人为因素对快走丝线切割加工质量的影响分析与对策

2010年 9月 第 38卷 第 18期 机床与液压 MACH INE TOOL& HYDRAUL ICS Sep�2010 Vo l�38 No�18 DO I: 10. 3969 / j� issn�1001- 3881�2010�18�031 收稿日期: 2009- 09- 22 作者简介: 魏引焕 ( 1964� ), 男, 教授, 主要从事机械学教学及科研工作。电话: 13060350636, E - m ai:l W eiyh@ sust�edu�cn。 人为因素对快走丝线切割加工质量的影响分析与对策 魏引焕, 张小燕 (陕西科技大学机电工程学院, 陕西西安 710021) 摘要: 从科学合理确定加工和加工方法、提高机床机械性能和对机床定期科学保养等方面, 详细分析快走丝线切 割加工中人为因素对加工质量的影响, 并给出科学合理的解决对策和具体的加工方法, 对进一步完善切割加工工艺、提高 加工表面质量具有一定的现实意义。 关键词: 线切割加工; 人为因素; 加工质量 中图分类号: TG484� � 文献标识码: B� � 文章编号: 1001- 3881 ( 2010) 18- 088- 3 � � 快走丝线切割加工已成为我国目前模具零件加 工、航空仪表零件加工等行业的重要加工技术, 研究 和探讨它的断丝问、加工不稳定因素的文章和报告 层出不穷。作者在此仅对影响快走丝线切割加工质量 的一些人为因素进行详细地分析, 并结合实践加工经 验和加工中的实例提出来与同仁共同探讨, 相信对从 事线切割加工的工程技术人员具有一定的借鉴作用。 1� 问题的提出 线切割加工中人为因素对加工质量的影响较大, 为了很好地控制与有效地调节, 主要应从这几方面考 虑: ( 1 ) 加工工艺与加工方法的确定; ( 2 ) 机床性 能的提高与保养以及改善措施; ( 3) 科学合理地规 范操作。 1�1� 科学合理地确定加工工艺与加工方法 图 1� 在坯件内部 预制穿丝孔 电火花线切割加工经常会碰 到各类复杂的、装夹困难且易变 形的模具类零件的加工, 尤其是 对一些批量大且精度要求较高的 工件, 为了确保加工的稳定性、 加工件表面的完整性, 往往在整 个切割过程中操作技术人员要随 机跟踪检测其加工间隙值大小的 变化情况。例如, 在一厚为 100 mm钢板上切割一块长 20 mm, 宽 15 mm的长方块, 如图 1所示。 其中 3B加工程序为: 1� � B3000 B0 B3000 GXL1 2� � B20000 B0 B20000 GX L1 3� � B0 B15000 B15000 GY L2 4� � B20000 B0 B20000 GXL3 5� � B0 B15000 B15000 GYL4 加工这块钢板有两种加工。 方案一。见图 1所示。首先在钢板适当位置上钻 一个 3~ 5 mm的穿丝工艺孔 (点 P ) , 在开始加工之 前, 操作技术人员首先应检查电极丝的直径是否和编 程规定的电极丝直径相同, 然后将丝穿好, 再设置加 工路线, 即将点 P设为切割起始点, 且 PA为切割引 导线, 加工走向为: P �A �B �C �D �A �P。当然, 在进行 切割加工自动对中心之前一定要将其工艺孔壁上的油 污、毛刺及不导电物处理干净, 否则对中心时机床不 能自动换向, 造成工件将丝顶弯后拉断。当然实际加 工中, 在穿丝工艺孔自动对中心后最好再检测一下, 因为机床长时间运转后加工性能有所下降, 很有可能 出现误差即不准确状态。由于此方案在加工件程序中 编入了一句 引入程序 1!, 使得加工一开始就平稳、 匀速地接近工件, 在加工参数合理状态下稳定地进行 火花放电不容易断丝, 从而保证了加工件表面的完整 性。