对往复走丝电火花线切割加工技术发展的思考

张旭东,李谢峰

(1.杭州华方数控机床有限公司,浙江杭州310024;2.南京航空航天大学机电学院,江苏南京210016)

1 往复走丝和单向走丝线切割加工技术的区别

1944年,前苏联学者拉扎连珂夫妇发明了电火花加工,20世纪50年代初期传入我国,并开始研究和应用电火花加工技术,自主研发了具有中国特色的往复走丝电火花线切割机床。

电火花线切割的加工原理是利用连续移动的细金属丝(称为电极丝)作电极,对工件进行脉冲火花放电蚀除金属、切割成形。电火花加工是非接触加工,可加工薄壁件、导电超硬材料,特殊的热敏材料,半导体材料,特殊及复杂形状零件,并可以优化工艺路线。

电火花线切割机床主要分为单向走丝电火花线切割机床(单向走丝机床)和往复走丝电火花线切割机床(往复走丝机床、中走丝机床)。

单向走丝机床加工模式为:其电极丝作低速单向运动,一般走丝速度低于0.2 m/s,电极丝放电后不再使用,工作液是去离子水,由于需要保证去离子水的电导率、离子数、温度,所以需要增加过滤系统、消电离系统、温度控制系统,从而保证工作稳定、均匀,加工质量较好。一般切割厚度在300 mm以下,最高切割厚度600 mm,对形状复杂零件的加工尺寸精度可达到 ±2～5 μ m;表面粗糙度可达到Ra 0.1～ 0.2 μ m(多次切割),最高切割速度(一次切割)可超过300 mm2/min。机床的自动化程度高,加工稳定性好,已向无人化加工发展。

往复走丝机床是我国独创的电火花线切割加工模式,也是我国电加工机床行业生产和使用的主要机种,其电极丝作高速往复运动,一般走丝速度为8～10 m/s,电极丝可重复使用,工作液是油基、乳化液、复合工作液,此类工作液能保证在一段时间内切割稳定,因而不需要额外的设备来控制,但高速走丝容易造成电极丝抖动和反向时停顿,使加工质量下降。我国的电火花线切割机床最大切割厚度能达到1 000 mm以上,最大切割速度为266 mm2/min,尺寸精度为±0.01 mm,表面粗糙度一般为Ra 2.5μ m,最佳可达 Ra0.6 ～ 1 μ m 。

2 往复走丝线切割加工技术的“生命力”

一项技术的价值在于应用,应用取决于生产实践的需求,所以需求决定技术的生命力。

对于往复走丝电火花线切割加工技术的价值,也应由市场需求来决定。而对于往复走丝机床的需求来自于经济性和不可代替性两个方面。

2.1 “往复走丝”的经济性

(1)设备制造成本:单向走丝机床所用的工作液是去离子水,同时由于其技术的要求,必须精确控制去离子水的电导率、压力、离子数和温度,因而附加了很多控制这些因素的设备,比如过滤系统、消电离系统、温度控制系统,导致单向走丝机床的设备制造成本高。而往复走丝机床所用的工作液主要是油基、乳化液、复合工作液,只需和水进行合适的配比,而不必进行复杂的测量和控制,因而附加设备很少。故单向走丝机床的制造成本远大于往复走丝机床。

(2)设备使用成本:单向走丝机床的电极丝是一次性使用,而往复走丝机床的电极丝是循环使用,大大节约了使用成本。单向走丝机床的工作液消电离需要树脂、过滤需要过滤芯,每隔一段时间就要更换,而往复走丝机床工作液本身的特点决定它不需要这些消耗品。由于单向走丝机床附加了很多设备,必然导致其损耗的电能大于往复走丝机床。

