國內(nèi)電火花線切割技術(shù)研發(fā)的探討

胥 宏，張世憑 ，連帥梅

(成都工業(yè)學(xué)院 a.電加工中心；b.工程素質(zhì)訓(xùn)練中心，成都 610031)

張世憑(1970- )，男(漢族)，四川眉山人，副教授，碩士，研究方向：機(jī)械制造、材料工程、高等教育。

國內(nèi)電火花線切割技術(shù)研發(fā)的探討

胥 宏a，張世憑b，連帥梅b

(成都工業(yè)學(xué)院a.電加工中心；b.工程素質(zhì)訓(xùn)練中心，成都 610031)

從快走絲電火花切割和慢走絲電火花切割兩方面概述了國內(nèi)電火花線切割技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀。介紹了電火花線切割機(jī)床的加工原理、加工特點(diǎn)、加工范圍及應(yīng)用領(lǐng)域；并從主機(jī)制造技術(shù)、脈沖電源技術(shù)、控制技術(shù)以及加工工藝技術(shù)4個(gè)方面探討雙向快走絲電火花線切割技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀。

電火花線切割機(jī)床；電火花線切割原理；主機(jī)制造技術(shù)；脈沖電源技術(shù)；控制技術(shù)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，電火花線切割技術(shù)作為特種加工技術(shù)的一種，由于其不受加工材料硬度限制、便于加工各種復(fù)雜平面圖形、材料利用率高、加工精度高、生產(chǎn)周期短、制造成本低等特點(diǎn)，在我國機(jī)械制造行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。特別是在模具加工行業(yè)，電火花線切割技術(shù)廣泛應(yīng)用于冷沖模、擠壓模加工中，改變了過去用分開模和曲線磨削的加工模式，縮短了制造周期，降低了制造成本，配合精度高。鑒于國外主要以研究單向慢走絲電火花線切割為重點(diǎn)，因此本文主要探討我國電火花線切割技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀[1]。

1 電火花線切割概述

電火花線切割機(jī)屬電加工范疇，是前蘇聯(lián)拉扎林科夫婦在研究開關(guān)觸點(diǎn)受火花放電腐蝕損壞的現(xiàn)象和原因時(shí)，發(fā)現(xiàn)電火花的瞬時(shí)高溫可以使局部的金屬熔化、氧化而被腐蝕掉，從而開創(chuàng)和發(fā)明了電火花加工方法。1960年前蘇聯(lián)發(fā)明了世界上第一臺線切割機(jī)，而我國是第一個(gè)將線切割機(jī)用于工業(yè)生產(chǎn)的國家。

1.1 加工原理

圖1 線切割加工原理[2]

電火花線切割的加工原理主要依靠電火花放電作用實(shí)現(xiàn)。如圖1所示，電極絲通過進(jìn)電塊接電源的負(fù)極，工件接電源的正極，在正負(fù)極間施加脈沖電壓，并不斷噴注具有一定絕緣性能的工作液，當(dāng)兩電極間的間隙小到一定程度時(shí)，由于兩電極的微觀表面凹凸不平，其點(diǎn)成分布不均勻，離得最近凸點(diǎn)處的電場強(qiáng)度最高，機(jī)間液體介質(zhì)被擊穿，形成放電通道，電流迅速上升。在電場的作用下，通道內(nèi)的電子高速奔向陽極，正離子奔向陰極，形成火花放電，電子和離子在電場的作用下，高速運(yùn)動時(shí)相互碰撞，陰極和陽極表面分別受到電子流和離子流的轟擊，使電極間隙內(nèi)形成瞬時(shí)高溫?zé)嵩?中心溫度高達(dá)10 000 ℃)，以至于局部金屬熔化和氣化。氣化后的工作液和工件材料蒸汽瞬間迅速膨脹，并具有爆炸特性。在這種熱膨脹、熱爆炸以及工作液沖壓的共同作用下，熔化和氣化的工件材料被拋出放電通道，至此完成一次火花放電過程。當(dāng)下一個(gè)脈沖到來時(shí)，繼續(xù)重復(fù)以上的火花放電過程，從而將工件切割成形[3]。

