电火花线切割加工技术（精选7篇）
电火花线切割加工技术 篇1
摘要：针对汽车连杆裂解槽加工的难题, 提出了一种电火花线切割加工的全新工艺方法。分析了裂解槽的工艺参数要求, 详细阐述了电火花线切割加工裂解槽的实现方案和获得高质量裂解槽的保证措施。研究了电源参数对切槽速度的影响, 发现裂解槽底部微裂纹对裂解加工的重要影响, 并提出微裂纹主动控制的新思路。最后, 分析了单边裂开和发生断丝现象的原因, 并成功进行了裂解加工验证试验。
关键词：电火花线切割,连杆,裂解槽,微裂纹
0 引言
裂解技术因在经济性和质量方面的显著优势, 已成为连杆加工发展的必然趋势[1]。裂解技术完全克服了连杆传统制造工艺上的缺点, 通过在连杆大头曲轴孔适当位置预制裂解槽, 再施加径向裂解力, 实现连杆体和盖的脆性断裂剖分。以自然形成的粗糙断裂面实现连杆体和盖的三维精确定位, 无须加工[2]。与传统连杆加工技术相比, 裂解加工的连杆总生产成本可降低15%～20%, 且该工艺可大幅提高产品质量[3]。
在整个裂解工艺中, 连杆大头曲轴孔裂解槽加工质量对裂解质量的影响至关重要, 是裂解加工成功的前提与关键[4]。大头曲轴孔中心两侧的裂解槽槽深、槽宽应严格一致, 尽量减小其几何参数的偏差, 保证同时裂开, 以获得高质量的断裂面的啮合特性[5,6]。
裂解槽加工最初采用拉削方法, 但该工艺由于其固有缺陷现已基本被淘汰。激光加工裂解槽是利用数控激光束进行切割的, 其特点是:加工效率高、无工具损耗, 但激光加工易在靠近裂解槽处黏附熔渣形成硬质点, 造成后续精镗时刀具崩刃;激光对焦繁琐, 对焦不精确易导致裂解时出现爆口缺陷;其加工的裂解槽宽度在0.1～0.3mm范围内变化, 裂解槽宽度的波动易造成产品质量不稳定;其设备一次性投入价格昂贵且使用维护成本高。
针对裂解槽加工难题, 本文提出了一套全新的解决方案, 即电火花线切割加工汽车连杆裂解槽技术。
1 连杆裂解加工技术
传统的连杆加工采用分体加工工艺, 用铣、拉、磨等方法分别加工连杆体和连杆盖的接合面;粗加工及半精加工连杆体、大头孔、小头孔;精加工连杆盖的定位销孔及连杆体的螺栓孔;装配连杆体与连杆盖, 精加工大头孔和小头孔[7]。
连杆裂解加工技术具体工艺过程是:①在连杆毛坯大头孔的断裂线处预先加工出两条对称V形裂解槽, 形成初始断裂源;②在裂解专用设备上对连杆大头内孔侧面施加径向力, 使裂纹由内孔向外不断扩展直至完全裂解, 最终连杆盖从连杆本体上涨断而分离出来;③在裂解专用设备上, 再将裂解分离后的连杆盖与本体精确复位, 最后在断裂面完全啮合的条件下, 完成螺栓工序及其他后续加工工序[8,9]。连杆传统加工与裂解加工对比示意图如图1所示。
与传统加工方法相比较, 裂解加工使裂解的连杆盖、杆接合面具有完全啮合的交错结构, 改善了接合面的接合质量, 不需再进行接合面的加工, 省去分离面的拉削与磨削等工序, 同时简化了连杆螺栓孔的结构设计和整体加工工艺, 降低了螺栓孔的加工精度要求。此外, 减小了连杆总成的大头孔变形, 使连杆承载能力、抗剪能力与装配质量大幅度提高。因此, 采用连杆裂解工艺具有加工工序少、节省机床设备投资、减小设备占地面积、降低刀具费用、节省能源、提高产品质量、降低生产成本等优点[8,10]。
2 裂解槽线切割加工方法
2.1 裂解槽的参数要求
连杆裂解加工关键技术是加工预制裂解槽、裂解加工连杆大头孔及定扭矩装配螺栓三道核心工序的自动化生产工艺与装配。而连杆大头孔预制裂解槽尺寸、加工方法、加工质量对裂解技术的先进性、实用性以及连杆质量的影响至关重要, 是连杆裂解加工成功的基础与前提。
裂解加工技术要求初始裂解槽的应力集中系数很大, 以利于裂纹开启, 迅速扩展并发生脆性断裂。在一定程度上, 裂纹深度与断裂强度成反比, 当裂纹大于临界深度时裂纹失稳。但由于裂解后要进行连杆大头孔的精加工, 故槽深尺寸不能太大, 要综合考虑大头孔精镗、珩磨余量, 故槽深H一般为0.6～0.8mm。且裂解V形槽槽宽越窄、尖角越小越利于裂解, 其加工槽宽W在0.1～0.3mm 之间 (图2) 。此外, 大头孔中心两侧的裂解槽深应严格一致, 尽量减小槽深的偏差, 保证同时裂开, 以获得高质量的断裂面。
2.2 裂解槽线切割加工方式
本文提出的线切割加工裂解槽的全新工艺方法具有极高的性价比, 其实现方案如图3所示, 连杆放置于水平工作台上, 靠连杆自重保证其与工作台紧密贴合, 此时连杆内孔中心线与水平面垂直;电极丝从连杆大头曲轴孔内穿过, 导轮和丝线固定, 通过工作台的水平双向运动便可切割出预期的裂解槽。为保证连杆大头曲轴孔中心两侧的裂解槽槽深、槽宽严格一致, 采取如下措施:
(1) 保证电极丝和机床工作台的位置精度, 两者应该为严格的垂直位置关系。
(2) 通过专门的夹具使连杆大头曲轴孔下表面与工作台面紧密贴合, 以确保大头曲轴孔中心线与电极丝平行。
