浅析：慢走丝线切割断丝现象及对策

　　随着慢走丝相对于快走丝的种种优势被人们逐渐发现及认识，加工高精度零件时慢走丝线切割机得到了广泛应用。

　　电火花线切割按切割速度可分为快走丝和慢走丝，由于快走丝所加工的工件表面粗糙度一般在Ra=1.25~2.5微米范围内，而慢走丝可达Ra＝0。16微米，且慢走丝切割机的固定误差、直线误差和尺寸误差都较快走丝好，所以加工高精度零件时慢走丝线切割机得到了广泛应用。

　　由于慢走丝是采取线电极连续供丝的方式，即线电极在运动过程中完成加工，因此即使线电极发生损耗，也能连续的予以补充，故能提高零件加工精度，但电火花线切割的断丝却成为这些优势的障碍，解决此问题十分必要。

　　断丝机理：

　　一般认为断丝主要是由于电火花放电集中引起电极丝温度过高而熔断，这点与检测到的断丝先兆是一致的。因此从热传导理论研究电极丝的温度分布成为研究断丝机理的主要途径。研究结果表明：断丝前的热载荷超过平均值；脉冲宽度和丝径大小对丝温的影响大；热对流系数对丝温的影响大，冲液的状态对避免断丝十分重要；焦耳热和丝振的作用可以相对忽略。

　　对于等能量脉冲电流电源，研究表明断丝有两个重要先兆：1，火花放电频率短时间内突然上升，由于放电频率过高使电极丝局部温度过高，进而导致断丝；2，正常火花几率下降，异常火花几率逐渐上升也是断丝的先兆。由于丝损上升，电极丝变细最终被拉断。K.P.Rajurkar等指出加工过程中工件厚度的突变是引起放电集中的主要原因之一。因此需要在线检测工件厚度的变化，调整相应的工艺参数，控制电极丝的进给速度和放电频率，在不断丝的情况下得到较佳的切割速度。

　　由于断丝先兆持续时间短，防断丝的实时控制较高，因此控制参数的选择十分重要。在线切割加工中，脉冲间隔放大，会使放电间隙电蚀产物排除的时间增加，能有效改善放电集中现象，使断丝发生的机会大大降低，因此脉冲间隔成为防断控制的首选控制参数。

　　一、与电极丝相关的断丝因素

　　1、 电极丝材料特性

　　电极丝要求具有良好的放电特性和高抗拉强度，因此选用以含锌量低（10％）的黄铜作内芯，含锌量高的黄铜作涂层的电极丝正好满足线切割的要求。电极丝选用名牌钼丝，精度高，抗拉力大，质量好。对电极丝做低温处理也是降低断丝几率的措施之一。美国俄亥俄州一家公司用－2000C低温下冷却24H的电极丝与没做低温处理的电极丝作对比，结果前者断丝概率比后者低了30％。

　　在加工过程中电极丝承载放电能力的大小由电极丝丝径大小决定，所以丝径大小直接影响断丝率，因此在加工中应根据实际需要，选择直径大小适当、涂层表面光滑、没有氧化斑点或经过低温处理的高速切割电极丝，从而减少断丝。

　　2、 丝张力和丝振动

　　低速走丝电火花切割加工中，在电极丝强度极限下维持尽可能高和稳定的张力，可使粗加工时丝在放电爆炸力下维持最小的滞后弯曲而不会断丝。合适的张力能有效减小丝的振动幅度，在加工过程中使丝保持稳定。

　　3、电极丝移动速度

　　由于线切割加工中的电极丝直径较小（一般为0.1~0.3mm），若电极丝移动过慢，电极丝上的某一点可能产生多次放电，使得这一点的蚀除量过大，在丝张力和火花放电的爆炸力作用下很易断丝。所以在丝允许一点连续放电次数的条件下，要结合工件厚度，根据放电频率调节丝速。粗加工和精加工的放电频率不一样，走丝速度也不一样。如电极丝直径小、工件厚、粗加工，而且要求放电频率高，则丝速相对要快些。实际加工中，可参考低速走丝电火花切割机所配的工艺数据库所给出的电极丝移动速度。

　　4、导电块

　　导电块多用银钨合金做成，导电性好且耐磨。在加工过程中，导电块和移动着的电极丝一直保持接触，从而导致导电块磨损。一般低速走丝电火花切割机中用的导电块应及时检查，将其卸下，用清洗液清洗掉上面粘着的脏物，若磨损严重可换个位置或更新导电块。