1.2 加工特點(diǎn)

1)能加工傳統(tǒng)方法難以加工或無法加工的高硬度、高強(qiáng)度、高脆性、高韌性等導(dǎo)體材料及半導(dǎo)體材料。2) 由于電極絲很細(xì)小，可以加工細(xì)微異型孔、窄縫和復(fù)雜形狀零件。3) 工件被加工表面受熱影響小，適合加工熱敏感性材料；同時(shí)，由于脈沖能量集中在很小的范圍內(nèi)，加工精度較高。4) 加工過程中，電極絲與工件不直接接觸，無宏觀切削力，有利于加工低剛度工件。5) 由于加工時(shí)產(chǎn)生的切縫窄，實(shí)際金屬蝕除量很少，材料的利用率高。6) 電火花線切割直接利用電能加工，電參數(shù)易調(diào)節(jié)，操作系統(tǒng)采用數(shù)控系統(tǒng)，便于實(shí)現(xiàn)加工過程的自動控制。7) 與普通切削加工手段相比，生產(chǎn)效率相對較低；電極絲有損耗；對工件的拐角最小半徑有限制；加工質(zhì)量對操作者依賴度較高。

1.3 加工范圍及應(yīng)用領(lǐng)域

1) 加工沖模，如精密沖模的加工制造，電火花線切割加工是不可缺少的關(guān)鍵技術(shù)。包括大、中、小型沖模的凸模、凹模、固定板、卸料版等的加工。2) 加工鑲拼型腔模、粉末冶金模、彎曲模、拉絲模等。3) 加工樣板、成型刀具等。4) 加工細(xì)微異型孔、窄縫和復(fù)雜形狀零件，如異型孔噴絲板、射流元件、激光器件、電子器件等的微孔與窄縫。5) 加工各種特殊材料和特殊結(jié)構(gòu)的零件，如電子器件、儀器儀表、電動機(jī)、鐘表等零件，以及齒輪、薄殼器件等。6) 各種導(dǎo)電材料，特別是稀有貴重金屬的切割；各種特殊結(jié)構(gòu)零件的切斷等[4]。

2 國內(nèi)電火花線切割機(jī)床的發(fā)展現(xiàn)狀

電火花線切割機(jī)床根據(jù)走絲速度和運(yùn)動方式的不同分為高速往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床(以下簡稱“快走絲線切割機(jī)床”)、低速單向走絲電火花線切割機(jī)床(以下簡稱“慢走絲線切割機(jī)床”)2種。目前，我國從事電火花線切割機(jī)技術(shù)研究的單位和生產(chǎn)廠家主要分布在浙江、寧波、臺州、廣州、北京等地。

2.1 高速走絲電火花線切割機(jī)床的發(fā)展

快走絲線切割機(jī)床是我國獨(dú)創(chuàng)的電加工機(jī)床，經(jīng)過四五十年的發(fā)展，技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，在我國機(jī)械制造行業(yè)中占有重要地位。它也是目前我國生產(chǎn)的主要機(jī)種，其最大優(yōu)勢在于結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、使用成本低(一般都在10 萬元以內(nèi))且加工效率高，擁有良好的性價(jià)比。

快走絲線切割機(jī)床的電極絲做高速往復(fù)運(yùn)動，走絲速度為8～10 m/s，電極絲在加工過程中可以重復(fù)使用，電極絲直徑范圍是0.12～0.25 mm，而直徑為0.18 mm是最常用的；加工表面粗糙度可達(dá)到Rɑ：3.2～1.6 μm，最佳也只有1 μm；可控加工精度0.01～0.02 mm。