目前市场价格,往复走丝机床为4～15万元,而单向走丝机床为50～100万元或更高。

除了加工精密(高精度和表面粗糙度)的零件,对中低精度和表面粗糙度要求的零件,往复走丝机床有着巨大的市场需求,虽然单向走丝机床也能加工这些零件,但加工成本远远要大于往复走丝机床。如在切割速度为100 mm2/min,切割厚度60 mm的材料,对于往复走丝机床,电极丝(钼丝)一次上丝长度约300 m,其成本约30元,连续切割面积可达100万mm2,电极丝的成本为 3×10-5元/mm2,而用单向走丝机床切割,电极丝的成本为1.7×10-3元/mm2。

2.2 “往复走丝”具有不可替代性

往复走丝机床能切割更高厚度(600 mm以上)工件,而单向走丝机床却望尘莫及,主要原因是:①单向走丝机床的丝速低于0.2 m/s,对于材料厚度在600 mm以上的工件,排除蚀除物的距离拉长,由于走丝速度慢,因而工作液不易被带进切缝,只能依靠水压喷入,因为缝隙很窄,高度越高,喷入就越困难,因而加剧了排屑的难度,从而造成切割困难,工件的表面质量变差,增加了材料上端与下端的尺寸误差;②往复走丝的丝速为8～10 m/s,由于走丝速度很快,工作液更容易被带进加工区域,从而能正常地排除蚀除物,使蚀除量和排屑量保持相对平衡的状态,保证了加工的稳定性;③在大型零件的加工,比如船舶的大型齿轮加工、军工大型特殊材料的加工,往复走丝加工具有不可替代性和经济性。

在数量巨大的机械零件和中低端模具零件加工领域,往复走丝机床的应用更具优势,市场潜力巨大,发展前景广阔。只有清醒地看到这些,不断地研发新技术、新工艺,并应用于我们的产品上,提升往复走丝加工的工艺技术特长,才能使中国特色的往复走丝电火花线切割机床具有更强的生命力。

现在行业中各企业投入大量的资金和人力研究往复走丝机床的多次切割技术,但有些盲目追求单向走丝机床的工艺指标,摒弃了往复走丝机床独有的特点——经济性和不可替代性,偏离了正确的技术发展方向,所以我们必须有理性地市场定位和科学的技术发展方向。这样往复走丝加工技术才会有更大、更广的发展空间。

3 往复走丝电火花线切割加工技术发展定位

我国往复走丝机床生产应用已有40多年历史,近几年来,在往复走丝机床的基础上借鉴单向走丝机床的多次变速切割技术,发展了中走丝线切割机床(属往复走丝电火花线切割机床范畴)。如今,我们认为行业有必要认真地回顾和反思发展过程中的一些经验和教训,这对往复走丝电火花线切割技术进一步健康的发展非常必要。如前所述,往复走丝电火花线切割技术的发展应该基于其经济性和不可替代性,而盲目追求过高的技术指标,甚至希望达到单向走丝加工的技术水平和往复走丝电火花线切割技术已经没有发展空间的观点都是不可取的。

行业标准中工艺技术指标的制定,与单向走丝机床相比,不仅仅是工艺指标的量不同,而更要体现往复走丝机床独有的特征。

3.1 往复走丝线切割加工技术发展的主要方向

(1)现有往复走丝机床的数控系统水平还较低。以前我国往复走丝机床的数控系统是基于DOS平台设计的,但现在越来越不能符合客户的要求,所以开始发展基于Windows平台下的数控系统,这样必然导致知识产权的问题,因为DOS是开放的知识平台,而Windows需要支付版权使用费,同时编程软件也是国外的CAD软件,这些也需要支付版权使用费,这样往复走丝机床(包括中走丝机床)未来的发展必然受到桎梏,我们应根据往复走丝线切割技术特点,开发自主知识产权的编控软件并逐步提高和完善。

(2)对走丝系统的精度和张力控制的研究不断完善和深入。因为这两个因素决定着正常放电的连续性,目前对电极丝导向轮,导向器的精度、寿命和防水的研究滞后,如低损耗长寿命的导轮、导轮总成、导向器。

