沈阳航空航天大学 梁小天 王帅 贺声阳 樊华 李署
摘要：高速走丝电火花线切割涉及到电弧原理、金属熔池等很多电化学反应，是一门复杂的技术。影响其加工过程的因素有很多：包括切割速度、加工精度、表面粗糙度、放电间隙大小、电极丝损耗程度等都是电火花线切割加工的工艺主要指标。本文在分析高速走丝电火花切割加工工艺方法的基础上，对影响切割速度和表面粗糙度的参数进行了分析，实现加工参数选取的合理化和高效化，进而实现优化高速走丝线切割机床参数的选取，希望为同行提供参考。
关键词：高速走丝电火花切割；切割加工；工艺方法
引言
高速走丝电火花线切割的整个过程非常的复杂，并且过程并不是很稳定，经常受各种外界因素的影响，所以整个加工的机理并未得到足够的认识，在整个过程中仍然存在一些问题。电火花线切割涉及到电弧原理、金属熔池等很多电化学反应，是一门复杂的技术[1]。影响其加工过程的因素有很多：包括切割速度、加工精度、表面粗糙度、放电间隙大小、电极丝损耗程度等都是电火花线切割加工的工艺主要指标，而这些指标都是由一些电参数和非电参数决定的。很多的加工工艺都只能适应于一些特定的机床，缺少一个标准，所以无法实现加工过程的标准化。因此，创建出一个可预测线切割加工效果及对工艺参数进行优化的系统，对加工参数进行优化，是当前高速走丝线切割加工急需解决的问题。
1.高速走丝电火花线切割加工原理及存在的缺陷
1.1高速走丝电火花线切割加工的原理
高速走丝线切割机是我国独创且富有特色的民族产品，拥有良好的性能价格比、用户投资小、运行成本低等优势，成为在国内电加工行业中不可缺少的加工手段。随着科技的发展，对制造技术和产品制造品质要求越来越高，尤其对高速走丝线切割机的加工精度和表面粗糙度提出更高的要求。与低速走丝线切割机的加工指标相比：加工精度：低速走丝机在3μm左右，为高速走丝机的5～10倍；表面粗糙度：低速走丝机可达Ra0.1～0.8μm，较高速走丝机低近30倍。然而，以往的高速走丝线切机由于加工质量低，已不能满足用户要求，只能作粗加工和一般要求的零件加工。低速走丝机虽然性能好、加工质量高，但一次性投资大（为高速走丝机10倍以上）、使用成本高（是高速走丝机的10倍）。高昂的投入和使用成本使我国广大用户不敢问津，迫切希望在我国独创的高速走丝线切割机保持低成本的优势下扬长避短开发新技术，进一步提高加工精度和表面粗糙度指标，以满足不断发展的生产需要。
1.2高速走丝电火花线切割加工存在的缺陷
高速走丝线切割机床与低速走丝线切割机床相比本身一些固有的加工特点不同，比如电极丝磨损与切削速度进给的问题，机床本身精度问题等，控制系统精度，操作环境影响因素、导轮磨损等问题，致使其自动化程度、工艺指标、功能、加工精度等方面与低速走丝线切割机床相比较仍然有着明显的差距[2]。高速走丝线切割机床的性价比优势十分明显，这样的优势使其能够在市场上拥有最大的优势，所以如果单一的提升过高的加工质量就会提高机床的制造成本而丧失其物美价廉的优势。工业化迅速发展，应该加快发展高速走丝线切割机床的性能和工艺水平，不断努力提高机床的电加工稳定性、操作简单性、加工自动化水平，努力缩小和低速走丝线切割机床之间的差距。
2.高速走丝电火花线切割加工工艺参数分析
针对高速走丝电火花线切割机床，影响工艺指标的因素很多，且诸因素对工艺指标的影响是互相关联，又是互相矛盾的。电参数与非电参数是机床正常加工的主要条件，是影响高速走丝电火花线切割机床技术水平的主要因素。图1为线切割工艺指标的主要影响因素。
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图1 线切割工艺指标的主要影响因素
2.1工艺指标与电参数的选择的关系
电火花线切割高频电源具有多种不同的电源放电类型，主要有波形：前阶梯波、方波加刷波形、方波、馒头波、分组脉、冲锯齿波等。现代工业中我们所应用最多的一种脉冲电源。对于电加工行业的晶体管方波脉冲电源在此行业中尤为常见。常见的脉冲电源提供的是方波脉冲电流整个脉冲过程是呈突变和不连续的状态，脉冲电压波形是方形的，类似于人的脉搏一样跳动。脉冲电流是联通与断开的一种直流电。所谓正负脉冲就是指正向连续脉冲之后是连续的反向脉冲，具有交替性变换输出的特点。
2.2工作液选择与工艺指标的关系
线切割中常用的工作液主要有煤油、乳化液等。乳化液是高速走丝线切割常用的工作液[3]。所有的工作液都需要的特性如下：
1）洗涤性能；2）冷却功能；3）绝缘性；4）压缩作用，针对放电通道；5）对人体没有危害，对环境没有污染；6）防锈功能；7）对放电区的消除电离作用。