(3) 采用一种欠进给的工作台驱动策略, 因为在单侧槽切割过程中, 加工周期非常短, 如果出现短路现象, 一种情况就是工作台进行了回退, 但线切割短路回退响应时间较长, 整个切槽加工效率会极大降低;另一种更致命的情况是在短路回退被识别之前, 工作台已经运动到目标位置点而进行整个切槽过程的原点复位, 此时的切槽深度因达不到要求而出现次品。
(4) 在保证上述三个条件的基础上, 通过专门的软件模块控制工作台的运行轨迹, 以实现双侧裂解槽的等深度加工。具体程序控制流程如图4所示。机床首先对各加工参数进行初始化, 工作台回到初始原点位置, PLC驱动工作台快速进给, 当电极丝与连杆大头曲轴孔内壁接触感知时, CPU存储该初始切割点位置, 步进电机继续向前进给并进行累计计数, 此时控制系统采用一种欠进给的方式, 即工作台的进给速率稍微低于电极丝放电切割的蚀除速率, 以牺牲一小部分的切割速度来换取整个切槽过程中的无短路切割效果, 保证整个切槽过程顺畅。控制系统可精确判断切割槽的深度是否达到预期值, 此时单边切槽任务完成。完成单边槽切割后, 工作台快速回退至另一侧初始切割点位置, 再重复上述的控制过程, 当完成另一侧裂解槽切割后, 工作台回复至初始原点位置。至此, 双侧完全对称的裂解槽加工全部完成, 取出连杆, 再循环进行下一件连杆的加工。
3 试验与讨论
3.1 裂解槽线切割加工试验
影响线切割加工裂解槽速度的因素很多, 如机床精度、脉冲电源的性能、工作液性能、电极丝和工件材料等, 其中脉冲电源参数的影响最大, 主要包括间隙电压、加工电流、脉冲宽度、脉冲间隔等。本试验采用单因素试验法, 即在其他各工艺参数不变的情况下, 依次改变空载电压、加工电流和脉冲宽度等, 分别测出机床单边切割窄槽的加工速度, 然后进行试验结果及现象分析。
3.1.1 试验条件
试验原型机采用专门研制的高速走丝线切割机床, 选用矩形脉冲波电源, 使用ϕ0.18mm钼丝, 试验所用的材料为C70S6BY非调质钢, 试件厚度为6mm, 采用乳化工作液 (体积分数为12%) 。切槽时, 钼丝的排丝宽度为200mm, 丝速为9m/s。
3.1.2 电参数对工艺指标的影响
本试验关心的工艺指标是切割速度, 主要研究电参数对切割速度的影响。将开发的PLC控制系统与普通线切割机床的加工切割效率进行了对比。为方便起见, 用E表示长风牌线切割机床, 用F表示本文研制的专用连杆切槽机床PLC控制系统。
(1) 脉冲宽度对切割速度的影响。
加工条件:电流为1挡 (1A) , 电压为80V, 脉冲间隔为4倍脉冲宽度。可得到图5所示的工艺规律。从图5可以看出, 增大脉冲宽度, 两种方式的加工速度均提高。当脉冲宽度提高到32μs后, 方式E达到较高的切割率, 但方式F切割速度变化不明显;随后, 当脉冲宽度提高到40μs, 两种方式下的切割率均有所回落。这是由于脉宽的增大, 使得单个脉冲能量过大, 排屑条件变差, 使加工不稳, 影响切割速度。
(2) 加工电流对切割速度的影响。
加工条件:脉冲宽度为16μs, 电压为80V, 脉冲间隔为4倍脉冲宽度。图6所示为加工电流对切割速度的影响规律。由图6可以看出, 加工电流加大, 切割速度提高, 同时电极丝损耗也会变大。当加工电流加到1+2+3挡 (约2A) 时, 两种方式切割速度均达到较大值, 符合一般金属材料的加工规律。
(3) 加工电压对切割速度的影响。
加工条件:脉冲宽度为16μs, 加工电流为1挡, 脉冲间隔为4倍脉冲宽度。图7所示为加工电压对切割速度的影响规律。由图7可以看出, 随着加工电压的增大, 切割速度提高。当加工电压由60V升高到100V时, 两种方式下的切割速度有明显提高。这是因为加工电压增大时, 放电能量增大, 有利于放电产物的排除和消电离, 提高了加工稳定性和脉冲利用率。
(4) 脉冲间隔对切割速度的影响。
加工条件:脉冲宽度为16μs, 加工电流为1挡, 加工电压为80V。图8所示为脉冲间隔对切割速度的影响规律。由图8可以看出, 方式E下, 随着脉冲间隔的减小, 切割速度提高。本文设计PLC控制系统脉冲间隔对加工速度的影响不太明显。实际上, 脉冲间隔不能太小, 也不能太大, 否则会使放电间隙来不及充分消电离, 或使加工变得不稳定。
通过试验分析, 普通线切割机床的加工效率高于本文设计的PLC控制系统的加工效率, 但本文设计的专用控制系统是在欠进给方式下运行的, 且加工稳定进行, 非常适合于本裂解槽的切割加工。当然, PLC控制系统还需进行深入研究, 进一步提高切割效率。在上述总结的最佳工艺参数条件下, 稳定地进行了裂解槽切割加工。
3.2 裂解槽底部微裂纹
