带自动穿丝装置的高精度六轴数控慢走丝线切割机床的研发和应用

北京安德建奇数字设备股份有限公司　张伟明

带自动穿丝装置的高精度六轴数控慢走丝线切割机床的研发和应用

北京安德建奇数字设备股份有限公司张伟明

一、概述

慢走丝线切割机床是电火花线切割机床的一种，是利用连续移动的细金属丝（称为电极丝，一般为铜丝）作电极，对工件进行脉冲火花放电，产生6000℃以上高温，蚀除金属、切割成工件的一种数控加工机床。电极丝作低速单向运动，电极丝放电后不再使用。

目前慢走丝机床的发展极为迅速，在加工精度、表面粗糙度、切割速度等方面已有了较大的突破，加工精度可达±0.001mm、切割速度在特定条件下可达500mm2/min、经过多次精修加工后工件表面粗糙度可达Ra0.05μm以内，并可使表面“变质层”控制在1μm以内，使得慢走丝加工的硬质合金模具使用寿命可达机械磨削的水平。慢走丝机床已广泛应用于航空航天、发电设备、电子、汽车等领域的精密零件、模具加工，由于其优异的加工性能，目前还找不到其他加工技术可以与之竞争。

根据行业报告显示，自2009年以来，国内市场上的慢走丝年销售量在2500～3500台，其中约90%的机床是通过进口或由国外企业在中国设厂生产出来的。国内慢走丝机床的发展处于起步阶段，目前还缺少与国外高端产品相抗衡的产品，要想在短期内赶上或者达到国外慢走丝的先进水平，走引进技术、合资建厂的道路原本是一个很好的方法。但从目前合资的慢走丝厂家现状来看，大部分的意义只停留在了商业目的上，对国内慢走丝技术的发展贡献甚微。在这些合资企业中，中方往往只负责一些无关紧要的工作，如外壳钣金生产、基础结构件铸造等，像脉冲电源、控制系统等电加工核心技术的研发根本不会让中方人员参与。

北京安德建奇数字设备股份有限公司是国内目前为数不多的能够掌握放电加工核心技术的企业之一，公司生产的所有产品都拥有完全的自主知识产权。公司已取得专利三十余项，获得国家级“专利试点单位”、“中国机床工具协会特种加工机床分会常务理事单位”、科技部“国家重点新产品”、“质量信得过企业”等荣誉称号。

2009年底，公司承担了国家重大专项“带自动穿丝装置的高精度六轴数控低速走丝线切割机床的研发和应用”课题，重点开展了对慢走丝相关核心技术的研究工作。其中通过对交变极性的无电解脉冲电源系统的开发与应用，大大提高设备加工效率和零件表面质量；对自动穿丝技术的研究，在国内首次将自动穿丝技术成功应用到了慢走丝机床上，提高了设备的智能化加工水平；通过对整机结构热平衡的研究，成功的将机床温度场检测和误差补偿系统用到了机床上，显著提高了机床动态位置精度和零件加工精度。

课题开展过程中，共获得发明专利2项，实用新型3项，软件著作权3项。2013年，课题任务完成并顺利通过了国家权威部门对该课题的验收，同时还获得了国家科技部授予的“国家重点新产品”荣誉证书。图1为“国家重点新产品”荣誉证书照片。

图1　“国家重点新产品荣誉证书”照片

通过对课题产品的技术研究，使我国该类高精度慢走丝线切割机床的技术水平接近世界先进水平。打破了长期以来国外企业在慢走丝线切割技术上的垄断，提高了国产设备的市场竞争力。图2为课题产品实物照片。

图2　AW310T型精密数控慢走丝线切割机床

（1）性能稳定。主机采用T形床身、C形结构，使得整机具有良好的结构刚性。温度补偿系统的应用，使得机床精度受温度变化的影响大大降低，能长期保持稳定的加工精度。

（2）切割速度快。新的脉冲电源技术的应用使得该产品的切割速度比原有产品提高了50%以上，主切效率达300mm2/min， 而且能够持续加工。

（3）加工精度高。该机床采用了光栅尺全闭环控制技术，提高了机床的坐标定位控制精度，日常零件加工精度高达±0.002mm。

（4）表面质量好。通过新的控制系统对微小脉冲能量的控制，结合稳定的恒张力运丝控制系统，使得多次切割后能够得到Ra＜0.2μm的表面粗糙度。目前这一指标达国产同类产品的最高水平，处于国际高档机的水平。

（5）节约能源。传统脉冲电源的放电回路里，多余的电能都是通过吸收电阻转换成热能散发到空气里了，形成了资源浪费。在该产品的脉冲电源回路里，能够将多余的电能回收并二次应用到放电加工回路里，提高了能源利用率。相比较原有产品，新产品节能30%以上。

