往復(fù)走絲線切割機(jī)床走絲系統(tǒng)的發(fā)展策略探討*

齊文春 高堅(jiān)強(qiáng) 郭麗華 黃 鶯

(①蘇州科技學(xué)院機(jī)電工程系，江蘇 蘇州215011;②蘇州新火花機(jī)床有限公司，江蘇 蘇州215128)

往復(fù)走絲線切割機(jī)床是我國(guó)特有的一種加工裝備，目前已成為機(jī)械制造業(yè)中一種不可缺少的重要加工手段。在電加工機(jī)床中，2012 年往復(fù)走絲線切割機(jī)床銷售量占61.2%，單向走絲線切割機(jī)床銷售量占12.3%，而銷售額前者只占24.2%，后者占41.1%，平均售價(jià)前者為4. 83 萬(wàn)元/臺(tái)，后者為41. 28 萬(wàn)元/臺(tái)［1］。這一數(shù)據(jù)說明目前往復(fù)走絲線切割機(jī)床雖然銷售量很大但只能滿足低端市場(chǎng)需求，而且銷售利潤(rùn)很低。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)于加工裝備的要求愈來愈高，往復(fù)走絲線切割機(jī)床面臨的挑戰(zhàn)日益嚴(yán)重，如何破解這一難題，是一個(gè)系統(tǒng)工程問題，本文試圖從機(jī)床走絲系統(tǒng)的角度進(jìn)行一些探討。

1 往復(fù)走絲線切割機(jī)床存在的問題

1.1 往復(fù)走絲線切割機(jī)床的發(fā)展歷程

往復(fù)走絲線切割機(jī)床之所以要采用往復(fù)的運(yùn)絲方式，既有理論層面的原因，也有技術(shù)層面的原因，還有歷史層面的原因。對(duì)于這些原因進(jìn)行分析，有助于找出問題的癥結(jié)，提出解決方案。

首先，從理論層面上來說，線切割加工是基于火花放電腐蝕的原理進(jìn)行加工的，其條件之一就是電極絲與工件之間必須有一定絕緣強(qiáng)度的液體介質(zhì)，由于放電間隙很小，液體介質(zhì)如何進(jìn)入就成了一個(gè)技術(shù)瓶頸，經(jīng)過大量的試驗(yàn)和理論分析，依靠電極絲表面張力可以將液體介質(zhì)帶入加工區(qū)同時(shí)將加工產(chǎn)物帶出加工區(qū)，帶入加工區(qū)的液體數(shù)量隨電極絲移動(dòng)速度的增加而增多。長(zhǎng)期使用效果表明，電極絲的移動(dòng)速度在8～12 m/s范圍內(nèi)，可以滿足線切割加工對(duì)液體介質(zhì)帶入及加工產(chǎn)物排出的基本要求，這個(gè)速度范圍的加工工藝指標(biāo)也相對(duì)較好，這就是我國(guó)特有的高速走絲線切割機(jī)床的由來。

其次，從技術(shù)層面來看，電極絲軸向移動(dòng)要達(dá)到大約10 m/s 的移動(dòng)速度，如果一個(gè)零工要加工1 h，加工完這個(gè)工件所要消耗的電極絲長(zhǎng)達(dá)36000 m，而多數(shù)工件的加工往往是幾個(gè)小時(shí)至幾十個(gè)小時(shí)。在線切割發(fā)展初期，電極絲的制造技術(shù)水平滿足不了這個(gè)長(zhǎng)度要求，這就不得不考慮其他方案，由于當(dāng)時(shí)電源技術(shù)也不發(fā)達(dá)，加工時(shí)用的放電能量較小，電極絲損耗不大，可以反復(fù)使用，這樣就提出了往復(fù)走絲的概念，采用1個(gè)儲(chǔ)絲筒1 次上絲幾百米實(shí)現(xiàn)往復(fù)走絲且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)也方便，這樣就形成了我國(guó)特有的高速往復(fù)走絲線切割機(jī)床的系列產(chǎn)品。

