往復走絲電火花線切割機床實現(xiàn)高精度加工的要素分析及對策

齊文春，高堅強，黃鶯

（1.蘇州科技學院機械工程學院，江蘇蘇州 215011；2.蘇州新火花機床有限公司，江蘇蘇州 215128）

往復走絲電火花線切割機床實現(xiàn)高精度加工的要素分析及對策

齊文春1，高堅強2，黃鶯1

（1.蘇州科技學院機械工程學院，江蘇蘇州 215011；2.蘇州新火花機床有限公司，江蘇蘇州 215128）

分析了往復走絲電火花線切割機床制約加工精度的要素，提出了該類機床實現(xiàn)高精度加工的發(fā)展對策及在走絲系統(tǒng)、工作液系統(tǒng)、脈沖電源、工藝數(shù)據(jù)庫等方面的實施方案。這些方案既可滿足長時間單向走絲的無條紋高精度加工要求，又可實現(xiàn)電極絲反復使用的往復走絲機床運行成本低的要求，且加工效率高、適用加工對象范圍廣，是未來往復走絲電火花線切割機床實現(xiàn)高精度加工的一個發(fā)展方向。

往復走絲電火花線切割加工；雙絲筒走絲系統(tǒng)；高精度加工；工作液系統(tǒng)

往復走絲電火花線切割機床是我國特有的加工裝備，目前已成為機械制造業(yè)的重要加工手段。據(jù)不完全統(tǒng)計，2012年往復走絲線切割機床的銷售量占電加工機床的61.2%，銷售額占24.2%，平均售價為每臺4.83萬元；單向走絲線切割機床的銷售量占12.3%，銷售額占41.1%，平均售價為每臺41.28萬元[1]。這一數(shù)據(jù)說明，目前往復走絲機床雖然銷售量很大，但銷售價格低，其加工精度和表面質量與單向走絲機床相比存在較大差距，只能滿足低端市場需求。但同時，往復走絲機床具有設備造價和運行費用低的優(yōu)勢，如能通過一定的技術措施提高其加工精度和表面質量，使其達到或接近單向走絲機床的技術水平，那么往復走絲機床的市場競爭力就能得到大幅提高。本文針對這一問題，進行了重點要素分析，并提出了一些思路。

1 制約機床加工精度的要素分析

往復走絲機床與單向走絲機床相比，其最大的優(yōu)勢在于電極絲可重復使用，運行成本低；其最大的劣勢在于加工精度低，且切割表面存在黑白交叉條紋[2]。單向走絲機床之所以加工精度高，主要措施之一就在于采用了多次切割技術，這無疑也是提高往復走絲機床加工精度的重要舉措之一。然而，要達到高精度加工的目的，往復走絲機床還存在兩個結構方面的問題，必須得到根本解決。

1.1 走絲系統(tǒng)方面的問題

電火花線切割加工是基于火花放電腐蝕原理進行加工的，其條件之一就是電極絲與工件之間必須有一定絕緣強度的液體介質。由于放電間隙很小，可采用電極絲的軸向移動并依靠電極絲表面張力將液體介質帶入加工區(qū)，同時將加工產(chǎn)物帶出加工區(qū)，帶入加工區(qū)的液體數(shù)量隨電極絲移動速度的加快而增加?；谠摾碚摚覈木€切割加工機床就采用了往復高速走絲、單貯絲筒結構的技術方案，電極絲移動速度在8～12 m/s范圍內(nèi)，該結構特征引起的一些問題嚴重制約了加工精度的提高。

（1）由于往復走絲機床采用單貯絲筒的走絲方案，只能單層繞絲。通常，一次上絲的長度為200～300 m，如按10 m/s的走絲速度，最多運行30 s就要換向，即使是1 m/s的中速走絲速度，也最多運行300 s就要換向，頻繁換向不可避免的。

