劉志東，鄧 聰，潘紅偉

（南京航空航天大學(xué)，南京 210016）

傳統(tǒng)電火花加工 （Electrical discharge machining，EDM）中，在極間介質(zhì)被擊穿、形成放電通道后，極間電壓隨即由空載電壓降低至放電維持電壓[1]，由于兩金屬電極均為良導(dǎo)體，因而兩極間的各點(diǎn)電壓均為放電維持電壓，這樣的低電壓將無法再次擊穿介質(zhì)形成其他放電通道。因此，傳統(tǒng)電火花加工理論認(rèn)為，在一個(gè)脈沖期間內(nèi)，兩極間只能形成一個(gè)放電通道[2]。目前，電火花線切割加工普遍采用基于間隙平均電壓檢測(cè)的伺服控制方法，即通過測(cè)量與放電間隙大小有一定關(guān)系的間隙平均電壓作為判斷間隙變化的依據(jù)[3-4]。間隙大，則間隙平均電壓高，表明極間處于偏空載狀態(tài)，需要加快進(jìn)給速度；間隙小，則平均電壓低，表明極間處于偏短路狀態(tài)，需要減慢進(jìn)給速度；間隙為0 時(shí)，則為短路狀態(tài)，短路超過一定時(shí)限，控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)工具電極按原已加工軌跡回退，以消除短路狀態(tài)。

上述基于金屬材料建立的傳統(tǒng)電火花加工理論已被廣泛用于電火花線切割的實(shí)際加工中，但在一些特殊的應(yīng)用領(lǐng)域，傳統(tǒng)的金屬電火花加工理論已經(jīng)難以適用了。如在超高厚度工件和細(xì)絲切割中，加工時(shí)的電壓和電流信號(hào)顯著有別于常規(guī)金屬加工，加工過程也極不穩(wěn)定；一些復(fù)合材料切割的加工工藝指標(biāo)更是明顯低于金屬切割，甚至還會(huì)出現(xiàn)電極絲非正常斷絲的情況。隨著高端技術(shù)領(lǐng)域中對(duì)超高厚度工件、細(xì)絲切割、復(fù)合材料切割的應(yīng)用逐漸增加[5-6]，急需解決此類零件不能持續(xù)穩(wěn)定切割的問題。

1 半導(dǎo)體特性下的電火花線切割存在的問題

超高厚度電火花線切割加工（切割厚度≥1000 mm）、細(xì)絲切割（電極絲直徑Φ< 0.08 mm）及具有高電阻特性的金屬基陶瓷復(fù)合材料切割等切割方式具有的共同特點(diǎn)是：電極絲或工件，甚至電極絲和工件在放電加工時(shí)均不再作為導(dǎo)體 （等勢(shì)體）對(duì)待，由于工件大、電極絲長(zhǎng)或細(xì)，或者工件為金屬基陶瓷復(fù)合材料，電阻不能忽視[7-9]，因此具有了半導(dǎo)體特性。

1.1 半導(dǎo)體特性下無法進(jìn)行正常切割

上述切割條件下，由于工件/電極絲，或者兩者的電阻不能忽略，致使工件和電極絲本身都不能簡(jiǎn)單作為一個(gè)等勢(shì)體對(duì)待，當(dāng)工件或電極絲具有了半導(dǎo)體特性后，將對(duì)極間的放電特性及放電機(jī)理造成影響。

電火花加工通常通過測(cè)量與放電間隙大小有一定關(guān)系的間隙平均電壓作為判斷間隙變化的依據(jù)，從而控制伺服進(jìn)給。電火花加工極間取樣電壓UAD的取樣示意如圖1 所示。傳統(tǒng)與具有半導(dǎo)體特性的線切割加工取樣電壓UAD的對(duì)比如表1 所示（其中，i為放電電流；UBC為B、C之間的電壓）。

圖1 放電回路及極間電壓檢測(cè)示意圖Fig.1 Schematic diagram of discharge circuit and inter-electrode voltage detection

表1 傳統(tǒng)與具有半導(dǎo)體特性線切割加工取樣電壓UAD 差異對(duì)比Table 1 Comparison of diffe ence of the sampling voltage UAD between traditional WEDM and WEDM with semiconductor characteristics

