（机械制造及其自动化专业论文）电火花线切割超大厚度切割技术的研究.pdf

摘要 摘要 本文研究了电火花线切割超大厚度切割技术。分析了引起超大厚度工件线切 割加工难以获得突破的根源所在，提出了一套解决该问题的方法，在此基础上改 进了现有的电火花线切割机床，实现了超大厚度线切割加工，并进行了相关的试 验和分析。在此过程中还发明了一种新型电极丝，并进行初步的研制、试验和分 析。 首先对电火花线切割大厚度切割技术的原理及研究现状进行分析，主要分析 了加工的机理和特点，掌握了国内外电火花线切割大厚度切割技术研究所取得的 成果。随后在前人对大厚度切割技术研究的基础上，分析了目前超大厚度工件切 割困难的根本原因所在：( 1 ) 大量的电蚀产物难于从狭小的切缝中排除出来；( 2 ) 大跨距下电极丝振动严重；( 3 ) j n 工参数的选择不合适导致超大厚度工件切割不能 稳定进行。然后，根据上述三个根本原因展开研究工作。首先通过对现有电火花 线切割机床进行一系列改进，设计了合适的张力机构，安装了走丝速度的变频器， 安装了电极丝定位器，提高了导轮组和滚丝筒组的配合度，设计出更加完善的工 作液过滤装置，然后选定了高性能的水基环保型线切割工作液。满足了试验的要 求。 最后进行了大量的工艺实验。实验内容包括两个方面：一、研究超大厚度切 割条件下，加工参数对加工指标的影响，尤其是对加工速度的影响。初步得出超 大厚度工件切割的最佳加工参数设计。二、针对实际生产需要，进行了超大厚度 辊轮狭槽的加工，解决了该类企业长期面临的技术难题，体现了电火花线切割超 大厚度切割技术的实用价值。 本论文较系统地在理论与实践上探讨了电火花线切割超大厚度工件的切割 技术，提出了超大厚度工件切割的解决方法，改进了机床的设备，进行了一系列 的工艺试验，探索了超大厚度线切割的加工机理，取得了良好的效果。 关键词：电火花线切割，超大厚度，电蚀产物，电极丝振动 广东工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t an e ws u p e r - - l a r g et h i c k n e s sc u t t i n gt e c h n o l o g yb a s e do nw e d m - h sh a sb e e n s t u d i e di nt h i st h e s i s r e a s o n st h a t s u p e r l a r g et h i c k n e s sw o r k p i e c ec a nn o tb e p r o c e s s e de v e nb ye m p l o y e dw e d m - h sh a v eb e e nf o u n do u t t h e s ep r o b l e m sh a v e b e e nd e e p l ya n a l y z e d t oo v e r c o m et h e s ep r o b l e m s ，t h ew e d m s u p e r l a r g et h i c k n e s s t o o lh a sb e e na m e l i o r a t e d ，a n dt h er e l a t e dt e s ta n da n a l y s i sh a sb e e nd e s i g n e da n d b u i l tu p d u r i n gt h ep r o c e s s ，an e w t y p eo fe l e c t r o d ew i r eh a s b e e ni n v e n t e d ，a n dt h e p r i m a r yt y p eh a sb e e nf a b r i c a t e d t h e ns o m ee x p e r i m e n tr e s u l t sh a sb e e no b t a i n e d a n da n a l y z e d i nt h ef i r s tp a r to ft h i s p a p e r ，t h ee s s e n t i a lt h e o r ya n ds t a t u sq u oo ft h e s u p e r - l a r g et h i c k n e s sc u t t i n gt e c h n o l o g yh a sb e e na n a l y z e d ，m a i n l yb a s e do nt h e p r o c e s s i n gm e c h a n i s ma n dc h a r a c t e r i s t i c s ，a n dt h ea c t u a l i t ym a c h i n i n ge x p e r i e n c eo n t h es u p e r - l a r g et h i c k n e s sw i t hw e d mt e c h n o