如果不打穿丝孔, 由于加工的此类零件类似凸形 工件, 在切割时距边缘处应力较大, 当坯料被切开 时, 因内应力平衡被破坏很容易产生较大变形, 破坏 了稳定的放电间隙, 并且很容易引起断丝。当然, 若 工件加工精度要求不高, 则可直接用目测来确定电极 丝和工件的相互位置, 或采用火花法, 利用电极丝与 工件在一定间隙下发生放电的火花来确定电极丝的坐 标位置。 方案二, 在坯件内部未预制穿丝孔。如果采取方 案二, 其弊端主要表现在见图 2所示: ( 1) 开机后钼丝走向为 P�A�B �C�D�A�P, 如果加 工程序中没有增加 引入程序 !, 切割开始后操作者 用手摇动手轮让钼丝从点 P走到点 A 后再从点 A 开 始进行自动正式切割, 由于手摇动手轮存在着进给速 度的不均匀性, 当用力不当时很容易将钼丝碰断, 加 图 2� 在坯件内部未预制穿丝孔 上视觉疲劳误差, 从而人为造成断丝。 ( 2 ) 在工件的 整个切割中, 从图 2的两个图形中看 出, 分别存在着边 DA和边 BA 放电间 隙误差比其他三边 的放电间隙误差大。 因为加工快结束时 切割下的废料靠自重下垂必然使边 DA和边 BA加工 间隙增大, 直接影响加工精度和放电的稳定性。 ( 3) 加工开始钼丝刚接触工件时, 钼丝在工件 之外, 上下导轮丝开距又大, 由于丝没有阻力将发生 抖动, 使丝和工件之间的放电间隙处于不稳定状态, 很容易引发断丝。所以, 加工此类精度要求比较高的 工件时, 如程序中没有增加 引入程序 ! 时, 最好 采用电阻法, 即利用电极丝与工件由绝缘到短路瞬间 电阻突变来确定电极丝相对工件的坐标位置, 这样则 能确保开始加工时加工精度就能得到保证。综合分析 比较图 1和图 2选取图 1加工路线和方法可获得良好 的加工效果。 另外, 在遇到有些加工件对单边放电间隙值 �(mm )有要求时, 在正式切割开始时, 操作技术人 员还必须对钼丝直径作进一步校准测量, 因为钼丝工 作了一段时间后磨损较大, 实际直径必然小于原来理 论值, 例如 �18 mm的丝径一般在工作 30~ 50 h后其 磨损量在 0�005~ 0�01 mm之间。所以在测量计算加 工件单边放电间隙 �(mm )值时, 一定要用所测得的 切逢宽度减去实际测得的丝径, 即: �= (切缝宽度 -实测钼丝直径 ) / 2 (mm ) , 从而避免 �( mm )值出现 负值, 当然切缝宽度的测量方法要得当、准确。在整 个切割过程中不稳定因素造成的放电间隙值的变化是 不可预测的, 它随一些突发的环境条件的变化而改 变, 或者由于所加工的材质在加工前没有处理好, 某 一段在锻打或熔炼中夹有杂质造成不导电, 这些因素 均会影响放电间隙的稳定性, 造成短路。所以操作者 在切割过程中要随时观察所选定的变频跟踪的合理性 (当然加工时应优先选机床所提供的数据, 再跟据具 体加工件的材料、厚度来选定 ) 和指针摆动情况, 要改变过去那种加工过程中不再调试变频跟踪的传统 做法。 1�2� 机床性能的改善与措施 1�2�1� 延长钼丝使用寿命的途径 钼丝质量的好坏与寿命长短对加工件表面质量均 有直接的影响, 当机床长时间未开动, 在温差作用下 会加聚钼丝的热胀冷缩, 加上丝本身的张力作用很容 易发生绷丝故障, 其绷断的小丝头夹杂在整个丝筒中 不易被发现, 当机床启动后则出现丝乱缠绕的现象, 不仅给操作者带来了不必要的重新绕丝、重新调节丝 张力的麻烦, 增加了非加工时间, 更重要的是给加工 表面带来了难以修复的划伤痕迹, 影响了加工表面的 完整性。所以当机床将要停开一段时间时, 操作者首 先要把贮丝筒摇至末端并松掉钼丝, 待下次开机时再 将其拧紧。 另外, 对于新购置钼丝的保管和使用也应引起重 视, 严禁将其放置潮湿或暴晒的地面上。由于新钼丝 表面有一层黑色氧化物, 当切割速度较快时, 工件表 面呈现出粗黑条线状, 在电流能量较大的情况下很容 易引起断丝。