高速电火花线切割（共8篇）
高速电火花线切割 篇1
0 引言
有关电火花线切割效率提高的研究永远是电加工行业永恒的课题,国外低速走丝电火花线切割(low speed wire-cut electrical discharge machining,LSWEDM)的最大切割效率在300mm2/min沉寂了一段时间后,近来有了新的突破。由于窄脉宽高峰值电流脉冲电源的开发,在与其他条件(各种控制方式、供液条件、复合电极丝等)配合下,可使最高切割效率达到350~500 mm2/min[1]。近年来高速走丝电火花线切割(high speed wire-cut electrical discharge machining,HSWEDM)随着“中走丝”机床(具有多次切割功能的HSWEDM)工艺的逐步推广及复合工作液的普遍使用,其最高稳定切割效率已从以往的100mm2/min左右跃居到目前的接近200mm2/min[2]。但达到这个切割效率后,似乎又停滞不前了。针对此本文进行了初步探讨。
1 高效切割机理分析
1.1 工作液
高效切割的前提是在不断丝的条件下,输入尽可能大的能量,并且维持两极之间处于正常的放电状态。复合工作液的使用之所以能大幅度提高HSWEDM的切割效率,其主要原因之一就是以往采用的乳化液洗涤性能较差,放电后乳化液组分中大量烧蚀的机油与蚀除的金属颗粒结合在极间会形成大量的黏性蚀除产物,堵塞在切缝内,阻挡了新工作液的进入,使得输入能量增加后,放电只能在缺乏极间工作液的黏性的且有松散导电能力的胶体介质中进行,极间放电后不能及时消电离和冷却,因此其放电的波形有较多是从短路直接进入放电状态的(图1)。放电能量增大后,极间冷却困难,电极丝极易烧断,工件表面也容易产生因烧伤而导致的黑白交叉条纹。平均加工电流一般需要控制在3A以内,由此导致HSWEDM实际的切割效率长期徘徊在40~80mm2/min之间[3],而复合工作液相对乳化液而言具有很好的洗涤能力,且放电后不易产生极间黏性蚀除产物,可以保持极间处于正常的冷却状态,因此其放电波形有较大比例体现出具有间隙放电特征的放电延时击穿(图2),其平均切割电流可以增加到6~7A。这样首先从能量的输入而言,可以使得切割效率提高一倍,并且由于极间冷却、消电离充分,放电能量的利用率大大提高;其次,复合工作液与乳化液相比具有较高的电导率,从而起到较好的电解整平及进一步提高脉冲效率的作用,增加能量的利用率并拓宽切缝;第三,复合工作液由于其电导率较乳化液有较大提高,使放电过程中用于击穿介质的能量消耗降低,从而有效提高了脉冲放电几率并降低了能量损失,提高了加工效率;第四,由于极间工作液充分,对放电通道的压缩明显,因此在放电过程中产生的爆炸压较大,蚀除产物的排出更加彻底。上述这些因素综合导致了使用复合工作液后,正常放电的比例大大提高,单位电流切割效率达到30mm2/(min·A),比乳化液的单位电流切割效率20mm2(min·A)提高了50%,因此选用正确的工作液以维持极间保持正常的冷却及消电离状态是大能量切割条件下提高切割效率的首要条件。
1.2 极间供液形式及放电间隙
由于复合工作液优异的冷却和洗涤性能改善了极间放电状态,一次切割效率获得成倍提高,最高可接近200mm2/min。但如果继续增大放电能量,切割效率不会继续提高,其问题实质仍是极间放电状况恶化的结果,而此时主要的问题是大能量切割时投入的放电能量在极间产生了巨大的热量使进入极间的介质瞬时产生气化、分解,如果极间工作液得不到及时补充将使后续放电在只有部分工作液或者无工作液的极间状态下进行,将使得放电状态严重恶化,致使切割效率无法进一步提高。为此在大能量切割时必须考虑变更原有传统的浇注式冷却方式。也就是说,采用HSWEDM大能量切割时,原来采用的工作液浇注冷却方式,即无压力的工作液仅仅依靠附着在电极丝上并随其高速带入极间的冷却方式已不再适用,必须采取高压强迫喷液的方式尽快补充极间汽化掉的工作液。由于复合工作液具有较强的洗涤性,加工中不易产生胶体物质,蚀除产物易于排出,极间切缝较为通畅,为其高压喷入提供了有利条件,因此采用复合工作液仍然是喷液方式的首选。为此需进行以下系统改进:首先,对原浇注式喷嘴进行改进,采用共轴式高压喷嘴,以减小喷液对电极丝的冲击;其次,为降低喷液对电极丝产生冲击引起的扰动,可以增加电极丝导丝器,以提高加工区电极丝的刚性。其喷嘴结构如图3所示。
图4为常压浇注(液体压力为0)状态下采集的放电波形图,图5为高压喷液(喷液压力为0.5MPa)状态下采集的放电波形图。从图4可以看出,采用常压浇注式的冷却方式,极间放电状态已经恶化,放电击穿延时波形较少,单个脉冲放电波形中常伴随较多的微短路现象,说明此时极间工作液的损失较多,极间排屑效果较差,同时极间较多的蚀除产物在钼丝的带动下彼此之间易发生短暂的接触,在两极间容易形成瞬时“搭桥”,从而导致微短路频发。即使是偶尔出现的空载状况,也由于极间工作介质的物理状态已由单一的液态转化为气液两相状态,电解电流大大降低。
相同条件下,图5表现出不同的放电状态。由于采用高压强迫喷液,强化了极间供液,使得极间能够获得充足的液体放电介质,因而处于正常的具有放电击穿延时的间隙状态,提高了脉冲的利用率。
以往对于放电间隙的宽窄通常认为HSWEDM单边放电间隙基本在0.01mm左右,该结论的得出主要是由于当时采用的工作介质是乳化液且平均切割电流在3A以下,因此也就可以得出:对于HSWEDM,极间的冷却主要是依靠附着在电极丝上的工作液带入切缝而进行的结论。但在使用复合工作液且在较高放电能量条件下所获得的放电间隙则完全不同。在本文实验条件下,使用复合工作液后,平均加工电流为3A时,实际单边放电间隙超过0.03mm(未考虑切割面的腰鼓形),且随着切割能量的增大以及工作介质洗涤能力的增强而增大。目前,在采用大脉冲峰值电流和适当的脉冲宽度时获得的单边放电间隙完全可以达到甚至超过0.05mm[4],从而为极间高压喷液的工作提供保障。
1.3 蚀除形式
采用大能量高效切割,由于单位脉冲放电能量大、蚀除速度快,极间蚀除产物在短时间内迅速增多且颗粒体积较大,引起极间工作液的介电强度下降,为此需要较长时间的消电离过程,这样必然会影响切割效率的提高,所以在大能量高效切割时,如何将电蚀产物及时、迅速地排出放电间隙非常重要。由两相流动力学理论可知[5],固体悬浮颗粒尺寸(体积)愈小,其惯性越小,流体越容易将其带走;反之,则难以被快速带走。另外,固相颗粒聚集程度越高,越难以被流体冲走,反之越分散,越易被流体冲走。故当放电加工时,极间蚀除产物颗粒越大,越难以排除,久之便容易产生集聚,使排屑难度加大,同时在两极间易形成“搭桥”,引起短路,造成加工不稳定。因此在电火花线切割中,蚀除颗粒尺寸(体积)越小、越分散,越有利于蚀除产物的排出和极间放电的稳定。
电火花加工蚀除产物颗粒的形状大小在很大程度上与电火花蚀除形式有关。蚀除形式主要有[6]:①气化、蒸发,金属直接由固液态转变为气态或如同水的沸腾那样被去除;②熔化,此时,金属先被熔化,然后在阴极或阳极表面被高压炸散成小液滴而被去除;③热震,由熔化和沸腾着的表面以小颗粒状脱落下来。一般这三种蚀除形式相互伴随,各方式所占比例取决于工件材料的性质、放电能量、脉冲频率、占空比、加工面积和其他机床参数。因此在工件材料一定的条件下,可以通过改变电参数来调节三种蚀除方式所占的比例,以期达到尽可能提高气化、蒸发方式的比例并降低熔化、热震方式比例的目的。气化、蒸发的方式蚀除的金属基本可以通过热蒸气的形式直接排出放电间隙或经冷却后转化为极微小颗粒,便于工作液将其带出放电间隙,以提高极间放电稳定性。显然,提高单脉冲放电能量密度有利于蚀除方式向气化、蒸发的方式转变,而提高峰值放电电流、缩短脉冲放电时间,可有效提高单脉冲放电能量密度。因此在大能量高效切割时,应选择大峰值放电电流,同时在保证较大的平均电流的基础上缩小脉宽。
