基于WEDM的金屬工藝品鳳凰的加工應(yīng)用*

汪玉琪

(陜西理工大學(xué)，陜西 漢中 723001)

0 引 言

金屬工藝品是以金屬材料，或以金屬材料為主輔以其他材料，加工制作而成的工藝品，以其特有的金屬質(zhì)感、色澤和雄渾、華貴、典雅、精細(xì)等各種不同的藝術(shù)風(fēng)格，深受人們的喜愛。傳統(tǒng)的金屬工藝品制作主要以手工和機(jī)械加工為主，不僅生產(chǎn)效率低，而且加工成本高[1]。

數(shù)控電火花線切割(WEDM)是在電火花穿孔、成形加工的基礎(chǔ)上于20世紀(jì)50年末代發(fā)展起來的一種新工藝。其加工過程是用一根移動(dòng)著的金屬絲作為工具電極，在金屬絲與工件間通以脈沖電流，使之產(chǎn)生脈沖放電，利用電火花的瞬時(shí)高溫可以使局部的金屬熔化、氧化而被腐蝕掉,連續(xù)不斷的脈沖放電就切割出了所需形狀和尺寸的工件，故稱電火花線切割，簡(jiǎn)稱為線切割[2-3]。

不同于傳統(tǒng)加工技術(shù)需要用機(jī)械力和機(jī)械能來切除材料，線切割主要利用電能來實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的加工[4]。作為一種現(xiàn)代特種加工技術(shù)，線切割具有諸多優(yōu)點(diǎn)：①可加工傳統(tǒng)機(jī)械不易加工的微細(xì)形狀；②自動(dòng)化程度高、操作方便，加工周期短、功耗低；③工作平穩(wěn)、均勻、抖動(dòng)小、加工精度高、表面質(zhì)量好；④切縫窄，蝕除量少，可對(duì)工件材料進(jìn)行“套料”加工，材料利用率高；⑤電極和工件之間不直接接觸，幾乎沒有切削力，可加工高硬度材料[5]。

基于以上優(yōu)點(diǎn)，相較于傳統(tǒng)方法，線切割更適合于金屬工藝品的加工制作。筆者針對(duì)金屬工藝品的線切割加工中容易出現(xiàn)的問題，以一個(gè)小型金屬工藝品——復(fù)雜二維圖案鳳凰的加工為實(shí)例，對(duì)整個(gè)流程的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行了仔細(xì)研究和詳細(xì)闡述，總結(jié)了一些需要注意的事項(xiàng)。

1 加工制作方法與流程

采用設(shè)備：線切割機(jī)床，設(shè)備型號(hào)為DK7735，電極絲材料為鉬絲，直徑為0.18 mm，冷卻液為乳化液。

使用軟件：CAXA線切割,以及WireCut。

材料：300 mm×200 mm×1 mm不銹鋼板。

1.1 圖像采集與處理

在線切割加工前，要獲得便于 CAD/CAM 系統(tǒng)處理，且符合加工要求的圖像。線切割加工圖像軌跡一般以一筆畫的形式出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)一次切割即可完成整個(gè)金屬工藝品的加工，這樣可以提高加工效率、避免二次穿絲。輪廓圖像的獲得通常有兩種方法，分別是：①采用拍照、掃描或者下載圖片等方式進(jìn)行圖像采集，再對(duì)采集的圖像進(jìn)行處理。在CAXA線切割軟件中導(dǎo)入BMP、GIF、JPG、PNG、PCX格式的圖像文件，通過描圖獲得工藝品的輪廓圖；②采用其他繪圖軟件(如CAD等)完成繪圖，最終保存為“EXB”格式文件，導(dǎo)入CAXA線切割軟件中。

