1背景

隨著工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大和制造業(yè)技術(shù)的發(fā)展，線切割技術(shù)作為特種加工技術(shù)的一種，憑借其高加工精度、高生產(chǎn)效率、低功耗、制造成本低等特點(diǎn)，在機(jī)械加工生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。特別是在模具加工行業(yè)，電火花線切割技術(shù)廣泛應(yīng)用于冷沖模、擠壓模加工中，改變了過去用分開模和曲線磨削的加工模式，縮短了制造周期，降低了制造成本，配合精度高。 

2技術(shù)簡介

線切割技術(shù)原理

線切割加工是通過電火花的放電原理對(duì)零件進(jìn)行加工。將工件接入脈沖電源正極，采用鉬絲或銅絲作為切割金屬絲，將金屬絲接高頻脈沖電源負(fù)極作為工具電極，利用火花放電對(duì)加工零件進(jìn)行切割。脈沖電源提供加工能量，加工過程中應(yīng)用專用的線切割工作液清楚加工中產(chǎn)生的碎屑。在電場的作用下，陰極和陽極表面分別受到電子流和離子流的轟擊，使電極間隙內(nèi)形成瞬時(shí)高溫?zé)嵩词咕植拷饘偃刍?/a>和氣化。氣化后的工作液和工件材料蒸汽瞬間迅速膨脹，在這種熱膨脹以及工作液沖壓的共同作用下，熔化和氣化的工件材料被拋出放電通道，至此完成一次火花放電過程。

當(dāng)下一個(gè)脈沖到來時(shí)，繼續(xù)重復(fù)以上的火花放電過程，從而將工件切割成形。通過數(shù)控編程來對(duì)金屬絲的切割軌跡進(jìn)行控制。 

線切割技術(shù)特點(diǎn)

線切割技術(shù)主要具有以下特點(diǎn)：

（1）加工中不存在顯著的機(jī)械切屑力，無論工件硬度和剛度如何，只要是導(dǎo)電或半導(dǎo)電的材料都能進(jìn)行加工。但無法加工非金屬導(dǎo)電材料。

（2）可以加工小孔和復(fù)雜形狀零件，但無法加工盲孔。

（3）電極絲損耗小，加工精度高。

（4）加工時(shí)產(chǎn)生的切縫窄，金屬蝕除量少，有利于材料的再利用。

（5）工件材料過厚時(shí)，工作液較難進(jìn)入和充滿放電間隙，會(huì)對(duì)加工精度和表面粗糙度造成影響。

（6）加工過程中可能會(huì)在工件表面出現(xiàn)裂紋、變形等問題，加工之前應(yīng)適當(dāng)熱處理和粗加工，消除材料性能和毛坯形狀的缺陷，提高加工精度。

（7）通過數(shù)控編程技術(shù)對(duì)工件進(jìn)行加工，可對(duì)加工參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加工。

3現(xiàn)狀

高速走絲電火花線切割機(jī)作為我國技術(shù)的機(jī)種, 已成為我國數(shù)控機(jī)床中產(chǎn)量大、應(yīng)用廣的機(jī)種之一。據(jù)估計(jì)目前全國有數(shù)萬臺(tái)高速走絲電火花線切割機(jī)正在模具制造和零件加工中發(fā)揮著重要的作用。由于高速走絲有利于改善排屑條件, 適合于大厚度和大電流高速切割, 加工性能價(jià)格比優(yōu)異深受廣大用戶的歡迎。因而在未來較長的一段時(shí)間內(nèi), 高速走絲電火花線切割機(jī)仍是我國電加工行業(yè)的主要發(fā)展機(jī)型。

