何賜文，趙晉勝

（北京東興潤滑劑有限公司，北京100621）

目前已有的單向走絲（俗稱慢走絲）線切割的電極絲（一般為銅合金絲）都是一次通過式使用，電極絲由儲(chǔ)絲筒引送至加工區(qū)進(jìn)行一次放電，離開加工區(qū)后就報(bào)廢了，尤其是在小能量切割時(shí)存在電極絲的嚴(yán)重浪費(fèi)。另有往復(fù)走絲（俗稱快走絲）線切割的電極絲（一般為鉬合金絲）是多次反復(fù)使用，但由于往復(fù)走絲通常采用單絲筒的走絲方案，只能單層繞絲，一次上絲長度只有200～300 m，如按10 m/s的走絲速度，最多運(yùn)行30 s就需換向[1]，而頻繁換向切割會(huì)產(chǎn)生切割條紋，其加工精度遠(yuǎn)遜于單向走絲線切割。具有多次切割功能的往復(fù)走絲線切割（俗稱中走絲）采用第一遍高效率切割后，再進(jìn)行第二遍、第三遍乃至第四遍修整切割的方法，很大程度上提高了加工精度、降低了表面粗糙度，但因其仍采用單絲筒走絲方案而限制了電極絲的長度，即使1 m/s的走絲速度，也最多運(yùn)行300 s就需換向[1]，不僅會(huì)因頻繁換向形成換向條紋，且每次換向都有暫停放電和重新形成放電通道的過程，造成放電不持續(xù)、不穩(wěn)定，對(duì)加工精度和表面粗糙度都有致命的影響。

本文所述的技術(shù)創(chuàng)建了雙張力絲筒超長絲（絲長為10 km）往復(fù)走絲線切割加工技術(shù)方案和工藝方法，通過第一遍往復(fù)走絲切割（速度為10 m/s）、而后單向走絲修整切割（速度小于1 m/s）的方法，消除了往復(fù)走絲線切割的換向條紋，保持持續(xù)、穩(wěn)定的放電，實(shí)現(xiàn)了修切時(shí)與單向走絲相同的精加工工藝，為中走絲線切割加工質(zhì)量更接近單向走絲線切割加工的水準(zhǔn)創(chuàng)造了條件；且電極絲循環(huán)使用較單向走絲線切割更節(jié)約電極絲的資源。

1 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)超長絲往復(fù)走絲線切割加工，本實(shí)驗(yàn)開發(fā)了雙伺服電機(jī)主從式驅(qū)動(dòng)方案的走絲機(jī)構(gòu) （圖1）。在加工過程中，采用對(duì)兩繞絲桶伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)程序控制策略，使電極絲張力波動(dòng)范圍可控制在0.3 N以內(nèi)，且在3～10 N范圍內(nèi)可根據(jù)需求設(shè)定張力大小。

圖1 雙張力絲筒超長絲往復(fù)走絲線切割加工機(jī)構(gòu)示意圖

采用圖1所示的雙絲筒往復(fù)變速運(yùn)絲機(jī)構(gòu)，絲筒上繞絲長度約為5～10 km乃至更長。在該機(jī)構(gòu)中，驅(qū)動(dòng)滑臺(tái)的電機(jī)根據(jù)對(duì)應(yīng)的繞絲筒驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)比進(jìn)行伺服控制，能確保排絲過程中絲的徑向位置相對(duì)于導(dǎo)輪Ⅰ、Ⅱ的位置保持不變。并且，該機(jī)構(gòu)中的二個(gè)走絲筒和二個(gè)滑臺(tái)分別獨(dú)立配裝了伺服電機(jī)，共計(jì)采用四臺(tái)伺服電機(jī)。

