6061鋁合金電火花線切割加工工藝研究

□ 劉 斌 □ 李軍格 □ 程小杰 □ 陳黃健

中國工程物理研究院 四川綿陽 621900

6061鋁合金屬于熱處理可強化合金，具有良好的可成型性、可焊接性、可機加工性能，在退火后仍能維持較好的強度。6061鋁合金的主要合金元素是鎂與硅，并形成Mg2Si相。含有一定量的錳與鉻，可以中和鐵的負(fù)作用；添加少量的銅或鋅，以提高合金的強度，而又不使其抗蝕性有明顯降低；導(dǎo)電材料中還有少量的銅，以抵消鈦及鐵對導(dǎo)電性的不良影響；鋯或鈦能細(xì)化晶粒與控制再結(jié)晶組織。6061鋁合金的熔化溫度在582～652℃，老牌號為LD30，其化學(xué)成分見表1。

由于6061鋁合金具有特殊的理化性能，用電火花線切割加工較厚工件（t＞100 mm）時易發(fā)生斷絲現(xiàn)象，且加工表面易出現(xiàn)明暗斑條狀紋路，嚴(yán)重影響工件的表面粗糙度和加工效率。

1 工況介紹

機型：北京阿奇FW2U；鉬絲：φ0.18mm鉬絲；切削液：線切割專用乳化液；放電參數(shù)選用見表2。

2 斷絲及表面粗糙度超值的原因分析

2.1 斷絲分析

由于6061鋁合金具有特殊的理化性能，在電火花線切割加工時，電蝕物Al2O3易黏附在電極絲上，隨著電極絲的高速運行,Al2O3利用電極絲的反復(fù)往返磨削，在導(dǎo)電塊上產(chǎn)生溝槽，導(dǎo)致電極絲與導(dǎo)電塊接觸不良，當(dāng)導(dǎo)電塊溝槽深度超過電極絲直徑時會卡住電極絲，特別是在絲筒換向時，導(dǎo)電塊本身放電的結(jié)果易引起電極絲斷絲。

2.2 表面粗糙度超值的原因分析

2.2.1 放電參數(shù)選用不當(dāng)

（1）脈沖寬度（ON）。當(dāng)脈沖寬度增大時，切割速度提高，但表面粗糙度變差。這是因為脈沖寬度增大，單個脈沖放電能量增大，致使切割速度提高，表面粗糙度變差。通常情況下，ON的取值要考慮工藝指標(biāo)及工件的材質(zhì)、厚度。如對表面粗糙度要求較高、工件材質(zhì)較易加工、厚度適中時，ON取值較小，一般在3～10。當(dāng)工序為中、粗加工且工件材質(zhì)切割性能較差或材料較厚時，ON取值一般為10～25。

表1 6061鋁合金化學(xué)成分/%

表2 放電參數(shù)

（2）脈沖間隙（OFF）。當(dāng)脈沖間隙減少時，平均電流增大，切割速度加快，但在一般情況下，脈沖間隙不能取得太小，如果脈沖間隙取得太小，放電產(chǎn)物來不及排出，放電間隙來不及充分消除電離，使加工不穩(wěn)定，容易發(fā)生電弧放電，致使工件表面燒傷和出現(xiàn)斷絲；但是脈沖間隙也不宜太大，OFF太大也會導(dǎo)致不能連續(xù)進給，使加工變得不穩(wěn)定。一般情況下，減少脈沖間隙，表面粗糙度值雖然也會提高，但是提高的幅度并不大，而此時切割速度則明顯增大。實踐表明，脈沖間隙對切割速度影響較大，對表面粗糙度影響較小。對于難加工、厚度大、排屑不利的工件，停歇時間應(yīng)選長些，為脈寬的5～8倍比較適宜。OFF取值為：（停歇時間/5）－1。對于加工性能好、厚度不大的工件，停歇時間可選脈寬的3～5倍。OFF取值主要考慮加工穩(wěn)定、防短路及排屑，在滿足要求的前提下，通常減小OFF，可以取得較高的加工速度。