由于快走絲線切割機(jī)床電極絲損耗快、主機(jī)結(jié)構(gòu)剛性差，受加工環(huán)境的溫度變化的影響大、精度不穩(wěn)定、開環(huán)控制進(jìn)給系統(tǒng)、工作液的導(dǎo)電率隨著使用時(shí)間變化等因素影響，使機(jī)床的加工精度受到限制。近年來國內(nèi)生產(chǎn)快走絲線切割機(jī)床的廠家都將提高往復(fù)走絲機(jī)床的精度(主要是定位精度和重復(fù)定位精度)與加工零件表面質(zhì)量2個(gè)方面作為產(chǎn)品發(fā)展的重點(diǎn)突破方向，在主機(jī)制造技術(shù)、脈沖電源技術(shù)、控制技術(shù)、加工工藝等方面取得了重大進(jìn)展[5-6]。

2.1.1 主機(jī)制造技術(shù)

機(jī)床主機(jī)及運(yùn)絲系統(tǒng)的精度是線切割機(jī)床精度的重要保證。目前機(jī)床主機(jī)結(jié)構(gòu)大多為音叉式，這種結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是制造難度不大，成本低，易于裝配和拆卸檢修，所以這種結(jié)構(gòu)目前是線切割機(jī)床尤其是快走絲機(jī)床的主流結(jié)構(gòu)。主要缺點(diǎn)是剛性低，固有頻率低，機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)過程中容易引起共振。另外，機(jī)床的本體受放電加工過程中產(chǎn)生的大量熱量的影響，容易發(fā)生熱變形，這也是影響快走絲線切割機(jī)床加工精度的一個(gè)重要因素。為改善這一情況，必須進(jìn)一步改進(jìn)機(jī)床的結(jié)構(gòu)。因此，在設(shè)計(jì)機(jī)床結(jié)構(gòu)時(shí)，必須從整體考慮，采用計(jì)算機(jī)分析軟件對機(jī)床的結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)和熱穩(wěn)定性模擬分析，以提高機(jī)床結(jié)構(gòu)的合理性。另外，直線導(dǎo)軌、雙螺母滾珠絲杠、交流伺服電機(jī)直聯(lián)驅(qū)動已在機(jī)床設(shè)計(jì)中得到了應(yīng)用，這有效提高了機(jī)床的定位精度和重復(fù)定位精度。

在運(yùn)絲系統(tǒng)方面，北京市電加工研究所研制的雙向恒張力緊絲機(jī)構(gòu)，極大地提高了運(yùn)絲的穩(wěn)定性，有效減小了電極絲的震動；蘇州市寶瑪數(shù)控設(shè)備有限公司研制的閉環(huán)動態(tài)張力控制的電火花線切割運(yùn)絲機(jī)構(gòu)，使機(jī)床的運(yùn)絲、緊絲、上絲變得更智能、更穩(wěn)定。使加工精度，表面光潔度，加工效率都大大提高，也降低了用戶的使用成本。

該機(jī)構(gòu)具有以下特點(diǎn)：1)通過頻響極高的傳感器檢測和伺服閉環(huán)電氣控制使鉬絲張力調(diào)整速度達(dá)到微米級；2)通過上下對稱的機(jī)械張力調(diào)節(jié)裝置，使加工區(qū)的鉬絲張力上下恒定，克服常規(guī)傳力控制裝置緊絲容易松絲難的問題；3)通過配置自動上絲和緊絲裝置，克服了中走絲線切割手動上絲和緊絲的缺點(diǎn)，符合國際上電火花線切割機(jī)床的安全操作標(biāo)準(zhǔn)；4)通過鉬絲張力動態(tài)微米級的即時(shí)調(diào)整，使加工工件的表面質(zhì)量明顯改善，尤其是對工件的換向條紋的改善[7]。

2.1.2 脈沖電源技術(shù)

數(shù)字化脈沖電源以可編程邏輯器件作為高脈沖電源的主振控制芯片，產(chǎn)生的脈沖波形靈活多變，實(shí)現(xiàn)了硬件級的實(shí)時(shí)脈沖參數(shù)適應(yīng)控制。可以利用數(shù)控系統(tǒng)設(shè)置脈沖電源的電流前沿上升速率，降低電極絲損耗、自動變規(guī)準(zhǔn)加工，適應(yīng)多次切割需求及提高大厚度加工的穩(wěn)定性和提高加工效率、減少斷絲概率。

