對往復走絲電火花線切割加工技術發展的思考

張旭東,李謝峰

(1.杭州華方數控機床有限公司,浙江杭州310024;2.南京航空航天大學機電學院,江蘇南京210016)

1 往復走絲和單向走絲線切割加工技術的區別

1944年,前蘇聯學者拉扎連珂夫婦發明了電火花加工,20世紀50年代初期傳入我國,并開始研究和應用電火花加工技術,自主研發了具有中國特色的往復走絲電火花線切割機床。

電火花線切割的加工原理是利用連續移動的細金屬絲(稱為電極絲)作電極,對工件進行脈沖火花放電蝕除金屬、切割成形。電火花加工是非接觸加工,可加工薄壁件、導電超硬材料,特殊的熱敏材料,半導體材料,特殊及復雜形狀零件,并可以優化工藝路線。

電火花線切割機床主要分為單向走絲電火花線切割機床(單向走絲機床)和往復走絲電火花線切割機床(往復走絲機床、中走絲機床)。

單向走絲機床加工模式為:其電極絲作低速單向運動,一般走絲速度低于0.2 m/s,電極絲放電后不再使用,工作液是去離子水,由于需要保證去離子水的電導率、離子數、溫度,所以需要增加過濾系統、消電離系統、溫度控制系統,從而保證工作穩定、均勻,加工質量較好。一般切割厚度在300 mm以下,最高切割厚度600 mm,對形狀復雜零件的加工尺寸精度可達到 ±2～5 μ m;表面粗糙度可達到Ra 0.1～ 0.2 μ m(多次切割),最高切割速度(一次切割)可超過300 mm2/min。機床的自動化程度高,加工穩定性好,已向無人化加工發展。

往復走絲機床是我國獨創的電火花線切割加工模式,也是我國電加工機床行業生產和使用的主要機種,其電極絲作高速往復運動,一般走絲速度為8～10 m/s,電極絲可重復使用,工作液是油基、乳化液、復合工作液,此類工作液能保證在一段時間內切割穩定,因而不需要額外的設備來控制,但高速走絲容易造成電極絲抖動和反向時停頓,使加工質量下降。我國的電火花線切割機床最大切割厚度能達到1 000 mm以上,最大切割速度為266 mm2/min,尺寸精度為±0.01 mm,表面粗糙度一般為Ra 2.5μ m,最佳可達 Ra0.6 ～ 1 μ m 。

2 往復走絲線切割加工技術的“生命力”

一項技術的價值在于應用,應用取決于生產實踐的需求,所以需求決定技術的生命力。

對于往復走絲電火花線切割加工技術的價值,也應由市場需求來決定。而對于往復走絲機床的需求來自于經濟性和不可代替性兩個方面。

2.1 “往復走絲”的經濟性

(1)設備制造成本:單向走絲機床所用的工作液是去離子水,同時由于其技術的要求,必須精確控制去離子水的電導率、壓力、離子數和溫度,因而附加了很多控制這些因素的設備,比如過濾系統、消電離系統、溫度控制系統,導致單向走絲機床的設備制造成本高。而往復走絲機床所用的工作液主要是油基、乳化液、復合工作液,只需和水進行合適的配比,而不必進行復雜的測量和控制,因而附加設備很少。故單向走絲機床的制造成本遠大于往復走絲機床。

(2)設備使用成本:單向走絲機床的電極絲是一次性使用,而往復走絲機床的電極絲是循環使用,大大節約了使用成本。單向走絲機床的工作液消電離需要樹脂、過濾需要過濾芯,每隔一段時間就要更換,而往復走絲機床工作液本身的特點決定它不需要這些消耗品。由于單向走絲機床附加了很多設備,必然導致其損耗的電能大于往復走絲機床。