對(duì)于不規(guī)則的曲線圖形，可以采用樣條曲線進(jìn)行繪制，然后通過圖形上的各個(gè)控制點(diǎn)對(duì)所繪圖形進(jìn)行局部編輯調(diào)整，以求獲得理想的圖案形狀。本例中的鳳凰為一個(gè)二維平面工藝品，其輪廓完全由自由曲線所構(gòu)成。因此，可通過“CAXA 線切割”軟件本身自帶的位圖矢量化功能，導(dǎo)入圖像，采用描圖后再編輯處理的方法，完成如圖1所示鳳凰輪廓的繪制。

圖1 鳳凰輪廓

需要注意的是，最終獲得的圖形輪廓一定要封閉，不能有斷開點(diǎn)和交叉點(diǎn)，而且是單連通的，也不能有重復(fù)多余的線條，否則不符合線切割加工的條件，在后續(xù)生成軌跡時(shí)也會(huì)出錯(cuò)。所以，圖形繪制完成后要局部放大看，認(rèn)真檢查各個(gè)細(xì)節(jié)并予以修正，確保沒有上述問題存在。

加工時(shí)，往往將圖形的總體尺寸限定在某一范圍內(nèi)(比如將單個(gè)工藝品大小限定在100 mm×100 mm以內(nèi))，以合理控制加工時(shí)間和所用材料尺寸。為此，可以在測(cè)量圖形尺寸后，按照一定比例，對(duì)所繪圖形縮放到規(guī)定的大小范圍，以滿足加工要求。

1.2 編制程序、生成軌跡

線切割編程分為手工編程和自動(dòng)編程，編程格式有多種，目前使用最多的是3B格式。對(duì)于該工藝品鳳凰，其形狀輪廓較為復(fù)雜，適合采用CAM軟件自動(dòng)編程，此處用線切割自動(dòng)編程軟件CAXA完成編程。

首先，運(yùn)用CAXA線切割軟件中的“軌跡生成”功能生成零件的加工軌跡：填寫加工參數(shù)表(包括切割參數(shù)和偏移量/補(bǔ)償量的設(shè)定)，拾取加工對(duì)象的輪廓，點(diǎn)擊綠色箭頭設(shè)定加工方向(順時(shí)針或逆時(shí)針)，選定電極絲中心偏移補(bǔ)償方向，分別選擇穿絲點(diǎn)和退出點(diǎn)(通常設(shè)定為與穿絲點(diǎn)重合)位置，回車則自動(dòng)生成了鳳凰的加工軌跡[6-7]，如圖2所示。

圖2 鳳凰加工軌跡

穿絲點(diǎn)可以考慮從零件輪廓的左側(cè)、下方或上方切入，具體位置的選擇要結(jié)合加工時(shí)穿絲的便利和材料的合理利用而定。生成的軌跡不能跨過零件輪廓，否則加工時(shí)會(huì)破壞已有輪廓。穿絲點(diǎn)選在零件外某一點(diǎn)，既要留有一定余量，保證加工圖形的完整，又不宜使得切入線太長(zhǎng)，以免造成材料浪費(fèi)，增加切割時(shí)間。

1.3 軌跡仿真、生成代碼

正式加工前，可通過觀看仿真過程，檢查零件加工中有無過切或干涉情況。仿真時(shí)，選擇連續(xù)方式，設(shè)定適宜的步長(zhǎng)(步長(zhǎng)越大，則仿真速度越快)，一般采用默認(rèn)值0.01，選擇加工軌跡，點(diǎn)擊“軌跡仿真”，即可對(duì)切割加工過程進(jìn)行模擬，如圖3所示。

圖3 鳳凰加工軌跡仿真

模擬無誤后，調(diào)用“生成3B代碼”命令，系統(tǒng)根據(jù)圖紙尺寸及工件的實(shí)際情況計(jì)算坐標(biāo)點(diǎn)并編制程序，自動(dòng)生成3B格式加工代碼，命名并選擇保存位置，則得到了一個(gè)3B代碼的記事本文件。

