大切割效率 已 經(jīng) 超 過(guò) 200mm2／min［2］。對(duì) HSWEDM 來(lái)說(shuō)，鉬絲是重復(fù)使用的，在這樣的切割效率下，傳統(tǒng)脈沖電源靠單純提高脈沖能量會(huì)導(dǎo)致鉬絲損傷加大，電極絲損耗嚴(yán)重，短時(shí)間內(nèi)就可能出現(xiàn)斷絲，對(duì)實(shí)際切割而言，并沒(méi)有實(shí)用的價(jià)值。因此，為達(dá)到高效加工的實(shí)用化，必須對(duì)高效低損耗切割技術(shù)的實(shí)現(xiàn)機(jī)理進(jìn)行研究。

1 高效低損耗機(jī)理分析

1.1 低損耗特性

電火花線切割加工單個(gè)脈沖能量為

式中，Wm為單個(gè)脈沖能量，J；Ie為脈沖電流幅值，A；Te為放電持續(xù)時(shí)間或電流脈寬，μs；Ue為放電維持電壓，V。

式（1）中，放電維持電壓Ue的大小主要取決于工作介質(zhì)種類，一般在20～25V之間，脈沖電流幅值、極間距離及放電電流大小等對(duì)Ue影響不大，且Ue在加工中基本維持不變［3］。由此可見(jiàn)，不同的電壓脈沖波形對(duì)加工產(chǎn)生影響的主要因素是放電電流，即電流狀態(tài)是影響加工效率及鉬絲損耗的決定因素。

對(duì)電火花線切割而言，提高加工電流可以增加放電時(shí)的蝕除量。HSWEDM采用的是正極性加工方式，放電通道內(nèi)奔向正極的電子轟擊工件，對(duì)工件進(jìn)行蝕除，奔向負(fù)極的離子則轟擊鉬絲，造成鉬絲的損耗。能量密度增加時(shí)，通道內(nèi)擊穿后產(chǎn)生的粒子轟擊爆炸力變大，產(chǎn)生的離子也會(huì)隨電子的增多而增多，對(duì)鉬絲的損耗也會(huì)隨著加工效率的提高而增大。因此，為了兼顧高效率與低損耗，要使單個(gè)脈沖放電期間內(nèi)轟擊工件表面的電子盡可能多，同時(shí)減少轟擊電極絲的離子［4］。

電子具有較小的質(zhì)量和慣性，容易獲得很大的加速度和速度，在擊穿放電的初始階段就有大量的電子奔向正極，把能量傳遞到正極表面，使其迅速熔化和氣化。正離子則由于質(zhì)量和慣性較大，起動(dòng)和加速較慢，在擊穿放電的初始階段，大量的正離子來(lái)不及到達(dá)負(fù)極表面，故到達(dá)負(fù)極表面并傳遞能量的只有一小部分正離子。根據(jù)這一原理，可以采用電流階梯波脈沖電源進(jìn)行加工，在獲得較高加工效率的同時(shí)，減少電極損耗［5］，如圖1、圖2所示。與相同放電能量下傳統(tǒng)矩形波脈沖電源（圖3、圖4）相比，電流波形的前沿斜率變小，放電初期的電流密度減小。較小的加工電流密度、較小的放電功率可有效地減小離子數(shù)量的增加，使得到達(dá)負(fù)極的離子變少；電子也會(huì)相應(yīng)減少，導(dǎo)致切割效率下降，但電子的質(zhì)量小、加速快，受到的影響明顯小于離子，因此切割效率下降不大。隨著放電能量的逐級(jí)釋放，放電通道內(nèi)的離子加速，到達(dá)負(fù)極的離子數(shù)到最大前就結(jié)束放電，可減小對(duì)鉬絲的轟擊作用，使鉬絲在加工中由于力和熱產(chǎn)生的延伸變緩，也使鉬絲的損耗變得較小。因此，從脈沖波形和脈沖能量分析可知，電流階梯波脈沖電源有利于減小HSWEDM鉬絲損耗，同時(shí)對(duì)切割效率影響也較小。

