提高快走絲線切割加工表面質(zhì)量的工藝研究

李一華， 黃艷松， 馬永清， 豐莉

（1.海軍駐株洲某軍代室，湖南 株洲412002；2.中航工業(yè)南方公司，湖南 株洲412002）

1 引 言

線切割加工是電火花線切割加工的簡稱，它是用線狀電極（鉬絲或銅絲）靠火花放電對工件進行切割［1］，線切割采用細金屬絲作工具電極，無需制作成型工具電極，可加工各種復雜型面，能夠大大降低制造成本、縮短生產(chǎn)周期，被廣泛應用于航空發(fā)動機零部件制造中。線切割按機床類別分為快走絲線切割與慢走絲線切割，快走絲線切割是電極絲作高速往復運動，走絲速度為8～10m/s，加工表面粗糙度為Ra5.0～2.5，最佳可達Ra1.0；慢走絲線切割是電機作低速單向運動，一般走絲速度低于0.2m/s，加工表面粗糙度可達到Ra2.5，最佳可達Ra0.2［2］。快走絲線切割機床結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、使用成本低，且加工效率高，擁有良好的性價比，但快走絲線切割機床的振動較大，電極絲抖動也大，電極在往返運動中的損耗都影響著其加工精度，在使用上受到一定的限制。因此，如何提高快走絲線割加工表面質(zhì)量是急需研究的課題。

圖1 進氣導葉片線切割加工部位

圖2 加工后表面鋸齒狀形貌×5

某型航空發(fā)動機進氣導向葉片葉身上下邊的表面粗糙度要求為Ra3.2（如圖1 所示），采用快走絲線切割加工方法，但在試制過程中發(fā)現(xiàn)該產(chǎn)品線切割后表面存在鋸齒狀形貌（如圖2 所示），導致粗糙度達不到設計要求，影響了產(chǎn)品質(zhì)量。本文以該產(chǎn)品為例，通過分析線切割加工表面質(zhì)量影響因素，對電參數(shù)進行調(diào)整，并提出加工過程的具體控制措施，經(jīng)試制表明，可有效保證生產(chǎn)效率和產(chǎn)品加工表面質(zhì)量。

2 表面質(zhì)量影響因素分析

影響電火花切割表面加工質(zhì)量主要有電參數(shù)、走絲速度、電極絲張力、進給速度及工作液等。

2.1 電參數(shù)選擇分析

放電峰值電流、脈沖寬度及脈沖間隔是快速走絲線切割加工的主要電參數(shù)。增大放電峰值電流可以提高切割速度，但會導致表面粗糙度增大、加工精度下降，甚至出現(xiàn)斷絲。增大脈沖寬度可以使單位時間內(nèi)放電能量增大，提高線切割加工的速度，同樣導致表面粗糙度變差，并加快電極絲的損耗。減小脈沖間隔，脈沖頻率將提高，即單位時間內(nèi)放電次數(shù)增多，平均電流增大，從而提高了切割速度，但脈沖間隔不能過小，否則會影響電蝕產(chǎn)物的排出和火花通道的消電離，導致加工穩(wěn)定性變差和加工速度降低，甚至斷絲。由此可見，增大放電峰值電流、脈沖寬度，減小脈沖間隔都能使切割速度提高，但會降低產(chǎn)品表面質(zhì)量，因此，必須在保證產(chǎn)品表面質(zhì)量的前提下，適當調(diào)整電參數(shù)使產(chǎn)品質(zhì)量與生產(chǎn)效率達到平衡。

2.2 走絲速度

提高走絲速度不僅有利于脈沖結(jié)束時放電通道迅速消電離，而且可以將工作液帶入厚度較大工件的放電間隙中，有利于排屑。在一定范圍內(nèi)，增大走絲速度可以提高加工速度，但增大到一定程度后，反而會降低加工速度，主要原因是絲速再增大，排屑條件雖然仍在改善，但蝕除作用基本不變，且儲絲筒一次排絲的運轉(zhuǎn)時間減少，使其在一定時間內(nèi)的正反向換向次數(shù)增多，非加工時間增多，從而降低了加工速度。走絲速度太大還會引起電極絲的振動加強，使產(chǎn)品表面的直線度和光潔度下降。