1.4 設(shè)備調(diào)試

在操作前必須確認(rèn)無外界干擾，一切正常后，采用適宜的裝夾方法(通常采用壓板、螺栓固定工件，在必要時(shí)輔助以墊塊、墊片等，確保板材水平)，把所要切割的板材背面的保護(hù)膜撕掉，并裝夾在切割平臺(tái)上(板材不能超過切割范圍)，保證不銹鋼板平穩(wěn)，以免加工時(shí)板材振動(dòng)。

不銹鋼板裝夾完成之后，打開設(shè)備電源開關(guān)和走絲開關(guān)，即可開始調(diào)整鉬絲的位置。為保證準(zhǔn)確的工件形狀和尺寸精度，需要提前對(duì)鉬絲的垂直度進(jìn)行校準(zhǔn)。檢查鉬絲的張力情況無異常后，啟動(dòng)高頻開關(guān)，通過X、Y軸方向的手輪調(diào)節(jié)鉬絲與金屬板之間的相對(duì)位置，將鉬絲移動(dòng)到靠近加工起始點(diǎn)的位置，結(jié)合設(shè)備標(biāo)尺和手輪刻度盤示數(shù)，以及游標(biāo)卡尺測(cè)量等，留足各個(gè)加工方向周圍材料的余量，以免因材料與量不足造成最終加工圖形不完整。

1.5 正式加工

在WireCut軟件中打開1號(hào)卡，調(diào)入電腦中保存好的3B代碼，則界面中顯示出圖形的加工軌跡。選擇合理的切入位置，緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，使得鉬絲逐漸接近金屬板，此時(shí)速度不宜過快，以防不慎卡斷鉬絲。當(dāng)鉬絲和金屬板之間有極小間隙，并能產(chǎn)生穩(wěn)定的電火花時(shí)，松開手輪，按下冷卻液開關(guān)，給加工位置處提供乳化液，在WireCut軟件界面點(diǎn)擊“開始加工”，正式開始切割零件。

加工時(shí)，鉬絲由數(shù)控裝置按加工程序指令控制沿X、Y兩個(gè)坐標(biāo)方向移動(dòng)而合成所需的平面圓弧軌跡。鉬絲從穿絲點(diǎn)出發(fā)，逐漸切入金屬板，按照設(shè)定的方向和軌跡進(jìn)行切割。加工時(shí)，在 WireCut軟件界面能夠直觀地看到X、Y兩個(gè)方向坐標(biāo)不斷變化，并顯示加工已用時(shí)間和剩余時(shí)間，加工進(jìn)度一目了然。與此同時(shí)，能夠看到加工限速、空走限速，加工完成所需的總步數(shù)和已走步數(shù)，綠色脈沖信號(hào)燈來回閃爍，設(shè)備上的電壓、電流表指針也會(huì)隨之?dāng)[動(dòng)。零件切割結(jié)束后，鉬絲會(huì)退回到穿絲點(diǎn)位置。

1.6 零件的后處理

WireCut軟件界面顯示“當(dāng)前任務(wù)加工完畢”，則加工結(jié)束。取出零件，并對(duì)其進(jìn)行擦拭和清洗，使之更為光潔。經(jīng)過上述各個(gè)步驟，一個(gè)精致的金屬工藝品鳳凰圖案就制作完成了，如圖4所示。此外，對(duì)于加工完成的工藝品還可以配備精美的襯布和飾品盒等附件，使其更加美觀。

圖4 鳳凰圖案加工成品

2 結(jié) 語

采用線切割加工制作金屬工藝品時(shí)，需要注意以下幾個(gè)方面的問題：①圖像是封閉的單連通圖形，可以一筆畫完成；②限定圖形的總體尺寸，以控制加工時(shí)間和原材料尺寸；③根據(jù)實(shí)際情況，合理選擇穿絲點(diǎn)和退出點(diǎn)，以優(yōu)化加工路徑，提高材料的利用率，縮短切割時(shí)間。