多型孔零件電火花線切割加工工藝研究

劉 哲

（蘭州工業(yè)高等專科學(xué)校機(jī)械工程系，甘肅蘭州 730050）

多型孔零件電火花線切割加工工藝研究

劉 哲

（蘭州工業(yè)高等專科學(xué)校機(jī)械工程系，甘肅蘭州 730050）

針對型孔尺寸精度、表面粗糙度及型孔分布圓軸心線與工件外圓柱面軸心線的同軸度有較高要求的多型孔零件，從切割路線及切割次數(shù)的安排、電極絲偏移量的計(jì)算、穿絲孔位置及切入切出方式的確定、工作液及電參數(shù)的選擇、工件裝夾與調(diào)整、程序編制、加工及檢驗(yàn)等方面進(jìn)行研究，形成了完整的型孔加工工藝和檢驗(yàn)方法，實(shí)踐證明效果良好。

多型孔 同軸度 電火花線切割 工藝

圖1所示凸凹模零件，材料為Cr12，熱處理54～58 HRC。對作為凹模刃口的4個型孔除了有較高的尺寸精度、表面粗糙度要求外，還對2個方孔中心和2個異形孔R6.5 mm圓弧圓心分布圓軸心線與工件外圓柱面軸心線有同軸度的要求，采用精銑和鉗工研配的方法加工難度大，成本高，因此采用電火花線切割來加工。零件加工工藝流程為：下料#鍛造毛坯#退火#車外圓及端面，留磨削余量#鉗工劃線定螺紋孔、銷釘孔及穿絲孔位置#鉆螺紋底孔、銷釘孔，攻螺紋，鉸銷釘孔#銑床鉆穿絲孔，銑漏料孔#淬火，回火，保證54～58 HRC#磨外圓及端面至尺寸#線切割型孔，留研磨拋光量#研磨拋光#檢驗(yàn)。就型孔加工而言，制定科學(xué)可行的電火花線切割加工工藝，是保證加工質(zhì)量，避免在最后加工階段工件報(bào)廢的關(guān)鍵。本文對型孔的電火花線切割加工工藝及檢驗(yàn)方法進(jìn)行了研究。

1 型孔線切割加工主要考慮因素

1.1 設(shè)備選擇

零件型孔要求表面粗糙度Ra=0.8 m。快走絲線切割機(jī)床加工工件表面粗糙度一般Ra=1.25～2.5 m；慢走絲線切割機(jī)床加工工件最佳表面粗糙度Ra＜0.5 μm，且加工圓度誤差、直線度誤差和尺寸誤差都較快走絲線切割機(jī)床好很多［1］。因此，選用現(xiàn)有的北京阿奇夏米爾CF20慢走絲線切割機(jī)床完成零件型孔加工。

1.2 切割路線及切割次數(shù)確定

型孔切割順序不同，切割過程中產(chǎn)生的應(yīng)力重新分布引起的工件變形也不一樣，按型孔Ⅰ、Ⅲ、Ⅱ、Ⅳ順序切割產(chǎn)生的應(yīng)力重新分布引起的工件變形造成的加工誤差小。所以，采取型孔Ⅰ#型孔Ⅲ#型孔Ⅱ#型孔Ⅳ的切割路線加工，如圖2所示。

多次切割是提高慢走絲線切割加工精度及表面質(zhì)量的根本手段。一般是一次切割成形，二次切割提高精度，三次以上切割提高表面質(zhì)量［2］。對圖1所示零件型孔采用二次切割的方法加工，即先對4個型孔進(jìn)行主切割加工，之后改變電極絲偏移量和加工參數(shù)再進(jìn)行一次修整切割。這樣，不但可以去除主切割時在料芯切落處留下的凸尖和拐角處的塌角量，減小表面粗糙度值，減少人工研磨拋光量，而且能夠修整主切割過程中材料內(nèi)部應(yīng)力重新分布引起的變形，提高型孔的加工精度。