圖1 高效低損耗脈沖電源的原理圖

圖2 傳統(tǒng)脈沖電源的原理圖

圖3 高效低損耗脈沖電源正常放電的波形

圖4 傳統(tǒng)脈沖電源正常放電波形

高效切割中，峰值電流越大，產(chǎn)生的蝕除顆粒越大，蝕除產(chǎn)物難以及時(shí)排除，容易造成短路，出現(xiàn)非正常放電。由雜質(zhì)粒子構(gòu)成的導(dǎo)電橋?qū)е滤缮⒔佑|放電的概率顯著增大。同時(shí)，單位時(shí)間產(chǎn)生的蝕除物劇增，導(dǎo)致放電間隙狀態(tài)惡化，容易出現(xiàn)非正常放電（微電弧放電、電弧放電、微短路放電及短路）現(xiàn)象。許多學(xué)者對(duì)非正常放電進(jìn)行了分析研究，Rajurkar等［6］發(fā)現(xiàn)高密度的放電集中發(fā)生在電極絲上某些點(diǎn)，連續(xù)的集中放電會(huì)使這些點(diǎn)溫度升高，導(dǎo)致絲損，最后造成電極絲拉斷。伍俊［7］通過(guò)統(tǒng)計(jì)斷絲前的特征波形，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得出結(jié)論：斷絲的原因是過(guò)熱，不夾雜開(kāi)路或短路狀態(tài)的持續(xù)放電脈沖串是斷絲的先兆。以上觀點(diǎn)的本質(zhì)是非正常放電會(huì)導(dǎo)致瞬間能量密度增加，加快了鉬絲的損傷及損耗，甚至增大斷絲的可能性，所以在電火花線切割加工中，非正常放電是造成鉬絲損耗甚至燒斷的主要因素之一。如何更有效地減少非正常放電并控制非正常放電能量就成為減小鉬絲的損傷及損耗、避免斷絲的重要措施之一。

根據(jù)以上分析，采用高效低損耗脈沖電源控制非正常放電能量的方式：檢測(cè)放電狀態(tài)，當(dāng)發(fā)生非正常放電時(shí)，減少主脈沖能量或取消本次的主脈沖能量；當(dāng)放電間隙恢復(fù)到正常放電狀態(tài)時(shí)，恢復(fù)主脈沖能量。

對(duì)比圖5、圖6可知，發(fā)生短路放電時(shí)，傳統(tǒng)脈沖電源輸入到放電間隙的能量密度遠(yuǎn)大于其正常加工狀態(tài)時(shí)輸入到放電間隙的能量密度（圖4）。雖然短路不會(huì)形成放電，對(duì)工件和鉬絲不做功，但會(huì)加熱極間的介質(zhì)，使得極間消電離狀態(tài)惡化，增大松散接觸放電的幾率。松散接觸放電對(duì)工件和鉬絲損傷嚴(yán)重，使斷絲可能性加大。同時(shí)脈沖不能有效利用，浪費(fèi)能源。高效低損耗脈沖電源能主動(dòng)截止主脈沖能量，使放電間隙的能量基本為零，減小了松散接觸放電的幾率。對(duì)比圖7、圖8可知：發(fā)生微短路時(shí)，若脈沖為短路狀態(tài)，則高效低損耗電源截止主能量輸入；當(dāng)放電通道恢復(fù)正常，從瞬間短路過(guò)渡到火花放電狀態(tài)時(shí)，從電壓波形可以看出有明顯的擊穿延時(shí)，擊穿后逐步釋放放電能量，將微短路放電轉(zhuǎn)化為正常的火花放電（圖8）。傳統(tǒng)脈沖電源從微短路放電狀態(tài)直接過(guò)渡到火花放電狀態(tài)，沒(méi)有擊穿延時(shí)，此時(shí)電源輸入到間隙的電流密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于同樣狀態(tài)下高效低損耗電源輸入到間隙的電流密度，且由于目前所使用的反饋控制系統(tǒng)是非線性的，開(kāi)路狀態(tài)的反饋?zhàn)饔眠h(yuǎn)大于短路狀態(tài)的反饋?zhàn)饔茫十?dāng)加工過(guò)程不穩(wěn)定時(shí)，加工狀態(tài)大多數(shù)時(shí)間是處于偏短路狀態(tài)。同時(shí)，傳統(tǒng)電源的斷絲直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于高效低損耗電源的斷絲直徑（鉬絲均從φ0.18mm開(kāi)始切割，傳統(tǒng)電源斷絲直徑大約為0.13mm，高效低損耗電源斷絲直徑大約為0.10mm），其原因是傳統(tǒng)電源沒(méi)有控制非正常放電的能量，鉬絲更容易出現(xiàn)非正常的燒斷。傳統(tǒng)電源斷絲時(shí)出現(xiàn)大量的“花斑”也驗(yàn)證了非正常放電對(duì)鉬絲損耗影響之大。高效低損耗電源斷絲時(shí)，鉬絲表面基本均勻，其斷絲的原因是鉬絲直徑過(guò)小，彈性基本消失，無(wú)法承受正常放電所產(chǎn)生的熱應(yīng)力。所以切斷非正常脈沖能量是降低鉬絲損耗最重要的措施之一，高效低損耗電源既降低了鉬絲損耗，減小了斷絲的幾率，又能通過(guò)提高脈沖能量增加切割效率。