常见的乳化液有：502型皂化液、DX-1型皂化液、线切割专用皂化液、植物油皂化液。乳化液的浓度要求：1）加工速度快或者加工厚工件的时候为了更容易的排屑，溶液浓度应该配比较低些约5%-8%；2）蒸馏水配制的乳化液能表面粗糙度并且利于提高加工效率，对比较厚的工件来说适当加入洗涤剂能够促进排液，使得加工的稳定性得到提高；3）加工表面的精度水平要求高或者工件较薄或中厚的时候乳化剂的配置应该较浓些，应该达到约8%-15%左右。
2.3电极丝选择跟工艺指标的关系
高速走丝线切割的电极丝要有一定的抗腐蚀性能、韧性和强度，因为在加工中电极丝是要被反复使用的，电极丝在使用初期张紧力可取大些，使用一段时间后张紧力小些，可以说电极丝的张紧力直接影响着零件加工的精度。张紧力的衡量，它是与钼丝已切割的时间段、丝径等要素有关系，如果想要延长丝的使用寿命的话可适当去配重。表1是常用的电火花线切割电极丝材料性能表。
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3.高速走丝电火花切割加工工艺指标及其影响因素
3.1高速走丝电火花切割加工工艺指标
产品的加工尺寸精度、切割速度V、表面加工质量（常以Ra为主）等是线切割加工的主要工艺指标。其它的如放电间隙、电极丝磨损及加工表面层变等指标是从层级上讲也是能够反映加工最终效果的重要内容，仅排在上述三者之后。
（1）切割速度V
切割速度：单位时间内工件被切割的面积。在时间t内，工件被切割的面积用S表示，切割速度用V表示。衡量一台电火花线切割装置的加工性能时,时常用到最大切割速度表示。最大切割速度：在最佳加工条件下，线切割设备所能达到的极限最大切割速度。一般这种最大切削速度应用在粗加工中较多，通常不会使用极限切削速度加工。在生产中所形容的切割速度通常是指产品加工的整体平均切割速度。也可以说是产品切削加工的总面积与加工总时间的比值。
（2）表面质量Ra
由电加工加工出的产品其加工面上是由硬凸边和无数无方向性的小坑所组成，所以与传统机械加工出来的工件表面不一样。常用微观轮廓的平均算术偏差Ra(um)表示其表面粗糙度。微观轮廓的平均算术偏差Ra：在取样长度内被测轮廓上各点至轮廓中线m的距离总和的平均值，距离y1,y2,...yn-1,yn都取绝对值。
3.2影响因素分析
许多综合因素对工艺目标的影响是既互相矛盾又互相关联。脉冲电源的波形和电参数决定着切割速度，切割速度随着脉冲放电能力和频率的提高而增大。因此，选择合适的脉冲电源的参数尤为关键，而且还需要注意选择电极丝的大小、材料、乳化液的类型，加工走刀速度，设备传动精度及稳定性及被加工工件的厚度等。
试验证明单个脉冲放电能量决定了产品加工的表面质量，即表面粗糙度的大小。除此之外，对表面粗糙度影响大的还有机械传动精度、进给速度控制、电极丝走丝速度和抖动情况等原因。加工时间长若出现电极丝松动、电极丝抖动或弯曲,是因为电极丝的张紧力不足，导致工件加工出现锯齿形会影响加工表面粗糙度。要恰当的选择电极丝的张紧力，才能在放电加工磨损后以及热变形下仍能正常工作。电极丝的走刀过程控制和设备工作台的机械传动精度也都直接影响产品加工表面的质量。相对快走丝加工而言，选择合理的脉冲间隔和进给速度是为了消除放电间隙的加工条纹。为了提高加工表面粗糙度还可以减少电极丝的抖动和缩短导轮于工件端面的距离。对加工精度影响大的原因非常多，电极丝的直径、设备机床机械传动精度，放电间隙控制，电极丝的走刀位置精度，喷流控制的角度都会影响加工质量。工艺参数最优化是解决线切割加工工艺指标高标准高科学最有效的方法。以目前加工的技术和精度来看，只依靠操作工的技能水平和经验是无法达到更高的精度的。由以上的分析最后得出，将脉宽、脉间、峰值电流以及间隙电压作为主要的四个电参数影响因素，影响工艺的因素不是只有电参数，还有很多的非电参数，一般情况下参数的调节都是电参数的调节。主要的非电参数有电极丝速度、丝的张紧力以及工作液的浓度等，这些非电参数都有一个特点就是它们大多数都是固定的，所以难以进行数量上的调节。因此在通常情况下，把它们调节到适当的范围内即可。
结语
高速走丝电火花线切割机床在精细加工、金属模具和复杂材料加工等方面应用十分广泛，属于高精度加工的机床。实际应用中我们在使用线切割机床加工时,首先就是要选取合适的加工参数，加工参数的选取要根据复杂的加工要求进行。加工参数合理的选择是加工工艺中最重要的一环，电火花线切割加工的工艺指标是由加工参数决定的，需要结合影响因素，进行分析从而达到最大的切割速度的同时来获得最好的加工表面粗糙度，同时保证电火花加工的高效性与稳定度。
参考文献
[1]王文昭, 邱明波, 刘志东,等. 电火花线切割大电流条件下电参数对加工性能的影响[J]. 电加工与模具, 2020, 352(02):32-36.
[2]梁翠兰. 高速走丝线切割加工质量的改善与提高[J]. 电气制造, 2006, 03(3):44-44.
[3]申晓龙, 周志雄. 空间复杂曲面的高速走丝线切割加工技术研究[C]// 中国微米纳米学会. 中国微米纳米学会, 2012.