北京安德建奇數(shù)字設(shè)備股份有限公司　張偉明

帶自動穿絲裝置的高精度六軸數(shù)控慢走絲線切割機(jī)床的研發(fā)和應(yīng)用

北京安德建奇數(shù)字設(shè)備股份有限公司張偉明

一、概述

慢走絲線切割機(jī)床是電火花線切割機(jī)床的一種，是利用連續(xù)移動的細(xì)金屬絲（稱為電極絲，一般為銅絲）作電極，對工件進(jìn)行脈沖火花放電，產(chǎn)生6000℃以上高溫，蝕除金屬、切割成工件的一種數(shù)控加工機(jī)床。電極絲作低速單向運(yùn)動，電極絲放電后不再使用。

目前慢走絲機(jī)床的發(fā)展極為迅速，在加工精度、表面粗糙度、切割速度等方面已有了較大的突破，加工精度可達(dá)±0.001mm、切割速度在特定條件下可達(dá)500mm2/min、經(jīng)過多次精修加工后工件表面粗糙度可達(dá)Ra0.05μm以內(nèi)，并可使表面“變質(zhì)層”控制在1μm以內(nèi)，使得慢走絲加工的硬質(zhì)合金模具使用壽命可達(dá)機(jī)械磨削的水平。慢走絲機(jī)床已廣泛應(yīng)用于航空航天、發(fā)電設(shè)備、電子、汽車等領(lǐng)域的精密零件、模具加工，由于其優(yōu)異的加工性能，目前還找不到其他加工技術(shù)可以與之競爭。

根據(jù)行業(yè)報(bào)告顯示，自2009年以來，國內(nèi)市場上的慢走絲年銷售量在2500～3500臺，其中約90%的機(jī)床是通過進(jìn)口或由國外企業(yè)在中國設(shè)廠生產(chǎn)出來的。國內(nèi)慢走絲機(jī)床的發(fā)展處于起步階段，目前還缺少與國外高端產(chǎn)品相抗衡的產(chǎn)品，要想在短期內(nèi)趕上或者達(dá)到國外慢走絲的先進(jìn)水平，走引進(jìn)技術(shù)、合資建廠的道路原本是一個(gè)很好的方法。但從目前合資的慢走絲廠家現(xiàn)狀來看，大部分的意義只停留在了商業(yè)目的上，對國內(nèi)慢走絲技術(shù)的發(fā)展貢獻(xiàn)甚微。在這些合資企業(yè)中，中方往往只負(fù)責(zé)一些無關(guān)緊要的工作，如外殼鈑金生產(chǎn)、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)件鑄造等，像脈沖電源、控制系統(tǒng)等電加工核心技術(shù)的研發(fā)根本不會讓中方人員參與。

北京安德建奇數(shù)字設(shè)備股份有限公司是國內(nèi)目前為數(shù)不多的能夠掌握放電加工核心技術(shù)的企業(yè)之一，公司生產(chǎn)的所有產(chǎn)品都擁有完全的自主知識產(chǎn)權(quán)。公司已取得專利三十余項(xiàng)，獲得國家級“專利試點(diǎn)單位”、“中國機(jī)床工具協(xié)會特種加工機(jī)床分會常務(wù)理事單位”、科技部“國家重點(diǎn)新產(chǎn)品”、“質(zhì)量信得過企業(yè)”等榮譽(yù)稱號。

2009年底，公司承擔(dān)了國家重大專項(xiàng)“帶自動穿絲裝置的高精度六軸數(shù)控低速走絲線切割機(jī)床的研發(fā)和應(yīng)用”課題，重點(diǎn)開展了對慢走絲相關(guān)核心技術(shù)的研究工作。其中通過對交變極性的無電解脈沖電源系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用，大大提高設(shè)備加工效率和零件表面質(zhì)量；對自動穿絲技術(shù)的研究，在國內(nèi)首次將自動穿絲技術(shù)成功應(yīng)用到了慢走絲機(jī)床上，提高了設(shè)備的智能化加工水平；通過對整機(jī)結(jié)構(gòu)熱平衡的研究，成功的將機(jī)床溫度場檢測和誤差補(bǔ)償系統(tǒng)用到了機(jī)床上，顯著提高了機(jī)床動態(tài)位置精度和零件加工精度。

