電連接器斜開槽插孔線切割工藝優化研究

張亞娟，薛云智，黨喜龍，包東燦

(鄭州航天電子技術有限公司，河南鄭州，450000)

1 引言

在金屬加工過程中，經常遇到積屑瘤問題，積屑瘤實質上是在切削過程中發生冷焊的結果，隨著加工的進行，積屑瘤不斷長大，被切屑帶走或者嵌附在工件表面上[1]，積屑瘤有保護刀具、增大工作前角的作用[2]，也有影響工件尺寸精度、影響工件表面粗糙度[3]的弊端。

目前，針對積屑瘤的研究有很多。文獻[4]針對微細銑削實驗時的積屑瘤現象，在分析其成因的基礎上，研究了切削用量、切削液、刀具幾何參數、刀具表面粗糙度及工件材料硬度等因素對積屑瘤的影響機制；文獻[5]通過分析精加工過程中積屑瘤的形成原因，采取降低或提高切削速度、采用潤滑性能好的切削液、增大刀具前角、適當提高工件材料的硬度、降低前刀面的表面粗糙度等措施改進，改進后消除了積屑瘤的形成；文獻[6]應用數理統計函數和時間序列方法分析了4類積屑瘤狀態對PCD刀具微細切削表面輪廓特征的影響，為合理選擇和控制微細切削刀具的切削條件，以及評價微細切削的表面形貌特征提供了實驗依據；文獻[7]采用TiCN涂層解決了鉆頭作業過程中提升切削速度時出現的粘刀與積屑瘤現象。

關于積屑瘤的研究主要集中在車削、銑削加工方面，而針對線切割過程中排屑問題研究較少，例如文獻[8]針對線切割工藝中排屑不理想的情況進行了分析，并結合實際情況提出了有針對性的解決措施。在實際生產過程中發現，在某些特定情況下，線切割也會產生積屑瘤，但是目前幾乎沒有文獻對線切割工藝中積屑瘤產生的原因及控制方法進行研究。電連接器斜開槽插孔在線切割加工過程中孔內壁端部階段性的出現密集的積屑瘤，嚴重影響產品的外觀，內孔表面粗糙度，與插頭的配合質量[9]，甚至影響信號的正常傳輸。為了保證斜開槽插孔線切割加工的穩定性，對積屑瘤產生的原因分析及有效去除方法進行研究非常有必要。

2 斜開槽插孔積屑瘤的形成

電連接器是航天系統工程重要的配套元器件，用于傳輸電流或信號，其工作可靠與否直接影響飛行器電路的正常工作，甚至涉及整個主機的安危。然而，在各類電連接器失效模式中，接觸失效占比最高。接觸件是電連接器中的核心元件，插孔是接觸件種類中的一種圓筒形彈性零件，其中斜開槽插孔(見圖 1a)因具有結構簡單，有利于實現電連接器小型化，可防插針過插，可靠性高等優點，得到廣泛應用。斜開槽插孔側壁有舌形彈片特征，用于保證插針插入時的可靠接觸，該舌形彈片由線切割工藝加工而成，在線切割加工過程中，在插孔內壁產生了密集積屑瘤，如圖 1b所示，圖示為三個同批次斜開槽插孔對應的放大圖，積屑瘤均大部分集中在頂端環形特征附近，分布于插孔內壁。

a b

為了充分研究積屑瘤，將含積屑瘤的斜開槽插孔樣本進行了鑲嵌，拋光處理，并對積屑瘤的微觀形貌進行了詳細觀察，如圖 2所示，從外形上觀察發現，該積屑瘤大致呈“球形”，而且整體形狀為1/2～3/4球之間，嵌附于插孔內壁表面。

圖2 積屑瘤微觀形貌

3 積屑瘤產生的機理分析

線切割加工屬于電加工范疇，利用移動的細金屬絲(銅絲或者電極絲)作電極，利用電極絲電火花的瞬時高溫可以使局部的金屬熔化、氧化而被腐蝕，同時，由于電極和冷卻液的汽化，形成一個氣泡，氣泡的壓力逐漸上升，隨著距離增大電流中斷，溫度突然降低，引起氣泡內向破裂，產生的動力把融化的物質拋出，然后在冷卻液中重新凝結成小的球體，正常情況下，小球體會被冷卻液排走，若冷卻液不能使其快速冷卻，小球體在高溫狀態下即會粘附在插孔內壁上，出現密密麻麻的積屑瘤。

3.1 零件結構的分析

常見的電連接器插孔的開槽方式有兩種，斜開槽插孔(圖 1a)和直開槽插孔(圖 3a)。直開槽線切割后剖切實物放大圖如圖 3b所示，由圖可知，直開槽插孔內壁光滑，沒有出現積屑瘤問題。由此可見，積屑瘤只出現在斜開槽插孔加工過程中，某斜開槽插孔相關尺寸如圖 4所示，由圖可知，整個斜開槽由斜線弧段和直線段兩段組成，積屑瘤堆積的問題分布在插孔的斜線弧段。與直開槽對比，線切割過程中從斜線弧段到直線段，工件的切割厚度發生了變化，在加工參數相同的情況下，工件的切割厚度越大，產生的熱量越大，另外，斜開槽加工從外圓起刀，初加工時，線切割電極絲未與插孔內孔連同，此時的加工部位屬于盲槽結構，隨著切割深入，在插孔壁剛切開時，被腐蝕的材料凝結成的部分小球體，在爆炸動能的作用下，拋附在斜線弧段的內孔表面，由于此時進入孔內的冷卻液量少，冷卻及排屑效果較差，高溫小球在插孔內表面冷卻并黏連在一起(相當于焊接)，形成積屑瘤。

