由于電火花線切割機(jī)床的切割效率、電極絲損耗率和工件表面粗糙度等3項(xiàng)放電加工專項(xiàng)指標(biāo)互相矛盾，所以在一次切割中，同時(shí)實(shí)現(xiàn)這3項(xiàng)高指標(biāo)是不可能的。要獲得 切割效率，工件表面粗糙度必定差，電極絲損耗也大；要獲得切割工件表面 粗糙度值，必然要使用很低的切割效率。

單向走絲電火花線切割機(jī)床采用多次切割工藝，巧妙地把這3項(xiàng)指標(biāo)分別放在不同次的切割加工中來實(shí)現(xiàn)，從而避開它們之間的矛盾。在其一次切割時(shí)，可考慮在較小絲損條件下，優(yōu)先考慮以 切割效率加工；在其二次修正切割和第三次微精切割時(shí)，由于電火花脈沖放電在敞開環(huán)境下進(jìn)行，排屑容易，故切割效率已不是主要矛盾，可逐步減小脈沖，優(yōu)先以降低工件表面粗糙度值為主要目的進(jìn)行加工。因此，從放電加工的原理上分析，在電火花線切割機(jī)床上采用多次切割加工工藝，代表著其發(fā)展的方向。 如何滿足多次切割中每次切割側(cè)重點(diǎn)不同的的分工要求，是往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床改進(jìn)的關(guān)鍵點(diǎn)。

1  往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床實(shí)現(xiàn)多次切割工藝時(shí)存在的問題

在往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床上試驗(yàn)多次切割工藝已有10多年。該工藝的運(yùn)用確實(shí)使機(jī)床的應(yīng)用范圍擴(kuò)大，但在實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)許多性能還不盡如人意。首先分析單向走絲電火花線切割機(jī)床和往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床之間存在的不同。寶瑪數(shù)控有研制單向走絲電火花線切割機(jī)床的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)照單向走絲和往復(fù)走絲兩類機(jī)床的不同，分析其中的原因，認(rèn)為往復(fù)走絲機(jī)床直接搬用多次切割工藝尚存在以下問題：

（1）目前，往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床一般都使用簡(jiǎn)單的等頻脈沖電源。由于電火花脈沖放電的隨機(jī)性，實(shí)際放電狀態(tài)是極其復(fù)雜的，有時(shí)甚到是瞬變的。這種等頻脈沖電源在實(shí)際切割加工中，無法像單向走絲線切割機(jī)床那樣，可根據(jù)放電狀態(tài)的實(shí)際需要，智能地對(duì)每一個(gè)輸往放電間隙的脈沖進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，也無法實(shí)現(xiàn) 的脈間消電離時(shí)間。另外，簡(jiǎn)單電源還沒有專門為修正切割和微精加工設(shè)計(jì)的專用電路；在電源部分、電柜的布線和功率脈沖傳輸?shù)确矫妫矝]有采取窄脈寬功率脈沖所需相應(yīng)的條件和措施。

（2）電火花線切割加工通過對(duì)工作臺(tái)伺服控制來維持穩(wěn)定的放電加工，機(jī)床伺服跟蹤特性決定著放電加工的連續(xù)性和穩(wěn)定性。單向走絲電火花線切割機(jī)床控制工作臺(tái)進(jìn)給的電路是采用經(jīng)典的伺服控制電路。針對(duì)多次切割加工的不同目的要求，設(shè)計(jì)了 優(yōu)的伺服跟蹤電壓和特性曲線，從而達(dá)到較穩(wěn)定的切割效果。而目前往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床一般都采用“變頻電路”，電路中串接一個(gè)開關(guān)時(shí)間2～3 μs、32～36 V的穩(wěn)壓管，以間隙電壓減去32～36 V電壓后，再對(duì)差值電壓進(jìn)行電壓-頻率轉(zhuǎn)換的一種簡(jiǎn)單壓頻控制電路，來控制放電的連續(xù)進(jìn)行。由于這種電路是連續(xù)采樣，實(shí)際工作臺(tái)的進(jìn)給速度還受脈沖占空比的影響。它在實(shí)現(xiàn)多次切割工藝時(shí)，由于放電條件的不同，微精切割時(shí)使用的 小脈寬已遠(yuǎn)小于2 μs，所以該電路很難獲得 的伺服跟蹤性能。

