電火花線切割加工斷絲分析及改進措施

劉 毅，賀聲陽，吳亞倫

（沈陽航空航天大學，遼寧沈陽 110136）

0 引言

高速往復走絲線切割機床廣泛應(yīng)用于模具行業(yè)，加工中出現(xiàn)的斷絲現(xiàn)象，嚴重影響了加工的穩(wěn)定性，降低了加工效率，增加了生產(chǎn)成本。在日常加工過程中斷絲現(xiàn)象經(jīng)常出現(xiàn)，恢復生產(chǎn)前的換絲過程費時費力，不僅會對工作效率產(chǎn)生極大影響，而且重復加工使工件加工精度下降。

1 斷絲類型分析

線切割加工中產(chǎn)生的斷絲一般分為兩種類型，即正常磨損斷絲和非正常斷絲。正常磨損斷絲是指在使用過程中，隨著加工工件數(shù)量及時間的增加，雖然能正常完成加工，但電極絲會逐漸變細[1]，電極絲不斷地磨損消耗。加工中由于放電腐蝕導致電極絲損耗，隨著時間的累加，達到極限尺寸不能承受能量負荷及應(yīng)力載荷而斷絲。因此，使用中需要及時測量電極絲的損耗量（圖1～圖2）。在電極絲損耗接近達到使用極限尺寸前，及時更換新的電極絲，防止發(fā)生斷絲。非正常斷絲是指由于某些參數(shù)設(shè)置不當、工作液選擇及配比不合適、切割加工過程不穩(wěn)定等原因造成的斷絲。非正常斷絲極大地影響了加工效率，應(yīng)盡量避免。

圖1 測量電極絲損耗

圖2 新電極絲測量

2 非正常斷絲原因分析及改進措施

工件加工過程中，引起非正常斷絲的主要原因為各種因素引起的運行不穩(wěn)定，如電極絲、電參數(shù)、工作液、運絲機構(gòu)、加工工件、工藝路線、機床操作、日常維護等因素。

2.1 電極絲影響斷絲與改進措施

目前電火花線切割加工使用的電極絲材料有鉬絲、鎢絲、鎢鉬合金絲、黃銅絲、銅鎢絲、鍍鋅絲等[2]。以DK7735 型電火花數(shù)控線切割機床（圖3）為例進行分析。該型號機床是電火花線切割加工中較為常見的機床，其最大加工范圍400 350 mm，加工中選用Φ0.18 mm 的線切割專用鉬絲（圖4）。

圖3 DK7735 數(shù)控機床

圖4 專用鉬絲

與電極絲張力有關(guān)的絲振對穩(wěn)定性影響鉸大，影響加工精度和切割速度。電極絲在貯絲筒上往復運動時產(chǎn)生不同張力出現(xiàn)絲振，電極絲經(jīng)過一段時間工作后逐漸伸長，絲振加劇張力下降，嚴重時電極絲跳出導輪槽，極易發(fā)生斷絲。因此，適當縮短連續(xù)加工時間，間斷加工，及時調(diào)整電極絲的張力，防止斷絲。應(yīng)根據(jù)電極絲材料性能和直徑的不同調(diào)整張緊力，在電極絲抗拉強度允許的范圍內(nèi)應(yīng)盡可能調(diào)大些，從而達到較好的切割質(zhì)量。

電極絲作為線切割加工中的重要組成部分，極易發(fā)生損耗。選購電極絲時要避免選用疊絲、打結(jié)及直徑不均勻的電極絲。要選擇導電性能好、韌性好的鉬絲或鎢鉬絲。如果電極絲導電性能不好，將有一部分能量集中在電極絲上，降低能量的傳導效率，致使加工不穩(wěn)定。

