線切割加工速度的影響因素分析

高建，肖杰，蘇偉

自貢硬質(zhì)合金有限責(zé)任公司 四川自貢 643011

1 序言

在先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域，電火花線切割加工技術(shù)發(fā)展迅速，它具有加工精度高、表面質(zhì)量好等特點(diǎn)，為某些特殊材料和特殊形狀工件的加工與制造提供了切實(shí)可行的方法。電火花線切割加工過程復(fù)雜，影響因素繁多，包括電加工參數(shù)、切削液濃度與流量、加工電極、加工材料、加工程序路徑、環(huán)境溫度和電極絲張緊力等。在實(shí)際生產(chǎn)中，既要考慮加工精度、加工表面質(zhì)量和電極絲的使用壽命，還要考慮加工效率。本文主要對(duì)電加工參數(shù)和加工程序路徑這兩種影響因素進(jìn)行分析，通過工藝試驗(yàn)，改善加工方式，在生產(chǎn)中取得了很好的效果。

2 線切割加工原理和技術(shù)特點(diǎn)

電火花線切割加工（Wi r e-c u t E l e c t r i c a l Discharge Machining，簡(jiǎn)稱WEDM）屬于特種加工的一種，它不同于傳統(tǒng)加工技術(shù)，主要利用電能來實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的加工。因此，線切割技術(shù)不受材料性能的限制，可以加工任何硬度、強(qiáng)度和脆性的導(dǎo)電材料，在現(xiàn)階段的機(jī)械加工中占有很重要的地位。線切割對(duì)于硬質(zhì)合金、淬火鋼等精密復(fù)雜金屬零件的加工有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。

線切割機(jī)床主要分為慢走絲機(jī)床、快走絲機(jī)床和中走絲機(jī)床，慢走絲機(jī)床精度達(dá)0.001mm級(jí)，表面粗糙度值Ra＜0.8μm，圓度和直線度誤差都比快走絲機(jī)床小。中走絲機(jī)床并非走絲速度介于高速與低速之間，而是復(fù)合走絲，即粗加工時(shí)采用高速（8～12m/s）走絲，精加工時(shí)采用低速（1～3m/s）走絲。中走絲機(jī)床同時(shí)兼具了快、慢走絲機(jī)床的優(yōu)點(diǎn)，加工相對(duì)穩(wěn)定。

2.1 線切割加工原理

線切割加工是利用一根連續(xù)的、沿其軸線移動(dòng)的細(xì)金屬絲作為工具電極，基于電極絲和工件之間脈沖性放電的電腐蝕作用來蝕除多余金屬，達(dá)到工件的加工要求，切割成形。線切割機(jī)床結(jié)構(gòu)如圖1所示，工件安裝在工作臺(tái)上，電極絲穿過工件或與工件保持平行狀態(tài)，經(jīng)導(dǎo)向輪由儲(chǔ)絲筒帶動(dòng)做往復(fù)交替移動(dòng)。數(shù)控裝置按照預(yù)先設(shè)置的加工要求和加工路線發(fā)出指令，控制兩臺(tái)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)工作臺(tái)在X、Y兩個(gè)方向上移動(dòng)，合成工件要加工的軌跡。

圖1 線切割機(jī)床結(jié)構(gòu)

加工時(shí)，工件接在脈沖電源的正極，電極絲接在負(fù)極，在電場(chǎng)的作用下，電子高速撞向正極，正離子高速撞向負(fù)極，形成一個(gè)被電離的導(dǎo)電通道，粒子間發(fā)生無數(shù)次碰撞，在放電通道內(nèi)形成瞬間局部高溫，熔化或氣化局部工件，由噴嘴以一定的壓力向加工區(qū)噴射具有絕緣性能的切削液，將蝕除的材料帶走。放電的微觀過程如圖2所示。

圖2 放電的微觀過程

2.2 線切割技術(shù)特點(diǎn)

線切割技術(shù)主要具有以下特點(diǎn)。

1）加工中不存在顯著的機(jī)械切削力，無論工件硬度和剛度如何，只要是導(dǎo)電或半導(dǎo)體材料都可以加工，但無法加工非金屬材料。

2）可以加工小孔和復(fù)雜形狀零件，但無法加工盲孔。

3）電極絲損耗小，加工精度高。

4）通過數(shù)控編程技術(shù)對(duì)工件進(jìn)行加工，可對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加工。

