具有半導體特性的往復走絲電火花線切割研究*

劉志東，鄧 聰，潘紅偉

（南京航空航天大學，南京 210016）

傳統(tǒng)電火花加工 （Electrical discharge machining，EDM）中，在極間介質被擊穿、形成放電通道后，極間電壓隨即由空載電壓降低至放電維持電壓[1]，由于兩金屬電極均為良導體，因而兩極間的各點電壓均為放電維持電壓，這樣的低電壓將無法再次擊穿介質形成其他放電通道。因此，傳統(tǒng)電火花加工理論認為，在一個脈沖期間內，兩極間只能形成一個放電通道[2]。目前，電火花線切割加工普遍采用基于間隙平均電壓檢測的伺服控制方法，即通過測量與放電間隙大小有一定關系的間隙平均電壓作為判斷間隙變化的依據[3-4]。間隙大，則間隙平均電壓高，表明極間處于偏空載狀態(tài)，需要加快進給速度；間隙小，則平均電壓低，表明極間處于偏短路狀態(tài)，需要減慢進給速度；間隙為0 時，則為短路狀態(tài)，短路超過一定時限，控制系統(tǒng)驅動工具電極按原已加工軌跡回退，以消除短路狀態(tài)。

上述基于金屬材料建立的傳統(tǒng)電火花加工理論已被廣泛用于電火花線切割的實際加工中，但在一些特殊的應用領域，傳統(tǒng)的金屬電火花加工理論已經難以適用了。如在超高厚度工件和細絲切割中，加工時的電壓和電流信號顯著有別于常規(guī)金屬加工，加工過程也極不穩(wěn)定；一些復合材料切割的加工工藝指標更是明顯低于金屬切割，甚至還會出現電極絲非正常斷絲的情況。隨著高端技術領域中對超高厚度工件、細絲切割、復合材料切割的應用逐漸增加[5-6]，急需解決此類零件不能持續(xù)穩(wěn)定切割的問題。

1 半導體特性下的電火花線切割存在的問題

超高厚度電火花線切割加工（切割厚度≥1000 mm）、細絲切割（電極絲直徑Φ< 0.08 mm）及具有高電阻特性的金屬基陶瓷復合材料切割等切割方式具有的共同特點是：電極絲或工件，甚至電極絲和工件在放電加工時均不再作為導體 （等勢體）對待，由于工件大、電極絲長或細，或者工件為金屬基陶瓷復合材料，電阻不能忽視[7-9]，因此具有了半導體特性。

1.1 半導體特性下無法進行正常切割

上述切割條件下，由于工件/電極絲，或者兩者的電阻不能忽略，致使工件和電極絲本身都不能簡單作為一個等勢體對待，當工件或電極絲具有了半導體特性后，將對極間的放電特性及放電機理造成影響。

電火花加工通常通過測量與放電間隙大小有一定關系的間隙平均電壓作為判斷間隙變化的依據，從而控制伺服進給。電火花加工極間取樣電壓UAD的取樣示意如圖1 所示。傳統(tǒng)與具有半導體特性的線切割加工取樣電壓UAD的對比如表1 所示（其中，i為放電電流；UBC為B、C之間的電壓）。

圖1 放電回路及極間電壓檢測示意圖Fig.1 Schematic diagram of discharge circuit and inter-electrode voltage detection

表1 傳統(tǒng)與具有半導體特性線切割加工取樣電壓UAD 差異對比Table 1 Comparison of diffe ence of the sampling voltage UAD between traditional WEDM and WEDM with semiconductor characteristics

普通切割基于兩金屬電極均為良導體，即等勢體，電阻可以忽略不計 （R絲與R工均為0），因此當極間介質被擊穿形成放電通道后，極間電壓隨即由空載電壓降低至放電維持電壓，因而兩極間的各點處電壓均為放電維持電壓 （UAD=UBC），由此很容易區(qū)分出極間空載、放電及短路狀況，從而控制伺服進給。但工件和電極絲具有半導體特性后，由于工件和電極絲電阻不可忽略，加工時在工件和電極絲上均會出現壓降 （工件上壓降iR工和電極絲壓降iR絲），并且由于放電點位置的變化，在工件和電極絲上出現的壓降也會隨之改變[10]。由于放電點位置一直在變化，因此工件上壓降iR工、電極絲壓降iR絲也一直在改變，致使極間的取樣電壓UAD不僅受到兩電極的極間放電電壓UBC影響，并且受到放電位置的影響，且無規(guī)律可循。由于無法對極間空載、放電、短路狀態(tài)進行準確判斷，從而無法進行正常切割。

