双丝筒超长丝往复走丝电火花线切割加工技术

何赐文，赵晋胜

（北京东兴润滑剂有限公司，北京100621）

目前已有的单向走丝（俗称慢走丝）线切割的电极丝（一般为铜合金丝）都是一次通过式使用，电极丝由储丝筒引送至加工区进行一次放电，离开加工区后就报废了，尤其是在小能量切割时存在电极丝的严重浪费。另有往复走丝（俗称快走丝）线切割的电极丝（一般为钼合金丝）是多次反复使用，但由于往复走丝通常采用单丝筒的走丝方案，只能单层绕丝，一次上丝长度只有200～300 m，如按10 m/s的走丝速度，最多运行30 s就需换向[1]，而频繁换向切割会产生切割条纹，其加工精度远逊于单向走丝线切割。具有多次切割功能的往复走丝线切割（俗称中走丝）采用第一遍高效率切割后，再进行第二遍、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，但因其仍采用单丝筒走丝方案而限制了电极丝的长度，即使1 m/s的走丝速度，也最多运行300 s就需换向[1]，不仅会因频繁换向形成换向条纹，且每次换向都有暂停放电和重新形成放电通道的过程，造成放电不持续、不稳定，对加工精度和表面粗糙度都有致命的影响。

本文所述的技术创建了双张力丝筒超长丝（丝长为10 km）往复走丝线切割加工技术方案和工艺方法，通过第一遍往复走丝切割（速度为10 m/s）、而后单向走丝修整切割（速度小于1 m/s）的方法，消除了往复走丝线切割的换向条纹，保持持续、稳定的放电，实现了修切时与单向走丝相同的精加工工艺，为中走丝线切割加工质量更接近单向走丝线切割加工的水准创造了条件；且电极丝循环使用较单向走丝线切割更节约电极丝的资源。

1 机构设计

为实现超长丝往复走丝线切割加工，本实验开发了双伺服电机主从式驱动方案的走丝机构 （图1）。在加工过程中，采用对两绕丝桶伺服电机转速进行实时程序控制策略，使电极丝张力波动范围可控制在0.3 N以内，且在3～10 N范围内可根据需求设定张力大小。

图1 双张力丝筒超长丝往复走丝线切割加工机构示意图

采用图1所示的双丝筒往复变速运丝机构，丝筒上绕丝长度约为5～10 km乃至更长。在该机构中，驱动滑台的电机根据对应的绕丝筒驱动电机的转数比进行伺服控制，能确保排丝过程中丝的径向位置相对于导轮Ⅰ、Ⅱ的位置保持不变。并且，该机构中的二个走丝筒和二个滑台分别独立配装了伺服电机，共计采用四台伺服电机。

根据图1所示，在正向走丝时，电极丝11由正向走丝筒1牵引，从反向走丝筒3依次经导轮Ⅰ、张紧轮、导轮Ⅱ、导轮Ⅲ、导轮Ⅳ至正向走丝筒上缠绕，正向走丝筒由伺服电机按设计转速驱动恒转速绕丝，反向走丝筒由伺服电机驱动施以反向张紧力矩被动旋转放丝，保持设定的恒张力走丝。在反向走丝时，电极丝由反向走丝筒牵引，从正向走丝筒依次经导轮Ⅳ、导轮Ⅲ、导轮Ⅱ、张紧轮、导轮Ⅰ至反向走丝筒上缠绕，反向走丝筒由所连接伺服电机按设计转速驱动恒转速绕丝，正向走丝筒由伺服电机驱动施以阻力被动旋转放丝，保持设定的恒张力走丝。正向走丝筒和反向走丝筒分别固定在滑台Ⅱ和滑台I上，二个滑台所配伺服电机根据对应的走丝筒所配伺服电机的转速按比例设定转数驱动滑台做往复运动排丝，在保证走丝筒良好绕丝的情况下，丝的径向位置分别相对于导轮Ⅳ和导轮I不变。正、反向走丝速度可在0.5～15 m/s之间任意设定。

2 工艺方法研究

基于超长走丝机构，可根据被加工工件几何尺寸和技术要求的不同，采取往复走丝和单向走丝复合加工，实现修切时与单向走丝线切割相同的加工工艺，也可实现对单一加工要素一次正单向走丝切割加工工艺。

放电加工介质的选取是影响加工质量的关键因素，好的加工介质应具有以下特质：

（1）避免放电通道形成前汽化以保持液体介电性，放电完成后汽化的介质快速恢复液态，实现及时冷却和消电离，压缩放电通道缩短电弧的时长；防止汽化或熔化的金属结瘤使之成碎屑并被包裹分散到混合液中。

