周鵬輝，張凱雪，方文卿，曹 盛，楊超普，萬 俊

（ 南昌大學(xué)國家硅基LED 工程技術(shù)研究中心，江西南昌 330046 ）

奧氏體不銹鋼316 L 具有良好的抗腐性及延展性，已成為制造半導(dǎo)體高真空設(shè)備及超純管道的主要金屬材料[1]。 往復(fù)走絲電火花線切割工藝可切割316L 不銹鋼，該工藝不僅具有成本低、對(duì)工件外形無要求等特點(diǎn)，還具有切割面無毛刺、能減少殘余氣體吸附的優(yōu)點(diǎn)。 然而，當(dāng)不銹鋼厚度超過300 mm時(shí)，采用該工藝進(jìn)行切割的難度很大（圖1）。 因此，有人針對(duì)具有復(fù)雜形腔結(jié)構(gòu)的反應(yīng)管加工，不得不采用了抗蝕性差的真空釬焊工藝并由此導(dǎo)致一條原本具有較佳性能的半導(dǎo)體生產(chǎn)線在擴(kuò)大規(guī)模時(shí)失去其競爭力[2]。

本單位購置了一臺(tái)最大切割厚度可達(dá)1 m 的某品牌HF-1000 型電火花線切割加工機(jī)床并使用該機(jī)床豎直加工冷卻水道（圖1），在加工前專門為機(jī)床X、Y 軸加裝光柵尺，以保證經(jīng)前道工序進(jìn)行精密電火花小孔加工的工件不報(bào)廢，但在切割過程發(fā)現(xiàn)，隨著切割厚度的增加，短路愈發(fā)頻繁，盡管對(duì)脈寬與脈間、跟蹤靈敏度、變頻、電流、切割液和鉬絲直徑等常規(guī)切割參數(shù)進(jìn)行了反復(fù)調(diào)整，但切割效果均未取得有效改進(jìn)，最明顯的問題特征是機(jī)床無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)短路，需回退很遠(yuǎn)（大于1000 μm）才能退出短路狀態(tài)。

圖1 冷卻水道工件浸入切割液并輔加超聲去屑的示意圖

圖1 顯示了GaN 外延設(shè)備中的多層氣體輸運(yùn)噴頭實(shí)物。 噴頭直徑約300 mm，進(jìn)氨孔2 和進(jìn)鎵孔3 的直徑均為0.6 mm，均已采用電火花小孔加工機(jī)床加工。 該工件整體采用電火花加工技術(shù)鏤制而成，未采用真空釬焊，故可從進(jìn)氯孔4 實(shí)現(xiàn)氯氣在線清洗。 生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大，需更大直徑的噴頭，但大直徑噴頭售價(jià)昂貴，比如噴頭直徑達(dá)到400 mm 時(shí)，一個(gè)真空釬焊噴頭售價(jià)曾達(dá)百萬元。 為此，團(tuán)隊(duì)希望圖1 所示噴頭的直徑擴(kuò)大到500 mm， 并根據(jù)圖1右側(cè)設(shè)計(jì)圖示意的將模擬工件浸入切割液，輔加超聲清洗工藝，以加強(qiáng)冷卻和排屑的效果并減少短路次數(shù)，使厚不銹鋼的切割加工能順利進(jìn)行下去（只要求精度為±0.1 mm）。

研究時(shí)，先從機(jī)床本身入手。 目前的單向走絲浸液式電火花線切割機(jī)床，其最大切割厚度不超過400 mm，但機(jī)床價(jià)格是往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床的約50 倍， 并且單向走絲工藝可能并不適合作圓周切割[3]。 此外，目前相關(guān)文獻(xiàn)中也尚無關(guān)于鉬絲長度與切割能效關(guān)系的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。 為此，本文利用電火花小孔加工機(jī)床放電位置確定的特點(diǎn)，用數(shù)字示波器研究了鉬絲長度與切割能效的關(guān)系，得到的數(shù)據(jù)能部分反映大厚度不銹鋼切割的實(shí)質(zhì)，對(duì)相關(guān)設(shè)備的設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 存在的問題

