電火花線切割加工

隨着工業生產規模的擴大和製造業技術的發展，線切割技術作為特種加工技術的一種，憑藉其高加工精度、高生產效率、低功耗、製造成本低等特點，在機械加工生產中得到了廣泛的應用。特別是在模具加工行業，電火花線切割技術廣泛應用於冷沖模、擠壓模加工中，改變了過去用分開模和曲線磨削的加工模式，縮短了製造週期，降低了製造成本，配合精度高。 ^[2] 

線切割加工是通過電火花的放電原理對零件進行加工。將工件接入脈衝電源正極，採用鉬絲或銅絲作為切割金屬絲，將金屬絲接高頻脈衝電源負極作為工具電極，利用火花放電對加工零件進行切割。脈衝電源提供加工能量，加工過程中應用專用的線切割工作液清除加工中產生的碎屑。在電場的作用下，陰極和陽極表面分別受到電子流和離子流的轟擊，使電極間隙內形成瞬時高温熱源使局部金屬熔化和氣化。氣化後的工作液和工件材料蒸汽瞬間迅速膨脹，在這種熱膨脹以及工作液衝壓的共同作用下，熔化和氣化的工件材料被拋出放電通道，至此完成一次火花放電過程。

當下一個脈衝到來時，繼續重複以上的火花放電過程，從而將工件切割成形。通過數控編程來對金屬絲的切割軌跡進行控制。 ^[2] 

線切割技術主要具有以下特點：

（1）加工中不存在顯著的機械切屑力，無論工件硬度和剛度如何，只要是導電或半導電的材料都能進行加工。但無法加工非金屬導電材料。

（2）可以加工小孔和複雜形狀零件，但無法加工盲孔。

（3）電極絲損耗小，加工精度高。

（4）加工時產生的切縫窄，金屬蝕除量少，有利於材料的再利用。

（5）工件材料過厚時，工作液較難進入和充滿放電間隙，會對加工精度和表面粗糙度造成影響。

（6）加工過程中可能會在工件表面出現裂紋、變形等問題，加工之前應適當熱處理和粗加工，消除材料性能和毛坯形狀的缺陷，提高加工精度。

（7）通過數控編程技術對工件進行加工，可對加工參數進行調整，易於實現自動加工。 ^[2] 

高速走絲電火花線切割機作為我國獨創技術的機種, 已成為我國數控機牀中產量最大、應用最廣的機種之一。據估計目前全國有數萬台高速走絲電火花線切割機正在模具製造和零件加工中發揮着重要的作用。由於高速走絲有利於改善排屑條件, 適合於大厚度和大電流高速切割, 加工性能價格比優異深受廣大用户的歡迎。因而在未來較長的一段時間內, 高速走絲電火花線切割機仍是我國電加工行業的主要發展機型。

2000年國產最大的低速走絲線切割機牀生產單位年銷售量僅為一百多台, 約佔全國市場的九分之一, 而到2002年其銷售量已佔全國市場的五分之一, 並且這些產品通過合資引進了技術, 使產品水平跨越了一個台階, 達到了國際 20世紀90年代初的水平。譬如切割速度可達200多m㎡/min,加工精度達5 μm,粗糙度R。達零點幾個微米, 其價格僅為 50萬元左右人民幣 ( 約為同類進口機牀的二分之一) , 取得了良好的開端, 具有廣闊的前景。隨着模具行業的迅速發展及水平的不斷提高, 精密零件的加工需求增加, 低速走絲線切割機牀及使用耗材價格迅速下降, 加之人們對低速走絲線切割加工認識的逐步深人, 預計低速走絲線切割機的年銷量將不斷擴大, 國產低速走絲線切割機的佔有率也將進一步上升, 並且有望出口國際市場。 ^[1] 

慢走絲線切割機牀（低速走絲電火花線切割機牀）的切割速度一般為0.2m/s，精度達0.001mm級，通常以銅線作為電極絲。電極絲作低速單向運動，加工表面質量接近磨削水平，其工作平穩、均勻、抖動小、加工質量較好，生產效率高，可達350/min。慢走絲線切割機牀採取電極連續供絲的方式，電極在損耗的同時也可以得到補充，所以可以提高加工精度。慢走絲線切割機牀所加工的工件表面粗糙度值一般可以達到Ra0.8μm及以上，且圓度誤差、直線誤差和尺寸誤差都比快走絲線切割機牀小。