操作人员发现采用不同工艺参数加工的裂解槽在进行裂解加工时裂解完成时间和裂解力的大小都具有差异性, 同时伴随裂解发出的涨断声音也有较大差别, 研究发现这是由裂解槽底部的微裂纹特性不同造成的。如表1所示, 电火花线切割加工的裂解槽底部微裂纹参数 (如微裂纹宽度、深度、长度和微裂纹量的大小等) 都与线切割加工工艺参数密切相关, 脉冲电源占空比越大, 峰值电流、开路电压和实际平均电流越大, 出现的微裂纹越多、宽度越大、深度越深。具体分析可知, 电源开路电压高低对微裂纹形成的影响非常小, 占空比大小是微裂纹形成的一个次要因素, 而实际平均电流大小对微裂纹的形成起到决定性作用, 采用较大的平均电流加工裂解槽是在裂解槽底生成微裂纹的主要手段, 但过大电流会频繁发生断丝现象, 而断丝的频繁出现会大大降低切槽效率, 极大增加加工成本, 增大工人穿丝劳动强度。所以一般选择适当的较大平均电流进行切槽, 以获得最优的加工效果。
图9为电火花线切割加工的裂解槽SEM照片, 加工工艺参数的不同会在槽底出现不同状况微裂纹, 本文的研究思路是:通过改变各加工参数而主动控制微裂纹的参数, 通过研究微裂纹参数对后续裂解加工的影响, 不断改善裂解加工工艺, 最终加工出高质量的裂解连杆。
图10为裂解槽底部微裂纹SEM照片, 图10a、图10b分别为纵向和横向粗微裂纹, 其裂纹宽度达到2μm, 图10c为斜向细微裂纹, 其裂纹宽度为0.2μm, 图10d是在一定加工条件下未出现微裂纹的情况。从图10可看出, 在不同的参数条件下, 微裂纹的各参数也大不相同。微裂纹特性对后续的裂解加工有重要影响, 合理的微裂纹将大大减小裂解力, 有利于加工出高质量的裂解连杆。这是因为裂解槽宽度约为0.2mm, 而微裂纹的宽度约为0.2～2μm, 裂解槽将产生第一次应力集中, 微裂纹的存在会出现第二次应力集中, 而第二次应力集中系数为第一次应力集中系数的100倍以上甚至更高, 将非常有利于开启裂纹, 极大减小裂解力, 大大提高裂解质量。
3.3 裂解加工试验
在总结最佳工艺参数规律的基础上, 在连杆大头孔内侧加工出双侧严格对称的初始裂解槽, 如图11a所示, 裂解槽的深度为0.7mm, 宽度为0.2mm, 完全满足裂解加工条件。图11b为裂解加工过程的照片, 裂解加工顺利完成, 图11c为裂解后的连杆照片, 裂解加工连杆在掉渣率、啮合度、大头孔塑性变形量等参数方面都完全符合裂解工艺的要求, 裂解试验成功说明电火花线切割加工连杆裂解槽的新工艺方法是完全可行的。但偶尔也会发生单边裂开而另一边未裂开的现象。
3.4 单边裂开现象的讨论
在连杆的裂解加工过程中, 如果出现单边裂开的现象就会产生次品, 如图12所示, 连杆大头的左侧已被完全裂开, 而右侧仍未裂开。这种现象带来的主要问题是:连杆的裂解从脆性变形方式转变为塑性变形从而发生撕裂现象, 对连杆内孔的圆度产生破坏, 同时掉渣现象严重, 裂解后的合装效果很差。要解决单边裂开的问题需从以下方面进行考虑:
(1) 双边裂解槽的对称性差, 造成双边的裂解槽应力集中系数不一致, 此问题应该从提高机床的精度着手, 特别要提高电极丝和工作台面的垂直度, 同时设计专门的自动定位、找正夹具, 保证双边裂解槽严格一致;
(2) 双侧裂解槽底部的微裂纹特性不一致, 一侧有微裂纹而另一侧无微裂纹, 或者双侧的微裂纹深度与宽度不一致, 此时可通过严格控制电火花线切割工艺参数来解决;
(3) 连杆材质不均匀, 也会造成单边裂开, 如连杆裂开通道处有硬质点或有气孔等缺陷, 此时要从提高连杆的锻造工艺出发加以解决;
(4) 最后一种补救方法是在双侧裂解槽本来就不完全一致的情况下, 对机床结构进行改造, 如通过增大裂解背压力、增大裂解执行机构行程等方式来保证连杆被裂开, 但此解决方案会带来许多不良后果, 如伴随有塑性变形的勉强被裂解, 裂解装备成本提高且能耗增大, 连杆大头孔塑性变形量大等。
3.5 断丝问题的解决
在试验初期, 操作人员由于参数选择不合理, 如过大的加工电流、间隙电压, 或控制策略不合理导致短路现象过于频繁等, 电极丝会经常断裂, 大约每加工50～60件连杆就会发生一次断丝。通过采用连杆上下侧同时双点进电方式保证进电充分, 进行系统工艺试验, 总结出最佳的工艺参数, 同时采用欠进给控制策略等途径, 将每组电极丝切割的连杆数目提高至2000～3000件, 大大提高了加工效率。本研究最终的研究目标为:每组电极丝切割的连杆数目提高至5000件, 裂解槽切割加工非常稳定。
4 结束语
本文首次提出了电火花线切割加工连杆裂解槽的全新工艺方法, 其具有非常高的性价比, 可完全取代昂贵的激光切槽专用机床。在分析裂解槽工艺参数要求的基础上, 阐述了电火花线切割加工出高质量裂解槽的保证措施和具体实现方案。研究了脉冲电源参数如间隙电压、加工电流、脉冲宽度、脉冲间隔等与线切割加工裂解槽速度的关系。观察到裂解槽底部微裂纹现象, 分析微裂纹与各加工参数的关系以及微裂纹对后续裂解加工的影响, 并提出主动控制微裂纹各参数的新想法。本文还进行了裂解加工试验研究, 验证了该新工艺方法加工连杆裂解槽是完全可行的。最后, 还进行了单边裂开和断丝现象问题的探讨。该技术无论在设备的首次投入资金方面或单件连杆切槽成本方面都具有显著优势, 将为连杆裂解工艺的普及创造极大可能。
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电火花线切割加工技术 篇2