l o g yi nt h ew o r l dh a sb e e nc o n g r e g a t e d b ys u m m a r i z i n gt h ee x p e r i e n c eo fp r e d e c e s s o r so nt h ea r e ao fc u t t i n gs u p e r l a r g e t h i c k n e s sw o r k p i e c e ，i tc a nb ec o n c l u d e dt h a tt h e r ea r et h r e eb a s i cr e a s o n sf o rt h e p r o b l e me x i s t i n gi nt h ep r o c e s sa sf o l l o w e d ：( 1 ) d i s c h a r g ed e b r i si sd i f f i c u l tt ob e d i s c h a r g e di nt h i ss u p e r l a r g et h i c k n e s sc u t t i n gc o n d i t i o n f o rt h es l o tp r o c e s s i n ga r e a i st o on a r r o ww h i l ei ti sd i f f i c u l tt ob ee n l a r g e d ；( 2 ) l o n g e rs p a nw i r ee l e c t r o d e c a u s e s s e v e r ev i b r a t i o n ；( 3 ) u n s u i t a b l ep r o c e s s i n gp a r a m e t e r sa r ek e yp o i n t st h a t c a u s cs u p e r - l a r g et h i c k n e s sc a nn o tb ec u t b a s e do nt h e s et h r e ef u n d a m e n t a l p r o b l e m s ，r e s e a r c hh a sb e e nc a r r i e do n a n de x p e r i m e n tc o n d i t i o n sh a v eb e e nb u i l tu p b ya c t u a l i z i n gas e r i e so fi m p r o v e m e n t so nt h ee x i s t i n gt o o l ，i n c l u d ed e s i g n i n gt h e a p p r o p r i a t et e n s i o n ，f o l l o w i n gt h ei n s t a l l a t i o no ft h em o v i n g w i r et r a n s d u c e r ，c u s t o m p o s i t i o n i n go ft h ew i r e ，r a i s i n gt h ea d a p t a b i l i t yb e t w e e nt h ew i r eg u i d eg r o u pa n d w i r er e e lg r o u p ，d e s i g n i n gt h en e wf i l t r a t i o nd e v i c ef o rd i e l e c t r i c sf l u i d ，a n ds e l e c t i n g h i g h p e r f o r m a n c ea n de n v i r o n m e n t a lf r i e n d l yd i e l e c t r i c sf l u i d f i n a l l y ，al a r g en u m b e ro fe x p e r i m e n t sh a v eb e e nc o n d u c t e dt ot e s tt h ev a l i d i t y i i a b s t r a c t o ft h e s em e a s u r e s t h ee x p e r i m e n t sm a i n l yh a v eb e e nc a r r i e do u ti nt w oa s p e c t s ：t h e o n ei ss t u d y i n gt h ep r o c e s s i n gp a r a m e t e r s i m p a c to np r o c e s s i n gi n d i c a t o r su n d e rt h e s u p e r l a r g et h i c k n e s s ，e s p e c i a l l yt h em