往复走丝线切割机床走丝系统的发展策略探讨*

齐文春 高坚强 郭丽华 黄 莺

(①苏州科技学院机电工程系，江苏 苏州215011;②苏州新火花机床有限公司，江苏 苏州215128)

往复走丝线切割机床是我国特有的一种加工装备，目前已成为机械制造业中一种不可缺少的重要加工手段。在电加工机床中，2012 年往复走丝线切割机床销售量占61.2%，单向走丝线切割机床销售量占12.3%，而销售额前者只占24.2%，后者占41.1%，平均售价前者为4. 83 万元/台，后者为41. 28 万元/台［1］。这一数据说明目前往复走丝线切割机床虽然销售量很大但只能满足低端市场需求，而且销售利润很低。随着科学技术的不断发展，市场对于加工装备的要求愈来愈高，往复走丝线切割机床面临的挑战日益严重，如何破解这一难题，是一个系统工程问题，本文试图从机床走丝系统的角度进行一些探讨。

1 往复走丝线切割机床存在的问题

1.1 往复走丝线切割机床的发展历程

往复走丝线切割机床之所以要采用往复的运丝方式，既有理论层面的原因，也有技术层面的原因，还有历史层面的原因。对于这些原因进行分析，有助于找出问题的症结，提出解决方案。

首先，从理论层面上来说，线切割加工是基于火花放电腐蚀的原理进行加工的，其条件之一就是电极丝与工件之间必须有一定绝缘强度的液体介质，由于放电间隙很小，液体介质如何进入就成了一个技术瓶颈，经过大量的试验和理论分析，依靠电极丝表面张力可以将液体介质带入加工区同时将加工产物带出加工区，带入加工区的液体数量随电极丝移动速度的增加而增多。长期使用效果表明，电极丝的移动速度在8～12 m/s范围内，可以满足线切割加工对液体介质带入及加工产物排出的基本要求，这个速度范围的加工工艺指标也相对较好，这就是我国特有的高速走丝线切割机床的由来。

其次，从技术层面来看，电极丝轴向移动要达到大约10 m/s 的移动速度，如果一个零工要加工1 h，加工完这个工件所要消耗的电极丝长达36000 m，而多数工件的加工往往是几个小时至几十个小时。在线切割发展初期，电极丝的制造技术水平满足不了这个长度要求，这就不得不考虑其他方案，由于当时电源技术也不发达，加工时用的放电能量较小，电极丝损耗不大，可以反复使用，这样就提出了往复走丝的概念，采用1个储丝筒1 次上丝几百米实现往复走丝且结构简单，控制系统的实现也方便，这样就形成了我国特有的高速往复走丝线切割机床的系列产品。

再次，从历史层面来看，线切割发展初期，我国生产高速往复走丝线切割机床的同时，国外在生产低速单向走丝线切割机床。由于我国整体工业水平相对落后，制造业对机床工业的要求相对不高，同时，线切割机床由于有自己的特色，有些技术指标甚至比国外的还高，一方面能满足国内市场的需求，另一方面，也有自我陶醉的感觉，没有改革的动力。进入80 年代，国外低速单向走丝线切割机床技术水平得到了迅速的提高，而我国的线切割机床技术水平的提高相对较慢，第一是受机床结构特点所制约，第二是由于受国内装备制造技术水平的制约，线切割机床的关键部件技术及机床的电源技术、软件技术、控制技术等技术水平也没有跟上，第三就是理论上没有大的突破。随着改革开放的发展，国内制造业对机床工业的要求愈来愈高，国外精密机床进入国内市场，其他机床装备挤占线切割机床市场，高速往复走丝线切割机床市场竞争劣势就日显突出，虽然国内销售量仍然很大，但只能占领低端市场，销售价格低，利润低。

1.2 往复走丝线切割机床走丝系统存在的问题

往复高速走丝线切割机床与低速单向走丝线切割机床相比，走丝系统方面主要存在以下不足:

