劉志東,潘 陽,李謝峰,潘慧君

(南京航空航天大學(xué)機電學(xué)院,江蘇南京210016)

具有中國自主知識產(chǎn)權(quán)的往復(fù)走絲電火花線切割機床(也稱為“高速走絲電火花線切割機床”,HSWEDM)自20世紀(jì)70年代步入市場后,以其較高的性價比被模具加工市場所接受,目前的產(chǎn)銷量已達(dá)到每年5萬臺左右[1]。其加工工藝指標(biāo)尤其是切割效率,在解決了極間冷卻的問題,經(jīng)歷了從20世紀(jì)80年代至21世紀(jì)初的沉寂后,目前有了質(zhì)的提高,已成為機械加工領(lǐng)域不可替代的加工手段[2],且其應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展,技術(shù)水平也在不斷提升。下面就目前HSWEDM所具有的工藝特點、工藝水平及應(yīng)用進(jìn)行闡述。

1 高效穩(wěn)定切割

目前在實用的高效穩(wěn)定切割方面,HSWEDM的穩(wěn)定切割效率已接近單向走絲電火花線切割機床(也稱為“低速走絲電火花線切割機床”,LSWEDM)的水平[3]。如在使用特定工作液的情況下,采用智能型脈沖電源已能實現(xiàn)在平均加工電流4～7.5 A條件下的長期穩(wěn)定切割。此時的平均切割效率(含換向時間)可達(dá)到120～200 mm2/min[4]。表1是采用HL-09型智能電源進(jìn)行長期穩(wěn)定切割的一組參數(shù)。

表1 連續(xù)切割100萬mm2參數(shù)表

圖1是采用表1的參數(shù)進(jìn)行電極絲損耗試驗的情況?？煽闯?利用此參數(shù)可連續(xù)切割100萬mm2以上,且電極絲直徑從0.18 mm損耗到0.10 mm后仍可使用,最終電極絲斷絲的原因是因為彈性基本消失,電極絲產(chǎn)生熱疲勞后被拉斷的。

圖1 電極絲損耗曲線圖

之所以能達(dá)到該工藝效果,主要有以下3個原因:首先,須保證加工處于正常的極間冷卻狀態(tài);其次,合理地調(diào)整放電脈沖電流的前后沿;第三,及時調(diào)整極間非正常脈沖放電(如采用等能量脈沖),一旦發(fā)現(xiàn)連續(xù)非正常放電時,及時切斷脈沖放電以保護(hù)電極絲不受損害等。其典型的放電脈沖波形見圖2。采用智能脈沖電源后,目前可實現(xiàn)最大平均切割效率已超過250 mm2/min(連續(xù)切割面積大于30萬mm2),從而使HSWEDM進(jìn)行長期高效的零件切割成為可能。

圖2 智能型脈沖電源典型放電波形圖

2 大厚度切割

HSWEDM有別于LSWEDM的一個顯著差異就在于能進(jìn)行穩(wěn)定的高厚度(厚度＞500 mm)切割。對于LSWEDM而言,極間冷卻的保障是依靠去離子水高壓噴入放電間隙以維持冷卻與消電離狀態(tài),因此,當(dāng)切割厚度超過200 mm后,斷絲幾率就會大大增加。而HSWEDM由于極間的工作介質(zhì)主要依靠電極絲帶入,因此,采用洗滌性良好的復(fù)合工作液后,冷卻、洗滌及消電離等問題已不再成為高厚度切割的阻礙[5]。目前商品化的HSWEDM最高切割厚度已超過1 200 mm,且已有切割厚度1 500 mm以上的定制產(chǎn)品問市。當(dāng)然,能進(jìn)行500 mm以上高厚度切割的條件,并不是只解決了極間冷卻后就一定能穩(wěn)定進(jìn)行的。由于電極絲在切縫中的長度增加,電極絲經(jīng)過導(dǎo)輪后有一個拋離效應(yīng)(圖3),而拋離后偏離上下導(dǎo)輪理論切線的距離δ及跳動量均與上下線臂的跨距有關(guān)?？缇啻?加工中電極絲受到的放電爆炸力及其他擾動也增加。首先,切縫必須有足夠的間隙容納電極絲的跳動,因此,要求脈沖電源在不斷絲的條件下須有足夠的爆炸力,以獲得較大的放電間隙;其次,電極絲拋離后偏離上下導(dǎo)輪理論切線的距離與跨距及電極絲張力有關(guān),所以必須控制好電極絲的張力及其穩(wěn)定性[6];第三,由于工作液在極間作用長度的增加,加上工作液具有一定的導(dǎo)電性,因此,必然會在極間產(chǎn)生較高的漏電流,且由于極間介質(zhì)的不均勻?qū)е侣╇娏鞑环€(wěn)定,從而會影響極間取樣電壓的穩(wěn)定性;第四,由于電極絲在極間停留的時間增加,極間排屑距離的拉長等因素易導(dǎo)致極間不正常放電的幾率提高,電極絲斷絲幾率增加,因此,加工中最好能對非正常放電狀態(tài)及時進(jìn)行判斷,一旦有異常放電,應(yīng)及時切斷放電脈沖。在解決了上述問題后,高厚度切割的穩(wěn)定性將會大大提高。