伺服控制電路以慢走絲電火花線切割機(jī)使用的伺服電路為基礎(chǔ)，結(jié)合快走絲電火花線切割機(jī)的特點(diǎn)，加以改進(jìn)設(shè)計(jì)而成。針對在封閉放電間隙狀態(tài)下切入工件的第一次精切割加工和敞開式放電間隙狀態(tài)下，單邊多次修正切割加工，根據(jù)2種不同要求的伺服跟蹤特點(diǎn)和要求，參考慢絲伺服設(shè)計(jì)了伺服跟蹤電壓和跟蹤靈敏度兩項(xiàng)伺服參數(shù)，以使脈沖電源在兩種放電間隙狀態(tài)下，火花放電穩(wěn)定，提高了多次修正加工的效率，減少修正切割次數(shù)。在以降低工件表面粗糙度為目的的最后一次切割時(shí)，同慢絲切割的最后一次切割相同改為等速進(jìn)給方案，以達(dá)到在保持工件加工精度的前提下，獲得最高的表面光潔度。目前此項(xiàng)技術(shù)正在測試應(yīng)用階段[8]。

2.1.3 控制技術(shù)

將人工智能技術(shù)運(yùn)用到電火花線切割加工領(lǐng)域，是一種新的嘗試。目前國內(nèi)對已經(jīng)開始對此進(jìn)行研究。要注意借鑒國外發(fā)展的經(jīng)驗(yàn)，針對高速走絲線切割加工的關(guān)鍵性環(huán)節(jié)，使其向智能化發(fā)展，以提高高速走絲電火花線切割機(jī)的整體加工性能。此外，人工智能技術(shù)另一個(gè)重要方面——模糊控制技術(shù)，主要靠模仿實(shí)現(xiàn)對機(jī)床的控制，目前已成功應(yīng)用在電火花成形機(jī)上，在電火花線切割加工領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

2.1.4 加工工藝技術(shù)

無論是金屬切削機(jī)床還是慢走絲線切割機(jī)床，想要一次加工就得到良好的表面效果和較高的加工精度很難。都必須經(jīng)過粗加工、精加工等工序后才能實(shí)現(xiàn)。多次切割工藝的應(yīng)用是提高線切割機(jī)床性能的重要手段。為了提高快走絲線切割機(jī)床的加工質(zhì)量，必須注重多次切割工藝的研究。以往的快走絲線切割機(jī)床由于功能和結(jié)構(gòu)的限制，不具有多次切割的功能。近年來，隨著快走絲線切割機(jī)床的脈沖電源技術(shù)、進(jìn)給策略和電極絲的張力控制等水平的提高，使多次切割工藝的應(yīng)用成為可能。目前有的快走絲線切割機(jī)床已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)多次切割加工，并在一定程度上提高了加工精度和表面質(zhì)量，這種具有多次切割功能的快走絲線切割機(jī)床就是中走絲線切割機(jī)床[9-10]。

目前，有一些廠家建立起相應(yīng)的知識庫和專家系統(tǒng)，操作者只需輸入一些加工工件的性能參數(shù)，系統(tǒng)就可以自動生成各道加工工序，且自動將各道工序連接起來，不需人工干預(yù)，極大地降低了機(jī)床操作者的工作難度和強(qiáng)度。

3）GB/T 13923―2006《基礎(chǔ)地理信息要素分類與代碼》對于軍事測繪來說是基本適用的，但其用于軍事測繪的最主要問題在于要素內(nèi)容的不對應(yīng)。

2.2 單向低速走絲電火花線切割機(jī)床的發(fā)展

低速走絲電火花線切割(單向慢走絲) 這類機(jī)床的電極絲做低速單向運(yùn)動，一般走絲速度不高于0.2 m/s；在加工過程中電極絲使用一次便廢棄，對抗拉強(qiáng)度要求不高，電極絲材料一般選用鍍鋅的銅絲或黃銅絲，直徑范圍0.03～0.35 mm，高生產(chǎn)率時(shí)可用0.3 mm以下的鍍鋅黃銅絲進(jìn)行加工，加工的表面粗糙度一般可達(dá)Rɑ：1.6～0.2 μm，可控加工精度為0.005～0.002 mm。主要特點(diǎn)是：由于電極絲單向運(yùn)動，一次性使用，張力均勻，振動小，所以加工穩(wěn)定性、表面粗糙度、精度指標(biāo)均優(yōu)于快走絲機(jī)床。

