浸液式往复走丝电火花线切割加工研究.pdf

电加工与模具 2 0 1 3 年第3 期 工 艺 装备 浸液式往复走丝电火花线切割加工研究 张伟建 刘志 东 邱明波 南京航空航天大学机电学院 江苏南京 2 1 0 0 1 6 摘要 通过在往复走 丝电火花线切割平 台上 实现浸液式加工 解决 了以往采 用喷液冷却 方式 带来的电极丝上下运丝加工区域冷却不均匀 电极丝受到的阻尼作 用不相 同等问题 由于极 间间 隙工作 液能 得到及 时补 充 减 少 了工件加 工 的热 变形 同时提 高 了加 工 区域 电极 丝的稳 定性 试验 证 明了通过浸液式加工的工件 其加 工精度 表 面质量等均有改善 电极丝使 用寿命 获得延长 但 由于工件表面与 电极丝之间会通过介质产生电解漏电流 故切割效率有所降低 关键词 电火花线切割加工 喷液式 浸液式 尺寸精度 表面粗糙度 中图分类号 T G 6 6 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 9 2 7 9 X 2 0 1 3 0 3 0 0 5 0 0 5 Th e Ex p e r ime n t a l Re s e a r ch O R I mme r s io n Fl u id HS W EDM Pr o ce s s Z h a n g We i j ia n L iu Z h id o n g Q iu Min g b o N a n j i n g U n iv e r s i t y o f A e r o n a u t ics a n d A s t r o n a u t ics N a n j in g 2 1 0 0 1 6 C h in a Ab s t r a ct T h r o u g h r e a l iz in g imme r s io n fl u i d p r o ce s s in g t e ch n o l o g y o n t h e HS WEDM p l a t f o r m t h e p r o b l e ms t h a t co o l in g o f e l e ct ri ca l d is ch a r g e ma ch in in g a r e a is n o t u n e v e n a n d d a mp in g e f f e ct o n t h e wir e e l e ct r o d e is n o t s a me ca n b e s o l v e d O win g t o o f t h e wo r k in g fl u id in t h e d is ch a r g e g a p s u p p l e me n t t ime l y is imp r o v e d t h e t h e r ma l d e f o r ma t io n o f ma ch in in g wo r k p ie ce is r e d u ce d a n d t h e s t a b il it y o f t h e wi r e e l e ct r o d e E x p e r ime n t a l r e s u l t s s h o w t h a t t h e r e h a s b e e n a ce r t a in imp r o v e me n t o n ma ch i n in g p r e cis io n a n d s u r f a ce q u a l it y t h r o u g h imme r s io n fl u i d p r o ce s s in g t h e wir e e l e ct r o d e l if e a l s o g e t e x t e n s i o n b u t d u e t o t h e e l e ct r o l y t ic l e a k a g e cu r r e n t b e t we e n t h e s u r f a ce o f wo r k p ie ce a n d wir e e l e ct r o d e t h e cu t t in g e f f icie n cy i s l o we r Ke y wo r d s W E DM s p r a y l