張 艷,劉志東,王振興,徐安陽

(南京航空航天大學(xué)機電學(xué)院,江蘇南京210016)

多次切割是在1次切割成形的基礎(chǔ)上,通過2次切割提高加工精度,3次以上切割提高表面質(zhì)量完成的。多次切割的實際修正量直接影響多次切割的尺寸精度[1],由于受加工過程中多種因素影響,多次切割的實際修正量與理論修正量存在差異。本文主要通過改變脈沖電源參數(shù)、電極絲的運絲速度、張力、實際進給速度和限位棒間電極絲跨距(以下簡稱跨距)等來研究多次切割實際修正量的規(guī)律,為保障高速走絲電火花線切割多次切割的絕對尺寸精度提供依據(jù)。

1 多次切割實際修正量規(guī)律研究

1.1 試驗條件

機床采用蘇州某電子技術(shù)有限公司生產(chǎn)的DK7732“中走絲”機床;電極絲:鉬絲,直徑0.2 mm;試件材料:模具鋼Cr12,厚度 25 mm;工作液:佳潤JR3A復(fù)合乳化膏按1:45配制;運絲系統(tǒng)上增加電極絲限位和恒張力裝置(圖1);試件對稱放置在上下限位棒之間;電極絲跨距:h=140 mm(除跨距試驗外);切割軌跡見圖2;試驗參數(shù)見表1。測量工具:數(shù)顯千分尺,MITUTOYO工具測量顯微鏡,UT2062B數(shù)字存儲示波器。在上述條件下進行二次切割,設(shè)定第二次切割 T2的理論修正量為 δ2=60 μ m,并在第一次切割得到的切縫內(nèi)進行多次切割,研究 T2實際修正量的規(guī)律。

表1 試驗參數(shù)

1.2 電參數(shù)對實際修正量的影響規(guī)律

1.2.1 脈寬

在表1給定的加工參數(shù)下,只改變脈寬進行試驗。實驗規(guī)律如圖3所示,T2的實際修正量 Δ隨著脈寬的增大而增加,說明脈寬越大,實際修正量也越大。

圖3 脈寬對實際修正量的影響

1.2.2 平均加工電流

同樣,在其他參數(shù)不變的條件下,通過調(diào)整功率管數(shù)改變平均加工電流得到規(guī)律如圖4所示,說明放電能量越高,加工時的蝕除量也越大。

圖4 平均加工電流對實際修正量的影響

1.2.3 脈間

從圖5可看出,脈間對實際修正量的影響并不明顯,但當脈間增大到一定的范圍后,實際修正量會隨著平均加工電流的降低而有減小的趨勢。

圖5 脈間對實際修正量的影響

從上述電參數(shù)對實際修正量的影響規(guī)律可看出:脈寬和平均加工電流對實際修正量有較明顯的影響,而脈間對實際修正量的影響不大。

1.3 非電參數(shù)對實際修正量的影響規(guī)律

1.3.1 跨距

本試驗所描述的電極絲跨距 h如圖 1所示。在其余加工參數(shù)都不變的情況下,跨距直接影響電極絲的空間穩(wěn)定性。跨距減小時,電極絲在高速運行時空間位置相對較穩(wěn)定,剛性也較強,實際修正量會相應(yīng)增加(圖6)。

圖6 跨距對實際修正量的影響

1.3.2 實際進給速度

從圖7可看出,單獨改變 T2的實際進給速度,對實際修正量也有明顯的影響。當實際進給速度增大時,電極絲沒有足夠的時間放電加工而導(dǎo)致實際修正量減少。

圖7 實際進給速度對實際修正量的影響

1.3.3 走絲速度

從圖8可看出,單獨改變走絲速度時,實際修正量隨著絲速的增大而增加。多次切割的修正過程中電極絲為單邊放電,放電產(chǎn)生的爆炸力將電極絲推離加工表面。當絲速增大時,絲的剛性增強,放電爆炸力對電極絲的推離作用減弱,實際修正量增大。

圖8 走絲速度對實際修正量的影響

1.3.4 電極絲張力

單獨改變電極絲張力后,由圖9可知:張力的改變對實際修正量沒有明顯的影響。增大電極絲張力雖可增加電極絲的剛性,對緩解加工面的腰鼓度和提高尖角切割精度有益,但對實際修正量影響不大。

圖9 電極絲張力對實際修正量的影響

綜上所述,電極絲的運絲速度、跨距、實際進給速度對實際修正量有明顯影響,而電極絲張力對其影響不大?？赏ㄟ^選擇較小的跨距、合適的進給速度和較大的電極絲運絲速度來增大實際修正量,減小其與理論修正量的差異。

2 實際修正量與理論修正量的關(guān)系

2.1 驗證試驗的試驗條件

從上述對多次切割實際修正量的影響因素中,選擇有利于減小實際修正量與理論修正量差異的加工參數(shù)進行3次切割。設(shè)定第二次切割 T2和第三次切割 T3的理論修正量分別為δ2=60 μ m和 δ3=10 μ m。電極絲跨距110 mm,工件對稱放置,電極絲張力11.5 N。試驗參數(shù)見表2,切割軌跡見圖2。

表2 驗證試驗的試驗參數(shù)

2.2 試驗結(jié)果

(1)分別測量1次、2次和3次切割試件的厚度值 b1、b2和 b3,得出 T2實際修正量 Δ2=34 μ m,T3的實際修正量 Δ3=10 μ m。通過測量顯微鏡下的切縫寬度計算出放電間隙。圖10是顯微鏡下的切縫,可明顯看出切縫兩側(cè)由波峰和波谷相互交疊形成。測量切縫兩側(cè)波峰與波谷的中間位置得到切縫寬度 a,則放電間隙 k=(a-Φ電極絲)/2,由此方法得到的放電間隙分別是:第一次切割在平均加工電流4 A左右時,單邊放電間隙k1已達到0.030 mm(未考慮切割面的腰鼓度),第二次切割在平均加工電流為1 A左右時,單邊放電間隙k2為0.008 mm,第三次切割在平均放電電流為0.3 A左右時,單邊放電間隙k3為0.004 mm。