課題開展過程中，共獲得發(fā)明專利2項(xiàng)，實(shí)用新型3項(xiàng)，軟件著作權(quán)3項(xiàng)。2013年，課題任務(wù)完成并順利通過了國家權(quán)威部門對該課題的驗(yàn)收，同時(shí)還獲得了國家科技部授予的“國家重點(diǎn)新產(chǎn)品”榮譽(yù)證書。圖1為“國家重點(diǎn)新產(chǎn)品”榮譽(yù)證書照片。

圖1　“國家重點(diǎn)新產(chǎn)品榮譽(yù)證書”照片

通過對課題產(chǎn)品的技術(shù)研究，使我國該類高精度慢走絲線切割機(jī)床的技術(shù)水平接近世界先進(jìn)水平。打破了長期以來國外企業(yè)在慢走絲線切割技術(shù)上的壟斷，提高了國產(chǎn)設(shè)備的市場競爭力。圖2為課題產(chǎn)品實(shí)物照片。

圖2　AW310T型精密數(shù)控慢走絲線切割機(jī)床

（1）性能穩(wěn)定。主機(jī)采用T形床身、C形結(jié)構(gòu)，使得整機(jī)具有良好的結(jié)構(gòu)剛性。溫度補(bǔ)償系統(tǒng)的應(yīng)用，使得機(jī)床精度受溫度變化的影響大大降低，能長期保持穩(wěn)定的加工精度。

（2）切割速度快。新的脈沖電源技術(shù)的應(yīng)用使得該產(chǎn)品的切割速度比原有產(chǎn)品提高了50%以上，主切效率達(dá)300mm2/min， 而且能夠持續(xù)加工。

（3）加工精度高。該機(jī)床采用了光柵尺全閉環(huán)控制技術(shù)，提高了機(jī)床的坐標(biāo)定位控制精度，日常零件加工精度高達(dá)±0.002mm。

（4）表面質(zhì)量好。通過新的控制系統(tǒng)對微小脈沖能量的控制，結(jié)合穩(wěn)定的恒張力運(yùn)絲控制系統(tǒng)，使得多次切割后能夠得到Ra＜0.2μm的表面粗糙度。目前這一指標(biāo)達(dá)國產(chǎn)同類產(chǎn)品的最高水平，處于國際高檔機(jī)的水平。

（5）節(jié)約能源。傳統(tǒng)脈沖電源的放電回路里，多余的電能都是通過吸收電阻轉(zhuǎn)換成熱能散發(fā)到空氣里了，形成了資源浪費(fèi)。在該產(chǎn)品的脈沖電源回路里，能夠?qū)⒍嘤嗟碾娔芑厥詹⒍螒?yīng)用到放電加工回路里，提高了能源利用率。相比較原有產(chǎn)品，新產(chǎn)品節(jié)能30%以上。

（6）智能化程度高。該設(shè)備帶有自動穿絲裝置，自動穿絲技術(shù)的應(yīng)用，使得設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)持續(xù)無人化加工。特別是在薄板多孔位切割方面，零件加工效率有了明顯提高。

（7）應(yīng)用范圍廣。該設(shè)備在傳統(tǒng)五軸的基本上，增加了一第六軸功能。這一功能的增加應(yīng)用使得該機(jī)床的應(yīng)用范圍更廣，如對木地板刀具的加工，只需通過一次裝夾，就可將刀具上的各刃口加工完成。

二、產(chǎn)品性能介紹

AW型帶自動穿絲裝置的高精度慢走絲線切割機(jī)床是一種高效、精密的放電加工設(shè)備，屬于國家高新技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃中先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域。該產(chǎn)品是在本公司原有成熟慢走絲產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，融入了一些新的技術(shù)而研制出來的新一代產(chǎn)品。該產(chǎn)品具有性能穩(wěn)定、切割速度快、加工精度高、表面質(zhì)量好、節(jié)約能源、智能化程度高、應(yīng)用范圍廣的優(yōu)勢。

該產(chǎn)品主要技術(shù)參數(shù)指標(biāo)如表1所示：

表1

主要技術(shù)指標(biāo)國內(nèi)外同類產(chǎn)品對比如表2所示：

表2

三、新技術(shù)應(yīng)用情況

本產(chǎn)品的技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)主要在脈沖電源、運(yùn)絲機(jī)構(gòu)、溫度補(bǔ)償系統(tǒng)三個(gè)方面。