所以新钼丝开始切割时应先将机床空运 转 5~ 10 m in, 使其原有的内部应力得到释放后, 再 选择较小的加工电流, 待电极丝基本发白后再恢复正 常电参数, 并且加工中一定要注意使工作液包住钼丝 以保证一个良好的冷却状态。当然所选用的钼丝必须 是在有效期内 (出厂后一年内 ) , 若使用过期的电极 丝因表面氧化必将造成加工性能的降低。 1�2�2� 提高工件切割厚度发生改变后的加工稳定性 一般 DK系列快走丝切割机床例如 K7740A类机 床它的线架上下导丝轮开距规格为 90~ 560 mm, 工 作台行程在 400~ 500 mm, 丝架属于可调型, 平常加 工时一般调至 180 mm左右效果较佳。但是在具体加 工中, 有的操作者怕调节丝架带来麻烦, 往往不顾或 忽视加工件厚薄变化而统统采用同一大小的导丝轮开 距值, 这样不仅使加工效率低, 更主要的是带来了加 工的不稳定性, 人为引发不必要的抖丝、断丝, 降低 加工质量。在长期的实践加工中, 作者注意到, 当加 工件厚度 < 5 mm时, 影响加工质量的外在人为因素 主要表现在以下几个方面: ( 1 ) 由于工件较薄不易 夹紧、压实, 给装夹带来一定程度的困难, 加上工件 受冲液流量压力影响而发生位移, 使其加工稳定性降 低, 从而影响到加工质量。对于这种细小、精密的薄 壁工件加工, 应先将其固定在不易变形的辅助夹具 上, 再安装固定到机床上, 以保证加工能够顺利进 行。 ( 2) 由于电极丝失去了加工厚工件时产生的冷 却液的阻力作用, 当在较强火花放电作用下会使丝产 生较大的抖动而诱发断丝。对于这类制件的加工首先 要考虑的是在上下导轮之间采用 辅料加厚 ! 方法, 即在加工件底面增加垫块或板料 (垫块或板料厚 度 +工件厚度∀100~ 130 mm即可 ) , 使其增大加工 件的厚度, 同时降低脉宽值, 减小加工电流值, 乳化 液要比平时浓些, 加工过程一气呵成, 中途不得中止 加工。另外一种方法, 则是将线架上下导丝轮开距调 至比通常切割工件时的丝轮开距值小些, (即将上丝 架下移 150~ 300 mm ), 当然, 上下导丝轮开距也不 #89#第 18期 魏引焕 等: 人为因素对快走丝线切割加工质量的影响分析与对策 � � � 能过小, 否则又将增大丝筒换向次数, 人为诱发丝 筒两端不必要的断丝, 降低加工效率。 当加工件切割厚度 > 100 mm时, 加工中往往容 易在初始段发生断丝, 这主要是因为钼丝在工件之 外, 丝刚接触工件时丝和工件之间的间隙处于不稳定 状态。对于此类大厚度工件的加工, 工作液应比平时 淡些 (大约取在 5% ~ 8% ), 加工过程稳定性较好, 不易断丝。否则, 使用质量分数较大的乳化液其绝缘 电阻率将降低, 灭弧性能差, 使放电间隙中始终包含 了电弧放电造成钼丝烧伤。另外, 将切割工件与上下 喷水口距离调至 5~ 10 mm处, 使冷却液较好地包裹 住钼丝。总之, 要根据每次加工件厚度变化及时调节 丝架高度, 避免因离喷嘴较远而使线电极振幅过大影 响加工件表面质量。 1�2�3� 行程开关的维护保养和及时调整 快走丝线切割加工机床换向行程开关正常、稳定 的工作是保证稳定加工、减小非加工时间的重要保 证。通常在每隔一个班 ( 8 h) 后操作者应对钼丝直 径作一检测, 观察其丝径磨损程度, 一般丝径磨损量 在 0�01~ 0�05 mm时则要考虑更换钼丝, 如果丝磨 损量不到磨损极限值, 但考虑到钼丝在丝筒两端要频 繁换向, 两端钼丝会反复受到拉力冲击作用而使疲劳 损伤增大, 为延长钼丝寿命, 降低断丝几率, 应将换 向行程开关向里移动一段距离 (根据加工情况自行 掌握移动距离 )。钼丝通常换向杆间距为 80~ 1 000 mm, 将其换向距离调短目的是在加工较大、较厚的 工件时充分利用丝有效工作长度, 避免磨损严重的丝 在切割工件后影响工件表面质量, 诱发不必要的断 丝, 从而增加了非加工时间。