電火花線切割加工斷絲分析及改進(jìn)措施

劉 毅，賀聲陽(yáng)，吳亞倫

（沈陽(yáng)航空航天大學(xué)，遼寧沈陽(yáng) 110136）

0 引言

高速往復(fù)走絲線切割機(jī)床廣泛應(yīng)用于模具行業(yè)，加工中出現(xiàn)的斷絲現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了加工的穩(wěn)定性，降低了加工效率，增加了生產(chǎn)成本。在日常加工過(guò)程中斷絲現(xiàn)象經(jīng)常出現(xiàn)，恢復(fù)生產(chǎn)前的換絲過(guò)程費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不僅會(huì)對(duì)工作效率產(chǎn)生極大影響，而且重復(fù)加工使工件加工精度下降。

1 斷絲類型分析

線切割加工中產(chǎn)生的斷絲一般分為兩種類型，即正常磨損斷絲和非正常斷絲。正常磨損斷絲是指在使用過(guò)程中，隨著加工工件數(shù)量及時(shí)間的增加，雖然能正常完成加工，但電極絲會(huì)逐漸變細(xì)[1]，電極絲不斷地磨損消耗。加工中由于放電腐蝕導(dǎo)致電極絲損耗，隨著時(shí)間的累加，達(dá)到極限尺寸不能承受能量負(fù)荷及應(yīng)力載荷而斷絲。因此，使用中需要及時(shí)測(cè)量電極絲的損耗量（圖1～圖2）。在電極絲損耗接近達(dá)到使用極限尺寸前，及時(shí)更換新的電極絲，防止發(fā)生斷絲。非正常斷絲是指由于某些參數(shù)設(shè)置不當(dāng)、工作液選擇及配比不合適、切割加工過(guò)程不穩(wěn)定等原因造成的斷絲。非正常斷絲極大地影響了加工效率，應(yīng)盡量避免。

圖1 測(cè)量電極絲損耗

圖2 新電極絲測(cè)量

2 非正常斷絲原因分析及改進(jìn)措施

工件加工過(guò)程中，引起非正常斷絲的主要原因?yàn)楦鞣N因素引起的運(yùn)行不穩(wěn)定，如電極絲、電參數(shù)、工作液、運(yùn)絲機(jī)構(gòu)、加工工件、工藝路線、機(jī)床操作、日常維護(hù)等因素。

2.1 電極絲影響斷絲與改進(jìn)措施

目前電火花線切割加工使用的電極絲材料有鉬絲、鎢絲、鎢鉬合金絲、黃銅絲、銅鎢絲、鍍鋅絲等[2]。以DK7735 型電火花數(shù)控線切割機(jī)床（圖3）為例進(jìn)行分析。該型號(hào)機(jī)床是電火花線切割加工中較為常見(jiàn)的機(jī)床，其最大加工范圍400 350 mm，加工中選用Φ0.18 mm 的線切割專用鉬絲（圖4）。

圖3 DK7735 數(shù)控機(jī)床

圖4 專用鉬絲

與電極絲張力有關(guān)的絲振對(duì)穩(wěn)定性影響鉸大，影響加工精度和切割速度。電極絲在貯絲筒上往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生不同張力出現(xiàn)絲振，電極絲經(jīng)過(guò)一段時(shí)間工作后逐漸伸長(zhǎng)，絲振加劇張力下降，嚴(yán)重時(shí)電極絲跳出導(dǎo)輪槽，極易發(fā)生斷絲。因此，適當(dāng)縮短連續(xù)加工時(shí)間，間斷加工，及時(shí)調(diào)整電極絲的張力，防止斷絲。應(yīng)根據(jù)電極絲材料性能和直徑的不同調(diào)整張緊力，在電極絲抗拉強(qiáng)度允許的范圍內(nèi)應(yīng)盡可能調(diào)大些，從而達(dá)到較好的切割質(zhì)量。

電極絲作為線切割加工中的重要組成部分，極易發(fā)生損耗。選購(gòu)電極絲時(shí)要避免選用疊絲、打結(jié)及直徑不均勻的電極絲。要選擇導(dǎo)電性能好、韌性好的鉬絲或鎢鉬絲。如果電極絲導(dǎo)電性能不好，將有一部分能量集中在電極絲上，降低能量的傳導(dǎo)效率，致使加工不穩(wěn)定。