(1)电极丝高速走丝使轴承、导轮跳动和磨损严重，从而影响电极丝空间位置的准确性和稳定性，进而影响加工精度。

(2)电极丝的往复运动在工件上下入口处，由于工作液的洁净程度是不同的，放电间隙不同，形成了往复走丝特有的切割条纹。

(3)电极丝的频繁换向，使电极丝的张力很难准确控制;工作液供液方式只能依靠电极丝高速移动带入加工区，高压喷液等方式很难实施，供液效果难以进一步提高;为了避免断丝，换向时需要暂停几秒钟放电时间，这将制约加工效率的提高。

(4)电极丝反复使用所产生的损耗会影响电极丝的轨迹位置和切缝大小，进而影响加工精度。

(5)电极丝的频繁换向及高速移动速度，使电极丝定位导向装置安装困难，即使能安装导向装置也会由于快速磨损很难发挥正常作用或效果不佳。

2 往复走丝线切割机床走丝系统的发展策略

2.1 往复走丝线切割机床走丝系统的特点分析

往复走丝线切割机床的最大优势是电极丝可以反复使用，运行成本低，同时可以加工高达600 mm 厚以上的超大厚度工件，而最大劣势是加工精度低，加工效率相对较低。因此，往复走丝线切割机床的发展不能抛弃运行成本低和可加工超大厚度工件的特点，关键是如何提高加工精度和加工效率。

单向低速走丝线切割机床之所以加工精度高，是因为采用了多次切割技术［2］，往复走丝线切割机床引入多次切割技术后也能提高加工精度，但存在使用1～2个月后加工工艺水平就开始下降的现象［3］。显然，往复走丝机床采用多次切割技术提高加工精度的技术方案是可行的，问题是如何解决可持续加工精度问题。

从前面的讨论中可知，走丝系统的“高速”及“频繁换向”是制约加工精度的主要因素之一。而走丝系统的“高速”是为了解决工作液进入加工切缝区而设置的条件，这对于大厚度工件的加工效果尤为明显。目前，由于电源技术、工作液及高压喷液技术的发展，这一条件已发生了变化。刘志东的研究［4］表明喷液式冷却方式是改善大能量条件下高效切割的极间冷却状态恶化的有效手段并可适当降低其最高的运丝速度。笔者的前期研究［5］也证实多次切割工艺的第一次切割，无论从加工效率还是表面粗糙度的角度来看，提高电极丝的走丝速度并不是最佳方案，一般来说会有一个最佳走丝速度，多次切割工艺的第一次切割，走丝速度为4.4～11 m/s 时，对加工效率的影响不大。刘志东［6］在高低双速走丝线切割工艺试验研究中用0.14 m/s 的低速走丝速度进行了精修加工并获得了一定的工艺效果。上述研究表明，由于技术的进步，往复走丝线切割机床走丝系统的“高速”并不是必要条件，通过工作液、电源技术及高压喷液技术等技术措施可以解决。

“换向”是电极丝反复使用的必要条件，关键是“频繁换向”带来的问题很多。目前的单丝筒结构的走丝系统，由于需要换向，只能采用单层绕丝，通常1次上丝的长度是200～300 m，如果按10 m/s 的走丝速度，则最多运行30 s 就要换向，由于换向的瞬间走丝速度为零，为了避免断丝，换向时需要暂停3～4 s 的放电时间，这样，一方面会产生换向条纹，另一方面至少有10%以上的非加工时间，使加工效率受到制约，1次上丝的长度越短，效率损失越大。因此，往复走丝机床走丝系统的发展策略就是避免“频繁换向”，最大限度延长单向走丝在线加工时间，并具有较宽的调速范围，以满足不同对象的加工要求。

2.2 往复走丝线切割机床走丝系统的改进方案

如前所述，往复走丝线切割机床走丝系统的“高速”并不是必要条件，如果采取一定技术措施后，往复走丝线切割机床单次切割的走丝速度有可能降至1 m/s，多次切割工艺中最后一刀精修的走丝速度也有可能降至0.2 m/s。

