先进制造技术---线切割

线切割技术及其研究摘要：阐述了近年来国内外电火花线切割技术的发展现状、关键技术、发展趋势及我国近几年来所取得的进步。关键词： 电火花线切割；发展现状；发展趋势Abstract: the development situation of domestic and foreign WEDM technology keyTechnology、development trends and progress made in our country in recent years are elaborated in this paper.Key Words: Electric Discharge Wire-cutting Technology; research status; development trend1 电火花线切割概述1.1 电火花线切割加工简介电火花线切割加工（Wire Cut EDM,WEDM）是在电火花加工的基础上于20 世纪50年代末最先在苏联发展起来的一种新的工艺，是用线状电极（铜丝或钼丝）靠火花放电对工件进行的切割，简称电火花线切割或线切割。线切割加工目前主要应用于冲模、挤压模、拉伸模、塑料模、电火花成形的工具电极及各种复杂零件加工等。线切割不仅使电火花加工的应用得到了发展，而且某些方面已取代了电火花穿孔、成形加工。目前国内外的线切割机床已占电火花加工机床的70%以上，我国是第一个用于工业生产的国家。1.2 原理电火花线切割加工与电火花成形加工一样，都是基于电极间脉冲放电时的电腐蚀现象。其工作原理如图1所示。绕在运丝筒4上的电极丝1沿运丝筒的回转方向以一定的速度移动，装在机床工作台上的工件3由工作台按预定控制轨迹相对于电极丝做成型运动。脉冲电源的一极接工件，另一极接电极丝。在工件与电极丝之间总是保持一定的放电间隙且喷洒工作液，电极之间的火花放电蚀出一定的缝隙，连续不断的脉冲放电就切出了所需形状和尺寸的工件。1.3 分类按照不同的分类方式，电火花线切割机床可以分为不同的种类，主要方式有按电极丝移动方式，按对电极丝运动轨迹的控制形式。按电极丝移动方式分类：1）高速往复走丝电火花线切割机床（俗称“快走丝“）：其电极丝做高速往复运动，一般走丝速度为810m/s，电极丝可重复使用，加工速度较高，但图1 线切割工作原理由于往复走丝线切割机床不能对电极丝实施恒张力控制，故电极丝抖动大，在加工过程中易断丝。由于电极丝往复使用，所以会造成电极丝损耗，加工精度和表面质量降低，是我国生产和使用的主要机种，也是我国独创的电火花线切割加工模式。2）低单向走丝电火花切割机床（俗称“慢走丝”）：电极丝做低速单向运动，一般走丝速度低于0.2m/s,电极丝放电后不再使用，工作平稳、均匀、抖动小、加工质量好，但加工速度较低，不宜加工大厚度工件。由于机床结构精密，技术含量高，机床价格高，因此使用成本也高，是国外生产和使用的主要机种。两类比较如图2所示。走丝速度走丝方式电极材料加工精度快走丝7-10m/s往复走丝钨丝、钼丝Ra2.5m慢走丝0.2m/s单向走丝黄铜丝Ra0.5m图2 快、慢走丝比较按电极丝运动轨迹的控制方式：1）模仿形控制：其在进行线切割加工前，预先制造出与工件形状相同的模，加工时把工件毛坯和模同时装夹在机床工作台上，在切割过程中电极丝紧紧贴着模边缘做轨迹移动，从而切出与模形状和精度相同的工件来，其过程类似于配钥匙。2）光电跟踪控制：其在进行线切割加工之前，先根据零件图样按一定放大比例描绘出一张光电跟踪图，加工时将图样置于机床的光电跟踪台上，光电跟踪台上的光电头始终追随墨线图形的轨迹运动，再借助于电气、机械的联动，控制机床的工作台连同工件相对电极丝做相似形的运动，从而切出与图样形状相同的工件来。3）数字控制程序：采用先进的数字化自动控制技术，驱动机床按照加工前根据几何形状参数预先编好的数控加工程序自动完成加工，不需要制作模样板，也不需要绘制放大图，比前两种控制形式具有更高的加工精度和广阔的应用范围，目前国内外95%以上的电火花切割机床都已采用数控化。2 国内外现状及发展趋势 电火花线切割技术经过近半个世纪的发展,现已十分成熟,并达到了相当高的工艺水平:最大的切割速度可达325mm2/min,最佳表面粗糙度Ra0.10.2m,加工尺寸精度可控制在几个微米之内,高速走丝电火花线切割机还能稳定切割1米的超厚工件。