电火花线切割技术研究现状及发展趋势

・模具制造技术・　电火花线切割技术研究现状及发展趋势　贺斌　上海交通大学机械与动力工程学院（上海２００２４０）　【摘要】总结近年来电火花线切割技术的发展现状，就现阶段电火花线切割加工中所存在　的问题进行分析，同时依据现有的研究成果分析电火花线切割加工的发展趋势。　关键词：电火花线切割技术；研究现状；发展趋势　中图分类号：ＴＧ６５９　文献标识码：Ｂ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｓｔａｔｕｓ　ａｎｄ　Ｄｅｖｅｌｏ０ｍｅｎｔ　Ｔｒｅｎｄ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ　Ｗｉｒｅ－Ｃｕｔｔｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ｔｈｉｓ　ａｒｔｉｃｌｅ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅｓ　ｔｈｅ　ａｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔｓ　ａｂｏｕｔ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｄｉｓｃｈａｒｇｅ　ｗｉｒｅ—ｃｕｔｔｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｎ　ｒｅｃｅｎｔ　ｙｅａｒｓ，ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｔｒｅｎｄ　ａｂｏｕｔ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｄｉｓｃｈａｒｇｅ　ｗｉｒｅ—　ｃｕｔｔｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｒｅ　ａｌｓｏ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈｅｓ　ｗｅ＇ｖｅ　ｇｏｔ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｄｉｓｃｈａｒｇｅ　ｗｉｒｅ－ｃｕｔｔｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｓｔａｔｕｓ；ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｔｒｅｎｄ　１　引言　电火花线切割技术是特种加工的一种，它不同　于传统加工技术需要用机械力和机械能来切除，主　要利用电能来实现对材料的加工。所以，电火花线　切割技术不受材料性能的限制，可以加工任何硬度、　强度、脆性的材料，在现阶段的机械加工中占有很重　要的地位。　２电火花线切割技术的研究现状　电火花线切割技术采用电极丝对工件进行切割成　形，该项技术自诞生至今已经发展了近半个世纪。在　不断地应用与改进中，现如今电火花加工技术已经可　以实现慢走丝精度达０．５ｌｘｍ、表面粗糙度值达０．２　ｍ；　快走丝精度达２０ｌｘｍ、表面粗糙度值达３．２ｔｘｍ。由于电　火花线切割出色的加工精度，它在高精度、高硬度和高　复杂度模具的加工中起到了重要的角色。即便如此，　电火花线切割加工仍存在诸多不足，其中包括加工工　艺、放电状况、机床制造精度、加工机理等各方面的因　素。因此，针对这些问题，国内外研究人员正着力从多　方面改进电火花线切割技术。　４结论　理论上，微细电火花放电能量小，其扩孑Ｌ量应比　普通电火花加工要小，但由于电极旋转、排屑困难等　因素，使得扩孔量增加、加工精度降低。所以，降低放　电能量和提高排屑能力都能有效降低扩孔量的产生。　实验结果表明，一是当电流小于１．５Ａ时，降低电　压可改善扩孔量大小，但是也会造成电极损耗的加　剧；二是在同样的脉冲下，增加脉间有助于降低扩孔　量与电极消耗，但是脉间过大会造成加工时间提高而　使得孔底形状不佳。　综上，本试验合适的加工参数为：Ｉ＝０．５Ａ、Ｕ＝９０Ｖ、　Ｔｏ　＝２ｐ￣ｓ、Ｔｏ．＝６￣ｓ。　参考文献　［１】张勇斌，吉方，刘广民，张连新，吴祉群．微细电火花加工的　实验研究『Ｊ１．电加工与模具，２０１１，（２）：５４—５６　【２］刘巍，邹尚博，张玲碹，贾振元．难加工合金微细通道电火　花加工工艺规律研究ｆＪ１．大连理工大学学报，２０１３，（１１）：　８３８—８４５　［３】廖文敏．硬质合金电火花加工工艺实验研究［Ｊ］．北华航天　工业学院学报，２０１　１，（１２）：１８～２０　作者简介：欧阳波仪，男，１９７８年生，材料工程硕　士，副教授，从事模具设计制造教学与研究。　（收稿日期：２０１４—０７—２１）①　・７２・　《模具制造｝２０１

