微細(xì)絲數(shù)控電火花線切割加工機床的設(shè)計

劉 斌，吳 強，成 哲

（ 蘇州電加工機床研究所有限公司，江蘇蘇州215011 ）

航空航天、國防軍工、IT、精密模具、微型機械、醫(yī)療器械、化纖紡絲、儀器儀表等領(lǐng)域的科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展，對微精加工設(shè)備的需求日益增多。 采用微細(xì)絲進行小圓角、窄縫、窄槽及微細(xì)零件的微精加工的數(shù)控電火花線切割加工， 因其具有切縫窄、精度高、 可加工復(fù)雜形面和各種難加工材料等優(yōu)勢，在微精機械生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用[1-5]。 國外設(shè)備制造企業(yè)都花費了大力氣進行細(xì)絲切割技術(shù)的研究， 比如微細(xì)電火花線切割加工機床可用直徑0.02 mm 的電極絲加工出外徑1.86 mm、模數(shù)0.03、齒數(shù)60 的微型齒輪， 其加工精度可控制在1.0 μm以下，表面粗糙度可達Ra0.2 μm。 但目前國內(nèi)針對該項技術(shù)的研究力度還不夠， 企業(yè)無相關(guān)產(chǎn)品，只有部分高校和科研院所進行了一些實驗室內(nèi)的研究。 本文通過采用直徑0.02 mm 的微細(xì)電極絲進行數(shù)控電火花微精線切割加工技術(shù)及工藝研究，研制出具有無電阻防電解電源、高效、高精度和高表面質(zhì)量的微細(xì)絲數(shù)控單向走絲電火花線切割機床。

目前，國內(nèi)外通用的電火花線切割機床采用的電極絲直徑均大于0.1 mm。采用微細(xì)電極絲進行切割加工一直是電火花線切割加工的難題。 由于微細(xì)電極絲的直徑越小，其所能承受的張力也越小[4]，要實現(xiàn)正常切割并保證加工精度和表面質(zhì)量，對機械系統(tǒng)、走絲系統(tǒng)、高頻電源、檢測控制、抗干擾性能及工作液系統(tǒng)都提出了難度更高、更復(fù)雜的技術(shù)要求。 因此，本文開發(fā)的微細(xì)絲數(shù)控單向走絲電火花線切割系統(tǒng)是以DK7632 單向走絲電火花線切割機床為基礎(chǔ)， 且為了實現(xiàn)超細(xì)電極絲即直徑0.02 mm的微細(xì)電極絲放電切割，還專門開發(fā)了全新的走絲系統(tǒng)、細(xì)絲導(dǎo)向器和微精加工電源。

1 新型微張力、恒張力、恒速走絲系統(tǒng)

本文采用的電極絲為TUNGSTEN CUT-WIRE TWS-20 鎢切絲， 其直徑為0.02 mm、 抗拉強度約157 g（3850 N/mm2），且彈性差、易拉斷。若要保證其正常切割，就需對走絲系統(tǒng)提出很高的要求，如微張力、恒張力、恒速可調(diào)，而一般的帶磁粉離合器的走絲系統(tǒng)已不適合上述要求，為此本文新開發(fā)了一套走絲系統(tǒng)。

圖1 是新開發(fā)的走絲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。 在系統(tǒng)的加工界面中，操作者可在“運絲速度”一欄調(diào)節(jié)絲速，由計算機控制速度輪無極變速，使電極絲的走絲速度基本保持恒定。

放絲速度的快慢由放絲輪給定，在重錘輪后面安裝有精密角位移傳感器，采集傳感器位置的變化信號，經(jīng)反饋電路進行快速處理來控制放絲輪的速度快慢， 使重錘輪的位置基本保持在中間位置，且使電極絲的張緊力與所配重錘的重量滿足一定的函數(shù)關(guān)系； 同時需減小運絲系統(tǒng)整個輪系的阻尼，以實現(xiàn)電極絲的張緊力恒定控制。 通過試驗發(fā)現(xiàn)，加工時的絲張力約保持為50 g，這樣既保證了切割正常又不易斷絲。 此外，需借助一個過渡輪將電極絲按“8”字形繞在聚氨脂輪上，由一個小壓輪壓住，這樣布置可避免原系統(tǒng)的電極絲在張力輪上的纏繞方式易產(chǎn)生溝槽的缺陷， 使電極絲不易打滑，張力也更穩(wěn)定。