圖5 傳統(tǒng)脈沖電源發(fā)生短路的波形

1.2 高效切割特性

圖6 高效低損耗脈沖電源發(fā)生短路的波形

圖7 傳統(tǒng)脈沖電源發(fā)生微短路的波形

圖8 高效低損耗脈沖電源發(fā)生微短路的波形

一般線切割加工中，各個(gè)放電脈沖能量的差異主要取決于脈沖放電的持續(xù)時(shí)間。HSWEDM在理想切割狀態(tài)下，脈沖電源發(fā)出的等頻脈沖中，脈沖的10%約為空載波，脈沖的80%約為正常放電加工波形，脈沖的10%約為短路波［8］。實(shí)際加工過(guò)程中，受電極絲穩(wěn)定性、極間工作介質(zhì)冷卻、消電離未達(dá)到理想狀態(tài)等因素的制約，空載波與短路波的比例之和往往會(huì)超過(guò)20%，所以減少空載波和短路波是提高脈沖利用率和切割效率的主要措施。

傳統(tǒng)脈沖電源輸出脈沖的脈寬ti和脈間to都是設(shè)定的，而極間的間隙是不斷變化的（由于電極絲及介質(zhì)狀態(tài)的不穩(wěn)定）。每個(gè)脈沖的擊穿延時(shí)隨機(jī)性很大，從而將使實(shí)際放電的脈沖電流寬度te發(fā)生變化，影響單個(gè)脈沖能量。圖9為傳統(tǒng)電源在加工時(shí)的波形圖，從圖9可看出，雖然每個(gè)脈沖的寬度是相同的，但放電持續(xù)時(shí)間te受隨機(jī)因素影響而不確定，從而使每次放電能量的大小也是隨機(jī)的。這必然會(huì)造成切割表面電蝕坑或大或小，切割效率相對(duì)降低，且切割表面勻稱性較差。

圖9 傳統(tǒng)脈沖電源加工時(shí)的波形圖

高效低損耗脈沖電源的基本工作原理之一是通過(guò)檢測(cè)脈沖放電的起始時(shí)刻，控制脈沖放電的持續(xù)時(shí)間，使每一個(gè)脈沖的放電持續(xù)時(shí)間與設(shè)定值保持一致，從而使每次放電時(shí)的單個(gè)脈沖能量基本保持恒定。由圖10可知，高效低損耗脈沖電源輸出的脈沖電壓寬度是不定的，但每次的放電持續(xù)時(shí)間即電流脈寬卻是恒定的。由圖11、圖12可知，瞬間非正常放電過(guò)渡到正常火花放電的電流脈寬與正常放電的電流脈寬是基本相同的，這保證了每個(gè)脈沖釋放的能量基本相同，提高了加工的穩(wěn)定性。從圖10還可以看出，由于放電脈沖能量得到了控制，所以脈沖電源可以在間隙擊穿放電之前，始終輸出電壓，使間隙有效擊穿的幾率增加，從而提高了放電脈沖利用率，提高了切割效率。高效低損耗脈沖電源的每個(gè)脈沖在介質(zhì)擊穿后所釋放的單個(gè)脈沖能量相等，保證了切割表面電蝕坑均勻，減小了工件的表面粗糙度，同時(shí)也使得電極絲承受了均勻的離子轟擊，延長(zhǎng)了電極絲的使用壽命。

圖10 高效低損耗脈沖電源加工時(shí)的波形圖

圖11 高效低損耗脈沖電源正常放電波形圖

圖12 高效低損耗脈沖電源非正常放電波形圖

2 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)以上分析，在大能量切割條件下，通過(guò)對(duì)比高效低損耗脈沖電源和傳統(tǒng)脈沖電源的切割工件表面形貌、切割效率和電極絲的壽命［9］（在指定加工條件下，開(kāi)始切割直至燒斷時(shí)所能切割的面積），驗(yàn)證大能量切割條件下，高效低損耗脈沖電源對(duì)切割工藝性能的改善。

試驗(yàn)條件為：電極絲選用長(zhǎng)300m、直徑為0.18mm的鉬絲；工作液選用配比（工作液原液質(zhì)量∶純凈水質(zhì)量）為1∶20的JR1A工作液；加工工件為60mm厚的45鋼；電極絲線速度設(shè)置為12m／s，工作液常壓噴液。兩個(gè)脈沖電源（參數(shù)見(jiàn)表1）在相同參數(shù)下做了2組比較試驗(yàn)。切割兼顧了4個(gè)切割方向，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片如圖13所示。第1組加工參數(shù)主要對(duì)比高效低損耗電源與傳統(tǒng)電源長(zhǎng)期穩(wěn)定切割的情況；第2組參數(shù)特殊性在于脈寬一定、占空比最低、峰值電流最大，此時(shí)高效低損耗電源和傳統(tǒng)電源的平均加工電流達(dá)到最大值，且兩種電源的切割效率都在190～200mm2／min之間。此時(shí)模擬兩種電源在極間十分惡劣條件下，切割工藝指標(biāo)的對(duì)比情況。

