技术

1　快走絲(高速走絲)線切割加工技術的現狀

　　有我國特色的數控高速走絲電火花線切割加工技術自60年代末研制成功以來，經過30年的不斷完善和發展，現已成爲制造業中不可缺少的加工手段。目前，高速走絲線切割機的切割速度已由過去的20～40mm²/min普遍提高到100mm²/min以上，有的可達到260mm²/min，機床的加工精度爲±0.01mm，工件的表面粗糙度爲R_a1.25～2.5μm,因而可滿足一般模具加工和其他複雜零件制造的要求。
　　随着科學技術的發展，對各類産品的制造要求越來越高，對線切割加工技術也提出了更高的要求。國外(歐美、日本等)研究發展的數控低速走絲電火花線切割機爲适應對制造加工技術的要求，采用閉環數字交(直)流伺服控制系統，确保優良的動态性能和高定位精度，加工精度可控制在若幹微米以内。同時機床具有數字自适應控制電源、自動穿絲、自動卸除廢料、短路自動回退等自動化技術，此外對電極絲張力和工作液壓力也可進行控制。由于使用了新技術并注重計算機軟件技術的更新和發展，低速走絲線切割機的工藝指标已達到了相當高的水平。即使對形狀複雜零件的加工，最高切割速度也可超過300mm²/min；尺寸精度可達到±2～5μm；表面粗糙度可達到R_a0.1～0.2μm(多次切割)。機床的自動化程度高，加工穩定性好，已向無人化加工發展。
　　由于高、低速走絲線切割加工采用不同的技術方案，無論是機床的結構，還是運絲系統或是加工條件都有很大的差異。簡單地對比機床的加工性能未
必十分恰當，但排除價格因素，與低速走絲線切割加工技術水平相比，高速走絲線切割加工的精度、功能、工藝指标、自動化程度等方面還有明顯的差距。随着科技的發展，對制造技術的要求越來越高，高速走絲線切割機面臨相當嚴峻的形勢，應加快發展機床新技術，運用新工藝，奮力趕上。本文針對高速走絲線切割加工技術的發展趨勢，結合當前數控技術的發展，進行了探讨。