（3）兩類不同走絲方式的電火花線切割機(jī)床，在采用多次切割工藝時(shí)，在機(jī)床機(jī)械設(shè)計(jì)上存在 重要的區(qū)別，即運(yùn)絲的穩(wěn)定性有著巨大的差異，運(yùn)絲速度的不同造成兩者運(yùn)絲性能上的巨大差異。單向走絲電火花線切割機(jī)床的運(yùn)絲速度很低，故采用電極絲張力的閉環(huán)控制。由于其運(yùn)絲速度低，現(xiàn)有執(zhí)行元件的頻率響應(yīng)特性足以實(shí)現(xiàn)精確地實(shí)時(shí)閉環(huán)控制電極絲的張力，有些機(jī)床還采用多次張力閉環(huán)控制。而目前大部分的往復(fù)走絲線切割機(jī)床的運(yùn)絲系統(tǒng)對(duì)張力的控制，還是很原始地靠操作工的經(jīng)驗(yàn)和手感，先用人工緊絲的方法對(duì)儲(chǔ)存在絲筒上的全部鉬絲進(jìn)行一次或多次緊絲。利用鉬絲的彈性變形，把預(yù)緊后的鉬絲繞在絲筒上，其后對(duì)鉬絲就不再控制。還有些機(jī)床安裝了機(jī)械式的或非對(duì)稱的機(jī)電緊絲裝置，但存在動(dòng)作頻響低、緊絲容易松絲難等問題。另外，由于絲筒和其運(yùn)動(dòng)部件的制造中存在不可避免的允差、同軸度誤差、軸承游隙等，導(dǎo)致了鉬絲的高頻率振動(dòng)；由絲筒的錐度和絲筒導(dǎo)軌相對(duì)于線架運(yùn)動(dòng)的平行度和直線度允差等，又決定著鉬絲的低頻率振動(dòng)，且在絲筒運(yùn)動(dòng)時(shí)，這些允差往往會(huì)造成鉬絲長(zhǎng)度累積誤差，即在貯絲筒兩端總會(huì)出現(xiàn)鉬絲張力一頭緊、另一頭松的現(xiàn)象。

單向走絲線切割機(jī)床采用間隙僅為5～10 μm的固定導(dǎo)向器作為導(dǎo)絲元件，其對(duì)電極絲的導(dǎo)向精度極高。往復(fù)走絲線切割機(jī)床在多次切割時(shí)，往往也采用導(dǎo)向器，但導(dǎo)向孔徑與鉬絲間的間隙不可能做得很小，鉬絲反復(fù)使用后，其絲徑不斷磨損，導(dǎo)向精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如前者。此外，鉬絲的縱向和橫向振動(dòng)大，這些振動(dòng)經(jīng)導(dǎo)向短細(xì)孔，通過衍射進(jìn)入放電加工區(qū)。所以兩類機(jī)床同樣采用導(dǎo)向器，但導(dǎo)向精度卻存在很大差異。

經(jīng)分析，要實(shí)現(xiàn)高性能的多次切割加工，須要對(duì)造成鉬絲振動(dòng)的振源、貯絲筒和其部件的制造質(zhì)量進(jìn)行控制，尤其對(duì)絲筒的徑向跳動(dòng)、全跳動(dòng)等誤差進(jìn)行控制，采取對(duì)絲筒高頻振動(dòng)的吸振措施，這些是造成鉬絲高頻振動(dòng)的主因。就目前的研究現(xiàn)狀表明，用任何張力控制執(zhí)行元件還無法進(jìn)行響應(yīng)和控制，有待進(jìn)一步研究。對(duì)于鉬絲振動(dòng)的低頻部分，可采用閉環(huán)張力的實(shí)時(shí)伺服控制來解決，這兩項(xiàng)措施是往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床實(shí)現(xiàn)多次切割的先決條件。

2  一種高性能往復(fù)走絲多次切割電火花線切割機(jī)床的設(shè)計(jì)

寶瑪數(shù)控分別針對(duì)上述問題進(jìn)行了分析，通過改進(jìn)設(shè)計(jì)，研制出了一種高性能往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床。

2.1  智能高頻脈沖電源

在研制單向走絲電火花線切割機(jī)床高頻脈沖電源的基礎(chǔ)上，把其智能高頻脈沖電源進(jìn)行改進(jìn)和發(fā)展，研制成一種適合于往復(fù)走絲線切割加工特點(diǎn)的高頻脈沖電源。該電源有以下特性：

（1）采用單向走絲線切割機(jī)床使用的智能高頻脈沖電源技術(shù)方案，根據(jù)放電狀態(tài)實(shí)時(shí)控制每一個(gè)輸往放電間隙的脈沖。在正常脈沖放電狀況時(shí)，實(shí)現(xiàn)等脈沖放電，從而實(shí)現(xiàn)在相同表面粗糙度條件下，獲得較高的切割效率，同時(shí)獲得較低的鉬絲損耗率。

（2）為其一次切割、其二次修正切割和第三次微精切割加工，分別設(shè)計(jì)了符合其特性要求，分為3個(gè)脈寬段和不同特性的電流波形的脈沖生成電路。 小的微精加工脈寬為0.3 μs。在功率脈沖輸出上，采用符合高頻功率脈沖傳輸要求的措施，以保證 終送入放電間隙的脈沖放電電流波形失真度 小。

