粗絲下料電火花線切割斷絲原因初探

劉金程,狄士春,韋東波

(哈爾濱工業(yè)大學機電工程學院,黑龍江 哈爾濱 150001)

電火花線切割在模具制造、難加工材料及精密復雜零件的加工等方面起著十分重要的作用,在我國制造業(yè)中占有重要地位。其加工效率的提高一直是各國學者研究的主要方向之一。采用粗絲大電流線切割加工,能顯著提高電火花線切割的加工效率,在下料中的應用尤為明顯。然而,在粗絲下料電火花線切割加工中,斷絲一直是限制其應用的主要問題。加工過程中一旦發(fā)生斷絲,就會迫使加工停止,需重新穿絲,降低了加工效率。換絲還會增加加工成本。通過對電極絲斷絲后斷口形態(tài)的分析,確定引起斷絲的主要原因有拉斷、熔斷、切斷,還提出了由于氫脆造成的脆斷。確定斷絲原因后,可分析出電火花線切割機床和加工工藝的不合理部分,進行改進,避免斷絲,以達到保證加工效率的目的。

1 斷口形態(tài)及其形成的分析

1.1 拉斷斷口形態(tài)及其形成

在粗絲下料電火花線切割加工過程中,為減小加工區(qū)域電極絲的振動,提高加工穩(wěn)定性,需要根據(jù)電極絲的直徑對其施加一定的軸向拉力。在保證低于電極絲屈服強度的情況下,盡量選用較大的拉力。但實際加工中電極絲所受的軸向拉力是不斷變化的,當拉力過大、超出電極絲的承受能力時,就會導致電極絲被拉斷。實驗表明,對直徑為2mm的銅絲施加軸向拉力的開始階段,銅絲的長度不斷增加,直徑逐漸變小;繼續(xù)增大拉力,當拉力增加到一定數(shù)值時,銅絲的某處突然明顯變細,形成細頸;繼續(xù)增加拉力,銅絲細頸處的截面面積急劇減小,最后在細頸處斷裂。拉斷斷口示意圖見圖1。

圖1 拉斷斷口形態(tài)

1.2 熔斷斷口形態(tài)及其形成

電火花線切割加工過程中會產(chǎn)生大量的熱量,使放電點局部瞬間溫度極高,會使電極材料熔化或汽化,即蝕除電極材料。且這種蝕除的發(fā)生是不分正負極的,工件被蝕除的同時,電極絲也在被蝕除。由于粗絲下料電火花線切割加工過程中的加工電流很大,可達到1000 A左右,導致脈沖能量很大。一旦非正常加工導致的短路、拉弧等現(xiàn)象發(fā)生時,就會使電極絲放電點的局部溫度過高,熔化過快,易使電極絲熔斷。電極絲熔斷斷口示意圖見圖2。

圖2 熔斷斷口形態(tài)

1.3 切斷斷口形態(tài)及其形成

電火花線切割的整個加工過程中,電極絲都處于走絲狀態(tài),且電極絲要經(jīng)過整個走絲系統(tǒng)和工件。如在走絲過程中電極絲與尖角或棱邊接觸并產(chǎn)生一定的接觸壓力,尖角或棱邊便極易切入電極絲。當尖角或棱邊切入電極絲后,由于電極絲仍在做走絲運動,這樣就會導致切口處與卷絲筒之間部分電極絲的軸向拉力增大。在細絲線切割加工中,電極絲很細,能承受的拉力較小,一旦尖角或棱邊切入電極絲,電極絲的軸向拉力會突然增大,將電極絲拉斷。而粗絲下料電火花線切割使用的電極絲較粗,當尖角或棱邊切入電極絲后,并不會因為軸向拉力的增大而被拉斷,而是繼續(xù)走絲,直到被切斷為止。其切斷過程示意圖見圖3。

圖3a表示電極絲與尖角或棱邊發(fā)生接觸并產(chǎn)生了一定的接觸壓力,隨著電極絲與刃口的相對運動,刃口就會切入電極絲中(圖3b)。切入過程類似于車刀車削工件,但不同的是,電極絲始終承受著一定的軸向拉力。當刃口切到一定的深度、電極絲切口剩余的截面無法承受施加的軸向拉力時,就會發(fā)生拉斷。切斷斷口示意圖見圖4。

1.4 脆斷斷口形態(tài)及其形成

在粗絲電火花線切割試驗中,有時可觀察到斷絲的斷口較平整,斷口處徑向尺寸基本沒有變化,呈現(xiàn)脆性材料斷口的特征。因此,把具有這種斷口形貌特征的斷裂形式稱為脆斷。脆斷斷口形貌示意圖見圖5。

圖5 脆斷斷口形態(tài)

