低速走絲電火花線切割加工應用

張偉明

(北京安德建奇數(shù)字設(shè)備有限公司,北京 101400)

低速走絲電火花線切割機床應用廣泛且重要。在模具的生產(chǎn)過程中,模具加工精度的好壞直接影響到模具的裝配精度、產(chǎn)品的精度以及模具的使用壽命。有時機床使用不當還會造成工件報廢,給制造成本和加工周期帶來負面影響。因此在使用機床的過程中,應盡可能發(fā)揮出機床的加工性能,以便給企業(yè)帶來良好的經(jīng)濟效益。影響低速走絲線切割機床加工精度的因素有很多,除了機床本身品質(zhì)的好壞以外,還與所加工材料的性能、加工環(huán)境、加工工藝等外界因素有關(guān)。本文主要從上述幾個外界因素來分析如何避免或減小外界因素的影響,以提高模具的加工質(zhì)量。

1 影響機床加工精度的外界因素及解決辦法

1.1 材料性能的影響

一般而言,工件在切割前都已經(jīng)歷過多種加工,內(nèi)部或多或少都存在著殘余應力。殘余應力是一個相對平衡的應力系統(tǒng),這種平衡系統(tǒng)會在線切割的加工過程中遭到破壞,再加上電極絲火花放電所產(chǎn)生的熱應力的作用,工件將產(chǎn)生無規(guī)則的、不定向的變形。在線切割加工的過程中,材料變形直接影響到模具的尺寸精度和表面質(zhì)量。材料中的殘余應力有時比機床精度等因素對加工精度的影響還嚴重,可使變形達到宏觀可見的程度,甚至在切割過程中材料會破裂。尤其是加工細長形狀或加工余量較少的工件時,會因為工件變形的影響而得不到理想的加工結(jié)果。故欲得到精度良好的工件,應注重材料性能對加工精度的影響。

為了減小殘余應力引起的變形,應采取相應措施。如:選擇正確的熱處理方法;進行切割時,采用二次切割法(第一次粗切型孔,待應力達到新的平衡時再精切型孔)、選擇正確的切割順序等。

現(xiàn)從以下幾方面來具體分析如何提高加工精度。

(1)從材料上盡可能減小加工過程中變形的產(chǎn)生。這要求盡量選擇內(nèi)應力小的材料,或在加工之前對材料先進行熱處理以消除或減小內(nèi)應力。

(2)減小加工過程中的熱變形。這要求在加工過程中加工液及機床溫度要恒定。用戶將機床放在恒溫的房間里使用即可,一般在封閉的房間里配上制冷量足夠的空調(diào)機。安裝空調(diào)機時,應將空調(diào)機的出風口避開機床,防止冷風直吹機床。

(3)制定合理的加工工藝來避開材料變形的影響?？蓮囊韵?個方面著手:①工件輪廓應離坯料邊緣7mm以上;②在淬火前進行預加工,去除大部分余量;③在切割凸模的時候,應打好穿絲孔進行封閉式切割(圖1)。這樣可有效減小線切割加工對工件應力平衡系統(tǒng)的破壞,從而提高工件的加工精度。圖2所示的起割點位置是從加工原材料以外直接切割進去,這樣易破壞材料的應力平衡系統(tǒng),帶來較大的變形,影響零件的加工精度;④在切割模具時,穿絲孔位置的選擇也會對應力變形產(chǎn)生影響,應盡可能將暫留量留在靠近工件裝夾時壓板壓上的部位。特別是在薄板上切割稍微大點的零件時尤其要注意這一點。如圖3a所示,切割圖示的零件外形,切入點選在下端,靠近工件夾持的部位。大部分切割過程都使工件與夾具保持在同一坐標系中,剛性較好,避免了應力變形。而圖3b的切入點選在了工件的上端,切割方向如圖所示。隨著切割時間的變化,零件下部與工件夾持部位逐漸脫離,無法抵抗內(nèi)部殘留應力而發(fā)生變形,工件也隨之變形,影響零件的加工精度。

圖1 穿孔切割示意圖

1.2 電極絲的選擇

低速走絲電火花線切割加工作為一種精密特種加工技術(shù),它的切割效率和切割質(zhì)量與電極絲的質(zhì)量緊密相關(guān)。電極絲技術(shù)的突破往往會導致線切割技術(shù)的革新。比如鍍鋅絲的出現(xiàn),就為低速走絲電火花線切割加工技術(shù)帶來了加工效率和表面質(zhì)量上的大幅度提高。鍍鋅絲發(fā)展到今天已使“不同的加工,采用不同的電極絲”的概念被用戶所接受,更使廣大用戶跳出了“電極絲就是黃銅絲”的這一業(yè)內(nèi)誤區(qū)。

在使用機床的過程中,電極絲的選擇應注意以下幾點:

(1)在正常切割時,宜選擇拉伸強度合適的電極絲。抗拉強度高一點的電極絲有利于提高切割效率、減小電極絲的滯后,從而提高零件的精度。因為電極絲的滯后會帶來“鼓肚”、“凹心”、“塌角”等加工缺陷。在行業(yè)中根據(jù)電極絲抗拉強度的大小,有時候也會把電極絲分為“軟絲”和“硬絲”。

(2)在使用過程中,需選擇“軟”、“硬”適當?shù)碾姌O絲。如果進行大錐度加工,應選擇偏軟的電極絲。因為“軟絲”的延伸率較大,在大錐度切割時易保證斜面的幾何精度。然而,“硬絲”在自動穿絲方面有著它的優(yōu)勢,在抗抖動能力上要強于“軟絲”。

(3)電極絲的導電特性影響加工模具的表面粗糙度。隨著低速走絲電火花線切割機床電源的不斷發(fā)展,對電極絲也提出了嚴格的要求。它不但要求在實際使用過程中,電極絲要能承受很高的峰值電流或平均電流,同時還要求電極絲傳輸?shù)哪芰勘仨氂行?。因為只有這樣,才能使加工表面粗糙度值達到Ra 0.6、Ra 0.4甚至 Ra 0.2。一般鍍鋅絲的切割效率和表面粗糙度要好于黃銅絲,切割效率會有30%～50%的提高。但鍍鋅絲的價格會稍微貴些,用戶可根據(jù)自己的需要來選擇。

(4)電極絲的熱物理特性影響切割效率。在加工過程中,由于放電會產(chǎn)生大量的熱能。其中一部分熱量會被電極絲吸收,便會影響切割效率。如熱量太多的話,電極絲就會被熔斷,這時要求電極絲表面能快速地汽化。因為只有這樣,才能在短時間內(nèi)把熱量帶走,同時也有利于排屑。這也是我們在第一次切割時使用高壓沖水的原因之一。

(5)電極絲本身的幾何特性影響加工結(jié)果。低速走絲電火花線切割機床高效率高精度的加工,要求電極絲的圓度誤差極小,對電極絲表面的光滑程度、絲徑的尺寸精度要求都較高。當然也有一些特殊的電極絲,為了得到較高的切割效率,而特意把電極絲表面做得相對粗糙。

(6)在切割尖角、窄縫時,應選用直徑較小(0.15mm或者更小)的電極絲來切割,否則程序可能會產(chǎn)生錯誤或者加工不出理想的效果。

(7)在切割較厚的工件時,應選用直徑稍偏大(0.25mm或0.3mm)的電極絲來切割。這樣才能得到較好的綜合切割效率。

綜上所述,關(guān)于電極絲的選擇,用戶一般使用機床生產(chǎn)廠家推薦的電極絲即可,或根據(jù)具體加工應用的不同來選擇電極絲。用戶也更應重視電極絲的選擇。

2 加工應用舉例

一客戶在使用本公司生產(chǎn)的AW510低速走絲電火花線切割機床加工時出現(xiàn)了兩個問題:一是切割凸模齒輪時,齒輪公法線精度誤差較大,有的誤差甚至達到0.1～0.2mm;二是在切割陰模齒輪時,第三次切割出現(xiàn)切不動的情況。該客戶專業(yè)生產(chǎn)齒輪,用低速走絲電火花線切割機床主要切割厚度在100～200mm的硬質(zhì)合金材料。該客戶以前的模具全部是外協(xié)加工,由于加工費用較高,最近從本公司購買了機床用于加工自己的模具。由于該客戶是剛剛接觸低速走絲電火花線切割加工,加工工藝不是很完善,在機床交付給客戶使用后,客戶首先是用鋼料來做實驗性的加工,摸索適合自己產(chǎn)品的工藝方法。下面就本公司的服務工程師針對該客戶反映的上述兩個問題采取的相應措施,來介紹低速走絲電火花線切割加工應用方面的一些技巧。

(1)第一個問題的加工內(nèi)容見圖4。

圖4 凸模齒輪輪廓及加工參數(shù)

切割時用的補償量分別為:H001=213μm、H002=148μm 、H003=136μm 、H004=133μm 。各次切割所用的參數(shù)代碼為 1631/1632/1633/1634。由于是在做實驗性的加工,為了節(jié)約成本和提高效率,客戶選用了比較薄(10mm厚)的鋼料來加工。在實驗過程中,發(fā)現(xiàn)切割出來的齒輪部分公法線精度在0.005mm左右,完全符合他們的模具要求 ,但也有幾個齒輪的公法線精度大于 0.02mm,有的誤差甚至在0.1～0.2mm。