1.脈沖電源方面：交變極性的無電解脈沖電源的研發(fā)與應(yīng)用

交變極性的無電解脈沖電源技術(shù)是本公司的一項(xiàng)發(fā)明專利，也是該技術(shù)在國產(chǎn)慢走絲設(shè)備上的首次應(yīng)用。它解決了加工工件的軟化變質(zhì)層問題，有效提高了加工工件的表面質(zhì)量。通過交變極性的無電解電源的應(yīng)用，使加工零件的表面粗糙度有了較大改善，最佳粗糙度達(dá)到Ra0.17μm。

本產(chǎn)品采用的交變極性的無電解脈沖電源的主要技術(shù)指標(biāo)為：

（1）最小脈沖寬度2ns，最大脈沖寬度50μs。

（2）最小脈沖停歇時(shí)間4μs，最大脈沖停歇時(shí)間40μs。

（3）最小單位脈沖峰值電流0.4A，最大單位脈沖峰值電流400A。

（4）加工狀態(tài)自動檢測、調(diào)整和伺服進(jìn)給自適應(yīng)控制。

實(shí)際加工時(shí)，加工工件和電極絲之間的高頻脈沖放電電源在幾十微秒時(shí)間內(nèi)作周期性交變極性，兩個(gè)極性之間的平均電壓為零，使加工中產(chǎn)生的正/負(fù)離子基本在原地不動，負(fù)離子不會涌向變極性的加工工件，解決了加工工件的軟化變質(zhì)層問題，提高了加工工件的表面質(zhì)量。結(jié)合納秒級高頻脈沖控制技術(shù)的無電解脈沖電源，實(shí)現(xiàn)微能量加工，可以獲得Ra≤0.2μm的工件表面粗糙度，使加工零件的表面質(zhì)量有了質(zhì)的飛躍。

交變極性的無電解脈沖電源技術(shù)應(yīng)用實(shí)例1：

用戶提供工件材料YG8（硬質(zhì)合金的一種）27×12mm的長方形。經(jīng)過試驗(yàn)，加工三次，即可滿足用戶需求。加工參數(shù)（見表3）和加工實(shí)物見圖3：

表3

圖3　硬質(zhì)合金加工參數(shù)和加工實(shí)物

加工實(shí)物用肉眼在燈光下仔細(xì)觀察，表面無條紋。在顯微鏡下觀察，也沒有發(fā)現(xiàn)條紋。最后用800目砂紙輕輕打磨加工表面后，再放到顯微鏡下觀察，也沒有發(fā)現(xiàn)條紋。這一效果讓客戶非常滿意。圖4是工件用800目砂紙打磨后，放到顯微鏡下觀察截屏所得到的圖片。

圖4　硬質(zhì)合金加工件表面打磨后的效果

交變極性的無電解脈沖電源技術(shù)應(yīng)用實(shí)例2：

對合作單位提供的PCD材料PCD-010，PCD-025，PCD-302，韓國CF，韓國CM等超硬PCD材料刀具進(jìn)行加工試驗(yàn)。針對PCD材料導(dǎo)電性不好，易崩裂，加工時(shí)錐度大等特點(diǎn)，本公司做了大量的工藝試驗(yàn)，目前已經(jīng)形成了完整的超硬PCD材料加工參數(shù)數(shù)據(jù)庫。圖5是工藝試驗(yàn)中加工實(shí)物的圖片，表面粗糙度達(dá)Ra0.17μm，在400倍的電子顯微鏡下觀察，加工的直線平整，無崩塌，表面質(zhì)量非常均勻。

圖5　超硬PCD材料電子顯微鏡下觀察

2. 運(yùn)絲機(jī)構(gòu)方面：帶自動穿絲裝置的恒張力運(yùn)絲機(jī)構(gòu)的研究與應(yīng)用

運(yùn)絲機(jī)構(gòu)作為慢走絲機(jī)床的核心功能部件之一，擔(dān)負(fù)著非常重要的角色。首先，運(yùn)絲系統(tǒng)的平穩(wěn)性對加工表面質(zhì)量起到非常關(guān)鍵的作用，電極絲的抖動會影響到加工過程中放電狀態(tài)的穩(wěn)定性，最終會導(dǎo)致放電加工效率低下，工件表面產(chǎn)生加工條紋的后果。其次，是否具有自動穿絲功能的運(yùn)絲機(jī)構(gòu)是慢走絲機(jī)床能否實(shí)現(xiàn)無人化加工的決定性因素，是慢走絲機(jī)床能否成為智能化產(chǎn)品的關(guān)鍵技術(shù)壁壘之一。