（6）智能化程度高。该设备带有自动穿丝装置，自动穿丝技术的应用，使得设备能够实现持续无人化加工。特别是在薄板多孔位切割方面，零件加工效率有了明显提高。

（7）应用范围广。该设备在传统五轴的基本上，增加了一第六轴功能。这一功能的增加应用使得该机床的应用范围更广，如对木地板刀具的加工，只需通过一次装夹，就可将刀具上的各刃口加工完成。

二、产品性能介绍

AW型带自动穿丝装置的高精度慢走丝线切割机床是一种高效、精密的放电加工设备，属于国家高新技术研究发展计划中先进制造技术领域。该产品是在本公司原有成熟慢走丝产品的基础上，融入了一些新的技术而研制出来的新一代产品。该产品具有性能稳定、切割速度快、加工精度高、表面质量好、节约能源、智能化程度高、应用范围广的优势。

该产品主要技术参数指标如表1所示：

表1

主要技术指标国内外同类产品对比如表2所示：

表2

三、新技术应用情况

本产品的技术创新点主要在脉冲电源、运丝机构、温度补偿系统三个方面。

1.脉冲电源方面：交变极性的无电解脉冲电源的研发与应用

交变极性的无电解脉冲电源技术是本公司的一项发明专利，也是该技术在国产慢走丝设备上的首次应用。它解决了加工工件的软化变质层问题，有效提高了加工工件的表面质量。通过交变极性的无电解电源的应用，使加工零件的表面粗糙度有了较大改善，最佳粗糙度达到Ra0.17μm。

本产品采用的交变极性的无电解脉冲电源的主要技术指标为：

（1）最小脉冲宽度2ns，最大脉冲宽度50μs。

（2）最小脉冲停歇时间4μs，最大脉冲停歇时间40μs。

（3）最小单位脉冲峰值电流0.4A，最大单位脉冲峰值电流400A。

（4）加工状态自动检测、调整和伺服进给自适应控制。

实际加工时，加工工件和电极丝之间的高频脉冲放电电源在几十微秒时间内作周期性交变极性，两个极性之间的平均电压为零，使加工中产生的正/负离子基本在原地不动，负离子不会涌向变极性的加工工件，解决了加工工件的软化变质层问题，提高了加工工件的表面质量。结合纳秒级高频脉冲控制技术的无电解脉冲电源，实现微能量加工，可以获得Ra≤0.2μm的工件表面粗糙度，使加工零件的表面质量有了质的飞跃。

交变极性的无电解脉冲电源技术应用实例1：

用户提供工件材料YG8（硬质合金的一种）27×12mm的长方形。经过试验，加工三次，即可满足用户需求。加工参数（见表3）和加工实物见图3：

表3

图3　硬质合金加工参数和加工实物

加工实物用肉眼在灯光下仔细观察，表面无条纹。在显微镜下观察，也没有发现条纹。最后用800目砂纸轻轻打磨加工表面后，再放到显微镜下观察，也没有发现条纹。这一效果让客户非常满意。图4是工件用800目砂纸打磨后，放到显微镜下观察截屏所得到的图片。

图4　硬质合金加工件表面打磨后的效果

交变极性的无电解脉冲电源技术应用实例2：

对合作单位提供的PCD材料PCD-010，PCD-025，PCD-302，韩国CF，韩国CM等超硬PCD材料刀具进行加工试验。针对PCD材料导电性不好，易崩裂，加工时锥度大等特点，本公司做了大量的工艺试验，目前已经形成了完整的超硬PCD材料加工参数数据库。图5是工艺试验中加工实物的图片，表面粗糙度达Ra0.17μm，在400倍的电子显微镜下观察，加工的直线平整，无崩塌，表面质量非常均匀。

图5　超硬PCD材料电子显微镜下观察

2. 运丝机构方面：带自动穿丝装置的恒张力运丝机构的研究与应用

运丝机构作为慢走丝机床的核心功能部件之一，担负着非常重要的角色。首先，运丝系统的平稳性对加工表面质量起到非常关键的作用，电极丝的抖动会影响到加工过程中放电状态的稳定性，最终会导致放电加工效率低下，工件表面产生加工条纹的后果。其次，是否具有自动穿丝功能的运丝机构是慢走丝机床能否实现无人化加工的决定性因素，是慢走丝机床能否成为智能化产品的关键技术壁垒之一。

本产品采用了本公司的另外一项发明专利——“具有自动穿丝功能的恒张力运丝机构”。该运丝机构在运丝张力的稳定性和整机的智能化方面都有良好的表现。该运丝机构的结构示意图如图6所示。

该自动穿丝装置共包括放丝机构、张力调节机构、自动穿丝机构、收丝机构四部分内容。其中放丝机构负责丝卷的运行，按系统指令要求输送电极丝；张力调节机构负责整个运丝系统张力的调节，使其能够在3.9～23.5N之间平稳运行，各档张力误差在±20g以内；自动穿丝机构负责实现机床的自动穿丝功能，提高机床的智能化水平，适应了现代加工的要求；收丝机构负责将已使用过的电极丝回收。