（2）由于電極絲的高速移動，會造成電極絲定位器的磨損及定位導向精度的下降，電極絲定位器很難得到成功應用。因此，電極絲的空間位置只能依靠導輪V型槽來定位。由于導輪V型槽是敞開式結構，加上電極絲及導輪V型槽的磨損，電極絲的空間位置在加工過程中是變化的，從而影響了電極絲的實際軌跡位置，進而影響加工精度。

（3）電極絲的頻繁換向及高速移動速度，使軸承、導輪跳動加劇，導電導向裝置磨損嚴重，這些因素會造成電極絲的振動加劇，從而影響電極絲空間位置的準確性和穩(wěn)定性，進而影響加工精度。

（4）電極絲的往復運動使工件上、下入口處的工作液潔凈程度不盡相同，放電間隙也就不同，這會形成往復走絲特有的切割條紋。即使采用多次切割技術進行修光，由換向引起的黑白交叉條紋也不可避免。

（5）電極絲的頻繁換向會使工作液依靠電極絲的移動帶入加工區(qū)或依靠壓力噴入加工區(qū)，在兩種方式所形成的流動方向不一致時會產(chǎn)生負面效果，尤其是在電極絲高速移動時，噴液效果會受到較大影響。因此，高壓噴液方式很難實施，供液效果難以提高。

（6）由于電極絲的頻繁換向，電極絲的恒張力控制存在一定的困難。雖然恒張力裝置已在往復走絲機床中得到應用（如機械重錘式張力機構、機械彈簧式張力機構等），但其使用效果并不理想，電極絲張力很難準確控制，從而影響電極絲空間位置的準確性和穩(wěn)定性，進而影響加工精度。

（7）電極絲反復使用所產(chǎn)生的損耗會影響電極絲的切縫大小，在加工同一零件的不同時段內(nèi)切縫大小不一致，會影響切割輪廓的實際尺寸大小，進而影響加工精度。

1.2 工作液系統(tǒng)方面的問題

線切割加工過程中產(chǎn)生的分解物主要有微米級的固體顆粒和亞微米級的懸浮物兩類。目前的工作液過濾系統(tǒng)采用紙質濾芯進行過濾，其過濾精度一般在5～7 μm，只能過濾5～7 μm以上的部分固體顆粒。隨著使用時間的延長，紙質濾芯會堵塞，從而影響過濾效果，故只適用于一般的粗加工場合，對于小能量精密加工達不到過濾要求[3]。由于工作液過濾系統(tǒng)的問題也將制約加工精度的提高。

（1）工作液及紙質濾芯使用時間長短不同，使工作液的潔凈程度存在很大的差異。這種差異會導致工作液介電性能的不一致，進而影響放電間隙的大小及其穩(wěn)定性。

（2）工作液中存在的部分固體顆粒和懸浮物會影響工作液進入放電加工區(qū)的有效性及其流場特性，放電能量越小，放電加工間隙就越小，這種影響就越嚴重。

（3）工作液中存在的部分固體顆粒會使普通高壓泵的正常運行受到影響，甚至無法采用高壓噴液的供液方式，工作液只能依靠電極絲高速移動帶入加工區(qū)，從而影響放電產(chǎn)物及熱量的有效排出。

（4）目前的工作液系統(tǒng)多采用單工作液箱，且其容積相對較小。一方面，由于過濾和供液采用了單一的液壓泵，供液壓力及流量大小受制于過濾裝置的工作狀況，使供液效果出現(xiàn)一定的隨機性及變數(shù)；另一方面，單工作液箱容積太小，工作液中的污濁程度嚴重加劇，熱量散發(fā)困難，過濾效果很難提高。因此，工作液對加工精度的制約更嚴重。