再次，從歷史層面來看，線切割發(fā)展初期，我國(guó)生產(chǎn)高速往復(fù)走絲線切割機(jī)床的同時(shí)，國(guó)外在生產(chǎn)低速單向走絲線切割機(jī)床。由于我國(guó)整體工業(yè)水平相對(duì)落后，制造業(yè)對(duì)機(jī)床工業(yè)的要求相對(duì)不高，同時(shí)，線切割機(jī)床由于有自己的特色，有些技術(shù)指標(biāo)甚至比國(guó)外的還高，一方面能滿足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的需求，另一方面，也有自我陶醉的感覺，沒有改革的動(dòng)力。進(jìn)入80 年代，國(guó)外低速單向走絲線切割機(jī)床技術(shù)水平得到了迅速的提高，而我國(guó)的線切割機(jī)床技術(shù)水平的提高相對(duì)較慢，第一是受機(jī)床結(jié)構(gòu)特點(diǎn)所制約，第二是由于受國(guó)內(nèi)裝備制造技術(shù)水平的制約，線切割機(jī)床的關(guān)鍵部件技術(shù)及機(jī)床的電源技術(shù)、軟件技術(shù)、控制技術(shù)等技術(shù)水平也沒有跟上，第三就是理論上沒有大的突破。隨著改革開放的發(fā)展，國(guó)內(nèi)制造業(yè)對(duì)機(jī)床工業(yè)的要求愈來愈高，國(guó)外精密機(jī)床進(jìn)入國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，其他機(jī)床裝備擠占線切割機(jī)床市場(chǎng)，高速往復(fù)走絲線切割機(jī)床市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)劣勢(shì)就日顯突出，雖然國(guó)內(nèi)銷售量仍然很大，但只能占領(lǐng)低端市場(chǎng)，銷售價(jià)格低，利潤(rùn)低。

1.2 往復(fù)走絲線切割機(jī)床走絲系統(tǒng)存在的問題

往復(fù)高速走絲線切割機(jī)床與低速單向走絲線切割機(jī)床相比，走絲系統(tǒng)方面主要存在以下不足:

(1)電極絲高速走絲使軸承、導(dǎo)輪跳動(dòng)和磨損嚴(yán)重，從而影響電極絲空間位置的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，進(jìn)而影響加工精度。

(2)電極絲的往復(fù)運(yùn)動(dòng)在工件上下入口處，由于工作液的潔凈程度是不同的，放電間隙不同，形成了往復(fù)走絲特有的切割條紋。

(3)電極絲的頻繁換向，使電極絲的張力很難準(zhǔn)確控制;工作液供液方式只能依靠電極絲高速移動(dòng)帶入加工區(qū)，高壓噴液等方式很難實(shí)施，供液效果難以進(jìn)一步提高;為了避免斷絲，換向時(shí)需要暫停幾秒鐘放電時(shí)間，這將制約加工效率的提高。

(4)電極絲反復(fù)使用所產(chǎn)生的損耗會(huì)影響電極絲的軌跡位置和切縫大小，進(jìn)而影響加工精度。

(5)電極絲的頻繁換向及高速移動(dòng)速度，使電極絲定位導(dǎo)向裝置安裝困難，即使能安裝導(dǎo)向裝置也會(huì)由于快速磨損很難發(fā)揮正常作用或效果不佳。

2 往復(fù)走絲線切割機(jī)床走絲系統(tǒng)的發(fā)展策略

2.1 往復(fù)走絲線切割機(jī)床走絲系統(tǒng)的特點(diǎn)分析

往復(fù)走絲線切割機(jī)床的最大優(yōu)勢(shì)是電極絲可以反復(fù)使用，運(yùn)行成本低，同時(shí)可以加工高達(dá)600 mm 厚以上的超大厚度工件，而最大劣勢(shì)是加工精度低，加工效率相對(duì)較低。因此，往復(fù)走絲線切割機(jī)床的發(fā)展不能拋棄運(yùn)行成本低和可加工超大厚度工件的特點(diǎn)，關(guān)鍵是如何提高加工精度和加工效率。

單向低速走絲線切割機(jī)床之所以加工精度高，是因?yàn)椴捎昧硕啻吻懈罴夹g(shù)［2］，往復(fù)走絲線切割機(jī)床引入多次切割技術(shù)后也能提高加工精度，但存在使用1～2個(gè)月后加工工藝水平就開始下降的現(xiàn)象［3］。顯然，往復(fù)走絲機(jī)床采用多次切割技術(shù)提高加工精度的技術(shù)方案是可行的，問題是如何解決可持續(xù)加工精度問題。