2000年國產(chǎn)大的低速走絲線切割機(jī)床生產(chǎn)單位年銷售量僅為一百多臺(tái), 約占全國市場的九分之一, 而到2002年其銷售量已占全國市場的五分之一, 并且這些產(chǎn)品通過合資引進(jìn)了技術(shù), 使產(chǎn)品水平跨越了一個(gè)臺(tái)階, 達(dá)到了國際 20世紀(jì)90年代初的水平。譬如切割速度可達(dá)200多m㎡/min,加工精度達(dá)5 μm,粗糙度R。達(dá)零點(diǎn)幾個(gè)微米, 其價(jià)格僅為 50萬元左右人民幣 （ 約為同類進(jìn)口機(jī)床的二分之一） , 取得了良好的開端, 具有廣闊的前景。隨著模具行業(yè)的迅速發(fā)展及水平的不斷提高, 精密零件的加工需求增加, 低速走絲線切割機(jī)床及使用耗材價(jià)格迅速下降, 加之人們對(duì)低速走絲線切割加工認(rèn)識(shí)的逐步深人, 預(yù)計(jì)低速走絲線切割機(jī)的年銷量將不斷擴(kuò)大, 國產(chǎn)低速走絲線切割機(jī)的占有率也將進(jìn)一步上升, 并且有望出口國際市場。 

4切割機(jī)床分類

慢走絲線切割機(jī)床

慢走絲線切割機(jī)床（低速走絲電火花線切割機(jī)床）的切割速度一般為0.2m/s，精度達(dá)0.001mm級(jí)，通常以銅線作為電極絲。電極絲作低速單向運(yùn)動(dòng)，加工表面質(zhì)量接近磨削水平，其工作平穩(wěn)、均勻、抖動(dòng)小、加工質(zhì)量較好，生產(chǎn)效率高，可達(dá)350/min。慢走絲線切割機(jī)床采取電極連續(xù)供絲的方式，電極在損耗的同時(shí)也可以得到補(bǔ)充，所以可以提高加工精度。慢走絲線切割機(jī)床所加工的工件表面粗糙度值一般可以達(dá)到Ra0.8μm及以上，且圓度誤差、直線誤差和尺寸誤差都比快走絲線切割機(jī)床小。

中走絲線切割機(jī)床

中走絲線切割機(jī)床屬往復(fù)高速走絲電火花線切割機(jī)床范疇，是在高速往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)上實(shí)現(xiàn)多次切割功能。所謂的“中走絲”并非是走絲的速度，而是指往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)借鑒了一些低速走絲機(jī)的加工工藝技術(shù)，并實(shí)現(xiàn)了無條紋切割和多次切割。目前走絲控制可以實(shí)現(xiàn)七次切割，其中主要的是次切割對(duì)工件進(jìn)行高速穩(wěn)定切割和第二次切割任務(wù)下對(duì)工件進(jìn)行精修，其它則只是進(jìn)行拋磨修光等來提高精度。中走絲線切割機(jī)床兼具快慢走絲線切割機(jī)床的優(yōu)點(diǎn)，但是切割過程中需要注意變形處理。工件在切割時(shí)產(chǎn)生的熱應(yīng)力會(huì)使材料出現(xiàn)不定向、無規(guī)則變形，導(dǎo)致切割吃倒量不均，影響切割精度。所以切割過程中必須根據(jù)不同材料預(yù)留不同加工余量來充分釋放內(nèi)應(yīng)力及變形。

快走絲線切割機(jī)床

快走絲線切割機(jī)床（往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床）電極絲一般采用鉬絲，一般加工速度可達(dá)6~12m/s。機(jī)床工作時(shí)通過電極絲接脈沖電源負(fù)極，工件接脈沖電源正極，高頻脈沖電源使工作液擊穿形成放電通道，粒子在電場力的作用下轟擊被加工件的表面，使得工件表面被瞬間熔化。同時(shí)電極絲可以快速通過工件被加工出的凹坑，所以電極的蝕除量遠(yuǎn)小于工件的蝕除量，減少了電極絲的損耗。由于加工過程中電極絲是往復(fù)走絲的，而機(jī)床不能對(duì)電極絲施加恒定張力控制，所以會(huì)出現(xiàn)電極絲抖動(dòng)等現(xiàn)象，造成斷絲。同時(shí)，往復(fù)走絲使得多次使用后電極絲損耗，加工精度和工件表面質(zhì)量會(huì)下降。