2 實現(xiàn)機床高精度加工的發(fā)展對策

基于上述分析，在往復走絲機床上實現(xiàn)高精度切割加工的發(fā)展對策是：首先，對往復走絲機床的走絲系統(tǒng)進行重大改進設計，以滿足多次切割技術精修切割時實現(xiàn)單向走絲，這是實現(xiàn)高精度切割加工的基本平臺；其次，對工作液系統(tǒng)進行重大改進，提高過濾效果，使線切割加工過程中工作液的性能和介電特性始終保持穩(wěn)定和一致，這是實現(xiàn)高精度切割加工的基本條件之一；第三，開發(fā)高效低損耗脈沖電源，通過控制工作液及其過濾供液系統(tǒng)、脈沖電源技術等技術措施，實現(xiàn)中低走絲速度條件下的高效率、低損耗加工，通過降低走絲速度來減少或消除因走絲系統(tǒng)高速運行帶來的機械磨損、振動等因素對電極絲空間位置的準確性和穩(wěn)定性造成的不利影響，為實現(xiàn)高精度切割加工創(chuàng)造條件，實現(xiàn)真正意義上的中低速走絲方案的多次切割；最后，對多次切割技術的工藝進行研究，開發(fā)適應高精度多次切割技術的控制系統(tǒng)，建立具有實用價值功能相對強大的多次切割技術工藝數(shù)據(jù)庫。

3 實現(xiàn)機床高精度加工的具體實施方案

3.1 走絲系統(tǒng)采用超長電極絲“雙絲筒結構多層繞絲”的走絲方案

在該方案中，有2個貯絲筒，出廠狀態(tài)的一盤電極絲不管多長，都可采用多層繞絲方式一次性繞到其中一個貯絲筒上。理論上，該貯絲筒可滿足無限長度電極絲的貯絲要求。繞絲工作完成后，該貯絲筒上的電極絲經(jīng)線架導輪及工件連接到另一個貯絲筒。工作時，其中一個貯絲筒起收絲筒的作用，電極絲的走絲速度由該貯絲筒的驅動電機轉速決定，該電機處于功率控制模式，電極絲的走絲速度可在0.1～11.0 m/s范圍內(nèi)調節(jié)；另一個貯絲筒起放絲筒的作用，其驅動電機產(chǎn)生一個反向力矩，使電極絲拉緊，該電機處于力矩控制模式，電極絲的張緊力大小由該電機控制。

該方案的走絲系統(tǒng)設置有2種工作模式：往復走絲單次切割模式和單向走絲多次切割模式。在高精度加工時，采用單向走絲多次切割模式，多次切割中的第1次切割采用往復中速走絲，精修切割時采用單向低速走絲切割完成，消除換向條紋，達到高精度加工的目的。在大厚度零件及普通精度切割加工時，采用往復走絲單次切割模式，切割600 mm以上的大厚度零件時可采用往復高速走絲，在普通精度加工時仍可采用往復中速走絲。在2種工作模式中，電極絲都可重復使用，使其利用率接近往復走絲機床的水平，相對于單向走絲機床而言，運行成本只有幾分之一，符合綠色制造的要求。

實現(xiàn)超長電極絲“雙絲筒結構多層繞絲”走絲方案的方法很多，相關技術已申請國家發(fā)明專利，并已進入實質性審查生效階段[4-6]，部分研究成果已在國內(nèi)相關雜志上發(fā)表[7-8]。

該方案的特點是結構較簡單，可操作性較強；采用交流伺服電機作為上絲電機時，可實現(xiàn)較大范圍的調速，可滿足高、中、低的走絲速度范圍。本方案設計的走絲機構可一次性上幾萬米的電極絲，既能實現(xiàn)單向走絲的無條紋切割要求，又能實現(xiàn)電極絲重復使用的往復走絲運行成本低的要求，還能實現(xiàn)大厚度零件的切割加工，是未來往復走絲機床走絲系統(tǒng)的一個發(fā)展方向。

3.2 工作液系統(tǒng)采用基于精密微孔過濾技術的雙工作液箱循環(huán)過濾供液系統(tǒng)

圖1是基于微孔過濾技術的線切割工作液系統(tǒng)循環(huán)過濾和供液流程示意圖。在該方案中，工作液系統(tǒng)由過濾和供液2套系統(tǒng)組成。