本產(chǎn)品采用了本公司的另外一項(xiàng)發(fā)明專利——“具有自動穿絲功能的恒張力運(yùn)絲機(jī)構(gòu)”。該運(yùn)絲機(jī)構(gòu)在運(yùn)絲張力的穩(wěn)定性和整機(jī)的智能化方面都有良好的表現(xiàn)。該運(yùn)絲機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。

該自動穿絲裝置共包括放絲機(jī)構(gòu)、張力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、自動穿絲機(jī)構(gòu)、收絲機(jī)構(gòu)四部分內(nèi)容。其中放絲機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)絲卷的運(yùn)行，按系統(tǒng)指令要求輸送電極絲；張力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)整個(gè)運(yùn)絲系統(tǒng)張力的調(diào)節(jié)，使其能夠在3.9～23.5N之間平穩(wěn)運(yùn)行，各檔張力誤差在±20g以內(nèi)；自動穿絲機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)機(jī)床的自動穿絲功能，提高機(jī)床的智能化水平，適應(yīng)了現(xiàn)代加工的要求；收絲機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)將已使用過的電極絲回收。

在實(shí)際應(yīng)用中，本運(yùn)絲機(jī)構(gòu)輸出張力平穩(wěn)，各檔張力的實(shí)際檢測值如表4、表5所示：

表4　直徑0.2mm電極絲張力檢測數(shù)據(jù)

表5　直徑0.25mm電極絲張力檢測數(shù)據(jù)

傳統(tǒng)的手動穿絲機(jī)構(gòu)里，剪絲需要用剪刀或打火機(jī)將電極絲剪斷或者燒斷，穿絲時(shí)也必須需要人為的參與。這樣就難以實(shí)現(xiàn)無人化加工，降低了設(shè)備的智能化水平。特別是在薄板上進(jìn)行多孔位的小孔加工時(shí)，更是影響到生產(chǎn)效率。因?yàn)樵诒“迳霞庸r(shí)，單個(gè)孔的加工時(shí)間也就幾分鐘，一個(gè)孔加工完了，就需要操作者剪絲，將導(dǎo)絲嘴移動到下一切割位置，再進(jìn)行穿絲并執(zhí)行程序加工。這樣操作者基本上就離不開這臺機(jī)床。但在一般的加工廠里，都是一個(gè)人需要操作多臺慢走絲機(jī)床的。使用手動穿絲的機(jī)床時(shí)，這樣會導(dǎo)致設(shè)備利用率不高，浪費(fèi)資源。

自動穿絲技術(shù)的應(yīng)用，通過編程系統(tǒng)，能夠用程序控制來實(shí)現(xiàn)穿絲、剪絲等穿絲功能。在薄板多孔位切割時(shí)，一個(gè)孔切完了，機(jī)床會執(zhí)行剪絲、移軸、穿絲、繼續(xù)加工等一系列指令，中間過程不需要操作者參與。都是程序化的指令，也不容易出錯。這樣勞動力就得到了釋放，使機(jī)床操作變得更加簡便可靠，操作者也就有了時(shí)間去操作別的機(jī)床。

3. 溫度補(bǔ)償系統(tǒng)方面：環(huán)境溫度與機(jī)床精度規(guī)律的研究與應(yīng)用

熱脹冷縮是物體的一種基本性質(zhì)，慢走絲作為一種高精密的設(shè)備，為了提高其精度的穩(wěn)定性，我們就不得不考慮環(huán)境溫度的變化對機(jī)床精度的影響。不光要研究環(huán)境溫度變化與機(jī)床精度變化的對應(yīng)關(guān)系，而且還應(yīng)該采取相應(yīng)的應(yīng)對措施來規(guī)避掉環(huán)境溫度對設(shè)備精度影響。

通常我們用熱膨脹系數(shù)來衡量物體隨溫度的變化程度，熱膨脹系數(shù)是指材料加熱時(shí)尺寸膨脹的比率。設(shè)α表示線膨脹系數(shù)，L為材料初始長度，l為伸長量，t為材料溫度變化量：

