往復走絲線切割機床走絲系統的發展策略探討*

齊文春 高堅強 郭麗華 黃 鶯

(①蘇州科技學院機電工程系，江蘇 蘇州215011;②蘇州新火花機床有限公司，江蘇 蘇州215128)

往復走絲線切割機床是我國特有的一種加工裝備，目前已成為機械制造業中一種不可缺少的重要加工手段。在電加工機床中，2012 年往復走絲線切割機床銷售量占61.2%，單向走絲線切割機床銷售量占12.3%，而銷售額前者只占24.2%，后者占41.1%，平均售價前者為4. 83 萬元/臺，后者為41. 28 萬元/臺［1］。這一數據說明目前往復走絲線切割機床雖然銷售量很大但只能滿足低端市場需求，而且銷售利潤很低。隨著科學技術的不斷發展，市場對于加工裝備的要求愈來愈高，往復走絲線切割機床面臨的挑戰日益嚴重，如何破解這一難題，是一個系統工程問題，本文試圖從機床走絲系統的角度進行一些探討。

1 往復走絲線切割機床存在的問題

1.1 往復走絲線切割機床的發展歷程

往復走絲線切割機床之所以要采用往復的運絲方式，既有理論層面的原因，也有技術層面的原因，還有歷史層面的原因。對于這些原因進行分析，有助于找出問題的癥結，提出解決方案。

首先，從理論層面上來說，線切割加工是基于火花放電腐蝕的原理進行加工的，其條件之一就是電極絲與工件之間必須有一定絕緣強度的液體介質，由于放電間隙很小，液體介質如何進入就成了一個技術瓶頸，經過大量的試驗和理論分析，依靠電極絲表面張力可以將液體介質帶入加工區同時將加工產物帶出加工區，帶入加工區的液體數量隨電極絲移動速度的增加而增多。長期使用效果表明，電極絲的移動速度在8～12 m/s范圍內，可以滿足線切割加工對液體介質帶入及加工產物排出的基本要求，這個速度范圍的加工工藝指標也相對較好，這就是我國特有的高速走絲線切割機床的由來。

其次，從技術層面來看，電極絲軸向移動要達到大約10 m/s 的移動速度，如果一個零工要加工1 h，加工完這個工件所要消耗的電極絲長達36000 m，而多數工件的加工往往是幾個小時至幾十個小時。在線切割發展初期，電極絲的制造技術水平滿足不了這個長度要求，這就不得不考慮其他方案，由于當時電源技術也不發達，加工時用的放電能量較小，電極絲損耗不大，可以反復使用，這樣就提出了往復走絲的概念，采用1個儲絲筒1 次上絲幾百米實現往復走絲且結構簡單，控制系統的實現也方便，這樣就形成了我國特有的高速往復走絲線切割機床的系列產品。

再次，從歷史層面來看，線切割發展初期，我國生產高速往復走絲線切割機床的同時，國外在生產低速單向走絲線切割機床。由于我國整體工業水平相對落后，制造業對機床工業的要求相對不高，同時，線切割機床由于有自己的特色，有些技術指標甚至比國外的還高，一方面能滿足國內市場的需求，另一方面，也有自我陶醉的感覺，沒有改革的動力。進入80 年代，國外低速單向走絲線切割機床技術水平得到了迅速的提高，而我國的線切割機床技術水平的提高相對較慢，第一是受機床結構特點所制約，第二是由于受國內裝備制造技術水平的制約，線切割機床的關鍵部件技術及機床的電源技術、軟件技術、控制技術等技術水平也沒有跟上，第三就是理論上沒有大的突破。隨著改革開放的發展，國內制造業對機床工業的要求愈來愈高，國外精密機床進入國內市場，其他機床裝備擠占線切割機床市場，高速往復走絲線切割機床市場競爭劣勢就日顯突出，雖然國內銷售量仍然很大，但只能占領低端市場，銷售價格低，利潤低。

1.2 往復走絲線切割機床走絲系統存在的問題

往復高速走絲線切割機床與低速單向走絲線切割機床相比，走絲系統方面主要存在以下不足:

(1)電極絲高速走絲使軸承、導輪跳動和磨損嚴重，從而影響電極絲空間位置的準確性和穩定性，進而影響加工精度。

(2)電極絲的往復運動在工件上下入口處，由于工作液的潔凈程度是不同的，放電間隙不同，形成了往復走絲特有的切割條紋。

(3)電極絲的頻繁換向，使電極絲的張力很難準確控制;工作液供液方式只能依靠電極絲高速移動帶入加工區，高壓噴液等方式很難實施，供液效果難以進一步提高;為了避免斷絲，換向時需要暫停幾秒鐘放電時間，這將制約加工效率的提高。

(4)電極絲反復使用所產生的損耗會影響電極絲的軌跡位置和切縫大小，進而影響加工精度。

(5)電極絲的頻繁換向及高速移動速度，使電極絲定位導向裝置安裝困難，即使能安裝導向裝置也會由于快速磨損很難發揮正常作用或效果不佳。

2 往復走絲線切割機床走絲系統的發展策略

2.1 往復走絲線切割機床走絲系統的特點分析

往復走絲線切割機床的最大優勢是電極絲可以反復使用，運行成本低，同時可以加工高達600 mm 厚以上的超大厚度工件，而最大劣勢是加工精度低，加工效率相對較低。因此，往復走絲線切割機床的發展不能拋棄運行成本低和可加工超大厚度工件的特點，關鍵是如何提高加工精度和加工效率。

單向低速走絲線切割機床之所以加工精度高，是因為采用了多次切割技術［2］，往復走絲線切割機床引入多次切割技術后也能提高加工精度，但存在使用1～2個月后加工工藝水平就開始下降的現象［3］。顯然，往復走絲機床采用多次切割技術提高加工精度的技術方案是可行的，問題是如何解決可持續加工精度問題。

從前面的討論中可知，走絲系統的“高速”及“頻繁換向”是制約加工精度的主要因素之一。而走絲系統的“高速”是為了解決工作液進入加工切縫區而設置的條件，這對于大厚度工件的加工效果尤為明顯。目前，由于電源技術、工作液及高壓噴液技術的發展，這一條件已發生了變化。劉志東的研究［4］表明噴液式冷卻方式是改善大能量條件下高效切割的極間冷卻狀態惡化的有效手段并可適當降低其最高的運絲速度。筆者的前期研究［5］也證實多次切割工藝的第一次切割，無論從加工效率還是表面粗糙度的角度來看，提高電極絲的走絲速度并不是最佳方案，一般來說會有一個最佳走絲速度，多次切割工藝的第一次切割，走絲速度為4.4～11 m/s 時，對加工效率的影響不大。劉志東［6］在高低雙速走絲線切割工藝試驗研究中用0.14 m/s 的低速走絲速度進行了精修加工并獲得了一定的工藝效果。上述研究表明，由于技術的進步，往復走絲線切割機床走絲系統的“高速”并不是必要條件，通過工作液、電源技術及高壓噴液技術等技術措施可以解決。

“換向”是電極絲反復使用的必要條件，關鍵是“頻繁換向”帶來的問題很多。目前的單絲筒結構的走絲系統，由于需要換向，只能采用單層繞絲，通常1次上絲的長度是200～300 m，如果按10 m/s 的走絲速度，則最多運行30 s 就要換向，由于換向的瞬間走絲速度為零，為了避免斷絲，換向時需要暫停3～4 s 的放電時間，這樣，一方面會產生換向條紋，另一方面至少有10%以上的非加工時間，使加工效率受到制約，1次上絲的長度越短，效率損失越大。因此，往復走絲機床走絲系統的發展策略就是避免“頻繁換向”，最大限度延長單向走絲在線加工時間，并具有較寬的調速范圍，以滿足不同對象的加工要求。

2.2 往復走絲線切割機床走絲系統的改進方案

如前所述，往復走絲線切割機床走絲系統的“高速”并不是必要條件，如果采取一定技術措施后，往復走絲線切割機床單次切割的走絲速度有可能降至1 m/s，多次切割工藝中最后一刀精修的走絲速度也有可能降至0.2 m/s。