圖1 基于微孔過濾技術的線切割工作液系統(tǒng)循環(huán)過濾和供液流程圖

在過濾系統(tǒng)中，來自線切割加工區(qū)的臟工作液經(jīng)機床工作臺流回到臟工作液箱，先經(jīng)初級過濾后，只剩下少量粒度較小的固體微粒和懸浮物，然后經(jīng)微孔過濾技術進行精密過濾后進入潔凈工作液箱，過濾后的工作液潔凈程度一致性較好，可滿足線切割加工的要求。采用反吹技術可對微孔濾芯進行再生，同時對廢渣回收處理[3]。

在供液系統(tǒng)中，清潔工作液箱中的工作液經(jīng)高壓供液系統(tǒng)、高壓同軸噴嘴強制噴入線切割加工間隙內(nèi)。加工過程中，由于工作液的性能和介電特性始終保持穩(wěn)定和一致性，在同樣參數(shù)條件下放電間隙具有一致性，從而可減小放電間隙變化對加工精度的影響。由于采用了高壓供液方式，工作液進入加工區(qū)不再是依靠電極絲的高速移動帶入，而是主要依靠高壓噴入加工區(qū)，因此，加工過程中可采用較低的走絲速度，這為往復走絲機床實現(xiàn)低速單向加工及多次切割技術的成功使用提供了一個很好的平臺。在該方案中，高壓同軸噴嘴的結構設計是關鍵點之一。

3.3 開發(fā)高效低損耗脈沖電源技術

在往復走絲機床上實現(xiàn)高精度切割加工的一個重要條件是具有高效率、低損耗和低表面粗糙度值，而實現(xiàn)這一目標的重要舉措是脈沖電源技術的發(fā)展。

實現(xiàn)高精度切割加工的工藝措施是進行多次切割，而制約因素是第1次切割的加工速度、精修切割時的表面粗糙度值及降低走絲速度后的電極絲損耗控制。采用蘇州新火花機床有限公司開發(fā)的全數(shù)字式全功能高頻脈沖電源系統(tǒng)應用于上述平臺，在走絲速度為1～2 m/s、切割Cr12材料（60 mm厚）、保證單次切割效率≥120 mm/min的條件下，電極絲切割重復使用達30次，損耗≤0.005 mm，由于實現(xiàn)了單向低速走絲的精修切割，多次切割表面粗糙度值Ra≤0.8 μm，沒有切割條紋。這一數(shù)據(jù)說明在往復走絲機床上采用中低速走絲方案的多次切割技術，實現(xiàn)了高精度切割加工的可行性，為了進一步提高效果，開發(fā)高效率、低損耗脈沖電源技術仍然是一個重要的發(fā)展方向。

3.4 建立多次切割工藝數(shù)據(jù)庫，完善軌跡控制技術

在多次切割技術中，第1次切割以去除余量為目的，并以最大的切割速度進行加工，精度的提高通過精修切割來實現(xiàn)。一般情況下，通過3次切割即可達到目的。其中，第2次切割主要是消除零件變形等宏觀尺寸誤差，第3次切割是獲得高精度尺寸和較好的表面粗糙度。在多次切割技術方案中，關鍵技術是精修切割時的切割參數(shù)及修光量的合理確定，這需要通過大量的工藝試驗并建立多次切割工藝數(shù)據(jù)庫來實現(xiàn)。

（1）工藝數(shù)據(jù)庫是在一定條件下建立的，這些條件包含材料種類及牌號、熱處理狀態(tài)、工件厚度、線架跨距、上下噴嘴噴口與工件表面的距離、工作液種類及牌號、配比、潔凈程度、介電性能、供液方式、供液壓力、電極絲張力、電極絲種類、粗細、磨損、導輪磨損等。當這些條件發(fā)生變化時，數(shù)據(jù)庫的有效性受到質疑，尤其是針對微米級精密加工，這些條件的設置和固化極為重要。

（2）數(shù)據(jù)庫必須有足夠多的工藝數(shù)據(jù)才有實用意義，否則，加工中經(jīng)常需要依靠操作者通過試切法來摸索多次切割工藝方案，這就對操作者提出了具備較強技術素養(yǎng)的要求。