立式回轉(zhuǎn)電火花線切割機(jī)床

立式回轉(zhuǎn)電火花線切割機(jī)床相對(duì)上述兩種機(jī)床其電極絲多了一個(gè)繞軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其加工速度為1~2m/s。由于回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的存在，其加工過程產(chǎn)生了一系列有益的工藝效果，如：電極絲磨損均勻，絲的壽命被延長；電極絲運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)度有明顯提高，斷絲率下降；回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)可以使較小的張緊力達(dá)到加高的加工精度。

5問題

切割速度

電火花線切割加工速度不僅直接影響加工精度，同時(shí)它也決定了加工的效率，而提高了加工速度并不意味同時(shí)也可以提高加工精度，所以線切割速度成了影響加工精度的首要因素之一。

在線切割過程中，脈沖電流、脈沖電壓的脈沖間隔直接決定了切割速度。相同的放電能量，脈沖間隔越小就意味著放電平均電流越大，切割速度也就越快。但是，實(shí)際生產(chǎn)中脈沖間隔的大小受到限制，過小同樣不利于加工，這樣會(huì)使放電過程中去除的材料無法及時(shí)排除，使得放電間隔沒有足夠的時(shí)間進(jìn)行電消離，進(jìn)而導(dǎo)致加工過程不問題甚至是出現(xiàn)斷絲等現(xiàn)象。故而不能單方面通過減小脈沖間隔來提高加工速度。所以為了在保證加工精度的同時(shí)提高加工速度，通常我們需要盡量縮小脈沖間隔的同時(shí)也要使得脈沖電源放電間隔具有一定的自適應(yīng)能力來配合放電間隙。

電極絲損耗

電火花加工脈沖放電時(shí)會(huì)導(dǎo)致工作液擊穿，在放電區(qū)域產(chǎn)生瞬間高溫將工件表面金屬熔化或汽化。其微觀過程是放電產(chǎn)生電子或離子轟擊金屬表面，而粒子轟擊方向與工具工件所處電極相關(guān)，脈寬不同時(shí)逸出的粒子種類不同，所以由此可知工具電極也受到轟擊而造成工具損耗。電火花線切割的加工電極絲損耗原因亦是如此。另外，加工過程中如果脈寬過小，會(huì)出現(xiàn)二次放電而造成拉弧，燒傷加工表面的同時(shí)也會(huì)損傷電極絲。不僅如此，加工過程中峰值電流也會(huì)造成電極絲損耗，其影響甚至高出脈寬的影響。峰值電流過高不僅會(huì)造成加工面達(dá)不到精度要求，同時(shí)也會(huì)損耗電極絲。

工作臺(tái)精度

加工過程中工具和工件的運(yùn)動(dòng)都是靠工作臺(tái)的驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。工作臺(tái)對(duì)加工精度的影響主要體現(xiàn)在機(jī)械傳動(dòng)精度上，其中包括機(jī)床的裝配精度、配合間隙、工作環(huán)境，以及走絲傳動(dòng)精度等。工具與工件的運(yùn)動(dòng)由構(gòu)成機(jī)床的運(yùn)動(dòng)部件決定，首先機(jī)床中絲桿、螺紋、螺母、齒輪等零件存在加工誤差，其次由于機(jī)床長時(shí)間的使用導(dǎo)致零件磨損會(huì)產(chǎn)生誤差，第三，零件在裝配時(shí)也存在裝配精度誤差，種種誤差集中體現(xiàn)在機(jī)床的傳動(dòng)中，這直接導(dǎo)致加工過程中加工表面粗糙度達(dá)不到要求，電極絲抖動(dòng)產(chǎn)生表面加工條紋等。

