線切割加工速度的影響因素分析

高建，肖杰，蘇偉

自貢硬質(zhì)合金有限責(zé)任公司 四川自貢 643011

1 序言

在先進制造技術(shù)領(lǐng)域，電火花線切割加工技術(shù)發(fā)展迅速，它具有加工精度高、表面質(zhì)量好等特點，為某些特殊材料和特殊形狀工件的加工與制造提供了切實可行的方法。電火花線切割加工過程復(fù)雜，影響因素繁多，包括電加工參數(shù)、切削液濃度與流量、加工電極、加工材料、加工程序路徑、環(huán)境溫度和電極絲張緊力等。在實際生產(chǎn)中，既要考慮加工精度、加工表面質(zhì)量和電極絲的使用壽命，還要考慮加工效率。本文主要對電加工參數(shù)和加工程序路徑這兩種影響因素進行分析，通過工藝試驗，改善加工方式，在生產(chǎn)中取得了很好的效果。

2 線切割加工原理和技術(shù)特點

電火花線切割加工（Wi r e-c u t E l e c t r i c a l Discharge Machining，簡稱WEDM）屬于特種加工的一種，它不同于傳統(tǒng)加工技術(shù)，主要利用電能來實現(xiàn)對材料的加工。因此，線切割技術(shù)不受材料性能的限制，可以加工任何硬度、強度和脆性的導(dǎo)電材料，在現(xiàn)階段的機械加工中占有很重要的地位。線切割對于硬質(zhì)合金、淬火鋼等精密復(fù)雜金屬零件的加工有很強的優(yōu)勢。

線切割機床主要分為慢走絲機床、快走絲機床和中走絲機床，慢走絲機床精度達0.001mm級，表面粗糙度值Ra＜0.8μm，圓度和直線度誤差都比快走絲機床小。中走絲機床并非走絲速度介于高速與低速之間，而是復(fù)合走絲，即粗加工時采用高速（8～12m/s）走絲，精加工時采用低速（1～3m/s）走絲。中走絲機床同時兼具了快、慢走絲機床的優(yōu)點，加工相對穩(wěn)定。

2.1 線切割加工原理

線切割加工是利用一根連續(xù)的、沿其軸線移動的細金屬絲作為工具電極，基于電極絲和工件之間脈沖性放電的電腐蝕作用來蝕除多余金屬，達到工件的加工要求，切割成形。線切割機床結(jié)構(gòu)如圖1所示，工件安裝在工作臺上，電極絲穿過工件或與工件保持平行狀態(tài)，經(jīng)導(dǎo)向輪由儲絲筒帶動做往復(fù)交替移動。數(shù)控裝置按照預(yù)先設(shè)置的加工要求和加工路線發(fā)出指令，控制兩臺步進電動機帶動工作臺在X、Y兩個方向上移動，合成工件要加工的軌跡。

圖1 線切割機床結(jié)構(gòu)

加工時，工件接在脈沖電源的正極，電極絲接在負極，在電場的作用下，電子高速撞向正極，正離子高速撞向負極，形成一個被電離的導(dǎo)電通道，粒子間發(fā)生無數(shù)次碰撞，在放電通道內(nèi)形成瞬間局部高溫，熔化或氣化局部工件，由噴嘴以一定的壓力向加工區(qū)噴射具有絕緣性能的切削液，將蝕除的材料帶走。放電的微觀過程如圖2所示。

圖2 放電的微觀過程

2.2 線切割技術(shù)特點

線切割技術(shù)主要具有以下特點。

1）加工中不存在顯著的機械切削力，無論工件硬度和剛度如何，只要是導(dǎo)電或半導(dǎo)體材料都可以加工，但無法加工非金屬材料。

2）可以加工小孔和復(fù)雜形狀零件，但無法加工盲孔。

3）電極絲損耗小，加工精度高。

4）通過數(shù)控編程技術(shù)對工件進行加工，可對參數(shù)進行調(diào)整，易于實現(xiàn)自動加工。

5）加工時產(chǎn)生的切縫窄，金屬蝕除量少，有利于材料的再利用。

3 影響線切割加工速度的因素

線切割加工常以加工速度作為加工效率的評價指標(biāo)，可以表示為單位時間內(nèi)電極絲中心線在工件上經(jīng)過面積的總和。影響線切割加工速度的因素主要有：加工工藝參數(shù)、工件材質(zhì)、切削液濃度與流量、加工工藝路線和環(huán)境溫度等。圖3為各因素對工藝指標(biāo)的影響。

