低速走絲線切割工藝研究

1、低速走絲線切割工藝研究,,1、引言,評(píng)價(jià)低速走絲線切割機(jī)床性能的優(yōu)劣，主要就是看它的三大加工指標(biāo)：加工精度、加工效率及加工表面粗糙度。 機(jī)床的機(jī)械精度、脈沖電源的性能以及與之配套的加工工藝對(duì)低速走絲線切割機(jī)床的加工效果影響重大。三大加工指標(biāo)每提高一步，都需跨過一道道較高的技術(shù)門檻。,,影響線切割加工效果的因數(shù)很多，且相互之間互有關(guān)聯(lián)，諸如機(jī)床的機(jī)械精度、高頻脈沖電源性能和參數(shù)、電極絲材料、運(yùn)絲速度、電極絲張力、工作液流量

2、、壓力、電導(dǎo)率以及環(huán)境溫度和工作液溫度等都對(duì)加工結(jié)果產(chǎn)生重大影響。下面以我公司生產(chǎn)的低速走絲線切割機(jī)床為例，探討在機(jī)床的機(jī)械精度得到保證的前提下，影響低速走絲線切割機(jī)加工效果諸因數(shù)之間的相互關(guān)系。,2、高頻脈沖電源參數(shù)對(duì)加工效率及表面粗糙度的影響2.1 脈沖寬度對(duì)加工效率及表面粗糙度的影響,市場上大多數(shù)低速走絲線切割機(jī)床的脈沖電源電源主回路結(jié)構(gòu)都是采用無限流電阻模式，放電回路的電感L對(duì)電流的上升率起主要作用，,,若放電回路的電阻忽略不

3、計(jì)，放電回路的電流表達(dá)式可表示為：I(t)=1/L*∫Vdt=t*V/L；脈沖電流峰值Ip=Ton*V/L，即脈沖電流峰值主要取決于脈沖寬度Ton、供電電壓V及回路電感L的參數(shù)，其中回路電感L的參數(shù)是一個(gè)常量，供電電壓V一旦設(shè)定，也是一個(gè)常量，因而脈沖電流峰值隨脈沖寬度成正比變化。脈寬Ton越大，加工電流越大，加工效率也越高。當(dāng)然，Ton的增大是有限制的，當(dāng)電流增大產(chǎn)生的瞬間熱量超過電極絲的承受能力時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生斷絲。,,與成形加工類似，

4、Ton越大，加工表面粗糙度亦越大，但變化關(guān)系并非線性，Ton較小時(shí)，加工表面粗糙度對(duì)此敏感度較大，當(dāng)Ton大到一定量時(shí)，加工表面粗糙度漸趨穩(wěn)定。,圖2.1脈沖寬度對(duì)加工效率的影響,圖2.2脈沖寬度對(duì)加工電流的影響,圖2.3脈沖寬度對(duì)加工表面粗糙度的影響,2.2 脈沖停歇對(duì)加工穩(wěn)定性及加工效率的影響,同樣與成形加工類似，脈沖停歇Toff越小，放電頻率越高，平均放電電流越大，加工效率就越高，但如果脈沖停歇Toff太小，放電間隙恢復(fù)時(shí)間太短，

5、放電期間產(chǎn)生的熱量得不到充分的冷卻，將會(huì)增大斷絲概率。,,脈沖寬度Ton時(shí)間一般是幾十納秒~幾百納秒，脈沖停歇Toff時(shí)間則是幾秒~幾十秒，脈沖占空比達(dá)十倍以上，脈沖停歇Toff的少量變化將會(huì)引起平均加工電流較大幅度的變化，對(duì)加工效率隨之產(chǎn)生較大的影響。因此，在加工過程中脈沖停歇Toff可在一個(gè)較小的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。,圖2.4脈沖停歇對(duì)加工效率的影響,圖2.5脈沖停歇對(duì)加工電流的影響,圖2.5脈沖停歇對(duì)加工電流的影響,2.3 供電電壓對(duì)加工

