大厚度工件電火花線切割加工多次切割腰鼓度成因研究

李凌鈴，劉志東，閆　昊，黃加林

（1.上海無線電設(shè)備研究所，上海200090；2.南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京210016）

大厚度工件電火花線切割加工多次切割腰鼓度成因研究

李凌鈴1，劉志東2，閆昊2，黃加林1

（1.上海無線電設(shè)備研究所，上海200090；2.南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京210016）

為研究往復(fù)走絲電火花線切割加工在大厚度工件多次切割時(shí)形成腰鼓度的成因，對(duì)厚度為185 mm的工件進(jìn)行了多次切割實(shí)驗(yàn)，通過改變工作液電導(dǎo)率、電極絲走絲速度、修刀補(bǔ)償量和電極絲直徑等條件，對(duì)加工形成的腰鼓度進(jìn)行了測(cè)試及分析。結(jié)果表明：大厚度切割過程中，兩極之間的脈沖放電爆炸力是產(chǎn)生腰鼓度的主要原因，通過增加電極絲直徑以提高電極絲截面慣矩，可減小因放電爆炸力對(duì)電極絲形成的撓度，從而減小腰鼓度誤差值。

電火花線切割加工；大厚度；多次切割；腰鼓度

電火花線切割加工廣泛用于航空航天、核工業(yè)和汽車制造等領(lǐng)域的精密、復(fù)雜、不規(guī)則形狀的難加工導(dǎo)電材料的加工［1］。往復(fù)走絲的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)就是能對(duì)大厚度零件進(jìn)行切割，如厚度在150 mm以上的注塑模模芯及大厚度直壁異形零件［2］，而對(duì)于表面質(zhì)量要求較高的工件，目前一般采用多次切割的工藝方法。

通常，往復(fù)走絲電火花線切割加工的多次切割工藝被認(rèn)為僅適合加工厚度小于100 mm的工件。其原因在于工件厚度增加后，多次切割后的工件呈現(xiàn)一定的腰鼓度，即尺寸中間大、兩端小，甚至出現(xiàn)工件中間修整不到的問題，影響了工件精度，使往復(fù)走絲電火花線切割無法應(yīng)用于100 mm以上厚度的精密模具及產(chǎn)品的多次切割。

采用水浴溫度控制燃料氣流量，由于水浴溫度的干擾因素較多，如風(fēng)量和燃料氣的配比、燃料氣壓力、水浴液位、燃料氣的流量、入口LNG的壓力、流量等，單純的單回路控制幾乎無法取得較好的控制效果，很難滿足正常的生產(chǎn)需求。采用氣化器出口NG的溫度控制燃料氣流量也是如此。

本文通過實(shí)驗(yàn)分析了多次切割形成腰鼓度的原因及各因素的影響，在確定了主要因素的同時(shí)，提出了相應(yīng)的解決措施。

1　實(shí)驗(yàn)條件及方法

實(shí)驗(yàn)選用往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床，并采用環(huán)形導(dǎo)絲器和恒張力裝置，以使走絲系統(tǒng)穩(wěn)定。工件材料為調(diào)質(zhì)處理后的Cr40，通過切割長8 mm、寬6 mm、高185 mm的長方體，并用精度0.001 mm的數(shù)顯式千分尺分別測(cè)量5、93、180 mm高度的尺寸值來衡量腰鼓度誤差大小。電極絲直徑0.18 mm，長300 m。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)及工件尺寸見圖1。

圖1　加工現(xiàn)場(chǎng)及工件尺寸

2　腰鼓度主要影響因素分析

一次切割工件的實(shí)驗(yàn)條件見表1，腰鼓度測(cè)量結(jié)果見圖2?？煽闯?，一次切割工件的腰鼓度誤差為0.001 mm，基本可忽略。這是由于一次切割是雙面對(duì)稱余量加工，此時(shí)電極絲是在一個(gè)基本封閉的環(huán)境中進(jìn)行切割加工的，對(duì)電極絲振動(dòng)的阻尼作用較大，同時(shí)也有利于電極絲在切縫中的穩(wěn)定。

