基于WEDM的金屬工藝品鳳凰的加工應用*

2021-03-22 02:19:44汪玉琪

機械研究與應用 2021年1期

汪玉琪

(陜西理工大學，陜西漢中 723001)

0 引言

金屬工藝品是以金屬材料，或以金屬材料為主輔以其他材料，加工制作而成的工藝品，以其特有的金屬質感、色澤和雄渾、華貴、典雅、精細等各種不同的藝術風格，深受人們的喜愛。傳統的金屬工藝品制作主要以手工和機械加工為主，不僅生產效率低，而且加工成本高[1]。

數控電火花線切割(WEDM)是在電火花穿孔、成形加工的基礎上于20世紀50年末代發展起來的一種新工藝。其加工過程是用一根移動著的金屬絲作為工具電極，在金屬絲與工件間通以脈沖電流，使之產生脈沖放電，利用電火花的瞬時高溫可以使局部的金屬熔化、氧化而被腐蝕掉,連續不斷的脈沖放電就切割出了所需形狀和尺寸的工件，故稱電火花線切割，簡稱為線切割[2-3]。

不同于傳統加工技術需要用機械力和機械能來切除材料，線切割主要利用電能來實現對材料的加工[4]。作為一種現代特種加工技術，線切割具有諸多優點：①可加工傳統機械不易加工的微細形狀；②自動化程度高、操作方便，加工周期短、功耗低；③工作平穩、均勻、抖動小、加工精度高、表面質量好；④切縫窄，蝕除量少，可對工件材料進行“套料”加工，材料利用率高；⑤電極和工件之間不直接接觸，幾乎沒有切削力，可加工高硬度材料[5]。

基于以上優點，相較于傳統方法，線切割更適合于金屬工藝品的加工制作。筆者針對金屬工藝品的線切割加工中容易出現的問題，以一個小型金屬工藝品——復雜二維圖案鳳凰的加工為實例，對整個流程的各個環節進行了仔細研究和詳細闡述，總結了一些需要注意的事項。

1 加工制作方法與流程

采用設備：線切割機床，設備型號為DK7735，電極絲材料為鉬絲，直徑為0.18 mm，冷卻液為乳化液。

使用軟件：CAXA線切割,以及WireCut。

材料：300 mm×200 mm×1 mm不銹鋼板。

1.1 圖像采集與處理

在線切割加工前，要獲得便于 CAD/CAM 系統處理，且符合加工要求的圖像。線切割加工圖像軌跡一般以一筆畫的形式出現，實現一次切割即可完成整個金屬工藝品的加工，這樣可以提高加工效率、避免二次穿絲。輪廓圖像的獲得通常有兩種方法，分別是：①采用拍照、掃描或者下載圖片等方式進行圖像采集，再對采集的圖像進行處理。在CAXA線切割軟件中導入BMP、GIF、JPG、PNG、PCX格式的圖像文件，通過描圖獲得工藝品的輪廓圖；②采用其他繪圖軟件(如CAD等)完成繪圖，最終保存為“EXB”格式文件，導入CAXA線切割軟件中。

對于不規則的曲線圖形，可以采用樣條曲線進行繪制，然后通過圖形上的各個控制點對所繪圖形進行局部編輯調整，以求獲得理想的圖案形狀。本例中的鳳凰為一個二維平面工藝品，其輪廓完全由自由曲線所構成。因此，可通過“CAXA 線切割”軟件本身自帶的位圖矢量化功能，導入圖像，采用描圖后再編輯處理的方法，完成如圖1所示鳳凰輪廓的繪制。

圖1 鳳凰輪廓

需要注意的是，最終獲得的圖形輪廓一定要封閉，不能有斷開點和交叉點，而且是單連通的，也不能有重復多余的線條，否則不符合線切割加工的條件，在后續生成軌跡時也會出錯。所以，圖形繪制完成后要局部放大看，認真檢查各個細節并予以修正，確保沒有上述問題存在。

加工時，往往將圖形的總體尺寸限定在某一范圍內(比如將單個工藝品大小限定在100 mm×100 mm以內)，以合理控制加工時間和所用材料尺寸。為此，可以在測量圖形尺寸后，按照一定比例，對所繪圖形縮放到規定的大小范圍，以滿足加工要求。

