电火花线切割加工技术及其发展动向

朱 宁,叶 军,韩福柱,顾 琳,卢智良

(1.苏州电加工机床研究所有限公司,江苏 苏州 215011;2.清华大学精密仪器与机械学系,北京 100084;3.上海交通大学机械与动力工程学院,上海 200030)

随着航天、航空、军工、汽车、半导体等关键制造领域,特别是精密模具制造业的迅速发展,对各类高、中、低档数控电火花线切割机床的需求量不断提高,市场竞争也日趋激烈,同时也刺激了线切割机床制造厂商对电火花线切割机床性能及功能的提升,促进了数控电火花线切割的技术的进一步发展。下面结合实例,对最近几年国内外电火花线切割加工技术的发展动态进行综述。

1 单向走丝电火花线切割的技术

精密数控单向走丝线切割技术与往复走丝线切割技术相比,以其优异的加工性能,包括更好的加工效率、更好的加工精度、更好的表面质量为现代制造业所广泛认知与采用。数控单向走丝电火花线切割机床属5轴四联动高档特种加工机床,可以进行三维复杂型面零件的精密、微细切割,在实现特殊材料零件、复杂直纹曲面高效、微细、精密加工方面具有不可替代的独特优势,是精密模具、航天、航空、军工、汽车、半导体等重要制造领域的关键加工装备。近年来,国内外研究人员和设备制造商采用信息化、智能化等技术手段,不断提高脉冲电源、主机结构、运丝系统、数控系统等的技术水平,在提升线切割机床的加工效率、切割精度以及表面质量等方面取得了许多卓有成效的进展。

1.1 脉冲电源技术

高效电火花脉冲电源是单向走丝线切割机床的核心单元,高频脉冲电源的自适应控制策略的优劣对单向走丝线切割的加工效率、加工精度以及加工表面粗糙度的影响至关重要。

1.1.1 高效脉冲电源技术

超窄脉冲电流的上升速率、加工过程检测及脉冲参数的适应控制能力及控制策略是影响加工效率的关键技术。脉冲宽度作用时间长,易造成熔化加工,使表面形貌变差,变质层增加,内应力加大,易产生裂纹,且增加断丝概率;脉宽小到一定值时,作用时间短,形成汽化加工,可减小变质层厚度,改善表面质量,减小内应力,避免裂纹产生。

在高效加工方面,国外各公司推出了各自的系列高效自适应控制电源,采用缩短放电时间,增大峰值电流的办法,优化放电能量,脉宽仅几十纳秒,峰值电流1000 A以上,形成汽化蚀除,表面质量大大提高。如:瑞士阿奇夏米尔公司的AGIECUT PROGRESS V系列机床采用的AGIE IPG-VP集成式电源,具有适时检测工件截面变化、实时优化放电功率功能,平均加工电流可达60 A,最高加工效率可达500mm2/min。其Clean Cut脉冲电源,最大峰值电流达1200 A,最高电压250 V,脉冲前沿达到600 A/μ s,只需2μs即可达到最大峰值电流,为快速加工打下了基础。日本三菱电机公司的FA10S机床采用高速V电源,用直径0.2mm的电极丝即可达到360mm2/min的高效加工;日本沙迪克公司的LQ33W电源在以往电源技术的基础上,对电源供给的电感进行了彻底研究,随着再生电源再生率的改进,使得加工电流峰值的前沿和后沿边变得极为陡峭,从而实现了最适合于高速加工的高峰值、短脉冲的电流波形。

根据放电状态适时控制脉冲电源参数的自适应控制策略对提高线切割加工效率、加工稳定性、降低断丝概率极其重要。日本发那科公司的ROBOCUT α系列机床采用AI脉冲控制技术,统计单位时间内的有效放电脉冲数和无效放电脉冲数,适时控制放电能量和进给速度,使放电能量分布均衡,防止由于集中放电而引起的断丝,实现稳定高速加工。