4 加工工藝參數(shù)對加工速度的影響分析

線切割加工工藝參數(shù)是影響切割速度和精度的主要因素。工藝參數(shù)包括脈沖寬度、脈沖間隔、峰值電流、電壓、變頻值（進給速率）、功放管的功率、絲速和絲張緊力等。

圖3 各因素對工藝指標(biāo)的影響

試驗采用DKB280型數(shù)控電火花線切割機床，加工范圍為280mm×360mm×400mm，綜合加工精度0.01mm，最大加工速度120mm2/min。電極絲采用φ0.18mm鉬絲，加工材料為ZK10UF-1牌號的硬質(zhì)合金，切削液濃度為10%。試驗機床的加工參數(shù)界面如圖4所示。

圖4 DKB280型數(shù)控電火花線切割機床加工參數(shù)界面

4.1 脈沖寬度對加工速度的影響

脈沖寬度是指在工件和電極絲之間施加電壓的時間，單位為μs。試驗中以脈沖寬度作為可變參數(shù)，其余參數(shù)保持不變，試驗數(shù)據(jù)和加工效果見表1。

圖5為脈沖寬度變化對加工速度的影響曲線。由于火花放電只發(fā)生在脈沖寬度內(nèi)，因此在一定范圍內(nèi)脈沖寬度越大，切割速度越高，但是超過一定范圍，切割速度反而隨著脈沖寬度的增加而減小。DKB280機床加工ZK10UF-1牌號硬質(zhì)合金，在脈沖寬度為20μs時，加工速度最快。

表1 脈沖寬度試驗數(shù)據(jù)

圖5 脈沖寬度與加工速度的關(guān)系

4.2 脈沖間隔對加工速度的影響

脈沖間隔是指兩個脈沖間無電流的時間，單位為μs，設(shè)定值為脈沖寬度的倍數(shù)。脈沖間隔越小，單位時間內(nèi)放電加工的次數(shù)越多，切割速度也越高。試驗中以脈沖間隔作為可變參數(shù)，其余參數(shù)保持不變，試驗數(shù)據(jù)和加工效果見表2。圖6為脈沖間隔變化對加工速度的影響曲線。

表2 脈沖間隔試驗數(shù)據(jù)

圖6 脈沖間隔與加工速度的關(guān)系

研究表明，脈沖間隔會影響切割速度和加工的穩(wěn)定性。隨著脈沖間隔的增大，切割速度降低。但是脈沖間隔太小，電蝕物不能及時排除，放電間隔無法恢復(fù)到所要求的絕緣程度，從而影響加工的穩(wěn)定性。DKB280機床加工ZK10UF-1牌號硬質(zhì)合金，在脈沖間隔為7μs時，加工效果最佳。

4.3 峰值電流對加工速度的影響

峰值電流是指火花放電時流過放電間隙的平均電流。單個脈沖放電能量計算公式為

式中，W為單個脈沖放電能量（J）；t為單個脈沖放電時間（μs）；U為電壓（V）；I為峰值電流（A）。

由此可見，在電壓一定的情況下，增加單個脈沖能量主要依靠加大脈沖峰值電流，而提高單個脈沖能量也就意味著提高加工速度。

試驗中改變電流的大小，得到如圖7所示的加工電流與加工速度的關(guān)系曲線。

由圖7可見，加工速度隨著加工電流的增加而提高。但試驗表明，與此同時，加工表面質(zhì)量在下降。當(dāng)電流超過4A時，鉬絲損耗嚴(yán)重，且易斷絲。根據(jù)之前的研究，當(dāng)加工電流達到2.8A時，工件表面會產(chǎn)生如圖8所示的微裂紋。

