基于電火花線切割加工工藝指標對加工質量的影響分析

劉璐 王娟

摘要：線切割機床能實現精密度高的零件加工，但斷絲的影響一直難以讓這一優勢發揮，本文以加工粗糙度和精度來衡量加工質量，針對線切割電極絲的選擇、工作液、進給速度以及系列電參數指標的調試，通過示波器觀察加工中的脈沖波形。通過波形圖得到工件蝕除的程度與線速度與進給速度的匹配有關系，當它們達到最佳配置時，工件的表面紋路細膩、均勻，像面鏡子一樣光亮。研究成果對今后的線切割加工影響因素有一定的參考價值。

Abstract： The wire-cutting machine can process the parts with high precision， but the influence of broken wire has been difficult to make use of this advantage， the pulse waveform in machining is observed by an oscilloscope. The relationship between the degree of erosion and the match of linear velocity and feed velocity is obtained by the waveform graph. When they reach the best match， the surface of the workpiece is fine， even and as bright as a mirror. The research results have certain reference value to the influence factors of WEDM in the future.

關鍵詞：線切割;電極絲;進給速度;粗糙度;穩定性

Key words： wire cutting;wire electrode;feed speed;roughness;stability

中圖分類號：TG661? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）24-0094-03

0? 引言

隨著現代先進制造加工技術的進步，數控加工得到了突飛猛進的發展。數控線切割特種加工就是最常用的方法之一。CTW320TA型電火花線切割機床在我院校的生產實踐課上得到不斷應用，而設備常見問題就是斷絲。斷絲問題一直難以讓線切割機床發揮其優勢，由于電極絲在線切割機中是作為加工電極，在電化學蝕除金屬的過程中，電極絲時常出現非正常斷絲狀況。生產企業在加工過程中如出現多次斷絲，不僅會造成工作人員重新繞電極絲的困擾，還要浪費時間。加工出的工件問題嚴重的會報廢，輕則在工件上產生斷絲痕跡。既影響工作效率，且易影響加工質量[1]。本文重點研究電極絲的選取，以及在加工中進給速度、蝕除速度、系列電參數對電火花線切割加工質量和加工穩定性的影響。

1? 線切割鉬絲的質量特性分析

目前，鉬絲、黃銅絲、鎢絲、銅鎢絲、鎢鉬合金絲等是電極絲較為常使用的材料。由于鉬絲具有超高抗拉強度、它的延伸率小、卷曲率大，同時可加大高頻功率等特點，所以電火花線切割電極絲使用最多的是鉬絲。在數控加工中， 常規采用0.04-0.22mm直徑的鉬絲，具體電極絲的直徑我們要根據加工要求和工藝條件來選取。電極絲的粗細各有優缺點，簡單地說，直徑粗的，它的抗拉力強度就大一點，在切割金屬時切縫就寬，有較大的空間排泄電蝕物，加工過程相對穩定。細的電極絲抗拉力就小一點，但可以擁有較小半徑的內尖角，加工精度相對的就高一點[2]。在實驗過程中，如果加工工件厚度、切縫寬窄、和拐角尺寸大小等允許的情況下，我們就要盡量選取直徑大一些的電極絲。表1為鉬絲最小拉斷力和直徑大小實驗數據表。

根據日常教學收集到的實際電極絲加工數據分析，如果電極絲張力能夠穩定在一個合理的范圍內，近似于恒態的狀態時，是保證加工質量問題的關鍵所在。實驗室用到的CTW320TA型數控電火花線切割機床采用的是彈簧式張力機構。由彈簧的伸縮變形來確定兩個導輪的拉力，電極絲自身的屈服強度的大小來微調電極絲長度的變化，維持張力在一個合理的范圍。實際機床加工很容易導致電極絲過渡伸張和抖動，但由于彈簧式張力機構控制能力比較小，就會出現短路，最后導致電極絲斷絲，嚴重的影響工件的加工質量。

2? 切削液的使用

電火花切削液是機床加工中重要環節之一， CTW320TA型電火花線切割機床采用的集中供液系統。主要包括配液、供液、回收、凈化。集中供液優勢是能提供不同要求的加工，質量穩定、由于循環凈化利用率高、減小污水排放，降低生產成本，占地面積小，改善車間環境質量，營造良好的工作環境。在機床加工中有冷卻、排屑、沖洗、潤滑、滅弧、防短路等作用，具體如下：

一是加工部位的冷卻、沖洗作用，在電火花線切割加工過程中，需要穩定且大量的提供有絕緣強度的工作介質。以冷卻電極絲不被燒壞，防止加工件熱膨脹對工件質量的影響。同時沖洗電極放電產物，確保電火花持續放電。