目前，出廠的電極絲長度一般為2000 -3000 m，生產廠家可以根據客戶需要將電極絲制成20000 m以上，如果采用雙絲筒多層繞絲的走絲方案將電極絲一次性繞到儲絲筒上，并將電極絲的走絲速度由現在的10 m/s 降到1 m/s，同樣條件下，直徑為φ150 mm的儲絲筒轉速由1274 r/min 降為130 r/min，直徑為φ30 mm 的導輪其轉速由6370 r/min 降為640 r/min，電極絲長度為300 m 時其一次不換向運行的最長時間由30 s 提高到300 s(5 min)，采用3000 m 的超長電極絲一次運行不換向的加工時間就可達到3000 s(50 min)，這樣，換向頻率、機械振動及磨損就可以較大幅度地降低。采用多次切割方案時，如果精修切割的走絲速度能降到0.2 m/s，3000 m 的電極絲1 次運行不換向的加工時間就可達到250 min(4 h 以上)，對于一般的加工零件，最后1 次切割時基本上可以做到不用換向，也就是實現單向走絲切割，不存在換向條紋問題。即使是多次切割方案中的第1 次切割，由于提高了在線放電的有效時間，其加工效率也會有較大幅度的提高。

在能保持足夠加工效率的前提下，如果采用20000 m 的超長電極絲和1 m/s 的中速走絲方案，一次運行不換向的時間也可達330 min(5.5 h)以上，即使是單次切割，對于中小工件也可以做到不換向，基本上實現了單向走絲切割方案;對于需要長時間加工才能切割完成的大型工件，由于采用的是超長電極絲，對于多次切割中的精修加工，如果走絲速度為0.2 m/s，一次運行不換向的持續時間可達1660 min(27 h 以上)，可實現長時間連續加工而不停機。對于超大厚度(如600 mm)工件的加工，LS -WEDM 機床是無能為力的，雙絲筒往復走絲機床通過提高走絲速度同樣可以實現超大厚度工件的加工，而不會增加成本。此外，由于采用單向低速走絲方案并降低了電極絲的走絲速度，這將有助于實現高壓噴液的工作液供液方式和恒張力的控制。

3 超長電極絲往復走絲線切割機床走絲系統的實施方案

由于采用超長電極絲雙絲筒多層繞絲的走絲方案，兩個儲絲筒中，1 個儲絲筒采用多次繞絲可以繞10000 m(只要儲絲筒結構允許，理論上對繞絲長度無限制)，加工時，由1 臺電動機帶動產生反向力矩起放絲筒作用，另1 個儲絲筒由另1 臺電動機帶動起上絲筒作用。當放絲筒上的電極絲快放完時，放絲筒與上絲筒的角色互換，電極絲作反向運動重復使用，從而實現往復走絲。該方案，由于采用了雙絲筒多層繞絲的走絲方式，1 盤電極絲可以一次性繞到儲絲筒上，既可以減少因電極絲上絲長度控制不當造成的浪費，又可以使1 次運行不換向的時間大大延長，從而達到可以“往復走絲”但不“頻繁換向”的目的。

圖1 是超長電極絲雙絲筒多層繞絲走絲系統的實施方案之一的原理示意圖。該系統由兩套儲絲筒機構、兩套由絲桿螺母及導軌組成的排絲機構、兩套排絲導輪組及安裝底座所組成。

加工前，先把整盤電極絲全部上到儲絲筒1 上，然后，將電極絲的一端經過排絲導輪組1、上線架、工件、下線架和排絲導輪組2 固定到儲絲筒2 上。

加工時，電動機2 帶動儲絲筒2 轉動使電極絲作移動(走絲)，電動機1 產生一個反向力矩使電極絲拉緊，張緊力的大小由電動機1 控制，電極絲的移動(走絲)速度由電動機2 來控制。在儲絲筒的下部裝有一套由排絲電動機帶動的絲桿螺母及導軌機構使儲絲筒作軸向移動。當儲絲筒2 的某一層上滿電極絲時，通過排絲電動機2 使絲桿螺母機構帶動儲絲筒2 換向朝反方向移動實現疊層繞絲，電極絲的排絲間距由排絲電動機2 的轉速控制。