往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床是我國特有的，因此參考文獻(xiàn)主要取自國內(nèi)。 由于南京航空航天大學(xué)多年致力于超厚材料的電火花線切割研究，并且與本單位所采用的機(jī)床品牌一致，本文以該校發(fā)表的相關(guān)論文以及機(jī)床制造商提供的技術(shù)文件為主要參考資料。 根據(jù)上述資料再結(jié)合實(shí)際操作，本文認(rèn)為的相關(guān)技術(shù)難點(diǎn)有：

（1）切割液的充盈問題。 隨著切割厚度的增加，即便提高“走絲”速度，也無法保證切割液在極間充盈[4]，會(huì)造成鉬絲無法及時(shí)得到冷卻，從而降低其壽命，也會(huì)影響排屑，導(dǎo)致蝕除產(chǎn)物逐漸積累，進(jìn)而致使短路頻繁出現(xiàn)甚至斷絲。 針對(duì)此問題，本文擬通過“浸液式+超聲清洗”的方法來解決。

（2）大厚度不銹鋼切割策略問題。 316L 不銹鋼的組分是：鉻17.6%、鎳11.1%、鉬2.16%、錳1.21%和硅0.56%。 而冷作模具鋼Cr12 的主要成分是：鉻12%、碳2.1%、硅≤0.4%、錳≤0.40%。由于電火花線切割模具鋼要比電火花線切割316L 不銹鋼更容易，本文認(rèn)為相關(guān)策略問題可能出在Ni 組分上。 文獻(xiàn)[5]分析了316L 電火花加工斷面的成分，與之不同的是，本試驗(yàn)使用的是水基切割液，故推測(cè)切割面上含有難以剝落的鎳、鉻、鐵氧化物，而這些氧化物不導(dǎo)電， 若繼續(xù)沿用切割模具鋼時(shí)的短路判據(jù)，可能會(huì)導(dǎo)致機(jī)床判別不靈敏，從而出現(xiàn)前文提及的需回退很遠(yuǎn)才能真正退出短路狀態(tài)的現(xiàn)象。 針對(duì)此問題，本文擬通過輔加超聲清洗作部分解決。

（3）切割能量的輸運(yùn)損耗問題。 極間排屑不暢、鉬絲抖動(dòng)（文獻(xiàn)[4]實(shí)測(cè)抖動(dòng)范圍大于0.01 mm）、切割液的劣化、局部缺少切割液等均有可能導(dǎo)致極間提前擊穿，即高頻電壓遠(yuǎn)未升到120 V 時(shí)的空載最高電壓，就提前擊穿，顯然這會(huì)使能量無法有效輸運(yùn)到切割面。 另外，鉬的電阻率是53.4 nΩ·m，當(dāng)12個(gè)功放管全開時(shí)，最大切割電流為 43.7 A，而高頻空載電壓是120 V，即最大瞬時(shí)功率為5.2 kW。 假設(shè)鉬絲的平均長度1.0 m、直徑0.18 mm，則鉬絲的電阻為R=1.3 Ω， 故鉬絲本身功率消耗為1.4 kW，即浪費(fèi)了30%的能量。 在實(shí)際的切割過程中，由于鉬絲溫升，其本身能耗會(huì)更大。 針對(duì)此問題，本文擬通過實(shí)測(cè)來進(jìn)一步驗(yàn)證其嚴(yán)重性。

1.2 “浸液式+超聲清洗”的思考

1.2.1 考慮超聲清洗參數(shù)

本單位采購了由深圳某公司生產(chǎn)的、利于清洗五金件的中頻震子（28 kHz、100 W）共計(jì)6 個(gè)以及相應(yīng)電源。 根據(jù)圖1，超聲組件11 采用絕緣墊9、塑料螺絲及703 硅膠安裝在圍壩8 側(cè)面，其整套價(jià)格不到1000 元，方便制成模組并重復(fù)使用。 應(yīng)注意的是，模組與震子的電極之一是電導(dǎo)通的，故模組應(yīng)與圍壩進(jìn)行絕緣安裝，否則有可能損壞相關(guān)設(shè)備。

文獻(xiàn)[6]和文獻(xiàn)[7]均提到在工件上或鉬絲上直接輔助超聲振動(dòng)來增強(qiáng)排屑。 但是若從減少鉬絲振幅、避免短路、增強(qiáng)排屑來考慮，本文的試驗(yàn)方法更接近于常規(guī)的超聲清洗，并且試驗(yàn)證明超聲振動(dòng)不會(huì)導(dǎo)致鉬絲的振幅過大而引發(fā)短路。