綜合加工效率和加工質(zhì)量考慮，加工電流應(yīng)控制在≤2A。

圖7 加工電流與加工速度的關(guān)系

圖8 電流2.8A時加工表面出現(xiàn)微裂紋（×1500）

4.4 變頻值對加工速度的影響

變頻值即線切割變頻跟蹤速度，它本身不具備提高加工速度的能力，其作用是保證加工的穩(wěn)定性。當(dāng)跟蹤速度（進給速率）過快，超過工件蝕除速度時，有可能出現(xiàn)短路，使切割速度降低，工件表面質(zhì)量變差；若跟蹤速度太慢，極間可能形成短路，影響切割速度。加工時，電流表指針穩(wěn)定，則說明變頻值合適，跟蹤速度和工件蝕除速度相當(dāng)。若電流表經(jīng)常向下擺，則說明欠跟蹤，需要減小變頻值，反之亦然。

雖然變頻值本身不具備提高加工速度的能力，但是可以充分利用其特性來提高加工效率。加工中都會存在零吃刀的空走階段，比如從坐標(biāo)零點到接觸工件開始加工，以及加工完畢回到坐標(biāo)原點，都是零吃刀的空走階段。可以將這兩段路徑的變頻值減小，提高進給速率，縮短空走刀時間，以達到提高加工效率的目的。以公司PD-16805-M產(chǎn)品為例，更改空走刀的變頻值，加工效率可提高10%左右。

5 加工工藝路線對加工速度的影響分析

試驗對象：寬度為1.6m m的直槽。代表產(chǎn)品有PC-14502-M、PC-03501-M、PC-97501-M、PD-02501-M和PD-00501-M等。舊程序的加工路徑如圖9所示，其中實線為一次切割參數(shù)走刀，虛線為二次切割參數(shù)走刀。

圖9 舊程序加工工藝路線

由圖9可知，舊程序存在可以優(yōu)化加工路徑的情況。試驗過程中先后設(shè)計了4種走刀路線，但是前3種都存在缺陷，方案1掉屑不穩(wěn)定，有時候不掉屑，在第二次切割時造成短路；方案2缺少一段二次切割，加工表面質(zhì)量不好；方案3加工的槽形差，槽邊不規(guī)則。經(jīng)過不斷改進，得到了第4種優(yōu)化路線方案，在保證加工質(zhì)量的同時提高了加工效率。各方案的切割路線詳情如圖10所示。

6 結(jié)束語

針對DKB280型號線切割機床加工ZK10UF-1牌號硬質(zhì)合金的試驗，可得出以下結(jié)論。

1）在一定范圍內(nèi)增大脈沖寬度可以提高加工速度。但是如果脈沖寬度過大，則加工速度反而降低。當(dāng)脈沖寬度為20μs時，加工效果最佳。

2）適當(dāng)減小脈沖間隔可以提高加工速度。但是如果脈沖間隔過小，則會導(dǎo)致電蝕物不能及時排除和造成短路，影響加工質(zhì)量。脈沖間隔為7μs最適宜。

圖10 程序優(yōu)化過程

3）加工電流和加工速度成正比例關(guān)系，但是電流過大會嚴(yán)重影響加工質(zhì)量。

4）在零吃刀階段，合理調(diào)節(jié)變頻值可以節(jié)省總加工時間，達到提高加工效率的目的。

5）合理地調(diào)整加工路線也可以提高加工速度。

專家點評

線切割不受材料性能的限制，在硬質(zhì)合金、淬火鋼等高硬度零件的精密加工中具有不可替代的優(yōu)勢。當(dāng)前線切割技術(shù)最大的缺點就是效率較低。文章針對影響線切割加工速度的主要因素（電加工參數(shù)和加工程序路徑）進行研究，通過工藝試驗和改善加工方式，在保證加工質(zhì)量的同時提高加工效率。

文章的實用性很好，目標(biāo)明確，結(jié)論準(zhǔn)確，善于抓住問題的關(guān)鍵進行深入研究，具有很好的說服力和實際應(yīng)用價值。