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中走丝线切割多次加工工艺技术论述

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 电火花线切割加工(WEDM)的切割速度与加工表面质量是一对矛盾,在一次切割过程中既想获得很高的切割速度,又要获得很好的加工表面质量是十分困难的。低速走丝电火花线切割加工(LS-WEDM)具有很高的综合工艺水平,也不是一次切割而达到工艺指标的,而是采用了多次切割工艺,即第一次切割用较大的脉冲能量和电流加工,以获得较高的切割速度,此时并不过地要求加工表面质量如何;

 
  第二次和第三次切割时,则用精协作单位和精微加工标准逐级修光,以获得理想的加工顼质量和加工精度。高速走丝电火花线切割加工(HS-WEDM)则因其自身特点及设备条件的限制,多次切割工艺至至今无法推广应用,致使它的综合工艺水平远远低于LS-WEDM的工艺水平。为此,广大科技工作者曾进行过大量的实验研究,得出的结论是:HS-WEDM采用多次切割不仅是必要的,而且是可能的,但必须具备以下条件:

 

  ①按国家有关标准控制机床的制造精度和走丝系统的稳定性,并采取必要措施控制电极丝的空间形位变化;

 

  ②开发出适用于多次切割的高频脉冲电源;

 

  ③深入研究多次切割工艺,确定脉冲参数、加工轨迹补偿量及电及丝移动方式和速度等。

 

  1、控制电极丝空间形位变化的措施

 

  电火花线切割加工中,电极丝在放电力的作用下必然会发生空间形位变化莫测,使放电点滞后于进给方向的支撑点。

 

  为了控制电极丝的空间形位变化,可采用下述方法:

 

  增大电极丝的张力,并使支点尽量×近工件上下表面。由于高速走丝电火花线切割机没有张力控制装置,增加电极丝的张力通常是通过适当增加绕丝预紧力和在切割过程中收紧电极丝来实现。现在也有人采用恒张力机构,虽有一定效果,但由于恒张力机构的响应速度较慢,走丝系统的瞬间干扰所引起的张力变化难以及时地被恒张力机构排除,电极丝的瞬间形位变化仍难以控制,加上这种恒张力机构较为复杂,使用不太方便,生产实践中很少采用。

 

  采用红宝石挡丝装置。此方法不仅可限制电极丝的偏移和抖动,而且还可缩短导向支点与工件表面之间的实际距离,对稳定电极丝的空间位置有明显作用。但由于红宝石在加工过程中磨损严重,故使用寿命不长采用高耐用消费品磨性导向装置。该装置采用了高耐磨聚晶金刚石制成的孔径与电极丝直径相差0.02MM的导向器。使用该导向装置后电极丝的空间形位变化受到明显限制,可显著提高加工精度和加工表面质量。且聚晶金刚石硬度高、耐磨性好,使用寿命较长。在小锥度(《=3度)切割加工情况下,一套高耐磨性导向装置使用半年之后,仍对电极丝的形位变化有良好的控制作用,为HS-WEDM采用多次切割工艺创造了良好的条件。

 

  2、高频脉冲电源的改造

 

  以往的HS-WEDM所用的高频脉冲电源是基于一次切割工艺而设计,既要获得较高的切割速度,又要保证加工表面质量不能太差,即在加工表面粗糙度RA《=2.5UM的情况下,有较高的切割速度,高频电源的脉冲宽度在4—40US范围内,脉冲参数变化范围较小,而多次切割则不同,在进行第一次切割时要求切割速度必须稳定在100MM平方/MIN以上,而不太计较加工表面粗糙度的高低,重点是加工稳定及较低的电极损耗。第二次和第三次修光,则希望能获得较理想的加工表面质量。为此,对高频脉冲电源进行了下述改造:成倍提高脉冲峰值电流,控制单个脉冲放电能量和脉冲电流上升率,使其加工速度和加工稳定性大幅度提高,电极丝的丝径损耗控制在切割50000MM平方后小于0.02MM。第二次切割应使加工表面的质量在第一次基础上提高一倍,由于此刻还有较大的加工余量,仍需讲究切割速度;所设定的脉冲参数能保证加工表面粗糙度RA在1.4—1.7UM范围内。第三次是加工表面修光,要求设置精微加工回路,以获得理想的加工表面质量。为此将脉宽降到1UM以下,保证有一定能量输出,以保证修光速度。

 

  3。多次切割工艺的研究

 

  3.1第一次切割

 

  第一次切割的主要任务是高速稳定切割。各有关参数选取用原则如下:

 