　　5、废丝处理

　　低速走丝电火花切割加工是单向走丝，加工中会产生大量废丝。废丝如不及时取出，易在极间产生附加电容，并且有可能与加工区域的电极丝直接导通，从而产生能量集中释放，引起断丝甚至短路，以至无法正常加工，因此废丝落下时要及时取出。目前高档机床都有废丝自动处理装置。处理方式有两种：一是把切丝装置放在废丝排除口；二是把断丝装置安装在加工头，切断的废丝用冲出管道排除。

　　二、 与工作液相关的断丝因素

　　目前低速走丝电火花切割大多用纯净水和蒸馏水，廉价无污染。使用工作液主要有两个作用：绝缘和冷却。因此工作液应该有良好的吸热、传热和散热功能。

　　当工作液的性能变差，意味着工作液中存在的杂质离子大大增加，工作液的介电性能明显降低。一方面会造成由介质粒子构成的导电桥导致的接触放电概率增加；另一方面，由于工作液的导电性能增加，使得加工间隙增大，此时的加工波形特征是一连串几乎没有开路和击穿延时的放电脉冲。这时输入到加工间隙的能量密度非常大，极易造成断丝。此时必须更换工作液。

　　放电过程中产生的加工屑也是造成断丝的因素之一。有加工屑搭桥而成，或两极上相对突出的尖点偶尔相遇而形成的微短路状态具有较大的接触电阻。由于电极丝运动，这种微短路很容易被拉开形成火花放电。故此时脉冲电源输入到加工间隙的能量密度远大于正常加工时，使得电极丝的黏着部位产生脉冲能量集中释放，导致电极丝产生裂纹，从而可能造成断丝，因此加工过程中必须冲走这些微粒。为了有效的冲走固体微粒，在没有工件几何形状的限制时，还应尽量选择密着加工，使水冲进割缝，更好的改善冲刷状况。若喷水的方向不准确也易断丝。因为喷水方向不准，工作液无法喷入切割逢，电极丝不能够冷却，使得电极丝局部温度突然升高，引起烧丝。喷水位置应以水柱包住电极丝为好，并且上下喷水压力要相当。

　　三、与伺服控制相关的断丝因素

　　伺服进给速度应与工件的蚀除速度保持一定关系，即保持加工间隙为一定值。因为当伺服速度超过蚀除速度，就会出现频繁的短路现象，同时增大了断丝的可能性；反之，伺服速度过慢，两极见偏于开路，加工过程中也会因开路而短路，使切割速度降低，表面粗糙值增大。所以伺服应均匀、稳定的进给，避免爬行，超调量要小，传动刚度应高，传动链中不得有明显间隙，抗干扰能力要强。放电加工的频率很高，而且放电间隙的状态瞬息万变，要求进给调节系统根据间隙状态的微弱信号能相应的快速调节。因此整个过程中的不灵敏区、时间常数、可动部分的惯性要求要小，放大倍数应足够，过度过程应短。

　　四、与脉冲电源相关的断丝因素

　　1、主要电参数影响

　　（1）脉冲宽度

　　脉冲宽度是单个脉冲能量的决定因素之一。由实验可知脉冲宽度增加，单个脉冲放电能量增加，切割速度逐渐提高，但当脉冲宽度超过某一范围时，散失在工件和电极间的放电脉冲能量增多，反而削弱了蚀除作用。同时由于电蚀产物的抛出作用不会随脉冲宽度的增加而显著提高，这必然使短路的几率增加，切割速度减小，甚至断丝。另外由于单脉冲能量的增大会使电动丝振动加强从而降低工件的表面质量，增大表面粗糙值，断丝也经常发生。因此，纳米级的笮脉宽是目前低速走丝电火花切割机生产厂家研究的主要方向。

　　（2）脉冲间隔

　　实验表明，脉冲间隔对切割速度影响很大。在工作液恢复极间绝缘性的条件下，可适当减小脉冲间隔，使单位时间内放电次数增多，从而提高切割速度。由于脉宽及单个脉冲能量不变，故对工件表面粗糙度影响不明显。但如果脉冲间隔过小，工作区的介质来不及恢复到绝缘状态，放电产物也不能被及时排除，会使加工状态不稳定，增加工作区短路的几率，极易引起断丝。

