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      一種微細(xì)電火花線切割用黑金絲設(shè)計(jì)及其應(yīng)用研究

      2023-10-07 03:39:44梁志寧萬林輝吳桐羅孝奇李攀
      模具工業(yè) 2023年9期
      關(guān)鍵詞:芯材金絲電火花

      梁志寧, 萬林輝, 吳桐, 羅孝奇, 李攀

      (寧波博德高科股份有限公司, 浙江 寧波 315137)

      0 引 言

      隨著產(chǎn)品日益向小型化和精密化的方向發(fā)展,微細(xì)電火花線切割加工技術(shù)作為非接觸式精微制造方法之一,以其超精細(xì)和高精度的加工特點(diǎn)受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界關(guān)注,目前已成為微機(jī)械制造領(lǐng)域的重要加工方式,在制造業(yè)中應(yīng)用廣泛,如航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片上的氣膜孔加工、發(fā)動(dòng)機(jī)噴油嘴打孔、鐘表齒輪精密零件加工、醫(yī)療器械上精密儀器內(nèi)孔加工以及精密型腔的模具零件加工等。如何實(shí)現(xiàn)形狀復(fù)雜微型孔和精密模具零件型腔的高精度和高表面質(zhì)量的微細(xì)電火花線切割加工,一直是該領(lǐng)域的技術(shù)難題。

      1 電火花線切割原理與加工工藝特性

      微細(xì)電火花線切割加工是利用浸在工作液中的兩極間脈沖放電時(shí)產(chǎn)生的電蝕作用蝕除導(dǎo)電材料的特種加工方法,又稱微細(xì)放電加工或微細(xì)電蝕加工,主要用于加工具有復(fù)雜形狀的微型孔和精密型腔的模具零件。由于傳統(tǒng)電極絲的電容效應(yīng)造成的高能量釋放、不均勻的電火花分布和不連續(xù)的電火花腐蝕、放電爆炸力的干擾以及排屑不暢等影響,會(huì)使電極絲與加工零件的間隙發(fā)生變化,影響微細(xì)電火花線切割加工精度和表面粗糙度,甚至導(dǎo)致切割零件表面出現(xiàn)許多微裂紋和線痕。

      現(xiàn)有技術(shù)表明,在電極絲表層設(shè)置間斷的表面結(jié)構(gòu)非晶態(tài)層會(huì)對(duì)切割有利,即通過復(fù)合重構(gòu)技術(shù)覆蓋在外表面的間斷非晶態(tài)結(jié)構(gòu),微觀上原子呈無規(guī)則排列,遠(yuǎn)程無序、電阻率高、具有較高的抗電容效應(yīng),減少了由于電容效應(yīng)造成的高能量釋放,使放電過程形成更加均勻的電火花分布。但是電極絲與加工零件之間的放電不斷消耗電極絲的表層材料,影響放電加工精度。對(duì)此技術(shù)問題的解決方案是適當(dāng)加大復(fù)合非晶態(tài)結(jié)構(gòu)中的微細(xì)空間,減小電極絲表層密度,設(shè)置重構(gòu)表層,使電極絲表層組織不具備連續(xù)性,增大電極絲的熱膨脹系數(shù),防止電極絲在放電過程中被燒斷或變形,減輕切割零件表面熱蝕及凹凸不平現(xiàn)象。但是對(duì)于給定設(shè)計(jì)尺寸的加工零件,在相同的加工電參數(shù)、相同的工作液、相同的機(jī)床以及電極材料的條件下重復(fù)試驗(yàn),使用傳統(tǒng)電極絲電火花線切割加工所得到的加工精度無法滿足需求,特別是定位精度和尺寸精度在較大的偏差范圍內(nèi)波動(dòng),有待進(jìn)一步提升[1]。因此,設(shè)計(jì)一種高精度的微細(xì)電火花線切割加工用黑金絲,實(shí)現(xiàn)形狀復(fù)雜微型孔和精密型腔的模具零件加工,能有效提高電火花線切割的加工精度和表面質(zhì)量。

      2 黑金絲設(shè)計(jì)及放電切割加工應(yīng)用分析

      2.1 黑金絲設(shè)計(jì)

      設(shè)計(jì)的黑金絲如圖1所示,包括芯材和包覆在芯材外的表層,其中芯材的材質(zhì)為黃銅;表層包含包覆于芯材外表面的內(nèi)層和包覆于內(nèi)層外表面的外層,內(nèi)層外表面呈弛豫或重構(gòu)表面結(jié)構(gòu),內(nèi)層為β或β′相銅鋅合金;外層為非晶態(tài)層,主要由以下化學(xué)元素組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù)):49.5%~90%Zn、1.5%~42%Cu、0.158%~6.6% X,余量為O;其中X至少包括3種不同的元素X1、X2、X3,X1為Fe、Al或Ca,X2為Si、C、S或B,X3為Fe、Al、Ca、Si、C、S或B中不同于X1、X2的任意一種[2]。