1.2.2 考慮圍壩及裝夾

圍壩是由采用激光切割的普通鋼板焊接而成，工件與圍壩之間采用臨時(shí)焊接作鋼性固定。 激光切割的精度高，為圍壩的制作及輔加超聲清洗帶來方便；圍壩的底部留有小孔，用于穿絲；切割前，在圍壩上預(yù)留了上下、左右的對(duì)準(zhǔn)點(diǎn)；配合使用光柵尺，穿絲及對(duì)準(zhǔn)均更加方便。

文獻(xiàn)[8]也提到如何通過往復(fù)式電火花線切割機(jī)床實(shí)現(xiàn)工件浸液式切割。 從該方式的本質(zhì)來看，也是在線切割平臺(tái)上加一圍壩，但該方式在水平方向有一段鉬絲浸入切割液，該段鉬絲因和高頻電源相連，會(huì)與工作臺(tái)之間形成最高約為120 V 的電壓差， 從而在切割液中產(chǎn)生了電解或電泳的現(xiàn)象，導(dǎo)致切割能量的浪費(fèi)。 另外，當(dāng)裝載過多切割液時(shí)，機(jī)床的負(fù)擔(dān)過重，可能會(huì)降低機(jī)床的定位精度。

1.3 未參與切割的鉬絲的能量損耗實(shí)測(cè)

以實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)未參與切割部分鉬絲的能量損耗，將一段鉬絲接入電火花小孔加工機(jī)床，用雙蹤示波器同時(shí)記錄該機(jī)床工作時(shí)的鉬絲首尾兩端的波形變化，以觀察鉬絲溫升帶來的影響。 這也直觀證明，為讓更多能量饋入放電區(qū)，應(yīng)盡可能地縮短未參與切割部分的鉬絲長度。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理

2.1 浸液及超聲對(duì)線切割的影響

對(duì)于厚不銹鋼的切割，為方便排屑，本文根據(jù)試驗(yàn)用機(jī)床的說明書，選取加工參數(shù)為脈寬80 μs、脈間400 μs，并針對(duì)圖1 所示厚度600 mm 的工件，選用 JR1A 切割液（1∶20 配比）為工作液；考慮機(jī)床自動(dòng)切割參數(shù)（跟蹤、變頻及短路判據(jù)）可能不適合切割厚度600 mm的不銹鋼以及本團(tuán)隊(duì)很可能沒找到最佳切割窗口，采用最原始的方法即在光柵尺的配合下，通過機(jī)床側(cè)面的手輪（4 mm/轉(zhuǎn)）來手動(dòng)移動(dòng)切割平臺(tái)。 試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表 1 及圖 2。 其中，圖 2 所示X 軸代表平臺(tái)的移動(dòng)速度。 每次試驗(yàn)的時(shí)長為20 min，針對(duì)每個(gè)參數(shù)至少試驗(yàn)3 次，取其平均值。

表1 不同機(jī)床移動(dòng)速度條件下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖2 浸液式與浸液式輔加超聲清洗的切割效果對(duì)比

需要說明的是，試驗(yàn)中發(fā)生短路、斷絲現(xiàn)象時(shí)，即取該現(xiàn)象發(fā)生當(dāng)時(shí)的切割面積作為結(jié)果，并且以60 μm/min 的機(jī)床移動(dòng)速度進(jìn)行常規(guī)切割時(shí)，短路、斷絲現(xiàn)象頻繁發(fā)生，致使切割難以進(jìn)行，故當(dāng)時(shí)的切割面積記錄為0； 完整行程切割面積是沒有發(fā)生短路、斷絲時(shí)的理論切割面積。 圖2 所示數(shù)據(jù)是實(shí)際值與理論值的比值，用以反映切割效果。

2.2 鉬絲能量損耗實(shí)驗(yàn)