iq u id i mme r s io n fl u id d ime n s i o n a l a ccu r a cy s u r f a ce r o u g h n e s s 往复走丝 电火花线切割机床 俗称 高速走丝 电火花线切割机床 是我国独创的电加工设备 被 广泛应用于模具制造和零件加工业 目前 具有多 次切割功能的往复走丝电火花线切 割机 床 俗称 中走丝机床 较大程度地提高 了加工工艺水平 但 由于其本质还是往复走丝线切割加工 故 因导向 器磨损过快 运丝换向时产生 的振动冲击较大 电 极丝损耗等 因素造成的电极丝空间稳定 性问题并 没有从根本上得到解决 1 1 中走丝机床 的加工精 度也没有实质性的突破 依然无法满足精密模具的 制造要求 往复走丝 电火花线切割加工一般采 用喷液冷 收稿 日期 2 0 1 2 一 l 2 2 4 基金 项 目 国家 自然科学基金 资助项 目 5 0 9 7 5 1 4 2 江苏省工 业支 撑计 划资助项 目 B E 2 0 0 9 1 6 1 第一作者简介 张伟建 男 1 9 8 9年生 硕士研究 生 一 5 0一 却方式 工作液随电极丝带人放 电间隙闭 喷液会对 电极丝产生扰动 电极丝上下走丝时对加工区域冷 却不均匀 工作液对 电极丝阻尼作用不 相同 造成 电极丝空间位置保持性差 从而影响了加工工艺水 平尤其是切割精度的进一步提高 对此 本文提出 在往复走丝电火花线切 割加工平 台上实现浸液冷 却方式 并对其加工精度 表面质量 电极丝损耗等 进行工艺实验研究 1 极 间工作液 的影响 往复走丝 电火花线切 割加工是用半柔性 的钼 丝作为工具 电极 并通过电极与工件之间的脉冲放 电作用进行加工的 在丝筒电机带动下 丝筒高速 转动带动钼丝进行往复运动和导轮转动 3 因此 放 电加工时 由于放 电力的作用及丝筒的换向冲击 导轮径向跳动和轴 向窜动 喷液对电极丝的扰动等 工 艺 装 备 电加工与模具 2 o 1 3 年第3 期 各种因素 均会造成 电极丝空 间位置 的变化 其振 动方程为 2 2 p 一 F 7 0 a a 式 中 P为电极丝的密度 F为电极丝 的张力 厂 为电 极丝的横向力 研究发现 在 未切入工 件之前 这 种振 动是可 观 的 其振幅有 时会超过 l m m 但 当电极丝切人工 件之后 经过切缝 中工作液对 电极丝的阻尼作用 振动振幅将大幅衰减 因此 保持放 电间隙工作液 充足 均匀 将有利于减小 电极丝空间位置的变化 工作液的阻尼作用力 F表达式为 2 F 9 J口 A 式中 p为阻尼系数 P为间隙中工作液密度 V为工 作液流速 A为间隙中电极丝的面积 由此可知 极间工作液的阻尼作用力 F与间隙 中工作液密度 P 流速的平方 及间隙 中电极丝 的 面积 A成正比 其 中 P 3 与加工中的冷却洗涤条件 和电极丝运动速度密切相关 当极 间冷却洗涤条件差 工作液得不到及时补 充时 工作 液对电极丝 的阻尼力减小 会使蚀 除产 物无法及时随工作液排出 在放 电间隙形成堆积 此时极间冷却 和消电离不正常 造成微短路甚至产 生微 电弧放电等不正常放 电现象 还会造成 电极丝 张力发生较大变化 电极丝挠度增大 进 而影 响加 工精度 当极间冷却洗涤状况 良好 极间放 电间隙 工作液得到及 时补充 蚀除产物能及时排 出放电间 隙 工作液对 电极丝产生均匀稳定 的阻尼作用 电 极丝张力均匀 空间稳定性好 工件加工精度较高 此外 工作液 附着在 电极丝上作高速运动 其流速 与电极丝的运动速度有关 电极丝运动速度越快 工作液流速越快 工作 液阻尼作用较大 电极丝稳 定性好 工件加工精度 高 相反 运丝速度越慢 工 作液流速慢 工作液阻尼作用弱 电极丝稳定性差 工件加工精度低 2 不 同冷却方 式的分析 2 1 极间状态对比分析 往复走丝 电火花线切割加工一般采用 喷液冷 却方式 当切割工件厚度不 大时 工作介质在 电极 丝带动下进入切缝并对工件和 电极丝进行冷 却较 易做到 此时 极间放 电间隙工作液充足 电极丝及 工件表面能得到及 时冷却 蚀除产物能及时排 出 切割表面较光滑 平整 但 当切割工件较厚时 随电 极丝带入 的工作液在切缝 内逐渐损耗 电极丝在工 件 出口处相当长的距离 内将处 于基本无工作介质 保护膜的状态 图 1 从而会在冷却条件极 为恶劣 甚至没有冷却的条件下进行放电 由于不能及时将 蚀除产物带走 表面将残 留许多蚀除产物及放 电高 温形成 的碳化合物 使放 