2 各斷口形態(tài)形成原因的分析

2.1 拉斷原因

造成電極絲拉斷的原因是電極絲軸向拉力過大。軸向拉力在電火花線切割加工前和加工過程中一直存在,所以在加工前和加工中都有可能出現(xiàn)拉斷現(xiàn)象。

(1)上絲時,對電極絲施加的拉力過大易直接拉斷電極絲。這個現(xiàn)象主要發(fā)生在緊絲過程中,緊絲拉力過大或電極絲未正確繞過導絲輪而夾在零部件的縫隙中,電極絲都易被拉斷。

(2)導絲輪如果轉(zhuǎn)動失靈,則其凹槽易被電極絲拉成深槽,電極絲被深槽夾住進而被拉斷。

(3)電極絲與導絲輪或?qū)щ妷K間有相對摩擦,因發(fā)熱引起導絲輪或?qū)щ妷K變形夾絲,也會導致電極絲被拉斷。

(4)如果工件是鍛件毛坯,毛坯中有夾層和夾渣,或表面覆蓋氧化物和異物時,這些雜質(zhì)在切割過程中與電極絲接觸。由于雜質(zhì)電阻較大,電極絲仍會繼續(xù)進給,此時,電極絲與雜質(zhì)之間會產(chǎn)生劇烈摩擦,造成電極絲局部軸向拉力增大;當其超過電極絲抗拉強度時,便會造成電極絲被拉斷。

(5)若工件經(jīng)熱處理后,仍有殘余內(nèi)應力,切割時應力平衡被打破,工件會開裂變形,將電極絲夾住,造成拉斷[1]。

(6)鑄造類工件在鑄造過程中造成砂眼、氣孔以及工件內(nèi)部有不導電的雜質(zhì),在切割過程中都可能會拉斷絲[2]。

2.2 熔斷原因

電火花線切割中造成電極絲熔斷的原因有很多。

(1)加工參數(shù)

由于粗絲下料電火花線切割加工時的脈沖能量很大,放電蝕除量較大。這些被蝕除的金屬顆粒會導致工作液的導電性增加。如果脈沖間隙選擇較小,則易導致工作液來不及恢復絕緣強度,引起電弧燒斷電極絲。

(2)電極絲進給及振動

電極絲進給不當也會引起斷絲,進給速度過快會導致頻繁短路、拉弧燒斷電極絲。加工區(qū)域電極絲振動頻繁,振幅較大,則會導致頻繁短路、開路,易引起拉弧斷絲。在粗絲下料電火花線切割加工過程中,電極絲會繞本身的軸線發(fā)生轉(zhuǎn)動。由于電極絲與加工區(qū)域上、下導輪V型面有較大的壓力,電極絲在V型面上轉(zhuǎn)動,因摩擦力上導輪部分的電極絲會沿V型面的其中一個面爬升。在其爬升過程中,會導致上下導輪間電極絲的拉力增大;當電極絲爬升到一定位置時,電極絲與導輪間的摩擦力不足以克服上下導輪間電極絲的拉力時,上導輪部分的電極絲便會突然沿V型面滑下,進而導致電極絲振動(圖6)。

圖6 電極絲在V型槽內(nèi)轉(zhuǎn)動

(3)工作液濃度

工作液濃度太高,放電時易產(chǎn)生氣泡,從而產(chǎn)生拉弧燒斷電極絲[3]。當工作液使用時間較長后,雜質(zhì)粒子會大大增加,工作液的絕緣性會降低,導電性增加,加工間隙增大,此時加工波形特征是一連串幾乎沒有開路和擊穿延時的放電脈沖。加工間隙能量非常集中,極易使電極絲熔斷[4]。

(4)工作液壓力

由于粗絲下料電火花線切割通常用來切割大厚度工件,因此工作液注入壓力不夠或其噴射方向不正確,將會導致工作液不能進入加工間隙,加工區(qū)域電極絲無法冷卻,局部溫度會突然升高,使電極絲熔斷。

(5)工件

工件最初加工位置有毛刺、鐵銹等污物時,極易形成集中放電,燒斷電極絲。然而,過量的乳化液會降低絕緣電阻,滅弧性能降低,易產(chǎn)生電弧放電燒斷電極絲[5]。

2.3 切斷原因

當電極絲與工件或機體有壓力接觸時,工件或機體的棱邊就是刃口,極易切斷電極絲。

(1)機體切斷

擋絲塊位置不合理,卷絲筒有軸向跳動,電極絲與機體的棱邊部分接觸易使電極絲被切斷。導絲輪徑向跳動或電極絲張緊不足導致掉絲,電極絲與機體棱角接觸易被切斷。

(2)工件切斷

導電塊、導電輪與電極絲接觸不良,工件未被蝕除,電極絲繼續(xù)進給,與工件棱邊接觸,造成切斷。當切割較薄工件時,工件易發(fā)生變形,導致工件與電極絲接觸切斷。工件經(jīng)熱處理后內(nèi)應力未消除,加工時工件變形與電極絲接觸,切斷電極絲。工件裝夾不合理,切割過程中裝夾力導致工件變形與電極絲接觸切斷。當加工快結(jié)束時,分離部分的工件移位、掉落與電極絲接觸,切斷電極絲[6]。