（2）良好的润湿性保证工作液瞬时吸附于电极丝和各接触面，保证清洗排屑好。

（3）高温成膜性和适合的粘度在切缝中对电极丝的径向振动产生阻尼，有稳定放电间隙状态的作用，是实现较单向走丝稳定切割的关键因素。

为了开展本研究，以下工艺技术研究都采用了专门开发的DIC-水溶性线切割工作液。

3.1 往复走丝和单向走丝复合加工研究

基于双张力丝筒超长丝往复走丝线切割加工机构，实现了超长电极丝的往复走丝，为往复走丝和单向走丝的复合加工奠定了基础。在进行复合加工时，首先在电极丝初始的1 km长度内，用高速（速度如10 m/s）往复走丝大能量切割，然后将余下的电极丝（如8 km）以低速（速度如1 m/s）单向走丝修整切割，可实现修切时与单向走丝相同的加工工艺，为中走丝线切割加工质量更接近单向走丝线切割加工的水准创造了条件。

往复走丝线切割断丝现象偶尔会出现在高速走丝大能量切割过程中，而在小能量切割（中走丝修整切割）过程中的出现概率为零。图2是基于所设计机构改造完成的实验平台，以此开展长时间的复合加工实验，可确定本设计机构在单向修整切割过程中基本无断丝的可能性，即使最初1 km电极丝在高速大能量切割过程中断丝，也只需把绕丝量少的丝筒换掉即可。在双张力丝筒超长丝往复走丝线切割加工机构中，绕丝筒可实现快速装卸。

3.2 正单向走丝切割加工工艺技术研究

图2 双张力丝筒超长丝往复走丝线切割实验平台

在正向较低速度（3 m/s）走丝切割完成一个加工要素后，反向高速走丝（15 m/s）暂停放电切割只回绕电极丝，完成回绕后再继续正向低速走丝切割加工另一个加工要素，即可实现电极丝反复循环使用的正单向走丝切割加工工艺。所谓一个加工要素，可以是一个较小工件的全部加工面，也可以是一个稍大工件的一个或一组连续加工面。该工艺方法适合切割加工厚度值50 mm及以下、且不适宜或不需修整切割加工的工件。由于可实现超长走丝，单向连续加工的时间可达一小时，一次单向走丝可完成一个或多个加工面的加工任务，能消除因往复走丝切割频繁换向产生的条纹及脉冲电源高频次开通和关断造成的不能持续稳定放电等对表面加工质量的影响。

图3、图4是一次正单向走丝切割的加工工件，材质均为Cr12，实验中均采用直径0.18 mm的钼合金电极丝。从图3可看出，由于正向走丝切割有利于放电介质随电极的运动带入线切割窄缝、有利于电蚀产物从放电区域排出、有利于保持稳定持续放电，即使走丝速度低至2 m/s时，也能很好地进行切割加工，这在往复走丝加工中难以实现。

图3 丝速2 m/s时切割厚度22 mm的工件

由图4可看出，以丝速4.5 m/s正向走丝切割厚度为40 mm的工件，切割速度达76 mm2/min，而往复走丝线切割无法在5 m/s以下的低丝速情况下实现高速切割。

图5是往复走丝和正单向走丝切割的工件对比照。可见，左侧图为采取约300 m长的电极丝往复走丝切割厚度为47 mm的工件，右侧图为采取约9 km长电极丝单向走丝切割厚度为40 mm的工件，工件材质均为Cr12，切割速度接近。可看出，单向走丝切割没有产生换向条纹，而往复走丝产生了明显的换向条纹。

图4 丝速4.5 m/s切割厚度40 mm的工件

图5 往复走丝和正单向走丝切割的工件对比照

4 结束语

为了实现超长走丝加工，本文开发了双张力丝筒超长丝往复走丝线切割加工机构，并基于此开展了往复走丝和单向走丝复合加工技术、正单向走丝切割加工工艺技术研究。双张力丝筒超长丝往复走丝线切割加工技术可大幅降低往复走丝切割的换向频次及中走丝换向对加工质量的影响，一定程度上突破了中走丝和单向走丝的应用界限，拓宽了中走丝的应用范围，实现了中走丝修切时与单向走丝相同的加工工艺，为中走丝线切割加工质量更接近单向走丝的加工水准创造了条件。同时，基于本文成果开发的电火花线切割机床，可实现电极丝的循环使用，与单向走丝线切割相比，大幅降低了电极丝的消耗成本。

[1] 齐文春，高坚强，黄莺.往复走丝电火花线切割机床实现高精度加工的要素分析及对策 [J].电加工与模具，2014（5）：41-44.

[2] 贾志新，王文杰.双丝筒多层绕丝线切割机床走丝机构的设计[J].电加工与模具，2014（1）：22-23.

[3] 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，2010，21（9）：1025-1028.