在实际应用中，本运丝机构输出张力平稳，各档张力的实际检测值如表4、表5所示：

表4　直径0.2mm电极丝张力检测数据

表5　直径0.25mm电极丝张力检测数据

传统的手动穿丝机构里，剪丝需要用剪刀或打火机将电极丝剪断或者烧断，穿丝时也必须需要人为的参与。这样就难以实现无人化加工，降低了设备的智能化水平。特别是在薄板上进行多孔位的小孔加工时，更是影响到生产效率。因为在薄板上加工时，单个孔的加工时间也就几分钟，一个孔加工完了，就需要操作者剪丝，将导丝嘴移动到下一切割位置，再进行穿丝并执行程序加工。这样操作者基本上就离不开这台机床。但在一般的加工厂里，都是一个人需要操作多台慢走丝机床的。使用手动穿丝的机床时，这样会导致设备利用率不高，浪费资源。

自动穿丝技术的应用，通过编程系统，能够用程序控制来实现穿丝、剪丝等穿丝功能。在薄板多孔位切割时，一个孔切完了，机床会执行剪丝、移轴、穿丝、继续加工等一系列指令，中间过程不需要操作者参与。都是程序化的指令，也不容易出错。这样劳动力就得到了释放，使机床操作变得更加简便可靠，操作者也就有了时间去操作别的机床。

3. 温度补偿系统方面：环境温度与机床精度规律的研究与应用

热胀冷缩是物体的一种基本性质，慢走丝作为一种高精密的设备，为了提高其精度的稳定性，我们就不得不考虑环境温度的变化对机床精度的影响。不光要研究环境温度变化与机床精度变化的对应关系，而且还应该采取相应的应对措施来规避掉环境温度对设备精度影响。

通常我们用热膨胀系数来衡量物体随温度的变化程度，热膨胀系数是指材料加热时尺寸膨胀的比率。设α表示线膨胀系数，L为材料初始长度，l为伸长量，t为材料温度变化量：

本机床采用了光栅尺全闭环控制系统，故环境温度对光栅尺本身测量精度的影响就作为了我们要考虑的一个问题点。当机床各轴用激光干涉仪检测，定位误差不稳定时，就有可能是环境温度变化过快而导致光栅尺测量不准而引起的。也可能是环境温度的变化引起丝杠等传动部件的热胀冷缩导致的，即机床精度确实差了。无论哪种情况，问题都归根于环境温度的影响。要提高精度稳定性就要提高恒温等级。但要想使机床都在恒温环境下使用显然是不现实的。

为使得机床精度不受环境的温度的影响或者降低环境温度对机床精度的影响，我们在本设备上应用了环境温度补偿技术。该技术简单描述为直线光栅尺的标准工作温度为20℃，一般情况下，检验精度仅对该温度有效。环境温度升高或降低都会影响最终的检测数值。我们在机床本体的不同区域进行温度采样，把采样的温度通过传到给控制系统，NC控制软件部分对温度进行分析处理，对X、Y、U、V、Z轴的伺服运动进行温度补偿，从而使机床精度更高且持久稳定。

图9是在环境温度22℃时，机床X轴未进行温度补偿时的激光检测结果：定位精度为A= 0.0040mm。

图9　未采用温度补偿的检测值

进行温度补偿，在同样的环境温度22℃时，机床X轴检测精度见图10，定位精度为 A= 0.0021mm。

图10　进行温度补偿后的激光检测

四、成果应用及推广情况

通过“带自动穿丝装置的高精度六轴数控慢走丝线切割机床的研发和应用”课题的开展，使得本企业的产品在技术指标方面取得了进一步的突破，缩小了与国外设备的技术差距，提升了产品的市场竞争力。企业已将课题研究成果不断运用到现有慢走丝线切割机床产品中，目前已形成了AW310T、AW510T、AG360T、AG560T四个型号的产品，并已经将这些具有重大专项课题研究成果的产品不断销售到用户中去。

课题的研究成果提高了企业高精密数控单向走丝线切割机床在市场上的竞争力。公司已经建成年产200台此类机床的生产线，正向国内外市场大力推广，并逐步取得用户的认可。

中海油田服务股份公司（COSL）是中国近海市场最具规模的综合型油田服务供应商，主要进行海上石油及天然气勘探相关设备的提供和技术服务。该公司使用我公司产品“带自动穿丝装置的高精密数控慢走丝线切割机床AW510T”进行复杂不锈钢和钛合金零件加工，满足其公司承担的国家重大工程项目的研发需要。

贵州航空工业某公司使用我公司产品“带自动穿丝装置的高精密数控慢走丝线切割机床AW310T”进行军品发动机相关科研课题零件的加工，为该公司重大科研任务的完成起到积极的作用。

我公司在研制产品的过程中，还积累了一些零件、材料的加工经验，可以为客户提慢走丝加工问题解决方案。□