1、 再析电火花线切割机床的改进一种高性能往复走丝多次切割电火花线切割机床梅建恩 顾元章 谢天导 邵剑民 邱雪兴 苏州市宝玛数控设备有限公司新产品研制小组摘要：通过对单向走丝和往复走丝电火花线切割机床多次切割的比较分析，总结出了在往复走丝电火花线切割机床上多次切割加工所需进一步改进的关键点，着重介绍了对关键点实施的改进措施关键词：导轮轴向进电装置 智能脉冲电源 闭环双向对称张力伺服控制 低丝耗 低粗糙度 稳定高效切割前言众所周知电火花线切割机床有三项放电加工专项的指标：切割效率、电极丝损耗率和工件表面粗糙度。由于它们是实现时互相矛盾的三项指标，所以在一次切割中，同时实现这三项高指标是不可能的。要获
2、得最高切割效率，工件表面粗糙度必定很差，此时电极丝的损耗也大；要获得切割工件表面最低粗糙度，必然使切割效率很低。国外单向低速走丝型电火花线切割机首先采用的多次切割工艺，它巧妙地把实现这三项指标，分别放在不同次的切割加工中来实现，从而避开它们之间的矛盾。在第一次切割时，可以考虑在较小丝损条件下，优先考虑以最大的切割效率加工；在第二刀修正切割和第三刀微精切割时，由于电火花脉冲放电在敞开环境下进行，排屑容易，切割效率已不是主要矛盾，可逐步减小脉冲能量，优先以降低工件表面粗糙度为主要目的加工。因此从放电加工的原理上分析，在电火花线切割机床上采用多次切割加工工艺，代表着其发展的方向。 如何满足多次切割中
3、每次切割侧重点不同的的分工要求是往复走丝电火花线切割机床改进的关键点。一、 往复运丝电火花线切割机床实现多次切割工艺时存在的问题在往复运丝电火花线切割机床上试验多次切割工艺已有十年多。该工艺的运用确实使机床的应用范围扩大，但在实际使用中发现，许多性能还不尽如人意。这是什么原因造成的呢？的。首先要分析单向低速走丝型电火花线切割机和往复走丝型电火花线切割机床间存在的不同。我公司有研制单向低速走丝型电火花线切割机床经验，公司的技术人员对照两类机床的不同，进而分析了其中的原因，认为往复运丝直接搬用多次切割工艺尚存在有以下问题：1 目前往复运丝电火花线切割机，一般都使用简单的等频脉冲电源。由于电火花脉冲
4、放电的随机性，实际放电状态是极其复杂的，有时甚至是瞬变的。这种等频脉冲电源，在实际切割加工中，无法象单向低速运丝线切割机那样，可以根据放电状态的实际需要，智能地对每一个输往放电间隙的脉冲能量进行实时控制，也无法实现最佳的脉间消电离时间。另外，简单电源还没有专门为修正切割和微精加工设计其专用电路；在电源部分、电柜的布线和功率脉冲传输等方面，都没有采取窄脉宽功率脉冲所需相应的条件和措施。2. 电火花线切割加工是通过对工作台伺服控制来维持稳定的放电加工，机床伺服跟踪特性决定着放电加工的连续性和稳定性。单向低速走丝电火花线切割机床控制工作台进给的电路，是采用经典的伺服控制电路。针对多次切割加工的不同目
5、的要求，设计了其最优的伺服跟踪电压和特性曲线，从而达到较稳定的切割效果。而目前往复运丝型电火花线切割机床，一般都用“变频电路” ，电路中串接一个开关时间为 2-3uS 的 32-36V 稳压管，以间隙电压减去 32-36V 电压后，再对差值电压进行电压-频率转换的一种简单压频控制电路，来控制放电的连续进行。由于这种电路是连续采样，实际工作台的进给速度还受到脉冲占空比的影响。它在实现多次切割工艺，由于放电条件的不同，微精切割时使用最小脉宽已远小于 2uS，所以该电路很难获得最佳的伺服跟踪性能。3. 两类不同走丝方式的电火花线切割机床，在采用多次切割工艺时，在机床机械设计上存在最为重要的区别：即运
6、丝的稳定性有着如下巨大的差别：a. 运丝速度不同造成两者运丝性能上的巨大差别。单向低速运丝电火花线切割机的运丝速度很低，采用电极丝张力的闭环控制。由于其运丝速度低，现有的执行元件的频率响应特性足以实现精确地实时闭环控制电极丝的张力，有些机床还采用多次张力闭环控制。而往复运丝线切割机的运丝机构，目前大部分运丝系统对张力控制，还是很原始地靠操作工的经验和手感，先用人工紧丝的方法对储存在丝筒上的全部钼丝来进行一次或多次紧丝。利用钼丝的弹性变形，把预紧后的钼丝绕在丝筒上，其后对钼丝就不再控制。还有些机床安装了机械式的或非对称的机电紧丝装置，但存在着动作频响低，紧丝容易松丝难等问题。另外，由于丝筒和其运