换向行程调短, 虽然增 大了丝的磨损速度, 但提高了丝的有效利用率, 尤其 在大电流、高效率加工的制件中尤显重要。因为钼丝 长时间切割磨损量不断增大, 损耗较快, 将严重影响 到工件的加工精度。所以为了保证高速有效地切割加 工, 保证加工质量, 操作者必须高度重视。 另外, 行程开关的维护保养也十分重要。平时要 定期检查行程开关螺丝是否松动、断电保护是否起作 用, 以确保加工中行程保护不至失控。丝筒应尽可能 减小转动惯量, 筒壁应尽量薄而均匀, 装配后丝筒径 向跳动应小于 0�01 mm且应进行动态平衡检验, 确 保机床精度, 提高切割质量。 1�2�4� 易损件的定期检查与合理调节 一般高速走丝线切割机床在加工 50~ 80 h后操 作者不仅需要对导电块的位置进行调整或清洗, 必要 时进行更换, 同时还要进行导轮槽定位面清洁度检查 以及轴和储丝筒轴承的完好程度检查, 如发现机床声 音加大、导轮跳动加大, 则应及时更换轴承。轴承外 套的绝缘强度也应充分重视, 防止因电蚀产物等污染 而导致绝缘损坏。进电块的表面不得有氧化皮等异 物, 当进电块表面出现较深沟槽时, 应更换其与电极 丝的接触部位, 以防夹丝和断丝。同时还要随时观察 工作区域内工作液的供应是否充分以及喷嘴是否磨出 沟槽等。对线切割机床易损件作定期维护和保养, 这 样才能确保放电加工稳定进行。但是不能忘记对易损 件调节完后还必须对电极丝重新作垂直调整, 这是操 作者经常忽视的一个重要环节。 1�2�5� 工作台平稳性调节 因为机床的拖板是承载在导轨上的, 所以导轨的 平直度就决定了运动的直线度。平时每班结束后要随 时清理导轨和滚道上污垢、杂质, 降低导轨损坏、划 伤及变形概率; 切割前用手摇动手轮观查工作台 X、 Y方向运动有无阻碍, 不能超重或超行程工作, 否 则, 一旦坐标运动受阻滞, 将造成推力积累 (爬 行 ) , 放电间隙不稳定, 跟踪时滞时准, 使加工过程 中工作台不能平稳、准确、轻快运动。 1�3� 定期维护和保养机床, 科学规范执行操作规程 线切割机床是技术密集型产品, 属于精密加工设 备。为安全、合理、有效地使用机床, 操作人员必须 具备高度的责任心和良好的素质。对于初次上岗者必 须经过岗前技能培训后方能上岗。必须对机床的性 能、结构有较充分的了解, 掌握操作规程并遵守安全 生产制度。应在机床允许的范围内进行加工, 不要超 重或超行程工作。应经常检查机床的行程开关和换向 装置是否安全可靠, 绝不允许带故障工作。平时要按 规定在润滑部位定时注入润滑油或润滑脂, 以保证机 构运转灵活, 特别是导向机构。每班加工前必须检查 工作液箱中的液量是否足够, 水管和喷嘴是否畅通, 不应有堵塞现象。班后需将工作区域清理干净, 将夹 具和附件等物品擦干净。尤其要定期重点检查进电块 表面有无氧化皮等异物, 当进电块表面出现较深沟槽 时, 应更换其与电极丝的接触部位, 防止夹丝和导致 断丝。 另外, 对于加工中出现的一些特殊情况, 操作者 要镇定处理, 不要慌了阵角。例如, 在遇到断丝的情 况, 首先立即关闭电源的变频, 再关闭工作液泵和走 丝电机, 把变频粗调置于 手动 ! 一边, 打开变频 开关, 让机床工作台继续按原程序走完, 最后回到起 点位置重新穿丝加工。若加工的制件较薄, 可就地穿 丝, 继续加工。若是加工快要结束时发生断丝, 应考 虑从末尾进行切割, 但必须重新编一部分程序。当加 工到二次切割相交处发生断丝时, 则应及时关闭脉冲 电源和机床, 以免损坏已加工的表面。如果所断下的 丝不能再用, 则需更换新丝, 同时测量断丝的直径, 若新丝直径与断丝直径相差较大, 则应重新编制加工 (下转第 80页 ) #90# 机床与液压 第 38卷 控制器上发展的可编程逻辑控制器称为机床逻辑控制 ( PMC)。 