電連接器斜開槽插孔線切割工藝優(yōu)化研究

張亞娟，薛云智，黨喜龍，包東燦

(鄭州航天電子技術有限公司，河南鄭州，450000)

1 引言

在金屬加工過程中，經(jīng)常遇到積屑瘤問題，積屑瘤實質(zhì)上是在切削過程中發(fā)生冷焊的結果，隨著加工的進行，積屑瘤不斷長大，被切屑帶走或者嵌附在工件表面上[1]，積屑瘤有保護刀具、增大工作前角的作用[2]，也有影響工件尺寸精度、影響工件表面粗糙度[3]的弊端。

目前，針對積屑瘤的研究有很多。文獻[4]針對微細銑削實驗時的積屑瘤現(xiàn)象，在分析其成因的基礎上，研究了切削用量、切削液、刀具幾何參數(shù)、刀具表面粗糙度及工件材料硬度等因素對積屑瘤的影響機制；文獻[5]通過分析精加工過程中積屑瘤的形成原因，采取降低或提高切削速度、采用潤滑性能好的切削液、增大刀具前角、適當提高工件材料的硬度、降低前刀面的表面粗糙度等措施改進，改進后消除了積屑瘤的形成；文獻[6]應用數(shù)理統(tǒng)計函數(shù)和時間序列方法分析了4類積屑瘤狀態(tài)對PCD刀具微細切削表面輪廓特征的影響，為合理選擇和控制微細切削刀具的切削條件，以及評價微細切削的表面形貌特征提供了實驗依據(jù)；文獻[7]采用TiCN涂層解決了鉆頭作業(yè)過程中提升切削速度時出現(xiàn)的粘刀與積屑瘤現(xiàn)象。

關于積屑瘤的研究主要集中在車削、銑削加工方面，而針對線切割過程中排屑問題研究較少，例如文獻[8]針對線切割工藝中排屑不理想的情況進行了分析，并結合實際情況提出了有針對性的解決措施。在實際生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)，在某些特定情況下，線切割也會產(chǎn)生積屑瘤，但是目前幾乎沒有文獻對線切割工藝中積屑瘤產(chǎn)生的原因及控制方法進行研究。電連接器斜開槽插孔在線切割加工過程中孔內(nèi)壁端部階段性的出現(xiàn)密集的積屑瘤，嚴重影響產(chǎn)品的外觀，內(nèi)孔表面粗糙度，與插頭的配合質(zhì)量[9]，甚至影響信號的正常傳輸。為了保證斜開槽插孔線切割加工的穩(wěn)定性，對積屑瘤產(chǎn)生的原因分析及有效去除方法進行研究非常有必要。

2 斜開槽插孔積屑瘤的形成

電連接器是航天系統(tǒng)工程重要的配套元器件，用于傳輸電流或信號，其工作可靠與否直接影響飛行器電路的正常工作，甚至涉及整個主機的安危。然而，在各類電連接器失效模式中，接觸失效占比最高。接觸件是電連接器中的核心元件，插孔是接觸件種類中的一種圓筒形彈性零件，其中斜開槽插孔(見圖 1a)因具有結構簡單，有利于實現(xiàn)電連接器小型化，可防插針過插，可靠性高等優(yōu)點，得到廣泛應用。斜開槽插孔側(cè)壁有舌形彈片特征，用于保證插針插入時的可靠接觸，該舌形彈片由線切割工藝加工而成，在線切割加工過程中，在插孔內(nèi)壁產(chǎn)生了密集積屑瘤，如圖 1b所示，圖示為三個同批次斜開槽插孔對應的放大圖，積屑瘤均大部分集中在頂端環(huán)形特征附近，分布于插孔內(nèi)壁。

a b

為了充分研究積屑瘤，將含積屑瘤的斜開槽插孔樣本進行了鑲嵌，拋光處理，并對積屑瘤的微觀形貌進行了詳細觀察，如圖 2所示，從外形上觀察發(fā)現(xiàn)，該積屑瘤大致呈“球形”，而且整體形狀為1/2～3/4球之間，嵌附于插孔內(nèi)壁表面。