2.2 電參數(shù)影響斷絲與改進(jìn)措施

電參數(shù)的選取十分重要，對(duì)加工精度、表面粗糙度、切割效率、電極絲的損耗有著直接的影響[3]。電參數(shù)主要包括：①脈沖寬度：加到電極和工件上電壓脈沖的持續(xù)時(shí)間。一般粗加工時(shí)采用較大脈寬，使單個(gè)脈沖的放電能量增大，提高加工效率，精加工采用較小脈寬，有利于精細(xì)部分加工精度的提高；②脈沖間隔：脈沖的間歇停止時(shí)間。線切割機(jī)床工作過(guò)程中時(shí)時(shí)都在排屑和金屬?gòu)U渣[4]，在一個(gè)間隔中就有部分被排出，脈沖間隔太大會(huì)降低加工進(jìn)給速度，脈沖間隔太小，工作液來(lái)不及進(jìn)入縫隙恢復(fù)絕緣，容易引起電弧短路造成斷絲。脈沖寬度與脈沖間隙比值要合適[5]，一般脈沖寬度與脈沖間隔的比值取1∶3～1∶5；③峰值電流：?jiǎn)蝹€(gè)脈沖能量的指標(biāo)。大的電流能提高加工速度，但加工表面質(zhì)量差，同時(shí)電極絲損耗加快，導(dǎo)致斷絲；④伺服電壓：與電源配合，與電流相互協(xié)調(diào)，合適的電壓應(yīng)與電流相匹配。在切割加工時(shí)，正確合理選擇脈沖電源電參數(shù)，可以提高加工工藝指標(biāo)和加工的穩(wěn)定性。穩(wěn)定性越好則電極絲的使用壽命越長(zhǎng)。

2.3 工作液供液影響斷絲與改進(jìn)措施

工作液的主要功能是在脈沖電源的電壓下使電流有效擊穿介質(zhì)（工作液），形成放電通道，從而產(chǎn)生巨大的熱量（10 000 ℃以上的高溫）使被加工的材料熔化、氣化，工作液同時(shí)起到冷卻、帶動(dòng)廢料、潤(rùn)滑、防銹和清洗的作用[6]。

工作液的濃度對(duì)電極絲斷絲有很大影響。濃度過(guò)低，工作液的絕緣性能降低，電阻變小，容易與工件發(fā)生短路，造成電極絲熔斷；濃度過(guò)高，工作液的導(dǎo)電率下降，放電時(shí)產(chǎn)生氣泡，電弧放電發(fā)生在空氣中，而工作液起不到冷卻作用，電極絲在持續(xù)高溫下熔斷。因此，要合理配制工作液濃度，防止斷絲。

針對(duì)DK7735 電火花數(shù)控線切割機(jī)床，采用寶瑪牌線切割專用水基工作液（濃縮型）。使用前將機(jī)床循環(huán)系統(tǒng)徹底清洗干凈，確保管路暢通。工作液與水配比濃度為1∶25～30，在切割300 mm 以上大厚度工件時(shí)，濃度適當(dāng)提高。在水箱水位明顯下降時(shí)應(yīng)及時(shí)向水箱里添加新液。配制工作液應(yīng)使用自來(lái)水或者工業(yè)純凈水，切勿使用地下水等硬水配置。原液的顏色為藍(lán)綠色或黃色，隨季節(jié)、溫度及正常使用會(huì)有所變化。使用過(guò)一段時(shí)間的工作液箱中的工作液顏色會(huì)發(fā)生變化，隨著工作液使用時(shí)間的增加，工作液會(huì)逐漸變質(zhì)，需要定期更換。

2.4 設(shè)備運(yùn)絲機(jī)構(gòu)影響與改進(jìn)措施

設(shè)備運(yùn)絲機(jī)構(gòu)由電機(jī)貯絲筒、上下托板、同步帶、換向裝置等部件組成，主要作用是帶動(dòng)電極絲按一定線速度運(yùn)動(dòng)并將電極絲整齊地排繞在貯絲筒上[7]。它的基本要求是：貯絲筒邊轉(zhuǎn)動(dòng)邊移動(dòng)，以保證電極絲在貯絲筒上整齊排列；貯絲筒的徑向跳動(dòng)和軸向竄動(dòng)要小；貯絲筒需要正反轉(zhuǎn)；貯絲機(jī)構(gòu)應(yīng)與床身絕緣。

電極絲的振動(dòng)特點(diǎn)是兩端的振動(dòng)幅度小，中央幅度大，一旦二者的振幅差超過(guò)電極絲的極限就有可能發(fā)生斷絲。因此，定時(shí)更換送絲裝置構(gòu)件，并始終保持電極絲處于恒定張力，可以有效防止斷絲。

當(dāng)撞塊觸碰到行程開(kāi)關(guān)時(shí)觸發(fā)換向，貯絲筒的速度由設(shè)定值突然降到零，然后轉(zhuǎn)換方向運(yùn)行。在換向處，速度發(fā)生突然變化，如果換向不及時(shí)，電極絲內(nèi)部拉應(yīng)力將瞬時(shí)變大。通常換向不及時(shí)是行程開(kāi)關(guān)故障或撞塊未緊固鎖緊造成的。行程開(kāi)關(guān)未能獲得信號(hào)進(jìn)行及時(shí)換向，在反復(fù)換向過(guò)程中，電極絲易出現(xiàn)被拉斷的隱患[8]。如果是行程開(kāi)關(guān)失靈，導(dǎo)致運(yùn)行超程，也會(huì)拉斷電極絲，此時(shí)需要及時(shí)更換行程開(kāi)關(guān)。另外，如果電極絲在同一位置反復(fù)換向，電極絲內(nèi)部將受到交變內(nèi)應(yīng)力的作用，長(zhǎng)時(shí)間加工后，此處變得極為薄弱，將在此處被拉斷，影響正常切割加工。在加工一段時(shí)間后，需要調(diào)整撞塊位置，改變電極絲的換向位置，減小電極絲內(nèi)同一位置交變應(yīng)力的影響。