普通切割基于兩金屬電極均為良導(dǎo)體，即等勢(shì)體，電阻可以忽略不計(jì) （R絲與R工均為0），因此當(dāng)極間介質(zhì)被擊穿形成放電通道后，極間電壓隨即由空載電壓降低至放電維持電壓，因而兩極間的各點(diǎn)處電壓均為放電維持電壓 （UAD=UBC），由此很容易區(qū)分出極間空載、放電及短路狀況，從而控制伺服進(jìn)給。但工件和電極絲具有半導(dǎo)體特性后，由于工件和電極絲電阻不可忽略，加工時(shí)在工件和電極絲上均會(huì)出現(xiàn)壓降 （工件上壓降iR工和電極絲壓降iR絲），并且由于放電點(diǎn)位置的變化，在工件和電極絲上出現(xiàn)的壓降也會(huì)隨之改變[10]。由于放電點(diǎn)位置一直在變化，因此工件上壓降iR工、電極絲壓降iR絲也一直在改變，致使極間的取樣電壓UAD不僅受到兩電極的極間放電電壓UBC影響，并且受到放電位置的影響，且無規(guī)律可循。由于無法對(duì)極間空載、放電、短路狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，從而無法進(jìn)行正常切割。

圖2 所示為直徑Φ0.18 mm 和Φ0.05 mm 的電極絲在放電時(shí)的極間電壓波形?？梢钥闯?，在使用直徑Φ0.18 mm 的電極絲加工時(shí)，放電與短路電壓區(qū)別明顯，兩者相差10 V；而使用直徑Φ0.05 mm 的電極絲加工時(shí)，放電與短路電壓基本相同。放電與短路電壓相同，必然會(huì)導(dǎo)致伺服進(jìn)給混亂。

圖2 不同電極絲直徑放電極間電壓對(duì)比Fig.2 Comparison of discharge voltage between electrodes with diffe ent wire diameters

1.2 半導(dǎo)體特性下無法進(jìn)行長(zhǎng)久穩(wěn)定切割

以往研究往復(fù)走絲電火花線切割加工時(shí)，通常未對(duì)正反向走絲加以嚴(yán)格區(qū)分，甚至將其看作是一種對(duì)稱加工方式。但實(shí)際上，往復(fù)走絲電火花線切割加工過程中由于受到重力的作用，會(huì)導(dǎo)致放電、冷卻、洗滌、排屑、消電離等一系列過程產(chǎn)生非對(duì)稱，因此嚴(yán)格意義而言，往復(fù)走絲放電是非對(duì)稱的，非對(duì)稱的放電方式將導(dǎo)致加工中產(chǎn)生諸多弊端[11]，最典型的就是自往復(fù)走絲誕生以來一直存在的“單邊松絲”問題?！皢芜吽山z”是指電極絲經(jīng)過一段時(shí)間的往復(fù)運(yùn)行放電加工后，出現(xiàn)電極絲在貯絲筒兩端一端松一端緊的現(xiàn)象。

超高厚度切割時(shí)，非對(duì)稱性導(dǎo)致的“單邊松絲”現(xiàn)象將隨著加工的延續(xù)體現(xiàn)得越來越明顯。因此如果正向走絲 （自上向下走絲）和反向走絲（自下向上走絲）切割時(shí)仍采用一樣的取樣伺服控制策略，將無法做到長(zhǎng)久穩(wěn)定切割。

貯絲筒兩端電極絲出現(xiàn)“單邊松絲”（電極絲在貯絲筒的一端緊，另一端則松）現(xiàn)象將致使在正反方向走絲時(shí)電極絲空間位置發(fā)生較大變化[12]，其示意圖如圖3 所示。正常加工時(shí)，極間狀態(tài)如圖3（a）所示；正向走絲時(shí)，電極絲張力逐漸減小，在放電爆炸力的作用下，電極絲會(huì)逐漸遠(yuǎn)離切縫前端，如圖3（b）所示，放電會(huì)從正常狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楹休^高比例空載脈沖的偏空載狀態(tài)；反向走絲時(shí)，電極絲張力逐漸增大，假設(shè)電極絲受到同樣的放電爆炸力作用，進(jìn)給方向上電極絲到工件表面的距離會(huì)逐漸減小，如圖3（c）所示，放電會(huì)從正常狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楹休^高比例短脈沖的偏短路狀態(tài)。