如圖3 所示，將一段鉬絲接入電火花小孔加工機(jī)床（型號(hào)BMD703-400），采用雙蹤數(shù)字示波器（型號(hào)MSO/DPO4000B）同時(shí)測(cè)量該機(jī)床工作時(shí)鉬絲首尾端波形。 鉬絲長度分別為265 mm、660 mm；鉬絲直徑為0.18 mm。 就鉬絲首、尾兩端而言，首端是接入點(diǎn)，尾端是接出點(diǎn)，需確保兩端之間的電連接不引入接觸電阻；尾端連接外徑0.6 mm 的穿孔銅管，即尾端更接近放電區(qū)。 試驗(yàn)?zāi)M時(shí)選擇了比正常小孔加工更小的峰值電流及更寬的脈間。

圖3 未參與切割鉬絲的能量損耗實(shí)測(cè)波形圖

需說明的是，試驗(yàn)所用電火花線切割機(jī)床的放電電流控制方式是采用電腦控制MOS 管的打開數(shù)量。 4 路輸出分別控制 1、2、4、8 個(gè) MOS 管，即最大電流以“1+2+4+8”計(jì)算，共計(jì)15 個(gè)MOS 管全打開。該軟件控制電流的方式可能和電火花小孔加工機(jī)的硬件恒流方式不一樣。

3 分析與討論

根據(jù)圖2， 用常規(guī)工藝切割厚度600 mm 的316L 不銹鋼非常困難，頻繁出現(xiàn)短路和斷絲，即使在較低的速度下也無法正常切割20 min；當(dāng)采用浸液式切割時(shí)，切割面積提升明顯，但隨著速度增大，相對(duì)切割量迅速降低，在60 μm/min 的速度時(shí)相對(duì)切割量僅為0.17， 且切割量的下降趨勢(shì)與使用常規(guī)工藝時(shí)相近；當(dāng)進(jìn)一步加入超聲輔助時(shí)，切割變得更加穩(wěn)定，在較高速度下也能保證正常切割10 min以上（即相對(duì)切割量在0.50 及以上）。

常規(guī)電火花線切割時(shí)，被電火花放電產(chǎn)生的高溫融化的蝕除產(chǎn)物會(huì)被工作液沖走，但當(dāng)工件厚度增加時(shí)，這會(huì)變得越來越困難；浸液式切割時(shí)，工作液在極間充盈，故放電均勻，蝕除產(chǎn)物易擴(kuò)散并離開極間，同時(shí)能確保鉬絲得到充分冷卻。 但當(dāng)切割速度增大后，蝕除產(chǎn)物還是會(huì)越來越多地粘附于工件表面，導(dǎo)致短路，進(jìn)而影響切割。 盡管如此，浸液式切割還是能在一定程度上降低短路、斷絲的發(fā)生頻率； 超聲輔助利用了超聲波在液體中的空化作用，使附著于切割面的蝕除產(chǎn)物更易脫落，同時(shí)還起到一定的分散及乳化作用，能幫助排屑。 因此，在加入超聲輔助后，切割變得更加穩(wěn)定。

由圖3 所示鉬絲尾端5 個(gè)波形圖可見， 由于5種情形下的尾端波形高度（4 V）基本一致，故推測(cè)電火花小孔加工機(jī)床會(huì)自動(dòng)恒定放電峰值電流，即通過升高供電電壓來實(shí)現(xiàn)恒流放電；鉬絲首端的波形與尾端的波形高度差就代表接入鉬絲的能量損耗。 例如，當(dāng)接入長度660 mm 的鉬絲時(shí)，放電10 s后，鉬絲發(fā)熱導(dǎo)致電阻上升，此時(shí)首端電壓是28 V，故發(fā)熱鉬絲損耗的能量是有效放電能量（4 V）的6倍；即便是冷態(tài)下的鉬絲（24 V），其損耗的能量也是有效放電能量的5 倍。

從微觀來講，在電火花線切割過程中，每個(gè)電脈沖都會(huì)尋找最易起輝放電的位置來放電。 因此，在厚材料切割時(shí)，放電位置隨機(jī)，即不參與放電的鉬絲的最大長度是上、下兩進(jìn)電塊之間鉬絲長度的一半。 由此據(jù)圖3 推測(cè)，厚不銹鋼中間部位最難切割， 故應(yīng)對(duì)相應(yīng)的切割策略及短路判據(jù)進(jìn)行調(diào)整。另外，圖3 所示波形圖也從基本上反映了電火花線切割超厚材料時(shí)所遇難題的本質(zhì)。 但是，要真正實(shí)現(xiàn)本文所需的高效、 自動(dòng)切割厚度500 mm 不銹鋼的目的，預(yù)計(jì)還需完善以下工作：