2　快走絲(高速走絲)線切割加工技術的發展趨勢

　　高速走絲線切割機由于受到電極絲損耗、機械部分的結構與精度、進給系統的開環控制、加工中工作液導電率的變化、加工環境的溫度變化及本身加工的特點(如運絲速度快、振源比較多、導輪磨損大)等因素影響，機床的加工精度有限。以目前機床的現狀，要在較短的時間内與低速走絲線切割機在加工精度方面進行競争，困難是相當大的，而且研究開發的代價也會很高，機床的制造成本将大幅度提高，從現實和市場的角度來考慮都是不太适宜的。因此，高速走絲線切割機的發展策略是揚長避短，以發展中低檔機床爲主，使機床向适當加工精度、良好的加工穩定性和容易操作的方向發展，來滿足不斷發展的生産需要。目前市場上高速走絲線切割機最大的優勢在于擁有良好的性能價格比，機床的進一步發展必須以此爲基本出發點，不能過分強調機床加工精度，而忽視機床性能價格比的因素。如違背這一原則，機床制造商和用戶都難以接受。爲在較短的時間内，使高速走絲線切割機的加工性能有較大的提高，在今後的發展中應優先注意以下方面的研究。
2.1　基于PC的數控系統的開發
　　數控系統是數控機床的核心部分，其控制性能不僅直接影響機床加工的質量和穩定性，而且也是擴大機床加工範圍、實現複雜加工的重要手段。目前，各國都非常重視數控技術的研究，将其作爲實現制造技術突破性發展的一個重點。數控系統技術當前發展的一個重要趨勢是開放式數控系統。其含義是：數控系統的開發者在一個統一的體系結構下開發自己的産品，該體系結構是一個廣泛認可且透明的規範。這種結構對電加工機床數控系統的重要性已非常明确了^［1］。
　　高速走絲線切割機要進一步發展，必須擺脫單闆機作爲數控系統，采用新的數控系統。根據目前國際上數控系統發展趨勢及PC的發展情況，應開發和使用基于PC的數控系統。衆所周知，PC本身是插卡式結構，是标準的開放式體系結構的系統。如高速走絲線切割機開發基于PC的數控系統，那将是國産高速走絲線切割機數控系統向開放式數控系統發展的一個有效方法。當前，PC的價格持續下降，而性能和穩定性不斷增強，使用PC不僅爲高速走絲線切割機數控系統提供了優越的硬件平台，而且能保持機床性能價格比的優勢。
　　目前國内已有基于PC的高速走絲線切割機數控系統，但其主要功能是加工軌迹編程，機床加工控制功能還很不完善，沒有充分利用PC的資源。今後，可在以下幾個方面開展工作：
　　(1)傳統的伺服進給控制系統多采用分立元件組成邏輯電路，對放電狀态的檢測一般采用平均電壓法，這種方法的缺點是對放電間隙狀态的檢測不夠準确，對放電開路狀态較敏感，而對正常放電和短路放電狀态響應較慢，難以進行準确的進給跟蹤，因此加工的穩定性差。解決放電間隙的檢測必須對放電狀态進行分類統計，并建立控制模型，可采用單獨的芯片實現對放電間隙的檢測，控制模型以軟件的形式存在于PC中，芯片與PC以RS 232接口或主闆插卡的方式連接。
　　(2)傳統的脈沖電源多爲等頻的矩形和分組脈沖信号，放電信号不随放電加工中的間隙狀态而自适應變化，加工效果差，因此研制數字自适應脈沖電源的意義重大，該電源可直接與PC相連接，獲得放電間隙狀态的信息，并根據一定的算法進行自适應控制。
　　(3)加工參數的優化選取對高速走絲線切割加工也非常重要。長久以來，高速走絲線切割的工藝數據庫和加工參數優選功能爲國内機床制造商所忽略，高速走絲線切割的工藝參數優化及自動選取軟件将是新一代高速走絲線切割機必備的，同時基于PC的數控制系統可十分容易地将此軟件模塊進行集成。
　　(4)目前的高速走絲線切割機幾乎沒有教育培訓功能，因此機床的操作培訓難，機床的的使用性能依賴操作人員的水平，已是衆所皆知的問題，而基于PC的數控系統将充分利用目前PC日益成熟的多媒體技術，将爲這一功能的實現提供良好的軟、硬件基礎。
　　充分利用PC的資源來開發高性能的數控系統，将是高速走絲線切割機的一個重要發展方向。
2.2　人工智能(AI)技術的運用
　　智能化數控系統也是當前數控技術發展的另一個重要趨勢。由于在機床加工控制系統中使用了智能控制技術，機床自動如有經驗的操作者一樣使加工過程持續、穩定、優化地進行。人工智能技術也成功地運用到加工參數的設定、加工程序的生成、工件位置的測定及加工結果的測量等整個機床操作過程，大大地提高了機床的加工性能和自動化程度，降低了對操作者的要求，使非熟練操作者也能取得熟練操作者的加工效果。且人工智能技術多以計算機軟件的形式存于主控系統，因此研究開發的成本低，而且功能易于擴展、使用靈活、更新的速度快，在當前提高數控機床的自動化、可操作性和增強機床的功能中所起的作用越來越大。
　　高速走絲線切割加工由于運絲速度快、開環控制等加工特點，故放電加工過程具有複雜的随機性，傳統理論對其研究進展緩慢，加工機理至今還不十分明了。人工智能技術的興起，爲高速走絲線切割加工技術的進一步發展提供了新的有效方法。低速走絲線切割機中，機械部分已是相當穩定，現在主要是軟件的功能不斷更新、增強，并逐步發展到運用人工智能技術。作爲有中國特色的高速走絲線切割機，應抓住這次機會，充分重視人工智能技術的研究和運用。人工智能技術運用到電火花線切割加工，在國際上也是一個新的領域，因此有一定的難度，在研究中要針對高速走絲線切割加工的關鍵性環節，同時注意借鑒國外發展的經驗，使高速走絲電火花線切割機向智能化方向發展，以提高機床的整體加工性能。目前國内已開始進行人工智能技術在電火花線切割加工中的研究，然而研究的深度和廣度還很不夠。還有許多方面有待進一步研究：