PMC系统以软件体方式取代硬件配线, 其优点 除了可简化硬件逻辑线路外, 还可提供可变更的接口 讯号寻址, 并根据不同逻辑线路的需求, 以软件来规 划不同的阶梯图线路, 作为使用者控制 CNC及机械 接口讯号用。 现介绍在 FANUC系统中采用一个点动按钮来实 现自保护电路的两种典型用法。 原理说明: X为来自机床侧的输入信号 (MT�PMC); Y为由 PMC输出到机床侧的信号 ( PMC�MT ); R为内部继电器。 ( 1) 第一种典型用法 PLC梯形图如图 1所示。 PLC时序图如图 2所 示。 图 1� 用法一 PLC梯形图 � � 图 2� 用法一 PLC时序图 PLC程序说明: 当第一次按下按钮使 X0得电 时, 利用 X0的上升沿实现对输出 Y0的自锁。利用 第一次脉冲 X0的低电平信号锁定输出点 Y0的状态 输出到内部继电器 R0。第二次按下按钮时, 利用 X0 第一次脉冲低电平锁定时的状态以及 X0第二个脉冲 时的高电平可实现对输出 Y0的反转。 ( 2) 第二种典型用法 PLC梯形图如图 3所示。 PLC时序图如图 4所 示。 图 3� 用法二 PLC梯形图 � � 图 4� 用法二 PLC时序图 � � PLC程序说明: 一般 PLC采用循环扫描的工作方 式, 可以把它看成是一种由系统软件支持的扫描设 备, 不论用户程序运行与否, 其都会周而复始地进行 循环扫描, 并执行系统程序设定的任务。每一个扫描 循环所经历的时间称为一个扫描周期 T。 当第一个扫描周期按下按钮 X0时, 使内部继电 器 R0产生一个周期高电平信号, 使 Y0自锁, 持续 按下 X0, 则在第二个扫描周期无 R0输出, 在 Y0持 续保持第一个周期的状态并自锁时, 可利用 X0的上 升沿实现对输出点 Y0的自锁。第二次按下按钮时, 使内部继电器 R0产生一个周期的高电平信号, 解除 对 Y0的自锁状态, 实现对 Y0的反转。 以上两种典型用法, PLC程序编写较为简易, 经 实践检验稳定可靠, 而且可用于其他各品牌 PLC, 节 约 I /O点, 也可实现机床工作灯, 冷却泵, 主轴正、 反转, 排屑器等功能。 3� 结语 随着科技的不断进步, PLC的各种功能也在逐步 增强, 作者通过对典型示例的分析, 说明了如何利用 PLC程序实现自保护, 并可在生产实践中加以利用, 但在实际工作中还需要依据具体情况做出合理分析和 适当调整, 以便能出满足实际要求的控制程序。 参考文献: ∃1%陈远立. 电器控制与可编程控制器 [M ] .广州: 华南理工 大学出版社, 2004. 4. ∃2% FANUC数控编程与操作 [ M ], 2002. ∃3%廖常初. PLC编程及应用 [M ]. 北京: 机械工业出版社, 2008. 1. (上接第 90页 ) 程序, 改变放电间隙钼丝偏移量值。总之, 科学规范 地执行操作规程, 是确保加工稳定进行、提高加工质 量的重要保证。 2� 结束语 作者对快走丝线切割加工中一些人为因素对加 工质量的影响作了深入地分析和研究, 用一些具体 的加工实例阐述了人为因素对机床加工性能、钼丝 使用寿命以及机床重要零部件和易损件直接和间接 的影响 , 并提出了一些具体的加工方法和有效措 施。这些措施和方法在实践中已获得满意的加工效 果, 相信对从事线切割加工的同行们具有一定的借 鉴作用。 参考文献: ∃1%曹凤国. 电火花加工技术 [ M ] .北京: 化学工业出版社, 2004. 8. ∃2%罗学科,李跃中.数控电加工机床 [ M ] .北京: 化学工业 出版社, 2003. 9. ∃3%单岩,夏天. 数控电火花加工 [M ]. 北京: 机械工业出版 社, 2005. 1. ∃4%李英民. DK7763电火花线切割机的几点操作经验 [ J]. 电加工, 1999( 4): 45- 45. #80# 机床与液压 第 38卷