收絲輪用于纏繞經(jīng)過加工區(qū)放電后的廢銅絲或廢鎢絲，由軟特性力矩電機SYL2.5 驅(qū)動，需具有一定的拉緊力，使廢絲不會被拉斷，同時對走絲輪沒有影響。廢絲輪的前面是排絲輪，排絲輪在SD2.5交流伺服電機和凸輪傳動下實現(xiàn)往返運動，使廢絲在收絲輪上排列均勻。 在重錘輪的下方設(shè)置有斷絲開關(guān)，電極絲斷，則切斷放電電源，同時走絲輪、放絲輪、排絲輪和收絲輪停止運轉(zhuǎn)。

2 新型細(xì)絲導(dǎo)向器

導(dǎo)向器具有導(dǎo)絲、進電、供液三大功能。 絕大部分的單向走絲電火花線切割機床，其導(dǎo)向均采用整體封閉式金剛石圓導(dǎo)向器，電極絲在各個方向上的導(dǎo)向精度一致， 同軸式噴嘴可承受高壓水的壓力，使放電間隙沖液更充分。 但直徑0.02 mm 的微細(xì)電極絲，其彈性差、易斷，且彈性模量幾乎為零，與棉絲相當(dāng)，如果采用過去的“插入”式穿絲方法則根本無法穿進整體封閉式金剛石圓導(dǎo)向器。 為了保證直徑0.02 mm 微細(xì)電極絲穿絲更方便及運絲穩(wěn)定、精確，同時保證細(xì)絲切割時的穩(wěn)定性和可靠性，本文開發(fā)了如圖2 所示的新型細(xì)絲導(dǎo)向器。

圖3 是新型單方向窄縫敞開式細(xì)絲上、下導(dǎo)向器的示意圖。 電極絲采用平移“掛入”的方法實現(xiàn)穿絲，非常方便、可靠。 新型導(dǎo)向器的創(chuàng)新點在于采用帶錐臺的雙圓柱氧化鋯陶瓷棒， 能對直徑0.02 mm的微細(xì)電極絲進行定位，解決了整體V 型導(dǎo)向底部圓角直徑≤0.02 mm 時無法加工的問題； 還設(shè)計了三個圓柱形陶瓷棒壓板， 使電極絲導(dǎo)向精度高、準(zhǔn)確度好；為了適應(yīng)電極絲“掛入”的要求，將噴嘴設(shè)計成“哈夫”結(jié)構(gòu)，即穿絲時打開、加工時閉合，靈活方便。

3 微精加工電源

納秒級超精脈沖電源是實現(xiàn)微細(xì)電火花脈沖放電的關(guān)鍵部件。 因此，要實現(xiàn)微細(xì)加工，必需能提供超窄的納秒級的放電脈沖。 同時，由于絲徑很細(xì)、放電間隙很小，如果無合適的主振控制策略，極易產(chǎn)生斷絲。 本文采用大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷幹屏溯^科學(xué)的主振控制策略，并根據(jù)適時放電狀況及歷史放電狀態(tài)， 綜合決策當(dāng)前適時放電脈沖的參數(shù)，實現(xiàn)了硬件級、脈沖級的脈沖參數(shù)自適應(yīng)控制，提高了加工效率，降低了斷絲概率；同時，還優(yōu)化設(shè)計了微精加工電路，將全部微精加工電路濃縮于一塊功率板上，以提高抗干擾性能；采用高速同軸鍍銀放電線與加工間隙連接，以及進口大功率高速功率管及前置功放驅(qū)動器， 實現(xiàn)小于20 ns 的功率脈沖的放大及傳輸，從而達到加工最佳表面粗糙度小于Ra0.1 μm 的技術(shù)指標(biāo)。

脈沖電源的結(jié)構(gòu)框圖見圖4。 控制脈沖電源的脈沖放電能量是實現(xiàn)微細(xì)電火花線切割加工的關(guān)鍵技術(shù)[1]。 針對直徑0.02 mm 微細(xì)電極絲的放電切割，本文對脈沖電源進行了改進。 有別于針對粗加工大效率切割的納秒級超窄高峰值電流無電阻放電回路和針對精加工光潔度要求的可控RC 充放電脈沖電源放電回路，本文增加了有阻分檔雙極性納秒級超窄超精脈沖電源回路，還對探測電流回路進行了改進，并經(jīng)過大量加工試驗發(fā)現(xiàn)，放電效果良好、可控。 同時，還依據(jù)超窄脈沖電源電路的放電狀態(tài)檢測電路， 對納秒級脈沖電源進行自適應(yīng)控制，使主振電路產(chǎn)生正確、有序的脈沖，使加工更穩(wěn)定，不易斷絲。