在加工過程中，排絲電動機1 與電動機1、排絲電動機2 與電動機2、電動機1 與電動機2 之間有匹配關系，當儲絲筒2 上的電極絲快放完時，通過控制系統使電動機1 和電動機2 的角色互換，由電動機1 帶動儲絲筒1 轉動使電極絲作反方向移動，電動機2 起扭矩電動機的作用，控制電極絲的張緊力，重復上述過程可以實現電極絲的往復運動。

在該走絲系統中，由于電極絲的走絲速度變化范圍大，因此，電動機1 和電動機2 采用交流伺服電動機來實現，由于儲絲筒不同層上電極絲的回轉半徑不同，相同轉速時，電極絲的線速度就會發生變化，因此，需要在走絲系統中安裝速度傳感器檢測電極絲的移動速度，通過控制系統來調整電動機的相應轉速，實現電極絲走絲速度的速度控制。

該方案的特點是結構比較簡單，可操作性比較強，采用交流伺服電動機作為上絲電動機時可以實現較大范圍的調速，可以滿足高、中、低的走絲速度范圍，由于采用了超長電極絲，既可以實現單向走絲的無條紋高精度加工要求，又可以實現電極絲反復使用的往復走絲低運行成本要求，是未來往復走絲機床走絲系統的一個發展方向。雖然，影響往復走絲線切割機床工業水平的因素很多，是一個系統工程，但走絲系統是一個非常重要的因素，本方案的提出能為線切割領域的技術創新起到拋磚引玉的作用。

4 結語

(1)往復走絲線切割機床的最大優勢是電極絲可以反復使用，運行成本低，同時可以加工高達600 mm厚以上的超大厚度工件，因此，發展策略不能拋棄運行成本低和可加工超大厚度工件的特點，關鍵是如何提高加工精度和加工效率。走絲系統的發展策略就是避免“頻繁換向”最大限度延長單向走絲在線加工時間并具有高、中、低絲速的寬調速范圍，以滿足不同對象的加工要求。

(2)采用超長電極絲雙絲筒多層繞絲的走絲方案，既可以滿足長時間單向走絲的無條紋高精度加工要求，又可以實現電極絲反復使用的往復走絲低運行成本要求，是未來往復走絲機床走絲系統的一個發展方向。

(3)采用超長電極絲雙絲筒多層繞絲的走絲方案，由于減少了“頻繁換向”，提高了在線放電的有效時間，相同條件下，其加工效率比單絲筒走絲方案有較大幅度的提高，同時也有助于實現高壓噴液的工作液供液方式和恒張力的控制。

(4)采用超長電極絲雙絲筒多層繞絲的走絲方案，其特點是結構比較簡單，可操作性比較強，相對于現有的單絲筒往復走絲方案，成本增加不大，對機床的結構要求不高，適應性強。本文中的案例是該走絲系統的實施方案之一，本方案及其他幾種實施方案已申請了相關發明專利。

［1］葉軍.2012 年我國電加工機床行業產品銷售情況分析［J］. 電加工與模具，2013(增刊1):6 -10，21.

［2］劉志東，俞容亨.高速走絲電火花線切割機床多次切割的實現［J］.中國機械工程，2007(20):2410 -2413.

［3］第十三屆中國國際模展評定評述專家組.第十三屆中國國際模具技術與設備展覽會現代模具制造技術及設備評述［J］. 電加工與模具，2010(4):1 -10.

［4］劉志東，王振興，張艷.噴液式高速走絲電火花線切割高效切割［J］.南京航空航天大學學報，2011(1):61 -65.

［5］齊文春，麻長平，高堅強.基于多次切割工藝的第一次切割參數優化策略研究［J］.電加工與模具，2012(3):50 -53.

［6］王振興，劉志東，程國柱，等. 高低雙速走絲電火花線切割工藝試驗研究［J］.中國機械工程，2010(9):1025 -1028.