5）加工時(shí)產(chǎn)生的切縫窄，金屬蝕除量少，有利于材料的再利用。

3 影響線切割加工速度的因素

線切割加工常以加工速度作為加工效率的評(píng)價(jià)指標(biāo)，可以表示為單位時(shí)間內(nèi)電極絲中心線在工件上經(jīng)過面積的總和。影響線切割加工速度的因素主要有：加工工藝參數(shù)、工件材質(zhì)、切削液濃度與流量、加工工藝路線和環(huán)境溫度等。圖3為各因素對(duì)工藝指標(biāo)的影響。

4 加工工藝參數(shù)對(duì)加工速度的影響分析

線切割加工工藝參數(shù)是影響切割速度和精度的主要因素。工藝參數(shù)包括脈沖寬度、脈沖間隔、峰值電流、電壓、變頻值（進(jìn)給速率）、功放管的功率、絲速和絲張緊力等。

圖3 各因素對(duì)工藝指標(biāo)的影響

試驗(yàn)采用DKB280型數(shù)控電火花線切割機(jī)床，加工范圍為280mm×360mm×400mm，綜合加工精度0.01mm，最大加工速度120mm2/min。電極絲采用φ0.18mm鉬絲，加工材料為ZK10UF-1牌號(hào)的硬質(zhì)合金，切削液濃度為10%。試驗(yàn)機(jī)床的加工參數(shù)界面如圖4所示。

圖4 DKB280型數(shù)控電火花線切割機(jī)床加工參數(shù)界面

4.1 脈沖寬度對(duì)加工速度的影響

脈沖寬度是指在工件和電極絲之間施加電壓的時(shí)間，單位為μs。試驗(yàn)中以脈沖寬度作為可變參數(shù)，其余參數(shù)保持不變，試驗(yàn)數(shù)據(jù)和加工效果見表1。

圖5為脈沖寬度變化對(duì)加工速度的影響曲線。由于火花放電只發(fā)生在脈沖寬度內(nèi)，因此在一定范圍內(nèi)脈沖寬度越大，切割速度越高，但是超過一定范圍，切割速度反而隨著脈沖寬度的增加而減小。DKB280機(jī)床加工ZK10UF-1牌號(hào)硬質(zhì)合金，在脈沖寬度為20μs時(shí)，加工速度最快。

表1 脈沖寬度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖5 脈沖寬度與加工速度的關(guān)系

4.2 脈沖間隔對(duì)加工速度的影響

脈沖間隔是指兩個(gè)脈沖間無電流的時(shí)間，單位為μs，設(shè)定值為脈沖寬度的倍數(shù)。脈沖間隔越小，單位時(shí)間內(nèi)放電加工的次數(shù)越多，切割速度也越高。試驗(yàn)中以脈沖間隔作為可變參數(shù)，其余參數(shù)保持不變，試驗(yàn)數(shù)據(jù)和加工效果見表2。圖6為脈沖間隔變化對(duì)加工速度的影響曲線。

表2 脈沖間隔試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖6 脈沖間隔與加工速度的關(guān)系

研究表明，脈沖間隔會(huì)影響切割速度和加工的穩(wěn)定性。隨著脈沖間隔的增大，切割速度降低。但是脈沖間隔太小，電蝕物不能及時(shí)排除，放電間隔無法恢復(fù)到所要求的絕緣程度，從而影響加工的穩(wěn)定性。DKB280機(jī)床加工ZK10UF-1牌號(hào)硬質(zhì)合金，在脈沖間隔為7μs時(shí)，加工效果最佳。

4.3 峰值電流對(duì)加工速度的影響

峰值電流是指火花放電時(shí)流過放電間隙的平均電流。單個(gè)脈沖放電能量計(jì)算公式為

式中，W為單個(gè)脈沖放電能量（J）；t為單個(gè)脈沖放電時(shí)間（μs）；U為電壓（V）；I為峰值電流（A）。

由此可見，在電壓一定的情況下，增加單個(gè)脈沖能量主要依靠加大脈沖峰值電流，而提高單個(gè)脈沖能量也就意味著提高加工速度。

試驗(yàn)中改變電流的大小，得到如圖7所示的加工電流與加工速度的關(guān)系曲線。

由圖7可見，加工速度隨著加工電流的增加而提高。但試驗(yàn)表明，與此同時(shí)，加工表面質(zhì)量在下降。當(dāng)電流超過4A時(shí)，鉬絲損耗嚴(yán)重，且易斷絲。根據(jù)之前的研究，當(dāng)加工電流達(dá)到2.8A時(shí)，工件表面會(huì)產(chǎn)生如圖8所示的微裂紋。