1.1.2 高表面质量加工及微精加工脉冲电源技术

对于电火花线切割精加工而言,加工效率和加工表面质量是一对矛盾。为得到好的加工表面,每次放电的去除量必须非常的小,这势必影响加工效率。为此国外电火花加工机床生产厂家推出了超高频高速精加工脉冲电源,如瑞士阿奇夏米尔公司的Clean Cut脉冲电源,采用快速的开关元件,并对放电回路进行整合,通过高频窄脉冲放电,即可提高加工效率,又能获得高品质的加工表面,其加工表面粗糙度可达Ra≤0.2μm。日本沙迪克公司的线切割超高频精加工回路(SUPPER PIKAN),在超短脉冲条件下获得上百安培的高峰值电流,由脉冲变压器输出双向脉冲进行放电精细加工,脉冲变压器输入端是无电阻的场效应管高速脉冲电路,可实现对超精加工的有效控制。用该电源切割20mm厚的钢件,表面粗糙度达 Ra 0.4μm。

此外,实现高表面质量的精加工电源的关键技术之一,是如何布置极间供电电缆的走线方式,减少供电电缆寄生参数对微能量放电的影响。日本三菱电机推出的超微细精加工电源(Digital-FS),不用专门卡具,工件直接装卡在工作台上,可实现 Ra 0.03μm的镜面加工(硬质合金材料,厚10mm)。日本牧野公司开发的MGW-Ⅵ电源备有SPG微细放电回路,也可实现 Rz 0.17μm的镜面加工。

1.2 防止断丝技术

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,都对断丝概率有重大影响。

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。研究表明:在200 A以下较小电流峰值的加工时,断丝前瞬间会有放电点时间集中、空间集中、短路频率增加等现象的发生;在电流峰值500 A以上,较大电流峰值的加工时,断丝前瞬间并没有集中放电和短路频率增加等现象的发生。有学者观察到在断丝前的5～40 ms内,间隙电压会快速波动。他们开发了一个检测及控制系统,在断丝发生前切断脉冲电源及伺服系统进给,以防止断丝带来的危害,但这种方法对加工效率有所影响。日本三菱电机公司开发的PM控制就是加工过程中实时检测出工件厚度、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。

断丝的另一个原因是由于电极丝上过高的热负载。电火花线切割加工过程中大部分热量都通过电极丝传出,少量由工作液带走及辐射散热。一些研究人员对不同加工参数下电极丝的热负载展开了研究,并开发了热仿真模型,建立了热模型并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。研究结果表明: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。除了放电特性及温度分布外,电极丝的机械强度对断丝也有影响。研究表明电极丝的材料屈服、断裂强度和断丝有关。也有人对单向走丝电火花线切割加工中电极振动对加工状态和过程的影响展开研究,分析了连续放电力作用下丝的振动模态以及对放电点转移和分布的作用。

1.3 微细丝加工技术

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可加工高精度的窄缝和复杂形状的微小零件而备受关注,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。微细丝加工时,放电能量非常微弱,随着电极丝直径与放电能量的大幅度减小,放电过程及其作用机理都发生了本质上的变化,对运丝系统、微精电源、加工过程控制策略等要求极大地提高。国外最高水平已可采用直径直径0.02mm的电极丝加工。如日本牧野公司的UP系列精密线切割机采用横向走丝方式,电极丝直径范围为0.02～0.20mm,可加工微细零件。国内,苏州电加工机床研究所有限公司研究的细丝切割技术,直径可达0.05mm。

为了既提高加工效率又能保证微细形状的加工,瑞士夏米尔公司首创双丝自动交换技术,实现在一台机床上用不同直径的电极丝进行粗、精切割加工。粗加工时使用加工效率高的直径0.20～0.25mm的粗丝,精加工时自动切换为适合于微细形状加工的直径0.02～0.15mm细丝。据报道这种加工方法可将加工时间缩短30%～60%。

1.4 机械平台的改进

影响单向走丝电火花线切割加工精度的因素很多,除脉冲电源的性能、综合自适应控制策略外,机床布局的合理性及其机械刚性、传动链的传动刚性及传动精度、主机及工作液系统的热平衡等对提高加工精度和改善控制性能的作用也非常重要。