图6所示为不同高低压复合脉冲电源放电形式下切割的工件微观表面。其中图6a所示为脉冲电源高压142V、低压42.5V情况下切割得到的工件微观表面形貌,图6b所示为脉冲电源高压85V、低压39V情况下切割得到的工件微观表面形貌。从图6a可以看出,切割工件表面较为光亮且基本没有凝固的金属液滴。分析认为,由于脉冲电源电压较高,单脉冲放电能量密度较大,致使切割加工中气化蚀除比例较高,气化后的蚀除产物容易排除,从而改善了极间洗涤、冷却状况,并使切割工件表面较为光亮。图6b的切割工件表面较为灰暗,其表面存在较多的毛刺和凝固的金属液滴,说明由于脉冲电源电压较低,单脉冲放电能量密度有所降低,加工中熔化蚀除比例较高,致使切割工件表面金属液滴残留增多,且由于熔化后的蚀除产物较难排除,极间的洗涤、冷却效果有所下降,切割表面相对较暗,在基本相同的平均切割电流条件下,两种切割状况平均切割效率相差5%~10%。
2 实验
根据上述分析的结论,在大能量切割条件下,通过对比常规浇注式和辅以高压同轴喷液冷却方式的HSWEDM切割工件表面形貌和切割效率,检验在极间大能量切割条件下,辅以高压喷液冷却方式对切割工艺性能具有较好的改善效果。实验现场照片如图7所示。
实验工件:淬火Cr12模具钢,厚度为26mm;工作液:佳润JR3A超浓缩乳化膏,与水按1∶40配比,考虑到冲液后会产生泡沫,适当加入消泡组分加以控制;电极丝:钼丝,0.18mm;运丝速度:10m/s;电极丝长度:100m;喷嘴与工件表面距离:0.5mm;高压水泵:Grundfos(格兰富)高压水泵,CRK2-110。加工参数:脉宽64μs,占空比1∶5,功率管7支,脉冲电源高压85V,低压39V。分别做了几组实验,为便于分析,取其中三组,结果如表1所示。切割完毕的常压浇注冷却(1号)与喷液冷却(4号、5号)工件表面如图8所示。
从实验结果可以看出,高压喷液冷却方式下的切割效率较常压浇注冷却方式下的切割效率有大幅提高,突破了平均切割效率长期处于200mm2/min以内的局面,并且在同样加工参数条件下,切割效率的增幅接近20%,此外,由图8可以看到,常压浇注冷却条件下切割表面带有大量的由于极间没有充足工作液冷却而导致的黑白交叉的烧伤纹,且由于极间得不到及时充分的冷却,电极丝烧断的几率大大增高,而高压喷液冷却条件下的切割表面基本没有烧伤纹,电极丝的使用寿命也大大提高。实验表明,辅以高压喷液的HSWEDM在大能量放电加工条件下可以进行高效切割。
3 结论
(1)正确选择工作液,以实现极间清洁的间隙状态及较宽的切缝是实现大能量放电切割的前提。
(2)采用同轴高压喷液方式,能及时补充因大能量放电加工而气化的极间工作液,使极间放电和冷却状况得到改善,并消除切割表面烧伤纹。
(3)在大能量高效切割时,应选择大峰值放电电流,同时在保证平均电流较大的基础上减小脉宽,以尽可能实现以气化为主的蚀除方式。
参考文献
[1]叶军.数控低速走丝电火花线切割加工技术及市场发展分析[J].电加工与模具,2005(增刊):13-16.
[2]刘志东.基于复合工作液的电火花线切割加工技术研究[J].电加工与模具,2008(增刊):24-30.
[3]周大农.电火花线切割加工技术的现状和发展[J].机械工人,2006(6):17-19.
[4]刘志东.以复合工作液为放电介质的低速走丝电火花线切割可行性研究[J].航空精密制造技术,2007,43(4):39-42.
[5]方丁酉.两相流动力学[M].长沙:国防科学技术大学出版社,1988.
[6]高上品.电火花加工过程的物理本质[J].机电一体化,1996(3):29-31.
高速电火花线切割 篇2
【关键词】快走丝电火花线切割机、数控编程、实习教学
【正 文】
2016年3月5日，李克强总理在第十二届全国人大四次会议政府工作报告上提到：“要鼓励企业开展个性化定制、柔性化生产，培育精益求精的工匠精神”，“工匠精神”首次出现在政府的工作报告上。社会需要更多更好的高品质产品，“工匠精神”是保证产品品质的前提。响应总理号召，宏扬“工匠精神”，技工院校教师责无旁贷。与同行们分享在快走丝电火花线切机使用方面的经验，探讨操作心得，让更多人能成为末来的“工匠”，是自己的心愿。
经过摸索，将“学习快走丝电火花线切割机操作”划分成三个任务，特与大家分享。
一、第一“学编程”
快走丝电火花线切割机属于数控机床，它的切割“刀具”是“钼丝”产生的高温电火花。钼丝与工件之间不直接接触，彼此间保留有0.01MM左右的间隔，这个空隙就是电火花燃烧的空间。在这个空间内，高频电放出的火花，瞬间产生近万度的高温，将作为电极的金属工件烧熔，汽化，造成裂隙，从而达到分离切割工件目的。作为电极的另一端——“钼丝”，只会上下快速移动，使整根钼丝都成为刀具；工件上要切割的轨迹，全靠機床的X、Y轴（丝杠）带动工件移动综合生成，机床丝杠是由数控设备及步进电机控制运动，它的运动精度比较高。
工件的外形图案，就是工件移动的轨迹，是靠数控系统程序来控制实现的。数控电火花线切割机使用的程序，主两有种：即3B代码程序和ISO代码程序。
1、3B代码程序
3B代码是一种结构相对固定的控制格式，代码中含有3个B字母（这些B字母只起到分隔符的作用，没有其它意思）。它是以X向或Y向托板进给计数的方法决定是否到达终点，只适用于二维加工。一般使用：B B B GX Z或B B B GY Z格式，所有数值采用绝对值，单位为微米（um）。
如下所示：这是一个加工模数m=1，齿数z=10，压力角20度，变位系数为=0，齿顶高系数=1，齿顶隙系数=0.25mm小齿轮的线切割数控3B程序。
这个程序共有83行语句，N1代表第一句，N2代表第二句，依此类推；N83表示第83句程序，它的代码内容是“DD”两个字母，表示停机结束程序的意思。从这里可以看出，线切割复杂一点的工件，程序行数都比较多，书写有点困难。因此，只有直线或简单图形，才会手工编程；通常情况下，都是依赖电脑数控编程。
2、电脑编程
不管是3B代码程序，还是G代码程序，都可以通过数控软件自动编程生成，既方便又准确。学习线切机操作，必须学会电脑编程。目前，可以生成线切割加工程序的电脑软件有很多种，有caxa线切割编程软件，也有YH，AUTOP专用程序软件，这些软件都有一个共同特点：首先画加工工件图形，然后给定加工参数（如选择钼丝直径，钼丝偏移量，补尝值等），最后自动生成加工程序。当然，程序生成后，还可以模似加工一下，以判断是否正确，是否符合加工需要。绘制工件图形，所用的画线功能与AutoCAD类似，就是画直线、圆弧、角线；并通过平移、复制、剪切编辑操作，认真练习，上手较快。
3、经验分享
