改善线切割表面粗糙度

HotMold.com 收集整理 欢迎转载 改善WEDM－HS加工表面粗糙度值的工艺探讨 华东交通大学机械工程学院（江西南昌 200030） 熊光耀 上海交通大学塑性成形系 李明辉 【摘要】高速走丝电火花线切割加工（ＷＥＤＭ－ＨＳ）的表面粗糙度值已无法满足现代模具制造业的要 求，如何改善ＷＥＤＭ－ＨＳ的加工表面粗糙度值，提高模具加工的质量和使用寿命，是人们长期关心的 研究课。本文在分析研究影响ＷＥＤＭ－ＨＳ加工表面粗糙度的主要因素基础上，提出了改善ＷＥＤＭ －ＨＳ表面粗糙度的几种有效途径。 关键词 模具 电火花线切割 表面粗糙度值 试验研究 １ 引言 在现代化工业生产中，６０％～９０％的工业产品需要借助于模具进行加工，模具工业已成为工业发 展的基础。许多新产品的开发和生产在很大程度上都依赖于模具生产，特别是汽车、轻工、电子、航空等 行业尤为突出。模具制造业是机械制造业中技术、资金密集的行业，它集中了冷热加工和特种加工精华， 涉及到多学科的交叉，并把它们充分体现在实际生产过程中。模具技术水平的高低已成为一个国家制造水 平的重要标志之一。因此，提高模具制造水平，显得越来越重要。 模具是利用型腔（凹模）和型芯（凸模）来直接成形具有一定形状和尺寸要求的工装。其型腔和型芯 表面质量的好坏将直接决定模具成形质量和使用寿命。作为模具加工的一种主要设备之一，高速走丝电火 花线切割加工（ＷＥＤＭ－ＨＳ）的质量问题越来越受到同行们的重视。ＷＥＤＭ－ＨＳ机床以结构简单， 造价低廉等优点，在模具制造和零件加工中发挥重要的作用。但目前我国高速电火花线切割机床与低速走 丝电火花线切割机床相比，在精度、功能、加工精度和加工表面质量等方面都存在着较大差距。尤其是加 工表面粗糙度值一般都只能达到Ｒａ２．５μｍ，难以满足精密模具加工的需要。而低速走丝电火花线切 割机床加工的表面粗糙度则可达Ｒａｍａｘ０．５μｍ，加工尺寸精度误差也能控制在±０．０３ｍｍ， 但其造价较高。因此，提高ＷＥＤＭ－ＨＳ加工精度，改善其加工表面粗糙度是一个非常重要的研究课题。 ２ 影响加工表面粗糙度值的主要因素 ２．１ 高频电源 电火花线切割加工是基于脉冲放电时的电腐蚀原理，每次脉冲放电之后都会在加工表面形成一个放电 凹坑，而加工表面就是由无数个放电凹坑组成的。放电凹坑的深度与脉冲能量输给放电间隙的脉冲能量有 关，电火花线切割加工的表面粗糙度值 Ramax与脉冲参数的关系可用下式近似表达： Ramax＝Kton0.37Im0.47 式中 Ramax——加工表面最大不平度 K——系数（与加工条件有关） ton——脉冲放电持续时间（脉宽） Im——脉冲电流幅值 （１）脉冲宽度 ton：脉冲宽度的大小对表面粗糙度有明显的影响，在其它工艺条件不变的情况下，增 大脉冲宽度会增大单个脉冲能量，使切割速度随之增加，而加工表面粗糙度变差。表１所示试验数据是利 用ＴＰ７７２５ ＷＥＤＭ－ＨＳ机床在其他参数保持不变情况下获得的。 表１ 脉冲宽度与表面粗糙度值的关系 脉冲宽度 μs 加工电流 （A） 切割速度 （mm2/min） 表面粗糙度值 Ra（μm） 4 1 14 1.5 10 1.8 29 2.0 20 2 41 2.7 30 3 60 3 32 3.2 64 3.2 （２）脉冲间隔 toff：理论上，改变脉冲间隔 toff大小不会影响单个脉冲放电能量的大小，对加工表面 粗糙度应该没有什么影响，但由于脉冲间隔 toff的减小会使加工平均电流增加，其切割速度也必然明显提 高。在ＷＥＤＭ－ＨＳ加工情况下，往返走丝产生的切割条纹将更加明显，致使加工表面粗糙度值有所增 加，在某种程度上影响加工质量。 （３）脉冲电流幅值 Im：在其它电参数不变的条件下，增大峰值电流，会因单个脉冲能量的增加造成 切割速度增加，但表面粗糙度明显变差，试验结果见表２（试验条件同表１）。 