圖3 電極絲張力變化導(dǎo)致極間距離變化示意圖Fig.3 Schematic diagram of the change of inter-electrode distance caused by the change of wire tension

因此，即使解決了超高厚度工件能夠切割的問題，由于正反向走絲極間狀態(tài)的改變，相同的取樣伺服控制策略也無法保障正反向都能均勻長(zhǎng)久穩(wěn)定切割。對(duì)于超高厚度電火花線切割，還要解決如何做到長(zhǎng)久穩(wěn)定切割的問題。

同樣，對(duì)于細(xì)絲切割及金屬基陶瓷復(fù)合材料的切割，一旦出現(xiàn)非對(duì)稱切割嚴(yán)重的情況，也必須考慮采用正反向不同的取樣伺服控制策略。

2 半導(dǎo)體特性下的電火花線切割的特點(diǎn)

根據(jù)半導(dǎo)體材料的放電特性，本研究團(tuán)隊(duì)提出了基于電流脈沖概率的伺服控制方法。其原理是通過對(duì)一段時(shí)間內(nèi)脈沖電源施加于電極絲與工件之間的空載脈沖、正常放電脈沖及短路脈沖的數(shù)量分別進(jìn)行檢測(cè)、統(tǒng)計(jì)、分析后，對(duì)放電間隙狀態(tài)進(jìn)行判別的一種方法。半導(dǎo)體電火花線切割加工時(shí)，放電電流波形相較于電壓波形更具有辨識(shí)度[13]，因而主要是根據(jù)電流脈沖信號(hào)來區(qū)分放電狀態(tài)，計(jì)算出一定時(shí)間內(nèi)的電流脈沖概率作為伺服進(jìn)給的依據(jù)，并將此概率與設(shè)定的目標(biāo)放電概率進(jìn)行比較，當(dāng)放電概率小于目標(biāo)概率時(shí)，表明空載脈沖較多，放電間隙較大，應(yīng)提高進(jìn)給速率；當(dāng)放電概率大于目標(biāo)概率時(shí)，表明短路脈沖較多，放電間隙較小，應(yīng)降低進(jìn)給速率?；陔娏髅}沖概率的伺服控制流程如圖4 所示。研究證明，基于電流脈沖概率的伺服控制策略大大提高了半導(dǎo)體電火花線切割加工的穩(wěn)定性，同時(shí)對(duì)于傳統(tǒng)金屬電火花加工也同樣適用，能夠發(fā)展成為一種通用的電火花伺服控制方法。

圖4 基于電流脈沖概率的伺服控制流程圖Fig.4 Servo control flow chart based on current pulse probability

圖5 為切割1500 mm 超高厚度工件時(shí)，采用傳統(tǒng)電火花線切割使用的固定閾值峰值電壓伺服控制方法加工所檢測(cè)到的脈沖放電概率?？梢钥吹?，中間加工相對(duì)穩(wěn)定區(qū)間（ 電極絲在緊邊時(shí)），檢測(cè)到的放電加工波形主要以正常放電和短路波形為主，但在此區(qū)間的兩側(cè)（ 電極絲在松邊時(shí)），則出現(xiàn)了大量的空載波形。這就是電極絲往復(fù)走絲后形成的“單邊松絲”所造成的，并且對(duì)于超高厚度切割而言，隨著切割的延續(xù)，這種現(xiàn)象將愈來愈嚴(yán)重，最終導(dǎo)致切割無法穩(wěn)定進(jìn)行。

圖5 固定閾值平均電壓檢測(cè)伺服控制的脈沖放電概率Fig.5 Pulse probability of average voltage detection-based servo control method with a fixed threshold