数控编程中，最容易出现问题的要素有两个，第一个是切割时钼丝的“偏移方向”，即钼丝中心线往那个方向偏移；第二个要素是“钼丝偏移的值”是多少？对于第一个要素：要看清加工时保留的工件是内芯凸件还是外凹母件，保留内芯件，钼丝就往外形方向偏移，这相当于锯割时让锯缝挪到外部，保证工件尺寸精度不受锯缝影响；反之，则采取相反选择。对于第二个要素，钼丝偏移值——通常取“钼丝的半径值再加上0.02”mm，例如，钼丝直径为0.16mm时，偏移值取0.10mm（半径0.08+0.02）；这里0.02mm就是钼丝放电时它与工件的空隙。如果加工后发现工件尺寸有误差，就要调节这个放电间隙值，它与放电时的电压、电流等电参量有关，同时与切割时冷却效果，冲洗质量等因素有关，需要认真摸索，才能尽可能消除误差，达到高精度加工质量和效果。
二、第二“学操作控制”
利用数控软件，画好工件图形，自动生成加工代码程序后，仿真检验程序是否正确，如果正确，就可以进入生产加工环节——操作控制机器，切割出所需要的工件。在这个环节中，共有两个步骤：切削前准备和切削加工操作。具体过程及经验分享如下：
1、切削前准备
切削前任务有：完成程序录入，装夹工件，绕排及检查钼丝，准备冷却液等步骤。
准备任务内容中，首先要完成的任务就是程序录入工作。操作数控机器，需要有数控程序。数控电火花机床的程序输入方法有多种：可以用键盘直接录入；也可以用U盘等传递介质复制过去；或者通过通讯软件、电脑网络将程序直接发送到电火花线切割机的控制单元上；如果是机器自带编程软件，可以在编程届面中直接转向加工届面，将生成的程序启动，便捷实现加工操作。
装夹工件任务排第二步。装夹工件要考虑两个重要的因素：一是工件重量，二是不妨碍切割。装夹要安全、稳定、牢固，特别是考虑到切割过半时，工件要有足够支撑，不会因为自重原因而造成装夹变形，掉落，歪斜；切割终极时，保证工件还能有足够支撑或固定，这个对大型工件或重量大的工件，特别重要。装夹时要确定起点位；切割的起始位置是基准位，也是起点位；通常要先钻一个直径?3mm的小孔，以便能穿过钼丝；这个位置要与程序生成时相一致。将工件毛坯装夹固定后，手动调整工件，并对准基准穿丝孔中心位置，将钼丝穿过丝孔、导轮、电极和压紧轮，最后固定在卷丝筒上。装夹环节中，特别要注意固定爪不要在切割运行轨迹线上，不能跨越切割轨迹，否则钼丝会切断固定爪。
第三个准备任务是做好绕排及检查钼丝的工作。完成工件装夹与钼丝穿引后，启动卷丝筒，观察钼丝的绕排情况；钼丝在全工作长度范围内不能起绉、起折打结，保证良好直线性；注意钼丝与机床电极接触情况，确保接触良好，导电受电不被影响。调节好卷丝筒的电机行程开关位置，保证切割钼丝可利用的切割长度最长，滚筒两侧只留5～10圈的磨擦固定圈就可以了，这样可以有效提高钼丝使用效率，提高切割质量。
第四个准备任务是检查、调试好冷却液。走丝正常后，就要检查冷却液体的质量、余量，如果太脏、变质，要及时更换；如果余量不足，要增添新的乳化液。最后检查液体回流通道，不能有堵住通道的杂物存在；通道也不能有泄漏点，以免破坏干爽、整洁的工作环境。一切检查完毕后，即可启动冷却泵。冷却液上来后，要认真调节上、下喷嘴的流量，确保有足够的液体冲洗钼丝和切割缝中的切屑。
2、切削加工
准备工作完成后，即可开始切割加工控制操作任务。此时，主要工作内容是启动电控部分。具体步骤：首先启动高频电流，再启动自动进给。当X轴、Y轴进给驱动电机开始工作，并不断地把工件按程序要求送给钼丝切割，鉬丝靠近工件时，就会看到电火花，并听到哔啪爆炸声。这时电火花线切割正式开始了。
在切削过程中，认真调节钼丝、工件之间的放电电压，确保放电电流稳定。随着控制跟踪系统的进行，钼丝就可以稳定地进行切割。工件厚度大，采用大电流；但电流过大，切割表面比较粗糙，精度不好。电参数的设置，很重要；不同硬度材料，不同种类材料，电参数选择不同；操作者也可以通过记录总结，形成自己喜欢的，有效的电参数系列表。
三、第三“学维修保养”
电火花线切割机床也需要定期维护保养，才能保证长期稳定运行。保养项目有日常小保养，定期保养等。
1、日常保养项目
日常保养是保证机器正常使用，延长寿命的关键，日常保养很重要，是基础工作。日常保养的内容主要有：（1）每天认真检查滚轮、导轮，导电极的磨损及工作情况；特别要注意观察它们与钼丝的接触配合情况，保证钼丝在导轮、导电极的中心位置，确保走丝顺畅。（2）要认真检查钼丝本身，认真观察它是否有明显损伤（表面凹凸不平），如果烧损严重，要及时更换新的钼丝；（3）经常观察检查数控电机及传动丝杠工作情况，及时给丝杠更换润骨脂，保持传动精度良好；（4）检察及更换冷却液。冷却液起到防止工件烧坏、退火、隔绝空气，保持电火花稳定，及时冲洗切缝切屑等作用；冷却液使用一段时间后，会因为切屑积累，液体与空气接触氧化，经电火花高温影响等因素，会变色，变质，性能会下降；失效的冷却液，要及时更换。我们使用佳润牌线切割专用乳化液，通常一个月更换一次；如果切割频繁，半个月就要更换一次。
2、定期修理工作
日常保养工作做得好，机器性能就稳定，可以更好地为生产服务。日复一日的工作，机械也容易生病，因此，使用一定时间，比如半年或一年，很有必要对机器进行定期的检查、维修工作。电火花线切割机的定期维护修理主要有以下内容：
（1）、清洁或更换电路元件、插板等。长时间工作运行，电器元件最容易吸贮灰尘、积聚脏东西，因此需要定期打扫清洁、检查；同时，一些电子元件，如电解电容，大功率电阻等，容易老化、性能下降，造成装置性能下降、失效或损坏，无法产生正常的电火花，这时，就需要更换电路元件或插板。
（2）、定期检查测定丝杆及传动螺母的配合间隙。数控步进电机的信号，最终变成切割轨迹的位移，实现这个位移，全靠丝杆与传动螺母的配合，长时间的工作，两者间会出现磨损，从而影响加工精度；因此，定期检测工作间隙，当发现较大误差时，需要给予补尝处理或修理。
（3）、定期清理及维护冷却系统。冷却液带着切屑流动，通过各个通道回到蓄水箱，再由冷却泵抽出，因此，定期清洁及梳通冷却液通道，清理杂质，是保障供给的基础。冷却泵也要定期清理，维护，这些工作都很重要；是维护机器正常工作必不可少的修理任务。
（4）、定期检测机床轨道参数（垂直度、平行度等值），确保配合间隙，使之润滑良好，是保护加工精度的主要措施。通过定期检查，可以发现机器毛病，及时修复，避免故障扩大，这是技术工人必须养成的好习惯，这也是“工匠”精神追求的目标。
小结：经过多年的工作实践，用这种“划分三个任务”的方法安排学员学习，成效明显。同学们从刚进入车间时对数控电火花线切割机操作一无所知，到能熟练掌握操作，进步很快。学习训练任务的完美制订，体现教师对“工匠精神”的理解与施行；教师在教学过程中，自己就必须先是“工匠”，才能培育学生成为明天生产中的“工匠”。
高速电火花线切割 篇3
作为高速 往复走丝 电火花线 切割 (HSWEDM)机床的重要品种———锥度线切割机床已广泛应用于成形刀具、电火花成形加工用电极、塑料和橡胶挤出模、拉丝模、模具镶拼件及多种零件(如斜齿轮、叶片等)的加工领域[1]。锥度工件特别是大锥度(≥±5°)工件切割时,由于受多种因素(尤其是电极丝采用导轮定位产生的各种结构误差)的影响,加上大锥度切割时工作液不能很好地包裹住电极丝且不能随着电极丝沿倾斜方向进入加工区域,其加工精度和表面粗糙度比直体加工时差很多,切割过程中断丝概率也较高, 因此对于锥度零件的多次切割特别是大锥度零件的多次切割显得更加困难。
1现有大锥度切割存在的问题及处理方法
1.1现有大锥度结构
