1前言随着科学技术的发展,线切割应用伴随电火花加工的应用得到了极大的发展<1>,如导电材 料、半导体材料、绝缘体材料、高级陶瓷、聚晶金刚石(PCD)、金属基复合材料(MMC)等 高强度耐高温材料(HSTR)的加工,以及微细加工、大深径比或长径比零件的加工等等,电火 花线切割加工都是很好的加工技术选择,作为一种重要的特种加工方法,电火花线切割加工已经在 模具制造及其它零件制造领域中得到了广泛的应用。电火花线切割加工的基本原理是利用移动的细 金属丝(铜丝或钼丝等)作电极,对工件进行脉冲火花放电切割成型。这是目前高硬度、高熔点等 难切削材料加工中最常用的一种加工方法。2立式回转电火花线切割加工技术的提出背景电火花线 切割机床,根据电极丝运行速度通常分为两大类:一类是高速走丝电火花线切割机床,这类机床的 电极丝作高速往复移动,通常,走丝速度为8￣10m/s,加工精度为±0.01mm,工件的 表面粗糙度为Ral.25￣2.5μm,能满足一般模具加工和某些复杂零件制造的要求。这是 我国生产和使用的主要机种,也是我国独创的线切割加工模式。另一类是低速走丝电火花线切割机 床,这类机床的电极丝作低速单向移动,一般走丝速度低于0.2m/s,这是国外生产和使用的 主要机种。由于该种机床采用了闭环数字交(直)流伺服控制系统和精良的制造整机技术,确保了 优良的动态性能和高定位精度,加工精度可达到±2￣5μm,表面粗糙度可达Ra0.1￣0. 2μm<2>。数控高速走丝电火花线切割加工技术是1960年代末在我国研制成功,经过40 多年的不断完善和发展,现已成为我国制造业中不可缺少的加工设备。但是与国外生产的低速走丝 电火花线切割加工机床相比,其加工精度、功能、工艺指标、自动化程度等方面还有明显的差距。 然而国外低速走丝电火花线切割机床的售价是国产高速走丝电火花线切割机床的20倍以上,而且 在使用过程中还要采用进口铜丝(且铜丝为一次性使用)、采用去离子水等,使用成本大约是高速 走丝机床的35倍以上。因此,这种低速走丝电火花线切割机床不适合我国国情。本文提出了一种 综合了两种电火花线切割机床各自优点的新的线切割技术——立式回转电火花线切割加工新技术。 3立式回转电火花线切割加工技术特点立式回转电火花线切割加工技术与传统的快走丝电火花线切 割加工和慢走丝电火花线切割加工均不同。首先,立式回转电火花线切割加工比传统的两种电火花 线切割加工多了一个运动--电极丝的回转运动。其次,电极丝的走丝速度介于快走丝和慢走丝速 度之间,为1￣2m/s。立式回转电火花线切割加工在电极丝走丝的同时,电极丝绕其自身轴线 作高速回转运动。由于回转运动的存在,使加工过程产生了一系列有益的工艺效果:(1)电极丝 磨损均匀,延长工具丝寿命。传统的电火花线切割加工电极丝不转动,加工过程中电极丝是单边磨 损,磨损不均匀。而立式回转电火花线切割加工时,电极丝回转,电极丝周向磨损更均匀。(2) 电极丝运动平稳性显著增加,断丝概率下降。根据陀螺原理,我们发现,随着电极丝回转速度的提 高,可以增加电极丝运动的平稳性。另外,从电极丝运动的动力学分析中发现,电极丝回转速度的 提高,可以提高电极丝的动刚度。由于电极丝运动平稳性的增加,电极丝抖动程度下降,从而降低 了由于电极丝抖动而产生的电极丝上的附加应力,减少了电极丝断丝现象的发生。试验发现,在其 它条件完全相同的情况下,回转的电极丝(转速1000￣3000r/min)可使断丝概率下 降30%左右。(3)电火花线切割加工中,为了保证加工精度,通常对电极丝要进行张紧,丝张 紧力控制的好坏对加工精度影响很大。在立式回转电火花加工中,由于陀螺效应的存在,对张紧力 大小要求有所降低,即可以施加较小的张紧力,达到较高的加工精度。而由于张紧力的降低,也进 一步减少了电极丝的断丝现象。(4)电火花线切割的电极丝回转运动,对放电过程中融化材料的 抛出过程有较大的影响,使放电痕平均直径增加,深度下降<3,4>。此外,电极丝的回转还对 工件具有一定的磨削作用,使加工工件表面粗糙度值降低,表面质量更好。立式回转电火花线切割 加工的另一个特点就是走丝速度介于传统的两种线切割加工的速度之间。众所周知,高速走丝线切 割机的一个重要特征是电极丝高速往复循环使用,这种运丝系统降低了电极丝的稳定性。当电极丝 高速运行时,引起的振动较大,且导轮磨损大,此外电极丝的恒张力控制及张力分档调节较难,走 丝系统的这些特点在一定程度上影响了加工精度。而且电极丝的往返循环始终为单面放电、单面损 耗,这种电极丝在周向的非均匀放电损耗对高精度加工的影响不可忽视。而在慢走丝线切割加工中 ,电极丝是单向走丝,不能重复使用,其原因是走丝速度太低,电极丝磨损大,如重复使用会导致 频繁断丝,降低加工效率。但在立式回转线切割加工中,由于电极丝损耗均匀,电极丝张力小,电 极丝上的张应力小,不易断丝,因此,在立式回转电火花线切割加工中可以采用较低的往复走丝速 度,从而降低电极丝的损耗费用,提高加工精度。