（3）數(shù)據(jù)庫需有用戶添加模塊功能。當數(shù)據(jù)庫中的工藝數(shù)據(jù)不能滿足使用要求時，由用戶探索并經(jīng)成功使用驗證的多次切割工藝數(shù)據(jù)可由用戶添加到數(shù)據(jù)庫中。

在多次切割的精修切割中，由于切割余量很小，伺服跟蹤速度很快，這就要求伺服系統(tǒng)在進行軌跡控制時具有實現(xiàn)高速的插補運動功能。由于精修切割是高精度加工，因此對插補運算的精度要求更高，需有軌跡的拐角處理功能等。此外，控制系統(tǒng)還應具備雙向螺距補償和反向間隙補償功能，以消除不同方向的螺距誤差。

由于是高精度加工機床，相應的機床工作臺、導軌、滾珠絲杠等機械部分也應按精密機床設計制造，以保證機床的機械精度要求。

4 結論與展望

綜上所述，在往復走絲機床上采取一定的技術措施是能實現(xiàn)高精度切割加工的。采用超長電極絲“雙絲筒結構多層繞絲”的走絲系統(tǒng)，只是為往復走絲機床實現(xiàn)單向走絲的無條紋切割提供一個加工平臺。通過一定的技術手段實現(xiàn)“中低速走絲”條件下的高效率低損耗切割加工才是該項技術具有實用性的關鍵技術，這些技術手段包括電源技術、工作液及其循環(huán)過濾供液技術、電極絲恒張力控制及伺服控制技術等。為使這項技術具有較強的可操作性和使用價值，建立內(nèi)容強大的多次切割工藝數(shù)據(jù)庫是基本條件，而數(shù)據(jù)庫建立的邊界條件合理設置和固化極為重要，是數(shù)據(jù)庫有效性的重要保證。

本文提出的技術方案既可滿足長時間單向走絲的無條紋高精度加工要求，又可實現(xiàn)電極絲反復使用的往復走絲運行成本低的目標，且加工效率高、適用加工對象范圍廣，將是未來往復走絲機床實現(xiàn)高精度加工的一個發(fā)展方向。在往復走絲機床上實現(xiàn)高精度切割加工是一項系統(tǒng)工程，需采用多項技術進行綜合應用，本文提出的發(fā)展對策及其技術措施只是起到一個拋磚引玉的作用，相信在線切割技術領域同仁的共同努力下，往復走絲機床不再只是線切割低端市場的占領者，在線切割機床高端市場上，往復走絲機床會占有越來越多的份額。

[1]葉軍.2012年我國電加工機床行業(yè)產(chǎn)品銷售情況分析[J].電加工與模具，2013（增刊1）：6-10.

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[7]齊文春，高堅強，郭麗華，等.基于圓柱凸輪機構的線切割走絲系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].制造業(yè)自動化，2014，36 （4）：113-116.

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Factor Analysis and Countermeasures on Reciprocating WEDM to Realize High Precision Machining

Qi Wenchun1，Gao Jianqiang2，Huang Ying1
（1.Suzhou University of Science and Technology，Suzhou 215011，China；2.Suzhou New Spark Machine Tool Co．,Ltd，Suzhou 215128，China）

The factors restricted the machining accuracy of the reciprocating travelling WEDM is analyzed.The development strategies and implementation plans such as wire winding system，working fluid system，pulse power supply and process database to achieve high-precision machining is proposed. The solutions not only meet the requirements of long time no-streaks high-precision single wire cutting machining，but also meet the low operating cost requirements for reciprocating travelling WEDM with repeated use of the electrode wire.Its high efficiency and wide range of processing objects make it become a future direction for high precision machining.

reciprocating travelling WEDM；double wire tube wire winding system；high precision machining；working fluid system

TG661

A

1009－279X（2014）05－0041-04

2014-08-12

蘇州市吳中區(qū)工業(yè)科技發(fā)展計劃資助項目（G201220）

齊文春，男，1961年生，副教授。