車刀線切割刃磨參數(shù)選擇與實驗研究

張軍峰，李建剛

(陜西理工學院，陜西漢中 723003)

0 前言

車刀，切削加工中最常用的刀具之一，完成外圓、端面等表面加工。目前國內(nèi)廠家對車刀的刃磨是在工具磨床上借助附件完成，或是技術工人在砂輪機上手工刃磨成。砂輪磨削對砂輪質量和砂輪修整要求較高，刃磨參數(shù)多，容易產(chǎn)生磨削損傷。手工磨削，刃磨質量完全取決于工人技術水平，不僅加工效率低、勞動強度大，而且刃磨質量和精度難以保證。

本文作者采用快走絲線切割成形法，利用線狀電極(銅絲或鉬絲)靠火花放電對工件進行切割，切削過程中的切削力幾乎為零，具有加工精度高、表面質量好、成本低等優(yōu)點。在其他工藝參數(shù)不變時，電參數(shù)對加工精度和加工效率影響很大。通過研究不同脈沖寬度和電壓情況下的切割速度及表面質量，分析線切割的合理參數(shù)范圍。

1 實驗方案

(1)選用硬質合金外圓車刀為實驗材料，切割厚度為0．4 mm。

(2)實驗采用的脈沖電源柜的輸入電壓為220 V。輸出負載電壓分為五擋，如表1所示。其電壓誤差≤±10%。矩形脈沖分為四擋，分組脈沖分為二擋。

表1 脈沖電源的擋位與電壓值

(3)研究脈沖寬度對切削速度和表面影響時，采用4個不同的脈寬擋位，分別為2、3、4、5擋。

(4)實驗采取控制變量的方法分別得出脈沖寬度和不同電壓下線切割所需的時間及試樣，研究其曲線和切割表面。

2 主要電參數(shù)對加工質量的影響

2．1 脈沖寬度對表面粗糙度的影響

脈沖電源直接決定切割能力，線切割加工表面由大量電蝕坑堆積而成，電蝕坑的形狀和尺寸決定了表面粗糙度大小，脈沖寬度的大小標志著單個脈沖能量的強弱，所以在選擇加工電參數(shù)時，脈沖寬度是首選，通過縮小脈沖寬度來減小放電能量進而降低表面粗糙度，提高加工質量。

由圖1可以看出，在電壓定在70、80、100、110 V時，表面粗糙度隨脈寬在2～4擋變化的幅度較小，其曲線基本呈現(xiàn)較平穩(wěn)遞增趨勢，脈寬的變化對表面粗糙度幾乎沒有影響，在電壓定在90 V時，曲線的變化趨勢比較明顯，呈現(xiàn)一種遞減的趨勢，表面粗糙度隨脈寬增大而減小。但是在4到5擋的脈寬區(qū)間內(nèi)，不同電壓值下的表面粗糙度均出現(xiàn)急速下降，100 V和110 V下的粗糙度幾乎出現(xiàn)突變。

圖1 脈沖寬度對表面粗糙度的影響曲線

實驗表明，加工表面粗糙度會隨脈沖寬度增加而增大。隨著脈沖寬度的增加，單個脈沖放電能力增大，放電痕也增大，表面質量變差。

2．2 脈沖寬度對切削速度的影響

用加工相同面積的工件的速度來表示加工效率指標，其中切割試件長度1 cm。如圖2所示。

圖2 脈沖寬度對切削速度的影響

由于第一擋是在高走絲下得到，而其他4個擋位由低走絲下得到，故從二擋開始分析，由圖2可看出，在加工電壓一定的情況下，所有的曲線先升再降的變化趨勢，70 V、80 V、90 V下，從2擋到3擋切削速度隨脈寬變化遞增，增大趨勢也較小;從3擋到5擋脈寬的變化中，切削速度下降速度十分快。在電壓分別定在100、110 V時，切削速度隨脈寬的變化升降速度較為明顯。從整個圖表來看，曲線的變化類似于拋物線變化曲線，切割效率先隨脈沖變化增大，當脈沖寬度增大到某一臨界值后，線切割加工速度將隨脈沖寬度的增大而明顯減小，出現(xiàn)了突變現(xiàn)象，因為當脈沖寬度達到這一臨界值后，加工穩(wěn)定性變差，從而影響加工速度。

