不銹鋼拉延件在電火花線切割加工中產生變形原因的分析及對策

（長春市國凱模具設備修造有限責任公司，吉林 長春 130062）

不銹鋼拉延件在電火花線切割加工中產生變形原因的分析及對策

谷 超

（長春市國凱模具設備修造有限責任公司，吉林 長春 130062）

本文通過分析不銹鋼拉延件在數控電火花線切割產生變形的原因，探討解決去除材料后工件變形而致的夾斷絲、尺寸超差、短路等問題，進而提出一種有效減少加工變形的線切割工藝方法。

電火花線切割加工；拉延變形；工藝方法

引言

數控快走絲電火花線切割加工技術作為一種特種加工技術，具有很強的實用價值，在眾多的工業生產領域起到了極為重要的作用，其工藝手段在許多情況下是常規制造技術無法取代的。這里僅就電火花線切割加工不銹鋼拉延件的加工技巧進行初步探討。首先介紹快走絲電火花線切割的加工原理及特點，闡述不銹鋼拉延件的工藝過程，然后從實例角度綜合分析拉延制件在電火花線切割過程中變形的原因，并提出相應解決對策。

一﹑快走絲電火花線切割的加工原理及特點

快走絲電火花線切割加工的原理是利用移動的金屬絲（鉬絲）作為工具電極（接電源負極）對導電或半導電材料工件（接電源正極）進行脈沖性火花放電，從而進行所需尺寸的加工。

特點是：

（1）直接利用線狀的電極絲作電極，不需要制作專業電極，可節約電極的設計﹑制作費用。

（2）可以加工用傳統切削加工方法難以加工或無法加工的復雜形狀工件。

（3）利用電蝕加工原理，電極絲與工件不直接接觸，兩者之間的作用力很小，故而電極絲﹑夾具不需要太高的強度。

圖1 立體連接板

（4）利用四軸或五軸聯動，可加工錐度﹑上下面異形等工件。

二﹑不銹鋼拉延件在電火花線切割加工中產生變形原因的分析

（一）實例試件技術要求簡介

下面我們以立體連接板（圖1）作為實例進行探討。該試件是側墻立柱與車頂邊梁和底架邊梁之間的重要連接件。其左視圖投影為扇形，主視圖（沿側墻縱向看的安裝位置）方向為大圓弧曲面，而曲面法向橫斷面剖視圖為禮帽型。該試件大端與上﹑下邊梁搭接焊，小端與側墻立柱對接焊，R9982曲面要求與外墻板貼合，故其加工尺寸的好壞直接影響車體組成的整體焊接。該零件材質為X2CrNiN18-7不銹鋼，材料的厚度t=3mm。

（二）對比試驗情況報告

通過我們以立體連接板制件和等規格的同材質不銹鋼板進行同條件的線切割對比試驗，切割加工后測得的結果顯示：制件的變形遠大于不銹鋼板（制件平面度累計差為3.2mm）。通過排除法分析其產生原因，兩種試件的差別就在于材料拉延成型工序。

（三）試驗結果原因分析

究其原因，經過拉延加工成型后試件材料的內部產生了殘余組織應力，并因各部位變形量的差異造成工件內組織應力分布不均勻，反映在線切割加工工序中，即是切割變形大且難于控制，造成尺寸改變，并經常出現炸裂現象，在試件的角部因應力集中釋放變形更大，變形量遠超出一般圖紙要求的尺寸公差。

圖2 立體連接板應力集中局部區域圖

圖3 成品零件

（四）對殘余組織應力產生的認識

因為不銹鋼材質的延展率小﹑彈性模量E較大，硬化指數較高。在塑性變形時，隨著變形量的增大，誘發的馬氏體含量也將隨著變形量的增大而增高，殘余應力也越大。殘余應力與馬氏體含量的關系：誘發的馬氏體其含量越高，引起的殘余應力也越大，在電火花線切割加工過程中也就越易開裂。

通過分析連接板零件圖，可以看出加工余量的大小及加工過程中應力產生變形的集中位置。根據筒形拉延過程中坯料內的應力與應變狀態可以知道以下部位為應力集中區域：（1）凸緣的平面部分R85尺寸是主要變形區；（2）凸緣的圓角部分R8是過渡區（變形次于凸緣的平面部分）；（3）筒壁部分R85拉延部分是已變形區（傳力區）；（4）底部圓角部分R8是変薄最嚴重，易出現“拉裂”；（5）筒底部分R20是基本不變形區；綜合得出結論是拉延過程中，各區應力﹑應變不均勻，凸緣區越靠外緣，變形程度越大，加工硬化嚴重。因此在電火花線切割過程中需要考慮以上應力集中部位的切割變形問題。

立體連接板應力集中局部區域圖如圖2所示。

三﹑不銹鋼拉延件在電火花線切割加工中變形對策工藝模型的建立

通過以上分析，解決試件加工變形影響工件精度問題的實質是如何應對上工序即拉延工序產生的殘余組織應力的影響。因此，我們建立一個工藝模型，以分步加工方法，以疏代治：

（1）采用局部預加工方法，釋放拉延產生的組織應力，使試件在尺寸精度切割之前達到組織應力再平衡。對于復雜型面及精度要求較高的工件，如樣板，連續模凹模等，還應采取預加工后進行二次回火處理的方法，進一步消除殘余組織應力的影響。