從前面的討論中可知，走絲系統(tǒng)的“高速”及“頻繁換向”是制約加工精度的主要因素之一。而走絲系統(tǒng)的“高速”是為了解決工作液進(jìn)入加工切縫區(qū)而設(shè)置的條件，這對(duì)于大厚度工件的加工效果尤為明顯。目前，由于電源技術(shù)、工作液及高壓噴液技術(shù)的發(fā)展，這一條件已發(fā)生了變化。劉志東的研究［4］表明噴液式冷卻方式是改善大能量條件下高效切割的極間冷卻狀態(tài)惡化的有效手段并可適當(dāng)降低其最高的運(yùn)絲速度。筆者的前期研究［5］也證實(shí)多次切割工藝的第一次切割，無論從加工效率還是表面粗糙度的角度來看，提高電極絲的走絲速度并不是最佳方案，一般來說會(huì)有一個(gè)最佳走絲速度，多次切割工藝的第一次切割，走絲速度為4.4～11 m/s 時(shí)，對(duì)加工效率的影響不大。劉志東［6］在高低雙速走絲線切割工藝試驗(yàn)研究中用0.14 m/s 的低速走絲速度進(jìn)行了精修加工并獲得了一定的工藝效果。上述研究表明，由于技術(shù)的進(jìn)步，往復(fù)走絲線切割機(jī)床走絲系統(tǒng)的“高速”并不是必要條件，通過工作液、電源技術(shù)及高壓噴液技術(shù)等技術(shù)措施可以解決。

“換向”是電極絲反復(fù)使用的必要條件，關(guān)鍵是“頻繁換向”帶來的問題很多。目前的單絲筒結(jié)構(gòu)的走絲系統(tǒng)，由于需要換向，只能采用單層繞絲，通常1次上絲的長(zhǎng)度是200～300 m，如果按10 m/s 的走絲速度，則最多運(yùn)行30 s 就要換向，由于換向的瞬間走絲速度為零，為了避免斷絲，換向時(shí)需要暫停3～4 s 的放電時(shí)間，這樣，一方面會(huì)產(chǎn)生換向條紋，另一方面至少有10%以上的非加工時(shí)間，使加工效率受到制約，1次上絲的長(zhǎng)度越短，效率損失越大。因此，往復(fù)走絲機(jī)床走絲系統(tǒng)的發(fā)展策略就是避免“頻繁換向”，最大限度延長(zhǎng)單向走絲在線加工時(shí)間，并具有較寬的調(diào)速范圍，以滿足不同對(duì)象的加工要求。

2.2 往復(fù)走絲線切割機(jī)床走絲系統(tǒng)的改進(jìn)方案

如前所述，往復(fù)走絲線切割機(jī)床走絲系統(tǒng)的“高速”并不是必要條件，如果采取一定技術(shù)措施后，往復(fù)走絲線切割機(jī)床單次切割的走絲速度有可能降至1 m/s，多次切割工藝中最后一刀精修的走絲速度也有可能降至0.2 m/s。

目前，出廠的電極絲長(zhǎng)度一般為2000 -3000 m，生產(chǎn)廠家可以根據(jù)客戶需要將電極絲制成20000 m以上，如果采用雙絲筒多層繞絲的走絲方案將電極絲一次性繞到儲(chǔ)絲筒上，并將電極絲的走絲速度由現(xiàn)在的10 m/s 降到1 m/s，同樣條件下，直徑為φ150 mm的儲(chǔ)絲筒轉(zhuǎn)速由1274 r/min 降為130 r/min，直徑為φ30 mm 的導(dǎo)輪其轉(zhuǎn)速由6370 r/min 降為640 r/min，電極絲長(zhǎng)度為300 m 時(shí)其一次不換向運(yùn)行的最長(zhǎng)時(shí)間由30 s 提高到300 s(5 min)，采用3000 m 的超長(zhǎng)電極絲一次運(yùn)行不換向的加工時(shí)間就可達(dá)到3000 s(50 min)，這樣，換向頻率、機(jī)械振動(dòng)及磨損就可以較大幅度地降低。采用多次切割方案時(shí)，如果精修切割的走絲速度能降到0.2 m/s，3000 m 的電極絲1 次運(yùn)行不換向的加工時(shí)間就可達(dá)到250 min(4 h 以上)，對(duì)于一般的加工零件，最后1 次切割時(shí)基本上可以做到不用換向，也就是實(shí)現(xiàn)單向走絲切割，不存在換向條紋問題。即使是多次切割方案中的第1 次切割，由于提高了在線放電的有效時(shí)間，其加工效率也會(huì)有較大幅度的提高。