2.3二次切割修正量的影響

2.4電極絲張力的影響

表1　一次切割實(shí)驗(yàn)條件

多次切割工件產(chǎn)生腰鼓度誤差的主要原因是工件不同高度的脈沖放電概率不均勻，導(dǎo)致工件蝕除量的差異，而產(chǎn)生放電概率不均勻的因素主要是電場(chǎng)分布的影響和電極絲剛性的不同。以下將從工作液電導(dǎo)率、電極絲走絲速度、切割修正量及電極絲張力等方面討論其影響規(guī)律。

圖2　一次切割工件的腰鼓度誤差值

2.1工作液電導(dǎo)率的影響

分別以市面廣泛使用的工作液A、B和蒸餾水進(jìn)行多次切割實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)條件見表2。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，3種工作液切割的腰鼓度誤差實(shí)測(cè)值分別為0.028、0.028、0.025 mm。由圖3可看出，工作液A、B切割的腰鼓度誤差基本相等，而蒸餾水切割后的工件尺寸整體減小，腰鼓度誤差減小了0.003 mm。

表2　工作液電導(dǎo)率影響實(shí)驗(yàn)條件

圖3　工作液電導(dǎo)率對(duì)工件腰鼓度誤差的影響

將機(jī)床上、下導(dǎo)絲器之間的電極絲簡化為跨度為L的簡支梁［7］，即將上、下導(dǎo)絲器的2點(diǎn)視為2個(gè)支點(diǎn)（圖12）。

式中：r1為電極絲半徑；r2為放電間隙加電極絲半徑；h為工件高度；σm為工作液電導(dǎo)率。

3.2分析討論

圖4　電火花線切割放電原理圖

由式（1）可看出，極間工作液電阻R2與工件高度h、工作液電導(dǎo)率σm成反比關(guān)系。在切割大厚度工件過程中，h越大，σm也越大，則R2越小，流過其電流I1越大。若設(shè)總電流I為定值，則實(shí)際放電電流I0減小。3種工作液的實(shí)測(cè)漏電流波形見圖5。

圖5　不同工作液空載狀態(tài)的漏電流大小

在實(shí)際加工過程中，蒸餾水切割時(shí)的漏電流較小，故放電脈沖能量大，蝕除工件體積較多。因此，實(shí)際工件相對(duì)尺寸整體小于工作液A、B加工的工件尺寸，但腰鼓度誤差減小并不明顯。

2.2二次切割電極絲走絲速度的影響

通過改變二次切割過程中的修正量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)條件見表4。如圖7所示，隨著二次切割修正量的增大，工件兩端蝕除量增加，但中間部分蝕除量不明顯，腰鼓度誤差增大。但二次切割修正量越小，一次切割時(shí)的工件表面在二次切割時(shí)沒有完全蝕除，故表面粗糙度較差。各修刀補(bǔ)償值下切割工件的表面粗糙度值見表5。

表3　二次切割電極絲走絲速度影響實(shí)驗(yàn)條件

圖6　二次切割電極絲走絲速度對(duì)工件腰鼓度誤差的影響

工件在車間流轉(zhuǎn)過程消耗的能量為搬運(yùn)能耗。車間有h種搬運(yùn)設(shè)備Hq(q=1，2，h)，工件Jj在搬運(yùn)設(shè)備Hq上的額定容量為Wjq，若加工批量Bji大于額定容量Wjq，可選擇多臺(tái)設(shè)備同時(shí)搬運(yùn)。子批量Nji的工序Ojils在機(jī)床Mm上完工后通過搬運(yùn)設(shè)備Hq將子批量Nji搬運(yùn)至工序Ojil(s+1)所選機(jī)床Mm′處的搬運(yùn)能耗

杭州市富陽區(qū)國土資源行政復(fù)議訴訟情況分析與對(duì)策（王雙鋼） ...................................................................1-49

在工件二次切割過程中分別采用不同的走絲速度，實(shí)驗(yàn)條件見表3。如圖6所示，隨著二次切割時(shí)電極絲走絲速度的增大，工件尺寸呈整體減小趨勢(shì)。這是由于隨著絲速提高，電極絲擺脫短路的能力增加，脈沖利用率提高，蝕除量增加；同時(shí)，絲速提高有利于蝕除產(chǎn)物及時(shí)排出，減少了對(duì)蝕除產(chǎn)物的重復(fù)放電，能量利用率提高［5］。此外，腰鼓度誤差并沒有減小。