圖6 所示為相同切割工件條件下，采用了電流脈沖概率檢測(cè)且在正反向走絲時(shí)采用不同伺服控制策略加工時(shí)的脈沖放電概率，可以看出，加工時(shí)空載、放電和短路概率變化較小，且空載概率略大于短路概率，“單邊松絲”現(xiàn)象導(dǎo)致的超高厚度切割不穩(wěn)定情況得到大幅降低，機(jī)床能夠持續(xù)平穩(wěn)地進(jìn)給。由于切割平穩(wěn)性得到提高，超高厚度切割的切割速度及表面質(zhì)量均獲得很大的提高，并且可以長(zhǎng)久持續(xù)。

圖6 正反向走絲不同控制策略的脈沖放電概率Fig.6 Pulse probability of diffe ent control strategies for forward and reverse wire traveling

3 半導(dǎo)體特性下的電火花線切割應(yīng)用

3.1 超高厚度切割

隨著航空航天、核工業(yè)、軍工、船舶、汽車及模具制造業(yè)等行業(yè)對(duì)零件要求的提高，為保障某些高厚度大型結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度及工作的可靠性和安全性，一方面采用整體鑄鍛件代替多件連接或焊接件；另一方面，有些高厚度大型結(jié)構(gòu)件因?yàn)椴牧咸厥舛鵁o法焊接，必須采用整體構(gòu)件。這些高厚度結(jié)構(gòu)件中的特殊形狀及窄槽、窄縫、鍵槽，目前只能由電火花線切割加工完成[14]。因此出現(xiàn)了諸多有別于一般電火花線切割加工的超高厚度切割情況。圖7（a）是國際熱核聚變?cè)囼?yàn)堆 （ITER）磁體支撐產(chǎn)品整體鍛造U 型磁體裝置 （切割高度為1100 mm 窄槽，材料為316LN 不銹鋼）；圖7（b）是某船舶制造廠需要加工的零件（切割高度為1000 mm，材料為鈦合金）；圖7（c）是過濾油壓機(jī)銅內(nèi)套 （切割高度為1120 mm，材料為QAL9 - 4 鋁青銅）。這類超高厚度零件材料特殊且形狀復(fù)雜，加工周期很長(zhǎng)，需要能持續(xù)穩(wěn)定切割。

3.2 細(xì)絲切割

隨著對(duì)微小零件（微小齒輪、微小花鍵和微小連接器）、傳感器及貴重金屬特殊復(fù)雜零件加工的需要，微細(xì)電火花線切割加工在許多微型機(jī)械生產(chǎn)領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用。但目前的細(xì)絲電火花線切割領(lǐng)域，幾乎被單向走絲電火花線切割所壟斷，在細(xì)絲加工時(shí)，放電能量非常微弱，隨著電極絲直徑與放電能量的大幅度減小，放電過程及其作用機(jī)理均發(fā)生了本質(zhì)的變化，對(duì)走絲系統(tǒng)、微精脈沖電源、加工過程控制策略等都提出了更高的要求。但從切割機(jī)理考慮，往復(fù)走絲電火花線切割由于走絲速度快，電極絲獲得的冷卻將更加及時(shí)[8]，其切割的持久性、穩(wěn)定性、切割速度及性價(jià)比將大大高于單向走絲電火花線切割的細(xì)絲切割。

常規(guī)往復(fù)走絲電火花線切割電極絲通常為直徑Ф0.18 mm 的鉬絲，而目前細(xì)絲切割一般使用直徑Ф0.05～0.08 mm 的細(xì)鉬絲。根據(jù)鉬絲電阻率及電阻計(jì)算公式可知，直徑Ф0.05 mm 的鉬絲電阻是Ф0.18 mm 鉬絲的12.96 倍，因此，對(duì)往復(fù)走絲電火花細(xì)絲切割而言，隨著電極絲直徑的減小，電極絲電阻大大增加，由此帶來的對(duì)放電特性、取樣及伺服控制的影響不可忽略；同時(shí)，由于較大電阻的存在，放電加工中的電極絲不再是等勢(shì)體，而具有了半導(dǎo)體特性。因此，與傳統(tǒng)電火花線切割相比，電火花細(xì)絲切割在脈沖電源及能量控制、伺服控制方法、走絲系統(tǒng)等方面均有所差異。