(3)脉冲放电电源的深入研究、电火花放电状态的检测和控制技术、电极丝寿命的研究。电极丝寿命是往复走丝电火花线切割生命力的根源,应基于电极丝寿命追求高精度和低的粗糙度,比如在切割工件时,电极丝在较短时间内断丝,会提高加工成本,同时断丝后换丝继续切割,会降低工件的加工质量,所以切割连续性对“往复走丝”非常重要。

(4)电极丝及制造工艺的研究。如对电极丝表面镀层的工艺性研究。

(5)工作液性能和寿命的研究。基于往复走丝电火花线切割技术的本质,对工作液进行定位。提高切割速度,已经是行业的一个重要的发展方向,切割速度包含两个方面:工件的蚀除速度和工作液的排屑速度。只有这两个速度同时提高,才能提高切割速度。如果工件的蚀除速度大于排屑速度,那么会出现加工不稳定,切割速度下降,并且影响表面质量。因此只有工作液和脉冲电源相辅相成,切割速度才能提高。满足指定的加工工艺指标要求,一次配制,连续切割的面积,称为工作液寿命,工作液寿命决定往复走丝加工的连续性和一致性,延长工作液的使用时间,减少了人工操作成本,这样工作液的寿命就非常有意义了。

(6)对稳定切割600 mm以上超高厚度的技术发展要投入更多的力量。

(7)进一步提高坐标工作台的精度和持续性。

特别要强调的是,以上技术的发展都要基于往复走丝线切割机床的经济性和不可代替性。

3.2 往复走丝线切割加工技术发展的定位

(1)基于往复走丝电火花线切割技术的本质,对精度和表面粗糙度定位要适当。由于电极丝是重复使用,客观存在电极丝损耗;再者,钼丝在高温影响下,其弹性性能会变化,从而使其屈服程度也变化,必然造成电极丝前后空间位置的不一致,导致形状轮廓误差;由于电极丝换向还会产生放电的周期性停顿和电极丝张力的波动,以上因素不利于加工精度和表面粗糙度的提高,所以这两方面的指标不能定得太高。否则,电极丝的寿命将大大下降,必然增加使用成本。如果为进一步提高指标采用更复杂的技术,其效果有限,而制造成本大幅提高,失去了其经济性,所以要将往复走丝机床的精度和表面粗糙度定位在中低精度水平,才能保持切割指标的连续性和一致性。我们认为比较合理的定位是:尺寸精度≤±0.005 mm,表面粗糙度 Ra≤1 μ m,同时电极丝寿命应≥20万mm2,这样才能真实体现往复走丝电火花线切割技术的价值。

(2)基于往复走丝电火花线切割技术的价值特点,大量应用于一次切割的工艺,所以切割速度的工艺指标更有意义,要大力发展高速切割的技术,同时准确全面评估切割速度也非常重要。我们认为准确的切割速度指标应包含电极丝寿命,如切割60 mm厚碳钢工件,一次切割速度应定位≥150 mm2/min,同时电极丝寿命应为50万mm2。

(3)超高厚度工件切割是往复走丝机床不可替代性的主要方面,可靠稳定切割1 000 mm以及更高厚度工件是往复走丝技术发展的重要方向,提高智能切割变频进给技术是关键。对加工600 mm厚工件,切割速度应定位在70 mm2/min以上,电极丝寿命50万mm2。

4 结论与展望

(1)往复走丝电火花线切割技术指标应定位在中低精度机械零件的加工,且有巨大市场需求。

(2)往复走丝电火花线切割技术的发展必须要基于经济性和不可替代性,发展空间巨大。

(3)作为引导行业健康发展的行业技术标准必须体现往复走丝电火花线切割技术的独有特点。加工精度、表面粗糙度和切割速度都应在一定的电极丝寿命的前提下,这样才有实际意义。

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