圖2 所示為直徑Φ0.18 mm 和Φ0.05 mm 的電極絲在放電時的極間電壓波形。可以看出，在使用直徑Φ0.18 mm 的電極絲加工時，放電與短路電壓區(qū)別明顯，兩者相差10 V；而使用直徑Φ0.05 mm 的電極絲加工時，放電與短路電壓基本相同。放電與短路電壓相同，必然會導致伺服進給混亂。

圖2 不同電極絲直徑放電極間電壓對比Fig.2 Comparison of discharge voltage between electrodes with diffe ent wire diameters

1.2 半導體特性下無法進行長久穩(wěn)定切割

以往研究往復走絲電火花線切割加工時，通常未對正反向走絲加以嚴格區(qū)分，甚至將其看作是一種對稱加工方式。但實際上，往復走絲電火花線切割加工過程中由于受到重力的作用，會導致放電、冷卻、洗滌、排屑、消電離等一系列過程產生非對稱，因此嚴格意義而言，往復走絲放電是非對稱的，非對稱的放電方式將導致加工中產生諸多弊端[11]，最典型的就是自往復走絲誕生以來一直存在的“單邊松絲”問題。“單邊松絲”是指電極絲經過一段時間的往復運行放電加工后，出現電極絲在貯絲筒兩端一端松一端緊的現象。

超高厚度切割時，非對稱性導致的“單邊松絲”現象將隨著加工的延續(xù)體現得越來越明顯。因此如果正向走絲 （自上向下走絲）和反向走絲（自下向上走絲）切割時仍采用一樣的取樣伺服控制策略，將無法做到長久穩(wěn)定切割。

貯絲筒兩端電極絲出現“單邊松絲”（電極絲在貯絲筒的一端緊，另一端則松）現象將致使在正反方向走絲時電極絲空間位置發(fā)生較大變化[12]，其示意圖如圖3 所示。正常加工時，極間狀態(tài)如圖3（a）所示；正向走絲時，電極絲張力逐漸減小，在放電爆炸力的作用下，電極絲會逐漸遠離切縫前端，如圖3（b）所示，放電會從正常狀態(tài)轉變?yōu)楹休^高比例空載脈沖的偏空載狀態(tài)；反向走絲時，電極絲張力逐漸增大，假設電極絲受到同樣的放電爆炸力作用，進給方向上電極絲到工件表面的距離會逐漸減小，如圖3（c）所示，放電會從正常狀態(tài)轉變?yōu)楹休^高比例短脈沖的偏短路狀態(tài)。

圖3 電極絲張力變化導致極間距離變化示意圖Fig.3 Schematic diagram of the change of inter-electrode distance caused by the change of wire tension

因此，即使解決了超高厚度工件能夠切割的問題，由于正反向走絲極間狀態(tài)的改變，相同的取樣伺服控制策略也無法保障正反向都能均勻長久穩(wěn)定切割。對于超高厚度電火花線切割，還要解決如何做到長久穩(wěn)定切割的問題。

同樣，對于細絲切割及金屬基陶瓷復合材料的切割，一旦出現非對稱切割嚴重的情況，也必須考慮采用正反向不同的取樣伺服控制策略。

2 半導體特性下的電火花線切割的特點

根據半導體材料的放電特性，本研究團隊提出了基于電流脈沖概率的伺服控制方法。其原理是通過對一段時間內脈沖電源施加于電極絲與工件之間的空載脈沖、正常放電脈沖及短路脈沖的數量分別進行檢測、統(tǒng)計、分析后，對放電間隙狀態(tài)進行判別的一種方法。半導體電火花線切割加工時，放電電流波形相較于電壓波形更具有辨識度[13]，因而主要是根據電流脈沖信號來區(qū)分放電狀態(tài)，計算出一定時間內的電流脈沖概率作為伺服進給的依據，并將此概率與設定的目標放電概率進行比較，當放電概率小于目標概率時，表明空載脈沖較多，放電間隙較大，應提高進給速率；當放電概率大于目標概率時，表明短路脈沖較多，放電間隙較小，應降低進給速率。基于電流脈沖概率的伺服控制流程如圖4 所示。研究證明，基于電流脈沖概率的伺服控制策略大大提高了半導體電火花線切割加工的穩(wěn)定性，同時對于傳統(tǒng)金屬電火花加工也同樣適用，能夠發(fā)展成為一種通用的電火花伺服控制方法。