2.2 電參數(shù)影響斷絲與改進措施

電參數(shù)的選取十分重要，對加工精度、表面粗糙度、切割效率、電極絲的損耗有著直接的影響[3]。電參數(shù)主要包括：①脈沖寬度：加到電極和工件上電壓脈沖的持續(xù)時間。一般粗加工時采用較大脈寬，使單個脈沖的放電能量增大，提高加工效率，精加工采用較小脈寬，有利于精細部分加工精度的提高；②脈沖間隔：脈沖的間歇停止時間。線切割機床工作過程中時時都在排屑和金屬廢渣[4]，在一個間隔中就有部分被排出，脈沖間隔太大會降低加工進給速度，脈沖間隔太小，工作液來不及進入縫隙恢復絕緣，容易引起電弧短路造成斷絲。脈沖寬度與脈沖間隙比值要合適[5]，一般脈沖寬度與脈沖間隔的比值取1∶3～1∶5；③峰值電流：單個脈沖能量的指標。大的電流能提高加工速度，但加工表面質(zhì)量差，同時電極絲損耗加快，導致斷絲；④伺服電壓：與電源配合，與電流相互協(xié)調(diào)，合適的電壓應(yīng)與電流相匹配。在切割加工時，正確合理選擇脈沖電源電參數(shù)，可以提高加工工藝指標和加工的穩(wěn)定性。穩(wěn)定性越好則電極絲的使用壽命越長。

2.3 工作液供液影響斷絲與改進措施

工作液的主要功能是在脈沖電源的電壓下使電流有效擊穿介質(zhì)（工作液），形成放電通道，從而產(chǎn)生巨大的熱量（10 000 ℃以上的高溫）使被加工的材料熔化、氣化，工作液同時起到冷卻、帶動廢料、潤滑、防銹和清洗的作用[6]。

工作液的濃度對電極絲斷絲有很大影響。濃度過低，工作液的絕緣性能降低，電阻變小，容易與工件發(fā)生短路，造成電極絲熔斷；濃度過高，工作液的導電率下降，放電時產(chǎn)生氣泡，電弧放電發(fā)生在空氣中，而工作液起不到冷卻作用，電極絲在持續(xù)高溫下熔斷。因此，要合理配制工作液濃度，防止斷絲。

針對DK7735 電火花數(shù)控線切割機床，采用寶瑪牌線切割專用水基工作液（濃縮型）。使用前將機床循環(huán)系統(tǒng)徹底清洗干凈，確保管路暢通。工作液與水配比濃度為1∶25～30，在切割300 mm 以上大厚度工件時，濃度適當提高。在水箱水位明顯下降時應(yīng)及時向水箱里添加新液。配制工作液應(yīng)使用自來水或者工業(yè)純凈水，切勿使用地下水等硬水配置。原液的顏色為藍綠色或黃色，隨季節(jié)、溫度及正常使用會有所變化。使用過一段時間的工作液箱中的工作液顏色會發(fā)生變化，隨著工作液使用時間的增加，工作液會逐漸變質(zhì)，需要定期更換。

2.4 設(shè)備運絲機構(gòu)影響與改進措施

設(shè)備運絲機構(gòu)由電機貯絲筒、上下托板、同步帶、換向裝置等部件組成，主要作用是帶動電極絲按一定線速度運動并將電極絲整齊地排繞在貯絲筒上[7]。它的基本要求是：貯絲筒邊轉(zhuǎn)動邊移動，以保證電極絲在貯絲筒上整齊排列；貯絲筒的徑向跳動和軸向竄動要小；貯絲筒需要正反轉(zhuǎn)；貯絲機構(gòu)應(yīng)與床身絕緣。

電極絲的振動特點是兩端的振動幅度小，中央幅度大，一旦二者的振幅差超過電極絲的極限就有可能發(fā)生斷絲。因此，定時更換送絲裝置構(gòu)件，并始終保持電極絲處于恒定張力，可以有效防止斷絲。

