電火花數(shù)控線切割加工方法和表面粗糙度對(duì)刀圈沖擊功的影響

張凌，張愛武，于永生，孔祥權(quán)，李兆峰

（1.吉林省維爾特隧道裝備有限公司，吉林 吉林市132011；2.吉林省盾構(gòu)與掘進(jìn)刀具技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 吉林市132011）

0 前言

沖擊功是衡量材料韌性的一個(gè)指標(biāo)，測(cè)量試樣在沖擊載荷作用下吸收塑性變形功和斷裂功的能力。對(duì)于隧道掘進(jìn)機(jī)用的滾刀刀圈來說，要求其不僅要有高的硬度、強(qiáng)度，還需要有良好的沖擊韌性，因此，金屬夏比沖擊試驗(yàn)是刀圈理化實(shí)驗(yàn)不可或缺的一項(xiàng)內(nèi)容。

金屬夏比沖擊試驗(yàn)是應(yīng)用最廣泛的一種測(cè)定金屬材料韌性的傳統(tǒng)性能試驗(yàn)，也是評(píng)定金屬材料在沖擊載荷下韌性的重要手段之一。金屬材料的力學(xué)性能，除了要求具有足夠的強(qiáng)度、硬度和塑性之外，還應(yīng)具有一定的韌性，即在一定條件下受到?jīng)_擊載荷時(shí)，具有在斷裂過程中吸收足夠能量的能力，以保證金屬構(gòu)件及零件的安全性。

夏比擺錘沖擊試驗(yàn)是將規(guī)定幾何形狀的缺口試樣置于試驗(yàn)機(jī)兩支座之間，缺口背向打擊面放置，用擺錘一次打斷試樣，測(cè)定試樣的吸收能量。

1 沖擊試樣類型與尺寸

標(biāo)準(zhǔn)尺寸沖擊試樣為長55 mm，橫截面10×10 mm的長方體。試樣中間有V型或U型缺口。V型缺口應(yīng)有45°夾角，其深度為2 mm，底部曲率半徑為0.25 mm。U型缺口深度應(yīng)為2mm或5 mm，底部曲率半徑為1 mm。試樣表面粗糙度Ra 應(yīng)優(yōu)于5 μm，端部除外。試驗(yàn)前應(yīng)檢查座跨距，座跨距應(yīng)保證在40+0.2mm以內(nèi)。

我公司生產(chǎn)的TBM掘進(jìn)機(jī)用刀圈，使用的原材料為H13 熱作模具鋼，其熱處理后沖擊性能采用U型缺口沖擊試樣，一般情況下，試樣通過電火花數(shù)控線切割手段進(jìn)行加工。所使用的電火花數(shù)控線切割機(jī)床，是廣東大鐵數(shù)控機(jī)械有限公司生產(chǎn)的DK550型高速絲線切割機(jī)。

2 線切割參數(shù)的選擇

極速電源內(nèi)置了5種切割模式，每種切割模式內(nèi)置了9個(gè)切割組號(hào)，每個(gè)組號(hào)內(nèi)置了8個(gè)刀號(hào)（0-7號(hào)），可組合出360種不同的放電參數(shù)，適用于不同的加工要求，具有對(duì)當(dāng)前加工狀態(tài)極高的自適應(yīng)性，是全球領(lǐng)先的智能電源。

五種切割模式分別為“普通”、“高速”、“高光”、“極速”、“大厚度”，前四種模式適用于100mm以內(nèi)的工件，其中“極速”為最快，約15000mm2/h，最佳厚度為40～80 mm，短時(shí)間最高加工效率可突破20000 mm2/h，“普通” 約10000 mm2/h，“高速”約12000 mm2/h，“高光”約6500 mm2/h。切割速度從快到慢依次為組號(hào)“0”，組號(hào)“1”，組號(hào)“2”，組號(hào)“3”，…，組號(hào)“8”，出廠默認(rèn)值為組號(hào)2?？筛鶕?jù)切割產(chǎn)品的厚度調(diào)整組號(hào)，選擇切割速度與電流。刀號(hào)前一位數(shù)字為“組號(hào)”，如30 表示組號(hào)“3”，刀號(hào)“0”。組號(hào)建議按以下方法選擇：厚度30 mm 以下用組號(hào)“1”，速度較快；30～100 mm 用組號(hào)“3”或組號(hào)“5”，其中組號(hào)“5”光潔度較好，組號(hào)“3”鉬絲損耗較小，光潔度一般，在不斷絲的情況下也可選擇組號(hào)“2”或組號(hào)“1”；當(dāng)切割厚度超過200 mm 以上時(shí)建議使用電流3.5A 左右的參數(shù)（不斷絲的情況下可以根據(jù)需要加大電流）；組號(hào)“6”與“7”為割1 刀很細(xì)的參數(shù)，組號(hào)“7”可長期使用而其損絲不大。