2.3 電極絲張力

電極絲張力大時，電極絲的振幅及抖動變小，切縫寬度變窄，進給速度加快，因此能夠提高加工速率、增強加工的穩(wěn)定性，保證產(chǎn)品表面質(zhì)量。但受電極材料強度的限制，電極絲張力不能無限度增大，否則將出現(xiàn)斷絲。

2.4 進給速度

正常情況下，線切割過程中進給速度與蝕除速度大致相等。進給速度過高，即電極絲進給的速度明顯高于蝕除速度，則放電間隙會越來越小，甚至發(fā)生短路，造成加工不穩(wěn)定，影響產(chǎn)品表面質(zhì)量。進給速度太慢，即電極絲的進給速度明顯落后蝕除速度，則電極絲與工件之間的距離會越來越大，造成開路，降低加工速度。由此可見，在線切割加工中調(diào)節(jié)進給速度雖然本身并不具有提高加工速度的能力，但能夠保證加工的穩(wěn)定性，提高產(chǎn)品表面質(zhì)量。

2.5 工作液

工作液的注入方式和注入方向?qū)€切割加工精度有較大影響，目前注入方式主要有浸泡式、噴入式及浸泡噴入復合式等三種。采用浸泡式注入時，線切割加工區(qū)域流動性差，加工不穩(wěn)定，放電間隙大小不均勻，很難獲得理想的加工精度。噴入式注入方式是國產(chǎn)快走絲線切割機床應用最廣的一種，其工作液以噴入這種方式強迫注入工作區(qū)域，間隙的工作液流動更快，加工較穩(wěn)定，但工作液噴入時難免帶進一些空氣，因此，經(jīng)常出現(xiàn)氣體介質(zhì)放電現(xiàn)象，從而影響了加工精度。在精密電火花線切割加工中，普遍采用浸泡噴入復合式的工作液注入方式。快走絲線切割使用的工作液是專用乳化液，目前使用的工作液種類較多，各有特點，但無論哪種工作液都應具有一定的絕緣性能、較好的洗滌性能、較好的冷卻性能及對環(huán)境無污染、對人體無危害等特性，其中洗滌性能對加工質(zhì)量影響較大。洗滌性能好的工作液，切割時排屑效果好，切割速度高，切割后表面光亮清潔，割縫中沒有油污粘糊；洗滌性能不好的工作液則相反，有時切割下來的料芯被油污糊狀物粘住不易取下，切割后表面也不易清洗干凈［3］。

3 提高表面加工質(zhì)量方法

在保證生產(chǎn)效率的基礎上，為提高產(chǎn)品表面質(zhì)量對線切割電參數(shù)進行了適當?shù)恼{(diào)整，調(diào)整后的電參數(shù)如表1 所示，并重點在以下4 個方面進行改進，取得了顯著的效果。

表1 調(diào)整后的電參數(shù)

3.1 適時調(diào)整進給速度

在加工非等截面產(chǎn)品表面時，受截面面積變化的影響，加工過程中應適時調(diào)整進給速度，當截面面積增加時應降低進給速度，以保持加工穩(wěn)定性，避免產(chǎn)品出現(xiàn)表面質(zhì)量問題。該葉片葉型兩側(cè)截面較薄，往中心逐步增厚，因此在加工時必須通過加工電流表指針的搖動情況來進行判斷進給速度。當經(jīng)常向下擺動，則說明是欠跟蹤，此時應將進給速度適當調(diào)快；當經(jīng)常向上擺動，則說明是過跟蹤，就應將進給速度適當調(diào)慢；當指針來回較大幅度搖擺，說明加工不穩(wěn)定，應及時停止加工，查明原因，否則易出現(xiàn)斷絲。