其工艺手段在许多情况下是常规制造技术无法取代的，其中主要的原因是电火花线切割加工方法几乎可加工具有任何硬度的导电金属材料,且加工过程中不受宏观力的作用,从而可保证较好的加工精度与表面质量为了提高电火花线切割工艺水平,提高机床自动化程度和智能化程度,满足市场的不同要求。近几年来电火花线切割加工在走丝系统、油基工作液、自动化及人工智能技术、微细电火花线切割加工等关键技术方面又取得了新的进展。2.1 走丝系统作为传统线切割的走丝系统，既要保证加工过程稳定，又要满足自动穿丝。随着电火花线切割加工技术的不断发展,对走丝系统的要求也越来越高。除了传统要求外，还要能在保证加工精度的前提下,提高加工的效率。目前,由瑞士夏米尔公司研制的一种新型走丝系统，其在加工工艺中很好地集成了穿丝工艺,从而大大提高了系统的加工精度及加工效率。传统走丝系统要么满足加工精度，要么满足加工速度，但双丝系统解决了加工精度与加工速度之间的矛盾，同时满足两者要求。在系统中,粗、细电极丝分别采用相互联锁的两套类似的走丝系统,但与导向器系统是统一的,没有移动部件,用以保证最佳精度,换丝时间不到45s。粗加工时，采用大直径电极丝，使其能承受更大的张力、机械力和热负载，从而可以选择大电流的工艺规程，以提高加工效率。精加工时，选小直径电极丝精规准加工，确保良好的形状与尺寸精度。此种新型走丝系统极大的利用了真正加工的时间，提高了加工效率和价格零件的表面质量。瑞士夏米尔公司的浸液式Robifil 2030SI-TW电火花线切割机就是一台配备双丝系统的线切割机。实验证明,用双丝系统进行粗、精加工,比用原来的穿丝机构进行加工节省30%的加工时间。且随着工件厚度的增加,节省时间的效果更明显(图3)。图3 工件厚度与节省时间百分比关系曲线此外在自动穿丝技术方面也有重大进展。穿丝前除了进行加热、拉细、变硬的准备处理外,在保护套管下端还设有一细脖子,当电极丝经上述处理后,因为此处散热较慢,会过热拉断,形成自然的尖锥,从而不再需剪切机构,也不会有剪切毛刺,影响穿丝的成功率。用0.1mm的电极丝,可穿过0.16mm的起始孔50次,成功率100%,一次穿丝时间1015s。重穿丝可以在切缝中进行,不必回到起始孔位置,其范围已扩大到直径为0.070.3mm的电极丝。2.2 油基工作液的应用油基工作液在电火花加工中,工作液是电极与工件之间的介质,对加工工艺指标的影响很大。工作液有多种类型,一般应具有下列性能:1）一定的绝缘性能;2）较好的洗涤性能;3）较好的冷却性能;4）无环境污染,对人体无危害。在传统的电火花加工工艺中,电火花线切割加工通常采用水基工作液,而电火花成形加工通常采用油基工作液。其中一个主要的原因是一般情况下线切割加工需要的放电间隙比成形机大,水基工作液击穿阻抗较低,可获得较大的放电间隙,有利于排除熔融的工件蚀除物,从而提高加工速度。而油基工作液由于存在较高的击穿阻抗,使得放电间隙变小,从而影响了加工速度。但随着对工件形状精度要求的不断提高,在线切割精微加工的许多场合,也采用了油基工作液（煤油）进行加工，取得了良好的加工效果。实验证明，采用油基工作液的特点在于:1）更小的放电间隙（35m）;2）更高的击穿阻抗;3）不会产生锈蚀现象。而且油基工作液在加工过程中分解出的碳形成碳化物,与溶化的金属结合在一起重铸到加工表面上,增加了加工表面层的硬度。在这方面,日本的沙迪克公司进行了成功的尝试。图4是加工表面硬度分布曲线，从图中可以看出，其表面硬度比基体硬度（2GPa）大34倍。图4 加工表面硬度分布图2.3 自动化、人工智能技术随着计算机软硬件技术、电力电子技术、网络技术等相关技术的发展,电火花线切割加工的自动化程度越来越高,而人工智能技术的出现更是把电火花线切割加工推向了新的发展高度。在电火花线切割加工中，正常加工及工件装夹花费了相当一部分时间，这种比例随生产规模的扩大而越来越显著，造成生产周期延长，成本升高，不利于大批量生产的需要。这种不利也表现在加工一些特殊形状或微小零件的加工、装夹过程，由此看，系统的自动化是大有必要的。下面列举了机种国外最新柔性、集成装夹系统。（1）连续、一致性装夹(2)辅助调试与准备系统(3)装夹、操作自动化(4)工艺集成型装夹方法新型装夹机构的出现是随着生产对零件的加工精度不断提高的需要而发展起来的,目前的装夹精度已达到1Lm。此外,为了提高装夹机构的使用寿命,在装夹机构易磨损的地方还进行了涂层处理,硬度较高的TiC或WC一般作为涂层的主要材料。此外,装夹机构特别是装夹机构与工件的接触部分需有较强的刚度,这样可获得理想的装夹精度。2.4 防断丝机理引发电极丝断丝的因素很多,脉冲电源性能的优劣、运丝系统的稳定性、冲液条件、加工过程的自适应控制策略等,都对断丝概率有大影响。