抬刀的影響

加工時(shí)“抬刀”目的是使工作液沖洗加工間隙中的電蝕廢物和更新工作液，有利于提高加工精度。但是機(jī)床工作時(shí)每次“抬刀”都未必足夠及時(shí)，有可能在放電條件良好不需要進(jìn)行“抬刀”卻“抬刀”，也有可能出現(xiàn)電蝕產(chǎn)物積聚過多，應(yīng)該“抬刀”而未“抬刀”。“抬刀”的不及時(shí)或“過及時(shí)”不僅會(huì)影響到加工速度，也會(huì)使工件產(chǎn)生拉弧燒傷等現(xiàn)象。

6發(fā)展趨勢

微細(xì)線切割技術(shù)

依靠微細(xì)線切割技術(shù)來加工大型機(jī)械難以加工的微小零件。電極絲采用鎢絲，由于電極絲直徑細(xì)小，加工時(shí)放電能量非常微弱，因此對(duì)于脈沖控制系統(tǒng)，機(jī)床精度等方面的要求很高。微細(xì)電極絲加工可獲得的加工精度，且在微小零件窄槽、微小齒輪的加工中具有優(yōu)勢，越來越受到機(jī)械加工行業(yè)的重視。

機(jī)床主機(jī)精度

機(jī)床對(duì)加工精度的影響在機(jī)械傳動(dòng)精度上，主要包括機(jī)床的傳動(dòng)精度、定位精度、幾何精度和裝備精度等。機(jī)床中絲杠、螺母、齒輪等零件存在加工誤差，導(dǎo)致加工過程中加工表面粗糙度達(dá)不到要求。應(yīng)用*技術(shù)例如：使用新型材料制造機(jī)床增加機(jī)床整體的精度和剛性、交流伺服電機(jī)直聯(lián)驅(qū)動(dòng)，螺距誤差自動(dòng)補(bǔ)償功能和反向間隙補(bǔ)償功能，來提高機(jī)床的加工精度。

脈沖電源技術(shù)

應(yīng)用實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，根據(jù)放電狀態(tài)適時(shí)控制脈沖電源參數(shù)，有效地提高線切割加工效率、降低斷絲概率。數(shù)字化脈沖電源采用PLD作為高頻脈沖電源的主振控制芯片，由數(shù)控系統(tǒng)數(shù)字設(shè)置脈沖電源的電流前沿的上升速率，降低電極絲損耗。數(shù)字自適應(yīng)脈沖電源的可直接與PC端相連接，獲得放電間隙狀態(tài)的信息并根據(jù)一定的算法進(jìn)行自適應(yīng)控制，進(jìn)而提高加工精度。

多次切割工藝技術(shù)

多次切割加工是高速走絲線切割機(jī)的一個(gè)重要發(fā)展方向。在進(jìn)行精密加工時(shí)，很難憑借一次走絲就將工件加工完成，需要多次加工來實(shí)現(xiàn)。隨著脈沖電源、換絲控制系統(tǒng)、算法策略方面的技術(shù)進(jìn)步，在一些機(jī)械加工中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了高速多次切割加工。但加工的穩(wěn)定度仍然不足，還有改進(jìn)的空間來實(shí)現(xiàn)更高精度的加工。

智能控制技術(shù)

目前線切割加工主要應(yīng)用的智能技術(shù)有：模糊控制技術(shù)、專家系統(tǒng)和自動(dòng)化控制系統(tǒng)等。電極絲張力與絲速的多級(jí)控制、邊界面切割的適應(yīng)控制、工作液參數(shù)的適應(yīng)控制與調(diào)節(jié)之類的智能控制系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于線切割加工行業(yè)。專家系統(tǒng)使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)具有人類專家解決問題的能力，只需定義加工對(duì)象，設(shè)定相關(guān)零件性能和加工目標(biāo)，專家系統(tǒng)就能自動(dòng)生成加工工序，無須機(jī)床操作者手動(dòng)編程。當(dāng)加工系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，會(huì)自動(dòng)報(bào)警，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)揭示所出現(xiàn)的問題和解決問題的措施，大大減少排除故障的時(shí)間。