二是切削液的分解產物對兩電極端會產生鍍覆的作用。一般切削液會添加含有氯、硫、磷等元素的化合物，這些物質會分解產生出硫化鐵、綠化鐵、磷化鐵這樣的低剪切強度的物質，它們會覆著在電極端，降低了電極絲的損耗，延長了電極絲的使用壽命;同時隨著電極絲的運動，切削液滲入到窄縫中，附著在加工工件切割面，提高光潔度。

三是加工介質的作用，線切割工作液的絕緣性能可使擊穿后的放電通道壓縮，局限在較小的通道半徑內進行火花放電，形成瞬間局部高溫熔化、氣化金屬。放電加工過程中，放電結束后又迅速恢復放電間隙稱為絕緣狀態。

目前市場上切削液的品種很多，隨著工作液的進化趨勢，由原來的純油性到目前的水基性。經過對切削工作液深入了解和生產實踐教學過程中發現，工作液的合理選取、配比和正確使用能提高電極絲的使用壽命。長期實踐試驗證明，選用切削液首先考慮液體的熱導率和比熱容，其次切削液的熱交換系數和流動條件也非常重要。我們發現水的導熱率比較大，比熱容也較高，熱交換系數高，流動性好，唯一缺點就是水能使加工件和機床生銹，所以在選用洗滌性良好的水溶性線切割液要配比一定的乳化液（乳化液配比10%左右，水90%左右）。它更有助于壓縮放電通道，達到能量快速的傳遞和轉化，放電后又能及時回到絕緣狀態。需要注意的是工作液并不是新配制的加工效果就好，而是經過加工一段時間后效果最佳，但隨著工作時間增加，工作液的濃度增大，粘度增加，7-10天左右的時間加工性能降低（室內溫度的變化），介電常數下降，工件加工速度降低，電極絲的斷絲現象就會出現，這時說明切削液已經變質，操作人員需要把切削液排泄，灌注新的液體進入。

3? 工藝參數對加工質量的影響

3.1 試驗儀器及加工原理

本次實驗在內蒙古機電職業技術學院數控基地進行，儀器包括：CTW320TA型電火花線切割機床、示波器、萬用表、電流表、試驗材料選擇SKH-9鋼，厚度60mm、電極絲為直徑0.18mm 的鉬絲，工作液選用水溶性工作液。（圖1）

3.2 進給速度對加工穩定性的影響

在線切割加工時，有兩個速度。一個就是工件不斷地被電火花蝕除的速度，我們把它叫做蝕除速度。另一個是為了讓電火花放電進行切削的速度，我們稱它為電極絲的進給速度。蝕除速度的快慢與加工金屬質量、技術參數和數控機床性能等有關。但是當確定對某個工件進行加工時，這時候蝕除速度也就可以看作一個常量了。線切割機床工作中，要使線切割加工能持續進行，就要使放電間隙維持在一個正常范圍內，從而進給速度基本要大致等于蝕除速度。

本次實驗儀器CTW320TA型電火花線切割機床，它的進給速度是一個人工可調節參數。其它指標不變，縮短脈沖間隔時間，提高脈沖頻率，增加放電次數，進給速度加快。但當減小到某一程度時，來不及清理電極產物，形成短路。相反的，加大兩個脈沖之間的時間，進給速度減慢，但有利于工件排屑。我們在機床操作界面左下角的控制界面取樣窗觀察波形，以此作為進給速度調節的依據。依據取樣結果，整理出如下最有代表性的4組波形圖（見圖2）。

首先，從圖2（a）、圖2（b）、圖2（c）、圖2（d）四組波形中不難看出，圖2（a）組是加工中的理想狀態，確切的說是進給速度和蝕除速度基本相等的情況下得到的一組波形。

圖2（b）組的波形告訴我們進給速度<蝕除速度，需要把進給速度調大，否則工件與電極絲之間的距離逐漸增大，工件蝕除暫停，嚴重影響到加工速度[4]。

圖2（c）組的波形說明當前加工進給速度>蝕除速度，需要把進給速度往下調，否則產生短路。由于電極絲放電間隙逐漸減小，當出現短路時，電極絲馬上會快速回退。當回退到一定的距離時，電極絲又以>蝕除速度的速度向前進給，又開始產生短路、回退。這樣頻繁的短路現象，一方面造成加工的不穩定，另一方面造成斷絲[5-6]。

圖2（d）組的波形說明加工過程進給速度時快時慢不穩定，需要我們從以下兩個因素分析：

①外界干擾：例如機床電壓是否穩定、放置是否平穩、地線連接是否牢固等。

②技術參數（電參數、非電參數），如工作液、脈沖峰值電流、脈沖間隔等。

3.3 進給速度對加工質量的影響

我們在做實驗時，通過示波器觀察到的加工脈沖波形，取樣、整理如圖3所示3組波形。

從示波器脈沖波形也不難看出，進給速度調得合適，切割速度快，加工平穩，可得到很好的表面粗糙度和加工精度。如圖3（e）組加工波形圖最濃，這個狀態下加工出的工件表面光亮、紋路均勻細膩，精度高。