圖2 積屑瘤微觀形貌

3 積屑瘤產(chǎn)生的機理分析

線切割加工屬于電加工范疇，利用移動的細金屬絲(銅絲或者電極絲)作電極，利用電極絲電火花的瞬時高溫可以使局部的金屬熔化、氧化而被腐蝕，同時，由于電極和冷卻液的汽化，形成一個氣泡，氣泡的壓力逐漸上升，隨著距離增大電流中斷，溫度突然降低，引起氣泡內(nèi)向破裂，產(chǎn)生的動力把融化的物質(zhì)拋出，然后在冷卻液中重新凝結成小的球體，正常情況下，小球體會被冷卻液排走，若冷卻液不能使其快速冷卻，小球體在高溫狀態(tài)下即會粘附在插孔內(nèi)壁上，出現(xiàn)密密麻麻的積屑瘤。

3.1 零件結構的分析

常見的電連接器插孔的開槽方式有兩種，斜開槽插孔(圖 1a)和直開槽插孔(圖 3a)。直開槽線切割后剖切實物放大圖如圖 3b所示，由圖可知，直開槽插孔內(nèi)壁光滑，沒有出現(xiàn)積屑瘤問題。由此可見，積屑瘤只出現(xiàn)在斜開槽插孔加工過程中，某斜開槽插孔相關尺寸如圖 4所示，由圖可知，整個斜開槽由斜線弧段和直線段兩段組成，積屑瘤堆積的問題分布在插孔的斜線弧段。與直開槽對比，線切割過程中從斜線弧段到直線段，工件的切割厚度發(fā)生了變化，在加工參數(shù)相同的情況下，工件的切割厚度越大，產(chǎn)生的熱量越大，另外，斜開槽加工從外圓起刀，初加工時，線切割電極絲未與插孔內(nèi)孔連同，此時的加工部位屬于盲槽結構，隨著切割深入，在插孔壁剛切開時，被腐蝕的材料凝結成的部分小球體，在爆炸動能的作用下，拋附在斜線弧段的內(nèi)孔表面，由于此時進入孔內(nèi)的冷卻液量少，冷卻及排屑效果較差，高溫小球在插孔內(nèi)表面冷卻并黏連在一起(相當于焊接)，形成積屑瘤。

a b

圖4 某斜開槽插孔相關尺寸

3.2 加工參數(shù)的分析

插孔的斜開槽結構采用中走絲機床加工(型號：HA400U)，中走絲線切割機加工參數(shù)包括運絲速度、脈沖寬度、峰值電流限制、脈沖間隙與脈沖寬度比、脈沖源空載電壓，進給速度等。

運絲速度是指電極絲往復運行的速度，運絲速度的提高有利于電極絲將冷卻液帶入切割厚度較大的工件內(nèi)，便于電蝕物及時冷卻及排出，運絲速度分為4檔，1～4檔速度逐級增大，高速有利于排屑，低速有利于減小絲的振動，保持絲的穩(wěn)定。在工件切割厚度大于10mm時，絲速一般應為4檔。

脈沖寬度是指脈沖電流的持續(xù)時間。脈沖寬度與加工粗糙度有很大關系，一般根據(jù)要求的粗糙度選擇脈沖寬度。在其他條件相同的條件下，切割速度隨著脈沖寬度的增加而增大，電蝕物也隨之增多。