（3）放電波形（GP）。線切割機床常用的兩種波形是矩形波脈沖和分組脈沖。矩形波加工效率高，加工范圍廣，加工穩(wěn)定性好，是快走絲線切割常用的加工波形。分組波適用于薄工件的加工，精加工較穩(wěn)定。

（4）功率管數(shù)（IP）。管數(shù)的增、減決定脈沖峰值電流的大小，每只管子投入的峰值電流為5A，電流越大切割速度越高，表面粗糙度值增大，放電間隙變大。功率管數(shù)的選擇：一般中厚度精加工為3～4只管子，中厚度粗加工、大厚度精加工為5～6管子，大厚度粗加工為6～9只管子。

（5）間隙電壓（SV）。它用來控制伺服的參數(shù)，最大值為7。當(dāng)放電間隙電壓高于設(shè)定值時，電極絲進給，低于設(shè)定值時，電極絲回退。加工狀態(tài)的好壞與放電間隙電壓取值密切相關(guān)，放電間隙電壓取值過小，會造成放電間隙小，排屑不暢，易短路。反之，使空載脈沖增多，加工速度下降。放電間隙電壓取值合適，加工狀態(tài)最穩(wěn)定。

放電間隙電壓一般取02～03，對薄工件一般取01～02，對大厚度工件一般取 03～04。

（6）電壓（V）（即加工電壓值）。電壓目前有兩種選擇，“0”常壓選擇，“1”低壓選擇。低壓一般在找正時選用，加工時一般都選用常壓“0”，因而電壓V參數(shù)一般不需修改。

（7）進給速度。進給速度的大小對切割速度、加工精度和表面質(zhì)量的影響很大，因此，調(diào)節(jié)預(yù)置進給速度應(yīng)緊密跟蹤工件蝕除（排屑）速度，以保持加工間隙恒定在最佳值上，這樣可使有效放電狀態(tài)的比例加大，而開路和短路的比例減少，使切割速度達到給定加工條件下的最大值，同時還能獲得很好的加工精度和表面質(zhì)量。

調(diào)節(jié)進給速度本身并不具有提高加工速度的能力，其作用是保證加工的穩(wěn)定性。當(dāng)進給調(diào)整不當(dāng)時會顯著影響表面粗糙度，并有可能產(chǎn)生斷絲，最佳進給速度可參照兩個依據(jù)：首先，最佳加工電流應(yīng)是短路電流的80%左右，這一規(guī)律可用于判斷進給速度調(diào)整是否合適；其次，可通過電流表指針的擺動情況來判斷。正常加工時加工電流指針基本不動；如果經(jīng)常向下?lián)u擺，則說明欠跟蹤，應(yīng)將跟蹤速度調(diào)快；如經(jīng)常向上搖擺則說明過跟蹤，應(yīng)將跟蹤速度調(diào)慢；如指針來回較大幅度搖擺則說明加工不穩(wěn)定，應(yīng)判明原因，調(diào)整參數(shù)后（如調(diào)整脈沖能量、工作液流量、走絲系統(tǒng)包括導(dǎo)輪、軸承的調(diào)整）再加工，否則易引起斷絲。

2.2.2 切削液使用不當(dāng)

工作液作為高速走絲電火花線切割加工的重要因素，除了完成冷卻、排屑等功能外，還作為放電介質(zhì)直接參與加工，所以其本身對表面粗糙度影響很大。實踐證明，電火花加工在液體介質(zhì)中進行最穩(wěn)定，并且工作液對表面粗糙度影響很大。

目前常采用DX-1乳化液的水溶液作為線切割加工工作液，常規(guī)比例是1∶10（乳化液1份，水10份），切削液使用時間過長，金屬粒子與溶劑無法完全分離，加工后形成附著油污的黏性物質(zhì)（俗稱“鐵泥”），使工作液的性質(zhì)發(fā)生變化，降低切削液的作用，還會堵塞冷卻系統(tǒng)。