日本沙迪克公司单向走丝电火花线切割机床创造性地采用直线伺服电机驱动,大大提高了响应速度和定位精度,使加工效率和精度提高显著。最近日本三菱电机公司也将直线电机驱动方案应用到他们的电加工机床上。瑞士阿奇夏米尔公司的vertex系列机床的机械结构采用整体模块化设计,主要运动轴采用分离式安装方式,所有轴均配置双测量系统,辅以冷却循环的优化控制,可有效带走工作区域产生的热量。其ROBOFIL系列机床采用固定式工作台,以人造花岗石为主体,采用工作台不动的设计理念,使机床可以加载重型工件且保证持久的加工精度。瑞士阿奇公司为减少机床精度的变化对加工精度的影响,采用统一的温度场,机床装有两套温度控制系统,分别控制加工区与U、V两轴的温度,以及电源箱、机床与室内空气冷却。两套温控系统通过温度传感器检测并进行控制,使二者温差不超过1℃。日本牧野公司的W系列机床通过绝缘液体冷却装置循环控温,保持整个床身在等温状态,实现机床的热平衡,提高机床的整体加工精度。

许多厂家不仅注重提升电火花线切割机床的加工性能,还从操作的方便性、安全性、节能等方面加以强化。比如日本牧野公司的SP系列机床采用双片“V”型导丝嘴(图1),使日常维护只需几分钟即可完成,且清洗完成后不需再进行垂直度的矫正。

图1 日本牧野的双片“V”型导丝嘴

图2 瑞士阿奇夏米尔公司的ICP防撞保护系统

瑞士阿奇夏米尔公司的ROBOFIL系列机床5个运动轴都设置ICP防撞系统进行保护(图2),可避免由编程错误或误操作引起的碰撞,该系统完全内置于运动控制部件,可检测出微小的异常力,并在工件或电极丝导向系统受损之前自动停机。其自动无孔探测功能也很实用,自动跳步加工时,如果预孔被忘记打出或孔位偏移,机床就会自动移到下一个预孔上,这样可防止在无人操作加工时停机。日本发那科公司的ROBOCUT α系列机床也能自动无孔探测,且在穿好丝之后发生短路时,可自动搜寻消除短路的位置,提高了连续无人操作运转的可靠性。

1.5 数控系统的增强

电火花线切割加工机床数控系统与典型的切削加工机床的数控系统有所不同,工具电极的轨迹运动功能只在完整的电火花线切割加工数控系统中占据很小的比例。而系统更多的是需结合加工过程实时检测,通过调节或控制众多的可调参数,包括放电过程和工具相对于工件的运动来获得所希望的加工工艺指标,如切割速度、表面粗糙度、表面完整性、加工稳定性、加工尺寸精度和形状精度等等。高效的数控系统是实现精密加工必不可少的关键环节。国内外研究机构除对电火花线切割加工机床数控系统在加工过程自适应控制策略及自动化控制功能方面强化研究外,着重在拐角加工精度控制、变厚度3D识别及其自适应控制技术方面有较大突破。

1.5.1 加工过程检测及控制技术

在加工过程中采用适应控制系统是非常重要的,传统的电火花线切割加系统采用线性控制器在加工过程中对放电间隙进行伺服控制,但实际上由于测量量和控制量之间是非线性的,所以线性控制器的实际效果受加工条件的影响很大。国内外的研究人员研究了包括模糊控制及自适应控制的检测控制系统,提出了基于模糊逻辑控制和适应策略的放电检测及适应控制系统,可适用于较广泛的加工范畴。此外,还设计了一种带在线放电脉冲检测系统的模糊控制器,应用自学习模糊控制策略实现在控制放电频率的同时通过实时调节脉间来保持较高的材料去除率。

1.5.2 拐角加工精度控制技术

影响加工精度的因数很多,除机床的机械精度和运丝系统的稳定性外,加工间隙中放电时的爆炸力和高压水在加工缝隙中向加工路径后方的压差推力对电极丝的滞后作用,也会造成电极丝实际运动轨迹偏离数控代码的预定轨迹,体现在加工小圆弧时实际圆弧直径偏小、加工拐角处出现塌角,影响到加工质量和精度。国内外的专家学者对电极丝变形引起工件形状误差提出了数学模型。瑞士阿奇公司采用光学传感器来在线观测电极丝受力时的变形量,并通过一个控制算法来补偿电极丝带来的误差进而实现高速加工。目前在研的及设备制造厂家常用的拐角加工精度控制策略有:

(1)能量控制法

在拐角或小R处实时降低加工电流、降低工作液压力、增大电极丝张力、同时适应控制加工速度等方式以降低电极丝的滞后影响。该方法实施简单、实用,但有一个缺点,即当需要加工高精度的拐角时,加工时间会过长,影响加工效率。

(2)数控轨迹修正法

在数控代码预定轨迹的基础上,在一些拐角及大曲率位置对实际运行轨迹作实时轨迹偏差补偿,以弥补电极丝变形引起的工件形状误差,即基于预测的电极丝变形总量来修正加工拐角和 R角的数控轨迹,提高微细部位的加工精度。该方法可克服能量控制法影响加工效率的缺陷,但对同一型号机床的工艺一致性要求极高,如缺少精细工艺数据库的配合,将无法得到满意的轨迹补偿效果。

(3)实时检测修正法

开发一种电火花线切割加工时基于检测器检测到的电极丝偏差值在线修正导向器位置的系统。该系统的实时性是非常诱人的,但这个系统需要特定的机器,对电极丝微小偏移的在线实时高精度检测技术要求极高,至实际实施尚有困难。

1.5.3 变厚度识别及其自适应控制技术

近年来,电火花线切割加工领域研发出了可根据切除工件厚度变化调整的控制策略。由于加工过程中工件厚度发生变化时电极丝上的热密度会改变从而导致断丝,高度变化引起加工间隙的变化进而导致加工精度变化。美国学者提出一个根据当前切除工件厚度来调整放电频率的模型,使用神经网络来评估工件厚度并使用模糊控制来减少加工变厚度工件时断丝率。还有学者提出了一个基于知识的系统,该系统由工作准备、过程控制、加工辅助与错误诊断3个模块组成,可实现电火花线切割加工过程的检测和控制。工作准备模块选取最佳的加工参数,加工辅助与错误诊断模块提供诊断功能。这些系统的组合可提高WEDM机床的自动化程度。

日本三菱电机公司和瑞士阿奇夏米尔公司在机床的数控系统内装备有CAD/CAM系统,机床可方便读入3D和2D数据,同时通过CAM直接生成NC数据。在CAD/CAM系统的基础上,日本三菱电机公司开发出了3D自适应控制方法(3D-PM),该方法利用机床内的CAD/CAM系统解析三维数据,自动识别加工工件毛坯形状特征。这样机床可知道加工任意时刻电极丝在加工工件毛坯中的位置、毛坯工件的厚度以及周围毛坯的具体形状,并根据这些信息进行一系列的控制。比如:即使是变断差工件,根据电极丝周围毛坯形状自动调节Z轴位置,可方便实现喷嘴紧贴零件的加工,提高加工速度。3D自适应控制方法在变断差加工方面的另一个功能就是变断差工件的精度控制。以往的断差控制一般是通过检测加工速度来判断工件厚度,在断差处改变加工条件实现断差精度的控制。但这种传统的方法在断差厚度改变瞬间或以后才能改变加工条件,其结果是在断差处出现条纹。3D自适应控制方法打破了传统方法的局限性,由于它可提前知道断差位置,进而可在进入断差位置的任意时刻改变加工条件,这样扩大了断差控制的自由度,可大幅度减小断差处出现的条纹,提高变断差加工的加工精度。据介绍该方法可将断差精度控制到2μm以内。

1.6 国内单向走丝线切割加工技术发展现状

单向走丝线切割加工技术相当复杂,可以说是电加工产品皇冠上的明珠,从脉冲电源到检测控制、从主机到数控系统都有许多技术障碍与难题,国内能够自主研发生产单向走丝电火花线切割机床的厂家为数不多,对新一代单向走丝线切割加工技术研究起步也较晚。国内生产单向走丝电火花线切割机床的主要骨干企业有苏州电加工机床研究所有限公司、苏州三光科技股份有限公司、北京安德建奇数字设备有限公司等。尽管国内的单向走丝电火花线切割技术相对落后,但经过这么多年的发展,与国外机床的差距在渐渐缩小。