6、效率及加工表面粗糙度的影響,脈沖電流峰值Ip與供電電壓V之間的關(guān)系為Ip=Ton*V/L，當(dāng)Ton參數(shù)不變，僅改變供電電壓V的大小，即可改變脈沖電流峰值Ip的幅度，從而影響到加工效率及加工表面粗糙度。,,因此在加工過程中供電電壓必需恒定，確保加工效率和加工過程的穩(wěn)定。此外，在精加工時(shí)，要降低加工表面粗糙度，除了減小脈沖寬度Ton以外，還可降低供電電壓V，以達(dá)到所需的加工表面粗糙度。,圖2.6供電電壓對(duì)加工效率的影響,圖2.7供電電壓對(duì)加

7、工電流的影響,3、工作液壓力、電導(dǎo)率及溫度的變化對(duì)加工的影響 3.1工作液壓力對(duì)加工的影響,當(dāng)電極絲與工件之間的液體介質(zhì)被擊穿后，形成瞬間火花脈沖放電，在火花通道中瞬間產(chǎn)生高熱，使工件表層的金屬局部熔化甚至氣化，如果放電產(chǎn)生的高熱不能得到及時(shí)冷卻，將會(huì)導(dǎo)致頻繁地?cái)嘟z，而微小的蝕除顆粒如果不能被及時(shí)排除，會(huì)影響更進(jìn)一步的放電，也會(huì)引起燒弧而斷絲，加工精度亦大受影響。,,因此，加工間隙中的高壓水流的沖刷冷卻作用相當(dāng)重要。加工電流越大，水壓

8、要求越高，最高水壓可達(dá)1.5Mpa/CM2。但水壓過高將會(huì)對(duì)電極絲的滯后影響較大，導(dǎo)致拐角處塌角嚴(yán)重，小圓弧加工精度變差，在加工過程中必須保持適當(dāng)?shù)乃畨海纫骖櫦庸ぞ?，又要保證穩(wěn)定加工不斷絲。,,在高速加工過程中，因加工縫隙的上下二端沖液條件較好，電蝕產(chǎn)物會(huì)被高壓水沖至加工縫隙中部交匯，再向加工路徑的后方流出，因而加工面的中部因電蝕產(chǎn)物造成的二次放電幾率增多，造成中凹現(xiàn)象，最大可以單邊凹入0.01以上，適當(dāng)增大水壓可以減緩，但不能根

9、除，對(duì)于要求較高的加工，應(yīng)采用多次切割技術(shù)。,,此外，導(dǎo)向器噴嘴端面與工件表面之間的縫隙對(duì)加工間隙中的水壓及加工精度影響較大，如果縫隙過大，散失的水量多，噴入加工間隙的水流將大大減少，如果縫隙過小，雖然會(huì)使噴入加工間隙的水流將大大增多，但導(dǎo)向器的噴嘴端面與工件表面之間接近封閉的狀態(tài)，使二者之間排斥壓力大幅增大，導(dǎo)致導(dǎo)向器側(cè)向位移，影響加工精度，應(yīng)調(diào)節(jié)至適當(dāng)位置。,3.2 電導(dǎo)率對(duì)加工的影響,經(jīng)試驗(yàn)，工作液的電導(dǎo)率在10μ /Ω.㎝~10

10、0μ/Ω.㎝之間變化，對(duì)粗加工的加工效率影響不大，但對(duì)精加工的影響較大，特別是多次切割時(shí)，加工能量很小，供電電壓較低，當(dāng)電導(dǎo)率較大時(shí)，因工作液電阻較低，加工間隙不易產(chǎn)生擊穿放電，切割偏移量難以控制。,,一般應(yīng)采用較低的電導(dǎo)率，以提高工作液電阻，加工間隙容易產(chǎn)生火花放電，加工穩(wěn)定、易于控制，加工表面綜合質(zhì)量較高。因此，需配置電導(dǎo)率控制器，自動(dòng)控制工作液的離子交換，使工作液電導(dǎo)率控制在適當(dāng)范圍，保證了加工工藝的一致性。,3.3溫度變化對(duì)加工