3.2 適當調(diào)整工作液

圖3 切下余料與本體粘接

目前，線切割加工采用的工作介質(zhì)一般為含有機械油5%左右的乳化液，切割后容易出現(xiàn)切下余料與本體互相粘接的問題（如圖3 所示），加工后必須通過煤油刷洗和敲擊才能脫離。高溫環(huán)境下，乳化液會分解出大量的含碳高分子化合物與金屬腐蝕產(chǎn)物形成膠體狀或顆粒狀物質(zhì)，該物質(zhì)粘附并堆積在切縫內(nèi)是切下余料與本體互相粘接的主要原因［3］。在加工過程中，該物質(zhì)堆積在切縫中嚴重影響電蝕產(chǎn)物的排除，并阻擋新鮮工作介質(zhì)進入切縫，直接導致正常放電不連續(xù)，甚至出現(xiàn)電弧放電，燒傷產(chǎn)品表面使加工質(zhì)量惡化。

水中加入少量洗滌劑、皂片等，切割速度就可能成倍增長。這是因為水中加入洗滌劑或皂片后，工作液洗滌性能變好，有利于排屑，改善了間隙狀態(tài)［3］。為此，在乳化液中加入了適量洗潔精，經(jīng)多次試驗，切割后的余料可自然落下，且切割后加工表面膠狀蝕除物明顯減少，在煤油中稍加清洗便可見金屬光澤，加工表面質(zhì)量明顯提高。

3.3 檢查導向輪及導電塊的磨損情況

對于快走絲線切割，電極絲的運動軌跡主要靠導向輪和導電塊來保證，由于長時間的高速磨損，容易導致導電塊和導電輪上出現(xiàn)磨損的軌跡，如不及時調(diào)整導電塊的方向或定期更換導向輪，則當磨損痕跡深度過大時，會導致電極絲在高速運動過程中振幅增大，甚至出現(xiàn)卡滯現(xiàn)象，從而影響加工表面質(zhì)量，因此在每次加工前必須檢查導向輪和導電塊的磨損情況。

3.4 不定期重新纏繞電極絲

電極絲形狀在高溫情況下長期使用會發(fā)生變化，并導致滾絲筒上的電極絲纏繞力減下，從而減小電極絲的張力，因此每次加工前必須對電極絲進行重新纏繞，保證電極絲在滾絲筒上的纏繞力，確保電極絲張力的相對恒定。

4 產(chǎn)品試制驗證

根據(jù)上述分析及改進措施，對該葉片線切割加工工藝進行了細化，調(diào)整了工藝參數(shù)，要求操作者在每批產(chǎn)品加工前檢查導向輪、導電塊的磨損情況并重新纏繞電極絲，針對產(chǎn)品加工批量大的特點，還規(guī)定了加工過程中定期檢查的頻率，確保加工質(zhì)量的穩(wěn)定性。為驗證措施的有效性，試制了一批百余件產(chǎn)品，實物表面質(zhì)量大幅提升，原來的鋸齒狀形貌波峰明顯縮小，如圖4 所示，采用高倍顯微鏡觀察也未發(fā)現(xiàn)明顯的鋸齒狀形貌，如圖5 所示，且經(jīng)檢測尺寸達到設計圖紙要求。

圖4 試制產(chǎn)品實物表面

圖5 試制產(chǎn)品實物表面局部放大×50

5 結(jié) 語

運絲速度快、振蕩較大、導輪磨損大是快走絲線切割的明顯特點［2］，也是影響產(chǎn)品加工表面質(zhì)量的重要因素。在實際應用中，必須根據(jù)產(chǎn)品的特點合理確定加工電參數(shù)，避免盲目追求生產(chǎn)效率，在加工過程中應注意控制進給速度、調(diào)整工作液，加強導電塊和導輪磨損情況檢查，并不定期地重新纏繞電極絲，防止產(chǎn)品質(zhì)量出現(xiàn)反復。

［1］ 廖衛(wèi)獻.數(shù)控線切割加工自動編程［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2001.

［2］ 苑海燕，袁玉蘭.高速走絲線切割機床操作與實例［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2010.

［3］ 張學仁.數(shù)控電火花線切割加工技術(shù)［M］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，1999.

（編輯 啟 迪）