（3）直接采用單向走絲電火花線切割機(jī)床的伺服控制電路。該電路采用脈寬時(shí)采樣、脈間保持的脈沖放電采樣方法。即使在脈寬1.2 μs的微小脈沖下，該電路都能實(shí)現(xiàn)根據(jù)采樣放電狀況進(jìn)行伺服跟蹤控制工作臺(tái)的進(jìn)給。其一次切割、其二次修正切割和第三次微精切割時(shí)，采用不同伺服跟蹤和跟蹤靈敏度。采用這種伺服控制電路后，經(jīng)過其二次修正切割，基本可將試件的幾何精度誤差修正到5 μm左右。經(jīng)過第三次微精切割，標(biāo)準(zhǔn)試件的幾何精度可修到3 μm。再經(jīng)第四次精細(xì)切割，標(biāo)準(zhǔn)試件的表面粗糙度值可達(dá)Ra0.7 μm。這樣，伺服控制電路就為實(shí)現(xiàn)高精度、低表面粗糙度值的微精切割加工創(chuàng)造了條件。

2.2  采用導(dǎo)輪軸向進(jìn)電專利裝置

單向走絲和往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床都采用導(dǎo)電塊形式的進(jìn)電裝置。電極絲作為導(dǎo)電副的一半，直接與超硬材料制成的導(dǎo)電塊滑動(dòng)接觸傳輸功率脈沖大峰值電流。從理論上講兩者接觸面接近于線狀，且相對(duì)滑動(dòng)摩擦速度即為運(yùn)絲速度。前者由于運(yùn)絲速度低而平穩(wěn)，采用該進(jìn)電方法，傳輸功率脈沖較穩(wěn)定。但往復(fù)走絲線切割機(jī)床在其一次切割時(shí)，其滑動(dòng)摩擦速度高達(dá)8～12 m/s，這樣不但造成鉬絲的機(jī)械磨損，帶有縱波、橫波振動(dòng)高速運(yùn)動(dòng)的鉬絲還會(huì)造成兩接觸副之間的接觸不良，從而易誘發(fā)鉬絲與導(dǎo)電塊之間產(chǎn)生與放電間隙串聯(lián)的電蝕放電。一旦鉬絲與導(dǎo)電塊之間發(fā)生電蝕放電，這種在有氧環(huán)境中的脈沖放電會(huì)造成鉬絲的燒傷和導(dǎo)電塊的早期磨損；且電極絲與導(dǎo)電塊間的電蝕放電，往往易越演越劣， 后造成斷絲和燒蝕導(dǎo)電塊。此外，在使用以放電狀態(tài)采樣為控制脈沖基礎(chǔ)的智能高頻脈沖電源，會(huì)造成脈沖電源智能控制功能的不穩(wěn)定。為此，寶瑪數(shù)控引進(jìn)了一項(xiàng)進(jìn)電裝置專利，由一對(duì)專用的耐磨抗電蝕材料副來傳輸高頻脈沖。這對(duì)導(dǎo)電副采用平面接觸，兩者相對(duì)旋轉(zhuǎn)線速度僅為運(yùn)絲速度的1/20以下，且采用高頻響彈性裝置，以保證導(dǎo)電副間的信賴接觸。經(jīng)過二年的試用，該進(jìn)電裝置工作壽命長(zhǎng)，信賴性高，大大降低了鉬絲損耗。

2.3  采用全對(duì)稱閉環(huán)張力伺服控制的運(yùn)絲系統(tǒng)

由于每只導(dǎo)輪都有各自的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和摩擦力，在運(yùn)絲時(shí)，鉬絲張力又存在振動(dòng)。經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，在往復(fù)雙向運(yùn)絲機(jī)構(gòu)上各段鉬絲的張力是不同的，且隨著鉬絲的雙向運(yùn)動(dòng)，各段鉬絲張力的大小大體隨運(yùn)絲方向的轉(zhuǎn)換呈交替轉(zhuǎn)換狀況。

寶瑪數(shù)控設(shè)計(jì)了一種全對(duì)稱閉環(huán)張力伺服控制運(yùn)絲系統(tǒng)，其特點(diǎn)是：

（1）不管鉬絲處在正方向還是反方向運(yùn)絲，其張力檢測(cè)部件總是檢測(cè)包括放電加工區(qū)在內(nèi)的那一個(gè)鉬絲環(huán)內(nèi)的張力。由于是全對(duì)稱結(jié)構(gòu)，所以測(cè)試到的鉬絲環(huán)的張力，不會(huì)受到運(yùn)絲方向改變的影響。這種機(jī)構(gòu)可保證不失真地檢測(cè)到放電加工區(qū)那一段鉬絲的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)張力。因此，該閉環(huán)張力控制機(jī)構(gòu)在設(shè)計(jì)合理性和檢測(cè)精度上具有個(gè)性的優(yōu)點(diǎn)。