目前市場價格,往復走絲機床為4～15萬元,而單向走絲機床為50～100萬元或更高。

除了加工精密(高精度和表面粗糙度)的零件,對中低精度和表面粗糙度要求的零件,往復走絲機床有著巨大的市場需求,雖然單向走絲機床也能加工這些零件,但加工成本遠遠要大于往復走絲機床。如在切割速度為100 mm2/min,切割厚度60 mm的材料,對于往復走絲機床,電極絲(鉬絲)一次上絲長度約300 m,其成本約30元,連續切割面積可達100萬mm2,電極絲的成本為 3×10-5元/mm2,而用單向走絲機床切割,電極絲的成本為1.7×10-3元/mm2。

2.2 “往復走絲”具有不可替代性

往復走絲機床能切割更高厚度(600 mm以上)工件,而單向走絲機床卻望塵莫及,主要原因是:①單向走絲機床的絲速低于0.2 m/s,對于材料厚度在600 mm以上的工件,排除蝕除物的距離拉長,由于走絲速度慢,因而工作液不易被帶進切縫,只能依靠水壓噴入,因為縫隙很窄,高度越高,噴入就越困難,因而加劇了排屑的難度,從而造成切割困難,工件的表面質量變差,增加了材料上端與下端的尺寸誤差;②往復走絲的絲速為8～10 m/s,由于走絲速度很快,工作液更容易被帶進加工區域,從而能正常地排除蝕除物,使蝕除量和排屑量保持相對平衡的狀態,保證了加工的穩定性;③在大型零件的加工,比如船舶的大型齒輪加工、軍工大型特殊材料的加工,往復走絲加工具有不可替代性和經濟性。

在數量巨大的機械零件和中低端模具零件加工領域,往復走絲機床的應用更具優勢,市場潛力巨大,發展前景廣闊。只有清醒地看到這些,不斷地研發新技術、新工藝,并應用于我們的產品上,提升往復走絲加工的工藝技術特長,才能使中國特色的往復走絲電火花線切割機床具有更強的生命力。

現在行業中各企業投入大量的資金和人力研究往復走絲機床的多次切割技術,但有些盲目追求單向走絲機床的工藝指標,摒棄了往復走絲機床獨有的特點——經濟性和不可替代性,偏離了正確的技術發展方向,所以我們必須有理性地市場定位和科學的技術發展方向。這樣往復走絲加工技術才會有更大、更廣的發展空間。

3 往復走絲電火花線切割加工技術發展定位

我國往復走絲機床生產應用已有40多年歷史,近幾年來,在往復走絲機床的基礎上借鑒單向走絲機床的多次變速切割技術,發展了中走絲線切割機床(屬往復走絲電火花線切割機床范疇)。如今,我們認為行業有必要認真地回顧和反思發展過程中的一些經驗和教訓,這對往復走絲電火花線切割技術進一步健康的發展非常必要。如前所述,往復走絲電火花線切割技術的發展應該基于其經濟性和不可替代性,而盲目追求過高的技術指標,甚至希望達到單向走絲加工的技術水平和往復走絲電火花線切割技術已經沒有發展空間的觀點都是不可取的。

行業標準中工藝技術指標的制定,與單向走絲機床相比,不僅僅是工藝指標的量不同,而更要體現往復走絲機床獨有的特征。

3.1 往復走絲線切割加工技術發展的主要方向

(1)現有往復走絲機床的數控系統水平還較低。以前我國往復走絲機床的數控系統是基于DOS平臺設計的,但現在越來越不能符合客戶的要求,所以開始發展基于Windows平臺下的數控系統,這樣必然導致知識產權的問題,因為DOS是開放的知識平臺,而Windows需要支付版權使用費,同時編程軟件也是國外的CAD軟件,這些也需要支付版權使用費,這樣往復走絲機床(包括中走絲機床)未來的發展必然受到桎梏,我們應根據往復走絲線切割技術特點,開發自主知識產權的編控軟件并逐步提高和完善。

(2)對走絲系統的精度和張力控制的研究不斷完善和深入。因為這兩個因素決定著正常放電的連續性,目前對電極絲導向輪,導向器的精度、壽命和防水的研究滯后,如低損耗長壽命的導輪、導輪總成、導向器。