7研制

我國正致力于開發(fā)第三代數(shù)控多線切割機(jī)床，主要用于半導(dǎo)體單晶硅材料的切割，其基本特征：大加工尺寸820 mm×220 mm×220 mm；張力控制精度：小于0.5 N；鋼絲運(yùn)行速度：快900 m/min；小切片厚度：0.1 mm；單片平行度≤0.005 mm；使用切割線直徑：φ0.10～φ0.18 mm；切片速度：0.01～999.9 mm/min。

主要攻克的難點(diǎn)包括多線切割機(jī)床張力控制技術(shù)，高速主軸技術(shù)，多傳感器智能檢測技術(shù)，故障自診斷技術(shù)。

張力控制是多線切割機(jī)床的核心技術(shù)之一。在切割過程中，切割線的張力一般設(shè)定在25～30 N，切割線單向或者往復(fù)運(yùn)動(dòng)完成切割動(dòng)作時(shí)，張力必須保持穩(wěn)定。張力穩(wěn)定性將影響切割過程中切割線的抖動(dòng)，直接影響加工質(zhì)量；同時(shí)，張力穩(wěn)定性也決定了切割線的穩(wěn)定性，因?yàn)槿绻谇懈钸^程中由于張力不穩(wěn)定而造成斷線，則將損失掉成百上千片的切片，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

高速主軸技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高速加工的主傳動(dòng)部分，散熱和潤滑是高速主軸技術(shù)的兩大難點(diǎn)。在主軸高速運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，主軸軸承將產(chǎn)生大量熱量，如果不能保證散熱能力，則會(huì)降低軸承的壽命和加工精度，甚至損壞軸承和電機(jī)等；高速主軸的潤滑也是一大難點(diǎn)，為了減小軸承內(nèi)部摩擦和磨損，降低發(fā)熱量，必須要有良好的潤滑機(jī)構(gòu)。目前主要的潤滑方式有：脂潤滑、油霧潤滑、少油潤滑3種。其中少油潤滑是一種新型的潤滑方式，具有供油量，散熱效果好，潤滑油利用率*，無環(huán)境污染等特點(diǎn)。

多傳感器智能檢測技術(shù)是大型數(shù)控多線切割機(jī)床必須解決的技術(shù)難點(diǎn)。主要包括：張力檢測傳感器，切割線偏轉(zhuǎn)傳感器，斷線檢測傳感器，工作臺(tái)異常檢測傳感器，排線器異常檢測傳感器等。這些傳感器是相互聯(lián)系的，如何接收眾多傳感器的反饋，實(shí)現(xiàn)對(duì)多線切割機(jī)床系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠的控制，是在大型數(shù)控多線切割機(jī)床的研制中必須解決的問題。

故障自診斷技術(shù)是大型數(shù)控多線切割機(jī)床智能化的重要部分，在發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)可根據(jù)監(jiān)測的結(jié)果進(jìn)行故障定位，并給出實(shí)時(shí)處理方案,提高了系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。系統(tǒng)故障自診斷技術(shù)實(shí)現(xiàn)故障檢測、故障報(bào)警、故障存儲(chǔ)、故障處理等功能。此外，針對(duì)國際上數(shù)控多線切割機(jī)床的發(fā)展趨勢，可以增加自動(dòng)繞線功能，以提高設(shè)備自動(dòng)化水平，節(jié)約人工手動(dòng)繞線的時(shí)間，提高生產(chǎn)效率；研究砂漿中研磨材料配比以及供砂方式，可以提高硅片的加工質(zhì)量；增加設(shè)置硅材料回收裝置，將被切割下來的硅材料從研磨液中分離出來供再次利用，進(jìn)一步降低切割的損耗。國產(chǎn)第三代數(shù)控多線切割機(jī)床的研制成功，將會(huì)打破國內(nèi) φ200 mm硅片生產(chǎn)線上的后一個(gè)瓶頸，打破國外產(chǎn)品市場壟斷，降低IC行業(yè)購置和運(yùn)行成本，具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。 