根據(jù)圖1所示，在正向走絲時(shí)，電極絲11由正向走絲筒1牽引，從反向走絲筒3依次經(jīng)導(dǎo)輪Ⅰ、張緊輪、導(dǎo)輪Ⅱ、導(dǎo)輪Ⅲ、導(dǎo)輪Ⅳ至正向走絲筒上纏繞，正向走絲筒由伺服電機(jī)按設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)恒轉(zhuǎn)速繞絲，反向走絲筒由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)施以反向張緊力矩被動(dòng)旋轉(zhuǎn)放絲，保持設(shè)定的恒張力走絲。在反向走絲時(shí)，電極絲由反向走絲筒牽引，從正向走絲筒依次經(jīng)導(dǎo)輪Ⅳ、導(dǎo)輪Ⅲ、導(dǎo)輪Ⅱ、張緊輪、導(dǎo)輪Ⅰ至反向走絲筒上纏繞，反向走絲筒由所連接伺服電機(jī)按設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)恒轉(zhuǎn)速繞絲，正向走絲筒由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)施以阻力被動(dòng)旋轉(zhuǎn)放絲，保持設(shè)定的恒張力走絲。正向走絲筒和反向走絲筒分別固定在滑臺(tái)Ⅱ和滑臺(tái)I上，二個(gè)滑臺(tái)所配伺服電機(jī)根據(jù)對(duì)應(yīng)的走絲筒所配伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速按比例設(shè)定轉(zhuǎn)數(shù)驅(qū)動(dòng)滑臺(tái)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)排絲，在保證走絲筒良好繞絲的情況下，絲的徑向位置分別相對(duì)于導(dǎo)輪Ⅳ和導(dǎo)輪I不變。正、反向走絲速度可在0.5～15 m/s之間任意設(shè)定。

2 工藝方法研究

基于超長走絲機(jī)構(gòu)，可根據(jù)被加工工件幾何尺寸和技術(shù)要求的不同，采取往復(fù)走絲和單向走絲復(fù)合加工，實(shí)現(xiàn)修切時(shí)與單向走絲線切割相同的加工工藝，也可實(shí)現(xiàn)對(duì)單一加工要素一次正單向走絲切割加工工藝。

放電加工介質(zhì)的選取是影響加工質(zhì)量的關(guān)鍵因素，好的加工介質(zhì)應(yīng)具有以下特質(zhì)：

（1）避免放電通道形成前汽化以保持液體介電性，放電完成后汽化的介質(zhì)快速恢復(fù)液態(tài)，實(shí)現(xiàn)及時(shí)冷卻和消電離，壓縮放電通道縮短電弧的時(shí)長；防止汽化或熔化的金屬結(jié)瘤使之成碎屑并被包裹分散到混合液中。

（2）良好的潤濕性保證工作液瞬時(shí)吸附于電極絲和各接觸面，保證清洗排屑好。

（3）高溫成膜性和適合的粘度在切縫中對(duì)電極絲的徑向振動(dòng)產(chǎn)生阻尼，有穩(wěn)定放電間隙狀態(tài)的作用，是實(shí)現(xiàn)較單向走絲穩(wěn)定切割的關(guān)鍵因素。

為了開展本研究，以下工藝技術(shù)研究都采用了專門開發(fā)的DIC-水溶性線切割工作液。

3.1 往復(fù)走絲和單向走絲復(fù)合加工研究

基于雙張力絲筒超長絲往復(fù)走絲線切割加工機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了超長電極絲的往復(fù)走絲，為往復(fù)走絲和單向走絲的復(fù)合加工奠定了基礎(chǔ)。在進(jìn)行復(fù)合加工時(shí)，首先在電極絲初始的1 km長度內(nèi)，用高速（速度如10 m/s）往復(fù)走絲大能量切割，然后將余下的電極絲（如8 km）以低速（速度如1 m/s）單向走絲修整切割，可實(shí)現(xiàn)修切時(shí)與單向走絲相同的加工工藝，為中走絲線切割加工質(zhì)量更接近單向走絲線切割加工的水準(zhǔn)創(chuàng)造了條件。

往復(fù)走絲線切割斷絲現(xiàn)象偶爾會(huì)出現(xiàn)在高速走絲大能量切割過程中，而在小能量切割（中走絲修整切割）過程中的出現(xiàn)概率為零。圖2是基于所設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)改造完成的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以此開展長時(shí)間的復(fù)合加工實(shí)驗(yàn)，可確定本設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)在單向修整切割過程中基本無斷絲的可能性，即使最初1 km電極絲在高速大能量切割過程中斷絲，也只需把繞絲量少的絲筒換掉即可。在雙張力絲筒超長絲往復(fù)走絲線切割加工機(jī)構(gòu)中，繞絲筒可實(shí)現(xiàn)快速裝卸。

