預(yù)防高速走絲電火花線切割斷絲的措施
2017-4-28 來源：青島理工大學(xué)機械工程學(xué)院 作者：王賢勇
摘要：研究預(yù)防高速走絲斷絲的措施，將有助于減少斷絲，提高生產(chǎn)效率，增加高速走絲機床的市場競爭力。本文主要從電極絲的因素、送絲機構(gòu)的因素、工件的因素、電參數(shù)的因素、工作液的因素和操作使用的因素等6個方面提出了預(yù)防斷絲的措施，通過這些措施大大減少了斷絲的幾率，減少了成本，提高了生產(chǎn)效率。對于實際生產(chǎn)有很強的指導(dǎo)意義，將有助于提高高速走絲的市場占有額。
關(guān)鍵詞：電火花；線切割；電極絲；工作液
1.引言
隨著經(jīng)濟和社會的發(fā)展，人們對機床的精度和效率的要求也越來越高，而高速走絲機床低的加工精度嚴重影響了其發(fā)展。通過研究發(fā)現(xiàn)，電極絲在加工過程中的斷絲現(xiàn)象是影響高速走絲機床效率和精度提高的重要因素。通過總結(jié)前人的研究成果，發(fā)現(xiàn)影響電極絲斷絲的因素主要有 6 種：電極絲的因素、送絲機構(gòu)的因素、工件的因素、電參數(shù)的因素、工作液的因素和操作使用的因素。通過進行一系列的試驗和研究，針對這6個方面存在的問題提出了相應(yīng)的解決措施，將大大減少斷絲現(xiàn)象，提高高速走絲的加工精度和效率，增加高速走絲的市場競爭力。
2.電極絲
在高速走絲中，電極絲的材料、長度和直徑、速度和存儲條件等選擇不當都會引起斷絲，影響實際生產(chǎn)。
（1）電極絲材料一般選用鉬絲，因為其具有很好的韌性，可以減少電極絲在換向時造成的沖擊，同時還有較好的導(dǎo)電性，價格便宜等優(yōu)勢。
（2）頻繁的換向是造成斷絲的一個很重要的原因，為此要加長工作的電極絲的長度，一般不應(yīng)小于貯絲筒工作區(qū)域長度的一半，大約300～400m。在滿足實際加工條件的情況下，選取粗的電極絲，因為粗的電極絲不易斷絲，且加工效率高，但直徑不是越粗越好，若直徑大，則電蝕顆粒會增多，使工作液純度降低，及易造成斷絲[1]。選取的電極絲直徑一般為0.10～0.18mm[2]，當加工的零件圓角半徑較小或精度要求較高時，可選取直徑＜?0.06mm的電極絲。另外當直徑損耗了 0.03～0.05mm 時，應(yīng)及時更換新絲，防止斷絲。因此選用合適的電極絲直徑是至關(guān)重要的，工件材料的厚度與直徑的選取關(guān)系如表1所示。
表1 工件材料厚度與電極絲直徑關(guān)系 mm
（3）電極絲的運行速度一般為 8～10m/s，有助于工作液進入到加工間隙帶走電蝕產(chǎn)物。若移動速度太慢，會造成集中放電，燒傷電極絲，引起斷絲，反之則會使振動幅度加大，精度降低。
（4）因為電極絲選用鉬絲，而鉬絲在空氣濕度大的環(huán)境下極易被氧化，被太陽曬時會變脆，且受折容易斷裂，為此需要把新買進的鉬絲放入密封的容器中，用時再取。
3.送絲機構(gòu)的因素
送絲機構(gòu)中的導(dǎo)輪、導(dǎo)電塊、擋絲塊和貯絲筒等零部件的安裝不當及磨損，以及機構(gòu)中導(dǎo)輪的材質(zhì)選用不當和電極絲的松緊不適都會引起電極絲斷絲。
（1）在向高速走絲機床上安裝導(dǎo)輪、軸承和襯套等零件前一定要先將這些零件清洗干凈，保證沒有雜質(zhì)，且在使用 6～8 個月后需及時更換，防止斷絲[3]。在進行加工前，需將貯絲筒后端的限位擋塊調(diào)整好，防止貯絲筒沖出限位行程開關(guān)而斷絲，同時貯絲筒上纏繞的電極絲不允許出現(xiàn)疊繞和夾絲現(xiàn)象。新買進的導(dǎo)電塊由于棱角比較鋒利，在運行中可能會劃斷電極絲，因此需在使用前將棱角進行倒圓。
（2）陶瓷和硬質(zhì)合金導(dǎo)輪主要用來加工材質(zhì)較硬和難熔合金工件，而鋼制導(dǎo)輪主要加工材質(zhì)較軟的工件（如鋼、鋁和銅等），根據(jù)工件材質(zhì)的不同選擇合適的導(dǎo)輪，可減少導(dǎo)輪的磨損，減少斷絲。