11、的影響,眾所周知，溫度的變化對(duì)加工精度影響很大，如果設(shè)計(jì)不合理，線架與工作臺(tái)絲杠的溫度系數(shù)相差很大，加工過程中如果溫差變化較大，加工起始處與結(jié)束處的尺寸精度就會(huì)就會(huì)有較大的差異。,,此外，即使上述問題通過合理設(shè)計(jì)機(jī)床結(jié)構(gòu)得到緩解，但在加工過程中因放電產(chǎn)生的大量熱量會(huì)使工作液溫度不斷升高，造成水溫與機(jī)床環(huán)境溫差不斷拉大，勢必造成工件與數(shù)控工作臺(tái)溫漂的差異，導(dǎo)致加工精度的降低。因此，對(duì)加工精度要求較高的應(yīng)用，應(yīng)將機(jī)床安放于恒溫環(huán)境。另外，需

12、配置冷水機(jī)，自動(dòng)控制水溫與環(huán)境溫度的一致性，可提高加工精度保持性。,4、運(yùn)絲速度、張力、電極絲直徑對(duì)加工的影響4.1運(yùn)絲速度對(duì)加工的影響,在加工過程中為了節(jié)約加工成本，往往需要盡可能地降低運(yùn)絲速度，但是如果運(yùn)絲速度太低，在整個(gè)放電通路上電極絲的損耗速度大于新絲的補(bǔ)入速度，會(huì)造成上端加工縫隙大，下端加工縫隙小，使加工精度變差。,,加工電流越大，這種差異就越大，加工精度也越差，而且電極絲在放電通路上滯留的時(shí)間越長，電極絲的損耗越大，單位長

13、度上承受的熱量也越大，越容易造成斷絲，因此需根據(jù)加工電流的大小，選擇合適的運(yùn)絲速度。,4.2張力大小對(duì)加工的影響,增大張力可以減緩水壓和放電時(shí)的爆炸力對(duì)電極絲的滯后作用，提高加工精度，應(yīng)盡可能提高張力。但是受電極絲承受能力的限制，需根據(jù)電極絲的直徑以及放電電流的大小選擇合適的張力。,4.3電極絲直徑對(duì)加工的影響,對(duì)電極絲直徑的選取應(yīng)有一個(gè)綜合的考慮，細(xì)絲運(yùn)行成本低，加工工件的最小凹角半徑相對(duì)較小，但因其強(qiáng)度有限，張力不能調(diào)得太大，因而加

14、工中電極絲的滯后相對(duì)較大，影響加工精度，加之細(xì)絲對(duì)電流密度的承受能力相對(duì)較弱，最大加工效率受到一定限制；,,較粗的電極絲可承受較大的張力和電流密度，因而可得到更高的加工精度和加工效率，但最小凹角半徑相對(duì)較大，且電極絲材料消耗亦大幅增多，增加運(yùn)行成本。因此電極絲直徑的選取應(yīng)對(duì)加工精度、加工效率、工件最小凹角的要求以及加工成本有一個(gè)綜合的考慮后做出抉擇。,4.4 電極絲振動(dòng)對(duì)加工的影響,如果電極絲本身在絲筒上排列不均、電極絲本身扭曲、

15、放絲輪阻尼調(diào)節(jié)過松或過緊、運(yùn)絲路經(jīng)上的各過渡輪跳動(dòng)過大、導(dǎo)向器堵塞或損傷以及張力控制或運(yùn)絲速度穩(wěn)定性差等都會(huì)造成電極絲在運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)。,,電極絲的振動(dòng)危害很大，必然會(huì)引起加工過程穩(wěn)定性下降，造成電流忽大忽小，極易引起斷絲、加工表面線痕過多及加工精度變差。必需認(rèn)真分析造成電極絲振動(dòng)的具體原因加以解決。,5、影響加工精度的主要原因5.1 塌角的形成及拐角控制策略,加工精度受到諸多因素的影響，除機(jī)床的機(jī)械精度和運(yùn)絲系統(tǒng)的穩(wěn)定性外，加工間隙中