a c h i n i n gs p e e d t h r o u g hp r e l i m i n a r ys t u d y ， b e s tp r o c e s s i n gp a r a m e t e r si nt h es u p e r - l a r g et h i c k n e s so ft h ew o r k p i e c ec u t t i n gh a v e b e e no b t a i n e d t h eo t h e ri s ，t of u l f i lt h ea c t u a li n d u s t r yr e q u i r e m e n t s ，an a r r o w g r o o v eh a sb e e ns u c c e s s f u l l yc u ti nas u p e r - l a r g et h i c k n e s sr o l l e rb yt h i st e c h n o l o g y ， a n dt h e nt h ep r o b l e mw h i c hb o t h e r e dt h ee n t e r p r i s ef o rm a n yy e a r sh a sb e e ns o l v e d a n di ta l s oi n c a r n a t e dp r a c t i c a lv a l u eo ft h i sr e s e a r c h t h i sp a p e rs y s t e m a t i c a l l ys t u d i e st h et h e o r ya n dp r a c t i c eo ft h es u p e r l a r g e t h i c k n e s sw o r k p i e c ec u t t i n gt e c h n o l o g yw i t hw e d m s o m es o l u t i o n sf o rc u t t i n g s u p e r - l a r g et h i c k n e s sw o r k p i e c eh a v eb e e np u tf o r w a r d a n de q u i p m e n th a v eb e e n r e d e s i g n e da n di m p r o v e d as e r i e so ft e c h n o l o g i ce x p e r i m e n t sh a v eb e e nc o n d u c t e d a n dt h es u p e r l a r g et h i c k n e s sp r o c e s s i n gm e c h a n i s mw i t hw e d mh a sb e e ns t u d i e d b yt h i ss t u d y ，t h ec u t t i n gt h i c k n e s so fw e d m h sh a sb e e nl a r g e l yi m p r o v e da n dt h e p r e l i m i n a r yc u t t i n gt h e o r yh a sb e e nf o r m e d k e yw o r d s ：w e d m ，s u p e r l a r g et h i c k n e s s ，d i s c h a r g e d e b r i s ，w i r ee l e c t r o d e v i b r a t i o n i i i 独创性声明 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢的地方外，论文不包含其他人已经发表过或撰写过的研究成果，不包含 本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 指导教师签字： 论文作者签字：红自茏 2 g 冬易日旧 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 高速走丝电火花线切割机床是我国独创的电加工设备，经过几十年的发展， 已经成为我国产量最大、应用最广泛的机床种类之一，开辟了线切割加工的新天 地，在模具制造和零件加工中发挥着重要作用。与低速走丝电火花线切割机床相 比，高速走丝电火花线切割机床生产成本和使用成本都是低廉的，但是在加工质 量上已经大大落后，可以说高速走丝线切割机正面临着前所未有的严峻挑战。 从总体上来说，国产线切割加工技术发展缓慢，至今仍停留在较低水平上， 大部分的企业是重复生产，没有实质性突破。以目前机床的现状，高速走丝线切 割机床要在较短的时间内与低速走丝线切割机在加工精度方面进行竞争，困难是 相当大的，而且研究开发的代价也会很高，机床的制造成本将大幅度提高，从现 实和市场的角度来考虑度是不太适宜。 