圖3 電極絲導(dǎo)輪定位時實際空間位置圖

3 大錐度切割

錐度切割時,電極絲須傾斜切入工件,而對于LSWEDM而言,讓去離子水平行于電極絲傾斜進(jìn)入工件幾乎是不可能的,且去離子水還受到重力的作用[7]。因此,在切割厚度較大的大錐度工件時,由于冷卻不佳極易斷絲。但HSWEDM主要是依靠電極絲將工作液帶入切縫,所以只要工作液能較好地包裹住電極絲并隨電極絲進(jìn)入工件,就較容易實現(xiàn)大錐度工件的穩(wěn)定切割。目前,HSWEDM大錐度切割要解決的主要問題是如何保證工作液包裹住電極絲及解決因?qū)л喼睆揭鸬?U向交切誤差(圖4)而導(dǎo)致錐度切割誤差很大的問題。

圖4 導(dǎo)輪定位U向平移產(chǎn)生交切誤差示意圖

目前,HSWEDM常用的大錐度四連桿機構(gòu)原理見圖5。

圖5 普通四連桿擺動式大錐度線架原理圖

四連桿大錐度機構(gòu)進(jìn)行大錐度運動時,導(dǎo)輪的交切誤差只能依靠軟件進(jìn)行理論補償。由于錐度機構(gòu)本身存在各種誤差,因此,即使補償了也存在很大誤差,甚至出現(xiàn)補償后誤差更大的情況。而為了避免因錐度頭U向運動引起的電極絲與噴水板的干涉,往往將噴水嘴做成長條形狀(圖6),這樣會導(dǎo)致工作液無法包裹住電極絲,從而使極間冷卻效果大大降低,影響切割表面質(zhì)量及切割穩(wěn)定性。

圖6 長槽式噴水板結(jié)構(gòu)圖

為解決此問題,劉志東等設(shè)計了一種大錐度噴水自動跟蹤結(jié)構(gòu)[8],其原理見圖7,機床照片見圖8。其噴水嘴能隨錐度頭U向運動產(chǎn)生擺動,以通過擺動噴嘴保證噴水板與電極絲始終處于垂直狀態(tài),從而使噴水能包裹住電極絲,大大提高了切割穩(wěn)定性及大錐度、大厚度的切割能力。但對于大錐度切割精度的提高,今后仍應(yīng)通過增加隨動導(dǎo)絲器以維持電極絲空間位置的精度和穩(wěn)定性。目前,HSWEDM的最大切割錐度已達(dá)±45°。

4 穩(wěn)定多次切割的實現(xiàn)

HSWEDM自20世紀(jì)80年代就已被證明可進(jìn)行多次切割,且能達(dá)到較高的表面質(zhì)量及切割精度[9]。但由于當(dāng)時未能解決好極間冷卻問題,使一次切割效率不高(穩(wěn)定切割效率基本在80～100 mm2/min),從而使多次切割實用價值不大。隨著復(fù)合工作液的出現(xiàn)及HSWEDM軟硬件控制技術(shù)的發(fā)展,俗稱“中走絲”的HSWEDM 多次切割技術(shù)已成為一種實用的改善表面加工質(zhì)量及精度的工藝方法[10]。但“中走絲”切割的穩(wěn)定性、持久性又成為困擾其進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸,其最根本的問題仍然是如何保障電極絲空間位置的穩(wěn)定性,具體體現(xiàn)在導(dǎo)輪壽命不長及導(dǎo)絲器使用不便等問題上。由于一般的導(dǎo)輪結(jié)構(gòu)無法做到防水,在導(dǎo)輪高速旋轉(zhuǎn)(6 000～8 000 r/min)加工的同時,隨著工作液進(jìn)入導(dǎo)輪組件軸承內(nèi)部,工作液內(nèi)的蝕除產(chǎn)物將對軸承形成嚴(yán)重磨損,此時導(dǎo)輪組件對電極絲的定位精度很快就喪失殆盡;此外,傳統(tǒng)的圓孔導(dǎo)絲器由于穿絲十分困難,且很快被電極絲磨損,因此,導(dǎo)絲器對電極絲如何很好地限位也是“中走絲”穩(wěn)定切割的一個實際難題。