中走絲線切割機牀屬往復高速走絲電火花線切割機牀範疇，是在高速往復走絲電火花線切割機上實現多次切割功能。所謂的“中走絲”並非是走絲的速度，而是指往復走絲電火花線切割機借鑑了一些低速走絲機的加工工藝技術，並實現了無條紋切割和多次切割。目前走絲控制可以實現七次切割，其中最主要的是第一次切割對工件進行高速穩定切割和第二次切割任務下對工件進行精修，其它則只是進行拋磨修光等來提高精度。中走絲線切割機牀兼具快慢走絲線切割機牀的優點，但是切割過程中需要注意變形處理。工件在切割時產生的熱應力會使材料出現不定向、無規則變形，導致切割吃倒量不均，影響切割精度。所以切割過程中必須根據不同材料預留不同加工餘量來充分釋放內應力及變形。

快走絲線切割機牀（往復走絲電火花線切割機牀）電極絲一般採用鉬絲，一般加工速度可達6~12m/s。機牀工作時通過電極絲接脈衝電源負極，工件接脈衝電源正極，高頻脈衝電源使工作液擊穿形成放電通道，粒子在電場力的作用下轟擊被加工件的表面，使得工件表面被瞬間熔化。同時電極絲可以快速通過工件被加工出的凹坑，所以電極的蝕除量遠小於工件的蝕除量，減少了電極絲的損耗。由於加工過程中電極絲是往復走絲的，而機牀不能對電極絲施加恆定張力控制，所以會出現電極絲抖動等現象，造成斷絲。同時，往復走絲使得多次使用後電極絲損耗，加工精度和工件表面質量會下降。

立式迴轉電火花線切割機牀相對上述兩種機牀其電極絲多了一個繞軸的迴轉運動，其加工速度為1~2m/s。由於迴轉運動的存在，其加工過程產生了一系列有益的工藝效果，如：電極絲磨損均勻，絲的壽命被延長；電極絲運動的平穩度有明顯提高，斷絲率下降；迴轉運動可以使較小的張緊力達到加高的加工精度。 ^[3] 

電火花線切割加工速度不僅直接影響加工精度，同時它也決定了加工的效率，而提高了加工速度並不意味同時也可以提高加工精度，所以線切割速度成了影響加工精度的首要因素之一。

在線切割過程中，脈衝電流、脈衝電壓的脈衝間隔直接決定了切割速度。相同的放電能量，脈衝間隔越小就意味着放電平均電流越大，切割速度也就越快。但是，實際生產中脈衝間隔的大小受到限制，過小同樣不利於加工，這樣會使放電過程中去除的材料無法及時排除，使得放電間隔沒有足夠的時間進行電消離，進而導致加工過程不穩定甚至是出現斷絲等現象。故而不能單方面通過減小脈衝間隔來提高加工速度。所以為了在保證加工精度的同時提高加工速度，通常我們需要儘量縮小脈衝間隔的同時也要使得脈衝電源放電間隔具有一定的自適應能力來配合放電間隙。

電火花加工脈衝放電時會導致工作液擊穿，在放電區域產生瞬間高温將工件表面金屬熔化或汽化。其微觀過程是放電產生電子或離子轟擊金屬表面，而粒子轟擊方向與工具工件所處電極相關，脈寬不同時逸出的粒子種類不同，所以由此可知工具電極也受到轟擊而造成工具損耗。電火花線切割的加工電極絲損耗原因亦是如此。另外，加工過程中如果脈寬過小，會出現二次放電而造成拉弧，燒傷加工表面的同時也會損傷電極絲。不僅如此，加工過程中峯值電流也會造成電極絲損耗，其影響甚至高出脈寬的影響。峯值電流過高不僅會造成加工面達不到精度要求，同時也會損耗電極絲。

加工過程中工具和工件的運動都是靠工作台的驅動來實現。工作台對加工精度的影響主要體現在機械傳動精度上，其中包括機牀的裝配精度、配合間隙、工作環境，以及走絲傳動精度等。工具與工件的運動由構成機牀的運動部件決定，首先機牀中絲桿、螺紋、螺母、齒輪等零件存在加工誤差，其次由於機牀長時間的使用導致零件磨損會產生誤差，第三，零件在裝配時也存在裝配精度誤差，種種誤差集中體現在機牀的傳動中，這直接導致加工過程中加工表面粗糙度達不到要求，電極絲抖動產生表面加工條紋等。