1.1 微细丝加工技术
近些年来, 微电子产品、航空、通信等领域在微细产品上表现出越来越大的需求量, 而微细电火花线切割加工作为一种能够实现高精度、复杂形状、微小零件加工的技术, 得到了诸多领域的关注与认可, 并成为制造商研发的重点。在进行微细丝加工的过程中, 会产生很弱的放电能量, 放电过程及其作用机理会随着电极丝直径与放电能量的减小而发生本质的变化, 这就需要具备较为稳定的运丝系统, 有效的控制策略等来保障加工顺利实现。目前日本牧野公司的UP系列精密线切割机电极丝直径已经达到了0.02mm, 这也是目前国际上比较高的一个水平。
1.2 防止断丝技术
导致电极丝断丝情况出现的原因是多种多样的, 包括脉冲电源性能较差, 冲液条件不好, 以及运丝系统稳定性较低等, 电极丝断丝将会给切割加工带来十分不利的影响, 尤其是偶发断丝是造成电火花线切割加工不准确的重要因素, 甚至会导致最终的切割失败, 当前已经开发了不少的能够在线识别加工异常的适应控制系统, 同时也已经研发出了相应的防止断丝的控制方式。在研究中我们发现, 当在电流峰值不超过二百安的条件下进行加工时, 在即将出现断丝的那瞬间会出现短路频率增加等情况, 而如果在超过五百安的条件下进行加工时, 则在即将出现断丝的时候不会有上述情况出现, 相关专家已经研发出了一种检测及控制系统, 它可以在断丝发生前切断脉冲电源, 这样就有效避免了由于断丝造成的各种危害, 但是这种方法会一定程度上影响加工效率。
还应引起注意的就是导致断丝的另一重要因素, 即电极丝上的热负载太高。在进行电火花线切割加工时, 大多数的热量都是从电极丝发散出去的, 只有很少的一些是通过工作液带走, 或者是辐射散热而发挥出去的。研发人员据此研究了各种加工参数条件下的电极丝热负载, 最后发现断丝情况的出现是与放电特性、温度分布、电极丝的材料屈服、断裂强度等都有紧密联系的。
1.3 脉冲电源技术
在这里我们介绍当前两种脉冲电源技术, 一种是高效电火花脉冲电源, 它是构成单向走丝线切割机床的核心部分, 它主要解决线切割的加工效率问题, 另一种是超高频高速精加工脉冲电源技术, 它主要解决加工表面的质量及精度问题。
(1) 高效脉冲电源技术
对加工效率造成较大影响的主要有高效脉冲电流的上升速率、脉冲参数的适应控制能力及控制策略、加工过程检测等, 脉冲宽度的作用时间一般都不短, 很容易导致熔化加工, 这样就会造成效果很差的表面形态, 增加内应力, 甚至会出现裂纹, 更可能出现断丝情况;当脉冲减小到一定程度时, 作用时间就会相应的减小, 逐渐变成汽化加工, 变质层变薄, 表面质量变好, 内应力也减小了, 进而避免了裂纹的出现。关于高效加工, 国外主要采用的是不同系列的高效自适应控制电源, 通过减少放电时间的方式, 增加峰值电流, 对放电能量进行优化, 在几十纳秒的脉宽下, 峰值电流就可以超过一千安, 并逐渐变成汽化加工, 改善表面质量。
(2) 超高频高速精加工脉冲电源技术
从电火花线切割精加工的角度来看, 提升效率与保障质量之间是一组相互矛盾的要求, 为了能够更好的保障加工表面质量, 就需要要求每一次放电的去除量很小, 而这样就难免会影响到加工的效率, 为了能够解决这两者之间的矛盾, 国外的制造商提出了超高频高速精加工脉冲电源, 如源自瑞士的Clean Cut脉冲电源, 运用的就是快速开关元件, 通过有效整合放电回路的条件下, 进行高频窄脉冲放电, 这样不仅大大提升了工作效率, 还很好的保障了加工表面的质量, 其粗糙度可以控制在0.2μm范围内。
2. 电火花线切割加工技术未来发展趋势
结合当前单向走丝电火花线切割加工技术的发展情况及笔者实践, 本文认为未来的单向走丝电火花线切割加工技术应当向以下几方面发展。
首先, 应当保障更高质量的加工表面, 加强对加工脉冲电源技术、高频脉冲电源技术的研究;
其次, 应当更好的实现微细加工, 加强对微精加工电源、细丝切割工艺技术等的研究;
第三, 应当具备更高的加工效率, 加快对快速检测控制技术的研究, 加大对效率更高的纳秒级、无电阻脉冲电源技术等的研究力度;
第四, 应当具备更高的加工精度, 加快对多次切割技术、精密寻边技术等的研究, 并加大力度研究机床热平衡控制技术等;
第五, 要实现绿色节能的效果, 加大对节能型、低功耗高效脉冲电源的研发等。
结论
综上所述, 随着科技的不断进步及社会发展, 电火花线切割加工技术在航空等诸多领域得到了广泛的应用, 不仅推动了各个行业的发展, 也对其本身功能的完善提出了新的要求, 为了更好对该技术进行研究与实践应用, 本文主要从三方面介绍了单向走丝电火花线切割加工技术, 并对其未来发展趋势及要求提出了五点看法, 望能够为日后的电火花线切割加工技术的应用与研究提供依据。
参考文献
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[2]葛红光.智能型电火花线切割脉冲电源的研究与实现[D].江南大学, 2013-06.