      圖1 黑金絲

      從以下3個(gè)方面具體分析如何設(shè)計(jì)黑金絲芯材及其表層、內(nèi)層組織及其結(jié)構(gòu)、外層組織及其結(jié)構(gòu)。

      (1)黑金絲芯材在粗割放電時(shí)需要承受較大的電壓和電流密度,對(duì)電極絲造成損耗,可通過提高抗拉強(qiáng)度來減少高溫?zé)彳浕斐傻臄嘟z,所以采用超大加工率制得黃銅作為芯材,抗拉強(qiáng)度達(dá)到800 MPa以上。其芯材表層通過復(fù)合重構(gòu)技術(shù)覆蓋在外表面的非晶態(tài)結(jié)構(gòu),具有較高的電阻率和抗電容效應(yīng),減少由于電容效應(yīng)造成的高能量釋放,使放電過程形成均勻的電火花分布。另外表層結(jié)構(gòu)設(shè)置大量的微細(xì)空間,其密度相對(duì)較低,而熔點(diǎn)高,所以不會(huì)造成高溫?zé)g現(xiàn)象。同時(shí)由于芯材是無定形或玻璃態(tài)結(jié)構(gòu),其組織不具備連續(xù)性,質(zhì)地偏硬呈脆性,熱膨脹系數(shù)比較大,能夠承受高峰值電流,防止電極絲在放電過程中被燒斷或變形,減輕了工具電極表面熱蝕及凹凸不平等現(xiàn)象。

      (2)黑金絲的內(nèi)層組織為β或β′相銅鋅合金,導(dǎo)電率能達(dá)21%IACS以上,導(dǎo)電性能良好,有利于微細(xì)電火花點(diǎn)放電腐蝕工具電極,且內(nèi)層外表面呈弛豫或重構(gòu)表面結(jié)構(gòu)。縱向上,Cu、Zn、Fe、S和Si等原子相對(duì)于原來的位置發(fā)生了位移,即發(fā)生了表面弛豫,弛豫的結(jié)果使微量元素原子位于表面的最外層區(qū)域;橫向上,這些原子間距不規(guī)則,表面發(fā)生了重構(gòu),重構(gòu)的結(jié)果使2個(gè)或更多原子靠近,形成原子聚集體;即內(nèi)層外表面原子排布變得不規(guī)則,晶胞體積膨脹,表面發(fā)生弛豫,晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生重構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)可以降低體系的能量,有利于吸附外來原子或分子,根據(jù)表面張力理論,放電產(chǎn)生的氣泡會(huì)較快的從重構(gòu)表面逸出,減少瞬間爆炸力對(duì)電極絲與微細(xì)電極間隙的直接干擾,提高微細(xì)電火花加工精度。

      (3)黑金絲外層化學(xué)組成可能存在含量之和≤0.3%的雜質(zhì)。這種混合成分和組織能有效降低電極絲的放電損耗,實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定的微細(xì)電火花腐蝕,保證電極絲與微細(xì)工具電極的間隙恒定,提高微細(xì)工具電極的表面質(zhì)量和降低粗糙度值,且無微裂紋產(chǎn)生。同時(shí)由于金屬主元素為Zn,Zn的氣化效果較好,有助于提升放電效率,可以提升加工速度,節(jié)省加工時(shí)間。另外黑金絲外層通過設(shè)定特殊非晶態(tài)結(jié)構(gòu)具有更好的導(dǎo)電率、熔點(diǎn)和膨脹系數(shù),能夠提高抗電容效應(yīng),不僅可以提高加工精度,還可以消除應(yīng)力、減少變形,使加工表面無灼傷,光滑且無微裂紋,表面粗糙度可達(dá)Ra0.05~0.06 μm,達(dá)到提升加工品質(zhì)的目的。

      2.2 放電切割加工應(yīng)用研究分析

      電極絲表層混合組織降低電極絲的放電損耗,可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定的微細(xì)電火花腐蝕,保證電極絲與微細(xì)電極的間隙恒定,提高了加工零件的表面質(zhì)量,具有良好表面粗糧度且無微裂紋產(chǎn)生。同時(shí)黑金絲表層的內(nèi)層外表面設(shè)定特殊的弛豫或重構(gòu)結(jié)構(gòu),在微細(xì)電火花線切割放電時(shí),根據(jù)表面張力理論,氣泡會(huì)從弛豫或重構(gòu)結(jié)構(gòu)處逸出,減少瞬間爆炸力對(duì)電極絲與微細(xì)工具電極間隙的直接干擾,提升微細(xì)電火花加工精度。