峰值電流即單個脈沖能量。在其他條件相同的情況下，合理提高峰值電流，有利于提高切割速度，增大脈沖動能，有利于電蝕物的排出。

脈沖間隙與脈沖寬度比，脈沖間隔比越大，排屑越充分，工件越厚，間隔比越大，一般根據(jù)工件的切割厚度選擇脈沖間隔比。

脈沖源空載電壓，設定脈沖電源的空載輸出電壓(加工電壓)，可以選擇60～160V(共11種，間隔10V)，一般選擇100V。

加工進給速度是機械部分給予的進刀速度，如果加工進給速度超過了被切割工件的蝕除速度，電蝕物也會隨之增加。

按照以上設置線切割參數(shù)的原則，分析原工藝參數(shù)不合適的原因是忽略了插孔斜開槽切割厚度是一個變化值，在設置脈沖間隔比時參考的是斜開槽結構直線段的厚度，用于加工厚度較厚的斜線弧段時，脈沖間隔比值偏小，脈沖間隔比值對排屑性能影響較大，脈沖間隔比越小，排屑越不充分，在此切割位置切割速度越慢，造成電極絲在此滯留時間過長，聚集高溫，增大了積屑瘤形成的可能。

3.3 冷卻效果的分析

綜合考慮插孔斜開槽的加工質(zhì)量和加工成本，插孔斜開槽選用的是中走絲線切割設備(型號：HA400U)，中走絲是采用單股水流的淋雨方式將冷卻液噴灑在線切割工件上，如圖5所示。由于線切割過程中，工件水平整排裝夾，存在冷卻液進入困難、冷卻不充分的缺陷。

圖5 中走絲改進前冷卻方式

4 措施方案

針對上述原因分析，從調(diào)整線切割加工參數(shù)及改進冷卻方式兩方面采取改進措施并進行驗證。

4.1 優(yōu)化線切割設備的參數(shù)

在遵循線切割參數(shù)設置原則的前提下，設置脈沖間隔比時，需同時兼顧插孔斜開槽斜線弧段和直線段兩段的切割厚度。綜合考慮加工質(zhì)量及加工效率，在調(diào)整參數(shù)時，可適當?shù)脑龃蠓逯惦娏?，脈沖間隔，減小脈沖寬度，進給速度，在保證表面粗糙度滿足要求的前提下，通過適當?shù)靥岣咦呓z速度，增大排屑動能，使電蝕物通過電離通道借助冷卻液及時排出孔外，從根源上使積屑瘤得到有效控制，圖66是優(yōu)化線切割工藝參數(shù)后斜開槽插孔剖切實物圖，由圖可知，積屑瘤明顯減少，說明選擇合適的線切割參數(shù)可以有效減少積屑瘤的形成。

圖6 優(yōu)化參數(shù)后斜開槽插孔實物圖

4.2 改進冷卻方式

為了進一步解決線切割積削瘤問題，從冷卻方式上進行改進，為進一步增強冷卻效果，增大冷卻面積，將中走絲設備冷卻液的控制閥門調(diào)到最大檔位，最大檔位時，水壓過大，流速過快，導致水流分散，如圖7所示，冷卻效果反而更差。采用增加冷卻管路的方式實現(xiàn)分壓降速。將新增兩個冷卻管道的噴嘴分別固定在工件的上、下兩端，如圖8所示，從而增強切縫處電蝕物的冷卻效果，防止在高溫狀態(tài)下粘附在內(nèi)孔壁上。

圖7 最大檔位時冷卻液的水流狀態(tài)

圖8 中走絲改進后的冷卻方式

改進冷卻方式后采用優(yōu)化后的參數(shù)加工插孔進行剖檢，插孔內(nèi)壁光潔度非常好，未發(fā)生積屑瘤粘附的現(xiàn)象，如圖9所示。因此冷卻效果對積屑瘤的產(chǎn)生有明顯影響。

圖9 改進冷卻方式后線切割斜開槽插孔實物圖

5 結論

1)在特定條件下，線切割加工亦會產(chǎn)生積屑瘤；

2)線切割加工的參數(shù)決定著電蝕物產(chǎn)生的量，加工參數(shù)設置不合理，會導致排屑不充分，加大積屑瘤形成的概率；

3)設備的冷卻效果對積屑瘤的產(chǎn)生有影響，冷卻效果差將會導致電蝕物凝結成的小球體未得到及時冷卻，在爆炸動能的作用下，粘附在內(nèi)孔壁上的結合力越大，形成積屑瘤的概率越大。