綜上所述，靜壓差法測(cè)得的風(fēng)機(jī)風(fēng)量會(huì)大于真實(shí)風(fēng)量，動(dòng)壓法測(cè)得的風(fēng)機(jī)風(fēng)量更接近于真實(shí)風(fēng)量，動(dòng)壓法風(fēng)機(jī)風(fēng)量測(cè)試結(jié)果誤差小于靜壓差法。

外秦淮河的水力流通性相對(duì)較好，且部分河段生長有大型水生植物；運(yùn)糧河由于下游外秦淮河閘控影響而造成滯留，甚至部分倒流；內(nèi)秦淮河水體流速極緩。因此，3個(gè)河段的平均APA分布與水力流通性的關(guān)系較為顯著。Q2、Y2位于七橋甕生態(tài)濕地公園，大型水生植物生長較為豐富，因此它們APA值明顯高于外秦淮河其他點(diǎn)位。藻類生長較為豐富。對(duì)APA與營養(yǎng)元素碳、氮、磷的聚類分析結(jié)果如圖2，表明Q1、Q4、Q6與Q3、Q5、Q7為一類，N1、N2與Q2、Y2為一類。這一結(jié)果與APA分布相一致，說明APA與表層沉積物碳、氮、磷等營養(yǎng)元素有一定的相關(guān)性。

電極絲張力影響實(shí)驗(yàn)所用的機(jī)床恒張力機(jī)構(gòu)為重錘式，其原理見圖8。通過增加重錘質(zhì)量來提高電極絲張力，實(shí)驗(yàn)條件見表6。

從手術(shù)病理結(jié)果來看,154個(gè)乳腺病灶中,良性病灶有90個(gè),惡性病變有64個(gè)。良性病灶中,炎癥病灶5個(gè),纖維瘤50個(gè),導(dǎo)管內(nèi)乳頭狀瘤8個(gè),纖維囊性乳腺病22個(gè),粘液腺瘤5個(gè)。惡性病變中,原位癌2個(gè),導(dǎo)管內(nèi)癌6個(gè),透明細(xì)胞癌2個(gè),浸潤性小葉癌8個(gè),浸潤性導(dǎo)管癌46個(gè)。

表4　二次切割修正量影響實(shí)驗(yàn)條件

表5　不同修刀補(bǔ)償值對(duì)應(yīng)的切割工件表面粗糙度

圖7　二次切割修正量對(duì)工件腰鼓度誤差的影響

圖8　重錘式恒張力機(jī)構(gòu)原理圖

如圖9所示，電極絲張力分別為10、12.5、14 N時(shí)相應(yīng)的腰鼓度誤差為0.028、0.025、0.025 mm，即電極絲張力增加2.5 N，腰鼓度誤差減小0.003 mm，繼續(xù)增加張力，腰鼓度誤差不變；但隨著電極絲張力的增大，工件整體尺寸減小。這是由于隨著電極絲初始張力的增大，電極絲剛性增加，振幅隨之減??；但如果張力過大，加上在加工過程中電極絲逐漸損耗變細(xì)，其抗拉能力減弱，易出現(xiàn)斷絲現(xiàn)象［6］。

表6　電極絲張力影響實(shí)驗(yàn)條件

圖9　電極絲張力對(duì)工件腰鼓度誤差的影響

3　實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與討論

3.1實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

由上述分析可知，隨著二次切割修正量的增加，腰鼓度誤差顯著增大。這主要是因?yàn)樾拚吭酱螅ぜg除量增多，其爆炸力對(duì)電極絲的擾動(dòng)就越大。為了驗(yàn)證大厚度切割時(shí)腰鼓度的產(chǎn)生是由于放電爆炸力對(duì)電極絲的擾動(dòng)而引起的，將試割件加工成如圖10所示形狀，并對(duì)3處不同高度且厚度均為20 mm的材料同時(shí)進(jìn)行多次切割，切割尺寸為長8 mm、寬6 mm。實(shí)驗(yàn)條件見表7。