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圖4 某斜開槽插孔相關尺寸

3.2 加工參數的分析

插孔的斜開槽結構采用中走絲機床加工(型號：HA400U)，中走絲線切割機加工參數包括運絲速度、脈沖寬度、峰值電流限制、脈沖間隙與脈沖寬度比、脈沖源空載電壓，進給速度等。

運絲速度是指電極絲往復運行的速度，運絲速度的提高有利于電極絲將冷卻液帶入切割厚度較大的工件內，便于電蝕物及時冷卻及排出，運絲速度分為4檔，1～4檔速度逐級增大，高速有利于排屑，低速有利于減小絲的振動，保持絲的穩定。在工件切割厚度大于10mm時，絲速一般應為4檔。

脈沖寬度是指脈沖電流的持續時間。脈沖寬度與加工粗糙度有很大關系，一般根據要求的粗糙度選擇脈沖寬度。在其他條件相同的條件下，切割速度隨著脈沖寬度的增加而增大，電蝕物也隨之增多。

峰值電流即單個脈沖能量。在其他條件相同的情況下，合理提高峰值電流，有利于提高切割速度，增大脈沖動能，有利于電蝕物的排出。

脈沖間隙與脈沖寬度比，脈沖間隔比越大，排屑越充分，工件越厚，間隔比越大，一般根據工件的切割厚度選擇脈沖間隔比。

脈沖源空載電壓，設定脈沖電源的空載輸出電壓(加工電壓)，可以選擇60～160V(共11種，間隔10V)，一般選擇100V。

加工進給速度是機械部分給予的進刀速度，如果加工進給速度超過了被切割工件的蝕除速度，電蝕物也會隨之增加。

按照以上設置線切割參數的原則，分析原工藝參數不合適的原因是忽略了插孔斜開槽切割厚度是一個變化值，在設置脈沖間隔比時參考的是斜開槽結構直線段的厚度，用于加工厚度較厚的斜線弧段時，脈沖間隔比值偏小，脈沖間隔比值對排屑性能影響較大，脈沖間隔比越小，排屑越不充分，在此切割位置切割速度越慢，造成電極絲在此滯留時間過長，聚集高溫，增大了積屑瘤形成的可能。

3.3 冷卻效果的分析

綜合考慮插孔斜開槽的加工質量和加工成本，插孔斜開槽選用的是中走絲線切割設備(型號：HA400U)，中走絲是采用單股水流的淋雨方式將冷卻液噴灑在線切割工件上，如圖5所示。由于線切割過程中，工件水平整排裝夾，存在冷卻液進入困難、冷卻不充分的缺陷。

圖5 中走絲改進前冷卻方式

4 措施方案

針對上述原因分析，從調整線切割加工參數及改進冷卻方式兩方面采取改進措施并進行驗證。

4.1 優化線切割設備的參數

在遵循線切割參數設置原則的前提下，設置脈沖間隔比時，需同時兼顧插孔斜開槽斜線弧段和直線段兩段的切割厚度。綜合考慮加工質量及加工效率，在調整參數時，可適當的增大峰值電流，脈沖間隔，減小脈沖寬度，進給速度，在保證表面粗糙度滿足要求的前提下，通過適當地提高走絲速度，增大排屑動能，使電蝕物通過電離通道借助冷卻液及時排出孔外，從根源上使積屑瘤得到有效控制，圖66是優化線切割工藝參數后斜開槽插孔剖切實物圖，由圖可知，積屑瘤明顯減少，說明選擇合適的線切割參數可以有效減少積屑瘤的形成。

圖6 優化參數后斜開槽插孔實物圖

4.2 改進冷卻方式

為了進一步解決線切割積削瘤問題，從冷卻方式上進行改進，為進一步增強冷卻效果，增大冷卻面積，將中走絲設備冷卻液的控制閥門調到最大檔位，最大檔位時，水壓過大，流速過快，導致水流分散，如圖7所示，冷卻效果反而更差。采用增加冷卻管路的方式實現分壓降速。將新增兩個冷卻管道的噴嘴分別固定在工件的上、下兩端，如圖8所示，從而增強切縫處電蝕物的冷卻效果，防止在高溫狀態下粘附在內孔壁上。

圖7 最大檔位時冷卻液的水流狀態

圖8 中走絲改進后的冷卻方式

改進冷卻方式后采用優化后的參數加工插孔進行剖檢，插孔內壁光潔度非常好，未發生積屑瘤粘附的現象，如圖9所示。因此冷卻效果對積屑瘤的產生有明顯影響。

圖9 改進冷卻方式后線切割斜開槽插孔實物圖

5 結論

1)在特定條件下，線切割加工亦會產生積屑瘤；

2)線切割加工的參數決定著電蝕物產生的量，加工參數設置不合理，會導致排屑不充分，加大積屑瘤形成的概率；

3)設備的冷卻效果對積屑瘤的產生有影響，冷卻效果差將會導致電蝕物凝結成的小球體未得到及時冷卻，在爆炸動能的作用下，粘附在內孔壁上的結合力越大，形成積屑瘤的概率越大。