加工時“抬刀”目的是使工作液沖洗加工間隙中的電蝕廢物和更新工作液，有利於提高加工精度。但是機牀工作時每次“抬刀”都未必足夠及時，有可能在放電條件良好不需要進行“抬刀”卻“抬刀”，也有可能出現電蝕產物積聚過多，應該“抬刀”而未“抬刀”。“抬刀”的不及時或“過及時”不僅會影響到加工速度，也會使工件產生拉弧燒傷等現象。 ^[3] 

依靠微細線切割技術來加工大型機械難以加工的微小零件。電極絲採用鎢絲，由於電極絲直徑細小，加工時放電能量非常微弱，因此對於脈衝控制系統，機牀精度等方面的要求很高。微細電極絲加工可獲得的加工精度，且在微小零件窄槽、微小齒輪的加工中具有優勢，越來越受到機械加工行業的重視。

機牀對加工精度的影響在機械傳動精度上，主要包括機牀的傳動精度、定位精度、幾何精度和裝備精度等。機牀中絲槓、螺母、齒輪等零件存在加工誤差，導致加工過程中加工表面粗糙度達不到要求。應用先進技術例如：使用新型材料製造機牀增加機牀整體的精度和剛性、交流伺服電機直聯驅動，螺距誤差自動補償功能和反向間隙補償功能，來提高機牀的加工精度。

應用實時監控系統，根據放電狀態適時控制脈衝電源參數，有效地提高線切割加工效率、降低斷絲概率。數字化脈衝電源採用PLD作為高頻脈衝電源的主振控制芯片，由數控系統數字設置脈衝電源的電流前沿的上升速率，降低電極絲損耗。數字自適應脈衝電源的可直接與PC端相連接，獲得放電間隙狀態的信息並根據一定的算法進行自適應控制，進而提高加工精度。

多次切割加工是高速走絲線切割機的一個重要發展方向。在進行精密加工時，很難憑藉一次走絲就將工件加工完成，需要多次加工來實現。隨着脈衝電源、換絲控制系統、算法策略方面的技術進步，在一些機械加工中已經實現了高速多次切割加工。但加工的穩定度仍然不足，還有改進的空間來實現更高精度的加工。

目前線切割加工主要應用的智能技術有：模糊控制技術、專家系統和自動化控制系統等。電極絲張力與絲速的多級控制、邊界面切割的適應控制、工作液參數的適應控制與調節之類的智能控制系統已廣泛應用於線切割加工行業。專家系統使計算機系統具有人類專家解決問題的能力，只需定義加工對象，設定相關零件性能和加工目標，專家系統就能自動生成加工工序，無須機牀操作者手動編程。當加工系統出現故障時，會自動報警，計算機系統自動揭示所出現的問題和解決問題的措施，大大減少排除故障的時間。 ^[2] 

我國正致力於開發第三代數控多線切割機牀，主要用於半導體單晶硅材料的切割，其基本特徵：最大加工尺寸820 mm×220 mm×220 mm；張力控制精度：小於0.5 N；鋼絲運行速度：最快900 m/min；最小切片厚度：0.1 mm；單片平行度≤0.005 mm；使用切割線直徑：φ0.10～φ0.18 mm；切片速度：0.01～999.9 mm/min。

主要攻克的難點包括多線切割機牀張力控制技術，高速主軸技術，多傳感器智能檢測技術，故障自診斷技術。

張力控制是多線切割機牀的核心技術之一。在切割過程中，切割線的張力一般設定在25～30 N，切割線單向或者往復運動完成切割動作時，張力必須保持穩定。張力穩定性將影響切割過程中切割線的抖動，直接影響加工質量；同時，張力穩定性也決定了切割線的穩定性，因為如果在切割過程中由於張力不穩定而造成斷線，則將損失掉成百上千片的切片，造成巨大的經濟損失。