４年第９期　・模具制造技术・　２．１　电火花线切割机床的分类　（１）慢走丝线切割机床。　慢走丝线切割机床（低速走丝电火花线切割机　床）的切割速度一般为０．２ｍ／ｓ，精度达Ｏ．Ｏ０１ｍｍ级，通　常以铜线作为电极丝。电极丝作低速单向运动，加工　表面质量接近磨削水平，其工作平稳、均匀、抖动小、　加工质量较好，生产效　率高，可达３５０／ｍｉｎ。慢走丝线　切割机床采取电极连续供丝的方式，电极在损耗的同　时也可以得到补充，所以可以提高加工精度。慢走丝　线切割机床所加工的工件表面粗糙度值一般可以达　到ＲａＯ．８　ｍ及以上，且圆度误差、直线误差和尺寸误　差都比快走丝线切割机床小。　（２）中走丝线切割机床。　中走丝线切割机床属往复高速走丝电火花线切　割机床范畴，是在高速往复走丝电火花线切割机上实　现多次切割功能。所谓的“中走丝”并非是走丝的速　度，而是指往复走丝电火花线切割机借鉴了一些低速　走丝机的加工工艺技术，并实现了无条纹切割和多次　切割。目前走丝控制可以实现七次切割，其中最主要　的是第一次切割对工件进行高速稳定切割和第二次　切割任务下对工件进行精修，其它则只是进行抛磨修　：光等来提高精度。中走丝线切割机床兼具快慢走丝　线切割机床的优点，但：是切割过程中需要注意变形处　理。工件在切割时产生的热应力会使材料出现不定　向、无规则变形，导致切割吃倒量不均，影响切割精　度。所以切割过程中必须根据不同材料预留不同加　工余量来充分释放内应力及变形。　（３）快走丝线切割机床。　快走丝线切割机床（往复走丝电火花线切割机　床）电极丝一般采用钼丝，一般加工速度可达６～１２　ｍ／ｓ。机床工作时通过电极丝接脉冲电源负极，工件　接脉冲电源正极，高频脉冲电源使工作液击穿形成放　电通道，粒子在电场力的作用下轰击被加工件的表　面，使得工件表面被瞬间熔化。同时电极丝可以快速　通过工件被加工出的凹坑，所以电极的蚀除量远小于　工件的蚀除量，减少了电极丝的损耗。由于加工过程　中电极丝是往复走丝的，而机床不能对电极丝施加恒　定张力控制，所以会出现电极丝抖动等现象，造成断　丝。同时，往复走丝使得多次使用后电极丝损耗，加　工精度和工件表面质量会下降。　（４）立式回转电火花线切割机床。　立式回转电火花线切割机床相对上述两种机床　其电极丝多了一个绕轴的回转运动，其加工速度为１～　２ｍ／ｓ。由于回转运动的存在，其加工过程产生了一系　列有益的工艺效果，如：电极丝磨损均匀，丝的寿命被　延长；电极丝运动的平稳度有明显提高，断丝率下降；　回转运动可以使较小的张紧力达到加高的加工精度。　２．２现阶段电火花线切割加工中存在的问题　（１）切割速度。　电火花线切割加工速度不仅直接影响加工精度，　同时它也决定了加工的效率，而提高了加工速度并不　意味同时也可以提高加工精度，所以线切割速度成了　影响加工精度的首要因素之一。　在线切割过程中，脉冲电流、脉冲电压的脉冲间　隔直接决定了切割速度。相同的放电能量，脉冲间隔　越小就意味着放电平均电流越大，切割速度也就越　快。但是，实际生产中脉冲间隔的大小受到限制，过　小同样不利于加工，这样会使放电过程中去除的材料　无法及时排除，使得放电间隔没有足够的时间进行电　消离，进而导致加工过程不问题甚至是出现断丝等现　象。故而不能单方面通过减小脉冲间隔来提高加工　速度。所以为了在保证加工精度的同时提高加工速　度，通常我们需要尽量缩小脉冲间隔的同时也要使得　脉冲电源放电间隔具有一定的自适应能力来配合放　电间隙。　（２）电极丝损耗。　电火花加工脉冲放电时会导致工作液击穿，在放　电区域产生瞬间高温将工件表面金属熔化或汽化。　其微观过程是放电产生电子或离子轰击金属表面，而　粒子轰击方向与工具工件所处电极相关，脉宽不同时　逸出的粒子种类不同，所以由此可知工具电极也受到　轰击而造成工具损耗。电火花线切割的加工电极丝　损耗原因亦是如此。另外，加工过程中如果脉宽过　小，会出现二次放电而造成拉弧，烧伤加工表面的同　时也会损伤电极丝。不仅如此，加工过程中峰值电流　也会造成电极丝损耗，其影响甚至高出脉宽的影响。　峰值电流过高不仅会造成加工面达不到精度要求，同　时也会损耗电极丝。　（３）工作台精度。　加工过程中工具和工件的运动都是靠工作台的　《模具制造｝２０１４年第９期　・７３・