圖4 基于電流脈沖概率的伺服控制流程圖Fig.4 Servo control flow chart based on current pulse probability

圖5 為切割1500 mm 超高厚度工件時，采用傳統(tǒng)電火花線切割使用的固定閾值峰值電壓伺服控制方法加工所檢測到的脈沖放電概率。可以看到，中間加工相對穩(wěn)定區(qū)間（ 電極絲在緊邊時），檢測到的放電加工波形主要以正常放電和短路波形為主，但在此區(qū)間的兩側（ 電極絲在松邊時），則出現了大量的空載波形。這就是電極絲往復走絲后形成的“單邊松絲”所造成的，并且對于超高厚度切割而言，隨著切割的延續(xù)，這種現象將愈來愈嚴重，最終導致切割無法穩(wěn)定進行。

圖5 固定閾值平均電壓檢測伺服控制的脈沖放電概率Fig.5 Pulse probability of average voltage detection-based servo control method with a fixed threshold

圖6 所示為相同切割工件條件下，采用了電流脈沖概率檢測且在正反向走絲時采用不同伺服控制策略加工時的脈沖放電概率，可以看出，加工時空載、放電和短路概率變化較小，且空載概率略大于短路概率，“單邊松絲”現象導致的超高厚度切割不穩(wěn)定情況得到大幅降低，機床能夠持續(xù)平穩(wěn)地進給。由于切割平穩(wěn)性得到提高，超高厚度切割的切割速度及表面質量均獲得很大的提高，并且可以長久持續(xù)。

圖6 正反向走絲不同控制策略的脈沖放電概率Fig.6 Pulse probability of diffe ent control strategies for forward and reverse wire traveling

3 半導體特性下的電火花線切割應用

3.1 超高厚度切割

隨著航空航天、核工業(yè)、軍工、船舶、汽車及模具制造業(yè)等行業(yè)對零件要求的提高，為保障某些高厚度大型結構件的強度及工作的可靠性和安全性，一方面采用整體鑄鍛件代替多件連接或焊接件；另一方面，有些高厚度大型結構件因為材料特殊而無法焊接，必須采用整體構件。這些高厚度結構件中的特殊形狀及窄槽、窄縫、鍵槽，目前只能由電火花線切割加工完成[14]。因此出現了諸多有別于一般電火花線切割加工的超高厚度切割情況。圖7（a）是國際熱核聚變試驗堆 （ITER）磁體支撐產品整體鍛造U 型磁體裝置 （切割高度為1100 mm 窄槽，材料為316LN 不銹鋼）；圖7（b）是某船舶制造廠需要加工的零件（切割高度為1000 mm，材料為鈦合金）；圖7（c）是過濾油壓機銅內套 （切割高度為1120 mm，材料為QAL9 - 4 鋁青銅）。這類超高厚度零件材料特殊且形狀復雜，加工周期很長，需要能持續(xù)穩(wěn)定切割。

3.2 細絲切割

隨著對微小零件（微小齒輪、微小花鍵和微小連接器）、傳感器及貴重金屬特殊復雜零件加工的需要，微細電火花線切割加工在許多微型機械生產領域發(fā)揮了重要的作用。但目前的細絲電火花線切割領域，幾乎被單向走絲電火花線切割所壟斷，在細絲加工時，放電能量非常微弱，隨著電極絲直徑與放電能量的大幅度減小，放電過程及其作用機理均發(fā)生了本質的變化，對走絲系統(tǒng)、微精脈沖電源、加工過程控制策略等都提出了更高的要求。但從切割機理考慮，往復走絲電火花線切割由于走絲速度快，電極絲獲得的冷卻將更加及時[8]，其切割的持久性、穩(wěn)定性、切割速度及性價比將大大高于單向走絲電火花線切割的細絲切割。