7、动部件的制造中存在着不可避免的允差，同轴度误差、轴承游隙等，决定着钼丝的高频率的振动；由丝筒的锥度和丝筒导轨相对于线架运动的平行度和直线度允差等，又决定着钼丝的低频率振动，并且在丝筒运动时，往往这些允差会造成钼丝长度累积误差，即在贮丝筒两端总会出现，钼丝张力一头紧另一头松的现象。b.单向低速远丝线切割机采用间隙仅为 5-10um 固定的导向器为导丝元件，其对电极丝的导向精度极高。往复运丝型线切割机在多次切割时，往往也采用导向器，但导向孔径与钼丝间的间隙不可能做得很小，钼丝反复使用其丝径又在不断磨损，其导向精度远远不如前者。另外，钼丝的纵向和横向振动大，这些振动经导向短细孔，通过衍射进入放电加工
8、区。所以两类机床同样采用导向器，但后者导向精度远差于前者。经分析，要实现高性能的多次切割加工，必须要对造成钼丝振动的振源，贮丝筒和其部件的制造质量进行控制，尤其对丝筒的径向跳动、全跳动等误差进行控制，采取对丝筒高频振动的吸振措施。这些是造成钼丝高频振动的主因，就目前研究现状表明，用任何张力控制执行元件还无法进行响应和控制，有待进一步研究。对于钼丝振动的低频部分，可采用闭环张力的实时伺服控制来解决，这两项措施是往复运丝型电火花线切割机实现多次切割的先决条件。二、一种高性能往复运丝型多次切割电火花线切割机的设计我公司组成的项目研制小组，分别针对上述问题进行分析，通过如下的改进设计，研制出了一种高性
9、能往复走丝型电火花线切割机床。A. 智能高频脉冲电源本公司技术人员在十年前研制的单向低速运丝电火花线切割机高频脉冲电源的基础上，把其智能高频脉冲电源进行改进和发展，研制成一种适合于往复运丝型线切割加工特点的高频脉冲电源。该电源有以下特性：1. 采用单向低速运丝线切割机使用的智能高频脉冲电源技术方案，根据放电状态，实时控制每一个输往放电间隙脉冲能量。在正常脉冲放电状况时，实现等能量脉冲放电，从而实现在相同的表面粗糙度条件下，获得较高切割效率，同时获得较低的钼丝损耗率。2. 为第一次切割、第二次修正切割和第三次微精切割加工，分别设计了符合其特性要求，分为三个脉宽段和不同特性的电流波形的脉冲生成电路
10、。最小的微精加工的脉宽为 0.3uS。在功率脉冲输出上，采用符合高频功率脉冲传输要求的措施，以保证最终送入放电间隙的脉冲放电电流波形失真度为最小。3. 直接采用低速运丝电火花线切割机的伺服控制电路。该电路采用脉宽时采样，脉间保持的脉冲放电采样方法。即使在脉宽为 1.2uS 的微小脉冲，该电路都可以实现根据采样放电状况，进行伺服跟踪控制工作台的进给。第一次切割、第二次修正切割和第三次微精切割时，采用不同伺服跟踪和跟踪灵敏度。从而采用了这种伺服控制电路之后，经过第二次修正切割，基本可将试件的几何精度误差修正到 5um 左右。经过第三次微精切割，标准试件的几何精度可修到 3um。再经第四次精细切割，
11、标准试件的表面粗糙度可达 Ra=0.7um。这样伺服控制电路为实现高精度、低表面粗糙度为最终目的微精切割加工创造了条件。B. 采用进电导轮专利装置单向运丝和往复运丝型电火花线切割机，都采用导电块形式的进电装置。电极丝直接作为导电付的一半，直接与超硬材料制成的导电块滑动接触传输功率脉冲大峰值电流。从理论上两者接触面是接近于线状，并且相对滑动摩擦速度，即为运丝速度。前者由于运丝速度低而平稳，采用这种进电方法，传输功率脉冲能量较为稳定。但往复走丝线切割机在第一次切割时，其滑动磨擦速度高达 8-12m/秒。这样不但造成钼丝的机械磨损，带有纵波、横波振动高速运动的钼丝还会造成两接触付之间的接触不良，从而
12、容易诱发钼丝与导电块之间产生与放电间隙串联的电蚀放电。一旦钼丝与导电块之间发生电蚀放电，这种在有氧环境中的脉冲放电，会造成钼丝的烧伤和导电块的早期磨损。并且这种电极丝与导电块间的电蚀放电，往往容易越演越劣，最后造成断丝和烧蚀导电块。另外，在使用以放电状态采样为控制脉冲能量基础的智能高频脉冲电源，还会造成脉冲电源的智能控制功能的不稳定。为此，公司引进了一项专利。在这种专利进电装置内，由一对专用的耐磨抗电蚀材料付来传输高频脉冲能量。这对导电付采用平面接触，两者相对旋转线速度仅为运丝速度的 1/20 以下，并且采用高频响弹性装置以保证导电付间的可靠接触。经过二年来的试用，该进电装置工作寿命长，可靠性