高速走丝电火花线切割机床由于走丝速度高，放电通道转移快，不容易产生 短路故障，对工作液的电阻率、流量与压力等参数要求不苛刻，因此比较容易实 现超大厚度切割。不少厂家在多年前实现了3 0 0 6 0 0 m m 的加工厚度，就超大厚 度加工这一技术而论，高速走丝电火花线切割优于低速走丝线切割机床，这也是 高速走丝电火花线切割机床的特色之一。因此高速走丝线切割机床的发展策略是 扬长避短，使机床向适当加工精度、大的加工厚度瞳1 、高的加工效率发展，来满 足不断发展的生产的需要。 当前面临的问题是如何在保持高速走丝线切割机价格优势的条件下，而又不 丧失其技术特色，针对超大厚度工件使机床的加工范围有较大提高，这既是高速 走丝电火花线切割加工技术持续发展的方向，也是市场竞争的需要。 1 2 国内外相关课题研究现状 按照电极丝的走丝速度可分为高速走丝( 2 5 m s ) 、低速走丝( 2 5 m s ) 广东工业大学硕士学位论文 等电火花线切割设备1 。高速走丝线切割机床是我国独创的，国内主要生产这种 机床，国外主要生产低速走丝电火花线切割机床。 很早就有人在大厚度方面进行研究，尤其是高速走丝线切割机床，下面对线 切割加工机理、特点、应用及在大厚度方面所作的相关研究一一叙述。 1 2 1 电火花线切割加工机理、特点及应用 1 2 1 1 线切割加工的宏观机理 采用电极移动方式的电火花加工装置称为电火花线切割( w i r e c u te d m 或 t r a v e l i n g w i r ee d m ) 。前苏联于19 5 5 年制成了电火花线切割机床，而瑞士于l9 6 8 年制成了n c 方式的电火花线切割机床h 1 。 ( 1 绝缘底板，2 工件，3 - 脉冲电源，4 - 电极丝，5 - 导向轮，6 支架，7 一滚丝伺) 图1 1 电火花线切割加工原理5 3 f i g 1 - 1p r i n c i p l eo ft h ew e d m 数控电火花线切割是利用连续移动的细金属导线( 称作电极丝，铜丝或钼丝) 作为工具电极( 接高频脉冲电源的负极) ，对工件( 接高频脉冲电源的正极) 进行 脉冲火花放电腐蚀、切割加工。其加工原理如图1 1 所示，加上高频脉冲电源后， 在工件与电极丝之间产生很强的脉冲电场，使其间的介质被电离击穿，产生脉冲 放电。电极丝在滚丝筒的作用下作正反向交替( 或单向) 运动，在电极丝和工件 之间浇注工作液介质，在机床数控系统的控制下，工作台相对电极丝在水平面两 个坐标方向各自按预定的程序运动，从而切割出需要的工作形状。 1 2 1 2 线切割加工的微观机理 火花放电时，工件表面的金属究竟是怎样被蚀除下来的? 只有了解这一微观 过程，才有助于掌握电火花线切割加工的加工速度、加工精度、表面粗糙度、电 极丝损耗等各种基本规律，进而对脉冲电源、控制系统、供液系统、走丝机构、 2 多 ， 孝 第一章绪论 工作台等提出合理的要求。每次电火花蚀除的微观过程是热( 主要是表面热源) 和力( 电场力、磁场力、热力、流体动力) 等综合作用的过程。这一过程大致可 分为以下相互独立又相互联系的几个阶段：电离击穿、脉冲放电、金属熔化和气 化、气泡扩展、金属抛出及消电离恢复绝缘强度。 电火花线切割加工时，每一个脉冲放电释放的能量使工件表面放电点间的介 质电离击穿，造成放电点的熔化甚至气化，最后这些金属被抛出而形成一个凹坑。 无数个脉冲( 脉冲电源的频率在2 0 0 0 0 3 0 0 0 0 h z 阳1 ) 连续放电产生无数个凹坑的叠 加，沿电极丝的轨迹形成一条切缝。电火花线切割是运动着的电极丝柔性件对刚 性件的加工，击穿放电主要是依靠“疏松 接触击穿，即在电极丝与工件之间接 触，但在不造成短路的情况下发生击穿放电。根据实验，电极丝与工件相距 8 10g m 时，无击穿现象；电极丝压过工件0 0 4 0 0 7 朋时，单脉冲的放电率接近 9 8 ，当电极丝压过工件0 1 r a m 时，则电极丝与工件之间发生短路，不能形成放 电通道，如图1 2 所示。 审撮垃电投堑电撮堑 件 件 a ) 无击穿现象b ) 放电翠9 8 9 6c ) 短踌，不放电 图1 2 电极丝与工件之间的放电率 f i g 1 - 2d i s c h a r g er a t eb e t w e e nw i r ee l e c t r o d ea n dw o r k p i e c e 下面描述线切割加工电蚀过程。在击穿前后，电极丝和工件的微观表面总是 凹凸不平。每次脉冲放电前，电极丝和工件间离得最近的凸点处电场强度最高， 其间的乳化液电阻值较低而最先被击穿，即被分解成带负电的电子和带正电的离 子而被电离，形成放电通道。在电场力的作用下，通道内的负电子高速奔向阳极， 正离子奔向阴极，原先几百欧姆的电阻降低到1 2 欧姆甚至几分之一欧姆，所通 过的电流亦相应的由零增大到相当大的数值，而放电间隙电压则由开路电压降落 到2 0 v 左右的放电电压。 由于放电通道中的电子、离子受到放电时磁场力和周围液体介质的阻尼和压 缩，所以放电通道的截面很小，通道中的电流密度很大，达到10 4 - - 一l0 9a c m 2 。 