圖10 切縫的測量

(2)用數(shù)字存儲示波器檢測得到第二次切割和第三次切割時極間放電電壓、電流波形分別如圖11和圖12所示。

2.3 結(jié)果分析

(1)以往認為高速走絲電火花線切割單邊放電間隙通常在0.010 mm左右[2],而本次試驗中一次切割的單邊放電間隙達到了0.030 mm。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是:首先,傳統(tǒng)的高速走絲電火花線切割以乳化液為工作介質(zhì),加工時的平均放電電流一般在2.5 A左右[3]。而本試驗采用具有良好洗滌性的復(fù)合工作液為工作介質(zhì),平均加工電流在4 A左右,且在復(fù)合工作液條件下正常放電的比例大,能量利用率高,用于正常放電的能量大,隨之產(chǎn)生的切縫增大,放電間隙也較大。其次,放電間隙的測量方法存在差異。傳統(tǒng)測量方法是用普通千分尺測量工件厚度來折算切縫或放電間隙的,電極絲按圖13的切割軌跡加工得到塊1,L是程序中預(yù)先設(shè)置的距離,用普通測量千分尺測量塊1的厚度 d,計算得到放電間隙k=(L-d-φ電極絲)/2。由于線切割的表面是由一個個的放電凹坑堆積而成的,在顯微鏡下觀察塊1的兩側(cè)也呈現(xiàn)出波峰與波谷相互交疊的形貌,用普通測量千分尺測量的是切塊兩側(cè)波峰與波峰的距離(如d),而準確的測量方法是測量切塊兩側(cè)波峰與波谷的中間位置的距離(如d′)。由圖14可看出d＞d′,相應(yīng)計算得到的放大間隙增大,而多次切割后加工表面較均勻,表面粗糙度值較小,此時采用千分尺測量切塊厚度的誤差較小,得到的值相對準確。

綜合考慮上述影響因素可知,復(fù)合工作液條件下大能量切割并在顯微鏡下觀察得到的切縫寬度,要比傳統(tǒng)條件下的切縫寬度大得多,放電間隙也大于傳統(tǒng)條件下的放電間隙。

(2)該試驗中設(shè)置的理論修正量δ=δ2+δ3=70 μ m,由試驗結(jié)果得到的實際修正量 Δ=Δ2+Δ3=44 μ m,理論修正量與實際修正量的差值是 δ-Δ=70-44=26(μ m)。又由上述試驗結(jié)果知:第一次切割放電間隙k1=30 μ m,第三次切割放電間隙k3=4 μ m,則 k1-k3=26 μ m 。由此可知 ,第一次切割放電間隙與第三次切割放電間隙的差值,剛好等于理論修正量與實際修正量的差值。同樣,從圖15也可看出,實際修正量與理論修正量的關(guān)系是:δ-Δ=k1-k2+k2-k3=k1-k3。證明第一次切割放電間隙k1遠大于第三次切割放電間隙k3,是導(dǎo)致實際修正量與理論修正量產(chǎn)生差異的原因。因此,在考慮第一次切割放電間隙與最后一次切割放電間隙差異的情況下,實際修正量與理論修正量是吻合的。在實際設(shè)置多次切割理論修正量時,應(yīng)根據(jù)實際修正量的要求,考慮第一次切割放電間隙與最后一次切割放電間隙的差異,設(shè)置合理的理論修正量,以達到需要的絕對尺寸精度。

圖15 3次切割電極絲的軌跡

(3)采用洗滌性良好的復(fù)合工作液作為放電介質(zhì),能較好地改善極間狀態(tài),促進穩(wěn)定加工。從示波器采集到的波形可看出,多次切割的放電過程呈現(xiàn)出間隙放電的典型特征——放電—擊穿—延遲[4],因此,多次切割從宏觀而言應(yīng)處于間隙放電狀態(tài)。

3 結(jié)束語

由上述的試驗和分析可知:

(1)多次切割實際修正量受放電能量、運絲速度、實際進給速度等因素的影響較明顯,可通過適當增加放電能量、提高運絲速度、降低進給速度等措施來提高實際修正量。

(2)采用復(fù)合工作液作為放電介質(zhì)時,得到的放電間隙要大于傳統(tǒng)意義上的放電間隙;在考慮第一次切割與最后一次切割放電間隙差異的情況下,多次切割的實際修正量與理論修正量是相吻合的。

(3)基于復(fù)合工作液多次切割的極間狀態(tài)良好,采集到的波形體現(xiàn)了電極絲在多次切割過程中間隙放電的特征。

[1]李明奇,朱林逋,李明輝,等.高速走絲電火花線切割加工多次切割工藝的研究及應(yīng)用[J].電加工與模具,2003(4):45-47.

[2]劉志東.以復(fù)合工作液為放電介質(zhì)的低速走絲電火花線切割可行性研究[J].航空精密制造技術(shù),2007(4):39-42.

[3]劉志東.高速走絲電火花線切割加工極間冷卻狀態(tài)的改善[J].電加工與模具,2006(6):31-34.

[4]郭烈恩,劉正勛,邢曉峰,等.高速走絲線切割機多次切割放電波形的檢測與分析[J].電加工,1998(6):83-41.

[5]王至堯.電火花線切割工藝[J].北京:原子能出版社,1998.