苏州电加工机床研究所有限公司的DK7632单向走丝电火花线切割机床(图3)在原有技术基础上又有新的突破,改进了放电状态检测及伺服控制电路,实现了放电状态检测电路温漂硬件补偿,提高了检测精度,采用恒电压加工伺服控制与恒速进给加工相结合的控制策略,既保证了工件加工的尺寸精度,又可确保变截面加工和拐角控制能顺利进行,进一步提高了加工稳定性和微细部位的加工精度。另外该机床还可配置微精加工电源,可实现表面粗糙度＜Ra 0.4μm的微细加工。该公司新研制的浸液式单向走丝电火花线切割机床采用直线伺服电机作为X、Y轴驱动,可避免传统旋转式电机-丝杠-螺母传动链所带来的迟滞,响应速度和定位精度大大提高,配置了高精度数控转盘(直驱电机),实现了A轴与直线轴的联动控制,可实现诸如端面凸轮等特殊零件的加工。此外,该公司对微细丝线切割技术的研究也有新的突破,已可实现最细电极丝直径0.05mm的微细加工。

图3 苏州电加工机床研究所有限公司的DK7632机床

苏州三光科技股份有限公司推出了一款新型单向走丝电火花线切割机床(图4),该机床配有运动系统全闭环控制、无电解粗加工电源、低粗糙度精加工电源,可实现表面粗糙度Ra 0.3μm的微细镜面加工。另外该机床还新配备了自动穿丝功能,打破了国内机床只有半自动穿丝的局面。

图4 苏州三光科技股份有限公司的LA500机床

北京安德建奇数字设备有限公司推出了AW310T带自动穿丝装置的浸水式高精密数控单向走丝线切割机。该机床配有直线光栅尺位置检测和全闭环控制系统;采用先进的脉冲电源和放电回路控制技术,实现全数字化控制,能够精确检测和控制每一个放电脉冲,从而获得高的加工速度和好的表面质量,可实现表面粗糙度Ra 0.3μm的微细镜面加工,尺寸精度＜±3μm;另外该机床配有带第六控制轴的6轴四联动数控系统,满足零件分度定位加工的需要,同时内置了人造金钢石(PCB)材料特殊加工电源,用来满足特殊需求的加工,扩大了机床的应用范围和销售市场。

2 往复走丝电火花线切割加工技术

我国特有的往复走丝电火花线切割机床具有低廉的价格以及高效大厚度加工的能力,与单向走丝线切割机床相比,其主要特点为:结构简单、往复走丝、价格低廉、切割厚度大、运行成本低。但其劣势也很明显,主要是加工精度低、加工表面质量不尽如人意。往复走丝电火花线切割机床以中低端用户为主要应用群体。随着模具行业对加工要求的不断提高以及市场竞争的日趋激烈,近年来国内生产往复走丝电火花线切割机床的厂家都将提升机床的加工精度和表面质量作为产品发展的主攻目标,在主机、电源、加工工艺方面都有新的创新和提升,纷纷推出具有更高性能的往复走丝电火花线切割机床,即俗称的“中走丝电火花线切割机床”。

所谓“中走丝电火花线切割机床”其本质还是往复走丝电火花线切割加工技术,充分发挥了低成本、高效加工及大厚度加工能力的特点,着重在脉冲电源电路结构、伺服进给控制策略、运丝速度控制、工作液性能、数控系统以及多次切割工艺技术等方面提升机床品质。采用类似于单向走丝线切割加工的多次切割加工技术,使机床的加工精度及表面质量有了大幅度的提高,增强了往复走丝电火花线切割机床的竞争力。

2.1 主机精度的提升

2.1.1 提升机床主机精度的措施

机床主机及运丝系统的精度是切割精度的重要保障。一些厂家采用直线导轨、双螺母滚珠丝杠、交流伺服电机直联驱动,激光干涉仪检测螺距误差补偿,可提高机床的定位精度和重复定位精度,为多次切割工艺的实施提供了基本保障。

2.1.2 运丝系统的技术进步

北京市电加工研究所采用双向恒张力张丝机构,可极大提高运丝的稳定性,电极丝的抖动更小,即使大锥度切割也能保持动态恒张力;四川深扬数控机床有限公司的“智能张力控制系统”也可保持运丝张力的稳定性,提高多次切割时的表面质量,减少切割条纹。