遇到這種情況,我們首先想到的是材料變形影響了加工精度。因為工件相對較薄,如果熱處理做得不好的話,在加工過程中就較易產(chǎn)生變形,最終會導致零件加工精度不理想。客戶在切割過程中,用的都是一些廢料來切割,可能不同批次的材料熱處理情況不一樣,所以才導致了切割出來的齒輪精度相差較大。

在實際切割過程中,本公司的服務工程師也確實發(fā)現(xiàn)了明顯的材料變形。圖5是第一次切割完成后所拍攝的照片。從圖上可看出,切割軌跡存在明顯的不均勻情況,切縫大小不一非常明顯。遇到這樣的情況,首先應考慮從材料上解決該問題,更換材料或?qū)⒉牧现匦聼崽幚?。在材料得不到改善的前提?可采取加大補償量、增加一次切割的辦法來解決,這樣可消除或減小材料變形對加工精度的影響。因為變形基本上會在第一次切割過程中產(chǎn)生,而且第一次切割完成后產(chǎn)生變形量最大。

圖5 第一次切割后的齒輪照片

這里所采取的辦法是增加一次切割,而且用的是第一次切割的參數(shù)。補償量在原來的基礎(chǔ)上增加0.1mm。即調(diào)整后的補償量分別為:H001=313μm 、H002=213μm 、H003=148μm 、H004=136μm、H005=133μm,各次切割所用的參數(shù)代碼為1631/1631/1632/1633/1634。這里介紹的方式是采取增大補償量、增加一次切割的辦法,至于所用參數(shù)和所增加的補償量的大小應視情況而定。

(2)第二個問題的加工內(nèi)容見圖6。

圖6 陰模齒輪輪廓及加工參數(shù)

客戶介紹在切割到第三刀時,機床無法正常加工,切割效率極低,機床放電狀態(tài)很不穩(wěn)定。與客戶溝通時了解到,在第二次切割完成后,由于工廠突然斷電,切割工作也就暫告一段落了,過了3天才繼續(xù)加工該零件。等到再開始加工的時候,零件表面已產(chǎn)生了嚴重的銹跡,據(jù)分析正是由于加工面的這些銹跡影響了機床的正常加工。

通過這個問題的展開,可從以下幾方面來避免工件生銹對加工的影響:

(1)在加工較大的零件(單次切割在12 h以上)時,每次切割都應采用浸水加工。這樣可避開加工面與空氣接觸,從而有效延緩生銹時間。在機器斷電后應立即將工件表面的加工液清理干凈。因為低速走絲電火花線切割加工一般用的都是純凈水,將水清理干凈有利于工件防銹。

(2)采用在加工液中加防銹劑的辦法來防止工件生銹。

(3)遇到生銹的情況,可通過改進加工工藝使加工能順利進行,而不至于讓工件報廢,造成不必要的浪費。

下面重點介紹如何從加工工藝上來解決該問題。

經(jīng)上述分析可知,由于加工面的生銹影響了第三次的切割。本機床第一次、第二次加工為粗加工,加工過程中用到的放電能量較大。第三次、第四次加工為精加工,精加工時的能量較小?？蛻粼诘谌吻懈顣r,由于加工面生銹的影響導致第三次加工放電狀態(tài)很不穩(wěn)定,出現(xiàn)了切不動或者切割速度非常慢的情況。遇到該情況時,從加工工藝上可采用增加一次切割的方法來解決,此時需重新生成程序,并從加工起始點執(zhí)行新程序。原有加工補償量分別為 :H001=221μm 、H002=176μm 、H003=151μm 、H004=141μm,各次切割所用的參數(shù)代碼為1771/1772/1773/1774。現(xiàn)可將其改成5次切割,參數(shù)分別為 H001=221μm 、H002=176μm 、H003=176μm 、H004=151μm 、H005=141μm,各次切割所用的參數(shù)代碼為 1771/1772/1772/1773/1774。這里增加了一次切割,所用參數(shù)為第二次切割的參數(shù),第二次和第三次切割的補償量也是相同的。這樣,第三次切割時切割速度會很快,因為第3次的理論切削量為0。到了精加工時,就不會由于生銹的問題而影響到精加工的放電狀態(tài)。

在為客戶解決了以上問題之后,客戶用硬質(zhì)合金材料加工了上面提到的第二個齒輪模具,齒頂圓直徑73.6mm,模具厚度150mm。最終切割下來的齒輪公法線(跨3齒)精度在0.01mm以內(nèi)。用該套模具生產(chǎn)出來的產(chǎn)品精度在0.02mm以內(nèi),用戶非常滿意。

3 結(jié)束語

以上低速走絲電火花線切割機床加工應用的方法,在本公司的工藝試驗和用戶實際生產(chǎn)中都取得了良好的效果。低速走絲電火花線切割加工屬于一種高精密加工,在實際應用中應盡可能地排除一些對機床加工不利的因素,發(fā)揮出機床的最大性能,減少不必要的浪費,給企業(yè)帶來更大的效益。