1.3 電極絲偏移量計(jì)算

選擇φ0.20 mm的黃銅絲為電極絲。它能加工的拐角極限Rmin=0.15～2.2 mm，滿足型孔拐角圓弧加工需要。一般第一次主切割后留0.02～0.03 mm的修整切割余量［3］。主切割時電極絲中心偏移量為切割時電極絲中心偏移量為

式中：δ為單邊放電間隙，主切割時峰值電流大，δ約為0.02 mm，修整切割時峰值電流小，δ約為 0.005～0.007 mm；d為電極絲直徑；Δ為修整切割的加工余量，此處Δ取0.03 mm；s為研磨拋光余量，大約0.01 mm。

因電極絲直徑d為0.2 mm，主切割時取δ=0.02 mm，則電極絲中心偏移量 f1=0.02+0.2/2+0.03+0.01=0.16 mm。修整切割時取 δ=0.007 mm，電極絲中心偏移量 f2= δ+d/2+s=0.007+0.2/2+0.01=0.117 mm。

1.4 穿絲孔位置及切入切出方式確定

由于4個型孔分布圓軸心線與工件外圓柱面軸心線有同軸度要求，加工時應(yīng)以外圓為基準(zhǔn)找出工件的軸心，然后以工件軸心為基準(zhǔn)進(jìn)行各個型孔加工。因此將切割起始點(diǎn)設(shè)置在方孔中心和異形孔R6.5 mm圓心處。熱處理前在方孔中心和異形孔R6.5 mm圓心位置鉆φ4 mm的穿絲孔。

編制型孔加工程序時，若以慣用的方法選取輪廓截面上靠近穿絲孔的A點(diǎn)為程序切入點(diǎn)，也作為切出點(diǎn)，以O(shè)A為引入線加入電極絲偏移量補(bǔ)償切入封閉輪廓，輪廓切割完后又從A點(diǎn)切出返回起始點(diǎn)O并取消電極絲偏移量補(bǔ)償。此時引入、引出段為同一軌跡線，由于補(bǔ)償加入和取消過程中電極絲中心軌跡與理論引入、引出線不重合，勢必會在A點(diǎn)產(chǎn)生一凸尖，如圖3所示，修整切割時也無法去除。為此，可以從電極絲切入、切出方式上進(jìn)行控制以避免凸尖的產(chǎn)生。對于方孔，從起始點(diǎn)O作垂線交輪廓于A點(diǎn)，以A點(diǎn)為切點(diǎn)做半徑和弧長為3～5 mm的圓弧AB和圓弧AC，則線段OB和CO分別為輪廓切割時的引入線和引出線，編程時分別在OB、CO段加入和取消電極絲偏移量補(bǔ)償，此時，方孔加工以圓弧BA切入、圓弧AC切出，如圖4所示。對于異形孔，分別延長R6.5 mm圓弧和DA直線3～5 mm至B點(diǎn)和C點(diǎn)，線段OB和CO同樣為輪廓切割時的引入線和引出線，編程時分別在OB、CO線段加入和取消電極絲偏移量補(bǔ)償，則異形孔加工以圓弧BA切入、直線AC切出，如圖5所示。這樣，就消除了因引入線與引出線重合所產(chǎn)生的凸尖。

1.5 切斷前暫停點(diǎn)設(shè)置

當(dāng)電極絲切割完封閉輪廓快要到達(dá)A點(diǎn)時，料芯因失去支撐自動墜落，會將電極絲頂斜造成短路，使刃口輪廓上出現(xiàn)燒傷而報(bào)廢；電極絲到達(dá)A點(diǎn)后，料芯已經(jīng)脫離基體，跟脈沖電源失去了連接，電極絲無法沿圓弧AC（圖4）或直線AC（圖5）在放電狀態(tài)下切出并返回到起始點(diǎn)O。這就需要在料芯斷開之前的某個位置暫時停止加工，固定料芯，并在切縫中插入銅片，使在切出段和返回起始點(diǎn)時料芯進(jìn)電良好。為此，在型孔輪廓上距離A點(diǎn)3～5 mm的位置設(shè)置暫停點(diǎn)P，如圖4、圖5所示。加工暫停后，利用磁鐵把料芯與基體吸住，使料芯固定在上端，待電極絲切割返回到起始點(diǎn)O后再去掉料芯。