电火花线切割加工技术 篇3
电火花线切割加工过程是典型的多元非线性系统，传统的线切割加工，试验的次数很多，诸多因素影响零件的表面质量和加工效率。各因素之间存在着交互作用的各种影响，大多是在经验的指导下选择加工参数来满足加工工艺的要求。在实际的生产中很不经济，而且往往也不能达到理想的工艺要求[1]，而零件的表面粗糙度是衡量零件质量和机床加工效能的一个重要指标，零件的加工速度是衡量加工效率的主要参数。这两个参数往往是人们追求的主要对象。本文得出了高速走丝线切割加工机床的较优加工参数，主要是在考虑了这两个指标的影响下，通过优化试验设计来完成的。
1 加工机理
电火花线切割：来蚀除多余的金属，以达到对零件的尺寸、形状及表面质量预定的加工要求，是一种基于工具和工件之间脉冲性火花放电时的电腐蚀现象。一般经过以下几个阶段：极间介质的电离、击穿、形成放电通道；介质热分解、电极材料熔化、气化热膨胀；电极材料的抛出不；极间介质的消电离等过程[2]。
目前，国外的电火花线切割机床加工表面粗糙度一般达到Ra<1μm，加工精度一般为（0.005～0.01)mm，而且目前电火花线切割机床在电源稳定，我国的线切割加工表面粗糙度一般为Ra1.25～2.5μm，加工精度大都为（0.01～0.02)mm，显然不能满足高精度模具的加工要求，加工表面质量等方面都还存在着有待提高之处。这些问题一直困扰着加工单位，严重影响了生产效率，降低产品的质量甚至使产品报废。多数电火花线切割机床普遍存在加工不稳定的现象，因此研究慢走丝电火花线切割加工精度的影响因素有重要意义。
2 电火花线切割加工技术
电火花线切割技术，是通过电极丝和工件之间产生的电火花电蚀工件来完成的，在电源稳定以及加工表面质量等方面还存在有待提高之处，电火花线切割技术现在处在高速发展的阶段，放电能量的大小会直接影响到工件表面质量。电极丝作为加工中的重要元素，它的各种机械参数也会对工件加工精度产生影响。工具电极和工件被加工表面之间需要保持一定的间隙：如果间隙过小，很容易形成短路接触从而不能产生火花放电；而如果间隙过大，会导致极间电压不能击穿极间介质而不能产生火花放电。
3 实验安排与数据分析
3.1 实验安排
本课题的实验在DK7732快走丝电火花线切割机床上完成。本实验将采用工件的表面粗糙度作为衡量加工精度的指标，实验过程中改变不同的参数来研究加工精度和加工效率的变化。实验中用到的电极丝为0.18mm钼丝；采用JB-4C精密粗糙度测量仪来测量工件表面粗糙度；工作液为皂化液；所加工的材料为45号优质钢。加工效率指标采用平均加工速度来表示。
3.2 试样制备和试验方法
3.2.1 试样制备试样尺寸为60mm×50mm×5mm的长方体精加工件，其主要化学成分如表1所示。
分别对切削用量安排三因素三水平正交试验，采用L9(33）交互作用正交表，各因素各水平选取值见表2。
按照上述的试验方案，试验选择L9(33）正交表，考虑到各因素之间交互作用的影响，安排试验后，其方案如表3所示[4]。这是一个典型的多目标函数，且目标的追求特性是不一样的，对于工件表面的粗糙度来说，为了保证质量，当然是越小越好，考虑的是望小特性。而对于加工速度来说，从经济性来考虑，当然是越大越好，考虑的是望大特性。因此，本文结合多目标试验数据处理中的加权综合评分法的原理，利用模糊数学的思想[5]，把多目标转化成单目标来进行分析，此处以加工速度的权值为50%，表面粗糙度的权值为50%为例来进行分析，具体权值的分配按照实际的生产需要来进行百分制的安排，加权综合评分值的计算公式为：Mi=a×Mi1+b×Mi2(1)
式中：Mi2为表面粗糙度，以最大值为基准，最大值为1分，按照减小的顺序每小于一个单位加1分；Mi1为加工速度，以最小值为基准，最小值为1分，每大于1个单位加1分，小数部分可进行圆整；a为权值70%；b为权值30%。
为了进一步得到优化的结果，从图中可以看出各因素的发展趋势，可作进一步分析，画出各因素的趋势图，如图1a、1b、1c所示，以每个因素的实际位级用量为横坐标，其试验结果综合评分值为纵坐标。
3.2.2 试验结果分析
放电峰值电流Ie该参数是决定单脉冲能量的主要因素之一。从由表3和图1a可知，随着峰值电流Ie不断增大，Ie增大时，切割速度提高，表面粗糙度增大，综合评分值选（Ie)2时最大，一般对于快走丝线切割机床Ie取15～40A，平均电流小于5A，故选（Ie)2。在实际操作过程中随着Ie增大时，电极丝损耗比加大甚至断丝。放电脉宽时间对切割速度、表面粗糙度等都产生重要影响，它是单个脉冲能量的决定因素之一，也是指脉冲电流持续的时间。从由表3和图1b可看出，增大放电脉宽时间，可以提高切割速度，在其它条件不变的情况下，工件表面粗糙度也会随之变大，综合评分值选（Ti)2时最大，这是因为放电能量使得放电痕也会增大，这个会影响到工件表面粗糙度，放电量的增大会使放电过程中的热膨胀和局部微爆炸作用增强。与此同时电蚀物也随之增加，在实际操作过程中课观察到，当放电脉宽时间超过某一范围时，如再增大放电脉宽时间，容易引起断丝，电蚀物来不及排除，使加工变得不稳定，大大降低切割速度，故选（Ie)2。从由表3和图1c可知，to不能过小，以免引起电弧和断丝，脉冲间隔to减小时平均电流增大，切割速度正比加快。综合评分值选（T0/Ti)3最大，取T0=5ti。特别在刚切入,或大厚度工件加工时，应取较大的to值。由以上分析可见，本试验选取的各因素水平中，使综合评分值最高的优化组合为（Ie)2(Ti)2(T0/Ti)3。即峰值电流为20A脉冲宽度为8s，脉间/脉宽为5。当对不同材料，不同厚度的零件，可以借鉴本试验结果，进一步试验得到比较合适的电参数。
4 结论
本文的主要创新点在于：
(1)采用正交试验的方法，减少了试验的次数，缩短了实验周期，提高了效率和效益；(2)利用正交试验的方法，优化了电火花线切割机床加工工艺参数，提高了加工件的质量；(3)利用正交试验的方法，得出了电参数与加工速度和表面粗糙度之间的联系，为进一步研究电火花线切割加工工艺规律提供了基础。
参考文献
[1]黄瑞宁,狄士春.基于均匀设计的微细电火花线切割加工工艺规律研究[J].电加工与模具,2005(1):12-15.
[2]刘晋春,赵家齐,赵万生.特种加工[M].北京:机械工业出版社,2004.