13、高，大大降低了钼丝的损耗。C. 采用双向伺服紧丝系统。由于每只导轮都有各自的转动惯量和摩擦力，在运丝时钼丝张力又存在振动，经过测试发现在往复双向运丝机构上各段钼丝的张力是不同的，并且是随着钼丝的双向运动，各段钼丝张力的大小，大体随运丝方向的转换呈交替转换状况。这原理好象是自行车上的链条，均速前进时，处于收链方向的上链条总是张紧的，其链条的张力较大；而处于放链方向的下链条一直下垂，张力很小。如果那是一辆杂技团可以倒踏的自行车，在反向均速运动时，上、下链条上所受到的张力大小必然倒过来。我公司设计了一种全对称闭环张力伺服控制运丝系统专利技术。其特点是：1. 不管钼丝处在正方向运丝，或者处于反方向运丝
14、时，其张力检测部件总是检测包括放电加工区在内的那一个钼丝环内的张力。由于是全对称结构，所以它测试到的钼丝环的张力，不会受到运丝方向改变的影响。从而在机构的原理上，这种机构设计可保证不失真地检测到放电加工区那一段钼丝的实时动态张力。因此，我所采用的闭环张力控制机构，在设计合理性和检测精度上，尤其独特的优点。2. 为了提高整个系统的频率响应速度，采用了伺服控制执行元件，系统的伺服执行元件可根据用户的需要，或选用 BYG 电机，或选用日本进口的安川交流伺服电机。控制电路分别有两路输出，可同样满足这两类伺服电机的控制需要。3. 钼丝张力检测部件经过计量传递来校正的，从而保证每台机床钼丝张力的精确度和一
15、致性。整个钼丝闭环张力伺服执行机构各部件间的自动控制，全部受电路中一套数字逻辑电路的控制，从而使整个闭环张力伺服控制系统工作可靠。4. 运丝的闭环张力由机床数控系统控制。用户在预置加工参数时，增加了一项“钼丝张力”的预置输入。在多次切割的每次转换切割时，机床数控计算机将根据用户预置张力自动改变钼丝张力。经用线材张力计实测，张力值的转换是实时完成的。下一步本公司将尝试国外单向低速运丝电火花线切割机所采用的“拐角处理”功能，在切割到轮廓拐角处，自动减少脉冲能量，同时适度增加钼丝的张力，从而大大提高切割轮廓的精度。5. 机床断丝保护和自动报警的检测，改由张力检测部件控制完成。其控制的灵敏度和反应的速
16、度，远远优于目前行业厂采用两块导电块与钼丝同时接触的断丝检测方案。这样在该新机床的整个运丝系统，不使用一块钨钢导电块，从而大大降低了由于钼丝与导电块之间机械高速磨擦造成钼丝的损耗。6. 设计了整个闭环张力伺服控制机构自动调整和位置保护设计，为满足行业相关的安全标准。设计了张力调整部件的极限位置保护装置和灯光指示。在钼丝张力自动调整至极限位置。此时系统将声、光报警。为了方便用户操作，系统设计手动方式和自动方式，可采用手动或自动调整张力控制执行机构返回到最佳起始位置。7. 新机床还设计了自动预张力的自动上丝机构。在完成自动上丝之后，将由计算机控制钼丝张力自动调整到用户预置的张力值。完全取消了人工上
17、丝，手工紧丝工序，从而使新机床真正达到欧共体 CE 安全标准中，机械指令的要求。8. 新机床采用电动升降线架。在升降线架时不必拆装钼丝，闭环张力系统可自适应调节和始终保持预置的钼丝张力。机床加工测试实例：A 精度和粗糙度：（1） 工件厚度：40mm 材料：Cr12 平均加工速度： 55mm2/min三次切割 试件尺寸精度：0.004mm 表面粗糙度 Ra1.0（2） 工件厚度：20mm 材料：Cr12 平均加工速度： 20mm2/min四次切割 试件尺寸精度：0.004mm 表面粗糙度 Ra0.7B 钼丝损耗：工件厚度：40mm 材料：Cr12 平均加工速度：80mm2/min加工 300000mm2 钼丝损耗：0.01mmC 切割效率：工件厚度：40mm 材料：Cr12（1） 实用稳定切割效率： 在 120mm2/min 下稳定切割 500000mm2（2） 较大切割效率：在 200mm2/min 下切割 12000mm2 以上（3） 最大切割效率：250mm2/min