常規(guī)往復走絲電火花線切割電極絲通常為直徑Ф0.18 mm 的鉬絲，而目前細絲切割一般使用直徑Ф0.05～0.08 mm 的細鉬絲。根據鉬絲電阻率及電阻計算公式可知，直徑Ф0.05 mm 的鉬絲電阻是Ф0.18 mm 鉬絲的12.96 倍，因此，對往復走絲電火花細絲切割而言，隨著電極絲直徑的減小，電極絲電阻大大增加，由此帶來的對放電特性、取樣及伺服控制的影響不可忽略；同時，由于較大電阻的存在，放電加工中的電極絲不再是等勢體，而具有了半導體特性。因此，與傳統(tǒng)電火花線切割相比，電火花細絲切割在脈沖電源及能量控制、伺服控制方法、走絲系統(tǒng)等方面均有所差異。

近年來，通過對現有往復走絲電火花線切割機床系統(tǒng)改進，從細絲切割的微精脈沖電源、伺服控制、走絲系統(tǒng)及張力控制、斷絲控制等方面進行了深入研究，已經實現了直徑Ф0.05 mm 電極絲的高厚度工件的連續(xù)穩(wěn)定切割。圖8 所示小齒輪厚度為20 mm，齒數為10，齒頂圓直徑為Φ2 mm，Φ0.05 mm 電極絲切割用時19 min。

圖8 直徑Φ0.05 mm 電極絲切割的小齒輪樣件Fig.8 Pinion sample cut with Φ0.05 mm wire diameter

因此，對于往復走絲的細絲切割，在某個直徑范圍能進行高深徑比工件的切割，這種優(yōu)勢是單向走絲電火花線切割無法比擬的。

3.3 金屬基陶瓷復合材料切割

隨著制造水平的不斷發(fā)展，高新技術領域對新型工程材料的需求越來越迫切，傳統(tǒng)的金屬材料往往不能在各個方面都滿足工作條件的要求。金屬基陶瓷復合材料由于具有高強、超硬、耐高溫、耐磨、耐腐蝕等特性，已被廣泛應用于航空航天、化工、軍事、機械、電子通信等領域。然而，正是由于其高硬度和高脆性，使得金屬基陶瓷復合材料的成形加工，尤其是復雜形狀的加工極為困難。電火花線切割加工具有幾乎不受材料機械性能影響，以及適合加工各種復雜形狀的特點，成為加工金屬基陶瓷復合材料最具潛力的特種加工方式之一。

由于特殊的材料特性，使得金屬基陶瓷復合材料的電火花線切割加工與傳統(tǒng)金屬切割存在很大差異。一方面，金屬基陶瓷復合材料由于包含Al2O3等不導電化合物的組分，導致材料本身存在一定的電阻率，并且不導電組分的含量越高，金屬基陶瓷復合材料的導電性能就越差，呈現愈加明顯的半導體特性，因而影響其電火花線切割加工時的放電特性；另一方面，在電火花線切割加工金屬基陶瓷復合材料過程中，產生的非導電蝕除物Al2O3容易黏附在電極絲表面，嚴重影響電極絲的導電性能，導致電極絲隨著加工的延續(xù)也逐漸具有了體電阻，性能類似于半導體材料，此時的電極絲也會呈現出明顯的半導體特性。因此，如果要進行長久穩(wěn)定的切割，也必須采用基于半導體特性下的新的放電加工體系來解決金屬基陶瓷復合材料的加工問題。

4 結論

（1）半導體特性下的電火花線切割加工，工件、電極絲或兩者具有的高電阻特性會導致放電時的極間電壓升高，使用傳統(tǒng)的間隙平均電壓檢測無法準確判斷極間的加工狀態(tài)。

（2）具有半導體特性的電火花線切割加工，正、反向走絲過程中加工的非對稱性會顯著影響切割穩(wěn)定性，應在正、反向走絲時采用不同的控制策略以提高其持續(xù)切割的能力。

（3）半導體特性下的電火花線切割加工的極間放電特性和機理會發(fā)生顯著變化，會影響電火花線切割的切割速度、表面質量及加工精度。