[3]杨亚琴,王金娥.电火花线切割加工工艺的优化[J].现代机械,2009(4):77-78.
[4]王式安.数理统计[M].北京:北京理工大学出版社,1994:45-48.
上下异形面的电火花线切割机加工 篇4
随着科技的不断进步, 数控技术越来越多地应用于加工实践, 很好地解决了大量复杂的工程实际问题。数控电火花线切割机床就是其中的一个重要组成部分。数控线切割机床是精密加工、模具制造的必备设备, 它不仅能加工一般的金属材料, 还能直接加工淬火钢、硬质合金钢和高硬度金属材料, 从而缩短了模具制造以及新产品开发研制的周期, 具有很好的经济效益。数控线切割机具有性能优异, 工作可靠, 操作简便, 价格低廉, 经济耐用等优点, 广泛应用于汽车、电子、仪器、仪表、精密机械、轻工等各个行业, 并可以较好地加工精密冲模 (凹凸模、固定模) 和挤压样板、盘形凸轮和各种异形零件。
在工程实践中, 结构复杂、制造精度要求高的零件越来越多, 如何解决好这些问题很是值得探讨的。下面我们以“上下异形面”的加工为例来说明线切割加工的一些基本知识。
二、上下异形面加工必须考虑的几个问题
加工工艺在加工过程中至关重要, 因此在制定加工工艺时一定要搞清楚以下几个问题:
1. 电加工工艺指标
线切割加工属于电加工的范畴, 其影响因素不同于机械加工, 在电加工中主要表现为:加工速度、表面粗糙度、电极损耗、电极材料、放电间隙等。
(1) 加工速度
加工速度作为衡量电加工机床性能优劣的工艺指标, 其前提条件指的是在加工表面粗糙一定的情况下 (如Ra=2.5µ) , 也叫二合一工艺指标。影响加工速度的主要因素为:电流、脉宽和脉间, 如图1所示:
(2) 电极丝材料
“不同的加工, 采用不同的电极丝”。只有选择合适的电极丝才能对加工效率、加工成本和加工质量整体进行优化。首先必须了解电极丝的电气特性、机械特性 (拉伸强度、记忆效应、延伸率) 、几何特性、热物理特性 (熔点、气化压力) 等性能。目前, 常用的线切割电极丝有黄铜丝和钨丝或钼丝等。
黄铜丝是线切割领域中第一代专业电极丝。1977年, 黄铜丝开始进入市场。这种电极丝曾带来了切割速度上的突破, 当时对于厚度为50mm的工件, 切割速度从12mm2/min提高到25mm2/min。黄铜丝可以有不同的拉伸强度来满足不同的设备和应用场合。这是通过一系列的拉丝 (淬火作用) 和热处理 (退火) 工序来实现的。
但黄铜丝的具有加工速度无法提高、表面质量不佳、加工精度不高等缺点。因此, 黄铜丝主要应用在如下一些场合: (1) 加工量不足, 不是24小时开机的用户; (2) 对加工精度特别是表面质量要求不高的用户; (3) 以加工小尺寸、薄厚度为主的用户。因为工件装夹调整的时间占总加工时间的比例较高, 切割时间较少, 对加工效率的影响不明显; (4) 工件的材料硬度不高或厚度不超过80-100mm。
黄铜丝的直径一般在0.30mm至0.07mm之间。而对于一些电子、光学和钟表行业的微细零件或超精密的加工, 要求电极丝的直径在0.10mm至0.03mm, 传统上这种电极丝一般采用钨丝或钼丝制作。现在则普遍采用高拉伸强度的钢丝 (100碳钢琴线) 外面加镀黄铜来制作, 俗称“钢琴线”。这种电极丝的拉伸强度为一般电极丝的2倍, 高达2000 N/mm2以上。
(3) 表面粗糙度:
一般用Ra (轮廓算术平均偏差, 单位为µm) 作为衡量电加工机床加工表面质量的工艺指标, 从使用角度讲, 同等Ra的电加工表面质量要优于机加工表面一个等级。
影响表面粗糙度的因素主要为:峰值电流、脉宽、脉间。峰值电流、脉宽愈大则表面粗糙度愈大, 且影响较为明显。脉间愈小加工效率愈大, 而表面粗糙增大不多。
(4) 电极损耗:
电极损耗分为绝对损耗和相对损耗两种。
绝对损耗:单位时间内电极的体积损耗Ve或长度损耗Veh, 单位 (mm3/min) 。
相对损耗:电极绝对损耗与工件加工速度的百分比。相对损耗是衡量电加工机床性能好坏的重要指标。其测量方法是称重或测量长度。
影响相对损耗的因素:
(1) 电极的极性:中粗加工正极性损耗小, 精加工负极性损耗小。如图2a所示。
(2) 脉冲宽度:在峰值电流一定的情况下, 脉宽越大损耗越小, 体现在二个方面, 极性效应和覆盖效应, 如图2c所示。
一般情况下, 加工电流越大损耗就越大。
平均加工电流的选择因素:脉宽、管数、脉间、间隙电压。电流与损耗的关系如图2b所示。
(3) 脉冲间隔:脉间越大损耗就越大, 这是由于“覆盖效应”的影响所致, 脉间与损耗的关系如图2d所示。
(4) 电极材料:其对损耗的影响由小到大的排列顺序如下:银钨合金<铜钨合金<石墨 (粗规准) <紫铜<钢<铸铁<黄铜<铝。
(5) 工件材料:高熔点合金损耗>低熔点合金损耗。
(6) 放电间隙:精加工时适当增大放电间隙可降低电极损耗。
(5) 放电间隙:
放电加工中两极的间距, 即工件尺寸的单边扩大量。
放电间隙如图3所示。
a为出口间隙、b为入口间隙、c为最大间隙。a<b<c。
放电间隙的影响因素:
(1) 空载电压越高, 放电间隙越大。
(2) 脉宽越大, 放电间隙越大。
(3) 峰值电流越大, 放电间隙越大。如图4所示。
2. 必须掌握的几个主要指令
(1) G00 (直线) 快速移动、定位指令
格式:G00X____;G00Y____;G00 X____Y____;
例:G00 X10.Y10.;移动方向如图5所示。
(2) G01直线插补、加工指令