当然,走丝速度的确定不完全决定于是否容易发 生断丝,因为电极丝的运动还可以起到辅助工作液排除加工电蚀产物的作用。走丝速度高,有利于 电蚀产物的排除,使加工放电过程平稳,提高加工效率。因此,通过初步分析和试验研究,确定立 式回转电火花线切割加工的走丝速度在1￣3m/s之间。加工工件厚度越小,可以采用越低的走 丝速度。4立式回转电火花线切割机床的特点(1)与快走丝相比,由于走丝速度的降低,进一步 增加了电极丝的运动平稳性。(2)在换向时,换向加速度明显降低,冲击减少,有利于加工工件 上“换向条纹”的消除。(3)走丝速度的降低,有利于机械结构的小型化,有利于降低导轮和电 极丝的磨损,有利于降低设备重量和成本。立式回转电火花线切割加工与1990年代中期提出的 卧式旋转电极丝线切割不同,它不仅仅是在实现电极丝回转的方式上不同,而且还将电极丝的水平 布置改为立式结构。立式结构与卧式结构相比:①立式结构加工更符合电火花线切割加工习惯,工 件安装夹紧方便;②立式结构工作液排屑效果好;③卧式结构在丝跨度较大时,会由于丝的自重产 生明显的下垂现象,在丝旋转时会产生离心现象,运动平稳性下降,而立式结构可以避免该现象; ④立式回转线切割更容易实现冲液的工作液循环方式。综上所述,立式回转电火花线切割加工电极 丝运动平稳,加工精度高;电极丝外张力小,不易断丝,加工辅助时间少,加工效率高;电极丝磨 损均匀,电极丝使用寿命长,采用往复式走丝,工具消耗费用低;走丝速度较低,无明显换向条纹 ;采用普通快走丝电火花线切割工作液,工作液消耗成本低。5结论将回转电火花加工应用于线切 割中是电加工界新兴的加工方法,它可改善加工条件,提高加工质量,但是在很多方面尚需完善。 在回转电火花线切割加工机理、回转电火花线切割加工动力学特性、回转电火花线切割加工工艺规 律以及回转电火花线切割加工设备(包括高速回转丝的实现、排丝机构设计、恒张力机构设计等)都有待进一步深入研究探讨。相信随着上述问题的解决,立式回转电火花线切割加工将具有更广阔的应用领域和更美好的发展前景。立式回转电火花线切割加工新技术@贾志新$北京科技大学机械工程学院!北京100083
@滕向阳$北京科技大学机械工程学院!北京100083
@闫凯$北京科技大学机械工程学院!北京100083
@陈健$北京科技大学机械工程学院!北京100083将回转电火花加工用于线切割中是一种新兴 的加工方法。文中提出了一种立式回转电火花线切割加工新技术,扼要介绍了该技术的提出背景, 指出了该技术的显著特点,还详细分析了这些特点的原因。电火花线切割加工;;立式回转加工; ;新技术<1>李明辉.电火花线切割技术的研究现状及发展趋势
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<2>刘晋春,等.特种加工(第四版).北京:机械工业出版社,2000.
<3>贾志新,夏继强,刘晋春.水平双轴回转电火花加工实验研究.航天工艺,2000(1):2-5,18.
<4>S.L.Ye,J.Su,Z.X.Jia,R.Hua.Study on the mechanism of high speed small hole drilling by EDM.Materials Science Forum,2004,471-472:302-306.
<5>张桂香.旋转电加工数控系统及伺复控制的研究,北京:中国农业大学,2001.利 于电蚀产物的排除,使加工放电过程平稳,提高加工效率。因此,通过初步分析和试验研究,确定 立式回转电火花线切割加工的走丝速度在1￣3m/s之间。加工工件厚度越小,可以采用越低的 走丝速度。4立式回转电火花线切割机床的特点(1)与快走丝相比,由于走丝速度的降低,进一 步增加了电极丝的运动平稳性。(2)在换向时,换向加速度明显降低,冲击减少,有利于加工工 件上“换向条纹”的消除。(3)走丝速度的降低,有利于机械结构的小型化,有利于降低导轮和 电极丝的磨损,有利于降低设备重量和成本。立式回转电火花线切割加工与1990年代中期提出 的卧式旋转电极丝线切割不同,它不仅仅是在实现电极丝回转的方式上不同,而且还将电极丝的水 平布置改为立式结构。立式结构与卧式结构相比:①立式结构加工更符合电火花线切割加工习惯, 工件安装夹紧方便;②立式结构工作液排屑效果好;③卧式结构在丝跨度较大时,会由于丝的自重 产生明显的下垂现象,在丝旋转时会产生离心现象,运动平稳性下降,而立式结构可以避免该现象 ;④立式回转线切割更容易实现冲液的工作液循环方式。综上所述,立式回转电火花线切割加工电极丝运动平稳,加工精度高;电极丝外张力小,不易断丝,加工辅助时间少,加工效率高;电极丝磨
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