  (1)脉冲参数:应选用高峰值电流大能量切割,采用分组脉冲和脉冲电源逐个增大方法,控制脉冲电流上升率,经获得更好的工艺效果。

 

  (2)电极丝中心轨迹的补偿量F:

 

  F=δ+1/2ΦD+⊿+S

 

  式中:F为补偿量,MM;

 

  δ为第一次切割时的平均功放电间隙,MM;

 

  ΦD为电极丝直径,MM;

 

  ⊿为给第二次切割留的加工余量,MM;

 

  S为精修余量,MM。

 

  在高峰值电流加工的情况下,放电间隙δ约为0.02UM,精修余量S甚微,约为0.005UM;而加工余量⊿则取决于切割后的加工表面粗糙度。在我们试验及应用的条件下,第一次切割的加工表面粗糙度一般控制在RA《=3.5MM,再考虑到往复走丝切割条纹的影响,⊿≈2X(5X0.0035)=0.035MM。这样,补偿量F应在0.05—0.06UM之间,选大了会影响第二次切割的速度,选小了又会在第二次切割时难以消除第一次切割留下的换向条纹痕迹。

 

  (3)走丝方式:采用整个贮丝筒的绕丝长度全程往复走丝,走丝速度8M/S。

 

  3.2第二次切割第二次切割的主要任务是修光。各有关参数选用如下:

 

  (1)脉冲参数:要达到修光的目的,就必须减少脉冲放电能量,但放电能量太小,又会影响第二次切割的速度,在兼顾加工表面质量及切割速度的情况下,所选用的脉冲参数应使加工质量提高一级,即第二次切割的表面质量要达到RA《=1.7UM,减少脉冲能量的方法主要靠减少脉宽,而脉冲峰值电流不宜太小。

 

  (2)电极丝中心轨迹线的补偿量F::由于第二次切割是精修,此时的放电间隙很小,仅为0.005—0.007MM,第三次切割所需的加工余量甚微,只有几微米,二者加起来约为0.01MM。这样,此时的补偿量F约为1/2ΦD+0.01MM即可。

 

  (3)走丝方式:为了达到修光的目的,通常以降低丝速为实现,降低丝速虽可减少电极丝的抖动,但往复切割条纹仍难避免。采用某短程往复走丝切割专利,并对进给速度进行限制之后,可以在第二次切割后基本消除往返切割条纹,加工表面粗糙度RA在1.4—1.7UM范围内。

 

  3.3第三次切割第三次切割的主要任务是精修,以获得较理想的加工表面质量。

 

  (1)脉冲参数:应采用精微加工脉冲参数,脉冲宽度T0.2《=1UM,并采取相应的对策,克服线路寄生电容和寄生电感影响,保证精微加工时的放电强度。

 

  (2)电极丝中心轨迹线的补偿量。由于此时的放电间隙很小,只有0.003MM左右,补偿量F主要取决于电极丝直径,设精修时电极丝为ΦD,则F=1/2ΦD+0.003MM。

 

  (3)走丝方式:由于第二次切割后留下的加工余量甚微(⊿《=0.005MM),如何保证在第三次切割过程中能均匀精修,是一个技术难题。首先应保证电极丝运行稳定。以前的做法是将丝速降到1M/S以下,这固然可以大幅度减少电极丝振动,获得良好的工艺效果,但常常会出现加工不稳定的现象,极易受工作液污染程度及其粘度影响,严重时甚至还会使人感到无法正常精修。考虑到工作液要求电极丝与工作之间需要有相对运动速度,在6M/S的情况下采用超短程往复走丝方式,使每次往复切割长度控制在三分之一电极丝半径范围内,并限制其加工过程的最高进给速度,结果获得了很好的工艺效果。利用这种方法在不同机床上由不同操作人员进行三次切割,均能获得RA《=1UM,且加工表面光泽无条纹的效果。

 

  4、多次切割工艺应用略。

 

  多次切割试验研究及应用情况表明,只要高速走丝电火花线切割机的制造精度符合国家有关标准,并附有良好的导向装置及选择合适的精微修光脉冲参数,就可进行多次切割加工,其中如何保证第三次切割时的精修稳定性是进行多次切割的关键技术之一。

 

  为了便于广大用户实际使用,在进一步研究与完善的基础上,我们计划将上述研究的多次切割工艺方法及其工艺参数的选择设计成一个对独立的软件模块,促进高速走丝电火花线切割加工多次切割工艺的推广应用,提升富有我国特色的高速走丝电火花线切割加工的综合工艺水平。
 
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