綜合加工效率和加工質(zhì)量考慮，加工電流應(yīng)控制在≤2A。

圖7 加工電流與加工速度的關(guān)系

圖8 電流2.8A時(shí)加工表面出現(xiàn)微裂紋（×1500）

4.4 變頻值對(duì)加工速度的影響

變頻值即線切割變頻跟蹤速度，它本身不具備提高加工速度的能力，其作用是保證加工的穩(wěn)定性。當(dāng)跟蹤速度（進(jìn)給速率）過快，超過工件蝕除速度時(shí)，有可能出現(xiàn)短路，使切割速度降低，工件表面質(zhì)量變差；若跟蹤速度太慢，極間可能形成短路，影響切割速度。加工時(shí)，電流表指針穩(wěn)定，則說明變頻值合適，跟蹤速度和工件蝕除速度相當(dāng)。若電流表經(jīng)常向下擺，則說明欠跟蹤，需要減小變頻值，反之亦然。

雖然變頻值本身不具備提高加工速度的能力，但是可以充分利用其特性來提高加工效率。加工中都會(huì)存在零吃刀的空走階段，比如從坐標(biāo)零點(diǎn)到接觸工件開始加工，以及加工完畢回到坐標(biāo)原點(diǎn)，都是零吃刀的空走階段?？梢詫⑦@兩段路徑的變頻值減小，提高進(jìn)給速率，縮短空走刀時(shí)間，以達(dá)到提高加工效率的目的。以公司PD-16805-M產(chǎn)品為例，更改空走刀的變頻值，加工效率可提高10%左右。

5 加工工藝路線對(duì)加工速度的影響分析

試驗(yàn)對(duì)象：寬度為1.6m m的直槽。代表產(chǎn)品有PC-14502-M、PC-03501-M、PC-97501-M、PD-02501-M和PD-00501-M等。舊程序的加工路徑如圖9所示，其中實(shí)線為一次切割參數(shù)走刀，虛線為二次切割參數(shù)走刀。

圖9 舊程序加工工藝路線

由圖9可知，舊程序存在可以優(yōu)化加工路徑的情況。試驗(yàn)過程中先后設(shè)計(jì)了4種走刀路線，但是前3種都存在缺陷，方案1掉屑不穩(wěn)定，有時(shí)候不掉屑，在第二次切割時(shí)造成短路；方案2缺少一段二次切割，加工表面質(zhì)量不好；方案3加工的槽形差，槽邊不規(guī)則。經(jīng)過不斷改進(jìn)，得到了第4種優(yōu)化路線方案，在保證加工質(zhì)量的同時(shí)提高了加工效率。各方案的切割路線詳情如圖10所示。

6 結(jié)束語

針對(duì)DKB280型號(hào)線切割機(jī)床加工ZK10UF-1牌號(hào)硬質(zhì)合金的試驗(yàn)，可得出以下結(jié)論。

1）在一定范圍內(nèi)增大脈沖寬度可以提高加工速度。但是如果脈沖寬度過大，則加工速度反而降低。當(dāng)脈沖寬度為20μs時(shí)，加工效果最佳。

2）適當(dāng)減小脈沖間隔可以提高加工速度。但是如果脈沖間隔過小，則會(huì)導(dǎo)致電蝕物不能及時(shí)排除和造成短路，影響加工質(zhì)量。脈沖間隔為7μs最適宜。

圖10 程序優(yōu)化過程

3）加工電流和加工速度成正比例關(guān)系，但是電流過大會(huì)嚴(yán)重影響加工質(zhì)量。

4）在零吃刀階段，合理調(diào)節(jié)變頻值可以節(jié)省總加工時(shí)間，達(dá)到提高加工效率的目的。

5）合理地調(diào)整加工路線也可以提高加工速度。

專家點(diǎn)評(píng)

線切割不受材料性能的限制，在硬質(zhì)合金、淬火鋼等高硬度零件的精密加工中具有不可替代的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)前線切割技術(shù)最大的缺點(diǎn)就是效率較低。文章針對(duì)影響線切割加工速度的主要因素（電加工參數(shù)和加工程序路徑）進(jìn)行研究，通過工藝試驗(yàn)和改善加工方式，在保證加工質(zhì)量的同時(shí)提高加工效率。

文章的實(shí)用性很好，目標(biāo)明確，結(jié)論準(zhǔn)確，善于抓住問題的關(guān)鍵進(jìn)行深入研究，具有很好的說服力和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。