偶发的断丝是引起电火花线切割加工误差甚至失败的重要原因。有许多可在线辨识加工异常情况的适应控制系统及相应的防止断丝的控制策略被开发出来。日本三菱电机公司开发的PM控制就是根据加工过程中实时检测出的工件厚度、工作液流通状况,并按工件厚度、工作液流通状况自动生成加工条件来控制加工能量,实现变截面加工等加工环境下最大速度的无断丝加工。断丝的另一个主要原因是由于火花放电集中引起电极丝温度过高而熔断,其中一部分热量由工作液带走，这一点与检测到的断丝先兆是一致的。因此从热传导理论研究电极丝的温度分布成为研究断丝机理的主要研究途径。一些研究人员建立了电极丝热模型, 分别用解析法和有限差分法计算了不同加工条件下电极丝上的温度分布。研究表明：断丝前的热载荷超过平均值;脉冲宽度和丝径的大小对丝温的影响大;热对流系数对丝温的影响大,冲液的状态对避免断丝十分重要;焦耳热和丝振的作用可相对忽略。2.5 微细加工技术近年来在微电子产品、医疗器械、生物、航空、通信、MEMS等领域,微细产品的需求正在日益扩大,微细电火花线切割加工以其独特的加工方法,即非机械接触加工的特点,特别适应微型机械制造的要求，加工高精度的窄缝和复杂形状的微小零件, 并且具有较高的性价比可而备受关注,采用微细丝进行切割加工也是各厂商研究的一个重要方向，且其发展迅速。影响微细电火花线切割加工的因素很多,如 电极丝质量、放电检测、伺服检测和环境等,而脉冲电源、走丝系统、伺服进给、工作液、控制策略和工艺规划对微小零件的加工精度和表面质量有直接的影响。因此围绕微小复杂零件的微细电火花线切割加工关键技术的实现,对微细电火花线切割加工特有的加工技术进行研究。微细电火花线切割加工与以下关键技术 密切有关：1） 微能量脉冲电源。控制控制脉冲电源的脉冲放电能量是实现微细电火花线切割加工的关键技术。因此制备微能量脉冲电源是提高加工精度、降低表面粗糙度的重要手段。2） 恒张力走丝系统。实现微细电火花线切割加工的关键条件是需要特殊的走丝系统。微细电火花线切割加工走丝系统的特殊性表现在以下两个方面。a) 低运动的走丝系统b) 高精确的张力控制图5所示为恒张力走丝系统的原理图图5 恒张力走丝系统原理图C） 微驱动伺服进给系统。对于微细电火花线切割加工而言,要求伺服进给系统应该具有以下特性:伺服进给系统的高精度特性；伺服进给系统的闭环控制特性，可以实行实时反馈控制；伺服进给系统的动态响应特性，对异常放电情况及时进行调节。d） 微小零件的智能工艺规划系统。其主要包括以下两个方面：微小零件的特征拟合技术；微细电火花线切割加工智能工艺规划策略，且其须满足以下几个原则：微能量加工原则；低速加工原则；能量、伺服进给速度的简便原则。3 我国电火花线切割技术的近期进步3.1 稳步发展高速走丝的同时，重视低速走丝电火花线切割机的开发和发展。 高速走丝电火花线切割机作为我国独创技术的机种，由于其有利于改善排屑条件，使用大厚度和大电流切削，加工性能、价格比较优异，已经成为我国应用最广泛的数控机床之一，其在未来较长一段时间内，仍是我国电加工行业的主要发展机型。低速走丝电火花线切割机由于电极丝移动平稳，易获得较高加工精度和表面粗糙度，适用于精密模具和高精度零件加工。我国在引进、消化、吸收的基础上，必须加强对低走丝机的深入研究，开发新的规格品种，为市场提供更多的国产低走丝机。3.2 完善机床设计，改进走丝机构（1） 为使机床结构更加合理，必须用先进的技术对机床总体结构进行分析。在这方面的研究将涉及到运用先进的计算机有限元模拟软件对机床的结构进行力学和热稳定性分析。（2） 为了提高坐标台精度，除考虑热差变形及先进的导向结构外，还应采用采用丝距误和间隙补偿技术，以提高机床的运动精度。（3） 快走丝的走丝结构，影响其加工质量及加工稳定性。目前已经开发的恒张力装置和可调速的走丝系统，应在进一步的完善的基础上推广应用。（4） 支持新机型的开发研究3.3 推广多次切割工艺，提高综合工艺水平多次切割工艺是为了解决加工速度和加工表面质量之间的矛盾。多次切割技术在低走丝切割机上早已推广应用，并取得了尚佳的工艺效果。高速走丝由于走丝系统不稳定，不仅容易发生共振，而且电极丝的空间位置不容易准确控制，难于再现重复加工的轨迹，致使多次切割工艺至今无法在生产实践中推广应用。3.4 发展PC控制系统，扩充线切割机的空盒子功能3.5 积极采用现代技术，促进电火花线切割技术发展。今后的电火花线切割技术开发研究将会涉及到：（1） 用激光测量技术来分析研究机床零部件