表1 電源加工參數(shù)

圖13 切割試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，使用高效低損耗電源的鉬絲損耗較使用傳統(tǒng)電源的鉬絲損耗有大幅度下降（圖14、表2），鉬絲壽命增幅在50%以上。在相同的電源參數(shù)下，高效低損耗電源的切割效率并不低于傳統(tǒng)電源的切割效率，且切割效率增幅接近2%。對(duì)比圖15、圖16可看出，高效低損耗電源所加工工件表面平整、電蝕坑均勻一致，沒(méi)有“短路線”；傳統(tǒng)電源所加工工件表面有明顯的“短路線”，且電蝕坑大小不一致。從圖17可以看出，采用傳統(tǒng)電源的鉬絲表面較暗，其切割的工件表面黑白條紋明顯（圖18），而高效低損耗電源的鉬絲表面及工件表面光亮均勻。工件表面產(chǎn)生差異的主要原因是，當(dāng)出現(xiàn)異常放電時(shí)，高效低損耗電源能主動(dòng)截止放電間隙中能量的輸出。傳統(tǒng)電源短路后，脈沖電源加熱了極間介質(zhì)，使得極間介質(zhì)冷卻及消電離作用減弱，因此表面更容易出現(xiàn)燒傷或其他不正常放電產(chǎn)生的“短路線”（圖16）。同時(shí)，高效低損耗電源采用等能量脈沖方式保證了每個(gè)脈沖輸出的能量基本一致，而傳統(tǒng)電源的電流脈寬有隨機(jī)性，所以采用高效低損耗電源的加工表面粗糙度要好于傳統(tǒng)電源（表3）。此外，從表2、圖18可以看出，在極間洗滌條件惡化時(shí)，高效低損耗電源對(duì)電極絲的保護(hù)及對(duì)加工表面的改善效果更佳明顯。

圖14 第一組參數(shù)鉬絲損耗0.01mm切割面積對(duì)比

表2 鉬絲壽命對(duì)比mm2

圖15 高效低損耗電源加工工件表面

圖16 傳統(tǒng)電源加工工件表面

圖17 兩種電源電極絲切割后表面對(duì)比

表3 在第一組參數(shù)下，兩電源加工工件粗糙度Ra μm

圖18 在第二組參數(shù)下切割表面形貌對(duì)比

3 結(jié)語(yǔ)

從理論和實(shí)踐方面探討了階梯脈沖、非正常脈沖切斷、等能量脈沖等對(duì)電火花線切割高效低損耗加工的影響機(jī)理，分析了高效低損耗電源與傳統(tǒng)電源的差異，為HSWEDM高效率低損耗加工的深入研究提供了理論和實(shí)踐依據(jù)。試驗(yàn)表明，目前的高效低損耗脈沖電源能在切割效率為190～200mm2／min的高效切割條件下實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定切割。

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Research on Efficient Cutting and Low Wire Wear Technology of HSWEDM

Li Xiefeng1Liu Zhidong1Zhang Xudong2Li Lingling1
1.Nanjing University of Aeronautics ＆ Astronautics，Nanjing，210016
2.Hangzhou Huafang CNC Machines Co.，LTD，Hangzhou，310024

At present，the highest cutting efficiency of HSWEDM has been over 200mm2／min.However，the traditional pulse power only improved pulse energy in this situation，which will cause the molybdenum wire severely worn and may be broken in short time.According to the discharging waveform of the pulse power，the differences between the traditional pulse power and high efficiency，low wire wear pulse power were analyzed，meanwhile the discharge mechanism of the efficiency and low wire wear of pulse power was also researched.The research shows that，controlling the discharge current of the leading and trailing edge by the ladder pulse and cutting off the abnormal pulse promptly can reduce the wear of the wire electrode.On the other hand，equal energy pulse used in the process，can effectively improve the chance of discharge and utilization rate of pulse.Finally，the new type pulse power supply apparently increases the cutting efficiency，improves the surface roughness of work－pieces and realizes to cut steadily in the condition of 190～200mm2／min cutting efficiency.

high speed wire－cut electrical discharge machining（HSWEDM）；efficient cutting；low wire wear；machining mechanism

TG661

10.3969／j.issn.1004－132X.2014.01.014

2012—08—24

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51175256）

（編輯 張 洋）

李謝峰，男，1986年生。南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院碩士研究生。主要研究方向?yàn)樘胤N加工電火花加工。劉志東，男，1966年生。南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。張旭東，男，1960年生。杭州華方數(shù)控機(jī)床有限公司總工程師。李凌鈴，男，1990年生。南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院碩士研究生。