修刀的光潔度與速度完全是通過調(diào)整刀號(hào)實(shí)現(xiàn)的，刀號(hào)“2”、刀號(hào)“3”、刀號(hào)“4”、刀號(hào)“5”、刀號(hào)“6”、刀號(hào)“7”全部可以用來修刀，加工時(shí)可以自由組合。其表面光潔度與速度依次為從粗到細(xì)，（刀號(hào)“2”最粗最快，刀號(hào)“7”最細(xì)最慢）。割1修2 常用修刀順序?yàn)椋旱短?hào)“0”、“3”、“6”、“1”，刀號(hào)“1”用來割臺(tái)階，相對(duì)較細(xì)。

3 不同加工方式所得的沖擊功試驗(yàn)值

根據(jù)線切割數(shù)控車床的性能和所切割試樣的厚度，采用組號(hào)+刀號(hào)分別為：“30”模式選“高光”、“71”模式選“高光”，采用直接線切割、線切割+磨床（線切割到10.2×10.2×55mm，磨床磨到標(biāo)準(zhǔn)值）、線切割+銑床（線切割切到12×12×55mm，銑床銑到標(biāo)準(zhǔn)值）等三種不同的加工方式，對(duì)編號(hào)為170319-19-20的刀圈和編號(hào)F13-19-63 刀圈進(jìn)行加工，并測(cè)量其沖擊功的值，詳見表1和表2。

4 結(jié)語

高速絲線切割機(jī)采取線電極高速往復(fù)供絲的方式,線電極的損耗均勻地分布在電極絲上,雖然電極絲的損耗極小,但電火花線切割機(jī)工作時(shí)影響其加工工件表面質(zhì)量的因素很多,需要對(duì)有關(guān)加工工藝參數(shù)進(jìn)行合理選配,才能保證加工件的表面質(zhì)量。一般而言，表面粗糙度Ra 為1.25～0.63 μm時(shí),切割速度為20 mm2/min。表面粗糙度Ra 為2.5～1.25 μm時(shí),切割速度為40 mm2/min?？梢?分析電火花線切割表面粗糙度，對(duì)充分發(fā)揮高速走絲線切割機(jī)的潛力,提高工件質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。

表1 編號(hào)170319-19-20的刀圈不同加工方式下沖擊試樣的沖擊值

表2 編號(hào)F13-19-63的刀圈不同加工方式下刀圈沖擊試樣的沖擊值

表3 編號(hào)170319-19-20 刀圈沖擊試樣表面粗糙度

根據(jù)表1、表2、表3可以得出以下結(jié)論：（1）采用不同組號(hào)+刀號(hào)進(jìn)行沖擊試樣加工，對(duì)沖擊功結(jié)果影響較大，以刀圈170319-19-20 為例，71刀最大可得到?jīng)_擊功為18.6 J,30 刀最小的沖擊值為10.4 J，沖擊值相差8.2 J，71 刀加工的試樣沖擊功普遍高于30 刀加工的試樣沖擊功；（2）同一刀號(hào)（用71 刀加工的試樣），線切割+磨床磨到標(biāo)準(zhǔn)值和線切割+銑床銑到標(biāo)準(zhǔn)值結(jié)果相差不大，但因?yàn)榫€切割+磨床表面粗糙度更好一些，今后進(jìn)行沖擊試驗(yàn)時(shí)，可選擇采用71 刀，線切割到10.2×10.2×55 mm，再用磨床磨試樣的四個(gè)面到標(biāo)準(zhǔn)值10×10×55 mm，然后進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，可以得到比較理想的試驗(yàn)結(jié)果。