现有大锥度切割的HSWEDM通常由普通四连杆摆动 式大锥度线架实 现,如图1所示[2]。 导轮在四连杆带动下可以在U方向进行平移及在V方向进行偏摆。采用导轮对电极丝进行定位存在以下问题:首先会产生锥度切割时电极丝的交切误差,如图2所示。锥度切割过程中,当进行U向平移时,电极丝在导轮上的切点将从直体切割时的A、C点转变成锥度切割时的B、D点,这就形成了实际电极丝位置和理论电极 丝位置的误差,即交切误差b(图2)。交切误差随着切割锥度的增大和导轮直径的增大而加大。虽然交切误差可以通过插补计算的误差补偿进行修正,但由于大锥度切割时电极丝的空间位置的不稳定和不确定性,误差补偿大多数情况下反而适得其反。 因此,如需要进行精密的大锥度切割时,必须首先保持电极丝空间位置的一致性和稳定性,采用导丝器对电极丝进行限位是行之有效的方法。 其次, 采用导轮对电极丝进行定位时,喷水嘴为避免与电极丝在U方向平移时形成干涉,通常做成沿U方向长槽式的多出水孔喷嘴,如图3所示。此时对电极丝的冷却无法保证工作液从喷嘴喷出后包裹住电极丝,且对电极丝产生扰动,如图4所示。 所以该方式对加工区域的冷却效果很差,影响切割精度和表面质量。
1.2现有大锥度切割工作液扰动分析
线切割加工的工作液都具有一定的黏度[3], 在电极丝走丝时,就会因电极丝的运动而产生剪切流动,这种流动的根源在于流层间的黏性摩擦作用[4]。稳定切割过程中,理想条件下工作液能够均匀包裹住电极丝,如图5所示。加工过程中为使极间蚀除产物能够及时排除,需要保证放电间隙工作液具有较大流量[5]。流量大时,由于工作液重力及水流的喷射压力作用,工作液自身流向为垂直于工作台面方向,而锥度切割时,电极丝倾斜一定的角度,工作液流向不平行于电极丝,因此对电极丝产生扰动。正向走丝(电极丝由上向下走丝)时,电极丝对工作液的剪切力垂直方向分力与工作液自身重力及工作液喷射压力同向,电极丝倾斜一定角度时,由于电极丝对工作液的剪切力作用,工作液在电极丝一侧产生 “水幕”(图6a),对电极丝产生扰动,使加工不稳定,加工时采集的放电脉冲波形如图7a所示。电极丝反向走丝(电极丝由下向上走丝)时,剪切力垂直方向分力与工作液自身重力及水流喷射压力反向,避免了“水幕”现象产生,如图6b所示,工作液对电极丝的干扰较小,脉冲波形如图7b所示。
根据流体动量定律:系统内的流体动量的时间变化率等于作用在系统上的外力矢量和[6],即
式中,dx为流体单位位移;ρ为流体密度;u为平均流速; dv为单位质 点流速;sv为单位时 间流量;F为外力矢量和。
式(1)中,等号左边表示系统内的流体动量, 等号右边表示作用在系统上的外力矢量和。假设流体断面速度为常数,v1、v2分别为两断面速度。 由于封闭系统中,流体单位时间内流量Q恒定,所以各方向动量方程为
大锥度切割实验中,取单位时间工作液质量为 δm,初始速度取为v1,其方向垂直于工作台面(图8中Y方向),到达电极丝时工作液速度可视为与电极丝速度相等,v2方向与电极丝方向平行,如图8所示。图8中分别为电极丝对工作液的剪切力在X、Y方向上的投影。 将上述条件代入式 (2)可得
式中,δmg为单位时间工作液重力。
线切割加工过程中,电极丝可以抽象为两端支撑的弦[7],其两端受张紧力T作用,如图9所示。由牛顿第三运动定律可知,,即在电极丝正向走丝时,工作液在电极丝径向方向存在一定作用力F′,使得锥度切割时,电极丝正向走丝时偏离理论位置,从而严重影响工件表面质量。
2六连杆大锥度随动导丝及喷水机构原理
针对现有的HSWEDM在切割大锥度工件时电极丝定位和喷水装置不能实现随动导丝及喷水的问题,设计了一种六连杆大锥度随动导丝及喷水机构,其原理如图10所示[8]。
1.丝筒 2.电极丝 3.恒张力机构 4.宝石叉 5.V 向丝 6.U 向丝杠 7.上 线 8.上 电 9.上 轮 10.上导 器 11.上 杆 12.下 丝 13.下 轮 14.下进电块 15.下连杆 16.下直线轴 17.套筒连杆
六连杆大锥度随动导丝及喷水机构U向传动过程如下:在U向电机的传动下,通过齿轮、丝杠6带动上直线轴7前后运动。此时整个上直线轴7和下连杆15的前后旋转中心为下线臂后端点G。当上直线轴7前伸或后退时,上连杆11向前或向后运动,通过转动点A带动上导丝器10绕旋转中心点C顺时针或逆时针旋转,如图11所示,与此同时下连杆15在套筒连杆17的带动下也会向前运动并通过转动点B带动下导丝器12绕旋转中心点D顺时针或逆时针旋转。这样的运动可以保证上下导丝器转动一个角度,使得导丝器内的硬质定位块V形槽与电极丝始终重合。上连杆11与下连杆15的距离在运动过程中必然会产生伸长和缩短变化,这些变化可以由套筒连杆17自动伸长和缩短来补偿。U向的定位原理如图12所示。在运动过程中电极丝的伸长量由恒张力机构3进行补偿,走丝系统的进电由上下进电块8、14完成。
设计的六连杆大锥度随动导丝及喷水机构由于电极丝方向始终与导丝器中的V形槽重合,设计于导丝器上的喷水嘴喷出的工作液始终能包裹住电极丝并随电极丝进入加工区,因此能起到很好的洗涤、冷却和消电离作用[9],对加工精度、切割效率和表面质量的提高起到积极作用。其机构装置与加工过程如图13与图14所示。
3随动喷水及导丝加工工艺试验
分别采用现有大锥度机构与设计的随动导丝及喷水机构进行锥度切割试验。试验条件如表1所示。
3.1工件表面质量影响
试验切割材料为厚20mm的Cr12,切割形状为20mm×20mm锥度±20°的四方锥体,试验参数如表2所示。
不同喷液条件下工件表面质量如图15~ 图17所示。现有喷液方式下工件表面粗糙度Ra= 4.976μm,随动喷液方式下工件表面粗糙度Ra= 3.284μm。
由图15~图17可知,现有大锥度喷液方式工作液带入量不稳定,当加工区域工作液不足时, 极间蚀除产物没有及时排出,导致工件表面得不到及时冷却而出现烧伤;当工作液流量较大时,锥度加工中其喷射方向和电极丝走向角度时刻变化,工作液对电极丝的扰动力发生变化,导致工件表面形成凹凸不平的表面;而随动喷水在保证加工区域洗涤性能的同时减小了对电极丝的扰动力,工件表面平整均匀。
3.2工件精度影响
试验切割材料为厚20mm的Cr12,切割形状为底径20mm、锥度±20°的圆锥体。试验参数同表2。切割工件精度如表3所示。
μm
随动导丝及喷水机构切割大锥度工件时电极丝始终垂直穿过导丝器,由导轮跳动和工作液扰动形成的扰动产生的振动通过导丝器的阻尼作用减弱消除[10],电极丝空间稳定性和一致性得到保证,零件加工精度相对现有机构有所提高。
3.3大锥度多次切割影响
试验切割材料为厚40mm的Cr12,切割形状为底径40mm、锥度±20°的圆锥体。试验参数如表4所示。
多次切割工件表面纹理如图18所示。两种机构切割 工件表面 粗糙度和 精度如表5、表6所示。
μm
μm
多次切割过程中,一次切割是双面对称余量加工,此时电极丝是在一个封闭的环境中进行切割加工的,对电极丝振动的阻尼作用较大,同时有利于电极丝在切缝中的稳定[11];而第二次切割是单边余量加工,加工时作用在电极丝上的放电力是不对称的,电极丝两侧的阻尼状态也不一样,此时切缝对电极丝振幅的约束作用大大减弱,如图19所示[12]。现有机构大锥度多次切割,由于没有能够保持电极丝空间位置及稳定性的机构,加上工作液对电极丝的扰动力,电极丝振动影响加大, 多次切割工件表面效果很差。
随动导丝及喷水机构大锥度切割过程中工作液喷射方向始终与电极丝平行,且导丝器减小了电极丝的振动,多次切割过程中能够保持电极丝空间位置的稳定性,使多次切割电极丝重复定位精度提高,能够实现多次切割,大大提高了工件表面质量及精度。
4结语
高速电火花线切割 篇4