格式同G00, 可单轴加工、二轴联动加工 (插补) 。
例:G01Y10.;G01X5.Y5.;G01X15.Y-10.;如图6所示。
(3) G02 (G03) 顺 (逆) 时针圆弧插补、加工指令
格式:G00 X____Y____I____J____;
其中X、Y是圆弧终点坐标, I、J分别是圆心相对于起点的坐标, X方向上为I, Y方向上为J。如图7所示:
(4) G40、G41、G42 (补偿和取消补偿, 补偿也叫偏移)
格式:G41H***;G42H***;
G41为电极作补偿, G42为电极有补偿。它是在电极运行轨迹的前进方向上, 向左 (或者向右) 偏移一定量, 偏移量由H***确定, 具体通过复赋值定, 一般用H001代替偏移量。G40为取消补偿。如图8所示:
(5) G60/G61上下异形关闭/打开
注意:在上下异形打开时, 不能用G74、G75、G50、G51、G52等代码;上、下形状代码的区分符为“:”, “:”左侧为下面形状, “:”右侧为上面形状。
(6) G92设定当前点的坐标值
用G92代码可以把当前点的坐标设置为需要的值。
例如:G92X0Y0;把当前点设定为 (0, 0) , 即坐标原点。
G92X10.Y10.把当前点设定为 (10, 10) 。如图9所示:
三、举例
加工一个上下异形体, 比如下底面为ф20的圆, 上面为下底面ф20圆的内接正方形, 高度为15mm。简图如图10所示:
加工程序如下 (顺时针加工) :
四、结束语
数控技术是先进制造技术的核心, 是制造业实现自动化、网络化、柔性化、集成化的基础。因此, 随着计算机技术和微电子技术的不断进步, 数控电火花线切割技术的发展必将势不可挡。线切割技术在实际中的应用也将更加广泛, 尤其是网络化将是其发展的必然趋势, 在这个过程中还有很多值得探讨的地方。
摘要：本文简单介绍了线切割技术的应用, 以上下异形面的加工具体说明了在编制电加工工艺时必须考虑的几个方面, 用图形简单形象地解释了几个常用的G代码, 并完成了上下异形面加工的程序编制。
关键词：线切割技术,上下异形面,加工工艺
参考文献
[1]FW2线切割机床用户手册
电火花线切割加工技术 篇5
在模具制造中, 线切割加工起着主导作用。各个板件之间位置都相互关联, 尤其是销钉孔、导柱孔及导套孔。销钉孔起定位、连接的作用, 导柱和导套起导向作用, 从而保证模具中凸模与凹模的配合间隙及位置精度。在慢走丝线切割加工中, 这些关键的孔的精度对整个模具来说起着绝对性作用, 因此, 必须有效解决线切割模具中的丝头问题。
1 丝头的处理方法
丝头是线切割加工中必然出现的, 它是在开始加工和最后加工结束时产生的, 如图1所示, 并不是一个整圆。
解决办法是在圆的圆周上加一个大于电极丝直径的圆 (直径为0.5mm以上) , 让丝头“躲”在里面, 如图2所示。
2 宏程序的编制
大圆的直径为H200, 小圆的半径为H201。
以上是公式的推导过程, 注意:要求小圆必须在大圆的圆周上。
具体程序如下:
以上宏程序中的代码是在三菱慢走丝线切割机床上使用的, 如果想在其它慢走丝线切割机床上使用, 可以借鉴与参考上面的宏程序。
此宏程序的运用, 最大的优点是既解决了丝头隐藏的问题, 又可以使小圆在大圆的圆周上360°任意位置变换与两圆直径大小任意地改变。
3 结语
电火花线切割加工技术 篇6
关键词：起割点,补偿量,补偿方向
1 工件从起割点切割
一般情况下, 在加工之前, 我们用G92指令设定工件坐标系原点, 程序段如下, G54 G90 G92 X+0Y-20, 即电极丝的起割点是在工件坐标系坐标值 (+0, -20) 的位置。而有些技术人员根据电火花成型加工, 铣削加工, 车削加工中的习惯, 直接把程序段写成, G54 G90 G00 X+0 Y-20, 含义是快速将电极丝从当前位置 (一般为机床坐标系原点) 移至工件坐标系坐标值 (0, -20) 位置[1], 不用G92指令, 这样会因工件的阻碍拉断电极丝。
2 走丝电机和工作液马达的开关顺序
在程序开始, 程序段, T86 T84;T86是开走丝电机的指令, T84是开工作液马达的指令;在程序的结尾, 程序段, T85 T87;T85是关工作液马达的指令, T87是关走丝电机的指令。目的是避免高速走丝而将含电蚀产物的混合液带入轴承座内, 加速轴承的磨损[2]。
在高速走丝电火花线切割加工中, 工作液喷嘴在导轮附近, 容易通过高速走丝而将含电蚀产物的混合液带入轴承座内, 加速轴承的磨损, 因此轴承座应密封良好。对采用离心作用将液体甩出而辅助密封的导轮结构, 在操作时, 应先开走丝电机, 再开工作液马达;停机时, 应先关工作液马达, 再关走丝电机。
3 工件坐标系原点的变化
我们把加工前的程序段, G54 G90 G92 X+0 Y-20, 更改成G54 G90 G92 X+10 Y-10, 工件坐标系原点的位置发生变化, 但是穿丝点、切入点、切割方向、补偿量、补偿方向没有改变, 加工出来的工件形状和尺寸没有改变, 如图1和图2。工件坐标系原点通常设置成几何要素的起点、终点、交点、切点的坐标值比较容易求得的位置为宜。
4 结语
通过编制程序, 正确设置工件的切割起点、走丝电机和工作液马达的开关顺序、工件坐标系原点, 为线切割加工打下良好基础, 保证了工件的加工精度, 对线切割加工工件的程序编制有指导作用。
参考文献
[1]苑海燕, 袁玉兰著高速走丝线切割机床操作与实例[M].北京:国防工业出版社, 2010, 10.