近年來，通過對(duì)現(xiàn)有往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床系統(tǒng)改進(jìn)，從細(xì)絲切割的微精脈沖電源、伺服控制、走絲系統(tǒng)及張力控制、斷絲控制等方面進(jìn)行了深入研究，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了直徑Ф0.05 mm 電極絲的高厚度工件的連續(xù)穩(wěn)定切割。圖8 所示小齒輪厚度為20 mm，齒數(shù)為10，齒頂圓直徑為Φ2 mm，Φ0.05 mm 電極絲切割用時(shí)19 min。

圖8 直徑Φ0.05 mm 電極絲切割的小齒輪樣件Fig.8 Pinion sample cut with Φ0.05 mm wire diameter

因此，對(duì)于往復(fù)走絲的細(xì)絲切割，在某個(gè)直徑范圍能進(jìn)行高深徑比工件的切割，這種優(yōu)勢(shì)是單向走絲電火花線切割無法比擬的。

3.3 金屬基陶瓷復(fù)合材料切割

隨著制造水平的不斷發(fā)展，高新技術(shù)領(lǐng)域?qū)π滦凸こ滩牧系男枨笤絹碓狡惹?，傳統(tǒng)的金屬材料往往不能在各個(gè)方面都滿足工作條件的要求。金屬基陶瓷復(fù)合材料由于具有高強(qiáng)、超硬、耐高溫、耐磨、耐腐蝕等特性，已被廣泛應(yīng)用于航空航天、化工、軍事、機(jī)械、電子通信等領(lǐng)域。然而，正是由于其高硬度和高脆性，使得金屬基陶瓷復(fù)合材料的成形加工，尤其是復(fù)雜形狀的加工極為困難。電火花線切割加工具有幾乎不受材料機(jī)械性能影響，以及適合加工各種復(fù)雜形狀的特點(diǎn)，成為加工金屬基陶瓷復(fù)合材料最具潛力的特種加工方式之一。

由于特殊的材料特性，使得金屬基陶瓷復(fù)合材料的電火花線切割加工與傳統(tǒng)金屬切割存在很大差異。一方面，金屬基陶瓷復(fù)合材料由于包含Al2O3等不導(dǎo)電化合物的組分，導(dǎo)致材料本身存在一定的電阻率，并且不導(dǎo)電組分的含量越高，金屬基陶瓷復(fù)合材料的導(dǎo)電性能就越差，呈現(xiàn)愈加明顯的半導(dǎo)體特性，因而影響其電火花線切割加工時(shí)的放電特性；另一方面，在電火花線切割加工金屬基陶瓷復(fù)合材料過程中，產(chǎn)生的非導(dǎo)電蝕除物Al2O3容易黏附在電極絲表面，嚴(yán)重影響電極絲的導(dǎo)電性能，導(dǎo)致電極絲隨著加工的延續(xù)也逐漸具有了體電阻，性能類似于半導(dǎo)體材料，此時(shí)的電極絲也會(huì)呈現(xiàn)出明顯的半導(dǎo)體特性。因此，如果要進(jìn)行長(zhǎng)久穩(wěn)定的切割，也必須采用基于半導(dǎo)體特性下的新的放電加工體系來解決金屬基陶瓷復(fù)合材料的加工問題。

4 結(jié)論

（1）半導(dǎo)體特性下的電火花線切割加工，工件、電極絲或兩者具有的高電阻特性會(huì)導(dǎo)致放電時(shí)的極間電壓升高，使用傳統(tǒng)的間隙平均電壓檢測(cè)無法準(zhǔn)確判斷極間的加工狀態(tài)。

（2）具有半導(dǎo)體特性的電火花線切割加工，正、反向走絲過程中加工的非對(duì)稱性會(huì)顯著影響切割穩(wěn)定性，應(yīng)在正、反向走絲時(shí)采用不同的控制策略以提高其持續(xù)切割的能力。

（3）半導(dǎo)體特性下的電火花線切割加工的極間放電特性和機(jī)理會(huì)發(fā)生顯著變化，會(huì)影響電火花線切割的切割速度、表面質(zhì)量及加工精度。