表7　驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)條件

經(jīng)測(cè)量，3個(gè)位置的材料長度分別為 8.014、8.034、8.018 mm。再將20 mm厚的工件分別裝夾在距離基準(zhǔn)平面5、90、180 mm處切割同樣形狀（圖11），測(cè)得其長度分別為8.015、8.020、8.018 mm。由此可知，組合切割時(shí)的腰鼓度誤差為20 μm，而單獨(dú)切割時(shí)的腰鼓度誤差僅為5 μm。說明電極絲本身橫向振動(dòng)并不是產(chǎn)生腰鼓度誤差的主要因素。組合切割時(shí)，由于放電爆炸力對(duì)電極絲擾動(dòng)變大，所以工件的腰鼓度也隨之變大。

圖10　工件形狀及加工現(xiàn)場(chǎng)

圖11　工件裝夾在不同高度單獨(dú)切割

制定相關(guān)的手機(jī)管理?xiàng)l例，把它列入日常的班級(jí)管理中。特別是對(duì)違規(guī)帶入的手機(jī)的處理，要統(tǒng)一教師的思想認(rèn)識(shí)，克服隨意性和盲目性，做到有章可循。對(duì)學(xué)生要充分利用班會(huì)課，讓他們討論手機(jī)對(duì)學(xué)習(xí)的利與弊，加強(qiáng)引導(dǎo)和教育，讓他們明確學(xué)校杜絕手機(jī)進(jìn)校園的初衷，讓他們知道學(xué)校禁止學(xué)生在校園使用手機(jī)是為了他們能好好學(xué)習(xí)，從而得到他們的理解和配合。對(duì)于家長，要利用家長會(huì)或家長群，對(duì)他們進(jìn)行手機(jī)對(duì)中學(xué)生的危害等的教育，讓他們懂得學(xué)校禁止學(xué)生使用手機(jī)是必要的，對(duì)孩子的健康成長是有用的。只有把問題跟學(xué)生和家長溝通清楚，才能得到學(xué)生、家長的大力支持，才能把手機(jī)管理好。

電火花放電過程的簡化電路模型見圖4。其中，R1為放電通道等效電阻；R2為工作液等效電阻；R3為電極絲、工件等外阻。由于兩電極間的放電維持電壓Uz在正常放電狀態(tài)下僅與電極材料及工作液性質(zhì)有關(guān)［3］，故由研究可知［4］，工作液等效電阻為：

圖12　電極絲簡化模型

以任意時(shí)刻單位長度dx的電極絲作為研究對(duì)象，多次切割修刀時(shí)，其單邊加工區(qū)域內(nèi)的脈沖放電合力F（x，t）可表示為［8］：

(1)現(xiàn)場(chǎng)檢查法:在對(duì)同一批次的內(nèi)鏡進(jìn)行抽樣檢查之前,需要由專業(yè)人員事先進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢查,并對(duì)經(jīng)過清洗、消毒后的內(nèi)鏡實(shí)行編號(hào),需要注意的是,針對(duì)特殊疾病患者使用的內(nèi)鏡,需要進(jìn)行嚴(yán)格分類。與此同時(shí),詳細(xì)記錄內(nèi)鏡具體的清洗與消毒過程,以及現(xiàn)場(chǎng)檢查結(jié)果,最后結(jié)合有關(guān)規(guī)范對(duì)內(nèi)鏡清洗消毒存在的主要問題進(jìn)行研究。

且F（x，t）只與時(shí)間t有關(guān)，與作用于電極絲的具體位置無關(guān)。因此，作用于電極絲的脈沖放電爆炸力可等效為作用于兩端支點(diǎn)梁上的均布分力，其撓度w表示為［9］：