4 加工參數(shù)及加工實例

影響微細(xì)絲電火花線切割加工質(zhì)量的因素很多，本文主要對微細(xì)電極絲材料、張力、工作液種類、壓力、流量、電導(dǎo)率、微能量電源參數(shù)及微當(dāng)量伺服進給等工藝參數(shù)進行系統(tǒng)研究，進一步優(yōu)化運絲速度、張力、工作液流量和壓力、脈沖電源等微細(xì)絲切割工藝參數(shù)的影響與匹配。 在工藝試驗研究基礎(chǔ)上，獲得了穩(wěn)定、可靠、實用的微細(xì)絲切割功能。本文用直徑0.02 mm 微細(xì)電極絲對厚度約1 mm 的不銹鋼板進行了加工試驗，探索高頻脈沖電源參數(shù)對加工效率及表面粗糙度的影響。

4.1 脈沖寬度對加工效率及表面粗糙度的影響

由于微細(xì)絲電源主回路結(jié)構(gòu)采用有阻分檔雙極性納秒級超窄超精脈沖電源回路，放電回路的電感L對電流的上升率起次要作用，若放電回路的限流電阻分檔固定， 則脈沖電流峰值也分檔固定，這主要取決于供電電壓V及回路電阻R的參數(shù)。 其中，回路電阻R為一個常量，供電電壓V一旦設(shè)定，也是一個常量，因而脈沖電流峰值分檔固定。

放電能量隨著脈沖寬度成正比變化，即脈寬Ton越大、放電能量越大，加工效率也越高。 當(dāng)然，Ton的增大是有限制的，特別是對于直徑0.02 mm 微細(xì)電極絲而言，當(dāng)電流增大產(chǎn)生的瞬間熱量超過微細(xì)電極絲的承受能力時，就會發(fā)生斷絲。 顯然，Ton越大，加工表面粗糙度值也越大， 但變化關(guān)系并非線性；當(dāng)Ton較小時，加工表面粗糙度對此敏感度較大，當(dāng)Ton大到一定量時，加工表面粗糙度漸趨穩(wěn)定。

4.2 脈沖停歇對加工穩(wěn)定性及加工效率的影響

脈沖停歇Toff越小，放電頻率越高，平均放電能量越大， 加工效率就越高。 但如果脈沖停歇Toff太小，放電間隙恢復(fù)時間太短，放電期間產(chǎn)生的熱量得不到充分冷卻，將會增大斷絲概率。

脈沖寬度Toff時間是幾十納秒～幾百納秒，脈沖停歇Toff時間則是幾微秒～幾十微秒，脈沖占空比達十倍以上。 脈沖停歇Toff的少量變化將會引起平均加工電流較大幅度的變化，對加工效率隨之產(chǎn)生較大的影響。 因此，往往在加工過程中將脈沖停歇Toff設(shè)置為一個較佳參數(shù)，較少改變。

4.3 供電電壓對加工效率及表面粗糙度的影響

當(dāng)Ton參數(shù)不變，僅改變供電電壓V的大小，即可改變脈沖電流峰值Ip的幅度，從而影響加工效率及加工表面粗糙度。 因此在加工過程中，供電電壓必須恒定，為此設(shè)計了SCR 可控硅三相橋式穩(wěn)壓電路，以確保加工過程中的供電電壓穩(wěn)定。 此外，在精加工時，若要降低加工表面粗糙度值，除了減小脈沖寬度Ton以外，還可降低供電電壓V，以達到所需的加工表面粗糙度。

4.4 加工實例

本文基于自制的微細(xì)絲電火花線切割機床，進行了大量的工藝試驗及典型件加工，可切割厚度最高達到2.8 mm， 并在厚度為1 mm 的不銹鋼板上切割出最窄切縫0.023 mm。 加工所得實物見圖5。

5 結(jié)束語

本文研制了具有無電阻防電解電源、 高效、高精度、高表面質(zhì)量的微細(xì)絲單向走絲電火花線切割機床，可實現(xiàn)電極絲直徑為0.02 mm 的微細(xì)電極絲放電切割。 該研究成果的關(guān)鍵技術(shù)如微細(xì)電源，還可應(yīng)用于微細(xì)電火花小孔加工和微細(xì)電火花成形加工。 總體而言，直徑0.02 mm 微細(xì)電極絲的放電切割是極其復(fù)雜的系統(tǒng)過程，特別是針對各種復(fù)雜形面和各種難加工材料的加工，在保證一定效率的情況下，既要求切割精度又要求高光潔度，在控制系統(tǒng)的進給伺服控制方面如拐彎控制還有待進一步完善，在加工穩(wěn)定性和加工效率等方面，國內(nèi)外技術(shù)水平仍有較大差距。 因此，研究人員在未來還要進行更深入的研究和更多的工藝試驗，不斷完善直徑0.02 mm 微細(xì)電極絲的放電切割性能。