（3）合適的電極絲張力將有助于減少斷絲，提高生產(chǎn)效率，電極絲張力一般為 5～10N，但在加工斷面和孔時，因為在放電初始位置容易發(fā)生斷絲，需要適當?shù)臏p少張力，在工作一段時間后將張力調(diào)到穩(wěn)定狀態(tài)[4]。
4.工件的因素
待加工工件的表面質(zhì)量、內(nèi)部的應(yīng)力、厚薄和本身的材質(zhì)都能引起斷絲。
（1）當在進行線切割加工的前一個工作流程為平磨加工時，需要進行退磁處理，避免電蝕顆粒被吸附到切縫中，引起斷絲。在進行加工前，需觀察工件表面，若存在鐵銹、污物和毛刺等，需及時清除，以免引起集中放電，造成斷絲。若工件內(nèi)部存在不導(dǎo)電雜質(zhì)，可以編制一段每進0.05～0.1mm便后退0.5～1mm的程序，在加工中反復(fù)使用，同時加大工作液的流量，將雜質(zhì)沖刷掉[5]。
（2）若工件在線切割加工前有熱處理工序，可在熱處理前從工件內(nèi)部加工穿絲孔，減少加工時因內(nèi)應(yīng)力釋放造成的斷絲。另外線切割工藝路線要選擇合理，如在粗加工時要盡量去除掉多的材料，讓工件釋放出更多的應(yīng)力，減少因線切割加工時工件變形造成的夾絲現(xiàn)象。
（3）一般稱厚度在 3mm 以內(nèi)的工件為薄工件，加工時必須采用封閉式切割，從毛坯內(nèi)部打工藝孔穿絲加工，避免工件因產(chǎn)生應(yīng)力變形而夾斷電極絲。且加工時要提高電源脈沖幅值，加大脈沖寬度，采用較粗的電極絲，使放電間隙加大，同時要將工件夾緊防止冷卻液對它產(chǎn)生過大的振動，從而減少斷絲[6]。厚工件一般是指厚度在100mm以上的工件，加工此類工件引起斷絲的主要原因是排屑不暢。為此應(yīng)盡可能地增大放電間隙（一般應(yīng)大于 0.02mm），使工作液在加工過程中充足穩(wěn)定的包裹住電極絲并進入到加工區(qū)內(nèi)，增強排屑效果，提高切割的穩(wěn)定性，減少斷絲。
（4）切割鋁材會加快導(dǎo)電塊磨損并會切出窄縫，加工時窄縫會使鉬絲產(chǎn)生抖動并使工件上出現(xiàn)搓板紋，且會使工作液內(nèi)含有大量的鋁質(zhì)蝕除產(chǎn)物，容易導(dǎo)致斷絲現(xiàn)象，為此切割鋁材要經(jīng)常更換導(dǎo)電塊和工作液[7]。
5.電參數(shù)的因素
在高速走絲電火花線切割加工中，選擇合理的電參數(shù)，可以有效地減少斷絲，提高加工效率和精度。
（1）為減少斷絲幾率，加工時選擇脈沖間隔與脈沖寬度的比值在3～4倍之間，工件與電極絲之間的放電間隙在0.01mm左右。同時在加工過程中適時的調(diào)整脈沖間隙開關(guān)（工件越厚，脈沖間隙要調(diào)寬一些，工件越薄，脈沖間隙則要調(diào)窄一些），直到電流表上指示電流穩(wěn)定在某一數(shù)值且指鐘擺動平穩(wěn)為止[8]。
（2）在加工前要使預(yù)置的進給速度與工件的蝕除速度相當，這樣加工出來的表面精度高，且不易斷絲。同時正式加工的進給速度一般調(diào)整到試切時的80%～90%，有助于減少斷絲。
（3）電極絲因直徑和材料的不同，所以其所能承受的短路電流峰值是有限度的。工作時的峰值電流一般為電極絲所能承受的最大短路電流峰值的75%～90%，應(yīng)在 40A 以內(nèi)，平均放電電流小于 5A，同時減小放電電流的上升率以降低電極絲的損耗，可提高加工精度，并延長電極絲重復(fù)使用壽命，防止斷絲。選擇合理的電參數(shù)將有效地減少斷絲，表2 是對于一定厚度的工件，電參數(shù)的選擇情況：
表2 一定厚工件的電參數(shù)選擇
6.工作液的因素
選擇合適的工作液成分、性能、濃度和水壓等將有助于減少斷絲，同時切割軟材料時，要對工作液進行適當調(diào)整，且要定期更換工作液。