广东工业大学硕士学位论文 电子、离子高速流动时相碰撞，通道中放出大量的热，同时阳极金属表面受到电 子流的高速轰击。阴极表面受到离子流的轰击，动能转化为热能，在放电表面产 生大量的热，整个放电通道形成一个瞬时热源，可形成8 0 0 0 - 12 0 0 0 1 甚至高度 2 0 0 0 0 阳1 的高温。通道周围的工作液一部分气化为蒸气，另一部分被瞬时高温分 解为游离碳氢化合物等气体析出( 乳化液很快变脏变黑) 。在热源作用区的局部电 极丝及工件表面，同时被加热到熔点，甚至沸点以上的温度，使局部的金属材料 熔化和气化。由于这一加热过程非常短促( 1 0 - 7 1 0 4 s ) ，因此金属的熔化、气化 及乳化液介质的气化都具有爆炸的特性( 线切割加工时可以听到吱吱声和轻微的 噼啪声) 。爆炸力把熔化的金属，以及金属蒸气、乳化液蒸气抛进乳化液中冷却。 当它们凝固成固体时，由于表面张力和内聚力的作用，均凝聚成具有最小表面积 的细椭圆形颗粒( 长半轴半径约0 1 5 0 01 tm ，因脉冲能量而异) 。而电极丝表面 则形成一个四周稍有凸缘的微小椭圆形凹坑。图1 3 为放电间隙微观示意图，图 1 3 a ) 为放电过程，图1 3 b ) 为放电后的情况。 9 o a ) 放电过程b ) 放电后 ( 1 - 阳极，2 - 阳极电蚀区，3 - 金属融滴，4 工作液，5 - 金属微粒，6 一阴极电蚀区， 7 - 阴极，8 放电通道和气泡，9 小气泡，1 0 - 凸缘，1 1 - 凹坑，1 2 - 镀覆物) 图1 3 放电间隙微观示意图 f i g 1 3m i c r o c o s m i cs c h e m a t i cd i a g r a mo ft h ed i s c h a r g eg a p 实际上熔化和气化了的金属在抛离电极丝表面时，沿切缝四处乱射飞溅，除 绝大部分抛入工作液中收缩成球状小颗粒外，有一部分飞溅、吸附、镀覆在对面 的电极丝表面上。这种相互飞溅、镀覆的现象在某些条件下可以用来减少或补偿 电极丝在加工时的损耗。 观察电火花线切割在加工纯铜和黄铜后的电极丝表面，可以看出粘有铜的痕 迹。如果进一步分析电火花线切割的产物( 电极丝为钼丝) ，在金相显微镜下可以 看到除了游离碳粒、大小不等的铜的球状颗粒之外，还有一些铜包钼、钼包铜互 相飞溅包容的颗粒，此外还有少数由气态直接冷凝成的中空金属颗粒。 4 第一章绪论 1 2 1 3 电火花线切割加工的特点 电火花线切割加工不依靠机械能，而是依靠电能去除金属材料，由于加工过 程中工具和工件并不接触，因而几乎没有宏观切削力，对工具材料的硬度没有要 求，可以用硬度低的工具电极去加工高硬度的工件。这种加工方法还适合于加工 特殊及复杂形状的零件，由于没有机械加工中的宏观切削力，它非常适合于低刚 度工件的加工及微细加工。电火花切割加工也有其局限性，它主要用于加工金属 等导电材料，一般加工速度较低，存在电极损耗阳3 。 1 2 1 4 电火花线切割加工的应用范围 线切割加工为新产品试制、精密零件加工及模具制造开辟了一条新的工艺途 径，主要适用于以下几个方面。 ( 1 ) 试制新产品 在新产品开发过程中需要单件的样品，使用线切割直接切割出零件，无需模 具，这样可以大大缩短新产品开发周期并降低试制成本。如在冲压生产时，未开 出落料模，先用线切割加工的样板进行成形等后续加工，得到验证后再制造落料 模。 ( 2 ) 加工特殊材料 切割某些高硬度、高熔点的金属时，使用机加工的方法几乎是不可能的，而 采用线切割加工既经济又能保证精度。比如，加工硅片n 0 。1 33 和先进陶瓷材料n 卜1 6 3 ， 采用普通加工方法不但难以加工，而且容易破碎，损耗率大。而采用线切割加工 则显示出其天然优势，不但能以较高速度加工，而且加工出来的零件具有良好的 精度。 ( 3 ) 加工模具零件 电火花线切割加工主要应用于冲模、挤压模、塑料膜、电火花型腔模的电极 加工等。由于电火花线切割加工机床加工速度和精度的迅速提高，目前已达到可 与坐标磨床相竞争的程度。例如，中小型冲模，材料为模具钢，过去用分开模和 曲线磨削的方法加工，现在改用电火花线切割整体加工的方法，制造周期可缩短 3 4 5 4 ，成本降低2 3 3 4 ，配合精度高，不需要熟练的操作工人。因此，一些 工业发达国家精密冲模的磨削等工序，己被电火花和电火花线切割加工所代替。 ( 4 ) 混合加工方式 把线切割和其他加工方式复合，形成混合加工方式。比如电火花线切割磨削 广东工业大学硕士学位论文 ( w e d g ) ，常用于加工电子电路中的微细杆加工，能磨削小至5 微米直径n7 3 的杆， 并且能获得很高的重复精度和良好的垂直度n 引。表1 1 示出了电火花线切割加工 常用的应用领域。 