復(fù)合走絲電火花線切割機床電極絲周邊磨損研究*

廖劍霞 陳浩東 任紅英

（①湘潭大學(xué)能源工程學(xué)院，湖南湘潭 411100;②長沙礦冶研究院，湖南長沙 410007）

電火花線切割機床按電極絲走絲方式一般分為高速走絲電火花線切割機床（WEDM－HS）與低速走絲電火花線切割機床（WEDM －LS）［1－2］。高速走絲電火花線切割機床（WEDM－HS）的電極絲多采用鉬絲作高速往復(fù)直線運動，一般走絲速度為7～11 m/s，電極絲的往復(fù)運動使電極絲得到重復(fù)使用，切割加工成本低，但是高速走絲線切割一般表面粗糙度Ra為5～2.5 μm，加工精度0.01～0.02 mm。低速走絲電火花線切割機床（WEDM－LS），電極絲多采用銅絲，作低速單向直線運動，一般走絲速度低于0.25 m/s，一般采取線電極連續(xù)供絲的方式，即線電極在運動過程中完成加工，因此即使線電極發(fā)生磨損，也能連續(xù)地予以補充，加工表面粗糙度Ra可達0.16 μm，加工精度0.005 mm。但是電極絲是一次性消耗用品，加工成本高。

目前出現(xiàn)的復(fù)合走絲型的電火花線切割機床（WEDM－CS）［3］，電極絲在進行常規(guī)往復(fù)低速直線走絲的同時還繞自身軸線作高速旋轉(zhuǎn)運動，一般走絲速度為0．025 ～0．200 m/s，旋轉(zhuǎn)速度600 ～3 000 r/min，以鉬絲為線電極，電極絲可以反復(fù)使用，降低了加工成本。筆者通過試驗證明，這種走絲方式的機床較好地綜合了兩類走絲方式的優(yōu)點，電極絲繞自身軸線高速旋轉(zhuǎn)，以此增加電極絲的運動剛性，減小加工振動，還具有電火花切割與電火花磨削的復(fù)合加工效果，與高速走絲電火花加工相比，采用復(fù)合走絲方式加工可以提高產(chǎn)品的加工精度。

1 電極絲磨損分析

電火花線切割加工在主切割時，電極絲的磨損很明顯，造成電極絲加工面直徑減小，這會影響加工工件的直線性，尤其是工件厚度較大時，將使得工件帶有錐度，從而影響加工精度。線切割加工中還容易發(fā)生斷絲現(xiàn)象，斷絲的關(guān)鍵原因在于電火花放電在時間和空間上相對集中［4］。當(dāng)加工能量較大、放電頻率較高時，這種集中放電會引起較大的電極損傷，容易引起斷絲。

1．1 傳統(tǒng)走絲型電極絲的磨損情況

傳統(tǒng)走絲電火花線切割機的加工中，電極絲因上、下兩導(dǎo)絲輪的夾持，只能沿軸線方向作直線運動，不能旋轉(zhuǎn)。當(dāng)線電極切割工件后，放電點理論上呈半圓柱面分布。在實際加工過程中，這些柱面上的放電點反復(fù)放電，導(dǎo)致電極絲產(chǎn)生較大的電極磨損，通常在加工初期，放電點幾乎總是交替出現(xiàn)于工件上下端部。電極絲切入工件后，放電點的分布由柱面分布變成直線分布［5］，電極絲產(chǎn)生單邊磨損，如圖1所示。

如果增加放電頻率及放電脈沖寬度或脈沖峰值電流，這種集中放電會使電極絲嚴(yán)重受損，電極絲加工面直徑減小較多，致使電極絲不能承受較大的能量負(fù)荷而斷裂。在切割中由于工作液的因素，極易產(chǎn)生拉弧斷絲。圖2是傳統(tǒng)快走絲型加大放電脈沖頻率及能量后的電極絲單邊磨損情況。

由圖可以觀察到，切割過程中，由于電極絲的放電磨損較大，使電極絲表面結(jié)構(gòu)情況惡化，沿工件厚度方向的直徑大小不一致，這會造成工件直線度變差，降低了工件的加工精度。