1.6 工作液及加工參數(shù)選擇

CF20慢走絲線切割機(jī)床采用去離子水作為工作液，加工時應(yīng)合理設(shè)置導(dǎo)電率，以保持較高的切割速度。

選擇加工參數(shù)的主要依據(jù)是切割部分的表面輪廓度 Tkm［4］。其計(jì)算公式為

式中：Tmax為尺寸偏差的最大值，μm；Tmin為尺寸偏差的最小值，μm。

由圖可知，Tmax=+20 μm，Tmin=0 μm，則型孔表面輪廓度 Tkm= ±（20－0）/2= ±10μm。

根據(jù)工件材料Cr12，切割厚度10 mm，型孔表面輪廓度 Tkm= ±10 μm，表面粗糙度 Ra=0.8 μm，考慮到最后的研磨拋光，對照《XENON線切割機(jī)床工藝參數(shù)手冊》推薦值，選定的加工參數(shù)如表1所示。

表1 加工參數(shù)

2 加工程序編制

4個型孔采取主切割、取廢料、修整切割的方式加工，主切割和修整切割的切割順序、切割路線可以完全相同，只是電極絲偏移量和加工參數(shù)不同而已，因此手工編制加工程序。選取工件中心為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，如圖2所示。將孔Ⅰ和孔Ⅱ的加工程序分別依據(jù)圖4和圖5規(guī)定的切割路線編制為子程序，主程序應(yīng)完整表達(dá)切割順序、各型孔切割起始點(diǎn)位置、穿絲及剪絲時的暫停、加工孔Ⅳ調(diào)用子程序時Y軸鏡像等要求，主切割完成后使電極絲中心定位于型孔Ⅰ切割起始點(diǎn)。改變電極絲偏移量和加工參數(shù)，刪除子程序中切斷前暫停點(diǎn)，再次運(yùn)行加工程序，就完成了型孔的修整切割加工。

線切割加工的實(shí)際尺寸大多處于公差帶的中間尺寸附近，對于標(biāo)注公差部位的尺寸應(yīng)采用中間尺寸進(jìn)行編程，中間尺寸=基本尺寸+（上偏差+下偏差）/2［5］。因此，方孔和異形孔以中間尺寸編程。例如方孔，編程尺寸 =10.5+（0.02+0）/2=10.51 mm，拐角過渡圓弧編程尺寸 R=1.5+（0.02+0）/2=1.51 mm。

3 工件裝夾與調(diào)整

3.1 工件的裝夾與找正

由于編程坐標(biāo)系X軸和兩個銷釘孔中心連線重合，工件裝夾時需劃出兩個銷釘孔中心連線，把劃針裝在上絲架上，移動工作臺找正，使兩個銷釘孔中心連線平行于工作臺X向。工件采用單點(diǎn)夾壓方式裝夾，以防止兩點(diǎn)夾壓對切割過程中工件變形時自由伸張的干涉，壓緊后工件上平面應(yīng)平行于工作臺面。

3.2 銅絲切割起始點(diǎn)的確定

型孔Ⅰ切割起始點(diǎn)位置直接關(guān)系到方孔中心和異形孔R6.5 mm圓弧圓心分布圓軸心線與工件外圓柱面軸心線同軸度的好壞，可采用下述方法確定該切割起始點(diǎn)。工件裝夾前精確測量外圓尺寸，計(jì)為d外圓，在X、Y軸與外圓相交位置1和位置2的圓柱面上劃線，如圖2所示。把校正垂直的銅絲靠近X向最高點(diǎn)位置1的位置3處，借助放大鏡觀察使銅絲盡可能靠近位置1的劃線，控制工作臺在X、Y向各移動L=（d外圓+d）/2（d為銅絲直徑）至位置2，調(diào)整工作臺使銅絲接近劃線，之后控制工作臺在X、Y向各移動L又至位置1；再次調(diào)整工作臺使銅絲更接近位置1的劃線，用同樣的方法反復(fù)操作，直至銅絲在位置2與劃線正對并接觸，再次沿X、Y向移動距離L至位置1時也與劃線正對并接觸，則銅絲所處的位置1便是工件X向上的最高點(diǎn)。控制工作臺沿－X向移動L′=（d外圓+d）/2－25（mm），銅絲就準(zhǔn)確定位在切割起始位置上。