2.4 脆斷原因

造成這一現(xiàn)象的原因主要有3個方面:

(1)電極絲保存不當。電極絲受潮會氧化,曬后變脆,極易折斷。未用正確方式保存的電極絲,加工時極易出現(xiàn)平整的斷口。

(2)電極絲在電火花線切割加工過程中經(jīng)常處于急冷急熱的狀態(tài),絲質(zhì)會變脆,加工時易發(fā)生脆斷。

(3)電火花線切割加工過程中,電極絲承受拉應力在工作液中進行加工,也可能會發(fā)生氫脆現(xiàn)象。

3 粗絲下料電火花線切割加工過程中的氫脆現(xiàn)象

金屬材料在拉應力及特定腐蝕環(huán)境共同作用下所發(fā)生的斷裂,稱為應力腐蝕開裂。應力腐蝕開裂一定要在拉應力下才會發(fā)生,且對于不同的合金要求不同的特定腐蝕環(huán)境。如銅合金在NH3水溶液、水、含氮的有機化合物、檸檬酸等介質(zhì)中就易發(fā)生應力腐蝕開裂,且斷裂狀態(tài)屬于脆斷,即使是具有良好延展性的金屬,仍具有完全脆性的外觀[7]。

原子氫在合金晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)的滲入和擴散所導致的脆性斷裂現(xiàn)象稱為氫脆。氫脆是上述應力腐蝕開裂的一種情況,這時作用在材料上的是特定的氫[7]。

氫脆導致金屬斷裂的斷口斷面形貌具有其獨有的特征。圖7是在進行粗絲下料電火花線切割加工時,電極絲(銅絲)發(fā)生脆斷后的斷口斷面照片。從圖7可看到明顯的雞爪狀條紋,這是金屬發(fā)生氫脆斷裂后斷口形貌的典型特征[8]。

圖7 電極絲氫脆斷口斷面形貌

粗絲下料電火花線切割加工通常采用正極性加工,即工件接電源的正極,電極絲接電源的負極。且電火花線切割加工采用的是水基工作液,在加工過程中,存在于工作液中的氫離子以水化氫離子(H3O+)的形式存在。加工時,首先靠對流、擴散或電遷移等傳質(zhì)作用,將工作液中的H3O+離子輸送到電極絲表面附近液層中,接受電子發(fā)生還原反應,在電極絲表面生成吸附氫原子:

式中:MH表示電極絲表面上吸附的氫原子。它可能以兩種不同的方式生成氫分子:

(1)在電極絲表面上,由兩個吸附氫原子復合而生成氫分子:

(2)在電極絲表面上,由另一個H3O+離子在吸附氫原子的位置上放電,從而直接生成氫分子:

氫分子半徑很小,易在金屬內(nèi)擴散。通過擴散聚集后,可在電極絲材料內(nèi)形成高壓,導致電極絲開裂[9]。

圖8是在進行粗絲下料電火花線切割加工時,電極絲(銅絲)發(fā)生脆斷后的斷口側(cè)面照片。從圖中可看到,電極絲的徑向尺寸沒有發(fā)生變化,但斷口并不是完全平整的,而是呈階梯狀。這是由于電極絲在加工過程中始終處于走絲狀態(tài),且經(jīng)過導絲輪時會發(fā)生彎曲,電極絲上由于氫脆造成的開裂部分經(jīng)彎曲、拉直的循環(huán)載荷后,極易導致裂紋迅速擴大;當電極絲直徑減小到一定程度時,會被軸向拉力拉斷。

圖8 電極絲氫脆斷口側(cè)面形貌

粗絲下料電火花線切割加工中,導致氫脆發(fā)生的氫來自于工作液。因此,可通過在工作液中添加去氫或抑制生氫的試劑,從而減少加工過程中生成的氫,避免氫脆發(fā)生。

4 結(jié)束語

通過對粗絲下料電火花線切割電極絲的斷口形態(tài)特征的分析,可確定斷絲是由于拉斷、熔斷、切斷或脆斷造成的,以便盡快找到導致斷絲的原因,對加工條件進行改善。首次提出的在粗絲下料電火花線切割加工過程中存在氫脆現(xiàn)象,其合理性及解決措施還有待進一步研究。

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