因此，如果能改善放電點的分布情況，避免集中放電，減小電極絲單邊磨損，就有可能減小由于電極絲磨損對加工精度的影響，還有利于減少斷絲幾率。

1．2 復(fù)合走絲型電極絲的磨損情況

復(fù)合走絲型線切割由于電極絲存在繞自身軸線高速旋轉(zhuǎn)，這種獨特的走絲形式有利于改善放電點的相對集中，使電極絲的磨損情況也發(fā)生了深刻的變化。

對于復(fù)合走絲電火花線切割機的加工，其放電點的分布情況有所不同。這是由復(fù)合走絲電火花線切割機床自身特點決定的:電極絲除作低速往復(fù)直線運動外，同時還繞自身軸線高速旋轉(zhuǎn)。設(shè)電極絲旋轉(zhuǎn)速度為n，直徑為φ，放電點在電極絲表面沿弧線移動速度用式（1）表示:

因此，其放電點在電極絲表面呈弧線螺旋狀分布。圖3是復(fù)合走絲型電極絲磨損的顯微鏡照片，由圖中可以看出，在復(fù)合走絲的線切割加工中，電極絲的旋轉(zhuǎn)運動有利于放電過程中融化材料的拋出，電極絲表面的放電點分布相對均勻，放電痕平均直徑增大，深度減小。改傳統(tǒng)的高速、低速走絲型線切割機床的電極絲單邊磨損為周邊磨損，避免單邊集中放電，減小斷絲的幾率。并且由于電極絲的旋轉(zhuǎn)運動，使放電點迅速離開工件，有利于消除游離作用;同時還改善了排屑方式及加工液的滲透，使切屑及加工液的分解物受離心力作用迅速排出，有利于減小電極絲與工件間的拉弧現(xiàn)象，從而也減小了斷絲幾率。此外，電極絲的旋轉(zhuǎn)運動還對工件具有一定的磨削作用，使加工工件表面粗糙度值減小，表面質(zhì)量更好，加工精度更高。

2 電極絲剛性分析

由于電極絲是一撓性物體，在加工過程中還會呈現(xiàn)一定的彎曲，并且隨著加工工件厚度的增加，這種現(xiàn)象會更嚴(yán)重，這就造成加工過程中的鼓形失真，出現(xiàn)加工滯后現(xiàn)象。這種滯后會引起工件形狀與尺寸的誤差，降低工件的直線度，影響工件的加工精度。如果能夠提高電極絲的抗彎剛度，就能改善鼓形失真。

那么電極絲單邊磨損和周邊磨損后，抗彎剛度是否一致呢?我們假設(shè)采用有效工作長度相等、規(guī)格特性相同的電極絲材料，蝕除相同量的工件材料時，電極絲的磨損體積是相等的，因此電極絲磨損后剩余的橫截面積也相等。由于抗拉強度σ=S/A（式中S為橫截面上的內(nèi)力，A為橫截面積），這樣，在相同的張力條件下，它們的抗拉強度的減小也是相同的。

由于加工是連續(xù)的，每次加工脈沖都不斷地產(chǎn)生放電沖擊力作用于電極絲，使電極絲產(chǎn)生振動。這種線振動與原始平衡位置不對稱，放電力作用方向的振幅大于另一方向上的振幅，即宏觀上線電極向后彎曲。這會引起放電點的分布不均，從而增大斷絲的幾率。如果想要減小斷絲幾率，需要提高電極絲的抗彎剛度。