4 加工及檢驗(yàn)

4.1 加工注意事項(xiàng)

為了保證型孔尺寸精度和位置精度，加工時應(yīng)注意：①工件夾壓可靠，防止加工過程中松動移位；②導(dǎo)絲嘴規(guī)格應(yīng)與銅絲直徑匹配，加工前校正銅絲，使其垂直于工作臺面；③保持銅絲張力恒定，避免過松或過緊；④確定切割起始點(diǎn)時，應(yīng)仔細(xì)耐心調(diào)整，使調(diào)整誤差最小。

4.2 尺寸誤差檢測

工件外圓尺寸用量程為100～125 mm的外徑千分尺檢測，銷釘孔及作為凹模刃口的型孔尺寸用量程為6～10 mm和10～18 mm的內(nèi)徑百分表經(jīng)計(jì)量室校對調(diào)零后檢測，拐角過渡圓弧尺寸用測量顯微鏡檢測。

4.3 同軸度誤差檢測［6］

在檢驗(yàn)平板上放置規(guī)格為200 mm×200 mm的檢驗(yàn)方箱，讓工件外圓柱面跟檢驗(yàn)平板工作面接觸，將加工時的定位平面緊貼方箱上垂直于檢驗(yàn)平板的一個工作面，用C形壓緊機(jī)構(gòu)先輕輕壓住，微微轉(zhuǎn)動工件，用杠桿百分表找正，使方孔Ⅰ的下平面水平后，再以適當(dāng)?shù)膲毫壕o。用高度游標(biāo)尺測出方孔Ⅰ下平面到檢驗(yàn)平板工作面的距離，利用量塊組合出該距離尺寸，并將量塊組放置在檢驗(yàn)平板工作面上，調(diào)整找正用的杠桿百分表，使測頭與量塊組上平面接觸并有一定的壓縮量后，將百分表讀數(shù)調(diào)零。用調(diào)零后的百分表測量方孔Ⅰ下平面，重新讀取表針指示值，把指示值與量塊組尺寸相比較，計(jì)算出方孔Ⅰ下平面到檢驗(yàn)平板工作面的精確距離LⅠ，LⅠ加上方孔ⅠY向?qū)挾瘸叽鐚?shí)測值的一半，就得到了方孔Ⅰ中心的坐標(biāo)值YⅠ孔；用已調(diào)零的杠桿百分表測量方孔Ⅲ下平面，測得最高點(diǎn)和最低點(diǎn)值，算得平均值后與量塊組尺寸相比較，計(jì)算出方孔Ⅲ下平面到檢驗(yàn)平板工作面的精確距離LⅢ，LⅢ加上方孔ⅢY向?qū)挾瘸叽鐚?shí)測值的一半，即得方孔Ⅲ中心的坐標(biāo)值YⅢ孔。利用同樣的方法，借助與孔Ⅱ、孔Ⅳ相對應(yīng)的量塊組尺寸，分別計(jì)算出孔Ⅱ內(nèi)側(cè)下平面和孔ⅣR6.5 mm圓弧下素線到檢驗(yàn)平板工作面的精確距離LⅡ和LⅣ，LⅡ加上孔ⅡY向尺寸實(shí)測值再減去R6.5 mm圓弧實(shí)測半徑值就得到了孔ⅡR6.5 mm圓弧圓心坐標(biāo)值YⅡ孔，LⅣ加上孔ⅣR6.5 mm圓弧實(shí)測半徑值即得孔ⅣR6.5 mm圓弧圓心坐標(biāo)值YⅣ孔。再次用同樣的方法可得工件外圓中心坐標(biāo)值Y圓心。完成上述測量后，將方箱連同工件一起翻轉(zhuǎn)90°，注意工件不要松開，此時測量方向?yàn)閄向，與前面測量的Y向垂直。使用與上述同樣的方法可得到方孔中心坐標(biāo)值XⅠ孔、XⅢ孔，異形孔 R6.5 mm 圓弧圓心坐標(biāo)值 XⅡ孔、XⅣ孔，工件外圓中心坐標(biāo)值X圓心。計(jì)算時應(yīng)注意外圓柱面下素線和檢驗(yàn)平板工作面不接觸時，它們之間的距離尺寸對各X坐標(biāo)值的影響。