(3)脈沖放電電源的深入研究、電火花放電狀態的檢測和控制技術、電極絲壽命的研究。電極絲壽命是往復走絲電火花線切割生命力的根源,應基于電極絲壽命追求高精度和低的粗糙度,比如在切割工件時,電極絲在較短時間內斷絲,會提高加工成本,同時斷絲后換絲繼續切割,會降低工件的加工質量,所以切割連續性對“往復走絲”非常重要。

(4)電極絲及制造工藝的研究。如對電極絲表面鍍層的工藝性研究。

(5)工作液性能和壽命的研究。基于往復走絲電火花線切割技術的本質,對工作液進行定位。提高切割速度,已經是行業的一個重要的發展方向,切割速度包含兩個方面:工件的蝕除速度和工作液的排屑速度。只有這兩個速度同時提高,才能提高切割速度。如果工件的蝕除速度大于排屑速度,那么會出現加工不穩定,切割速度下降,并且影響表面質量。因此只有工作液和脈沖電源相輔相成,切割速度才能提高。滿足指定的加工工藝指標要求,一次配制,連續切割的面積,稱為工作液壽命,工作液壽命決定往復走絲加工的連續性和一致性,延長工作液的使用時間,減少了人工操作成本,這樣工作液的壽命就非常有意義了。

(6)對穩定切割600 mm以上超高厚度的技術發展要投入更多的力量。

(7)進一步提高坐標工作臺的精度和持續性。

特別要強調的是,以上技術的發展都要基于往復走絲線切割機床的經濟性和不可代替性。

3.2 往復走絲線切割加工技術發展的定位

(1)基于往復走絲電火花線切割技術的本質,對精度和表面粗糙度定位要適當。由于電極絲是重復使用,客觀存在電極絲損耗;再者,鉬絲在高溫影響下,其彈性性能會變化,從而使其屈服程度也變化,必然造成電極絲前后空間位置的不一致,導致形狀輪廓誤差;由于電極絲換向還會產生放電的周期性停頓和電極絲張力的波動,以上因素不利于加工精度和表面粗糙度的提高,所以這兩方面的指標不能定得太高。否則,電極絲的壽命將大大下降,必然增加使用成本。如果為進一步提高指標采用更復雜的技術,其效果有限,而制造成本大幅提高,失去了其經濟性,所以要將往復走絲機床的精度和表面粗糙度定位在中低精度水平,才能保持切割指標的連續性和一致性。我們認為比較合理的定位是:尺寸精度≤±0.005 mm,表面粗糙度 Ra≤1 μ m,同時電極絲壽命應≥20萬mm2,這樣才能真實體現往復走絲電火花線切割技術的價值。

(2)基于往復走絲電火花線切割技術的價值特點,大量應用于一次切割的工藝,所以切割速度的工藝指標更有意義,要大力發展高速切割的技術,同時準確全面評估切割速度也非常重要。我們認為準確的切割速度指標應包含電極絲壽命,如切割60 mm厚碳鋼工件,一次切割速度應定位≥150 mm2/min,同時電極絲壽命應為50萬mm2。

(3)超高厚度工件切割是往復走絲機床不可替代性的主要方面,可靠穩定切割1 000 mm以及更高厚度工件是往復走絲技術發展的重要方向,提高智能切割變頻進給技術是關鍵。對加工600 mm厚工件,切割速度應定位在70 mm2/min以上,電極絲壽命50萬mm2。

4 結論與展望

(1)往復走絲電火花線切割技術指標應定位在中低精度機械零件的加工,且有巨大市場需求。

(2)往復走絲電火花線切割技術的發展必須要基于經濟性和不可替代性,發展空間巨大。

(3)作為引導行業健康發展的行業技術標準必須體現往復走絲電火花線切割技術的獨有特點。加工精度、表面粗糙度和切割速度都應在一定的電極絲壽命的前提下,這樣才有實際意義。

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