圖4是電極絲磨損后的斷面示意圖。單邊磨損時，電極絲磨損后的面積A1為

式中:R是電極絲磨損前的半徑。

單邊磨損后斷面關(guān)于Z軸對稱，其形心在Z軸的位置會向下移動，根據(jù)工程力學(xué)知識可以推導(dǎo)形心位置由式（3）確定。

則可以推導(dǎo)出式（4）單邊磨損橫截面對Y軸慣矩Iy1為

由于截面對其形心軸的慣矩是該截面的最小慣性矩，可以求出單邊磨損橫截面對平行于Y軸的形心軸的慣矩Iy為

對于復(fù)合走絲加工，電極絲是周邊磨損，發(fā)生磨損后電極絲橫截面形狀仍然為圓，其橫截面積A2為

由于電極絲兩種磨損后剩余面積相等，則周邊磨損后電極絲半徑r為

周邊磨損各個方向的抗彎慣矩相等，因此其慣性矩Iy2為

電火花線切割加工常用的電極絲規(guī)格為φ0.10～0.30 mm，最常用的電極絲直徑在φ0.12～0.18 mm之間，為避免斷絲，一般加工所用電極絲直徑減小0.03～0.05 mm時，就應(yīng)更換電極絲，也就是圖4中α∈（0，π/2）。根據(jù)式（5）和式（8）繪制出隨α角變化時周邊磨損與單邊磨損慣矩比值變化趨勢曲線，如圖5所示。

分析曲線可知，隨著電極絲磨損的加劇，復(fù)合走絲線切割加工中電極絲均勻磨損，快速走絲電極絲在放電爆炸力方向上的慣矩比值有所增加，即抗彎剛度高于快速走絲型電極絲的抗彎剛度。由此可知，復(fù)合走絲方式因電極絲自身的高速旋轉(zhuǎn)增加了它的剛性，提高了加工穩(wěn)定性，減小了電極絲的變形，減少了加工滯后，從而改善了被加工工件的加工速度、精度和表面粗糙度。也使得斷絲的幾率減小。

3 加工試驗

為了減小試驗條件變化帶來的數(shù)據(jù)誤差，加工工件試樣均選用同一批次不銹鋼1Cr17Mn6Ni5，直徑φ120 mm，厚30 mm，以φ0.18 mm鉬絲作電極絲，采用普通切割DX－1型乳化液，分別在DK7763高速走絲電火花線切割機床和復(fù)合走絲電火花線切割機床上做徑向切割。使用矩形波脈沖電源，分別調(diào)節(jié)走絲速度、脈沖寬度、脈沖間隔和脈沖峰值電流等參數(shù)的大小，獲得不同加工條件下工藝指標(biāo)的變化。表1反映的是兩種機床第一次對工件進行切割時，采用的加工參數(shù)和所獲得的加工結(jié)果。

表1 加工工藝參數(shù)對比表

從表1可以看出，復(fù)合走絲方式切割速度雖然低于高速走絲方式的切割速度，但在加工表面粗糙度及加工精度上明顯優(yōu)于高速走絲方式。

4 結(jié)語

復(fù)合走絲的電火花線切割機床實現(xiàn)了電極絲在高速旋轉(zhuǎn)的同時完成低速直線走絲的新型復(fù)合走絲方式。這種走絲方式實現(xiàn)了電火花線切割和電火花磨削的復(fù)合加工，切割時無拉弧現(xiàn)象;改串行排屑為并行排屑方式，極大地改善了加工中的排屑條件;改電極絲單邊磨損為周邊磨損，延長了電極絲的使用壽命，降低了加工成本。

電極絲自身的高速旋轉(zhuǎn)可以改善放電通道的排屑情況。通過試驗觀察和理論計算可知，復(fù)合走絲方式改電極絲單邊磨損為周邊磨損，增加了它的運動剛性，提高了加工穩(wěn)定性，因而減少了斷絲，延長了電極絲的使用壽命，有利于降低加工成本及改善加工性能指標(biāo)。

［1］趙萬生，劉晉春，等．實用電加工技術(shù)［M］．北京:機械工業(yè)出版社，2002．

［2］曹國鳳．電火花加工技術(shù)［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005．

［3］陳浩東．電火花線切割機電極絲復(fù)合走絲方式的探討［J］．電加工與模具，2004（4）:21－23．

［4］廖劍霞，陳浩東，黃禎祥，等．復(fù)合運絲型電火花線切割加工參數(shù)分析與研究［J］．機械科學(xué)與技術(shù)，2008，27（1）:119 －121．

［5］郭鐘寧，李大超，俞大民，等．電火花線切割加工中線電極的動態(tài)特性仿真與實驗研究［J］．中國機械工程，2000，11（7）:744 －747．