16、放電時(shí)的爆炸力和高壓水在加工縫隙中向加工路徑后方的壓差推力對(duì)電極絲的滯后影響較大。如圖5.1所示，加工電流越大，加工間隙中放電時(shí)的爆炸力就越強(qiáng)，對(duì)電極絲的反向推力亦越大；水壓越高，加工縫隙中向加工路徑后方的壓差推力也越大。,圖5.1 電極絲的受力情況,,這種滯后作用最明顯地體現(xiàn)在切割小圓弧時(shí)實(shí)際圓弧直徑偏小、加工拐角處出現(xiàn)塌角，影響到加工質(zhì)量和精度。上述二個(gè)引起電極絲滯后的原因又與各種工藝參數(shù)有著千絲萬縷的聯(lián)系，比如，增大張力，可減緩電

17、極絲的滯后，但又受到電極絲的承受能力和大電流密度對(duì)電極絲損耗及熱軟化作用而強(qiáng)度降低的限制；,,減小電流，可降低放電時(shí)的爆炸力，但會(huì)大幅降低加工效率；降低水壓，可減小加工縫隙中向加工路徑后方的壓差推力，但對(duì)加工縫隙中的沖刷和冷卻作用隨之減弱，亦會(huì)影響到電流密度的提高從而影響到加工效率。,圖5.2 塌角的形成,,因此，在小圓弧加工和拐角加工處，需要考慮拐角控制策略，在保證不會(huì)斷絲的前提下，綜合考慮上述諸因數(shù)之間的關(guān)系，合理控制各個(gè)加工參數(shù)

18、，減緩電極絲的滯后影響，提高小圓弧和拐角的加工質(zhì)量。具體措施有：,,①、     在拐角處對(duì)加工電流進(jìn)行控制； ②、     同時(shí)對(duì)工作液壓力進(jìn)行控制； ③、     對(duì)電極絲張力進(jìn)行同步控制； ④、     對(duì)加工速度進(jìn)行同步控制； ⑤、  

19、   盡量減小上下導(dǎo)向器之間的距離通過合理的拐角控制處理，可大大提高小圓弧和拐角的加工質(zhì)量。此外，對(duì)較高要求的精度和表面質(zhì)量，應(yīng)采用多次切割技術(shù)。,5.2 凹凸量異常原因及改善措施,如圖5.3所示，粗加工過程中，在上下二端高壓水的沖液下，電蝕產(chǎn)物會(huì)被高壓水沖至加工縫隙中部交匯，再向加工路徑的后方流出，因而加工面的中部因電蝕產(chǎn)物造成的二次放電幾率增多，造成中凹現(xiàn)象。,圖5.3二次放電及放電爆炸力的影響,,多次切割的精

20、修過程中，因是單面放電，二次放電的幾率較少，但放電時(shí)的爆炸力對(duì)電極絲的單側(cè)作用力會(huì)使電極絲在左右方向產(chǎn)生側(cè)向振動(dòng)，引起加工表面凹凸量異常，如圖5.4所示。 上述現(xiàn)象可通過多次切割和調(diào)節(jié)加工能量與加工速度的匹配得到改善。,,a.   中部凸出 若加工能量弱于加工速度，即加工速度過快，可產(chǎn)生如圖5.2-（b）所示的中部凸出。b.   中部凹入 若加工能量強(qiáng)于加工速

21、度，即加工速度過慢，會(huì)產(chǎn)生如圖5.2-（c）所示的中部凹入。c.   大小頭 若運(yùn)絲速度過低，會(huì)因電極絲的消耗形成上小下大；或因某個(gè)導(dǎo)電塊消耗過大，也會(huì)產(chǎn)生會(huì)產(chǎn)生如圖5.2-（d）所示的大小頭現(xiàn)象。,,6、結(jié)語,低速走絲線切割技術(shù)是一種工藝性極強(qiáng)的技術(shù)，即使有很好的機(jī)床，如果沒有一套與之相匹配的工藝技術(shù)，也不能得到滿意的結(jié)果。低速走絲線切割技術(shù)相當(dāng)復(fù)雜，從脈沖電源到檢測控制、從主機(jī)到數(shù)控