單向慢走絲線切割最早是國外生產(chǎn)和使用的主要機(jī)種。我國對慢走絲線切割機(jī)床的研究起步較晚。但是，近年來我國的科研人員和企業(yè)在國家專項(xiàng)基金的支持下，投入大量的研發(fā)力量，現(xiàn)在已完成新一代慢走絲線切割機(jī)床的研發(fā)，目前已經(jīng)有具有自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品在市場上銷售，其性能指標(biāo)達(dá)到國外中檔機(jī)的水平，且在中端市場中占有一定的市場份額。國內(nèi)具有自主研發(fā)和生產(chǎn)慢走絲線切割機(jī)床的廠家較少，都是國內(nèi)電加工機(jī)床行業(yè)的骨干企業(yè)，如蘇州三光科技股份有限公司、蘇州電加工機(jī)床研究所、北京安德公司、蘇州市寶瑪數(shù)控設(shè)備有限公司等。另外，還有一些中外合資企業(yè)或國外企業(yè)在中國的獨(dú)資企業(yè)也在從事這方面的技術(shù)研究和產(chǎn)品開發(fā)，而且具有技術(shù)優(yōu)勢。

雖然近年來國內(nèi)在單向慢走絲線切割技術(shù)研究中取得了可喜的成績，但是，與國外單向慢走絲線切割技術(shù)水平存在較大差距。國外(歐美、日本等)研發(fā)的慢走絲線切割機(jī)床為適應(yīng)對制造加工技術(shù)的要求，普遍使用閉環(huán)控制系統(tǒng)，以確保良好的動態(tài)性能和精確的定位精度，加工精度可達(dá)到微米級。另外，在機(jī)床自動化、智能化方面國外生產(chǎn)廠家也遠(yuǎn)遠(yuǎn)走在微米前面，我們應(yīng)逐步縮小差距，搶占市場份額[3]。

3 結(jié)語

快走絲電火花線切割加工技術(shù)是集機(jī)電一體化、多學(xué)科的綜合技術(shù)，目前，快走絲線切割機(jī)床如何發(fā)展是整個(gè)電加工行業(yè)必須認(rèn)真研究的課題。應(yīng)吸取國外慢走絲線切割技術(shù)的成功經(jīng)驗(yàn)，重視對電火花線切割技術(shù)的基礎(chǔ)理論和實(shí)驗(yàn)研究。組織專業(yè)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)的基于PC的數(shù)控系統(tǒng)。同時(shí)，把人工智能技術(shù)與快走絲線切割機(jī)床結(jié)合起來，運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)提高機(jī)床的性能。此外，加強(qiáng)機(jī)床本體結(jié)構(gòu)的研究和開展多次切割工藝的應(yīng)用，以提高機(jī)床的整體加工品質(zhì)，增強(qiáng)快走絲線切割機(jī)床在市場上的競爭能力。總之，只要我們抓住機(jī)遇，做好基礎(chǔ)研究，開拓創(chuàng)新、運(yùn)用科技、多學(xué)科合作，我國的往復(fù)走絲電火花線切割加工技術(shù)的發(fā)展前景一定會更好。

[1] 第十三屆中國國際模展評定評述專家組.第十三屆中國國際模具技術(shù)和設(shè)備展覽會現(xiàn)代模具制造技術(shù)及設(shè)備評述[J].電加工與模具,2011(4):1-10.

[2] 劉朝儒,吳志軍,高政一.機(jī)械制圖[M].5版.北京:高等教育出版社,2006.

[3] CIMT2011特種加工機(jī)床評述專家組.第十二屆中國國際機(jī)床展覽會特種加工機(jī)床評述[J].電加工與模具,2011(3):1-8.