（2）為提高整個(gè)系統(tǒng)的頻率響應(yīng)速度，采用了伺服控制執(zhí)行元件。系統(tǒng)的伺服執(zhí)行元件可根據(jù)用戶的需要，或選用BYG電機(jī)，或選用日本進(jìn)口的安川交流伺服電機(jī)?？刂齐娐贩謩e有兩路輸出，可同樣滿足這兩類伺服電機(jī)的控制需要。

（3）鉬絲張力檢測(cè)部件經(jīng)過計(jì)量傳遞來校正，從而保證每臺(tái)機(jī)床鉬絲張力的精確度和一致性。整個(gè)鉬絲閉環(huán)張力伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)各部件間的自動(dòng)控制，全部受電路中一套數(shù)字邏輯電路的控制，從而使整個(gè)閉環(huán)張力伺服控制系統(tǒng)工作信賴。

（4）運(yùn)絲的閉環(huán)張力由機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)控制。用戶在預(yù)置加工參數(shù)時(shí)，增加了一項(xiàng)“鉬絲張力”的預(yù)置輸入。在多次切割的每次轉(zhuǎn)換切割時(shí)，機(jī)床數(shù)控計(jì)算機(jī)將根據(jù)用戶預(yù)置張力自動(dòng)改變鉬絲張力。經(jīng)用線材張力計(jì)實(shí)測(cè)，張力值的轉(zhuǎn)換是實(shí)時(shí)完成的。下一步將嘗試國(guó)外單向走絲電火花線切割機(jī)床所采用的“拐角處理”功能，在切割到輪廓拐角處，自動(dòng)減少脈沖，同時(shí)適度增加鉬絲張力，從而提高切割輪廓的精度。

（5）機(jī)床斷絲保護(hù)和自動(dòng)報(bào)警的檢測(cè)，改由張力檢測(cè)部件控制完成。其控制的靈敏度和反應(yīng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于目前采用兩塊導(dǎo)電塊與鉬絲同時(shí)接觸的斷絲檢測(cè)方案。這樣，在新機(jī)床的整個(gè)運(yùn)絲系統(tǒng)上，不使用鎢鋼導(dǎo)電塊，從而大大降低了由于鉬絲與導(dǎo)電塊之間機(jī)械高速磨擦造成的鉬絲損耗。

（6）設(shè)計(jì)了閉環(huán)張力伺服控制機(jī)構(gòu)自動(dòng)調(diào)整和位置保護(hù)裝置，設(shè)計(jì)了張力調(diào)整部件的極限位置保護(hù)裝置和燈光指示。在鉬絲張力自動(dòng)調(diào)整到極限位置時(shí)，系統(tǒng)將聲、光報(bào)警。為方便用戶操作，系統(tǒng)設(shè)計(jì)手動(dòng)方式和自動(dòng)方式，可采用手動(dòng)或自動(dòng)調(diào)整張力控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)返回到 起始位置。

（7）新機(jī)床還設(shè)計(jì)了自動(dòng)預(yù)張力的自動(dòng)上絲機(jī)構(gòu)。在完成自動(dòng)上絲后，將由計(jì)算機(jī)控制鉬絲張力自動(dòng)調(diào)整到用戶預(yù)置的張力值。完全取消了人工上絲、手工緊絲工序，從而真正達(dá)到歐共體CE穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)機(jī)械指令的要求。

（8）新機(jī)床采用電動(dòng)升降線架。在升降線架時(shí)，不必拆裝鉬絲，閉環(huán)張力系統(tǒng)可自適應(yīng)調(diào)節(jié)，始終保持預(yù)置的鉬絲張力。

3  機(jī)床加工測(cè)試實(shí)例

（1）精度和粗糙度

工件厚度40 mm，材料Cr12，平均加工速度55 mm2/min。三次切割試件尺寸精度為0.004 mm，表面粗糙度Ra1.0 μm。

工件厚度20 mm，材料Cr12，平均加工速度20 mm2/min。四次切割試件尺寸精度為0.004 mm，表面粗糙度Ra0.7 μm。

（2）鉬絲損耗

工件厚度40 mm，材料Cr12，平均加工速度80 mm2/min。加工300 000 mm2，鉬絲損耗為0.01 mm。

（3）切割效率

工件厚度40 mm，材料Cr12。實(shí)用穩(wěn)定切割效率：在120 mm2/min下穩(wěn)定切割500 000 mm2；較大切割效率：在200 mm2/min下切割12000 mm2以上； 切割效率：250 mm2/min。