近期,隨著長壽命導(dǎo)輪[11](圖9)及開合式導(dǎo)絲器[12](圖10)的設(shè)計并投入實際使用,電極絲空間位置的穩(wěn)定性及持久性得到了一定程度的保障。長壽命導(dǎo)輪采用軸承內(nèi)置結(jié)構(gòu),阻止工作液直接侵入軸承,且軸承另一端采用嚴(yán)密配合的多迷宮堵頭及潤滑脂封堵結(jié)構(gòu),防止工作液從另一端侵入軸承,所以軸承的使用壽命大大延長。開合式導(dǎo)絲器的使用方便了電極絲的掛絲,并能實現(xiàn)全方位導(dǎo)絲作用,金剛石定位塊大大延長了導(dǎo)絲塊的使用壽命。目前,HSWEDM 多次切割已能達(dá)到 Ra＜0.8 μm,切割精度長期穩(wěn)定在0.01 mm以內(nèi)。較好的情況下,3次切割(割一修二)綜合效率可達(dá)80 mm2/min,Ra＜1.2 μm。下一步,HSWEDM 多次切割要解決的重點問題是,如何在降低加工表面粗糙度值的前提下進(jìn)一步改善表面完整性,提高多次切割的修整工件高度,且改進(jìn)控制方式,提高切割的轉(zhuǎn)角精度。

5 半導(dǎo)體及其他特種材料切割

半導(dǎo)體晶體因其對光、熱、電、磁等外界因素變化具有十分敏感而獨特的電學(xué)性質(zhì),已成為尖端科學(xué)技術(shù)中應(yīng)用最為活躍的先進(jìn)材料,特別是在通訊、家電、工業(yè)制造、國防工業(yè)、航空航天等領(lǐng)域中具有十分重要的作用[13]。但到目前為止,半導(dǎo)體晶體的加工仍是一件十分困難的事情,它最突出的一個特性就是脆性高,斷裂韌性低,材料的彈性極限和強度非常接近。當(dāng)所承受的載荷超過彈性極限時,就發(fā)生斷裂破壞,在已加工表面易產(chǎn)生裂紋,嚴(yán)重影響其表面質(zhì)量和性能,因此,半導(dǎo)體晶體的可加工性極差。而電加工技術(shù)不依靠機械能,而是利用電能去除材料,所以利用電火花線切割技術(shù)加工半導(dǎo)體,為解決半導(dǎo)體晶體大尺寸、高效精密切割、窄縫切割、曲線切割等難題提供了一套可行的方案。

圖11 P型單晶硅(2.1 Ω·cm)變厚度切割的樣件圖

半導(dǎo)體材料的電火花線切割加工又是HSWEDM應(yīng)用領(lǐng)域中很重要的拓展[14]。由于半導(dǎo)體進(jìn)電時接觸勢壘及體電阻的存在[15],使采用目前傳統(tǒng)的電火花加工伺服控制系統(tǒng)完全失效,無法準(zhǔn)確判斷正常加工和短路狀態(tài),只能以恒速進(jìn)給,因此,無法保障切割的軌跡精度。劉志東等在深入研究半導(dǎo)體特殊的電特性的基礎(chǔ)上,采用新型脈沖電源及改進(jìn)的伺服控制系統(tǒng),已實現(xiàn)了對電阻率10 Ω·cm以內(nèi)的半導(dǎo)體材料的穩(wěn)定切割。圖11是P型單晶硅(2.1 Ω·cm)變厚度切割的樣件,圖12是該材料微小、復(fù)雜和非直線切割樣件。

于此同時,HSWEDM也已被用在對聚晶金剛石及聚晶金剛石成形刀具的修整加工方面。

6 結(jié)束語

圖12 半導(dǎo)體微小、復(fù)雜和非直線切割件

HSWEDM由于自身加工機理的不同,使其在大厚度、大錐度及特種材料切割方面表現(xiàn)出自身的獨特性。在通用切割技術(shù)方面,近年來也有了飛速的提升。因此,HSWEDM必將作為一種有特色的電火花加工技術(shù)而長期存在,并且還必將日趨發(fā)展下去。

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