表1 1 电火花线切割加工的应用领域 t a b l e1 1a p p l i c a t i o nf i e l d so ft h ew e d m 平面形状的金属模加工 冲模、粉末冶金模、拉拔模、挤压模的加工 立体形状的金属模加工 冲模用凹模的退刀槽加工、塑料用金属压模、 塑料模等分离面加工 电火花成形加工用电极制作形状复杂的微细电极的加工、一般穿孔用电极 电火 的加工、带锥度型模电极的加工 花线 试制品及零件加工试制零件的直接加工、批量小品种多的零件加 切割 加工 工、特殊材料的零件加工、材料试件的加工 轮廓量规的加工 各种卡板量具的加工、凸轮及模板的加工、成 形车刀的成形加工 微细加工化纤喷嘴加工、异形槽和窄槽加工、标准缺陷 加工 1 2 2 超大厚度切割技术的研究背景及发展现状 1 2 2 1 超大厚度切割技术的研究背景 随着工业生产的发展和科学技术的进步，具有高熔点、高硬度、高脆性、高 黏性、高韧性、高纯度等性能的新材料不断出现，具有各种复杂结构与特殊工艺 要求的工件越来越多，仍然采用单独机械加工方法，有时是难以加工或无法加工 的。因此，人们除了进一步发展和完善机械加工方法之外，还努力寻求新的加工 方法。目前的切割方法主要有激光切割、水射流切割、火焰切割、等离子切割、 线锯切割以及电火花线切割。其中激光切割一般切割1 0 m m 以下的厚度工件，超 过10 r a m 的切割速度将明显下降，切口的可重复性不佳“钊。商业化可行最大切割 厚度只有15 m m ，对于切割l5 m m 以上的厚板，随着切割厚度的增大，切边条纹 和挂渣现象愈发明显，侧向燃烧也很严重乜0 1 。水射流切割所能切割的最大厚度： 钢板为1 8 0 m m ，钛板为2 5 0 m m ，铝板为1 0 0 m m 心1 。等离子切割范围一般在o 5 5 0 m m ，若考虑到质量，其切割板厚度范围则更小心剀。火焰切割的工件厚度虽然超 6 第一章绪论 过5 0 0 r a m ，但其加工质量很难保证，切1 2 1 粗糙妇引。线锯切割一般用于切割硬脆材 料的场合，包括各种石材、宝石、玻璃、硅晶体、石英晶体、硬质合金、陶瓷等， 在切割厚度较高的工件时切割速度较低心引。电火花线切割加工与传统的机械加工 性质完全不同，传统机械加工是通过机床部件的相对运动，用比工件材料硬的刀 具去切除工件上多余的部分而得到成品零件。而电火花线切割加工却可以通过软 工具去加工硬材料。因此电火花线切割加工技术能够适应生产发展的需要，并在 应用中显出很多优异的性能，得到了迅速发展和日益广泛的应用。尤其是对于厚 度较大的难加工金属零件精密切割成型，电火花线切割是目前最为有效的一种切 割方法。 国内高速走丝线切割机床要比国外低速走丝线切割机床具有更大的切割厚 度。但一般适应加工厚度在5 0 0 m m 以下的工件，当工件厚度超过5 0 0 m m 时，加 工稳定性下降，加工变得困难。多年来，国内外的研究人员，在大厚度切割方面 进行了大量的研究和探索，对现有的电火花线切割机床进行改造和发展，采取了 各种措施，据报道心钉目前的最大切割厚度为8 0 5 m m 。 随着5 0 0 m m 及其以上的厚模、厚直壁异形零件和8 0 0 m m 甚至更厚零件的出 现，研究切割超大厚度工件的电火花线切割技术是一项迫不及待的工程。大厚度 和超大厚度的划分范围目前还没有明确的定义。根据习惯妇朝，一般认为： 普通厚度：h 3 0 0 m m ； 大厚度：3 0 0 m m 0 5 0 ，满足条件。 7 8 小齿轮改变后，同步带e 也要改变，通过分析计算，选择用模数为1 5 ，齿 数为1 3 2 的聚氨酯钢质芯同步带。同步带e 的周长为6 2 1 7 2 m m ，a 、b 齿轮的中 心距l 固定为16 0 m m ，计算出更改之后的同步带最小包络线周长为6 16 9 1 m m ， 即a = 6 2 1 7 2 6 16 9 1 = 4 8 l m m ，通过压紧轮f 消除同步带多出4 8 l m m 偏差。 2 5 5 新型电极丝的工艺试验 下面用新型电极丝对不同材料和不同工件厚度进行工艺实验。 2 5 5 1 加工普通厚度c r l 2 模具钢 调整线架跨度为1 0 0 m m ，加工工件的厚度为4 0 m m ，工件材料为c r l 2 ，工作 液为环保水溶性线切割液d i c - 2 0 6 。 2 9 表2 3 电极丝的性能指标对比情况 t a b l e2 - 3i n d i c a t o r so ft h ep e r f o r m a n c eo fe l e c t r o d ew i r e 加工电流( a ) 1 52 53 03 54 o4 5 去除率p新型 2 8 31 2 1 61 5 。7 右1 8 7 l2 2 7 42 6 1 5 ( 黼3 m i n ) o 。1 81 1 34 6 85 6 26 2 47 8 4 新型 ：i i 宰木宰琦皇拳术木木宰拳堆拳术串爿：宰难木术木枣拳 排屑性 0 1 8 霉案枣木枣宰 新型 稳定性 0 1 8oo oo o o断丝 ( 注：叶琶表排屑容易的程度，代表稳定性好的程度， ： 邑 1 、 q 褂 畿 粕 5 0 o 代表断丝容易韵程度) i ( a ) 图2 - 1 7 电极丝的材料去除率曲线 f i g 。2 17w i r ee l e c t r o d em a t e r i a lr e m o v a lr a t ec u r v e 由表2 3 和图2 1 7 可以看出，新型电极丝的材料去除率高于o 1 $ m m 电极 丝，并且新型电极丝加工的稳定性明显要优于普通电极丝，当加工电流增大到一 定程度，普通电极丝由于承受不了大能量而容易断丝，新型电极丝则能承受较大 的加工电流。