表２ 脉冲峰值与表面粗糙度值的关系 峰值电流 （A） 加工电流 （A） 切割速度 （mm2/min） 表面粗糙度值 Ra（μm） 4 1 14 1.7 6 1.5 19 1.9 12 3 40 2.6 16 3.8 68 3.1 20 4.7 80 4.6 在同一工件的同一加工面上，先后利用不同的电参数进行加工，加工表面情况用ＫＥＹＥＮＣＥ高精 度数字显微镜对切割表面进行观察，所输出的显微照片如图１所示。从左到右首先采用较粗规准加工：脉 冲电流幅值２０Ａ，脉宽３０μｓ，脉间１００μｓ。切割到一定距离后，改用较精规准加工：脉冲电流 幅值６Ａ，脉宽４μｓ，脉间１５μｓ。实验条件：高速走丝电火花线切割机床ＴＰ７７２５，工件 为Ｃｒ１２，厚度４０ｍｍ，工作液为１０％的皂化油乳化液。试验结果表明：在改变电参数处，出现一 条明显的痕迹（如图１），并且这两种电参数加工的表面粗糙度值相差较明显。 图１ 电参数改变前后表面粗糙度值对照 综上所述，高频电源的脉冲参数对ＷＥＤＭ－ＨＳ的加工表面粗糙度值影响较大，为了改善加工表面 粗糙度值必须开发性能良好的高频脉冲电源，并通过脉冲参数的优化组合，合理地选用脉冲参数，以获得 较理想的加工表面质量和较高的切割速度。 ２．２ 走丝系统 ＷＥＤＭ－ＨＳ的走丝系统对加工工件的表面粗糙度值影响很大，走丝系统的制造精度和稳定性直接 影响工件的表面粗糙度值，走丝系统包括贮丝筒、导轮、导电块、线架臂和线架座等。由于ＷＥＤＭ－Ｈ Ｓ电极丝一般以１０ｍ／ｓ速度往返移动，会造成导向器（导轮、导向块等）的磨损和系统的振动，加上 电极丝的张力不易控制，将给加工工件表面质量带来严重影响。 （１）贮丝筒：由于贮丝筒的制造精度以及长期运转的磨损作用　使贮丝筒不仅会有 0.05～0.08mm 的圆度误差，而且在运行过程中还会引起电极丝的张力不均，致使电极丝产生振动，影响切割加工表面质 量。 （２）导轮：导向导轮的径向跳动和轴向窜动不仅会引起电极丝振动，而且还会改变电极丝瞬间空间 位置，二者都会影响加工表面的质量。 此外，电极丝在往返运动过程中，由于受力不同，会使正向移动和反向移动的空间位置发生变化，并 在加工表面留下明显的切割条纹，严重影响加工表面质量。 试验发现，采用新的导轮组，并认真仔细装配调整之后，能明显改善加工表面的切割条纹，提高加工 表面质量。短程往返走丝，对于消除切割条纹十分有利，上海大量电子设备有限公司所开发的超短程往返 走丝控制模式可以实现无条纹切割。所谓的超短程往返走丝，就是在走丝过程中，正转一段钼丝之后（如 运行５秒钟之后，视切割条件而定）马上换向反转一段钼丝（如运行４秒钟），这样运行的一段短程几乎 在整个丝筒上游动，直到丝筒限位端点时再反向长正向短地不停往返走丝。这种超短程往返走丝模式可以 使换向切割条纹靠近而减少其影响。试验表明，每次短程运行的加工长度应控制在电极丝直径的三分之一 到四分之一。 ２．３ 工件材料与工作液 不同的工件材料不仅其切割速度不同，而且加工表面粗糙度也明显不同。加工钢材时虽比加工硬质合 金时的切割速度快，但加工表面粗糙度值也相对较大。此外，加工淬火Ｃｒ１２的表面质量要比未淬火钢 材好，材料中含非导电杂质愈多，加工表面质量愈差。 试验还发现，不同的工作液在相同的工艺条件下，其切割速度和表面条纹相差较大。用航天５０２－ ２型工作液加工厚工件，不仅切割效率高，而且加工表面光滑洁白，换向切割条纹不明显；用磨削冷却乳 化液加工则条纹十分明显；用蒸馏水加工不仅会有明显条纹，而且表面呈暗兰色；如果用水作工作液加工 铝合金，则虽然切割速度比加工钢材时高，但加工表面粗糙度值也大；用煤油作工作液虽加工表面粗糙度 好，但切割速度明显降低，而且易燃，所以使用较少。 ３ 改善加工表面粗糙度的有关措施 从以上分析可知，高频电源是影响线切割工件表面粗糙度的主要原因之一，电火花切割机床的机械部 分，特别是高速走丝系统也是影响电火花线切割工件表面粗糙度值的主要原因，应逐步完善。 ３．１ 高频电源 要改善ＷＥＤＭ－ＨＳ加工表面质量，必须以减少单脉冲能量为前提，其是减小脉冲宽度 ton和 降低脉冲电流幅值 Im。然而，由于ＷＥＤＭ－ＨＳ所选用的元器件限制，高频电源的 ton都比较大（４～２ ６μｓ），所以可以用降低脉冲电流幅值方法来减小单次脉冲放电能量，以改善加工表面质量。 实际上，加工表面粗糙度值Ｒａ与切割速度Ｖ是一对矛盾。为了兼顾切割速度和表面粗糙度值，选用 加工参数时应对脉冲参数进行优化组合，在保证一定的加工表面粗糙度值前提下，尽可能提高切割速度。 同时，还要进一步开发亚微秒级的窄脉冲高峰值电流的精微加工脉冲电源，以获得最佳工艺效果，提高加 工表面质量。 ３．２ 改进和完善走丝系统 电极丝在加工区的张力变化很大，随着导轮逐渐磨损，电极丝的振动将逐渐加剧。因此，应采用必要 的措施来稳定电极丝，以改善加工表面质量。 （１）保证贮丝筒和导轮的制造和安装精度，控制贮丝筒和导轮的径向跳动和轴向窜动，导轮运转要 灵活，定期检查导轮的转动和磨损情况，若转动不好或磨损严重，应及时更换。 （２）采用恒张力机构，以保证电极丝的张力稳定。北京阿奇工业电子有限公司根据高速走丝运动不 一样的特点，开发了新型的恒张力机构，这种新型机构不仅可以紧丝，而且可以保证正向和反向移动时电 极丝的张力基本一致，加工表面粗糙度大大改善。 （３）根据加工工件厚度，调节可调丝架的上下距离，尽量缩短导轮与工件上下端面的距离，减小电 极丝的抖动。还可以采用红宝石挡丝装置，限制电极丝向偏离导轮轴心方向抖动。此方法还可以缩短支点 与工件表面之间的实际距离，对抑制电极丝的振动有明显的作用。但由于红宝石在挡丝过程中磨损严重， 使用寿命不长，所以难于推广。 （４）采用高耐磨性导向定位装置和超短程往返走丝方式。上海大量电子设备有限公司ＴＰ系列电火 花线切割机，附加的高耐磨性导向定位装置，其孔径与电极丝丝径相差０．０１～０．０２ｍｍ左右，并 了合理的喷液结构，确保喷液沿电极丝轴线方向喷入加工区，以提高了电极丝的稳定性。试验表明： 采用该高耐磨性的导向装置和超短程往返走丝方式，加工表面粗糙度值可从原来的Ｒａ２～２．５μｍ。 降到Ｒａ１．５～１．８μｍ。 ３．３ 进行多次切割 已有的研究结果表明，进行多次切割是提高ＷＥＤＭ－ＨＳ加工表面质量的有效途径。所谓多次切割， 就是象低速走丝线切割那样，先用粗规准进行第一次切割，然后逐渐减小电规准进行第二次切割及第三次 切割。由于ＷＥＤＭ－ＨＳ的走丝速度很快，走丝系统工作不易稳定，加工区的电极丝空间位置变化较大， 难于再现加工的轨迹，所以在推广多次切割工艺时遇到了许多难于克服的困难。 作者用高耐磨性导向定位装置来稳定电极丝的空间位置，然后用粗规准进行第一次切割，此时虽切割 速度可达１００ｍｍ２／ｍｉｎ以上，但加工表面粗糙度值很差。然后，我们将用精规准修光，并将走丝 速度降到２ｍ／ｍｉｎ以下，电极丝的控制轨迹缩小０．０３～０．０４ｍｍ，结果可以使加工表面粗糙 度值明显改善。如果能开发一种窄脉宽高峰值电流的精微加工电源，进行第三次切割，不仅能进一步改善 ＷＥＤＭ－ＨＳ加工表面质量，而且还可以进一步提高其加工精度。 ４ 结束语 影响ＷＥＤＭ－ＨＳ加工表面粗糙度值因素很多，其中以高频电源的脉冲参数及走丝系统的稳定性影 响最大。采用高耐磨性导向定位装置和超短程往返走丝方式，并对脉冲参数进行优化组合，可以明显改善 加工表面粗糙度。欲想获得更好的加工表面质量，还应该创造条件采用多次切割工艺。 参 考 文 献 １ 周雄辉，彭颖红等． 现代模具设计制造理论与技术．上海. 上海交通大学出版社，2000，（12） ２ 李明辉．电火花加工基础[Ｍ]．北京. 国防工业出版社，1989． ３ 王至尧．电火花线切割工艺．北京. 原子能出版社，1987． ４ 李明辉．电火花线切割技术的研究现状及发展趋势．第九届全国特种加工学术年会集，2001.