進給速度太快，容易產生短路和斷絲，是斷絲罪魁禍首的原因之一。如圖3（g）組進給速度偏大，后果導致電極絲進給速度不平穩，切割速度下跌，最終加工出的工件端面有過燒現象，表面發焦呈褐色。

進給速度太慢，會產生二次放電，使脈沖利用率過低，如圖3（f）組是進給速度偏小，后果導致工件蝕除暫停，加工不能連續作業，加工工件表面呈淺褐色或為白黑相間的條紋[7-8]。

3.4 電參數對加工質量的影響

圖1所示在機床工作時，電極絲接脈沖電源的負極，工件接脈沖電源的正極。當電源每發出一個電脈沖時，在工件和電極絲之間就產生一個電火花放電。通常我們用表面粗糙度來衡量加工質量。表面粗糙度是指加工件表面微觀的凸凹不平度的幾何形狀誤差。考慮到本試驗切割的60mm的45號鋼板，故選用了矩形波脈沖電源。在保證加工質量粗糙度1.6-3.2μm的工況下，脈沖寬度是首選定值，合理調試其它工藝指標參數，如放電間隙、切割速度、加工精度、表面粗糙度、加工表面層變化、加工電流等，每個選定的脈沖寬度至少有10-20組有效試驗數據。以下是從脈沖寬度4-30μs選取4、10、20、30四個定值。再從每個定值數據組提取一組代表數據如表2所示。

通過試驗數據對比可知，當加工模具厚度在10-60mm時，表面粗糙度Ra在1.6-3.2之間，隨著電參數的增大，表面粗糙度Ra在減小，但是，脈沖寬度增加達到一定數值時，使放電產物得不到及時排除，這時加工就會不平穩、抖動，工件表面層粗糙度變大。對于不同厚度和材料的工件，應合理選擇適宜的脈寬。為了保證粗糙度，當工件越厚80mm時，就應增大它的脈寬，一般以不短路和機床進給均勻為宜。

4? 結果分析

通過上述實驗，我們可以得出五個結論：

①要保證電火花線切割機床穩定加工作業，務必使工件蝕除速度與電極絲進給速度盡可能無差距，電火花放電間隙才能維持在一個正常的范圍內，保持加工平穩，工件才能達到表面粗糙度好、精度高的加工效果[9-11]。

②進給速度的調節能保證加工速度的提高，但在線切割的加工中并不具有提高加工速度的能力。

③在線切割加工中，各參數之間相互聯系和制約，只有參數指標合理搭配，電火花可達到最佳放電效果[12]。

④工件的表面粗糙度和切割速度是兩個重要的工藝參數，所以在調試其它電參數數據時，在滿足工件的表面粗糙度前提下，盡量提高切割速度。

⑤一般走絲速度根據工件厚度和切割速度來確定，同時隨著加工工件的厚度減小而升高，走絲速度以單位時間內的脈沖數來表示[13]。

參考文獻：

[1]王笑香，曾照陽，陳永軍，等.線切割機床的電極絲選擇和應用條件探討[J].機械與電子，2013（9）：119.

[2]李世偉，黃立峰，孟慶樂.電火花線切割鉬絲質量特性研究[J].電加工與模具，2013（4）：63-64.

[3]吳長有，趙秋霞.工作液對線切割加工的影響及應用[J].職業技術，2006（9）：62.

[4]《互聯網文檔資源（http：//wenku.baidu.c）》，2017，第五章 電火花線切割加工工藝規律5.

[5]傅貴興，門延會.快走絲線切割脈寬與間隙對加工質量影響分析[J].制造技術與機床，2013（9）：93-95.

[6]Carbide end mill for aluminum.Tooling，&Productiong.Vol，No10，1990（1）：40-43.

[7]盧浩文，梁旭浩，蔡俊杰，等.線切割機防斷絲裝置[J].機械工程師，2016（3）：92-93.

[8]王飛.線切割機床慢走絲切割速度研究[D].機械管理開發，2014（3）：36-37.

[9]張美蘭.淺談線切割機床斷絲的原因及解決方法[D].江西化工，2014（2）：126-127.

[10]Kruusing A， Leppavuori S，Uusimaki? And etal.? Micromachining? of? magnetic materials[J]. Sensors& Actuators And Physical， 1999， 74（1-3）：45-51.

[11]王賢勇，吳漢卿.高速走絲電火花線切割機床發展現狀及趨勢[J].模具制造，2016（10）：80-81.

[12]鮮潔宇，李令全，李曉林，等.往復走絲線切割機床電極絲張力對加工質量的影響分析[J].高校實驗室工作研究，2019（3）：107-111.

[13]Rhoney B K， Shih A J， Scattergood R O， et al. Wire electrical discharge machining of metal bond? diamond wheels for ceramic grinding[J]. International Journal of Machine Tools&Manufacture， 2002，42（12）：1355-1362.