电火花线切割加工技术 篇7
穿丝孔是进行线切割加工之前,采用其他加工方法(如钻孔、电火花穿孔)在工件上加工的工艺孔。
(1)穿丝孔的直径大小应适宜,影响到操作的方便性及快捷性,一般为Φ2～8mm。若孔径过小,既增加钻孔难度又不方便穿丝;若孔径太大,则会增加钳工工作量。如果要求切割的型孔数较多,孔径太小,排布较为密集,应采用较小的穿丝孔(Φ0.3～0.5mm),以避免各穿丝孔相互打通或发生干涉现象。
(2)切割凹模或孔腔类零件前必须具有穿丝孔,以保证工件的完整性,穿丝孔的位置最好选在已知轨迹尺寸的交点处或便于计算的坐标点上,以缩短无用轨迹,并力求使之最短,以简化编程中有关坐标尺寸的计算,减少误差便于编程与检查操作加工。
(3)对于凸模类零件,避免将坯件外形切断破坏材料内部残留应力的平衡状态,使材料引起变形,影响加工精度,严重会造成夹丝,断丝使切割无法进行,通常选在坯内部外形附近预制穿丝孔,且切割是运动轨迹与坯件边缘距离应大于5mm,切割大型凸模时,有条件者可沿加工轨迹设置数个穿丝孔,以便切割中发生断丝时能够就近重新穿丝,继续切割如图1。
(4)切割窄槽时,穿丝孔应设在图形的最宽处,不允许穿丝孔与切割轨迹发生相交现象。
(5)穿丝孔应在零件淬硬之前加工好,且加工后应清楚孔中铁屑杂质。
(6)穿丝孔的表面质量和精度不能太差,尤其对于不需要加工、直接作为基准的穿丝孔来说,表面质量和加工精度要求更高因为这些孔的位置是作为基准的。
(7)在同一块坯件上切割出两个以上工件时,应设置各自独立的穿丝孔,不可仅设一个穿丝孔一次切割出所有工件如图2。
(8)如对于特殊形状的工件减少工件内应力引起变形,合理的安排切割起点(穿丝孔),如果只采用一个穿丝孔加工,残余应力会沿切割方向向外释放,造成工件变形,采用多穿丝孔加工可解决此问题,在凸模对称地开四个穿丝孔,当切割每个孔附近时暂停加工,然后转入下一个穿丝孔开始加工,最后用手工方式将连接点分开,然后转入下一个穿丝孔开始加工,最后用手工方式将连接点分开如图3。
2 穿丝孔精度对定位误差的影响
工艺孔即穿丝孔在线切割加工工艺中是不可缺少的,它有三个作用:1用于加工凹模。2减少凸模加工中的变形量和防止因材料变形而发生夹丝现象。3保证被加工部分跟其它有关部位的位置精度。
前两种工艺孔加工要求不高,第三种就需要考虑其加工精度。通常影响工艺孔精度的主要因素有两个,即圆度和垂直度,在实际加工中,孔越深,垂直度越不好保证,尤其是在孔径较小,深度较大时要满足垂直度要求非常困难,因此在较厚工件上加工工艺孔,其垂直度如何就成为工件加工前定位准确与否的重要因素,下面对工艺孔的垂直度与定位误差之间的关系做一分析
因穿丝孔的加工造成孔径变化微乎其微,在此认为孔径不变。为了能看清楚问题,用夸张的方式画一个如图4示意图。
图中AA′和BB′两条线是理想的孔径线,其孔径是D,O点是AB的中点,现在假设加工中钻头偏离了垂直度方向角,使加工后的孔径线变成了AC和BE,其偏移量δ为:δ=htanα
式中,h为孔深。
此时利用钼丝跟孔径接触找中心所测得的孔径为图中d根据其关系,有d=D-δ=d-htanα,其d的中点为O′,那么所产生的定位误差就是点O到O′的距离,设该距离为△,于是
从以上结果可以看出,由于工艺孔的不垂直而造成了δ/2的定位误差。
3 提高工艺孔定位精度的方法
从公式△=(htanα)/2可知,其方法有两个:一是当h一定时,减少倾角,二是当α一定时,减少h,采用第一种方法时,涉及的方面比较多如加工设备的精度,钻头的刚度和加工的效率等,当孔径较小工件较厚时,往往还得不到满意的效果,如果采用第二种方法,问题就可以得到较好的解决,其具体的措施就是将原工艺孔的大部分进行适当扩大,如图由于采用了扩孔方法,使h减小到h′,此时定位误差△′为△′=h′tanα/2
设该误差与原误差的比值为K,有
如果取h′=2mm,h=50mm,K=h′/h=2/50=0.04。这说明现在误差是原误差的百分之四,假如,原误差△=02mm,那么现在误差就是
△′=K△=0.04×0.2=0.008mm,可见,其定位精度有了较大幅度的提高。
4 总结
总之,许多穿丝孔都要作为加工基准,因此在加工前必须确保其相应位置数量及精度,以避免材料的变形等误差因素,影响产品加工精度。只要正确分析合理的安排工艺,就能改善和提高切割加工工件的精度,保证产品的质量。
摘要：随着模具产业和其它加工制造业的飞速发展,对电火花线切割各项工艺指标如尺寸精度、表面粗糙度等都提出了越来越高的要求。在电火花线切割加工中打穿丝孔是一个经常遇到的基本问题,穿丝孔是钼丝相对于工件运动的起点,同时也是程序执行的起始位置。穿丝孔的位置对于加工精度及切割速度关系甚大,文中就打好穿丝孔位置及精度问题进行了论述。
关键词：电火花线切割加工,穿丝孔,位置,精度
参考文献
[1]张学仁主编.数控电火花线切割加工技术.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2000年6月.
[2]丘立庆.模具数控电火花线切割工艺分析与操作案例.化学工业出版社,2008.