　　2、脉冲电源控制策略影响

　　由于低速走丝电火花切割加工是高频放电切割（脉冲宽度50ns~2微秒，脉冲间隔1~15微秒），对单个脉冲能量的在线控制较难，但是利用现代高新技术目前已研究出此种电源，使加工效率飞速提高，并有效防止了断丝和烧弧。如瑞士夏米尔公司，在ROBOFIL240/440机床基础上开发的“CLEAN CUT”（CC）新型脉冲电源，其最大峰值电流可达1200A，最大击穿电压也提高了25%，在粗加工中，最大切割速度达到了400 mm2/min。这么高的峰值电流，能稳定、高效率地切割而没有断丝，就在于它采用了笮脉宽精确的单个放电脉冲能量控制技术。该电源除了有效的逐个脉冲检测，还采用了PILOT-EXPERT专家系统极好的控制了集中放电的能量，从而在防止断丝的同时也解决了局部过热的问题。

　　脉冲电源中另一个防断丝技术就是粗加工中气相抛出。所谓气相抛出加工即放电加工中，利用热膨胀和局部微爆炸，把熔化、汽化的工件材料以气相抛出。气相抛出同时带走大量能量，不仅工件受热影响大大降低，电极丝受热也大大减少，不会因瞬间过热和骤冷产生微观裂纹，从而有效的防止了断丝。

　　五、造成断丝的其他因素

　　断丝还有其他因素，比如工件的材质。线切割时为了减少断丝不同的材质应选用相应的加工参数。

　　1、走丝速度

　　走丝速度的快慢直接影响电极丝在加工区的逗留时间和放电次数，从而影响电极丝的损耗。由于线切割加工中的电极丝直径较小，若电极丝移动过慢，电极丝上某一点可能产生多次放电，使得这一点的蚀除量过大，在丝张力和火花放电的爆破力作用下极易断丝。另外，提高电热丝的走丝速度，可使工作液容易被带到狭笮的加工间隙，加强对电极丝的冷却，将电蚀产物带出间隙之外。但走丝速度过高将会使电极丝振动加大，也容易断丝，并使加工表面精度降低，表面粗糙值增大。所以在电极丝允许一点连续放电次数的条件下，要结合工件厚度，根据放电频率正确调节走丝速度。

　　2、进给速度

　　理想的线切割应该是进给速度跟踪其线加工速度，进给过快，超过工件可能的蚀除速度，容易造成频繁短路，切割速度反而慢，工件表面粗糙度也较差，上、下端面切缝呈焦黄色，甚至可能断丝。进给过慢，滞后于工件可能的蚀除速度，则容易造成频繁开路，过跟踪和欠跟踪都是造成加工不稳定的直接因素，容易引起断丝，影响表面加工质量。

　　3、进给精度

　　要实现理想的跟踪进给，必须提高进给控制系统的性能并人工调节较佳的进给量。导丝机构的精度将直接影响电极丝的走丝质量，精度低会引起走偏、振动，进而造成断丝。

　　线切割机的导丝机构主要是由贮丝筒、线架和导轮组成。当导丝机构的精度下降时，会引起贮丝筒的径向跳动和轴向窜动。径向跳动会使电极丝的张力减小，造成丝松，严重的会使丝从导轮槽中脱出拉断。轴向窜动会使排丝不均，产生叠丝现象。如果线架刚性差，运动时会产生振动和摆动，不但影响精度还会引起断丝。

　　4、电极丝的材料及直径

　　电极丝材料有铜、钨、钼、钨钼合金等，钨钼合金电极丝W20Mo和W50Mo，其寿命较钼丝约提高20%~30%，断丝现象明显减少。为减少断丝可优先选用钨钼合金电极丝，因为钨的延伸率、抗张力以及熔点都比钼适合线切割的需要。对于慢走丝，高生产率时可采用0.12~0.30mm的镀锌黄铜丝，允许较大的峰值电流。如果电极丝张力能保持均匀，振动较小，加工稳定，工件精度与表面粗糙度就相应比较好，电极丝寿命也比较长。

　　5、切割路线

　　切割完第一道工序，继续加工时由于原来的主要连接部位已被割离，余下的材料与夹持的部分连接较少，工件刚度大为减低，已产生变形而导致断丝。一般情况下，最好将工件与其夹持部分分割的线段安排在切割总程序的末端。因此从工艺上考虑，应考虑制作合理的工艺孔、槽，以便于应力对称、均匀、分散的释放，凸模及凹模应采用封闭切割。

　　结束语

　　影响加工质量和造成慢走丝线切割断丝的因素很多，由于各种机床的设计策略及加工工艺不同，造成加工质量下降和引起断丝的原因也不同，有时可能不仅仅是一个或两个因素，而是多个因素引起的。但只要对其进行系统地分析和科学地分类，就可以对这些复杂而且零乱的因素进行控制与调整，从而避免断丝现象，提高加工工件质量。

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