2．3 加工電壓對表面質量的影響

由圖3可知，脈寬定在1、2擋時，試樣表面粗糙度隨加工電壓的增大而增大，他們幾乎呈現(xiàn)一種線性變化趨勢，而且增大的幅度很大。在脈寬定在3、4擋時，增幅不明顯，而且在電壓達到80 V時表面粗糙度值幾乎重合，在70～75 V電壓的過程中，它們的表面粗糙度的值呈現(xiàn)近乎線性變化趨勢，在75～80 V電壓的過程中，增加趨勢減弱，甚至出現(xiàn)了略微的回落，在80～90 V的電壓過程中，表面粗糙度出現(xiàn)了一定的下降，曲線出現(xiàn)曲折，向下彎曲，從90 V電壓開始，粗糙度開始急劇上升，直到110 V電壓達到最高點。同時在脈寬選擇3、4擋時，從電壓從80～110 V的變化過程中，變化步調(diào)幾乎一致，而且基本上是重合的，在脈寬定在1、2、3、4擋時，在100～110 V的電壓變化區(qū)間里，表面粗糙度的變化曲線基本上都是平行的，接近于線性關系，且有聚攏的趨勢。

圖3 加工電壓對表面粗糙度的影響

脈寬定在5擋時，出現(xiàn)特殊情況，在整個電壓變化過程中，它的表面粗糙度變化都很不明顯，都在較低的粗糙度區(qū)間內(nèi)變化，且在電壓為90～110 V的區(qū)間里，粗糙度曲線幾乎平行于X軸，這說明在這段區(qū)間內(nèi)的電壓變化對表面粗糙度的影響很小，其實這是一種突變情況。在脈寬調(diào)到5擋時，切削速度突然變得很小，表面粗糙度變小，光潔度大大提高，那么有可能是在脈寬和電壓達到一定值時，在切割過程中試樣內(nèi)部的顯微組織結構產(chǎn)生某種變化，而這種變化直接影響到切削速度和表面粗糙度。

3 硬質合金試樣表面分析

得到切片后對試樣表面做電鏡掃描，加到5 kV。選取硬質合金碳化集中區(qū)，得到以下圖片，如圖4—8所示。

圖4 在3擋、90 V下得到試樣形貌

圖5 在2擋、70 V下得到試樣形貌

圖6 在4擋、100 V下得到試樣形貌

圖7 在1擋、70 V下得到試樣形貌

圖8 在5擋、100 V下得到試樣形貌

可以看出，圖5、圖7試樣的表面粗糙度值最小，光潔度最好，Ra的值都在0．9以下，最差是圖8的表面粗糙度超過了2。這5幅圖中都出現(xiàn)了硬質合金碳化區(qū)，其中如圖8所示，脈寬5擋、電壓100 V的試樣的碳化區(qū)最為明顯和集中，它的加工時間最長。在加工中，如果放電產(chǎn)物和氣泡來不及很快排除，會改變極間介質成分和絕緣強度，使間隙中的熱傳導和對流受到影響，熱量不易排出，帶電粒子的動能不易降低，將大大減少復合幾率，這樣，間隙長時間局部過熱，同時工作液局部高溫分解后可能積炭，導致碳化現(xiàn)象的發(fā)生。

4 結論

線切割加工中，表面粗糙度和切割速度的要求是互相矛盾的兩個工藝指標，當脈沖電源的空載電壓高，脈沖寬度大時，則切割速度高，必須在滿足表面粗糙度的前提下再追求高的切割速度。脈沖寬度對切削效率的影響存在最佳值，當脈沖寬度增大到某一臨界值后，線切割加工速度將隨脈沖寬度的增大而明顯減小。加工電壓的增大，可以提高加工效率。適當選擇，抓主要方面，在滿足加工要求的前提下使線切割加工效率得到較大提高。

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