目前，出厂的电极丝长度一般为2000 -3000 m，生产厂家可以根据客户需要将电极丝制成20000 m以上，如果采用双丝筒多层绕丝的走丝方案将电极丝一次性绕到储丝筒上，并将电极丝的走丝速度由现在的10 m/s 降到1 m/s，同样条件下，直径为φ150 mm的储丝筒转速由1274 r/min 降为130 r/min，直径为φ30 mm 的导轮其转速由6370 r/min 降为640 r/min，电极丝长度为300 m 时其一次不换向运行的最长时间由30 s 提高到300 s(5 min)，采用3000 m 的超长电极丝一次运行不换向的加工时间就可达到3000 s(50 min)，这样，换向频率、机械振动及磨损就可以较大幅度地降低。采用多次切割方案时，如果精修切割的走丝速度能降到0.2 m/s，3000 m 的电极丝1 次运行不换向的加工时间就可达到250 min(4 h 以上)，对于一般的加工零件，最后1 次切割时基本上可以做到不用换向，也就是实现单向走丝切割，不存在换向条纹问题。即使是多次切割方案中的第1 次切割，由于提高了在线放电的有效时间，其加工效率也会有较大幅度的提高。

在能保持足够加工效率的前提下，如果采用20000 m 的超长电极丝和1 m/s 的中速走丝方案，一次运行不换向的时间也可达330 min(5.5 h)以上，即使是单次切割，对于中小工件也可以做到不换向，基本上实现了单向走丝切割方案;对于需要长时间加工才能切割完成的大型工件，由于采用的是超长电极丝，对于多次切割中的精修加工，如果走丝速度为0.2 m/s，一次运行不换向的持续时间可达1660 min(27 h 以上)，可实现长时间连续加工而不停机。对于超大厚度(如600 mm)工件的加工，LS -WEDM 机床是无能为力的，双丝筒往复走丝机床通过提高走丝速度同样可以实现超大厚度工件的加工，而不会增加成本。此外，由于采用单向低速走丝方案并降低了电极丝的走丝速度，这将有助于实现高压喷液的工作液供液方式和恒张力的控制。

3 超长电极丝往复走丝线切割机床走丝系统的实施方案

由于采用超长电极丝双丝筒多层绕丝的走丝方案，两个储丝筒中，1 个储丝筒采用多次绕丝可以绕10000 m(只要储丝筒结构允许，理论上对绕丝长度无限制)，加工时，由1 台电动机带动产生反向力矩起放丝筒作用，另1 个储丝筒由另1 台电动机带动起上丝筒作用。当放丝筒上的电极丝快放完时，放丝筒与上丝筒的角色互换，电极丝作反向运动重复使用，从而实现往复走丝。该方案，由于采用了双丝筒多层绕丝的走丝方式，1 盘电极丝可以一次性绕到储丝筒上，既可以减少因电极丝上丝长度控制不当造成的浪费，又可以使1 次运行不换向的时间大大延长，从而达到可以“往复走丝”但不“频繁换向”的目的。

图1 是超长电极丝双丝筒多层绕丝走丝系统的实施方案之一的原理示意图。该系统由两套储丝筒机构、两套由丝杆螺母及导轨组成的排丝机构、两套排丝导轮组及安装底座所组成。

加工前，先把整盘电极丝全部上到储丝筒1 上，然后，将电极丝的一端经过排丝导轮组1、上线架、工件、下线架和排丝导轮组2 固定到储丝筒2 上。

加工时，电动机2 带动储丝筒2 转动使电极丝作移动(走丝)，电动机1 产生一个反向力矩使电极丝拉紧，张紧力的大小由电动机1 控制，电极丝的移动(走丝)速度由电动机2 来控制。在储丝筒的下部装有一套由排丝电动机带动的丝杆螺母及导轨机构使储丝筒作轴向移动。当储丝筒2 的某一层上满电极丝时，通过排丝电动机2 使丝杆螺母机构带动储丝筒2 换向朝反方向移动实现叠层绕丝，电极丝的排丝间距由排丝电动机2 的转速控制。