      與此同時(shí),因?yàn)槲⒓?xì)電火花放電過程中黑金絲連續(xù)單向移動(dòng)進(jìn)給,微細(xì)工具電極不斷地轉(zhuǎn)動(dòng),黑金絲外層設(shè)置特殊結(jié)構(gòu)可有效減小介質(zhì)粘性阻力,更有利于排出加工屑,避免電蝕產(chǎn)物在放電間隙過多積累,減少異常放電的發(fā)生,提升表面加工質(zhì)量;而其內(nèi)層的材質(zhì)為β或β′相銅鋅合金,具有良好的導(dǎo)電性能,有利于微細(xì)電火花點(diǎn)放電腐蝕工具電極;設(shè)計(jì)黑金絲的表層金屬主元素為Zn,Zn的氣化效果好,有助于提升放電效率,可以提升加工速度,節(jié)省加工時(shí)間。另外,由于黑金絲具有抗拉強(qiáng)度高、塑韌性好的特點(diǎn),便于小軸型的收線和放線,不容易斷絲,且加工精度高、柔性好,有效提升微細(xì)電火花在線制作電極的表面加工質(zhì)量,促進(jìn)微細(xì)電火花加工技術(shù)的長(zhǎng)足發(fā)展[3]。

      根據(jù)實(shí)際的加工需求,黑金絲還可以滿足各種復(fù)雜形狀微細(xì)電火花加工要求,如圓柱形、圓錐形、棱柱狀、螺紋狀及帶有斜度的電極等,有利于實(shí)現(xiàn)工具電極自動(dòng)化成形。然而,電火花變質(zhì)層的厚度大約是Rmax值的3~4倍,基本在粗加工中形成,由于采用電極絲加工產(chǎn)生的粗糙度值明顯小于采用黃銅絲放電產(chǎn)生的粗糙度值,粗糙度值越小,電極絲脈寬越小,電流作用時(shí)間越短,熱量沒有足夠的時(shí)間向材料縱向傳遞,熱量能夠達(dá)到的深度也較小,所以加工材料的變質(zhì)層較薄,使用壽命更長(zhǎng)[4,5]。

      3 加工試驗(yàn)驗(yàn)證及測(cè)試結(jié)果

      采用以上方法設(shè)計(jì)的黑金絲進(jìn)行微細(xì)電火花線切割,得到的精密模具零件為實(shí)施案例,采用原有技術(shù)黃銅絲以及鍍層絲作對(duì)比,使用精密機(jī)床加工精密模具零件,加工零件如圖2所示,并測(cè)試其定位精度,在激光線徑測(cè)試儀上測(cè)試其形狀精度以及在粗糙度檢測(cè)儀上檢測(cè)其加工表面粗糙度,采用200倍光學(xué)顯微鏡觀察其表面微裂紋狀況,加工機(jī)床相關(guān)條件參數(shù)如表1所示,各種電極絲切割工件的加工案例如表2所示。

      表1 加工機(jī)床條件

      表2 各種電極絲切割零件的加工案例

      圖2 精密模具零件實(shí)物

      由表2歸納并分析各種電極絲切割精密模具零件的應(yīng)用案例及測(cè)試結(jié)果如下。

      (1)實(shí)施案例中黑金絲切割加工零件的定位精度為±(0.001~0.001 5) mm,其值小于對(duì)比案例中的±(0.002 5~0.003) mm,說明切割加工的零件具有高定位精度。

      (2)實(shí)施案例中黑金絲切割加工零件的尺寸精度為±(1~1.5) μm,小于對(duì)比案例中的±(2.5~3)μm,說明切割加工的零件具有更高尺寸精度。

      (3)實(shí)施案例中黑金絲切割加工零件的表面粗糙度Ra為(0.056~0.062) μm,小于對(duì)比案例(0.072~0.085) μm,說明使用黑金絲切割加工的零件粗糙度值低。

      (4)表面微裂紋狀況表示零件的表面光滑程度,用于表征切割后零件的表面質(zhì)量。實(shí)施案例中黑金絲切割加工的零件在200倍光學(xué)顯微鏡下觀察無微裂紋,而對(duì)比案例中切割加工的零件存在微裂紋,說明使用黑金絲加工可以有效提高精密模具零件的表面質(zhì)量。

      4 結(jié)束語

      采用設(shè)計(jì)的黑金絲進(jìn)行電火花線切割加工形狀復(fù)雜微型孔和精密型腔的模具零件,在工藝試驗(yàn)和用戶實(shí)際生產(chǎn)中都取得了良好的效果。微細(xì)電火花線切割加工用黑金絲切割的精密模具零件定位精度、尺寸精度、表面粗糙度和表面質(zhì)量相比原有技術(shù)都有明顯改善,為企業(yè)創(chuàng)造了更好的經(jīng)濟(jì)效益。

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