（2）第二次切割以切除局部預加工（即第一次切割）所產生的工件變形余量為宗旨。可進一步推導出：若二次切割局部輪廓尺寸相差0.30～0.50mm，則切割前后的組織應力分布變化亦將微乎其微，若以此微小去除量做為第二次的切割余量，則試件變形亦將甚微，試件的切割狀態及尺寸精度將都可以保證。

由此設想：在第一次局部預加工時留0.30～0.50mm余量，補償變形尺寸，待切割完后，再按原順序進行第二次切割保證尺寸精度。即第一次加工是將工件進行純粹的“切割”開，目的以釋放試件的組織應力，第二次切割才是保證精度的穩定的全輪廓尺寸精度加工。

四﹑相應工藝的應用與效果

基于以上工藝模型的建立，我們制定了以下工藝方法，有效的避免了變形導致的夾斷絲現象﹑尺寸超差﹑短路引起的表面粗糙度下降等問題。

（一）局部預加工

1加工前準備

（1）張力調試

為防止電極絲張力過大與預加工過程中工件變形造成斷絲。通過調整機床上張絲配重塊的數量從而達到降低張力的作用。電極絲張力控制在三公斤力左右（以北京阿奇夏米爾公司的ST121快走絲線切割機床為例說明）。

（2）電規準的調節

選用高峰值電流大能量切割，根據加工的位置采用分組脈沖和脈沖電流逐個增大的方法，控制切削的平穩性，以獲得大的放電間隙，降低變形造成夾絲﹑短路，引起斷絲。

（3）工作液的調試

因為是粗加工以去除大面積余料為目的，所以工作液的濃度調試應較低，利于排屑。同時加工時工作液的流量應調試較大，充分達到水包絲的效果。

2局部預加工位置及尺寸分析

首先為了整體釋放工件材料應力，在預加工時要先去除拉延工藝補充料。具體方法是在加工長度尺寸240mm的方向上單邊留1mm余量；125mm的方向上單邊預留量為1mm余量，為下一步的預加工做準備。然后針對筒形拉深部位應力釋放采取一些措施。采取V型開口分段應力去除法，從尺寸R49余料外側向距離圓弧邊緣1mm處加工兩條斜線，該斜線以R49圓心為頂點夾角分別為15度和75度。目的是逐步釋放曲線加工過程中應力。減少R85凸緣的平面部分與R8凸緣圓角部分主要變形區變形大出現斷裂的問題。

因為在電火花線切割加工過程中，工件材料被大量切去和切斷，會改變其應力場分布，隨著時間的推移而逐漸趨于平衡。我通過采用雙向對稱的切割（預留量為0.5mm）加工，可以進一步釋放應力增加工件尺寸穩定性，為二次精加工做好準備。

3局部預加工實施

在加工過程中密切觀察切削狀態，通過對切割電壓﹑電流的監控判斷工件變形情況，適當調節電規準，應對應力不均勻產生微變形振動過大而出現的夾絲﹑斷絲現象。

（二）整體加工

1加工前準備

（1）張力調試

重新調整導輪和張力配重塊，增大電極絲的張緊力，并使導輪支點盡量靠近上下表面以縮短導輪支點與工件表面之間的距離，改善表面加工質量。電極絲張力控制在4公斤力左右。

（2）電規準的調節

只有選擇小的脈沖寬度﹑適當的脈沖間隔﹑低的峰值電壓﹑小的峰值電流時，才能獲得較好的表面質量，控制整體的加工尺寸。控制切割電壓70V﹑切割電流1--1.6A。

（3）工作液的調試

首先加入工作液原液，重新根據精加工的比例提高工作液的濃度配置，通過減小放電間隙，增加工件表面的粗糙度。最后在加工過程中適當調節工作液流量的大小。

2整體加工實施

選擇合適的進給速度。發生過跟蹤時，短路電壓波形密，工件蝕除速度低于進給速度，間隙接近于短路，易造成斷絲和頻繁短路。反則當發生欠跟蹤時，工件蝕除速度大于進給速度，間隙接近于開路，造成電極絲抖動，也易造成斷絲和頻繁短路。所以選擇最佳跟蹤速度，調節合理的變頻進給速度也是保證加工質量的關鍵。

成品零件如圖3所示。

結語

綜上所述，在加工形狀較為復雜的不銹鋼拉延制件時，通過分析拉延制件過程，在普通快走絲電火花線切割機床上通過分步加工的工藝逐步消除組織應力產生的加工變形，可以提高工件的加工精度，并可有效地防止切割過程中的夾絲斷絲﹑短路和裂紋的產生，保證切割表面光滑﹑工件尺寸符合圖紙要求。此種工藝是以提高工件加工精度，降低表面粗糙度為目的，雖然經過預加工后精度加工的加工效率有所提高，但理論上總加工工時為原標準工藝切割所需工時的1.2～1.3倍，即：若取得高精度工件，必犧牲相應工時。實踐證明，采用該切割工藝對策后，生產效率和產品質量均得到很大提高。

[1]崔杏梅.球形件在拉延過程中的力學分析[J].農機博覽，1994 （01）：10-11.

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