本機(jī)床采用了光柵尺全閉環(huán)控制系統(tǒng)，故環(huán)境溫度對光柵尺本身測量精度的影響就作為了我們要考慮的一個(gè)問題點(diǎn)。當(dāng)機(jī)床各軸用激光干涉儀檢測，定位誤差不穩(wěn)定時(shí)，就有可能是環(huán)境溫度變化過快而導(dǎo)致光柵尺測量不準(zhǔn)而引起的。也可能是環(huán)境溫度的變化引起絲杠等傳動部件的熱脹冷縮導(dǎo)致的，即機(jī)床精度確實(shí)差了。無論哪種情況，問題都?xì)w根于環(huán)境溫度的影響。要提高精度穩(wěn)定性就要提高恒溫等級。但要想使機(jī)床都在恒溫環(huán)境下使用顯然是不現(xiàn)實(shí)的。

為使得機(jī)床精度不受環(huán)境的溫度的影響或者降低環(huán)境溫度對機(jī)床精度的影響，我們在本設(shè)備上應(yīng)用了環(huán)境溫度補(bǔ)償技術(shù)。該技術(shù)簡單描述為直線光柵尺的標(biāo)準(zhǔn)工作溫度為20℃，一般情況下，檢驗(yàn)精度僅對該溫度有效。環(huán)境溫度升高或降低都會影響最終的檢測數(shù)值。我們在機(jī)床本體的不同區(qū)域進(jìn)行溫度采樣，把采樣的溫度通過傳到給控制系統(tǒng)，NC控制軟件部分對溫度進(jìn)行分析處理，對X、Y、U、V、Z軸的伺服運(yùn)動進(jìn)行溫度補(bǔ)償，從而使機(jī)床精度更高且持久穩(wěn)定。

圖9是在環(huán)境溫度22℃時(shí)，機(jī)床X軸未進(jìn)行溫度補(bǔ)償時(shí)的激光檢測結(jié)果：定位精度為A= 0.0040mm。

圖9　未采用溫度補(bǔ)償?shù)臋z測值

進(jìn)行溫度補(bǔ)償，在同樣的環(huán)境溫度22℃時(shí)，機(jī)床X軸檢測精度見圖10，定位精度為 A= 0.0021mm。

圖10　進(jìn)行溫度補(bǔ)償后的激光檢測

四、成果應(yīng)用及推廣情況

通過“帶自動穿絲裝置的高精度六軸數(shù)控慢走絲線切割機(jī)床的研發(fā)和應(yīng)用”課題的開展，使得本企業(yè)的產(chǎn)品在技術(shù)指標(biāo)方面取得了進(jìn)一步的突破，縮小了與國外設(shè)備的技術(shù)差距，提升了產(chǎn)品的市場競爭力。企業(yè)已將課題研究成果不斷運(yùn)用到現(xiàn)有慢走絲線切割機(jī)床產(chǎn)品中，目前已形成了AW310T、AW510T、AG360T、AG560T四個(gè)型號的產(chǎn)品，并已經(jīng)將這些具有重大專項(xiàng)課題研究成果的產(chǎn)品不斷銷售到用戶中去。

課題的研究成果提高了企業(yè)高精密數(shù)控單向走絲線切割機(jī)床在市場上的競爭力。公司已經(jīng)建成年產(chǎn)200臺此類機(jī)床的生產(chǎn)線，正向國內(nèi)外市場大力推廣，并逐步取得用戶的認(rèn)可。

中海油田服務(wù)股份公司（COSL）是中國近海市場最具規(guī)模的綜合型油田服務(wù)供應(yīng)商，主要進(jìn)行海上石油及天然氣勘探相關(guān)設(shè)備的提供和技術(shù)服務(wù)。該公司使用我公司產(chǎn)品“帶自動穿絲裝置的高精密數(shù)控慢走絲線切割機(jī)床AW510T”進(jìn)行復(fù)雜不銹鋼和鈦合金零件加工，滿足其公司承擔(dān)的國家重大工程項(xiàng)目的研發(fā)需要。

貴州航空工業(yè)某公司使用我公司產(chǎn)品“帶自動穿絲裝置的高精密數(shù)控慢走絲線切割機(jī)床AW310T”進(jìn)行軍品發(fā)動機(jī)相關(guān)科研課題零件的加工，為該公司重大科研任務(wù)的完成起到積極的作用。

我公司在研制產(chǎn)品的過程中，還積累了一些零件、材料的加工經(jīng)驗(yàn)，可以為客戶提慢走絲加工問題解決方案?！?/p>