　・模具制造技术・　驱动来实现。工作台对加工精度的影响主要体现在　机械传动精度上，其中包括机床的装配精度、配合间　隙、工作环境，以及走丝传动精度等。工具与工件的　运动由构成机床的运动部件决定，首先机床中丝杆、　螺纹、螺母、齿轮等零件存在加工误差，其次由于机床　长时间的使用导致零件磨损会产生误差，第三，零件　在装配时也存在装配精度误差，种种误差集中体现在　机床的传动中，这直接导致加工过程中加工表面粗糙　度达不到要求，电极丝抖动产生表面加工条纹等。　（４）“抬刀”的影响。　加工时“抬刀”目的是使工作液冲洗加工间隙中　的电蚀废物和更新工作液，有利于提高加工精度。但　是机床工作时每次“抬刀”都未必足够及时，有可能在　放电条件良好不需要进行“抬刀”却“抬刀”，也有可能　出现电蚀产物积聚过多，应该“抬刀”而未“抬刀”。“抬　刀”的不及时或“过及时”不仅会影响到加工速度，也　会使工件产生拉弧烧伤等现象。　３　电火花线切割机的发展趋势　随着科学技术的发展，各类产品对加工工艺的要　求越来越高，同时对线切割加工技术也提出了更高的　要求。电火花线切割机适用于加工高硬度、高熔点的　材料，比传统切削加工具有很大的加工优势，但是它　的加工效率、加工精度等受脉冲电源、电极丝材料、机　床精度、制造成本等各方面的因素限制。所以为了适　应工件加工要求，国内外研发出了闭环交直流伺服控　制系统、自适应电源短路自动回退等技术，使得线切　割机的工艺达到相当高的指标。　３．１提高电火花线切割机床精度　通常线切割机床采用的是３相６拍步进电动机和　两极齿轮减速作为进给系统。步进电动机的相变电　流趋于正弦函数，所以由相变电流和电动机的转角关　系可知当电动机　桕变电流较大时，输出力矩同时增　大，但是这同时也导致了工作台的不稳定，影响被加　工件的表面精度。其次，电机采用齿轮驱动，而齿轮　在啮合时由于制造、装配、磨损等更方面的因素会造　成冲击、振动，导致传动不平稳，所以线切割机床的加　工精度会受到影响。　针对上述两种现象，为提高机床传动的精度，首　先可以将机床原有的３相６拍步进电动机改为５相１０　拍步进电机，这种转换可以减小电流最大相对变化率　到３１％（转变前可达５０％），减小输出力矩，从而提高　机床的传动精度。而针对电机齿轮传动所造成的误　差，可以通过提高啮合对数的方式来减小误差。因　此，可以将原来的两对齿轮啮合改为一对齿轮啮合，　使齿轮反转时造成的误差减小。　３．２开发新型走丝系统　线切割加工对电极丝的基本要求是加工过程稳　定和自动穿丝。现阶段已经研发出双丝系统。该系　统可以实现同一台机床上自动交换两种材质、直径的　电极丝，粗、细丝分别采用相互联锁的两套走丝系统，　其换丝时间不超过４５ｓ，两种丝交替工作，分别负责精　加工和粗加工，有效的提高了加工效率和加工精度。　另一方面，我国的旋转电火花机床虽然已经诞生　十多年了，但是它仍旧采用的是往复走丝。虽然往复　走丝具有可以避免频繁换丝、对机床制造和控制要求　低等优势，但是往复走丝需要在空间狭小的回转头内　设置排丝和换向机构，增加了回转头的工艺复杂度。　所以已有学者提出了结合立式旋转线切割机和单向　走丝方式相结合的新型旋转走丝机构。该机构的电　极丝运动模块由拉丝和放丝机构组成，回转头有上下　两个且具有旋转功能，同时须将与电极丝运动相关的　各构件都置于旋转台上从而避免丝的扭转、卡滞和缠　绕等现象。另外，该种立式旋转单向走丝机构通过控　制拉、放丝速度来控制电极丝张力，消除放电作用力　和加工过程中产生的电磁力和摩擦力等。虽然立式　旋转单向走丝机构相比现有的走丝系统具有很大的　优势，但是仍缺少可采用的成熟的机构来实现，在设　计上具有相当难度。　３－３　多轴联动电火花数控加工系统开发　电火花线切割可加工高硬度、高熔点的材料，但　是对于加工复杂的几何结构具有一定的局限性，所以　多轴联动数控加工系统的开发可以弥补电火花线切　割的加工局限。　多轴联动电火花加工数控系统在航空航天等方　面占着至关重要的地位，国际上对这类机床大多采取　禁运措施，目前我国也仍局限在４轴以上联动的电火　花加工系统的开发。该系统基本３大原则是实时性、　稳定性和可靠性，它能高效、正确的采集加工信息和　传递操作指令，保证放电状态的稳定性，避免短路和　・７４・　《模具制造｝｝２０１