提高電火花線切割加工精度的措施研究

引言

電火花線切割加工是利用移動的細(xì)金屬絲(線狀電極,通常直徑為0.02～0.3mm)與工件之間脈沖火花放電的腐蝕作用對工件進(jìn)行切割加工的一種新工藝形式,具有制造成本低、生產(chǎn)周期短、加工精度高、加工余量小等諸多優(yōu)勢。近年來,隨著模具需求量的增加,電火花線切割技術(shù)的應(yīng)用范圍已經(jīng)逐漸擴(kuò)大至各種模具和機(jī)械零件的加工中。目前,電火花線切割加工技術(shù)精度可達(dá)到5μm。隨著大量新技術(shù)的應(yīng)用,促使電火花線切割進(jìn)一步朝著無人化、自動化、高速度、高精度方向發(fā)展。

1電火花線切割加工的工作原理

電火花線切割加工機(jī)床主要由床身、工作臺、工具電極、電動機(jī)、走絲系統(tǒng)、工作液循環(huán)系統(tǒng)、高頻脈沖電源等部分構(gòu)成,其中工作臺通常由X軸和Y軸的電動機(jī)驅(qū)動:工具電極,也稱為電極絲,是指直徑0.02～0.3mm的金屬絲,在工作時由走絲系統(tǒng)帶動,沿著其軸向方向進(jìn)行運(yùn)動:脈沖電源安裝在工件與電極絲中間,一般情況下,工件接電源正極,電極絲接電源負(fù)極。開始工作時,將工件安裝在工作臺上,控制系統(tǒng)根據(jù)預(yù)先設(shè)置的信息,使工作臺移動,使工件靠近電極絲。當(dāng)移動到一定距離(通常為0.01～0.04mm）,產(chǎn)生火花放電,蝕除金屬,完成后將工件遠(yuǎn)離電極絲,控制系統(tǒng)根據(jù)預(yù)先輸入的程序進(jìn)行操作,使得加工過程得以持續(xù)。

電火花線切割采用線極作為工具電極,可以加工一些加工截面比較復(fù)雜的孔柱、小孔、窄縫等工件。電火花線切割主要分為高速(走絲速度為8～10m/s）和低速(走絲速度為10～15m/min）走絲兩種。目前我國用于生產(chǎn)的大多數(shù)是快速往復(fù)走絲的電火花線切割機(jī)。

2電火花線切割加工精度的影響因素及控制措施

長期以來加工精度一直是電火花線切割加工中追求的重要性能,電火花線切割加工精度主要包括:(1）加工工件的外形精度,指從XY平面看到的工件外形尺寸精度,為確保加工表面均勻平滑,要求切割線線性度小、垂直度小:(2）位置精度,指所切割輪廓的相對位置偏差,位置精度容易受機(jī)床本身機(jī)械精度、控制精度及操作中所選用的定位方式等方面因素影響:(3）表面粗糙度,指加工后工件輪廓表面的微觀不平度。

總的來說,影響電火花線切割加工精度的因素十分復(fù)雜,主要分為以下幾種:

2.1工藝參數(shù)

2.1.1電參量對加工精度的影響

電參量是指高頻脈沖電源的參數(shù)變量,主要包括電源電

壓、脈沖頻率、脈沖寬度和脈沖峰值。電火花脈沖加工過程,可以看作是電腐蝕的結(jié)果。在點(diǎn)火花放電加工中,如果脈沖能量過大,會導(dǎo)致每次脈沖放電的蝕除量變大,放電凹坑就會又大又深,使得加工工件表面粗糙度惡化,影響加工精度。實(shí)踐表明,改變脈沖電源的一項(xiàng)或幾項(xiàng)參數(shù),對于加工精度的影響會很大。因此,為了提高加工精度,必須根據(jù)具體加工工件和加工要求,全面考慮參數(shù)變量之間的相互關(guān)系,合理選擇電參數(shù),在滿足加工要求的前提下,提高各項(xiàng)加工指標(biāo)和加工精度。

2.1.2非電參量對加工精度的影響

非電參量主要包括:走絲速度、電極絲張力、電極絲材料、工件厚度、工作液等。

(1）走絲速度過高,會導(dǎo)致加工工件表面粗糙度增大,加工精度降低,且容易造成斷絲。因此,一般來說在程序合理的情況下,走絲速度越慢,加工精度越好。

(2）電極絲張力過大,會引起頻繁斷絲,影響加工穩(wěn)定性和質(zhì)量,所以電極絲張力大小應(yīng)根據(jù)電極絲材料與直徑不同而異,一般應(yīng)在電極絲抗拉強(qiáng)度允許范圍內(nèi)稍微大一點(diǎn),同時在上絲過程中,外加輔助張緊力,確保加工的穩(wěn)定性和精度。

(3）電極絲的粗細(xì),會直接影響電極絲脈沖電流值。電極絲細(xì),承受的電流就小,影響沖液效果,不利于排屑,造成切割速度降低,所加工工件表面粗糙度差。電極絲粗,導(dǎo)致蝕除量過大,進(jìn)而影響加工精度。電極絲粗細(xì)不一樣,所加工的工件厚度也不一樣。因此,為確保加工精度,應(yīng)根據(jù)加工條件與工件不同要求,選擇合適電極絲。