高速主軸技術是實現高速加工的主傳動部分，散熱和潤滑是高速主軸技術的兩大難點。在主軸高速運轉的情況下，主軸軸承將產生大量熱量，如果不能保證散熱能力，則會降低軸承的壽命和加工精度，甚至損壞軸承和電機等；高速主軸的潤滑也是一大難點，為了減小軸承內部摩擦和磨損，降低發熱量，必須要有良好的潤滑機構。目前主要的潤滑方式有：脂潤滑、油霧潤滑、少油潤滑3種。其中少油潤滑是一種新型的潤滑方式，具有供油量精確，散熱效果好，潤滑油利用率極高，無環境污染等特點。

多傳感器智能檢測技術是大型數控多線切割機牀必須解決的技術難點。主要包括：張力檢測傳感器，切割線偏轉傳感器，斷線檢測傳感器，工作台異常檢測傳感器，排線器異常檢測傳感器等。這些傳感器是相互聯繫的，如何接收眾多傳感器的反饋，實現對多線切割機牀系統的穩定可靠的控制，是在大型數控多線切割機牀的研製中必須解決的問題。

故障自診斷技術是大型數控多線切割機牀智能化的重要部分，在發生故障時，系統可根據監測的結果進行故障定位，並給出實時處理方案,提高了系統的安全性和穩定性。系統故障自診斷技術實現故障檢測、故障報警、故障存儲、故障處理等功能。此外，針對國際上數控多線切割機牀的發展趨勢，可以增加自動繞線功能，以提高設備自動化水平，節約人工手動繞線的時間，提高生產效率；研究砂漿中研磨材料配比以及供砂方式，可以提高硅片的加工質量；增加設置硅材料回收裝置，將被切割下來的硅材料從研磨液中分離出來供再次利用，進一步降低切割的損耗。國產第三代數控多線切割機牀的研製成功，將會打破國內 φ200 mm硅片生產線上的最後一個瓶頸，打破國外產品市場壟斷，降低IC行業購置和運行成本，具有巨大的經濟效益和社會效益。 ^[4] 

在編程系統CAD環境下，繪製零件的輪廓；完成後從CAD環境進入到CAM環境中；完成刀路軌跡的繪製，建立所需加工的零件模型，通過拾取輪廓來新建零件，設置機牀加工參數，完成零件的建模之後建立程序，使用仿真功能模擬實際加工效果，最後進行後置處理，生成加工所需要的G代碼文件。

（1）錐度切割相比普通切割排屑較難，可適當增加放電間隔，便於工作液帶走加工時產生的廢屑，降低斷絲情況的發生。

（2）在加工熱處理變形大、鍛造性不強的工件時，切割產生的熱應力會導致工件變形，影響切割精度，可縮短上噴嘴與工件上表面之間的距離，使切削液能更為有效的對加工部位進行冷卻，同時根據工件的材質預留不同的加工餘量來減少熱變形帶來的加工誤差。

（3）在滿足電極絲剛性的前提下，儘量提高電極絲的張力，減少單個放電脈衝的能量，有條件可採用微細鎢絲進行加工來減少電極絲在加工過程中的偏移量。

（4）進行誤差補償。通過加工工藝試件，檢測加工的錐度角，根據測量結果進行調節。通過調整上導絲嘴與工作台面的距離值（ZSD值）來修正錐度。調整完成後對下導絲嘴至工作台面的距離值（ZID值）進行調整。修正ZID值時，會影響高度參數變化而又影響了錐度。那麼必須把修正值附加在ZSD上，使高度參數不變錐度才不會發生改變。也就是如果ZID增加一值後，ZSD應該減去這一值。

（5）使用校正器代替火花法對電極絲進行垂直度校正。火花法利用間隙火花放電瞬間，記下滑板對應座標值來對算電極絲中心座標值，對於精密度要求高的錐度加工而言誤差較大，導致加工完成的工件在各個方向上的錐度不一致。校正器利用光電原理，性能穩定、精度保持性好，能確保電極絲的垂直度。 ^[2] 

數控線切割機牀加工解決了很多傳統加工難以解決的難題，尤其在小角度、錐度切割等產品加工過程中更具優勢，已廣泛應用於汽車、機牀生產、航天等工業領域。線切割技術通過對加工參數的合理優化和進行誤差補償，能夠完成高精度的加工，在機械加工領域佔據了重要的地位。運用新技術、新工藝促進數控電火花線切割技術的高速發展，加大對線切割技術的投入，從而推動整個機械加工行業的發展。 ^[2]