得到上述各X、Y坐標(biāo)值后，計(jì)算出方孔中心和異形孔R6.5 mm圓弧圓心到工件外圓中心的距離，來判斷同軸度誤差是否合格。計(jì)算公式為

從4個計(jì)算值中找出最大值Lmax和最小值Lmin，如果Lmax和Lmin分別為對角線上兩個型孔的數(shù)值，則當(dāng)Lmax－Lmin,0.08 mm時，工件該項(xiàng)同軸度誤差合格；如果Lmax和Lmin分別為相鄰兩個型孔的數(shù)值，則當(dāng)Lmax－Lmin,0.04 mm時，工件該項(xiàng)同軸度誤差合格。

5 結(jié)語

通過研究，得出如下結(jié)論：①對尺寸精度和表面粗糙度要求較高的型孔，可使用慢走絲線切割機(jī)床采用二次切割法加工；②設(shè)計(jì)合理的電極絲切入、切出方式，使理論引入線和引出線不相重合，完全可以避免在切入切出點(diǎn)處產(chǎn)生凸尖；③以外圓為基準(zhǔn)找正工件中心，然后以中心為基準(zhǔn)進(jìn)行多個型孔加工的調(diào)整方法，有較好的操作性和實(shí)用性，能夠提高型孔位置精度并保證與工件外圓柱面軸心線的同軸度要求。

經(jīng)過生產(chǎn)應(yīng)用和檢驗(yàn)，證實(shí)本文所述多型孔零件電火花線切割加工工藝是切實(shí)可行的，對同類零件加工有較高參考價值。

1 丘立慶，梁慶等.模具數(shù)控電火花線切割工藝分析與操作案例［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008：87～89

2 李立.數(shù)控線切割加工實(shí)用技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008：11～17

3 金慶同.特種加工［M］.北京：航空工業(yè)出版社，1988：109～112

4 北京AGIE CHARMILLES技術(shù)服務(wù)公司編.XENON線切割機(jī)床用戶手冊［M］.2004.

5 林朝平.線切割編程中電極絲偏移量的分析與計(jì)算［J］.模具工業(yè)，2006（9）：70 ～72

6 周湛學(xué)，劉玉忠.數(shù)控電火花加工［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007：165 ～167

作者：劉哲，男，1969年生，高級工程師，碩士，主要從事數(shù)控技術(shù)、液壓與氣壓傳動的研究與教學(xué)工作，已發(fā)表論文20余篇。

（編輯 譚弘穎）

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Research on Processing Technics of Multi－seed－cell Part WEDM

LIU Zhe
（The Mechanical Engineering Department，Lanzhou Polytechnic College，Lanzhou 730050，CHN）

After studying the parts with which demand high dimension precision ，surface roughness，the Coaxial degree of part outline with location of the seed cells，as well as considering arrange of incise routine ，incise times，calculation of eccentric traveling distance for electrode－wire on WEDM，determination of location for wire hole and way for cut－ in and cut－ out，choice of coolant and electric parameters，adjustment and workpiece configuration ，programming，processing test，the processing technics and test measurement were come into being at last，and it turns out works well practically.

Multi－seed－cell；Coaxial Degree；WEDM；Technics

2009－09－13）

10134