3 解決方法

3.1 選用切鋁組件

切鋁組件的工作原理就是避開導(dǎo)電塊進電。從走絲系統(tǒng)的其它部件（絲筒）供給高頻電，通過直流電機電樞進電方式，利用碳刷向絲筒給電，避免了導(dǎo)電塊夾絲、斷絲現(xiàn)象。

3.2 合理選用電參數(shù)

工件的進給速度要適當(dāng)。因為在線切割過程中，如工件的進給速度過大，則被腐蝕的金屬微粒不易全部排出，易引起鉬絲短路，加劇加工過程的不穩(wěn)定；如工件的進給速度過小，則生產(chǎn)效率低。

脈沖電源同樣是影響加工表面粗糙度的重要因素。脈沖電源采用矩形波脈沖，因為它的脈沖寬度和脈沖間隔均連續(xù)可調(diào)，不易受各種因素干擾。減少單個脈沖能量，可改善表面粗糙度。影響單個脈沖能量的因素有脈沖寬度、功率管個數(shù)、脈沖峰值電流，所以減小脈沖寬度，減小峰值電流，可改善加工表面粗糙度。然而，減小脈沖寬度，將造成生產(chǎn)效率大幅度下降；但減小脈沖峰值電流，對生產(chǎn)效率的影響程度比減小脈沖寬度要小。因此，采用減小脈沖峰值電流，適當(dāng)增大脈沖寬度，選取合適的脈沖間隔等措施，既可提高生產(chǎn)效率，又可獲得較低的加工表面粗糙度值。

通過實際加工調(diào)試，調(diào)整后的電參數(shù)見表3。

表3 調(diào)整后的電參數(shù)

3.3 切削液更換

電火花線切割加工使用的工作液應(yīng)具有加工性能好、使用壽命長、環(huán)境污染小、對人體無害、價格便宜等技術(shù)要求。

水基工作液由于具有導(dǎo)熱系數(shù)大、冷卻性、潤滑性和防銹性能好等特點，在金屬加工中被廣泛采用。

水基工作液是一種環(huán)保型機床加工工作液，由100%水性物質(zhì)構(gòu)成，不含亞硝酸鈉和磺化物，不產(chǎn)生油污。對電器元件尤其電腦控制器、機床電器、排氣扇等無侵蝕，不會造成電器設(shè)備接觸不良或霉?fàn)€損壞。而使用乳化油會產(chǎn)生油污，對皮膚、眼睛、呼吸產(chǎn)生毒害，會極大的損害操作人員的身體健康，霧化時還會對機床電氣方面產(chǎn)生腐蝕，造成機床故障。

水基工作液在使用過程中，極大地凈化了工作環(huán)境，使機床保持干凈、清潔，保障了操作人員的身體健康。使用水基工作液進行線切割加工，能顯著提高工件的表面粗糙度，使工件表面顏色更加亮白，降低了鉬絲損耗，效率比傳統(tǒng)乳化油提高30%。尤其在進行大厚度工件的加工時，加工效率及加工穩(wěn)定性更高。

通過調(diào)研，選用狄克DIC-206水基切削液。使用時水基的濃度比油基高2～3百分點，對鋁質(zhì)放電產(chǎn)物鋁粉質(zhì)的清理和沖洗性更好。為防止堵塞，加工的沿路相關(guān)部分,做到及時清理，同時水箱中成片的放電氧化鋁需及時清理干凈。

4 結(jié)束語

通過對電火花線切割加工6061鋁合金的加工工藝探討研究，分別對進電方式的改進、電加工參數(shù)的合理調(diào)整以及切削液的調(diào)整，解決了斷絲問題，獲得了較好的加工表面粗糙度質(zhì)量，提高了生產(chǎn)效率。

［1］ 彭麗.防銹鋁合金的電火花線切割加工工藝［J］.電加工與模具,2003（5）:49-51.

［2］ 張錦州.電參數(shù)對鋁合金線切割加工速度影響的研究［J］.山東輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報,2008（4）:46-48.

［3］ 熊光耀.鋁合金電火花線切割加工工藝研究［J］.電加工與模具,2002（6）:43-45.