电火花线切割效率提高的研究永远是该行业最关注的课题, 国外低速单向走丝电火花线切割 (low speed wire-cut electrical discharge machi- ning, LSWEDM ) 的最大切割效率在300 mm2/mim左右沉寂了一段时间后, 近来有了新的突破。最新开发的窄脉宽高峰值电流脉冲电源, 在与其他特定条件 (各种控制方式、供液条件、复合材质电极丝等) 的配合下, 可使最高切割效率达到500mm2/min[1]。对LSWEDM来说, 铜丝是一次使用的, 所以铜丝的损耗对加工精度影响甚微, 在常规加工中可不予考虑, 故追求更高切割效率对生产有着重大的意义。目前, 高速往复走丝电火花线切割 (high speed wire-cut electrical discharge machining, HSWEDM) 的最大切割效率已经超过200mm2/min[2]。 对HSWEDM来说, 钼丝是重复使用的, 在这样的切割效率下, 传统脉冲电源靠单纯提高脉冲能量会导致钼丝损伤加大, 电极丝损耗严重, 短时间内就可能出现断丝, 对实际切割而言, 并没有实用的价值。因此, 为达到高效加工的实用化, 必须对高效低损耗切割技术的实现机理进行研究。
1高效低损耗机理分析
1.1低损耗特性
电火花线切割加工单个脉冲能量为
Wm=UeIeTe (1)
式中, Wm为单个脉冲能量, J;Ie为脉冲电流幅值, A;Te为放电持续时间或电流脉宽, μs;Ue为放电维持电压, V。
式 (1) 中, 放电维持电压Ue的大小主要取决于工作介质种类, 一般在20~25V之间, 脉冲电流幅值、极间距离及放电电流大小等对Ue影响不大, 且Ue在加工中基本维持不变[3]。由此可见, 不同的电压脉冲波形对加工产生影响的主要因素是放电电流, 即电流状态是影响加工效率及钼丝损耗的决定因素。
对电火花线切割而言, 提高加工电流可以增加放电时的蚀除量。HSWEDM采用的是正极性加工方式, 放电通道内奔向正极的电子轰击工件, 对工件进行蚀除, 奔向负极的离子则轰击钼丝, 造成钼丝的损耗。能量密度增加时, 通道内击穿后产生的粒子轰击爆炸力变大, 产生的离子也会随电子的增多而增多, 对钼丝的损耗也会随着加工效率的提高而增大。因此, 为了兼顾高效率与低损耗, 要使单个脉冲放电期间内轰击工件表面的电子尽可能多, 同时减少轰击电极丝的离子[4]。
电子具有较小的质量和惯性, 容易获得很大的加速度和速度, 在击穿放电的初始阶段就有大量的电子奔向正极, 把能量传递到正极表面, 使其迅速熔化和气化。正离子则由于质量和惯性较大, 起动和加速较慢, 在击穿放电的初始阶段, 大量的正离子来不及到达负极表面, 故到达负极表面并传递能量的只有一小部分正离子。根据这一原理, 可以采用电流阶梯波脉冲电源进行加工, 在获得较高加工效率的同时, 减少电极损耗[5], 如图1、图2所示。与相同放电能量下传统矩形波脉冲电源 (图3、图4) 相比, 电流波形的前沿斜率变小, 放电初期的电流密度减小。较小的加工电流密度、较小的放电功率可有效地减小离子数量的增加, 使得到达负极的离子变少;电子也会相应减少, 导致切割效率下降, 但电子的质量小、加速快, 受到的影响明显小于离子, 因此切割效率下降不大。随着放电能量的逐级释放, 放电通道内的离子加速, 到达负极的离子数到最大前就结束放电, 可减小对钼丝的轰击作用, 使钼丝在加工中由于力和热产生的延伸变缓, 也使钼丝的损耗变得较小。因此, 从脉冲波形和脉冲能量分析可知, 电流阶梯波脉冲电源有利于减小HSWEDM钼丝损耗, 同时对切割效率影响也较小。
高效切割中, 峰值电流越大, 产生的蚀除颗粒越大, 蚀除产物难以及时排除, 容易造成短路, 出现非正常放电。由杂质粒子构成的导电桥导致松散接触放电的概率显著增大。同时, 单位时间产生的蚀除物剧增, 导致放电间隙状态恶化, 容易出现非正常放电 (微电弧放电、电弧放电、微短路放电及短路) 现象。许多学者对非正常放电进行了分析研究, Rajurkar等[6]发现高密度的放电集中发生在电极丝上某些点, 连续的集中放电会使这些点温度升高, 导致丝损, 最后造成电极丝拉断。 伍俊[7]通过统计断丝前的特征波形, 对数据进行分析得出结论:断丝的原因是过热, 不夹杂开路或短路状态的持续放电脉冲串是断丝的先兆。以上观点的本质是非正常放电会导致瞬间能量密度增加, 加快了钼丝的损伤及损耗, 甚至增大断丝的可能性, 所以在电火花线切割加工中, 非正常放电是造成钼丝损耗甚至烧断的主要因素之一。如何更有效地减少非正常放电并控制非正常放电能量就成为减小钼丝的损伤及损耗、避免断丝的重要措施之一。
根据以上分析, 采用高效低损耗脉冲电源控制非正常放电能量的方式:检测放电状态, 当发生非正常放电时, 减少主脉冲能量或取消本次的主脉冲能量;当放电间隙恢复到正常放电状态时, 恢复主脉冲能量。
对比图5、图6可知, 发生短路放电时, 传统脉冲电源输入到放电间隙的能量密度远大于其正常加工状态时输入到放电间隙的能量密度 (图4) 。虽然短路不会形成放电, 对工件和钼丝不做功, 但会加热极间的介质, 使得极间消电离状态恶化, 增大松散接触放电的几率。松散接触放电对工件和钼丝损伤严重, 使断丝可能性加大。同时脉冲不能有效利用, 浪费能源。高效低损耗脉冲电源能主动截止主脉冲能量, 使放电间隙的能量基本为零, 减小了松散接触放电的几率。对比图7、图8可知:发生微短路时, 若脉冲为短路状态, 则高效低损耗电源截止主能量输入;当放电通道恢复正常, 从瞬间短路过渡到火花放电状态时, 从电压波形可以看出有明显的击穿延时, 击穿后逐步释放放电能量, 将微短路放电转化为正常的火花放电 (图8) 。传统脉冲电源从微短路放电状态直接过渡到火花放电状态, 没有击穿延时, 此时电源输入到间隙的电流密度远远大于同样状态下高效低损耗电源输入到间隙的电流密度, 且由于目前所使用的反馈控制系统是非线性的, 开路状态的反馈作用远大于短路状态的反馈作用, 故当加工过程不稳定时, 加工状态大多数时间是处于偏短路状态。同时, 传统电源的断丝直径远远大于高效低损耗电源的断丝直径 (钼丝均从0.18mm开始切割, 传统电源断丝直径大约为0.13mm, 高效低损耗电源断丝直径大约为0.10mm) , 其原因是传统电源没有控制非正常放电的能量, 钼丝更容易出现非正常的烧断。传统电源断丝时出现大量的“花斑”也验证了非正常放电对钼丝损耗影响之大。高效低损耗电源断丝时, 钼丝表面基本均匀, 其断丝的原因是钼丝直径过小, 弹性基本消失, 无法承受正常放电所产生的热应力。所以切断非正常脉冲能量是降低钼丝损耗最重要的措施之一, 高效低损耗电源既降低了钼丝损耗, 减小了断丝的几率, 又能通过提高脉冲能量增加切割效率。
1.2高效切割特性
一般线切割加工中, 各个放电脉冲能量的差异主要取决于脉冲放电的持续时间。HSWEDM在理想切割状态下, 脉冲电源发出的等频脉冲中, 脉冲的10%约为空载波, 脉冲的80%约为正常放电加工波形, 脉冲的10%约为短路波[8]。实际加工过程中, 受电极丝稳定性、极间工作介质冷却、消电离未达到理想状态等因素的制约, 空载波与短路波的比例之和往往会超过20%, 所以减少空载波和短路波是提高脉冲利用率和切割效率的主要措施。