在加工过程中，排丝电动机1 与电动机1、排丝电动机2 与电动机2、电动机1 与电动机2 之间有匹配关系，当储丝筒2 上的电极丝快放完时，通过控制系统使电动机1 和电动机2 的角色互换，由电动机1 带动储丝筒1 转动使电极丝作反方向移动，电动机2 起扭矩电动机的作用，控制电极丝的张紧力，重复上述过程可以实现电极丝的往复运动。

在该走丝系统中，由于电极丝的走丝速度变化范围大，因此，电动机1 和电动机2 采用交流伺服电动机来实现，由于储丝筒不同层上电极丝的回转半径不同，相同转速时，电极丝的线速度就会发生变化，因此，需要在走丝系统中安装速度传感器检测电极丝的移动速度，通过控制系统来调整电动机的相应转速，实现电极丝走丝速度的速度控制。

该方案的特点是结构比较简单，可操作性比较强，采用交流伺服电动机作为上丝电动机时可以实现较大范围的调速，可以满足高、中、低的走丝速度范围，由于采用了超长电极丝，既可以实现单向走丝的无条纹高精度加工要求，又可以实现电极丝反复使用的往复走丝低运行成本要求，是未来往复走丝机床走丝系统的一个发展方向。虽然，影响往复走丝线切割机床工业水平的因素很多，是一个系统工程，但走丝系统是一个非常重要的因素，本方案的提出能为线切割领域的技术创新起到抛砖引玉的作用。

4 结语

(1)往复走丝线切割机床的最大优势是电极丝可以反复使用，运行成本低，同时可以加工高达600 mm厚以上的超大厚度工件，因此，发展策略不能抛弃运行成本低和可加工超大厚度工件的特点，关键是如何提高加工精度和加工效率。走丝系统的发展策略就是避免“频繁换向”最大限度延长单向走丝在线加工时间并具有高、中、低丝速的宽调速范围，以满足不同对象的加工要求。

(2)采用超长电极丝双丝筒多层绕丝的走丝方案，既可以满足长时间单向走丝的无条纹高精度加工要求，又可以实现电极丝反复使用的往复走丝低运行成本要求，是未来往复走丝机床走丝系统的一个发展方向。

(3)采用超长电极丝双丝筒多层绕丝的走丝方案，由于减少了“频繁换向”，提高了在线放电的有效时间，相同条件下，其加工效率比单丝筒走丝方案有较大幅度的提高，同时也有助于实现高压喷液的工作液供液方式和恒张力的控制。

(4)采用超长电极丝双丝筒多层绕丝的走丝方案，其特点是结构比较简单，可操作性比较强，相对于现有的单丝筒往复走丝方案，成本增加不大，对机床的结构要求不高，适应性强。本文中的案例是该走丝系统的实施方案之一，本方案及其他几种实施方案已申请了相关发明专利。

［1］叶军.2012 年我国电加工机床行业产品销售情况分析［J］. 电加工与模具，2013(增刊1):6 -10，21.

［2］刘志东，俞容亨.高速走丝电火花线切割机床多次切割的实现［J］.中国机械工程，2007(20):2410 -2413.

［3］第十三届中国国际模展评定评述专家组.第十三届中国国际模具技术与设备展览会现代模具制造技术及设备评述［J］. 电加工与模具，2010(4):1 -10.

［4］刘志东，王振兴，张艳.喷液式高速走丝电火花线切割高效切割［J］.南京航空航天大学学报，2011(1):61 -65.

［5］齐文春，麻长平，高坚强.基于多次切割工艺的第一次切割参数优化策略研究［J］.电加工与模具，2012(3):50 -53.

［6］王振兴，刘志东，程国柱，等. 高低双速走丝电火花线切割工艺试验研究［J］.中国机械工程，2010(9):1025 -1028.