从排屑性能来看，随着加工电流的增大，新型电极丝的排属性能保 持良好状况，而普透电极丝的排屑性能则较弱且无明显变化。 2 5 矗2 加工金属基复合材料 金属基复合材料( m m c s ) 已成为继金属材料、无机非金属材料、高分子材 料之后的第四大类材料。m m c s 除了具有基体金属或合金具备的良好导热、导电 第二章电蚀产物的排除对超大厚度线切割的影响 性能，抗苛刻环境能力，抗冲击、抗疲劳性能和断裂性能以外，还具有高强度、 高刚度，出色的耐磨性能和更低的热膨胀系数 。m m c s 一般都是一次成形，很 难二次加工，而采用线切割加工方式则是一种较好的加工方式。此处选择这种材 料进行两种电极丝的加工情况比较。从表2 4 可知新型电极丝加工金属基复合材 料的材料去除率比普通电极丝要高，排屑性能要好。新型电极丝承受的加工电流 大，加工稳定性比普通电极丝要好。 表2 4 加工金属基复合材料 t a b l e2 4p r o c e s sm m c s 类型加工电流( a ) 345 去除率新型 1 11 3 51 5 5 ( m 肌3 r a i n ) 中0 1 88 2 8 新型良好良好良好 排屑性 o 1 8一般 新型好好一般 稳定性 0 1 8一般断丝断丝 2 5 5 3 加工超大厚度c r l 2 模具钢 新型电极丝加工5 0 0 m m 厚度以上的工件时，刚开始切割时振动严重，难以 顺利入刀，并且在加工一段时间之后容易断丝。 通过仔细观察分析，发现随着跨距的升高，新型电极丝振动幅度比普通电极 丝要大很多。由于新型电极丝的外圆柱表面不规则，当其高速滑动经过导轮时， 引起电极丝的严重跳动。施加一定的张力之后，振动幅度降低了不少。但加工一 段时间之后，电极丝发生断裂的频率较高。随机抽取一段未加工过的电极丝和一 段加工过的断裂电极丝，在扫描电镜s e m 下观察它们的形貌，如图2 18 所示。 未加工之前的电极丝已经存在比较大的缺陷，如图2 18 中的1 号斑点，2 号、 3 号的爆裂坑。当新型电极丝经加工放电后，观察到电极丝圆柱表面凸出的部分 经受过大电流放电的痕迹，如图2 18 中4 号、7 号放电凹陷，而凹槽部分没有放 电的痕迹，如5 号、8 号区域。说明新型电极丝的放电不均匀。 广东工业大学工学硕士学位论文 ( a ) 未加工 ( c ) 已加工 ( b ) 未加工 ( d ) 已加工 图2 - 1 8 电极丝表面形貌 f i g 2 - 18s u r f a c em o r p h o l o g yo fe l e c t r o d ew i r e 在未加工过的新型电极丝上随机抽取电极丝段，进行了新型电极丝横截面的 镶样。在金相显微镜下观察到的新型电极丝横截面如图2 1 9 所示。1 号、2 号分 别为0 2 2 m m 、0 2 0 m m 普通电极丝的横截面，3 6 号为新型电极丝的横截面。可 以看出4 号、5 号横截面具有明显的拉丝裂缝，而3 号、6 号是没有缺陷的新型电 极丝横截面形状。说明拉丝工艺存在问题，制造的电极丝本身存在较大的缺陷， 导致加工中的频繁断丝。 ( 1 号为0 2 2 r a m 电极丝的横截面，2 号为0 2 0 r a m 电极丝的横截面，3 6 号为新型电极丝的横截面) 图2 1 9 新型电极丝的横截面 f i g 2 19c r o s ss e c t i o no ft h en e we l e c t r o d ew i r e 3 2 第二章电蚀产物的排除对超大厚度线切割的影响 2 5 6 分析及讨论 从新型电极丝工艺实验来看，新型电极丝在材料去除率、排屑性能和加工稳 定性三方面都比普通电极丝强。材料去除率、排屑性和加工稳定性三者具有相互 作用。新型电极丝的材料去除率高，加工切缝大，进入切缝中的工作液将会增多， 排屑性能相应提高，进而加工将变得更加稳定。这三者是一个连续的递进关系。 此关系对于超大厚度工件切割非常有帮助。采用普通电极丝加工困难的一个非常 重要问题就是电蚀产物无法顺畅排除，工作液难于进入切缝。进而直接影响到加 工稳定性。而新型电极丝的材料去除率高，排屑性能好，将有助于提高电蚀产物 的排除量，对加工稳定性非常有帮助。所以新型电极丝对超大厚度工件的切割具 有实际的意义，目前已经申请了国家发明专利( 专利号为2 0 0 7 10 0 2 9 4 5 4 1 ) 。 由于目前国内拉丝模具技术的限制，难于制造出o 2 7 r a m 异形拉丝模具，且 异形电极丝的拉丝工艺水平较低。基于这两个原因，最后选择扩大新型电极丝的 制造尺寸为中0 5 0 m m ，在拉异形电极丝工艺不十分完善的条件下，制造的新型电 极丝带有缺陷。这样使得新型电极丝的优越性能大打折扣。说明拉丝工艺水平有 待进一步提高，而通过切割工艺实验分析初步得出，使用新型电极丝将改善超大 厚度工件的切割条件，有望在超大厚度切割方面取得更大的成果。 2 6 本章小结 本章主要研究分析了电蚀产物的排除对超大厚度线切割的影响，得出以下几 个结论： 1 工作液的选择对电蚀产物的排除有显著影响，选用环保水溶性线切割液 d i c 2 0 6 ，可以获得良好的超大厚度加工性能。 