在能保持足夠加工效率的前提下，如果采用20000 m 的超長(zhǎng)電極絲和1 m/s 的中速走絲方案，一次運(yùn)行不換向的時(shí)間也可達(dá)330 min(5.5 h)以上，即使是單次切割，對(duì)于中小工件也可以做到不換向，基本上實(shí)現(xiàn)了單向走絲切割方案;對(duì)于需要長(zhǎng)時(shí)間加工才能切割完成的大型工件，由于采用的是超長(zhǎng)電極絲，對(duì)于多次切割中的精修加工，如果走絲速度為0.2 m/s，一次運(yùn)行不換向的持續(xù)時(shí)間可達(dá)1660 min(27 h 以上)，可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)加工而不停機(jī)。對(duì)于超大厚度(如600 mm)工件的加工，LS -WEDM 機(jī)床是無能為力的，雙絲筒往復(fù)走絲機(jī)床通過提高走絲速度同樣可以實(shí)現(xiàn)超大厚度工件的加工，而不會(huì)增加成本。此外，由于采用單向低速走絲方案并降低了電極絲的走絲速度，這將有助于實(shí)現(xiàn)高壓噴液的工作液供液方式和恒張力的控制。

3 超長(zhǎng)電極絲往復(fù)走絲線切割機(jī)床走絲系統(tǒng)的實(shí)施方案

由于采用超長(zhǎng)電極絲雙絲筒多層繞絲的走絲方案，兩個(gè)儲(chǔ)絲筒中，1 個(gè)儲(chǔ)絲筒采用多次繞絲可以繞10000 m(只要儲(chǔ)絲筒結(jié)構(gòu)允許，理論上對(duì)繞絲長(zhǎng)度無限制)，加工時(shí)，由1 臺(tái)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)產(chǎn)生反向力矩起放絲筒作用，另1 個(gè)儲(chǔ)絲筒由另1 臺(tái)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)起上絲筒作用。當(dāng)放絲筒上的電極絲快放完時(shí)，放絲筒與上絲筒的角色互換，電極絲作反向運(yùn)動(dòng)重復(fù)使用，從而實(shí)現(xiàn)往復(fù)走絲。該方案，由于采用了雙絲筒多層繞絲的走絲方式，1 盤電極絲可以一次性繞到儲(chǔ)絲筒上，既可以減少因電極絲上絲長(zhǎng)度控制不當(dāng)造成的浪費(fèi)，又可以使1 次運(yùn)行不換向的時(shí)間大大延長(zhǎng)，從而達(dá)到可以“往復(fù)走絲”但不“頻繁換向”的目的。

圖1 是超長(zhǎng)電極絲雙絲筒多層繞絲走絲系統(tǒng)的實(shí)施方案之一的原理示意圖。該系統(tǒng)由兩套儲(chǔ)絲筒機(jī)構(gòu)、兩套由絲桿螺母及導(dǎo)軌組成的排絲機(jī)構(gòu)、兩套排絲導(dǎo)輪組及安裝底座所組成。

加工前，先把整盤電極絲全部上到儲(chǔ)絲筒1 上，然后，將電極絲的一端經(jīng)過排絲導(dǎo)輪組1、上線架、工件、下線架和排絲導(dǎo)輪組2 固定到儲(chǔ)絲筒2 上。

加工時(shí)，電動(dòng)機(jī)2 帶動(dòng)儲(chǔ)絲筒2 轉(zhuǎn)動(dòng)使電極絲作移動(dòng)(走絲)，電動(dòng)機(jī)1 產(chǎn)生一個(gè)反向力矩使電極絲拉緊，張緊力的大小由電動(dòng)機(jī)1 控制，電極絲的移動(dòng)(走絲)速度由電動(dòng)機(jī)2 來控制。在儲(chǔ)絲筒的下部裝有一套由排絲電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的絲桿螺母及導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)使儲(chǔ)絲筒作軸向移動(dòng)。當(dāng)儲(chǔ)絲筒2 的某一層上滿電極絲時(shí)，通過排絲電動(dòng)機(jī)2 使絲桿螺母機(jī)構(gòu)帶動(dòng)儲(chǔ)絲筒2 換向朝反方向移動(dòng)實(shí)現(xiàn)疊層繞絲，電極絲的排絲間距由排絲電動(dòng)機(jī)2 的轉(zhuǎn)速控制。

