電火花線切割用鍍層絲設(shè)計(jì)

梁志寧，林火根，吳 桐，李 攀

（寧波博德高科股份有限公司，浙江 寧波 315137）

0 引 言

近年來(lái)，隨著工件加工難易程度、模具零件復(fù)雜程度、零件精度和加工表面質(zhì)量要求的不斷提高，對(duì)加工機(jī)床設(shè)備的要求也越來(lái)越高，對(duì)慢走絲電火花線切割產(chǎn)品的性能要求也越來(lái)越高。企業(yè)生產(chǎn)復(fù)雜的工件通常存在許多不同尺寸和角度的過(guò)渡連接，如尖角、圓角或鈍角，這些過(guò)渡連接統(tǒng)稱(chēng)為轉(zhuǎn)角。由于有棱角的工件需要彎曲，不能在直線上切割，使復(fù)雜的工件難以加工。因此，如何實(shí)現(xiàn)復(fù)雜多拐角工件的高精度和高表面質(zhì)量的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

電火花線切割機(jī)（wire electrical discharge machine，WEDM）是一種基于電火花加工原理，利用一種絲線形工具電極，即電極絲進(jìn)行精密加工的切割技術(shù)，主要采用放電切削法加工各種多拐角復(fù)雜工件。由于電火花加工的脈沖放電時(shí)間較短，伴隨著電、磁、熱、化學(xué)腐蝕等復(fù)雜的物理過(guò)程[1]，在較短的時(shí)間內(nèi)，兩電極之間存在一個(gè)放電通道，在通道內(nèi)形成局部瞬態(tài)高溫能量，直接蒸發(fā)或液化工件材料?；谝陨霞庸ぴ?，線切割加工具有宏觀力小、非接觸加工、材料適用性廣、加工質(zhì)量高等特性，特別適用于加工多拐角零件、難加工模具零件和復(fù)雜形狀的工件。

現(xiàn)有技術(shù)表明電極絲上有裂縫會(huì)對(duì)切割有利，即包覆在電極絲芯材表面的表層斷裂能提高切割速度，但也會(huì)降低電極絲的抗拉強(qiáng)度，使電極絲容易被拉斷，無(wú)法繼續(xù)切割，對(duì)此技術(shù)問(wèn)題的解決方案通常是增大芯材的直徑，并在芯材和斷裂的表層之間添加連續(xù)的過(guò)渡層。但上述電極絲對(duì)難加工工件只能割1修2，即同一個(gè)電極絲進(jìn)行慢走絲加工時(shí)對(duì)工件最多只能切割3刀，其中第1刀粗加工，第2、3刀精修，電極絲在第4刀容易斷裂，且切割過(guò)程中會(huì)發(fā)生明顯的停頓，不能切割復(fù)雜工件拐角處。因此，設(shè)計(jì)一種高精度的電火花線切割加工用鍍層絲，實(shí)現(xiàn)高效切割具有拐角的難加工工件。

2 鍍層絲設(shè)計(jì)及放電切割應(yīng)用分析

2.1 鍍層絲設(shè)計(jì)

如圖1所示，設(shè)計(jì)的鍍層絲包括絲線形狀的芯材和覆蓋在芯材表面的表層，同時(shí)表層包括依附在芯材表面的基層，所述基層包括多個(gè)間斷依附在芯材表面的不規(guī)則多邊形大塊，相鄰的大塊之間設(shè)有第一裂縫；還包括依附在基層表面的面層，每個(gè)大塊的外表面都依附有多個(gè)間斷的多邊形小塊，相鄰的小塊之間設(shè)有不規(guī)則的第二裂縫，所有的小塊和所有的第二裂縫共同構(gòu)成面層[2]。

圖1 鍍層絲

現(xiàn)從以下3個(gè)方面具體分析如何設(shè)計(jì)鍍層絲芯材、基層和面層結(jié)構(gòu)。

（1）鍍層絲芯材需要承受較大的電壓和大電流密度，限制電極絲損耗及熱軟化作用而強(qiáng)度降低，其表層結(jié)構(gòu)的電極絲有效降低了精修放電時(shí)的爆炸力和水壓，減小加工縫隙中向加工路徑后方的壓差推力，從而減緩電極絲的滯后影響，提高小圓弧和拐角的加工質(zhì)量。進(jìn)行慢走絲加工時(shí)可對(duì)工件切割多刀，第1刀粗加工，隨后多刀精修，多刀精修都是用同一個(gè)電極絲重復(fù)地精修，電極絲沒(méi)有輕易發(fā)生斷裂，且切割過(guò)程中沒(méi)有停頓，對(duì)較復(fù)雜的工件在拐角處能高效地切割。

（2）鍍層絲芯材表面依附著表層的基層且基層是斷裂的。基層包括多個(gè)間斷分隔的不規(guī)則多邊形大塊，相鄰的大塊之間設(shè)有第一裂縫，芯材和表層之間不存在連續(xù)的過(guò)渡層，即芯材表面會(huì)有一部分通過(guò)第一裂縫暴露于空氣，但該結(jié)構(gòu)并沒(méi)有降低電極絲的抗拉強(qiáng)度，電極絲不僅不容易被拉斷，反而能多次切割工件，甚至能做到割1修10，尤其切割難加工工件的拐角時(shí)表現(xiàn)優(yōu)異。這是因?yàn)殡y加工工件的拐角精度受電極絲在切割放電過(guò)程中爆炸力和高壓沖水對(duì)加工縫隙向加工路徑后方的壓差推力造成滯后作用的影響。當(dāng)放電電流越大，加工放電間隙中爆炸力越大，對(duì)電極絲的反向推動(dòng)力也越大；水壓越高，加工縫隙中向加工路徑后方的壓差力也越大，這種滯后作用體現(xiàn)在切割小圓弧時(shí)加工拐角處出現(xiàn)塌角。這種斷裂的基層結(jié)構(gòu)可有效地減緩放電爆炸力和高壓沖水，從而提高拐角加工精度和表面質(zhì)量。