（1）為了提高切割的穩(wěn)定性，并減少斷絲幾率，一般選用水基或含油成分少的工作液，同時在調(diào)配工作液時，最好不要使用自來水，因為自來水中存在鈣和鎂等有害于電蝕加工的離子[3]。
（2）工作液的性能好，將有助于減少斷絲幾率。為此工作液需要有一定的絕緣性能，較好的洗滌性能和冷卻性能，以及減少脈沖能量損耗和改善電極絲損耗的性能。為有助于產(chǎn)生高頻脈沖火花放電通道，并實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化與傳遞，同時放電結(jié)束之后又能及時恢復(fù)絕緣狀態(tài)，工作液要有一定的介電性能。此外理想的工作液應(yīng)能產(chǎn)生合適的鍍覆現(xiàn)象，保護電極絲[9]。
（3）工作液的濃度對電極絲是否發(fā)生斷絲有至關(guān)重要的影響。工作液濃度太高，易在放電時產(chǎn)生氣泡，致使放電在空氣中進行而產(chǎn)生電弧，會燒斷電極絲[10]，工作液濃度太低，將使工作液絕緣性能降低，電阻率減小，降低了對工件的潤滑作用，也容易斷絲，因此一般工作液濃度控制在5%～10%左右。在進行大厚度工件切割時，因為切縫較窄，導(dǎo)致工作液很難滲透到切縫內(nèi)，排屑困難，易產(chǎn)生短路而引起電弧放電，從而燒斷電極絲。此時需調(diào)整工作液濃度到 3%～5%左右，容易使工作液進入切縫內(nèi)，帶走切屑，使加工比較穩(wěn)定，且不易斷絲。
（4）線切割加工中工作液的沖刷作用相當重要，加工電流越大，切割就越迅速，則產(chǎn)生的切屑就越多。此時需要的水壓要求就越高，以便將切屑快速帶走，減少斷絲幾率，水壓最高可達1.5MPa/cm
[11]。
（5）切割鋁、銅等軟性材料時，為了提高加工效率和表面光潔度，減少斷絲現(xiàn)象，可采用一些專用冷卻液，也有利于環(huán)境保護。
（6）若線切割機床每天工作8h，則需在工作8～10天后更換工作液，對于連續(xù)工作的線切割機床，工作180～200h 后應(yīng)更換切割液，以免工作液中雜質(zhì)太多，造成斷絲。
7.操作使用的因素
正確操作機床，注意有可能造成斷絲的細節(jié)，將有助于減少斷絲，提高加工效率。在加工過程中切勿切換功能鍵，以免開關(guān)接觸不良造成短路從而引起電極絲燒傷，造成斷絲。在加工結(jié)束時，切割掉的部位會在重力的作用下墜落，此時電極絲極易被夾斷，可采用磁鐵吸附和夾板夾持等方法及時固定。為減少電極絲在換向時造成的沖擊，以及張緊力不均勻造成的斷絲，在貯絲筒兩端應(yīng)該預(yù)留5～10mm寬度的鉬絲間隔[11]。在切割過程中，如果貯絲筒換向時沒有切斷高頻電源，會導(dǎo)致處于切割部位的鉬絲在短時間內(nèi)因溫度過高而產(chǎn)生燒絲，因此在加工時需檢查貯絲筒后端的行程開關(guān)是否失靈[12]。中途停機時必須先切斷高頻電源，否則會導(dǎo)致電極絲在短時間內(nèi)因溫度過高而產(chǎn)生燒絲[13]。同時停機床時，最好停在兩個行程開關(guān)位置（貯絲筒剛好換向時按下急停），因為如果此時鉬絲張力過緊，則電極絲冷卻后可能會掙斷鉬絲，而這樣即使斷絲了，損失的電極絲會很少，剩余部分仍可繼續(xù)使用，減少了損耗，此外如果不加工零件時還應(yīng)該松開絲頭一端。在拆絲和上絲時，會剪下很多長度很小的電極絲，可能會混到電器部位中或夾在走絲裝置中，引起短路，造成斷絲，需將這些短頭集中放置。
8.結(jié)論
影響高速走絲機床斷絲的原因有很多，本文通過一系列的實驗和前人的研究，總結(jié)出了針對這6個方面可能出現(xiàn)的問題的預(yù)防措施，大大減少了斷絲幾率，對于提高生產(chǎn)精度和加工效率有一定的借鑒意義。
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