3.2 正單向走絲切割加工工藝技術(shù)研究

圖2 雙張力絲筒超長絲往復(fù)走絲線切割實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

在正向較低速度（3 m/s）走絲切割完成一個(gè)加工要素后，反向高速走絲（15 m/s）暫停放電切割只回繞電極絲，完成回繞后再繼續(xù)正向低速走絲切割加工另一個(gè)加工要素，即可實(shí)現(xiàn)電極絲反復(fù)循環(huán)使用的正單向走絲切割加工工藝。所謂一個(gè)加工要素，可以是一個(gè)較小工件的全部加工面，也可以是一個(gè)稍大工件的一個(gè)或一組連續(xù)加工面。該工藝方法適合切割加工厚度值50 mm及以下、且不適宜或不需修整切割加工的工件。由于可實(shí)現(xiàn)超長走絲，單向連續(xù)加工的時(shí)間可達(dá)一小時(shí)，一次單向走絲可完成一個(gè)或多個(gè)加工面的加工任務(wù)，能消除因往復(fù)走絲切割頻繁換向產(chǎn)生的條紋及脈沖電源高頻次開通和關(guān)斷造成的不能持續(xù)穩(wěn)定放電等對(duì)表面加工質(zhì)量的影響。

圖3、圖4是一次正單向走絲切割的加工工件，材質(zhì)均為Cr12，實(shí)驗(yàn)中均采用直徑0.18 mm的鉬合金電極絲。從圖3可看出，由于正向走絲切割有利于放電介質(zhì)隨電極的運(yùn)動(dòng)帶入線切割窄縫、有利于電蝕產(chǎn)物從放電區(qū)域排出、有利于保持穩(wěn)定持續(xù)放電，即使走絲速度低至2 m/s時(shí)，也能很好地進(jìn)行切割加工，這在往復(fù)走絲加工中難以實(shí)現(xiàn)。

圖3 絲速2 m/s時(shí)切割厚度22 mm的工件

由圖4可看出，以絲速4.5 m/s正向走絲切割厚度為40 mm的工件，切割速度達(dá)76 mm2/min，而往復(fù)走絲線切割無法在5 m/s以下的低絲速情況下實(shí)現(xiàn)高速切割。

圖5是往復(fù)走絲和正單向走絲切割的工件對(duì)比照?？梢姡髠?cè)圖為采取約300 m長的電極絲往復(fù)走絲切割厚度為47 mm的工件，右側(cè)圖為采取約9 km長電極絲單向走絲切割厚度為40 mm的工件，工件材質(zhì)均為Cr12，切割速度接近?？煽闯觯瑔蜗蜃呓z切割沒有產(chǎn)生換向條紋，而往復(fù)走絲產(chǎn)生了明顯的換向條紋。

圖4 絲速4.5 m/s切割厚度40 mm的工件

圖5 往復(fù)走絲和正單向走絲切割的工件對(duì)比照

4 結(jié)束語

為了實(shí)現(xiàn)超長走絲加工，本文開發(fā)了雙張力絲筒超長絲往復(fù)走絲線切割加工機(jī)構(gòu)，并基于此開展了往復(fù)走絲和單向走絲復(fù)合加工技術(shù)、正單向走絲切割加工工藝技術(shù)研究。雙張力絲筒超長絲往復(fù)走絲線切割加工技術(shù)可大幅降低往復(fù)走絲切割的換向頻次及中走絲換向?qū)庸べ|(zhì)量的影響，一定程度上突破了中走絲和單向走絲的應(yīng)用界限，拓寬了中走絲的應(yīng)用范圍，實(shí)現(xiàn)了中走絲修切時(shí)與單向走絲相同的加工工藝，為中走絲線切割加工質(zhì)量更接近單向走絲的加工水準(zhǔn)創(chuàng)造了條件。同時(shí)，基于本文成果開發(fā)的電火花線切割機(jī)床，可實(shí)現(xiàn)電極絲的循環(huán)使用，與單向走絲線切割相比，大幅降低了電極絲的消耗成本。

[1] 齊文春，高堅(jiān)強(qiáng)，黃鶯.往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床實(shí)現(xiàn)高精度加工的要素分析及對(duì)策 [J].電加工與模具，2014（5）：41-44.

[2] 賈志新，王文杰.雙絲筒多層繞絲線切割機(jī)床走絲機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)[J].電加工與模具，2014（1）：22-23.

[3] 王振興，劉志東，程國柱，等.高低雙速走絲電火花線切割工藝試驗(yàn)研究[J].中國機(jī)械工程，2010，21（9）：1025-1028.