电在蚀 除产物与工作介质 的混合体甚至是胶体介质内进行 这种放 电因为工 件表面得不 到充分冷却 将产 生严重烧伤层 影响 加工工件表面的完整性 黑 堵 无液 图 1 喷液式极间加工状态 以目前 的控制系统为基础 对机床下线臂 导 轮等结构及夹具进行改造 采用复合工作液作为工 作介质 实现浸液式加工 运丝原理见图 2 工件在 整个加工过程中完全浸没在复合工作液中 一一一一下进 电块 一 一 一 一 一 一 图 2 浸 液 运 丝 结 构 示 意 图 采用浸液冷却洗 涤方式 的现场照片见图 3 其 极间加工状态示意见图 4 浸液式冷却条件下 工作 液将 电极丝完全包裹 切缝 内工作液也很均匀 阻 尼效果较 喷液式好很多 同时消除了喷液式冷却对 电极丝的扰动 提高了工件加工精度 在相同的加工参数下 分别采用浸液式 喷液 式切割 1 5 0 m m厚的 C r 1 2材料 采集到的放电加工 一 51 电加工与模具 z o l 3 年第3 期 工 艺 装 备 波形见 图 5和 图 6 图 3 浸液加工现场照片 运 方 向 图 4 浸液式极间加工状态 正 也 一 蔓 TI M E 1 07 s UNI T CH 1 2 0 V UNI T CH2 20 A UNI T 图 5 浸液式放 电加工波形 c H 丘 L越 誊 起 鬟 u j 甾 囊 0 蠢 麓 TI M E l O s UNI T CI I 1 2 0 V UNI T CH2 2 0 A UNI T 图 6 喷液式放 电加工波形 可看 出 浸液式加工的放电波形呈现 出间隙放 电的典型特征 放 电击穿延时现象 放 电击穿延 时 的比例较高 放 电电压的波动较小 说 明极 间区 一 5 2一 域存在较均匀 的工作介质 极 间放电间隙冷却洗涤 均匀 电极丝空间位置稳定性好 而喷液加工采集 到的放 电波形基本没有击穿延时 有的脉冲在起始 时即呈现短路状态 有的脉冲放 电过程 中电压跳动 较大 说 明极 间放电间隙工作液不均匀 电极丝抖 动较大 放电状态不稳定 2 2 电极 丝损 耗对 比分析 选用直径 O 1 8 m m 的钼丝 厚 8 0 mi l l 的 C r l 2 材料 分别采用浸液式 喷液式进行 电极丝丝损实 验 选取 的电参数见表 1 表 1 切 割 电 参 数 电源参数 数值 脉宽 ms 占空 比 功放管数 平 均电流 A 3 0 1 6 4 4 5 由图 7可看 出 浸液式加工 的电极丝损耗明显 小于喷液式加工 这是因为浸液式加工时 极间工 作液充足 电极丝表面始终有液体保护膜包裹 这 层保护膜形成类似 防弹衣 的作用 可吸收部分正 离子 的轰击能量 并通过 自身的气化将轰击产生的 大量热量带走 减少放 电通道 内热量对电极丝产生 的热疲劳影响 极大降低了电极丝的损耗 句 同时 由于工作液 中的铁离子在外加电场作用下发生 阴 极沉积问 在 电极丝表面形成镀覆层 一定程度地补 偿了钼丝的损耗 延长了电极丝的使用寿命 而在喷液式加工时 特别当电极丝 自下往上运 动时 极 间工作液不充分 电极丝不能得 到及 时冷 却 部分 电极丝表面没有液体保护膜的包裹 受 到 正离子的轰击 电极丝损伤严重 此外 电极丝在张 力与放电加热的作用下 将较快地产生塑性变形并 被拉长 电极丝损耗增加 耐用度降低 图 7 电极丝损耗对 比图 工 艺 装备 电 加工与 模具 2 0 1 3 年第3 期 3 浸液 式 喷液式切 割实验对 比 喷液式加工时 工作液随 电极 丝带入到放 电间 隙的多少 除 了与加工厚 度有关 还与电极 丝运丝 速度有关 因此 在不同丝速下进行浸液式 喷液式 加工实验 对 比腰鼓度 即平直度 指 中部尺寸与上 部 下部尺寸最大偏差 的绝 对值 尺寸精度 指尺 寸变化范 围的大小 即最大加工尺寸减去最小加工 尺寸的绝对值 表面粗糙度 切割效率的区别 实 验条件及切割参数见表 2和表 3 表 2实 验 条 件 项目 数值或条件 电极丝 工作液配 比 加工材料 直径 o 1 8 m m 长 2 0 0 mm l 2 0 C r l 2 厚 6 0 ram 运丝速度 2 4 6 8 l O re s 常压喷液 浸液 3 1 尺 寸精度 及腰 鼓度 对 比分 析 由图 8和图 9可看出 腰鼓度与尺寸精度 的变 化规律基本相同 丝速大于 8 m s 时 喷液式加工的 工作液 随电极丝带入切缝较容易 放 电间隙中工作 液 的密度 与流动速度与浸液式相 同 极间工作液的 阻尼作用大致相等 浸液式加