传统脉冲电源输出脉冲的脉宽ti和脉间to都是设定的, 而极间的间隙是不断变化的 (由于电极丝及介质状态的不稳定) 。每个脉冲的击穿延时随机性很大, 从而将使实际放电的脉冲电流宽度te发生变化, 影响单个脉冲能量。图9为传统电源在加工时的波形图, 从图9可看出, 虽然每个脉冲的宽度是相同的, 但放电持续时间te受随机因素影响而不确定, 从而使每次放电能量的大小也是随机的。这必然会造成切割表面电蚀坑或大或小, 切割效率相对降低, 且切割表面匀称性较差。
高效低损耗脉冲电源的基本工作原理之一是通过检测脉冲放电的起始时刻, 控制脉冲放电的持续时间, 使每一个脉冲的放电持续时间与设定值保持一致, 从而使每次放电时的单个脉冲能量基本保持恒定。由图10可知, 高效低损耗脉冲电源输出的脉冲电压宽度是不定的, 但每次的放电持续时间即电流脉宽却是恒定的。由图11、图12可知, 瞬间非正常放电过渡到正常火花放电的电流脉宽与正常放电的电流脉宽是基本相同的, 这保证了每个脉冲释放的能量基本相同, 提高了加工的稳定性。从图10还可以看出, 由于放电脉冲能量得到了控制, 所以脉冲电源可以在间隙击穿放电之前, 始终输出电压, 使间隙有效击穿的几率增加, 从而提高了放电脉冲利用率, 提高了切割效率。高效低损耗脉冲电源的每个脉冲在介质击穿后所释放的单个脉冲能量相等, 保证了切割表面电蚀坑均匀, 减小了工件的表面粗糙度, 同时也使得电极丝承受了均匀的离子轰击, 延长了电极丝的使用寿命。
2试验结果
根据以上分析, 在大能量切割条件下, 通过对比高效低损耗脉冲电源和传统脉冲电源的切割工件表面形貌、切割效率和电极丝的寿命[9] (在指定加工条件下, 开始切割直至烧断时所能切割的面积) , 验证大能量切割条件下, 高效低损耗脉冲电源对切割工艺性能的改善。
试验条件为:电极丝选用长300m、直径为0.18mm的钼丝;工作液选用配比 (工作液原液质量∶纯净水质量) 为1∶20的JR1A工作液;加工工件为60mm厚的45钢;电极丝线速度设置为12m/s, 工作液常压喷液。两个脉冲电源 (参数见表1) 在相同参数下做了2组比较试验。切割兼顾了4个切割方向, 试验现场照片如图13所示。 第1组加工参数主要对比高效低损耗电源与传统电源长期稳定切割的情况;第2组参数特殊性在于脉宽一定、占空比最低、峰值电流最大, 此时高效低损耗电源和传统电源的平均加工电流达到最大值, 且两种电源的切割效率都在190~ 200mm2/min之间。此时模拟两种电源在极间十分恶劣条件下, 切割工艺指标的对比情况。
从试验结果可以看出, 使用高效低损耗电源的钼丝损耗较使用传统电源的钼丝损耗有大幅度下降 (图14、表2) , 钼丝寿命增幅在50% 以上。 在相同的电源参数下, 高效低损耗电源的切割效率并不低于传统电源的切割效率, 且切割效率增幅接近2%。对比图15、图16可看出, 高效低损耗电源所加工工件表面平整、电蚀坑均匀一致, 没有“短路线”;传统电源所加工工件表面有明显的 “短路线”, 且电蚀坑大小不一致。从图17可以看出, 采用传统电源的钼丝表面较暗, 其切割的工件表面黑白条纹明显 (图18) , 而高效低损耗电源的钼丝表面及工件表面光亮均匀。工件表面产生差异的主要原因是, 当出现异常放电时, 高效低损耗电源能主动截止放电间隙中能量的输出。传统电源短路后, 脉冲电源加热了极间介质, 使得极间介质冷却及消电离作用减弱, 因此表面更容易出现烧伤或其他不正常放电产生的“短路线” (图16) 。 同时, 高效低损耗电源采用等能量脉冲方式保证了每个脉冲输出的能量基本一致, 而传统电源的电流脉宽有随机性, 所以采用高效低损耗电源的加工表面粗糙度要好于传统电源 (表3) 。此外, 从表2、图18可以看出, 在极间洗涤条件恶化时, 高效低损耗电源对电极丝的保护及对加工表面的改善效果更佳明显。
mm2
3结语
从理论和实践方面探讨了阶梯脉冲、非正常脉冲切断、等能量脉冲等对电火花线切割高效低损耗加工的影响机理, 分析了高效低损耗电源与传统电源的差异, 为HSWEDM高效率低损耗加工的深入研究提供了理论和实践依据。试验表明, 目前的高效低损耗脉冲电源能在切割效率为190~200mm2/min的高效切割条件下实现长期稳定切割。
参考文献
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高速电火花线切割 篇5
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。
参考文献
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上下异形面的电火花线切割机加工 篇6
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
高速电火花线切割 篇7
电火花线切割技术属于特种加工技术, 是在电火花加工技术之上, 于1950年代末最早在前苏联发展起来的一种新的工艺形式, 我国于1961年研制出电火花线切割机床, 并将其最早应用于工业生产。该技术具有适合加工高硬度切削材料、适合加工复杂形孔及各种复杂平面外形、材料利用率高、加工精度高、易于实现数字控制、加工的残余应力较小等优点[1]。随着该技术的不断发展, 现已广泛应用于机械制造 (特别是模具制造) 、航空、电子、仪器仪表、轻工等行业。因此, 预测电火花线切割技术发展趋势、研发方向, 是值得关注的问题。本文将利用专利分析法, 对电火花线切割技术的相关专利数据进行检索、整理和分析, 总结国内电火花线切割技术的专利申请特点, 预测该技术的发展趋势[2]。
2 理论与方法
2.1 专利信息分析与专利分析的作用
专利信息分析是对专利文献中专利数量、内容、数量的变化或不同范围内各种量的比值 (如百分比、增长率等) 的研究, 是通过科学的方法对专利信息进行分析和归纳, 整理出直观易懂的图表结果, 最终形成专利情报和谋略。
根据世界知识产权组织的统计, 专利文献中包含了世界上95%的研发成果。如果能够有效地利用专利情报, 可以协助企业确定研发主题和方向, 避免重复研究;辅助企业掌握竞争对手在产品、技术方面的研发现状或发展趋势, 以此调整自身的技术开发方向、战略发展定位和竞争策略等[3]。
2.2 专利分析方法
专利分析方法[4,5]一般分为定量分析法和定性分析法。其中定量分析法主要是对专利外表特征数据进行统计分析, 主要有专利申请率、授权率、专利数量随时间的变化、国家、区域、机构的专利产出、专利的技术领域与主题分布、专利申请的变化情况等。定性分析法主要指通过对专利信息的内容进行归纳、分析某一技术当前状况以及未来前景的方法, 主要是围绕特定的技术主题, 分析专利的技术内涵, 判断专利的重要性, 确定区别出基本专利和派生专利。通常情况下, 在进行专利分析时, 需要将定量分析与定性分析结合起来使用, 也就是将外表特征及内容特征结合起来进行分析, 才能达到较好的分析效果。
本文在国家知识产权局网站“名称”栏中输入“电火花and线切割”关键词, 时间截止为2013年8月26日, 共搜索出346项电火花线切割技术专利, 通过对这些专利数据进行整理与分析, 对国内电火花线切割技术历年专利申请数量、专利类型比例、申请国别、国内区域分布、申请机构竞争力、分类号分布等多个专利分析指标进行分析, 并提出发展建议。
3 国内电火花线切割技术专利统计分析
3.1 历年申请量分析