在加工過程中，排絲電動(dòng)機(jī)1 與電動(dòng)機(jī)1、排絲電動(dòng)機(jī)2 與電動(dòng)機(jī)2、電動(dòng)機(jī)1 與電動(dòng)機(jī)2 之間有匹配關(guān)系，當(dāng)儲(chǔ)絲筒2 上的電極絲快放完時(shí)，通過控制系統(tǒng)使電動(dòng)機(jī)1 和電動(dòng)機(jī)2 的角色互換，由電動(dòng)機(jī)1 帶動(dòng)儲(chǔ)絲筒1 轉(zhuǎn)動(dòng)使電極絲作反方向移動(dòng)，電動(dòng)機(jī)2 起扭矩電動(dòng)機(jī)的作用，控制電極絲的張緊力，重復(fù)上述過程可以實(shí)現(xiàn)電極絲的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

在該走絲系統(tǒng)中，由于電極絲的走絲速度變化范圍大，因此，電動(dòng)機(jī)1 和電動(dòng)機(jī)2 采用交流伺服電動(dòng)機(jī)來實(shí)現(xiàn)，由于儲(chǔ)絲筒不同層上電極絲的回轉(zhuǎn)半徑不同，相同轉(zhuǎn)速時(shí)，電極絲的線速度就會(huì)發(fā)生變化，因此，需要在走絲系統(tǒng)中安裝速度傳感器檢測(cè)電極絲的移動(dòng)速度，通過控制系統(tǒng)來調(diào)整電動(dòng)機(jī)的相應(yīng)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)電極絲走絲速度的速度控制。

該方案的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，可操作性比較強(qiáng)，采用交流伺服電動(dòng)機(jī)作為上絲電動(dòng)機(jī)時(shí)可以實(shí)現(xiàn)較大范圍的調(diào)速，可以滿足高、中、低的走絲速度范圍，由于采用了超長(zhǎng)電極絲，既可以實(shí)現(xiàn)單向走絲的無條紋高精度加工要求，又可以實(shí)現(xiàn)電極絲反復(fù)使用的往復(fù)走絲低運(yùn)行成本要求，是未來往復(fù)走絲機(jī)床走絲系統(tǒng)的一個(gè)發(fā)展方向。雖然，影響往復(fù)走絲線切割機(jī)床工業(yè)水平的因素很多，是一個(gè)系統(tǒng)工程，但走絲系統(tǒng)是一個(gè)非常重要的因素，本方案的提出能為線切割領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新起到拋磚引玉的作用。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)往復(fù)走絲線切割機(jī)床的最大優(yōu)勢(shì)是電極絲可以反復(fù)使用，運(yùn)行成本低，同時(shí)可以加工高達(dá)600 mm厚以上的超大厚度工件，因此，發(fā)展策略不能拋棄運(yùn)行成本低和可加工超大厚度工件的特點(diǎn)，關(guān)鍵是如何提高加工精度和加工效率。走絲系統(tǒng)的發(fā)展策略就是避免“頻繁換向”最大限度延長(zhǎng)單向走絲在線加工時(shí)間并具有高、中、低絲速的寬調(diào)速范圍，以滿足不同對(duì)象的加工要求。

(2)采用超長(zhǎng)電極絲雙絲筒多層繞絲的走絲方案，既可以滿足長(zhǎng)時(shí)間單向走絲的無條紋高精度加工要求，又可以實(shí)現(xiàn)電極絲反復(fù)使用的往復(fù)走絲低運(yùn)行成本要求，是未來往復(fù)走絲機(jī)床走絲系統(tǒng)的一個(gè)發(fā)展方向。

(3)采用超長(zhǎng)電極絲雙絲筒多層繞絲的走絲方案，由于減少了“頻繁換向”，提高了在線放電的有效時(shí)間，相同條件下，其加工效率比單絲筒走絲方案有較大幅度的提高，同時(shí)也有助于實(shí)現(xiàn)高壓噴液的工作液供液方式和恒張力的控制。

(4)采用超長(zhǎng)電極絲雙絲筒多層繞絲的走絲方案，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，可操作性比較強(qiáng)，相對(duì)于現(xiàn)有的單絲筒往復(fù)走絲方案，成本增加不大，對(duì)機(jī)床的結(jié)構(gòu)要求不高，適應(yīng)性強(qiáng)。本文中的案例是該走絲系統(tǒng)的實(shí)施方案之一，本方案及其他幾種實(shí)施方案已申請(qǐng)了相關(guān)發(fā)明專利。

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