電火花數控線切割加工方法和表面粗糙度對刀圈沖擊功的影響

張凌，張愛武，于永生，孔祥權，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.吉林省盾構與掘進刀具技術重點實驗室，吉林 吉林市132011）

0 前言

沖擊功是衡量材料韌性的一個指標，測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。對于隧道掘進機用的滾刀刀圈來說，要求其不僅要有高的硬度、強度，還需要有良好的沖擊韌性，因此，金屬夏比沖擊試驗是刀圈理化實驗不可或缺的一項內容。

金屬夏比沖擊試驗是應用最廣泛的一種測定金屬材料韌性的傳統性能試驗，也是評定金屬材料在沖擊載荷下韌性的重要手段之一。金屬材料的力學性能，除了要求具有足夠的強度、硬度和塑性之外，還應具有一定的韌性，即在一定條件下受到沖擊載荷時，具有在斷裂過程中吸收足夠能量的能力，以保證金屬構件及零件的安全性。

夏比擺錘沖擊試驗是將規定幾何形狀的缺口試樣置于試驗機兩支座之間，缺口背向打擊面放置，用擺錘一次打斷試樣，測定試樣的吸收能量。

1 沖擊試樣類型與尺寸

標準尺寸沖擊試樣為長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型缺口深度應為2mm或5 mm，底部曲率半徑為1 mm。試樣表面粗糙度Ra 應優于5 μm，端部除外。試驗前應檢查座跨距，座跨距應保證在40+0.2mm以內。

我公司生產的TBM掘進機用刀圈，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，試樣通過電火花數控線切割手段進行加工。所使用的電火花數控線切割機床，是廣東大鐵數控機械有限公司生產的DK550型高速絲線切割機。

2 線切割參數的選擇

極速電源內置了5種切割模式，每種切割模式內置了9個切割組號，每個組號內置了8個刀號（0-7號），可組合出360種不同的放電參數，適用于不同的加工要求，具有對當前加工狀態極高的自適應性，是全球領先的智能電源。

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以內的工件，其中“極速”為最快，約15000mm2/h，最佳厚度為40～80 mm，短時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“0”，組號“1”，組號“2”，組號“3”，…，組號“8”，出廠默認值為組號2。可根據切割產品的厚度調整組號，選擇切割速度與電流。刀號前一位數字為“組號”，如30 表示組號“3”，刀號“0”。組號建議按以下方法選擇：厚度30 mm 以下用組號“1”，速度較快；30～100 mm 用組號“3”或組號“5”，其中組號“5”光潔度較好，組號“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“2”或組號“1”；當切割厚度超過200 mm 以上時建議使用電流3.5A 左右的參數（不斷絲的情況下可以根據需要加大電流）；組號“6”與“7”為割1 刀很細的參數，組號“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整刀號實現的，刀號“2”、刀號“3”、刀號“4”、刀號“5”、刀號“6”、刀號“7”全部可以用來修刀，加工時可以自由組合。其表面光潔度與速度依次為從粗到細，（刀號“2”最粗最快，刀號“7”最細最慢）。割1修2 常用修刀順序為：刀號“0”、“3”、“6”、“1”，刀號“1”用來割臺階，相對較細。

3 不同加工方式所得的沖擊功試驗值

根據線切割數控車床的性能和所切割試樣的厚度，采用組號+刀號分別為：“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，磨床磨到標準值）、線切割+銑床（線切割切到12×12×55mm，銑床銑到標準值）等三種不同的加工方式，對編號為170319-19-20的刀圈和編號F13-19-63 刀圈進行加工，并測量其沖擊功的值，詳見表1和表2。

4 結語

高速絲線切割機采取線電極高速往復供絲的方式,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,但電火花線切割機工作時影響其加工工件表面質量的因素很多,需要對有關加工工藝參數進行合理選配,才能保證加工件的表面質量。一般而言，表面粗糙度Ra 為1.25～0.63 μm時,切割速度為20 mm2/min。表面粗糙度Ra 為2.5～1.25 μm時,切割速度為40 mm2/min。可見,分析電火花線切割表面粗糙度，對充分發揮高速走絲線切割機的潛力,提高工件質量和經濟效益具有重要意義。

表1 編號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170319-19-20 刀圈沖擊試樣表面粗糙度

根據表1、表2、表3可以得出以下結論：（1）采用不同組號+刀號進行沖擊試樣加工，對沖擊功結果影響較大，以刀圈170319-19-20 為例，71刀最大可得到沖擊功為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（用71 刀加工的試樣），線切割+磨床磨到標準值和線切割+銑床銑到標準值結果相差不大，但因為線切割+磨床表面粗糙度更好一些，今后進行沖擊試驗時，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面到標準值10×10×55 mm，然后進行沖擊試驗，可以得到比較理想的試驗結果。