(4）加工工件的厚薄一定程度上會影響加工精度。工件太

薄,容易造成電極絲抖動,不利于保證加工精度與表面粗糙度:工件太厚,工作液不易進(jìn)入放電間隙,加工穩(wěn)定性和精度較差。在實(shí)際加工過程中,一般加工速度會隨著工件厚度的變化而發(fā)生變化,在對不同厚度進(jìn)行加工時,應(yīng)選擇相應(yīng)的最大加工速度,速度太高或太低,都會影響加工精度和效率。

(5）工作液材質(zhì)和電阻率對加工速度都會有影響。在電火花線切割過程中,主要是以工作液作為放電加工介質(zhì),并利用工作液維持工具電極與工件之間的絕緣強(qiáng)度。工作液對于加工精度的影響很大。目前國內(nèi)外很多研究學(xué)者集中于將水基工作液作為電火花加工工作液,不僅對電器元件無腐蝕,對人體和環(huán)境無害,而且能夠有效提高機(jī)床加工精度與效率。

2.2機(jī)床自身

機(jī)床自身品質(zhì)的好壞是影響電火花線切割加工精度的最重要、最基本因素。傳統(tǒng)的電火花線切割加工機(jī)床以高速加工型為主,其目的重在提高加工速度,更加關(guān)注加工生產(chǎn)效率。理論與工藝實(shí)踐研究表明:機(jī)床剛度、熱平衡、發(fā)熱元、伺服系統(tǒng)、加工電源、控制系統(tǒng)等方面因素,都會給加工形狀的精度和表面粗糙度帶來不同程度影響。因此,為了確保加工精度,線切割機(jī)床必須具備以下條件:(1）機(jī)床本身無發(fā)熱源:(2）有足夠的剛度:(3）有良好的熱平衡:(4）有能精確按照指令移動的伺服系統(tǒng):(5）有良好自我修正能力的控制系統(tǒng)。

為了滿足上述條件,各個生產(chǎn)廠家多方面采取了相應(yīng)的措施:

(1）精加工電源。利用精加工電源的電火花線切割加工時,可以產(chǎn)生毫秒級的高頻窄脈沖,無需研磨就能得到較好的表面粗糙度。

(2）提高機(jī)床剛度。為了提高機(jī)床精度,目前在機(jī)床設(shè)計上采用了高剛性的機(jī)械結(jié)構(gòu),比如密烘鑄鐵、焊接鋼板等,同時為了避免加工電源和數(shù)控裝置產(chǎn)生的熱量對機(jī)床造成影響,在設(shè)計上通常將機(jī)床與電源、數(shù)控裝置分開,并采用了嚴(yán)格控制溫度的工作液系統(tǒng),避免溫度變化給電火花線切割機(jī)床加工精度造成影響。

(3）提高工作臺移動的控制精度。隨著機(jī)械的自動化水平和精度控制逐漸提高,利用可編程邏輯控制器PLC,對伺服工作臺進(jìn)行自動化、智能化控制,利用電機(jī)的脈沖驅(qū)動器進(jìn)行計數(shù),確保整個加工過程中工作臺移動的精準(zhǔn)度控制。

2.3拐角加工工藝

在粗加工過程中,電極絲在高頻脈沖放電及工作液壓力的共同作用下,發(fā)生彎曲,從而使電極絲滯后于上下的導(dǎo)向器。在進(jìn)行拐角加工時,由于上下導(dǎo)向器已經(jīng)改變了方向,而電極絲滯后,在拐角處產(chǎn)生塌角現(xiàn)象,影響了加工精度。

在精加工過程中,進(jìn)入拐角區(qū)域后,由于加工余量減少,而在尖角處的電場比較集中,就會導(dǎo)致集中放電,從而造成尖角邊界不整齊或外角過度切削現(xiàn)象。

因此,為了防止塌角,應(yīng)根據(jù)工件加工角度,采取不同的加工方法,尤其是對于內(nèi)角,應(yīng)在拐彎處設(shè)置一個暫停程序,讓電極絲趕上上下導(dǎo)向器,消除延遲量,這樣就能避免塌角,提高加工精度。而當(dāng)電極絲加工軌跡位于被加工工件的外側(cè)時,應(yīng)采用超切程序進(jìn)行加工,這樣可以加工出正確的角度。

3結(jié)語

綜上所述,影響電火花線切割精度的因素有很多,如加工材質(zhì)、加工環(huán)境、加工工藝、機(jī)床自身品質(zhì)等。只有將機(jī)床自身的電參數(shù)與非電參數(shù)都調(diào)整到良好的工作狀態(tài),同時對電火花線切割機(jī)床進(jìn)行定期保養(yǎng)與調(diào)整,才能加工出具有良好加工精度與粗糙度的工件,促進(jìn)生產(chǎn)效率的提升。