當撞塊觸碰到行程開關(guān)時觸發(fā)換向，貯絲筒的速度由設(shè)定值突然降到零，然后轉(zhuǎn)換方向運行。在換向處，速度發(fā)生突然變化，如果換向不及時，電極絲內(nèi)部拉應(yīng)力將瞬時變大。通常換向不及時是行程開關(guān)故障或撞塊未緊固鎖緊造成的。行程開關(guān)未能獲得信號進行及時換向，在反復換向過程中，電極絲易出現(xiàn)被拉斷的隱患[8]。如果是行程開關(guān)失靈，導致運行超程，也會拉斷電極絲，此時需要及時更換行程開關(guān)。另外，如果電極絲在同一位置反復換向，電極絲內(nèi)部將受到交變內(nèi)應(yīng)力的作用，長時間加工后，此處變得極為薄弱，將在此處被拉斷，影響正常切割加工。在加工一段時間后，需要調(diào)整撞塊位置，改變電極絲的換向位置，減小電極絲內(nèi)同一位置交變應(yīng)力的影響。

2.5 工件因素影響斷絲與改進措施

工件自身因素對電極絲斷絲的影響也非常大。如果切割的工件含有雜質(zhì)，由于成分不同，在高溫下雜質(zhì)不能與工件同時融化，凸顯出來的部分將電極絲拉斷。工件過薄，在切割過程中極易導致切口處發(fā)生形變夾斷電極絲。工件過厚，排屑不暢，廢屑不能及時排出，導致斷絲。工件表面有污漬、生銹或毛刺等，容易引起集中放電導致斷絲[9]。因此，盡量采購優(yōu)質(zhì)材料工件，降低雜質(zhì)，加工較薄工件時通過調(diào)高峰值高頻電流，增大脈沖寬度的方法，使電火花間隙加大，或換用較粗的電極絲；加工較厚工件時應(yīng)盡可能地增大放電間隙，使工作液在加工過程中充足穩(wěn)定地包裹住電極絲并進入加工區(qū)內(nèi)，增強排屑效果，加工前清理工件表面，防止斷絲。

2.6 切割工藝影響斷絲與改進措施

加工前，對加工工藝的設(shè)計同樣重要，合理的加工工藝可以提高加工精度，節(jié)省原材料，提高加工效率，不易斷絲。圖5 所示的加工此工件有兩種方案：方案1 按照o-a-d-c-b 順序加工；方案2 按照o-a-b-c-d 順序加工。顯然方案2 更能保證工件內(nèi)部半圓的加工精度，因此，加工前設(shè)計好最佳加工路線，可以大大提高加工質(zhì)量。此外，工作臺的進給速度也是造成斷絲的重要因素，速度過快，會出現(xiàn)頻繁短路現(xiàn)象，速度過慢，出現(xiàn)空載現(xiàn)象，都容易導致斷絲。因此，合理控制進給速度，防止斷絲[10]。使用時要按照操作流程進行機床加工操作，避免人為因素導致斷絲現(xiàn)象的發(fā)生。裝夾工件、拆卸工件及加工前的各項準備工作要認真細致。正式加工前檢查機床的各部件是否運轉(zhuǎn)正常，發(fā)現(xiàn)異常及時處理。加工中應(yīng)按照既定的工藝路線進行，不可隨意更改。

圖5 工藝路線分析

2.7 日常維護不及時影響斷絲與改進措施

要及時做好各項日常維護工作，日常維護不到位，極易引起加工異常，出現(xiàn)工作液供給不足、運絲機構(gòu)不運轉(zhuǎn)、加工短路、斷絲等現(xiàn)象[10]。日常維護要點有：①檢查各按鍵及開關(guān)、旋鈕等，確保靈活可靠，位置正確；②檢查各安全裝置、緊固裝置，確保準確、靈活、可靠、無松動；③檢查各類儀表，確保指示正確、靈敏；④檢查油位，按潤滑圖表加油或潤滑脂，確保油路暢通，油量符合要求；⑤執(zhí)行熱機操作，確保各部件充分運動、潤滑。

3 結(jié)語

高速走絲線切割加工過程中出現(xiàn)的斷絲現(xiàn)象，極大地影響了加工效率及加工穩(wěn)定性，需要采取有效措施避免。針對DK7735 型電火花線切割機床加工中出現(xiàn)的斷絲原因進行分析，并提出相應(yīng)的改進措施。引起斷絲的原因很多，只要經(jīng)過系統(tǒng)分析和研究，不斷摸索改進方法，一定能取得良好的效果。