微细丝数控电火花线切割加工机床的设计

刘 斌，吴 强，成 哲

（ 苏州电加工机床研究所有限公司，江苏苏州215011 ）

航空航天、国防军工、IT、精密模具、微型机械、医疗器械、化纤纺丝、仪器仪表等领域的科学技术飞速发展，对微精加工设备的需求日益增多。 采用微细丝进行小圆角、窄缝、窄槽及微细零件的微精加工的数控电火花线切割加工， 因其具有切缝窄、精度高、 可加工复杂形面和各种难加工材料等优势，在微精机械生产中发挥着重要作用[1-5]。 国外设备制造企业都花费了大力气进行细丝切割技术的研究， 比如微细电火花线切割加工机床可用直径0.02 mm 的电极丝加工出外径1.86 mm、模数0.03、齿数60 的微型齿轮， 其加工精度可控制在1.0 μm以下，表面粗糙度可达Ra0.2 μm。 但目前国内针对该项技术的研究力度还不够， 企业无相关产品，只有部分高校和科研院所进行了一些实验室内的研究。 本文通过采用直径0.02 mm 的微细电极丝进行数控电火花微精线切割加工技术及工艺研究，研制出具有无电阻防电解电源、高效、高精度和高表面质量的微细丝数控单向走丝电火花线切割机床。

目前，国内外通用的电火花线切割机床采用的电极丝直径均大于0.1 mm。采用微细电极丝进行切割加工一直是电火花线切割加工的难题。 由于微细电极丝的直径越小，其所能承受的张力也越小[4]，要实现正常切割并保证加工精度和表面质量，对机械系统、走丝系统、高频电源、检测控制、抗干扰性能及工作液系统都提出了难度更高、更复杂的技术要求。 因此，本文开发的微细丝数控单向走丝电火花线切割系统是以DK7632 单向走丝电火花线切割机床为基础， 且为了实现超细电极丝即直径0.02 mm的微细电极丝放电切割，还专门开发了全新的走丝系统、细丝导向器和微精加工电源。

1 新型微张力、恒张力、恒速走丝系统

本文采用的电极丝为TUNGSTEN CUT-WIRE TWS-20 钨切丝， 其直径为0.02 mm、 抗拉强度约157 g（3850 N/mm2），且弹性差、易拉断。若要保证其正常切割，就需对走丝系统提出很高的要求，如微张力、恒张力、恒速可调，而一般的带磁粉离合器的走丝系统已不适合上述要求，为此本文新开发了一套走丝系统。

图1 是新开发的走丝系统结构图。 在系统的加工界面中，操作者可在“运丝速度”一栏调节丝速，由计算机控制速度轮无极变速，使电极丝的走丝速度基本保持恒定。

放丝速度的快慢由放丝轮给定，在重锤轮后面安装有精密角位移传感器，采集传感器位置的变化信号，经反馈电路进行快速处理来控制放丝轮的速度快慢， 使重锤轮的位置基本保持在中间位置，且使电极丝的张紧力与所配重锤的重量满足一定的函数关系； 同时需减小运丝系统整个轮系的阻尼，以实现电极丝的张紧力恒定控制。 通过试验发现，加工时的丝张力约保持为50 g，这样既保证了切割正常又不易断丝。 此外，需借助一个过渡轮将电极丝按“8”字形绕在聚氨脂轮上，由一个小压轮压住，这样布置可避免原系统的电极丝在张力轮上的缠绕方式易产生沟槽的缺陷， 使电极丝不易打滑，张力也更稳定。

收丝轮用于缠绕经过加工区放电后的废铜丝或废钨丝，由软特性力矩电机SYL2.5 驱动，需具有一定的拉紧力，使废丝不会被拉断，同时对走丝轮没有影响。废丝轮的前面是排丝轮，排丝轮在SD2.5交流伺服电机和凸轮传动下实现往返运动，使废丝在收丝轮上排列均匀。 在重锤轮的下方设置有断丝开关，电极丝断，则切断放电电源，同时走丝轮、放丝轮、排丝轮和收丝轮停止运转。

2 新型细丝导向器

导向器具有导丝、进电、供液三大功能。 绝大部分的单向走丝电火花线切割机床，其导向均采用整体封闭式金刚石圆导向器，电极丝在各个方向上的导向精度一致， 同轴式喷嘴可承受高压水的压力，使放电间隙冲液更充分。 但直径0.02 mm 的微细电极丝，其弹性差、易断，且弹性模量几乎为零，与棉丝相当，如果采用过去的“插入”式穿丝方法则根本无法穿进整体封闭式金刚石圆导向器。 为了保证直径0.02 mm 微细电极丝穿丝更方便及运丝稳定、精确，同时保证细丝切割时的稳定性和可靠性，本文开发了如图2 所示的新型细丝导向器。

图3 是新型单方向窄缝敞开式细丝上、下导向器的示意图。 电极丝采用平移“挂入”的方法实现穿丝，非常方便、可靠。 新型导向器的创新点在于采用带锥台的双圆柱氧化锆陶瓷棒， 能对直径0.02 mm的微细电极丝进行定位，解决了整体V 型导向底部圆角直径≤0.02 mm 时无法加工的问题； 还设计了三个圆柱形陶瓷棒压板， 使电极丝导向精度高、准确度好；为了适应电极丝“挂入”的要求，将喷嘴设计成“哈夫”结构，即穿丝时打开、加工时闭合，灵活方便。