8應(yīng)用

錐度加工編程流程

在編程系統(tǒng)CAD環(huán)境下，繪制零件的輪廓；完成后從CAD環(huán)境進(jìn)入到CAM環(huán)境中；完成刀路軌跡的繪制，建立所需加工的零件模型，通過拾取輪廓來新建零件，設(shè)置機(jī)床加工參數(shù)，完成零件的建模之后建立程序，使用仿真功能模擬實(shí)際加工效果，后進(jìn)行后置處理，生成加工所需要的G代碼文件。

錐度加工技術(shù)要點(diǎn)

（1）錐度切割相比普通切割排屑較難，可適當(dāng)增加放電間隔，便于工作液帶走加工時(shí)產(chǎn)生的廢屑，降低斷絲情況的發(fā)生。

（2）在加工熱處理變形大、鍛造性不強(qiáng)的工件時(shí)，切割產(chǎn)生的熱應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致工件變形，影響切割精度，可縮短上噴嘴與工件上表面之間的距離，使切削液能更為有效的對(duì)加工部位進(jìn)行冷卻，同時(shí)根據(jù)工件的材質(zhì)預(yù)留不同的加工余量來減少熱變形帶來的加工誤差。

（3）在滿足電極絲剛性的前提下，盡量提高電極絲的張力，減少單個(gè)放電脈沖的能量，有條件可采用微細(xì)鎢絲進(jìn)行加工來減少電極絲在加工過程中的偏移量。

（4）進(jìn)行誤差補(bǔ)償。通過加工工藝試件，檢測加工的錐度角，根據(jù)測量結(jié)果進(jìn)行調(diào)節(jié)。通過調(diào)整上導(dǎo)絲嘴與工作臺(tái)面的距離值（ZSD值）來修正錐度。調(diào)整完成后對(duì)下導(dǎo)絲嘴至工作臺(tái)面的距離值（ZID值）進(jìn)行調(diào)整。修正ZID值時(shí)，會(huì)影響高度參數(shù)變化而又影響了錐度。那么必須把修正值附加在ZSD上，使高度參數(shù)不變錐度才不會(huì)發(fā)生改變。也就是如果ZID增加一值后，ZSD應(yīng)該減去這一值。

（5）使用校正器代替火花法對(duì)電極絲進(jìn)行垂直度校正?；鸹ǚɡ瞄g隙火花放電瞬間，記下滑板對(duì)應(yīng)坐標(biāo)值來對(duì)算電極絲中心坐標(biāo)值，對(duì)于精密度要求高的錐度加工而言誤差較大，導(dǎo)致加工完成的工件在各個(gè)方向上的錐度不一致。校正器利用光電原理，性能穩(wěn)定、精度保持性好，能確保電極絲的垂直度。

9展望

數(shù)控線切割機(jī)床加工解決了很多傳統(tǒng)加工難以解決的難題，尤其在小角度、錐度切割等產(chǎn)品加工過程中更具優(yōu)勢，已廣泛應(yīng)用于汽車、機(jī)床生產(chǎn)、航天等工業(yè)領(lǐng)域。線切割技術(shù)通過對(duì)加工參數(shù)的合理優(yōu)化和進(jìn)行誤差補(bǔ)償，能夠完成高精度的加工，在機(jī)械加工領(lǐng)域占據(jù)了重要的地位。運(yùn)用新技術(shù)、新工藝促進(jìn)數(shù)控電火花線切割技術(shù)的高速發(fā)展，加大對(duì)線切割技術(shù)的投入，從而推動(dòng)整個(gè)機(jī)械加工行業(yè)的發(fā)展。