1.2 編制程序、生成軌跡

線切割編程分為手工編程和自動編程，編程格式有多種，目前使用最多的是3B格式。對于該工藝品鳳凰，其形狀輪廓較為復雜，適合采用CAM軟件自動編程，此處用線切割自動編程軟件CAXA完成編程。

首先，運用CAXA線切割軟件中的“軌跡生成”功能生成零件的加工軌跡：填寫加工參數表(包括切割參數和偏移量/補償量的設定)，拾取加工對象的輪廓，點擊綠色箭頭設定加工方向(順時針或逆時針)，選定電極絲中心偏移補償方向，分別選擇穿絲點和退出點(通常設定為與穿絲點重合)位置，回車則自動生成了鳳凰的加工軌跡[6-7]，如圖2所示。

圖2 鳳凰加工軌跡

穿絲點可以考慮從零件輪廓的左側、下方或上方切入，具體位置的選擇要結合加工時穿絲的便利和材料的合理利用而定。生成的軌跡不能跨過零件輪廓，否則加工時會破壞已有輪廓。穿絲點選在零件外某一點，既要留有一定余量，保證加工圖形的完整，又不宜使得切入線太長，以免造成材料浪費，增加切割時間。

1.3 軌跡仿真、生成代碼

正式加工前，可通過觀看仿真過程，檢查零件加工中有無過切或干涉情況。仿真時，選擇連續方式，設定適宜的步長(步長越大，則仿真速度越快)，一般采用默認值0.01，選擇加工軌跡，點擊“軌跡仿真”，即可對切割加工過程進行模擬，如圖3所示。

圖3 鳳凰加工軌跡仿真

模擬無誤后，調用“生成3B代碼”命令，系統根據圖紙尺寸及工件的實際情況計算坐標點并編制程序，自動生成3B格式加工代碼，命名并選擇保存位置，則得到了一個3B代碼的記事本文件。

1.4 設備調試

在操作前必須確認無外界干擾，一切正常后，采用適宜的裝夾方法(通常采用壓板、螺栓固定工件，在必要時輔助以墊塊、墊片等，確保板材水平)，把所要切割的板材背面的保護膜撕掉，并裝夾在切割平臺上(板材不能超過切割范圍)，保證不銹鋼板平穩，以免加工時板材振動。

不銹鋼板裝夾完成之后，打開設備電源開關和走絲開關，即可開始調整鉬絲的位置。為保證準確的工件形狀和尺寸精度，需要提前對鉬絲的垂直度進行校準。檢查鉬絲的張力情況無異常后，啟動高頻開關，通過X、Y軸方向的手輪調節鉬絲與金屬板之間的相對位置，將鉬絲移動到靠近加工起始點的位置，結合設備標尺和手輪刻度盤示數，以及游標卡尺測量等，留足各個加工方向周圍材料的余量，以免因材料與量不足造成最終加工圖形不完整。

1.5 正式加工

在WireCut軟件中打開1號卡，調入電腦中保存好的3B代碼，則界面中顯示出圖形的加工軌跡。選擇合理的切入位置，緩慢轉動手輪，使得鉬絲逐漸接近金屬板，此時速度不宜過快，以防不慎卡斷鉬絲。當鉬絲和金屬板之間有極小間隙，并能產生穩定的電火花時，松開手輪，按下冷卻液開關，給加工位置處提供乳化液，在WireCut軟件界面點擊“開始加工”，正式開始切割零件。

加工時，鉬絲由數控裝置按加工程序指令控制沿X、Y兩個坐標方向移動而合成所需的平面圓弧軌跡。鉬絲從穿絲點出發，逐漸切入金屬板，按照設定的方向和軌跡進行切割。加工時，在 WireCut軟件界面能夠直觀地看到X、Y兩個方向坐標不斷變化，并顯示加工已用時間和剩余時間，加工進度一目了然。與此同時，能夠看到加工限速、空走限速，加工完成所需的總步數和已走步數，綠色脈沖信號燈來回閃爍，設備上的電壓、電流表指針也會隨之擺動。零件切割結束后，鉬絲會退回到穿絲點位置。