（1）若切割厚度500 mm 不銹鋼且切割效率達(dá)到50 mm2/min，則對(duì)應(yīng)平均進(jìn)給速率達(dá)1.6 μm/s。本試驗(yàn)所用的HF-1000 型機(jī)床， 是一臺(tái)大型機(jī)床，并且采用步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行開環(huán)控制，因此切割厚不銹鋼時(shí)排屑困難、導(dǎo)電性差，更難以切割厚不銹鋼的中間區(qū)域（圖3），故在加工中對(duì)機(jī)床的位置控制以及進(jìn)給精度有更高的要求，在今后的試驗(yàn)中最好更換伺服電機(jī)及光柵尺，以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

（2）由于本試驗(yàn)對(duì)工件切割精度要求不高（只需±0.1 mm），在引入圍壩后，對(duì)裝夾的精度要求也不高， 但超厚度切割時(shí)對(duì)運(yùn)絲的穩(wěn)定性要求高，否則絲的竄動(dòng)或抖動(dòng)可能導(dǎo)致短路，致使切割無法正常進(jìn)行。 試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，上、下兩個(gè)導(dǎo)輪在張緊裝置作用力方向的振動(dòng)幅度較小，但在垂直于導(dǎo)輪面的方向， 需對(duì)往復(fù)換向前后的鉬絲跳動(dòng)量作光學(xué)監(jiān)測(cè)。而非噴淋的浸液式切割方式，可為光學(xué)在線監(jiān)測(cè)鉬絲跳動(dòng)提供可能。 在電火花小孔加工機(jī)床上，對(duì)于0.3 mm 的紅寶石穿孔模已有標(biāo)準(zhǔn)件，價(jià)格也不是很貴，如果能在現(xiàn)有導(dǎo)輪的基礎(chǔ)上再加上這樣一對(duì)穿孔模（或V 形槽），并選用0.3 mm 直徑鉬絲，將送絲速度由6～12 m/s 放慢到1 m/s， 同時(shí)將工件浸入切割液，則可望提高厚不銹鋼的切割速度。

（3）根據(jù)圖1 及圖3，為了盡可能縮短不參與切割的鉬絲長度，或可將上下進(jìn)電塊移出，盡可能接近工件，但仍保留上下導(dǎo)輪；此時(shí)鎢進(jìn)電塊的磨損會(huì)導(dǎo)致鉬絲位置漂移，故應(yīng)設(shè)X、Y 雙向鉬絲漂移量的在線監(jiān)測(cè)，并設(shè)法自動(dòng)補(bǔ)償?shù)角懈畛绦蛑小?這種漂移監(jiān)測(cè)可采用CCD 圖像處理的成熟技術(shù)；由于采用浸液式切割，冷卻問題不是主要，可將走絲速度降到1 m/s，這還能提高鉬絲的穩(wěn)定性。

（4）對(duì)316L 不銹鋼，可能要將高頻空載電壓由現(xiàn)在的120 V 提升到150 V 以上，然后再將脈寬變窄，保證切割的平均電流盡可能大。 用單個(gè)大功率開關(guān)管來實(shí)現(xiàn)恒流放電可能更利于厚不銹鋼切割，這方面或可關(guān)注GaN 或SiC 高頻大功率開關(guān)器件的最新進(jìn)展。

4 結(jié)束語

本文采用激光切割制作圍壩實(shí)現(xiàn)浸液式切割厚不銹鋼， 在同等條件下能提高切割效率30%；當(dāng)進(jìn)一步加上超聲清洗， 效率能再提高30%以上；未參與切割的鉬絲， 其電阻能耗會(huì)成倍影響切割效率，這可能是超厚材料難以切割的本質(zhì)。 往復(fù)走絲電火花線切割技術(shù)在切割厚不銹鋼時(shí)有不可替代的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)設(shè)法使其發(fā)揚(yáng)光大，或可助推我國第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)走出一條更好的發(fā)展道路。