电火花线切割专利历年申请量分布如图1所示, 申请数量总体呈现逐年增长趋势, 到2008年出现第一次技术发展高峰期, 2009年呈现技术发展低谷期, 随后恢复增长趋势, 到2012年申请数量达第二次技术发展高峰期, 且申请数量比第一次多出一倍。由于截至笔者搜集专利的时间为2013年8月, 且专利的申请具有滞后效应, 故2013年的申请量还有增长的空间。由此可见, 近年来正是电火花线切割技术发展的活跃期。
3.2 专利类型、国别及地域分析
电火花线切割专利类型如图2所示, 实用新型专利占过半的比例, 发明专利占44%, 外观设计专利较少, 仅占5%。通过分析这三类专利类型的历年申请量得出如图3所示的分布图, 2004年以前的实用新型专利类型占主要部分, 从2005年开始, 发明专利数量逐年上升, 且多次超过实用新型专利数量。
图4国内电火花线切割专利国别地域情况
专利申请国别及地域情况如图4所示, 日本在中国境内申请了50项电火花线切割技术专利, 占专利总数的14%, 其中有43项专利由日本的发那科株式会社申请, 有6项由日本的三菱电机株式会社申请, 有1项由株式会社沙迪克申请。瑞士企业在中国境内申请了3项电火花线切割技术专利, 占专利总数的1%。由此可见, 日本和瑞士企业都比较重视电火花线切割技术的专利保护。我国目前有24个省、自治区、直辖市申请电火花线切割技术专利, 主要集中在江苏、浙江、广东、北京、四川等地, 排名前5位的省市专利申请量已占在国内申请电火花线切割专利的62%。由此可见, 这些地区经济发展速度较快, 对电火花线切割技术的研发比较重视, 同时有经济实力持续投入该领域的研发, 可以预见今后我国的电火花线切割技术科研力量仍将以这些地区为核心进行科研创新攻关。
3.3 发明人、专利权人情况
电火花线切割专利发明人情况统计如图5所示, 国内个人发明专利比单位发明专利比例高出9%, 但在中国境内申请专利的外国个人发明比单位发明则低9%, 可见在该领域国外发明人比较注重团队合作。就专利权人情况而言, 如图6所示, 公司 (或者企业) 掌握了一半的专利权, 11%的其它比例属于未授权状态, 由此可见, 电火花线切割专利大多应用到了企业的实际生产, 促进了专利技术向生产的转化。
3.4 研发机构、人员竞争力情况
通过如表1所示的多个专利分析指标来综合评价研发机构、人员的竞争力, 可知排名前十的专利申请人多为企业和个人, 其中日本企业发那科株式会社在中国申请的专利数量和拥有的专利权数量最多, 是近年来竞争力最强的单位。江苏三星机械制造有限公司申请量排名第二, 但其专利的发明人皆为王炎秋, 加上王炎秋独自申请的5项专利, 王炎秋共发明专利26项, 另外钟树平的专利申请量达15项, 可见该二人对国内的电火花线切割技术贡献较大。进入专利申请量排名前十的高校数量相对较少, 加之高校拥有专利权的比例也较少, 如何加强高校的科研与企业的实践相结合, 是高校和企业未来的共同奋斗目标。
3.5 技术内容分布
通过对电火花线切割专利的IPC (国际专利分类号) 进行分析, 将专利分类号总数超过5的专利按申请年限进行统计, 得出如图7所示国内电火花线切割专利核心技术分布图。可见在国内申请的电火花线切割专利类型多为B23H (电火花线切割机床主机结构) , 这类专利占86%, 其次是15-09 (外观设计) 专利占4%, B23Q (机床的零件、部件或附件) 类型的专利占4%, 而H02M (脉冲电源技术) 专利和C10M (电火花线切割加工工作液) 专利各占2%左右, 其余类型的专利占2%左右。国内现有的电火花线切割专利申请多集中在机床主机结构的改进设计方面, 且呈现持续创新趋势, 对另外的核心技术—脉冲电源技术、控制技术研究和专利申请还比较少, 而国内外电火花线切割技术的主要差距就在于此, 因此可以增加这类技术的研发投入。
4 结论
目前电火花线切割技术正处于发展的活跃期, 发明专利申请数量在逐年增加, 日本和瑞士企业比较重视在中国的电火花线切割技术专利保护, 且申请类型多为发明型专利, 因此需要国内的相关企业和研究机构重点关注这些国家的电火花线切割技术发展情况。从研发机构、人员竞争力情况来看, 企业是该领域研发创新的主力军, 高校也应加大投入参与特种加工技术理论与实践相结合的科研项目。从技术内容分布来看, 对电火花线切割机床主机结构的改进设计专利较多, 是研发的持续热点, 而脉冲电源技术、控制技术的研究和专利申请还比较少, 具有潜在的技术创新点。
参考文献
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高速电火花线切割 篇8
由于高速走丝电火花线切割(high speed wire-cut electrical discharge machining,HSWEDM)多次切割(中走丝)[1]采用往复走丝方式,导致换向时运丝系统受到换向冲击引起电极丝空间位置变化,此外,第一次切割采用大能量加工时,为防止断丝,电极丝张力通常被控制在较低水平,致使后续多次切割如加大电极丝张力就会对下一个工件一次切割时产生张力不可逆问题(电极丝张力由小增大可以,但再由大变小则较为困难),且由于往复使用,长时间加工后电极丝产生损耗变细,刚度降低,也致使电极丝空间稳定性变差。这些均限制了目前中走丝方式切割精度的进一步提高,使其多次切割后精度一直徘徊在0.01mm[2]左右,并且还受到上述诸多因素的干扰,导致切割精度不稳定。由于低速走丝电火花线切割(low speed wire-cut electrical discharge machining,LSWEDM)采用单向走丝,不存在电极丝换向、丝耗问题,且电极丝张力分级可控,能满足后续多次切割对不同张力的要求,通过多次切割增大张力,提高了电极丝的刚性和空间稳定性。不过,高速走丝在大厚度、低成本切割方面仍拥有天然的优势。鉴于此,若能将高速、低速走丝电火花线切割有机结合、取长补短,研制出高低双速走丝电火花线切割机,以突破当前国内高速走丝电火花线切割机的加工精度低的瓶颈。
1 高低双速走丝的实现
1.1 设计概念[3]
高低双速走丝电火花线切割机的设计主导思想是:一次切割仍采用钼丝高速往复大能量切割,二次或多次切割采用黄铜丝低速单向小能量精修。通过增加低速走丝系统,从而实现高低双速走丝加工。其一次切割与普通高速走丝电火花线切割加工并无异样,而多次切割时低速走丝的实现与传统低速走丝电火花线切割却有一定的区别,由于是在前期高速切割留下的切缝或是在前期高速去料切割后得到的半敞开式条件下进行多次切割,因此首先在保证极间工作介质充足平稳供应的前提下可采用较低压力,其次工作介质可采用洗涤性较好的复合工作液[4,5],最后由于后续切割采用较低能量加工,喷液压力和运丝速度可进一步降低,从而实现较低喷液压力下的低速单向走丝切割。
1.2 实现方式
高低双速走丝机床的实现可以在现有的中走丝机床上增加张力精控装置和低速走丝系统,将高速走丝和低速走丝两套机构有机结合在一起,如图1所示。
1.工作液箱系统 2.封闭门 3.黄铜丝 4.高速走丝储丝筒 机构 5.高速走丝恒张力机构 6.低速走丝张力精控装置 7.低速走丝储丝筒机构 8.Z轴调节手柄 9.上导丝器 10.上喷嘴 11.锥度机构 12.下喷嘴 13.下导丝器 14.X轴调节手柄 15.Y轴调节手柄 16.床身 17.喷液压力调节面板 18.废丝桶 19.排丝机构
1.3 特点
高低双速走丝电火花线切割机整合了HSWEDM和LSWEDM的优点,体现在:
(1)加工精度高。高低双速走丝在精加工时采用单向低速走丝,不仅能避免换向冲击,而且会降低储丝筒、导轮、轴承的径向跳动和轴向窜动,提高了加工精度[6]。
(2)电极丝张力分级可控。由于高低走丝系统相互独立,不存在张力可逆问题,一次切割高速走丝系统可采用较小的电极丝张力,而多次切割低速走丝系统可增大电极丝张力。
(3)切割厚度大、效率高。高低双速走丝一次切割采用高速运丝大能量切割,以实现高效、大厚度加工,后续多次切割降低丝速,从而在保证切割效率的情况下提高切割精度和表面粗糙度。
(4)成本低。高低双速走丝对工作介质的极间喷入压力要求较LSWEDM低,工作介质可以选用复合工作液代替去离子水,避免了昂贵的去离子水装置及高压喷液装置,同时,仍可采用目前的高频脉冲电源及控制系统,生产、运行成本及技术难度较LSWEDM大大降低。
2 工艺试验
试验采用DK7732中走丝机床作为试验平台,其最高和最低运丝速度分别达到10m/s和0.14m/s。分别采用中走丝和高低双速走丝工艺方案(表1),4次切割10mm×10mm×30mm的立方体试件,用UT2062B数字存储示波器采集极间放电电压、电流波形,用XJP-300金相显微镜拍摄切割表面微观形貌,并测量切割试件的尺寸精度、腰鼓形、尺寸差(与10mm×10mm的偏差值)和表面粗糙度,对比两种工艺方法切割的尺寸精度、腰鼓形和表面粗糙度。切割条件如下:材料为Cr12,厚度为30mm,工作介质为佳润3A型(JR3A)复合乳化膏,配比为1∶40,钼丝直径为0.18mm。表1中,“单”表示单向运丝。
3 结果分析
两组工艺方案各切割了三件,并对各组试件测量表面粗糙度及X方向、Y方向的上中下三点处尺寸,然后取平均值,并计算双边腰鼓形和尺寸差,结果如表2所示。
采用高低双速走丝进行切割的加工精度和腰鼓形均有较大改善,表面粗糙度却有所降低。
3.1 尺寸精度
高低双速走丝较中走丝的切割尺寸精度明显提高。首先,受换向冲击影响,中走丝虽有限位装置,但其电极丝空间定位精度仍难以保障,而高低双速走丝多次切割时由于单向运丝,消除了换向对运丝系统的冲击,电极丝空间位置易于控制,提高了切割精度和切割一致性;其次,高低双速走丝多次切割由于运丝速度较低,降低了运丝系统各环节的运动误差及振动,提高了电极丝的空间稳定性,减小了切割误差,电极丝振动对尺寸精度的影响如图2所示,电极丝振幅A越小,电极丝振动引起的单边切割误差Δ(理论上与对应的A相等)也越小;第三,由于高低双速走丝多次切割时采用更大的张力,提高了电极丝刚性,以减少多次切割因单边放电作用(放电爆炸力、工作液阻尼分布不对称等)引起的电极丝让刀量[7],提高了尺寸精度,其原理如图3(进给方向与纸面垂直)所示。图3中,F为电极丝张紧力,f为单边放电作用对电极丝产生的不对称力,D为电极丝实际空间位置与理想位置之间的最大差值(最大让刀量)。
(a)预紧力F0作用下的理想空间位置 (b)较小张紧力F1作用下的实际空间位置 (c)较大张紧力F2作用下的实际空间位置
3.2 腰鼓形
传统的高速走丝与低速走丝在一次切割时,切割面上的腰鼓形形状是有差别的,如图4(电极丝进给方向垂直纸面)所示。高速走丝由于运丝速度较高,定位导轮的跳动较大,而电极丝在切缝中又会受到较大的阻尼作用[8],最终形成图4a所示的中间凸的形状;而低速走丝由于导丝器对电极丝的定位精度较好,加之上下喷液造成蚀除产物在工件中间区域汇聚,使中间区域工作液电导率增大引起二次放电作用几率增加,导致低速走丝的腰鼓形呈现图4b所示的中间凹的形状[9]。因此高速走丝与低速走丝加工得到的工件腰鼓形具有一定的反向差异。在高低双速加工时由于高速和低速走丝加工工艺的组合,一次与多次切割腰鼓形误差有一定的相互弥补作用,从而有效地抑制腰鼓形的产生。另外,高低双速走丝仍采用HSWEDM传统高频脉冲电源,使电导率的极间差异对腰鼓形的敏感性大大降低,并兼顾低速走丝下较高的电极丝空间位置稳定性,因此高低双速走丝切割的工件腰鼓形较之中走丝平缓。
(a)高速走丝切割 (b)低速走丝切割
3.3 表面粗糙度
在单脉冲放电能量基本一样的条件下,高低双速走丝多次切割的表面粗糙度较中走丝没有改善,反而稍有增加。分析认为:首先,低速走丝切割使电极丝失去了对工件表面的抛磨作用;其次,在低速走丝条件下放电通道不易形成转移,因此放电点的能量密度较中走丝切割应该略高一些;最后,由于低速走丝运丝速度缓慢,其极间的冷却和洗涤性能不如中走丝,且切割表面残留的金属液滴也较多。上述因素应该都是造成高低双速走丝在切割能量基本一样的条件下,表面粗糙度值比中走丝时略微要高一些的原因。
图5、图6分别为中走丝和双速走丝第三次切割的放电波形图,从图5可看出中走丝运丝速度在2m/s时,其放电波形中正常放电波形所占比例较大,且短路、正常放电、空载等波形之间频繁转换,表明在较高的运丝速度下,一方面电极丝振动较大,不断引起各种加工状态间的相互转变,另一方面电极丝摆脱短路的能力较强,即使两极短暂接触形成短路后也能很快又重新进入正常加工放电,所以这种短暂接触所形成的短路对加工表面整体影响并不大,反而因两极相对高速运动产生机械刮削,对加工表面起到抛磨作用,改善了切割表面粗糙度。图6中的双速走丝在运丝速度为0.38m/s时,表现出较为典型的间隙放电特征:脉冲放电波形中空载波占据较大比例,正常放电波形较少但带有明显的击穿延时现象,短路波基本没有出现,表明在较低运丝速度下,电极丝振动很小,不易与加工表面形成接触,更无法形成高速下的机械抛磨作用。
图7、图8分别为中走丝和高低双速走丝切割的微观表面形貌。图7中的切割表面较为光亮,基本没有蚀除残留液滴,且放电凹坑呈现大而浅的特征,表明中走丝多次切割在较高的运丝速度下,极间排屑、洗涤效果较好,且由于丝速较快,放电通道转移较快,单脉冲放电能量相对分散,能量密度降低,放电形成的凹坑较大、较浅。图8中的切割表面稍暗,有明显的金属残留液滴,且放电凹坑呈现较深的特点,表明高低双速走丝多次切割在低速走丝下,极间排屑、洗涤效果较差,且由于丝速较低,放电通道不易形成转移,单脉冲放电能量较集中,放电形成的凹坑较深,使加工表面粗糙度值增大。因此高低双速单向低速走丝切割时,可通过降低单脉冲放电能量和适当提高喷液压力,以减少金属液滴在切割面上的残留,从而有效改善低速走丝下的切割表面粗糙度。
4 结论
(1)高低双速走丝多次切割通过采用单向低速走丝和增大电极丝张力,消除了换向冲击,降低了电极丝振动,并减小了单边切割让刀量,其切割尺寸精度较中走丝的切割尺寸精度明显提高。
(2)高速与低速走丝两种加工工艺的组合、传统高频电源的使用及低速下较高的电极丝空间稳定性,均使高低双速走丝加工的腰鼓形较中走丝加工时有一定改善。
(3)低速走丝切割表现为明显的间隙放电加工,消除了电极丝对工件表面的抛磨作用,并弱化了工作液对极间的冷却和洗涤,排屑效果较差,使得高低双速走丝切割工件表面粗糙度值略有增高。
摘要：阐述了高低双速走丝电火花线切割机的设计概念、实现方式和特点。通过一次高速走丝大能量切割、多次单向低速走丝切割并加大电极丝张力等措施,与高速走丝多次切割(中走丝)方式进行了对比试验。结果表明高低双速走丝的切割精度、腰鼓形均比中走丝切割方式有明显改善,而表面粗糙度值则略有提高。
关键词：高低双速走丝,多次切割,精度,腰鼓形,表面粗糙度
参考文献
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