（3）面層的大塊和第一裂縫及面層的小塊和第二裂縫共同構(gòu)成了表層，其具有雙級(jí)裂縫的網(wǎng)裂結(jié)構(gòu)，通過(guò)在芯材外表面的表層，其直接設(shè)置具有雙級(jí)裂縫的網(wǎng)裂結(jié)構(gòu)能較好地解決由于斷裂引起電極絲抗拉強(qiáng)度降低的難題，即表層的網(wǎng)裂結(jié)構(gòu)并不會(huì)過(guò)度降低電極絲的抗拉強(qiáng)度，電極絲切割難加工工件多次也不會(huì)斷絲，這樣既不用增加芯材的直徑，也不用在芯材和斷裂的表層之間添加連續(xù)的過(guò)渡層，制備電極絲無(wú)需耗費(fèi)過(guò)多的金屬原材料。

2.2 放電切割應(yīng)用分析

由于基層表面的第一裂縫不是縱向裂縫，切割過(guò)程中沒(méi)有停頓，對(duì)于復(fù)雜的難加工工件在拐角處能順利地切割。另外，與規(guī)則有序的表層結(jié)構(gòu)相比，不規(guī)則的網(wǎng)狀斷裂式結(jié)構(gòu)對(duì)切割難加工工件更有利。因?yàn)殡娀鸹ň€切割通過(guò)放電熱進(jìn)行加工，工件表面材質(zhì)由于放電產(chǎn)生高溫而熔化，然后急冷出現(xiàn)變質(zhì)層，變質(zhì)層容易產(chǎn)生微小裂紋，這是因?yàn)殡姌O間隙消除電離干擾不充分、放電點(diǎn)不分散、多次連續(xù)在同一次切割中放電而形成。然而，這種縱橫交錯(cuò)的不規(guī)則網(wǎng)狀斷裂式結(jié)構(gòu)有效減少了電容效應(yīng)造成高的能量釋放和工作液中的電蝕產(chǎn)物（如液渣等）導(dǎo)致的集中放電。特別是在割1修6以上的精修時(shí)，這種結(jié)構(gòu)的電極絲使電極間隙消除電離干擾充分，放電點(diǎn)均勻分散，具有穩(wěn)定的放電過(guò)程，從而獲得優(yōu)異的表面質(zhì)量。設(shè)計(jì)的鍍層電極絲切割出難加工工件在拋光后，表面基本沒(méi)有線痕，提高了加工工件的表面質(zhì)量。

3 加工試驗(yàn)驗(yàn)證與測(cè)試結(jié)果

采用以上設(shè)計(jì)的鍍層絲進(jìn)行電火花線切割難加工工件作為實(shí)施案例，采用原有技術(shù)伽馬鍍層絲、鍍鋅電極絲及黃銅電極絲作對(duì)比案例，在日本三菱MV1200R機(jī)床進(jìn)行材質(zhì)為SKH-9的工件電火花放電切割加工，工件如圖2所示，將切割得到的工件分別進(jìn)行精度測(cè)試和表面測(cè)試，具體包括工件尺寸精度、工件拐角精度、工件拋光后表面線痕和工件表面粗糙度。加工機(jī)床條件如表1所示，各種電極絲切割工件的加工案例如表2所示。

圖2 工件實(shí)物

表1 加工機(jī)床條件

表2 各種電極絲切割工件的加工案例

根據(jù)表2歸納并分析各種電極絲切割工件的應(yīng)用案例及測(cè)試結(jié)果如下。

（1）實(shí)施案例中鍍層絲切割難加工工件的尺寸精度為±（2～3）μm，其值小于對(duì)比案例中的±（5～7）μm，說(shuō)明切割的工件尺寸具有高精度。

（2）實(shí)施案例中鍍層絲切割難加工工件的拐角精度為±（0.5～1）μm，其值遠(yuǎn)小于對(duì)比案例中的±（2～4）μm，說(shuō)明切割的工件拐角精度高。

（3）工件拋光后表面線痕表示工件的表面粗糙度，用于表征切割后工件的表面質(zhì)量。實(shí)施案例中鍍層絲切割難加工工件在拋光后，工件表面基本沒(méi)有線痕，最多只有1條，有效提高加工工件的表面質(zhì)量；而對(duì)比案例中切割難加工工件在拋光后，工件表面的線痕有3～5條，嚴(yán)重降低加工工件的表面質(zhì)量。

（4）工件表面粗糙度用于表征工件表面的質(zhì)量，粗糙度值越小，表面質(zhì)量越高。實(shí)施案例中鍍層絲切割難加工工件的工件表面粗糙度值為Ra0.345～0.352 μm，小于對(duì)比案例中的0.385～0.485 μm，說(shuō)明使用設(shè)計(jì)的鍍層絲切割多拐角復(fù)雜工件的表面質(zhì)量好。

4 結(jié)束語(yǔ)

采用以上設(shè)計(jì)的鍍層絲電火花線切割多拐角復(fù)雜工件，在工藝試驗(yàn)和用戶(hù)實(shí)際生產(chǎn)中都取得了良好的效果。電火花線切割加工用電極絲切割的難加工工件的尺寸精度、拐角精度、工件拋光后表面線痕和表面質(zhì)量相比原有技術(shù)都有明顯改善，提升了加工工件精度和表面質(zhì)量，為企業(yè)創(chuàng)造了更大的經(jīng)濟(jì)效益。