2.5 工件因素影響斷絲與改進(jìn)措施

工件自身因素對(duì)電極絲斷絲的影響也非常大。如果切割的工件含有雜質(zhì)，由于成分不同，在高溫下雜質(zhì)不能與工件同時(shí)融化，凸顯出來(lái)的部分將電極絲拉斷。工件過(guò)薄，在切割過(guò)程中極易導(dǎo)致切口處發(fā)生形變夾斷電極絲。工件過(guò)厚，排屑不暢，廢屑不能及時(shí)排出，導(dǎo)致斷絲。工件表面有污漬、生銹或毛刺等，容易引起集中放電導(dǎo)致斷絲[9]。因此，盡量采購(gòu)優(yōu)質(zhì)材料工件，降低雜質(zhì)，加工較薄工件時(shí)通過(guò)調(diào)高峰值高頻電流，增大脈沖寬度的方法，使電火花間隙加大，或換用較粗的電極絲；加工較厚工件時(shí)應(yīng)盡可能地增大放電間隙，使工作液在加工過(guò)程中充足穩(wěn)定地包裹住電極絲并進(jìn)入加工區(qū)內(nèi)，增強(qiáng)排屑效果，加工前清理工件表面，防止斷絲。

2.6 切割工藝影響斷絲與改進(jìn)措施

加工前，對(duì)加工工藝的設(shè)計(jì)同樣重要，合理的加工工藝可以提高加工精度，節(jié)省原材料，提高加工效率，不易斷絲。圖5 所示的加工此工件有兩種方案：方案1 按照o-a-d-c-b 順序加工；方案2 按照o-a-b-c-d 順序加工。顯然方案2 更能保證工件內(nèi)部半圓的加工精度，因此，加工前設(shè)計(jì)好最佳加工路線，可以大大提高加工質(zhì)量。此外，工作臺(tái)的進(jìn)給速度也是造成斷絲的重要因素，速度過(guò)快，會(huì)出現(xiàn)頻繁短路現(xiàn)象，速度過(guò)慢，出現(xiàn)空載現(xiàn)象，都容易導(dǎo)致斷絲。因此，合理控制進(jìn)給速度，防止斷絲[10]。使用時(shí)要按照操作流程進(jìn)行機(jī)床加工操作，避免人為因素導(dǎo)致斷絲現(xiàn)象的發(fā)生。裝夾工件、拆卸工件及加工前的各項(xiàng)準(zhǔn)備工作要認(rèn)真細(xì)致。正式加工前檢查機(jī)床的各部件是否運(yùn)轉(zhuǎn)正常，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)處理。加工中應(yīng)按照既定的工藝路線進(jìn)行，不可隨意更改。

圖5 工藝路線分析

2.7 日常維護(hù)不及時(shí)影響斷絲與改進(jìn)措施

要及時(shí)做好各項(xiàng)日常維護(hù)工作，日常維護(hù)不到位，極易引起加工異常，出現(xiàn)工作液供給不足、運(yùn)絲機(jī)構(gòu)不運(yùn)轉(zhuǎn)、加工短路、斷絲等現(xiàn)象[10]。日常維護(hù)要點(diǎn)有：①檢查各按鍵及開(kāi)關(guān)、旋鈕等，確保靈活可靠，位置正確；②檢查各安全裝置、緊固裝置，確保準(zhǔn)確、靈活、可靠、無(wú)松動(dòng)；③檢查各類儀表，確保指示正確、靈敏；④檢查油位，按潤(rùn)滑圖表加油或潤(rùn)滑脂，確保油路暢通，油量符合要求；⑤執(zhí)行熱機(jī)操作，確保各部件充分運(yùn)動(dòng)、潤(rùn)滑。

3 結(jié)語(yǔ)

高速走絲線切割加工過(guò)程中出現(xiàn)的斷絲現(xiàn)象，極大地影響了加工效率及加工穩(wěn)定性，需要采取有效措施避免。針對(duì)DK7735 型電火花線切割機(jī)床加工中出現(xiàn)的斷絲原因進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。引起斷絲的原因很多，只要經(jīng)過(guò)系統(tǒng)分析和研究，不斷摸索改進(jìn)方法，一定能取得良好的效果。