[4] 伍端陽.數(shù)控電火花線切割加工應(yīng)用技術(shù)問答[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

[5] 朱寧,葉軍,韓福柱,等.電火花線切割加工技術(shù)及其發(fā)展動向[C]//中國機(jī)械工程學(xué)會特種加工分會.第13屆全國特種加工學(xué)術(shù)會議論文集.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2009.

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[7] 韓小后,張振東,汪向明.基于DK7725電火花線切割機(jī)床多次切割工藝研究[C]//中國機(jī)械工程學(xué)會特種加工分會秘書處第14屆全國特種加工學(xué)術(shù)會議論文集.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2011.

[8] 楊亞琴.電火花線切割機(jī)床加工工藝參數(shù)的研究[J].價(jià)值工程,2012(35):30-31.

[9] 張旭東.往復(fù)走絲電火花線切割加工技術(shù)的發(fā)展與定位[J].電加工與模具,2011(B04):12-13.

[10] 呂華.電火花線切割加工智能脈沖電源的研究[D].成都:西華大學(xué),2012.

與混合物有關(guān)的幾個(gè)量名稱的正確使用

在弄清概念的基礎(chǔ)上，可根據(jù)作者給出的單位來選擇合適的量名稱。對于由物質(zhì)A、B、C等組成的混合物Σ(包括氣體、液體和固體)，涉及其中的單一物質(zhì)占整個(gè)混合物的份額和混合物中各構(gòu)成物質(zhì)之間的數(shù)量關(guān)系，常用如下一些量名稱和單位表示。

1) A 的物質(zhì)的量濃度(簡稱濃度)，指物質(zhì)A的物質(zhì)的量除以混合物Σ的體積。常用單位mol/L 等。

2) A的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，指物質(zhì)A 的質(zhì)量與混合物Σ質(zhì)量之比。其單位為1，常用純小數(shù)或%表示。質(zhì)量分?jǐn)?shù)也可表示為2個(gè)同類單位之比，如μg/g 等，但不允許用ppm 等。

3) A的體積分?jǐn)?shù)，指物質(zhì)A 的體積與混合物Σ體積之比。其單位為1，常用純小數(shù)或%表示。體積分?jǐn)?shù)也可表示為2個(gè)同類單位之比，如mL/m3 等，但不允許用ppm 等。

4) A的摩爾分?jǐn)?shù)(也稱物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)和物質(zhì)的量比)，指A的物質(zhì)的量與混合物Σ的物質(zhì)的量之比。其單位是1，常用純小數(shù)或%表示，也可表示為mmol/mol 等。

5) A的質(zhì)量濃度，指物質(zhì)A 的質(zhì)量除以混合物Σ的體積，其常用單位是g/L 等。

6) 質(zhì)量比，指混合物Σ 中各組成物質(zhì)間的質(zhì)量之比。例如:m(A)∶m(B)= 1∶2，m(B)∶m(C)=2∶3，m(A)∶m(B)∶m(C)=1∶2∶3。體積比與此類似。

TheCurrentStatusofElectricSparkLineCuttingTechnologyinChina

XUHonga,ZHANGShipingb,LIANShuaimeib

(a.Machining Center；b. Engineering Training Center，Chengdu Technological University，Chengdu 610031，China)

This article summarized the development and application of high speed WEDM wire cutting and Slow-feeding WEDM outlined electric spark line cutting technology in China in two aspects, described the processing principle of electric spark linear cutting machine tool, the processing characteristic and the processing range and application field; and discussed the current development status of two-way fast wire EDM wire cutting from four aspects of host machine manufacturing technology, pulsed power supply technology, control technology and processing technology .

Electric spark linear cutting machine；WEDM principle； manufacturing technology of host； technology of pulsed power supply；control technology

2013-04-08

四川省教育廳成果轉(zhuǎn)化重大培育項(xiàng)目“精密控制多次加工線切割系統(tǒng)研究”(13CZ0007)

胥宏(1970- )，男(漢族)，四川德陽人，教授，碩士，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)及制造。

TG5

A

2095-5383(2013)02-0039-04