式中：E為彈性模量；I為截面慣矩；L為兩支點(diǎn)梁的距離；x為梁任意位置距一端支點(diǎn)的距離。

假設(shè)q=F（x，t）/24EI，由圖13可知，上、下導(dǎo)絲器中間位置的電極絲撓度最大，且隨著L的增加而增大，即電極絲腰鼓度誤差越大。

圖13　撓度變化趨勢(shì)曲線

如圖14所示，一次切割時(shí)，雙面對(duì)稱余量加工環(huán)境對(duì)電極絲振動(dòng)具有約束作用，有利于電極絲在切縫中的穩(wěn)定；而從第二次切割開始是單邊余量加工，作用在電極絲上的放電力是不對(duì)稱的，切縫對(duì)電極絲振幅的約束整平作用也不存在了。當(dāng)大厚度修刀時(shí)，由于中間位置撓度最大，且電極絲單邊放電，使工件中間尺寸比兩端尺寸大，從而導(dǎo)致腰鼓度的產(chǎn)生。

圖14　多次切割時(shí)電極絲空間位置

3.3解決措施

分析可知，腰鼓度產(chǎn)生的原因是修刀時(shí)單邊放電爆炸合力對(duì)電極絲產(chǎn)生擾動(dòng)而引起的。由式（3）可知，增加截面慣矩I可減小撓度w；而I=πd4/64，即增加電極絲直徑可提高電極絲的截面慣矩。因此，實(shí)驗(yàn)通過采用直徑0.18、0.25 mm的電極絲分別對(duì)高度185 mm的40Cr工件進(jìn)行多次切割，實(shí)驗(yàn)條件見表8。

藥物的選擇和使用應(yīng)科學(xué)合理。藥物的選擇適合于植物的需要。在使用預(yù)防性藥物時(shí)，首先要了解預(yù)處理時(shí)間，并及時(shí)用藥。疾病預(yù)防應(yīng)在發(fā)病前進(jìn)行。為了避免疾病傳播，大量的病雞給農(nóng)民造成損失。在藥物治療中，首先要確認(rèn)診斷，識(shí)別疾病，找出病因，正確使用有癥狀的藥物，及時(shí)用藥，準(zhǔn)確用藥，充分用藥。在長期服藥期間，避免長期使用藥物。同時(shí)，根據(jù)藥物的種類、用途、性質(zhì)等諸多因素，選擇適當(dāng)?shù)姆乐畏椒ㄒ彩鞘直匾摹?/p>

表8　電極絲直徑影響實(shí)驗(yàn)條件

如圖15所示，用直徑0.18 mm的電極絲切割工件的腰鼓度誤差為0.028 mm，而用直徑0.25 mm的電極絲切割工件的腰鼓度誤差為0.017 mm?？梢?，在保證工件表面粗糙度要求的前提下，腰鼓度誤差顯著減小，從而提高了工件的加工精度。

圖15　電極絲直徑對(duì)工件腰鼓度誤差的影響

4　結(jié)論

（1）大厚度工件多次切割放電爆炸對(duì)電極絲產(chǎn)生的作用力，使電極絲單邊放電時(shí)的空間位置產(chǎn)生撓度，是腰鼓度誤差產(chǎn)生的主要因素。

（2）提高電極絲截面慣矩，即增加電極絲直徑，可減小電極絲的撓度，從而有效降低工件腰鼓度。

［1］劉志東，高長水.電火花加工工藝及應(yīng)用［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2011.

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Study on the Factors of Repeated Cutting Flatness for High Thickness Workpiece in WEDM

Li Lingling1，Liu Zhidong2，Yan Hao2，Huang Jialin1
（1.Shanghai Radio Equipment Research Institute，Shanghai 200090，China；2.College of Mechanical and Electrical Engineering，Nanjing University of Aeronautics&Astronautics，Nanjing 210016，China）

Repeated cut of 185 mm thickness workpiece is experimented in order to study the factors of flatness in reciprocating traveling wire eectrical-discharge machining（WEDM）.Through changing the conductivity of dielectric fluid，the speed of wire，the feed of cutting and the diameter of wire，the flatness of workpiece is tested and analyzed.The results showed that the force of pulse discharge is the main reason to affect the flatness of workpiece.The deflection due to the force of pulse discharge to the wire is reduced through increasing the moment of inertia of the wire，thus the flatness error can be reduced.

WEDM；high thickness；repeated cut；the flatness of workpiece

TG661

A

1009－279X（2016）04－0012-05

2016-03-31

李凌鈴，男，1990年生，助理工程師。