为了提高运丝精度,进而提高加工精度,许多厂家在运丝系统的精度控制方面做了许多研究,如加强导丝轮的精度控制、加大导丝轮直径、采用宝石圆孔导向器、宝石挡丝棒等。这些措施一定程度上提高了加工精度,但采用圆孔导向或挡丝棒等措施存在导向器易磨损的问题,运丝精度还有待进一步研究。

江苏三星机械制造有限公司开发了一种有别于传统的直立式贮丝筒结构,也是一种创新尝试。

2.2 脉冲电源的进步

脉冲电源的性能直接影响线切割加工的效率、电极丝的损耗率。国内相关厂家对往复走丝电火花线切割脉冲电源的技术主要从主振电路及脉冲电源主回路的创新加以提升。

2.2.1 数字化脉冲电源

一些厂家研发的数字化脉冲电源采用可编程逻辑器件作为高频脉冲电源的主振控制芯片,可产生多种灵活多变的脉冲波形,实现了硬件级的实时脉冲参数适应控制。可由数控系统数字设置脉冲电源的电流前沿的上升速率,降低电极丝损耗,自动变规准加工,可适应多次切割需求及提高大厚度加工的稳定性和提高加工效率,减少断丝概率。

2.2.2 无电阻脉冲电源

苏州三光科技股份有限公司研发的无电阻脉冲电源采用了全新的电路结构模式,主回路无限流电阻,功率管的关断能量可直接回馈至供电端,与同类产品相比电源节能达80%以上,由于主回路的电感作用,加工时的电极丝损耗极低,加工20万mm2,用直径0.18mm的电极丝的损耗仅为0.01mm。

2.3 环境保护

以往的往复走丝电火花线切割机床,工作液在加工过程中因电极丝的高速运行和火花放电,在工作区形成有害健康的雾化环境,影响操作人员的身体健康和设备寿命。现在越来越多的厂家在机床的工作区设置封闭环保外罩,可有效地防止工作液的飞溅,大大降低了环境污染。

2.4 多次切割工艺技术

许多厂家为了进一步提升往复走丝电火花线切割机床的性能,注重研究往复走丝电火花多次切割加工工艺,配备了较为丰富的多次切割加工工艺数据库,可使往复走丝电火花线切割机床也能像单向走丝线切割机床一样进行多次切割加工,可根据工件材料、厚度及加工要求自动调用脉冲参数、运丝速度、切割速度等工艺参数,自动化程度有较大提高,大大提高了往复走丝电火花线切割机床的加工精度,扩展了其应用范围。

2.5 数控系统满足多次切割需求

以往国内流行的往复走丝电火花线切割机数控系统软件主要应用于普通机床,无法很好地满足多次切割的要求。如没有机械零位定位功能、无法进行精确的螺距补偿,不能对丝速、脉冲电源参数等工艺条件进行在线实时控制,不能很好地满足多次切割工艺的其他控制需求等。针对上述问题,近年来一些厂家开发了新型数控系统软件,除具有传统的电火花线切割数控系统软件的全部功能外,还针对中速走丝电火花线切割机床的特殊控制要求,增加了机械零位定位功能、精确的螺距补偿功能,对不同丝速、脉冲电源参数等工艺条件进行多次切割自动控制功能以及丰富的专家数据库,既保证了普通往复走丝电火花线切割机床的通用性,又较好地兼顾了多次切割的特殊性,涵盖了高、低档次的往复走丝电火花线切割机床的控制需求。

2.6 工作液及工作液系统

工作液对线切割加工效果影响很大,国内相关厂家,如北京东兴润滑剂有限公司、苏州宝玛数控设备有限公司及南京航空航天大学等加强了对工作液的研究,研发的水溶性工作液具有环保、使用期长、加工稳定、加工效率提高,特别是符合多次切割工艺的特点,克服了传统工作液难以适应多次切割加工的缺陷。此外许多厂家还强化了工作液系统的清洁与过滤,更进一步满足了多次切割加工工艺的要求。

2.7 达到的加工效果

近年来经过国内相关研究机构和厂家不懈的技术创新,往复走丝电火花线切割机床的加工性能不断得到提升,实用加工指标可达到:

(1)一次切割加工效率120～150mm2,此时电极丝损耗≤0.01mm/20万mm2,也有报道称最高加工效率可达200mm2以上;

(2)加工表面粗糙度Ra 1.0μm左右;

(3)出厂时的加工精度≤±0.01mm;

(4)加工表面条纹明显改善。

3 电火花线切割加工技术的发展趋势

近年来,国内外数控单向走丝电火花线切割加工技术的发展趋势有如下几个方面:

(1)更高的加工效率。主要研究快速检测控制及抗干扰技术、效率更高的纳秒级、大峰值电流、无电阻脉冲电源技术、快速自动穿丝技术等;

(2)更高的加工精度。主要研究多次切割技术和拐角加工精度控制策略、精密寻边技术、采用直线电机实现纳米级驱动技术、机床热平衡控制技术;

(3)更高的加工表面质量。主要研究高效微精加工脉冲电源技术、高表面质量加工技术;

(4)微细加工。主要研究更细电极丝的细丝运行的恒速、恒张力运丝系统,微精加工电源、微细切割检测及控制技术、细丝切割工艺技术;

(5)智能控制。主要发展五轴数控四轴联动并实现实时伺服控制和工艺控制策略的智能数控系统、更完善的专家工艺数据库;

(6)绿色节能。主要发展节能型、无电阻、低功耗的高效脉冲电源,通过电磁屏蔽等措施减少加工时的对外电磁辐射等。

4 我国电火花线切割加工领域亟待发展的关键技术

4.1 高效高加工表面质量脉冲电源关键技术的研究

脉冲电源技术是电火花线切割加工最为核心的关键技术,国内与国外电火花线切割加工机的主要差距之一就是脉冲电源技术。目前国外的脉冲电源已实现了通过放电状态对单个脉冲能量的优化控制,脉冲宽度最小可控制到纳秒级。而这些技术是提高加工速度、加工表面质量的关键,必须努力去探索这方面的关键技术,才有可能同国外企业抗衡。

4.2 放电状态控制、拐角控制、段差控制等关键技术的研究

电火花线切割加工的控制技术包括放电状态控制、拐角控制、段差控制等,也是目前国内外线切割机床薄弱的方面。这些控制技术左右着加工效率和加工精度,多是国外企业经多年的摸索结合现代控制技术和数字化技术而形成的专用控制技术,有些控制方法听起来简单,但国内企业照搬却很困难,需花时间和人力耐心探索。

4.3 高性能的往复走丝电火花线切割技术

应充分发挥往复走丝电火花线切割机床低成本、高效加工及大厚度加工能力的特点,在机床的机械精度、重复定位精度、运丝系统的稳定性、脉冲电源的性能、工作液的电导率以及多次切割的工艺等方面综合治理,对具有多次切割功能的数控系统要求更高,同时还应考虑生产成本、应用范围的综合平衡,要有一个合理的市场定位。不计成本地片面提高其某些性能,往往得不偿失。

4.4 基础研究

尽管电火花线切割加工技术取得了一定的发展,但同电火花成形加工一样,其基础理论的研究却一直未能有较大的进展。到目前为止,电火花加工无论在机械设计、自动控制还是加工工艺方面,很大程度上还依赖于数年来所积累的经验,这种局面一定会限制它今后的发展。因此,科研工作者应致力于电火花加工的基础理论研究,通过理论指导实践,这样,在不远的将来,电火花加工技术会得到更大的突破。

5 结束语

电火花线切割加工技术是特种加工技术的一个重要应用分支,是精密模具、航天、航空、军工、汽车、半导体等制造领域的关键加工技术,在相关重要制造领域中发挥着难以替代的作用。随着新技术、新工艺、新器件的不断应用,国际上单向走丝电火花线切割加工设备已具备了很高的技术能力。目前我国单向走丝电火花线切割机床仅能达到国外中档设备水平,总体水平与高端产品相比还存在着显著差距。而往复走丝数控电火花线切割技术,则应在保留低造价、低使用成本特点的基础上,提高加工性能,增强竞争力,这将是我国电火花线切割技术研究机构和企业的努力目标。