3 微精加工电源

纳秒级超精脉冲电源是实现微细电火花脉冲放电的关键部件。 因此，要实现微细加工，必需能提供超窄的纳秒级的放电脉冲。 同时，由于丝径很细、放电间隙很小，如果无合适的主振控制策略，极易产生断丝。 本文采用大规模可编程逻辑器件，编制了较科学的主振控制策略，并根据适时放电状况及历史放电状态， 综合决策当前适时放电脉冲的参数，实现了硬件级、脉冲级的脉冲参数自适应控制，提高了加工效率，降低了断丝概率；同时，还优化设计了微精加工电路，将全部微精加工电路浓缩于一块功率板上，以提高抗干扰性能；采用高速同轴镀银放电线与加工间隙连接，以及进口大功率高速功率管及前置功放驱动器， 实现小于20 ns 的功率脉冲的放大及传输，从而达到加工最佳表面粗糙度小于Ra0.1 μm 的技术指标。

脉冲电源的结构框图见图4。 控制脉冲电源的脉冲放电能量是实现微细电火花线切割加工的关键技术[1]。 针对直径0.02 mm 微细电极丝的放电切割，本文对脉冲电源进行了改进。 有别于针对粗加工大效率切割的纳秒级超窄高峰值电流无电阻放电回路和针对精加工光洁度要求的可控RC 充放电脉冲电源放电回路，本文增加了有阻分档双极性纳秒级超窄超精脉冲电源回路，还对探测电流回路进行了改进，并经过大量加工试验发现，放电效果良好、可控。 同时，还依据超窄脉冲电源电路的放电状态检测电路， 对纳秒级脉冲电源进行自适应控制，使主振电路产生正确、有序的脉冲，使加工更稳定，不易断丝。

4 加工参数及加工实例

影响微细丝电火花线切割加工质量的因素很多，本文主要对微细电极丝材料、张力、工作液种类、压力、流量、电导率、微能量电源参数及微当量伺服进给等工艺参数进行系统研究，进一步优化运丝速度、张力、工作液流量和压力、脉冲电源等微细丝切割工艺参数的影响与匹配。 在工艺试验研究基础上，获得了稳定、可靠、实用的微细丝切割功能。本文用直径0.02 mm 微细电极丝对厚度约1 mm 的不锈钢板进行了加工试验，探索高频脉冲电源参数对加工效率及表面粗糙度的影响。

4.1 脉冲宽度对加工效率及表面粗糙度的影响

由于微细丝电源主回路结构采用有阻分档双极性纳秒级超窄超精脉冲电源回路，放电回路的电感L对电流的上升率起次要作用，若放电回路的限流电阻分档固定， 则脉冲电流峰值也分档固定，这主要取决于供电电压V及回路电阻R的参数。 其中，回路电阻R为一个常量，供电电压V一旦设定，也是一个常量，因而脉冲电流峰值分档固定。

放电能量随着脉冲宽度成正比变化，即脉宽Ton越大、放电能量越大，加工效率也越高。 当然，Ton的增大是有限制的，特别是对于直径0.02 mm 微细电极丝而言，当电流增大产生的瞬间热量超过微细电极丝的承受能力时，就会发生断丝。 显然，Ton越大，加工表面粗糙度值也越大， 但变化关系并非线性；当Ton较小时，加工表面粗糙度对此敏感度较大，当Ton大到一定量时，加工表面粗糙度渐趋稳定。

4.2 脉冲停歇对加工稳定性及加工效率的影响

脉冲停歇Toff越小，放电频率越高，平均放电能量越大， 加工效率就越高。 但如果脉冲停歇Toff太小，放电间隙恢复时间太短，放电期间产生的热量得不到充分冷却，将会增大断丝概率。

脉冲宽度Toff时间是几十纳秒～几百纳秒，脉冲停歇Toff时间则是几微秒～几十微秒，脉冲占空比达十倍以上。 脉冲停歇Toff的少量变化将会引起平均加工电流较大幅度的变化，对加工效率随之产生较大的影响。 因此，往往在加工过程中将脉冲停歇Toff设置为一个较佳参数，较少改变。

4.3 供电电压对加工效率及表面粗糙度的影响

当Ton参数不变，仅改变供电电压V的大小，即可改变脉冲电流峰值Ip的幅度，从而影响加工效率及加工表面粗糙度。 因此在加工过程中，供电电压必须恒定，为此设计了SCR 可控硅三相桥式稳压电路，以确保加工过程中的供电电压稳定。 此外，在精加工时，若要降低加工表面粗糙度值，除了减小脉冲宽度Ton以外，还可降低供电电压V，以达到所需的加工表面粗糙度。

4.4 加工实例

本文基于自制的微细丝电火花线切割机床，进行了大量的工艺试验及典型件加工，可切割厚度最高达到2.8 mm， 并在厚度为1 mm 的不锈钢板上切割出最窄切缝0.023 mm。 加工所得实物见图5。

5 结束语

本文研制了具有无电阻防电解电源、 高效、高精度、高表面质量的微细丝单向走丝电火花线切割机床，可实现电极丝直径为0.02 mm 的微细电极丝放电切割。 该研究成果的关键技术如微细电源，还可应用于微细电火花小孔加工和微细电火花成形加工。 总体而言，直径0.02 mm 微细电极丝的放电切割是极其复杂的系统过程，特别是针对各种复杂形面和各种难加工材料的加工，在保证一定效率的情况下，既要求切割精度又要求高光洁度，在控制系统的进给伺服控制方面如拐弯控制还有待进一步完善，在加工稳定性和加工效率等方面，国内外技术水平仍有较大差距。 因此，研究人员在未来还要进行更深入的研究和更多的工艺试验，不断完善直径0.02 mm 微细电极丝的放电切割性能。