線切割加工速度的影響因素分析

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序言在先進(jìn)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(diǎn)，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(shí)可行的方法。電火花線切割加工過(guò)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(shí)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(duì)電加工參數(shù)和加工程序路徑這兩種影響因素進(jìn)行分析，通過(guò)工藝試驗(yàn)，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(diǎn)電火花線切割加工（Wire-cutElectricalDischargeMachining，簡(jiǎn)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(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(qiáng)度和脆性的導(dǎo)電材料，在現(xiàn)階段的機(jī)械加工中占有很重要的地位。線切割對(duì)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(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。線切割機(jī)床主要分為慢走絲機(jī)床、快走絲機(jī)床和中走絲機(jī)床，慢走絲機(jī)床精度達(dá)0.001mm級(jí)，表面粗糙度值Ra＜0.8μm，圓度和直線度誤差都比快走絲機(jī)床小。中走絲機(jī)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(shí)采用高速（8～12m/s）走絲，精加工時(shí)采用低速（1～3m/s）走絲。中走絲機(jī)床同時(shí)兼具了快、慢走絲機(jī)床的優(yōu)點(diǎn)，加工相對(duì)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(dòng)的細(xì)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(lái)蝕除多余金屬，達(dá)到工件的加工要求，切割成形。線切割機(jī)床結(jié)構(gòu)如圖1所示，工件安裝在工作臺(tái)上，電極絲穿過(guò)工件或與工件保持平行狀態(tài)，經(jīng)導(dǎo)向輪由儲(chǔ)絲筒帶動(dòng)做往復(fù)交替移動(dòng)。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(tái)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)工作臺(tái)在X、Y兩個(gè)方向上移動(dòng)，合成工件要加工的軌跡。圖1線切割機(jī)床結(jié)構(gòu)1―控制柜2―儲(chǔ)絲筒3―切削液箱4―絲架5―電極絲6―導(dǎo)向輪7―脈沖電源8―工件9―夾具10―工作臺(tái)加工時(shí)，工件接在脈沖電源的正極，電極絲接在負(fù)極，在電場(chǎng)的作用下，電子高速撞向正極，正離子高速撞向負(fù)極，形成一個(gè)被電離的導(dǎo)電通道，粒子間發(fā)生無(wú)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(guò)程如圖2所示。圖2放電的微觀過(guò)程2.2線切割技術(shù)特點(diǎn)線切割技術(shù)主要具有以下特點(diǎn)。1）加工中不存在顯著的機(jī)械切削力，無(wú)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(wú)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(wú)法加工盲孔。3）電極絲損耗小，加工精度高。4）通過(guò)數(shù)控編程技術(shù)對(duì)工件進(jìn)行加工，可對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加工。5）加工時(shí)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(píng)價(jià)指標(biāo)，可以表示為單位時(shí)間內(nèi)電極絲中心線在工件上經(jīng)過(guò)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(duì)工藝指標(biāo)的影響。圖3各因素對(duì)工藝指標(biāo)的影響4

加工工藝參數(shù)對(duì)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(jìn)給速率）、功放管的功率、絲速和絲張緊力等。試驗(yàn)采用DKB280型數(shù)控電火花線切割機(jī)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(hào)的硬質(zhì)合金，切削液濃度為10%。試驗(yàn)機(jī)床的加工參數(shù)界面如圖4所示。圖4DKB280型數(shù)控電火花線切割機(jī)床加工參數(shù)界面4.1脈沖寬度對(duì)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(shí)間，單位為μs。試驗(yàn)中以脈沖寬度作為可變參數(shù)，其余參數(shù)保持不變，試驗(yàn)數(shù)據(jù)和加工效果見表1。表1脈沖寬度試驗(yàn)數(shù)據(jù)圖5為脈沖寬度變化對(duì)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(guò)一定范圍，切割速度反而隨著脈沖寬度的增加而減小。DKB280機(jī)床加工ZK10UF-1牌號(hào)硬質(zhì)合金，在脈沖寬度為20ms時(shí)，加工速度最快。圖5脈沖寬度與加工速度的關(guān)系4.2脈沖間隔對(duì)加工速度的影響脈沖間隔是指兩個(gè)脈沖間無(wú)電流的時(shí)間，單位為ms，設(shè)定值為脈沖寬度的倍數(shù)。脈沖間隔越小，單位時(shí)間內(nèi)放電加工的次數(shù)越多，切割速度也越高。試驗(yàn)中以脈沖間隔作為可變參數(shù)，其余參數(shù)保持不變，試驗(yàn)數(shù)據(jù)和加工效果見表2。圖6為脈沖間隔變化對(duì)加工速度的影響曲線。表2脈沖間隔試驗(yàn)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(huì)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(shí)排除，放電間隔無(wú)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(jī)床加工ZK10UF-1牌號(hào)硬質(zhì)合金，在脈沖間隔為7ms時(shí)，加工效果最佳。4.3峰值電流對(duì)加工速度的影響峰值電流是指火花放電時(shí)流過(guò)放電間隙的平均電流。單個(gè)脈沖放電能量計(jì)算公式為式中，W為單個(gè)脈沖放電能量（J）；t為單個(gè)脈沖放電時(shí)間（ms）；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(gè)脈沖能量主要依靠加大脈沖峰值電流，而提高單個(gè)脈沖能量也就意味著提高加工速度。試驗(yàn)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(yàn)表明，與此同時(shí)，加工表面質(zhì)量在下降。當(dāng)電流超過(guò)4A時(shí)，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(dá)到2.8A時(shí)，工件表面會(huì)產(chǎn)生如圖8所示的微裂紋。圖7加工電流與加工速度的關(guān)系圖8電流2.8A時(shí)加工表面出現(xiàn)微裂紋（×1500）綜合加工效率和加工質(zhì)量考慮，加工電流應(yīng)控制在≤2A。4.4變頻值對(duì)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(jìn)給速率）過(guò)快，超過(guò)工件蝕除速度時(shí)，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(shí)，電流表指針?lè)€(wěn)定，則說(shuō)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(shuō)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(lái)提高加工效率。加工中都會(huì)存在零吃刀的空走階段，比如從坐標(biāo)零點(diǎn)到接觸工件開始加工，以及加工完畢回到坐標(biāo)原點(diǎn)，都是零吃刀的空走階段?？梢詫⑦@兩段路徑的變頻值減小，提高進(jìn)給速率，縮短空走刀時(shí)間，以達(dá)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(duì)加工速度的影響分析試驗(yàn)對(duì)象：寬度為1.6mm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(shí)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(yàn)過(guò)程中先后設(shè)計(jì)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(shí)候不掉屑，在第二次切割時(shí)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(guò)不斷改進(jìn)，得到了第4種優(yōu)化路線方案，在保證加工質(zhì)量的同時(shí)提高了加工效率。各方案的切割路線詳情如圖10所示。圖10程序優(yōu)化過(guò)程6

結(jié)束語(yǔ)針對(duì)DKB280型號(hào)線切割機(jī)床加工ZK10UF-1牌號(hào)硬質(zhì)合金的試驗(yàn)，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(guò)大，則加工速度反而降低。當(dāng)脈沖寬