　　(1)高速走絲線切割機的伺服進給變頻調節一直依靠操作人員，因此操作人員的工作強度大，機床性能的發揮受到限制。模糊控制技術是人工智能技術中的一個重要方面，它能模仿熟練工人對機床進行控制，已在電火花成形機上成功地應用，在電火花線切割加工中具有良好的應用前景。
　　(2)總結多年來高速走絲線切割加工工藝研究成果，建立相應的知識庫和專家系統，降低機床的操作難度是十分必要的。瑞士阿奇公司的Agievision專家系統，其智能化功能隻需規定一些有關加工工件的性能和加工要求即可。加工工序是自動生成，且自動連接各道工序，無須人工幹預，大大降低了機床操作人員的工作強度。
　　(3)在加工參數自适應等方面能有所作爲。日本沙迪克公司推出了NF(神經模糊)數控電源，它不必輸入複雜的NC代碼能自動選擇加工參數，并可根據加工狀态自動進行調節，使電加工機床成爲一般操作人員也能使用好的機床，解決了電火花加工過程中工藝參數設置長期以來取決于操作人員水平的問題。
　　将最新發展的人工智能技術引入到高速走絲線切割機中，研制高速走絲線切割機的智能化控制部件和執行機構，這與當前國家優先發展高技術産業是一緻的，具有重要的實際意義。
2.3　機床設計的改善
　　爲改善高速走絲線切割機的加工精度，必須進一步改進機床的結構，使其更爲合理。目前機床的整體結構多爲音叉式，此種結構的剛度差，固有頻率低，易發生振動，且放電加工将産生大量的熱，使機床的本體發生較大的熱變形，這都在一定程度上影響了高速走絲線切割機的加工精度。因此，在設計機床整體結構時，必須充分利用先進的技術手段進行分析以提高機床結構的合理性。這方面的研究将涉及到運用先進的計算機有限元模拟軟件對機床的結構進行力學和熱穩定性分析。同時，機床運動精度的改善對提高加工精度也是十分重要的，傳統的方法是通過提高工作台傳動鏈的零件精度與傳動剛度來改善線切割機的運動精度，但這将使機床的成本大爲增加。而建立在基于PC數控系統的高速走絲線切割機，可方便地運用螺距誤差與間隙補償技術來提高機床的運動精度，這種方法可在進給系統開環控制狀态下，較大幅度地提高機床的加工精度，且成本低，非常适合高速走絲線切割機。
　　高速走絲線切割機的一個重要特征是電極絲高速往複循環使用，這使機床運絲系統的穩定性較差。當絲高速運行時，引起的振動較大，且導輪磨損大，此外電極絲的恒張力控制及張力分檔調節較難，運絲系統的這些特點在一定程度上影響了加工精度。因此，必須加強對走絲系統結構的深入研究并進行改進，保證放電加工時電極絲運動的穩定性。對于電極絲的往返循環使用使電極絲産生放電損耗是不能忽視的，它會對加工精度産生影響。此外在重視商品包裝的今天，機床的外觀設計和包裝也十分重要，注意運用人機工程學和美學對高速走絲線切割機進行設計是很重要的，這對富有中國特色的高速走絲線切割機走向世界具有重要意義。總之，改善機床設計的研究涉及面較廣，在考慮保持機床性能價格比優勢的前提下，研究開發的難度是很大的，然而，一旦有所突破，将對高速走絲線切割加工技術産生重大的影響。
2.4　多次切割工藝的應用
　　多次切割加工是高速走絲線切割加工技術的一個重要發展方向。目前無論是金屬切削機床還是低速走絲線切割機，一次加工都無法得到良好的加工效果，欲達到較高的加工精度，都必須在粗加工後再作精加工才能獲得。低速走絲線切割機能達到很高的加工精度，也因采用了多次切割工藝。爲改善高速走絲線切割機的加工品質，必須進行多次切割加工的研究。以往的高速走絲線切割機由于功能和結構所限，不具備進行多次切割的基礎。近年來，高速走絲線切割機的脈沖電源、進給策略和電極絲的張力控制等方面有了較大的提高，爲多次切割工藝的應用提供了可能性。目前有的高速走絲線切割機已能實施多次切割加工，并能一定程度地提高加工精度。然而，研究應用的深度還不夠。爲更好地實現多次切割加工，機床的功能和結構有待于進一步改進和提高；爲保證多次切割加工的效率，仍須大幅度提高一次加工的速度，第一次切割加工的速度應保持在100mm²/min以上^［4］。國内的研究機構在進行多次切割研究的同時，要注意盡快地把研究成果轉化到機床的加工技術中，以實現加工精度的提高。

3　結論和展望

　　高速走絲電火花線切割機是我國獨創的電加工機床，在模具制造及零件加工領域内有廣泛的應用，在中低檔市場中占有相當的分量。目前，高速走絲線切割機如何發展是電加工行業十分關心的課題。我們必須吸取國外的成功經驗，揚長避短，直接應用當今計算機技術的最新成果，盡快研制功能強大的基于PC的數控系統，從硬件上爲高速走絲線切割機的發展打下良好的基礎；同時注意人工智能技術與高速走絲線切割機的結合，運用計算機軟件技術來提高機床的性能。此外，加強機床本體的研究和開展多次切割工藝技術的應用，使機床的整體加工水平有一個較大的提高，不斷增強高速走絲線切割機在市場上的競争能力。在運用新技術、新工藝的同時，還必須重視對電火花線切割加工工藝規律進行深入細緻的基礎理論和實驗研究，這也是一個非常重要的環節