2 过滤装置是控制工作液清洁程度的设备，决定工作液中电蚀产物的浓度。 采用本课题设计的精密过滤装置，能满足超大厚度线切割的加工需要。 3 通过实验得知，切缝中的工作液主要由高速运行的电极丝带入，而不是 工作液的压力喷入。采用本课题设计的鹅颈头式喷液装置，具有良好的 共轴喷液效果，且方便调节喷液角度。 4 发明了一种新型电极丝。新型电极丝增大了切缝尺寸，提高了电蚀产物 的排除量。通过工艺实验，取得了初步的成果，为超大厚度线切割提出 广东工业大学工学硕士学位论文 了一个新的发展思路。 第三章电极丝振动对超大厚度线切割的影响 第三章电极丝振动对超大厚度线切割的影响 引起超大厚度切割困难的另外一个主要原因是电极丝振动，在普通厚度切割 时，线架的跨度l 并不大，所以电极丝振动并不明显。随着工件厚度h 升高，线 架不断升高，跨度l 跟着增大。电极丝振动愈来愈严重，跨度l 增大到5 0 0 m m 时，电极丝振动较明显。跨度l 增大到8 0 0 m m 时，电极丝振动可以直观看到。 当跨度l 增大到1 0 0 0 m m 时，电极丝振动很严重，不经处理的情况下，已无法正 常加工，现象为：刚开始切割时，电极丝的晃动厉害，火花时有时无，时强时弱， 一直徘徊在进刀口，不能切割进去。 3 1 振动产生的根源及其影响 切割普通厚度的工件，电极丝也存在振动，只是振动的幅度不大，看不出来 而已。随着工件厚度h 的升高，线架跨度l 也跟着增大，电极丝振动愈严重。电 极丝的振动是一种复杂的组合型振动，既有接近固有频率的高频振动，也有低频 振动。处于两导轮之间的电极丝，除了有垂直于走丝方向上的二维平面内的横向 振动外，还有沿着走丝方向上的纵向振动。电极丝振动的主要机械源是导轮与轴 承的轴向窜动和径向跳动，滚丝筒的径向跳动和线架的振动，电极丝的受热后延 伸率不均引起的抖动，电极丝受高速走丝与电极丝不断换向引起的抽动，工作液 喷射压力不稳定对电极丝产生的扰动等。 电极丝振动状态不但影响超大厚度工件切割的加工质量，而且影响到加工速 度和加工稳定性。所以，抑制电极丝的振动，提高其动态稳定性，对超大厚度工 件线切割有直接关系。 3 2 电极丝的振动状态数学模型 线切割加工过程中，电极丝受力示意图如图3 1 所示。加工区域段的电极丝 在加工过程中作微幅振动，该振动由各种力引起。该系统可作为一个具有良好线 性和分布参数的振动系统。因而可以将电极丝的微幅振动作为机械学中弦的振动 广东工业大学工学硕士学位论文 来研究h 8 1 。 艮( ，t ) r ( x ， 张紧力t s l 图3 1 线切割加工过程中电极丝的受力振动示意图 f i g 3 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fe l e c t r o d ew i r ev i b r a t i o ni nw e d mp r o c e s s 通过分析，可建立在放电力作用下，长度为出的电极丝微细单元受力示意图， 如图3 2 所示，其中，f e ( x ，) 为放电时产生的作用力( 包括电磁力、放电通道作 用力和通道周围气泡的作用力等) ，r ( x ，f ) 为介质阻尼力，电极丝跨距为l 。 x 0 u c ( x ，t ) 图3 - 2 电极丝单元体受力情况 f i g 3 - 2s c h e m a t i cd i a g r a mo ff o r c e sa c t i n go nt h ew i r ee l e m e n t 根据牛顿第二定律，可建立电极丝有阻尼受迫振动的偏微分方程： t 旦三笔字生尘一e 1 旦! 三著堡垒一p 。旦兰笋一r ( 五力+ e ( 墨d = 。 假定阻尼力为阻尼与振动速度的一次方成正比例，则 脚脚半 3 6 ( 3 1 ) ( 3 2 ) 第三章电极丝振动对超大厚度线切割的影响 于是有 瓦筝一e 学咱学一掣堋 b 3 ， 其中e 为弹性模量，是电极丝张力，岛是电极丝的线密度，是粘性阻尼 系数。式( 3 3 ) 中i 鱼笋盟表示轴向张力引起的弯曲变形，p 。鱼铲和 a x o l 掣分别代表电极丝惯性力和阻尼力，e ，掣表示电极丝横向抗挠刚 饼织 度，由于电极丝非常柔软，该项数值很小，忽略不计，因此式( 3 3 ) 可化作： c 学一向学一掣堋圳= 。 ( 3 3 ) 由边界条件乩( 。= 0 ，玑( 三力= o ，初始条件垦矧，- 。= o ，玑( 五。) = 0 ，解 上述偏微分方程，得到电极丝任意点的振动响应配。 力：兰喜嘉咖噜a ) f o n e s i n 厢+ 耵( 1 - e n t c o s 而，】 + p 埘s i n ( 口x ) c o s 蕊一n s i _ n ；4 _ c 二0 2 r - n 2 t j ：u 。( 野) s i i l ( c 口o _ _ l7 7 ) d 彳 +三二竺一c0i2 j 孑( 叩) s i n ( 詈叩) d 叩 ( 3 4 ) 式中， 匾 口_ 1 蔷 允为放电点的位置，劬为电极丝的第i 阶固有圆频率，咒为 放