往复走丝电火花线切割高效低损耗切割研究

０ 引言
电火花线切割效率提高的研究永远是该行业 最关注的课题 ， 国外低速单向走丝电火花线切割 （ ｌ ｏ ｗ ｓ ｅ ｅ ｄ ｗ ｉ ｒ ｅ －ｃ ｕ ｔ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ｄ ｉ ｓ ｃ ｈ ａ ｒ ｅ ｍ ａ ｃ ｈ ｉ － ｐ ｇ ， ｎ ｉ ｎ Ｌ ＳＷＥ ＤＭ ） 的 最 大 切 割 效 率 在 ３ ０ ０ ｇ 近来有了新的 ｍｍ ／ ｍ ｉ ｍ左右沉寂了一段时间后 ， 。 突破 最新开发 的 窄 脉 宽 高 峰 值 电 流 脉 冲 电 源 ，
１． １ 低损耗特性 电火花线切割加工单个脉冲能量为
Ｗ ｍ ＝ Ｕｅ Ｉ Ｔｅ ｅ
； 放电持续时间或电流脉宽 ， ｓ Ｕｅ 为放电维持电压 ， Ｖ。 μ （ ） １ ； 式中 ， Ｗ ｍ 为单个脉冲能 量 ， Ｊ Ｉ Ａ； Ｔ ｅ 为 脉 冲 电 流 幅 值， ｅ 为
在常规加工中可不予考虑 ， 故追求更高切割效 微， 率对生产有 着 重 大 的 意 义 。 目 前 ， 高速往复走丝 电火 花 线 切 割 （ ｈ ｉ ｈ ｓ ｅ ｅ ｄ ｗ ｉ ｒ ｅ－ｃ ｕ ｔ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ｇ ｐ ， ） 的 最 大 切 割 效 ｄ ｉ ｓ ｃ ｈ ａ ｒ ｅ ｍ ａ ｃ ｈ ｉ ｎ ｉ ｎ ＳＷＥ ＤＭ ｇ ｇＨ
２
［］ ２ ／ 率已 经 超 过 ２ ０ ０ ｍｍ ｍ ｉ ｎ２ 。 对 Ｈ ＳＷＥ ＤＭ 来 说， 钼 丝 是 重 复 使 用 的， 在 这 样 的 切 割 效 率 下， 传
统脉冲电源靠单纯提高脉冲能量会导致钼丝损伤 加大 ， 电 极 丝 损 耗 严 重， 短时间内就可能出现断 丝， 对实际切 割 而 言 ， 并 没 有 实 用 的 价 值。 因 此， 为达到高效加工 的 实 用 化 ， 必须对高效低损耗切 割技术的实现机理进行研究 。
收稿日期 ： ２ ０ １ ２—０ ８—２ ４ ） 基金项目 ： 国家自然科学基金资助项目 （ ５ １ １ ７ ５ ２ ５ ６
）中 ， 式（ 放电维持电压 Ｕｅ 的大小主要取决 １ 于工作介质种类 ， 一般在 ２ 脉冲电 ０～２ ５ Ｖ 之 间， 流幅值 、 极间距离及放电电流大小等对 Ｕｅ 影响不 ·７ １·
在与其他特定条 件 （ 各 种 控 制 方 式、 供 液 条 件、 复 合材质电极丝等 ） 的配合下 ， 可使最高切割效率达
［］ ２ ／ 铜丝是 到５ ０ ０ ｍｍ ｍ ｉ ｎ１ 。 对 Ｌ ＳＷＥ ＤＭ 来 说 ， 一次使用的 ， 所以 铜 丝 的 损 耗 对 加 工 精 度 影 响 甚
１ 高效低损耗机理分析
２ ／ ２ ０ ０ ｍｍ ｍ ｉ ｎ 条件下能实现长期稳定切割 。 关键词 ： 电火花线切割 ； 高效 ； 低损耗 ； 加工机理
： ／ 中图分类号 ： Ｔ Ｇ ６ ６ １ Ｄ Ｏ Ｉ １ ０． ３ ９ ６ ９ ． ｉ ｓ ｓ ｎ． １ ０ ０ ４－１ ３ ２ Ｘ． ２ ０ １ ４． ０ １． ０ １ ４ ｊ Ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｏ ｎ Ｅ ｆ ｆ ｉ ｃ ｉ ｅ ｎ ｔ Ｃ ｕ ｔ ｔ ｉ ｎ ａ ｎ ｄ Ｌ ｏ ｗ Ｗ ｉ ｒ ｅ Ｗ ｅ ａ ｒ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｏ ｆ Ｈ Ｓ ＷＥ ＤＭ ｇ ｇ ｙ １ １ ２ １ Ｌ ｉ Ｘ ｉ ｅ ｆ ｅ ｎ Ｌ ｉ ｕ Ｚ ｈ ｉ ｄ ｏ ｎ Ｚ ｈ ａ ｎ Ｘ ｕ ｄ ｏ ｎ Ｌ ｉ Ｌ ｉ ｎ ｌ ｉ ｎ ｇ ｇ ｇ ｇ ｇ ｇ ， ， １． Ｎ ａ ｎ ｉ ｎ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｏ ｆ Ａ ｅ ｒ ｏ ｎ ａ ｕ ｔ ｉ ｃ ｓ ＆Ａ ｓ ｔ ｒ ｏ ｎ ａ ｕ ｔ ｉ ｃ ｓ Ｎ ａ ｎ ｉ ｎ ２ １ ０ ０ １ ６ ｊ ｇ ｙ ｊ ｇ ， ， ２． Ｈ ａ ｎ ｚ ｈ ｏ ｕ Ｈ ｕ ａ ｆ ａ ｎ Ｃ Ｎ Ｃ Ｍ ａ ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ ｓ Ｃ ｏ ． Ｌ Ｔ Ｄ， Ｈ ａ ｎ ｚ ｈ ｏ ｕ ３ １ ０ ０ ２ ４ ｇ ｇ ｇ ２ ： ， ／ Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ Ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｈ ｉ ｈ ｅ ｓ ｔ ｃ ｕ ｔ ｔ ｉ ｎ ｅ ｆ ｆ ｉ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｏ ｆ Ｈ ＳＷＥ ＤＭ ｈ ａ ｓ ｂ ｅ ｅ ｎ ｏ ｖ ｅ ｒ ２ ０ ０ ｍｍ ｍ ｉ ｎ． ｒ ｅ ｓ ｅ ｎ ｔ ｇ ｇ ｙ ｐ ， ， ｈ ｅ ｔ ｒ ａ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ ｏ ｎ ｌ ｉ ｍ ｒ ｏ ｖ ｅ ｄ ｅ ｎ ｅ ｒ ｉ ｎ ｔ ｈ ｉ ｓ ｓ ｉ ｔ ｕ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｗ ｈ ｉ ｃ ｈ ｗ ｉ ｌ ｌ ｃ ａ ｕ ｓ ｅ Ｈ ｏ ｗ ｅ ｖ ｅ ｒｔ ｕ ｌ ｓ ｅ ｏ ｗ ｅ ｒ ｕ ｌ ｓ ｅ ｙ ｐ ｇ ｙ ｐ ｐ ｐ ｔ ｈ ｅ ｍ ｏ ｌ ｂ ｄ ｅ ｎ ｕ ｍ ｗ ｉ ｒ ｅ ｓ ｅ ｖ ｅ ｒ ｅ ｌ ｗ ｏ ｒ ｎ ａ ｎ ｄ ｍ ａ ｂ ｅ ｂ ｒ ｏ ｋ ｅ ｎ ｉ ｎ ｓ ｈ ｏ ｒ ｔ ｔ ｉ ｍ ｅ ．Ａ ｃ ｃ ｏ ｒ ｄ ｉ ｎ ｔ ｏ ｔ ｈ ｅ ｄ ｉ ｓ ｃ ｈ ａ ｒ ｉ ｎ ｙ ｙ ｙ ｇ ｇ ｇ ， ， ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｔ ｈ ｅ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｃ ｅ ｓ ｂ ｅ ｔ ｗ ｅ ｅ ｎ ｔ ｈ ｅ ｔ ｒ ａ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ ａ ｎ ｄ ｈ ｉ ｈ ｅ ｆ ｆ ｉ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｗ ａ ｖ ｅ ｆ ｏ ｒ ｍ ｕ ｌ ｓ ｅ ｏ ｗ ｅ ｒ ｕ ｌ ｓ ｅ ｏ ｗ ｅ ｒ ｇ ｙ ｐ ｐ ｐ ｐ ，ｍ ｌ ｏ ｗ ｗ ｉ ｒ ｅ ｗ ｅ ａ ｒ ｕ ｌ ｓ ｅ ｏ ｗ ｅ ｒ ｗ ｅ ｒ ｅ ａ ｎ ａ ｌ ｚ ｅ ｄ ｅ ａ ｎ ｗ ｈ ｉ ｌ ｅ ｔ ｈ ｅ ｄ ｉ ｓ ｃ ｈ ａ ｒ ｅ ｍ ｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｓ ｍ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｅ ｆ ｆ ｉ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ａ ｎ ｄ ｐ ｐ ｙ ｇ ｙ ， ｗ ｉ ｒ ｅ ｗ ｅ ａ ｒ ｏ ｆ ｕ ｌ ｓ ｅ ｏ ｗ ｅ ｒ ｗ ａ ｓ ａ ｌ ｓ ｏ ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｅ ｄ ． Ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｓ ｈ ｏ ｗ ｓ ｔ ｈ ａ ｔ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｌ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｄ ｉ ｓ ｃ ｈ ａ ｒ ｅ ｌ ｏ ｗ ｐ ｐ ｇ ｇ ｃ ｕ ｒ ｒ ｅ ｎ ｔ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｌ ｅ ａ ｄ ｉ ｎ ａ ｎ ｄ ｔ ｒ ａ ｉ ｌ ｉ ｎ ｅ ｄ ｅ ｂ ｔ ｈ ｅ ｌ ａ ｄ ｄ ｅ ｒ ｕ ｌ ｓ ｅ ａ ｎ ｄ ｃ ｕ ｔ ｔ ｉ ｎ ｏ ｆ ｆ ｔ ｈ ｅ ａ ｂ ｎ ｏ ｒ ｍ ａ ｌ ｕ ｌ ｓ ｅ ｒ ｏ ｍ ｔ － ｇ ｇ ｇ ｙ ｐ ｇ ｐ ｐ ｐ ， ｕ ｌ ｓ ｅ ｌ ｃ ａ ｎ ｒ ｅ ｄ ｕ ｃ ｅ ｔ ｈ ｅ ｗ ｅ ａ ｒ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｗ ｉ ｒ ｅ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｄ ｅ ．Ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｏ ｔ ｈ ｅ ｒ ｈ ａ ｎ ｄ ｅ ｕ ａ ｌ ｅ ｎ ｅ ｒ ｕ ｓ ｅ ｄ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｐ ｙ ｑ ｇ ｙ ， ， ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｃ ａ ｎ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｌ ｉ ｍ ｒ ｏ ｖ ｅ ｔ ｈ ｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｃ ｅ ｏ ｆ ｄ ｉ ｓ ｃ ｈ ａ ｒ ｅ ａ ｎ ｄ ｕ ｔ ｉ ｌ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｒ ａ ｔ ｅ ｏ ｆ ｕ ｌ ｓ ｅ ． Ｆ ｉ ｎ ａ ｌ ｌ ｔ ｈ ｅ ｎ ｅ ｗ ｐ ｙ ｐ ｇ ｐ ｙ ， ｕ ｌ ｓ ｅ ｏ ｗ ｅ ｒ ｓ ｕ ｌ ａ ａ ｒ ｅ ｎ ｔ ｌ ｉ ｎ ｃ ｒ ｅ ａ ｓ ｅ ｓ ｔ ｈ ｅ ｃ ｕ ｔ ｔ ｉ ｎ ｅ ｆ ｆ ｉ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｍ ｒ ｏ ｖ ｅ ｓ ｔ ｈ ｅ ｓ ｕ ｒ ｆ ａ ｃ ｅ ｒ ｏ ｕ ｈ ｎ ｅ ｓ ｓ ｏ ｆ ｔ ｅ ｐ ｐ ｐ ｐ ｙ ｐ ｐ ｙ ｇ ｙｉ ｐ ｇ ｙ ｐ ２ ／ ｗ ｏ ｒ ｋ－ｐ ｉ ｅ ｃ ｅ ｓ ａ ｎ ｄ ｒ ｅ ａ ｌ ｉ ｚ ｅ ｓ ｔ ｏ ｃ ｕ ｔ ｓ ｔ ｅ ａ ｄ ｉ ｌ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｎ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ １ ９ ０～２ ０ ０ ｍｍ ｍ ｉ ｎ ｃ ｕ ｔ ｔ ｉ ｎ ｅ ｆ ｆ ｉ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ． ｙ ｇ ｙ ： ； ； Ｋ ｅ ｗ ｏ ｒ ｄ ｓ ｈ ｉ ｈ ｓ ｅ ｅ ｄ ｗ ｉ ｒ ｅ－ｃ ｕ ｔ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ｄ ｉ ｓ ｃ ｈ ａ ｒ ｅ ｍ ａ ｃ ｈ ｉ ｎ ｉ ｎ Ｈ ＳＷＥ ＤＭ） ｅ ｆ ｆ ｉ ｃ ｉ ｅ ｎ ｔ ｃ ｕ ｔ ｔ ｉ ｎ ｇ ｐ ｇ ｇ（ ｇ ｙ ； ｌ ｏ ｗ ｗ ｉ ｒ ｅ ｗ ｅ ａ ｒｍ ａ ｃ ｈ ｉ ｎ ｉ ｎ ｍ ｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｓ ｍ ｇ
— — 李谢峰 刘志东 张旭东等 往复走丝电火花线切割高效低损耗切割研究 —
往复走丝电火花线切割高效低损耗切割研究
李谢峰１ 刘志东１ 张旭东２ 李凌铃１
南京航空航天大学 ， 南京 ， 杭州华方数控机床有限公司 ， 杭州 ， １． ２ １ ０ ０ １ ６ ２． ３ １ ０ ０ ２ ４
２ ／ 摘要 ： 目前 ， 高速往复走丝电火花 线 切 割 最 高 切 割 效 率 已 突 破 ２ 传统脉冲电源靠单纯 ０ ０ ｍｍ ｍ ｉ ｎ，
中国机械工程第 ２ ５ 卷第 １ 期 ２ ０ １ ４ 年 １ 月上半月
３］ 。 由 此 可 见， 大， 且 Ｕｅ 在加 工 中 基 本 维 持 不 变 ［
不同的电压脉冲波形对加工产生影响的主要因素 是放电电流 ， 即电 流 状 态 是 影 响 加 工 效 率 及 钼 丝 损耗的决定因素 。 对电火花线切 割 而 言 ， 提高加工电流可以增 加放电时的蚀除量 。 Ｈ ＳＷＥ ＤＭ 采用的是正极性 加工方式 ， 放电通道内奔向正极的电子轰击工件 ， 对工件进行蚀除 ， 奔向负极的离子则轰击钼丝 ， 造 成钼丝的损 耗 。 能 量 密 度 增 加 时 ， 通道内击穿后 产生的粒子轰击 爆 炸 力 变 大 ， 产生的离子也会随 电子的增多而增 多 ， 对钼丝的损耗也会随着加工 为了兼顾高效率与低 效率的提高 而 增 大 。 因 此 ， 损耗 ， 要使单个脉 冲 放 电 期 间 内 轰 击 工 件 表 面 的
提高脉冲能量来增加切割效率会导致钼丝损伤大 、 损耗加剧 ， 短时间内就可能出现断丝 。 从脉冲电源的 放电波形分析入手 ， 分析了传统脉冲电源和高效低损耗脉冲电源的差异 。 研究认为 ， 采用阶梯脉冲合理 控制放电电流的前后沿 ， 在加工中对非正常放电脉冲及时切断以减小对电极丝造成的损伤及损耗 ， 采用 等能量脉冲方式提高放电利用率等措施能大大提高切割效率 ， 改善切割表面粗糙度 ， 在切割效率 １ ９ ０～
４］ 。 电子尽可能多 ， 同时减少轰击电极丝的离子 ［
图 ２ 传统脉冲电源的原理图
图 ３ 高效低损耗脉冲电源正常放电的波形
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电子具有较小 的 质 量 和 惯 性 ， 容易获得很大 的加速度和速度 ， 在击穿放电的初始阶段就有大 把能量传递到正极表面 ， 使其 量的电子奔向正极 ， 迅速熔 化 和 气 化 。 正 离 子 则 由 于 质 量 和 惯 性 较 大， 起动和加速较慢， 在击穿放电的初始阶段， 大 量的正离子来不 及 到 达 负 极 表 面 ， 故到达负极表 面并传递能量的只有一小部分正离子 。 根据这一 可以采用电流阶梯波脉冲电源进行加工 ， 在 原理 ，