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线切割加工精度与表面质量分析及对策 摘 要：分析了高速走丝线切割加工中影响加工精度与表面质量的主要因素，并针对这些原因分别给出各自有效的预防及处理方法。关键词：高速走丝线切割；加工精度；表面质量；对策1 引 言高速走丝线切割有助于工作液进入窄小的加工区，改善排屑条件，这对于切割大厚度工件提高切割速度都是很有作用的。同时，电极丝的往返运动可使电极丝重复使用，减少电极丝的损耗，降低切割加工的生产成本。然而，高速走丝线切割也会造成导向器（导轮、导向块等）的磨损和系统的振动，加上电极丝的张力不易控制，将给加工稳定性、加工精度及表面质量带来严重影响，制约了高速走丝线切割加工在模具生产中的进一步广泛使用，所以研究影响高速走丝线切割加工精度与缺陷的因素及其对策成为热点。本文拟针对线切割加工中产生加工精度误差及表面质量缺陷的原因，给出在加工过程中的相应对策，对于提高线切割加工精度及工件表面质量有很好的借鉴推广作用。2 加工精度误差分析及对策2.1 加工表面粗糙和有条纹加工表面粗糙的原因是多方面的。加工条件选择过强，放电时间长，主电源峰值电流I p大，加工速度快，加工表面粗糙。为提高加工精度，同时又保证一定的加工速度可采用多次切割法。先采用较强的加工条件，偏移量取得大一些，以较大的能量快速切割工件，但是加工芯不完全切下，留一小段。然后用较弱的加工条件，减少偏移量，反方向进行精加工。最多可以反复加工4次，每次加工条件都逐步减弱，电极丝的偏移量也逐次减少，最后一次将连接段切下，这样可得到精确的加工面。加工手册上推荐的加工参考值需要通过时间加以修正，因为具体加工条件会有所不同。送进速度过快也会引起加工表面条纹。高速走丝电极丝张力直接影响电极丝的振动和频率，正向反向移动电极丝张力不一致，影响表面粗糙度，产生换向切割条纹。其对策是：采用高耐磨性的导轮和轴承，磨损后应及时更换，应使所有导轮的V形槽中心处于同一走丝平面以减少振源。改变导轮与线架之间的固有频率，不让它们相互之间或与丝筒的固有频率成倍率关系，以免共振。研究表明，电极丝有效走丝路径（储丝筒出端到储丝筒入端）越长，控制张力恒定的难度越大，所以增大电极丝的张紧力，并使导轮支点尽量靠近工件上下表面以缩短导轮支点与工件表面之间的距离，表面粗糙度会明显改善。目前，国内很多厂家与研究机构已经开发出新型的恒张力高速走丝机构，并利用控制系统设定正向移动和反向移动的时间，消除了高速走丝换向切割条纹，改善加工表面质量。2.2 圆度与拐角处精度误差电极丝是一个柔性体，加工时受放电压力、工作介质压力等作用，会造成加工区间的电极丝向后挠曲滞后于上、下导丝口一个距离产生挠度，严重影响了线切割加工的稳定性和加工精度。研究与实践表明，在切割直线时，电极丝的挠度对加工精度影响很小，切割拐角与圆柱体时会产生明显的精度误差。拐角误差如图1所示。通常简单的对策是：增加一段超切程序，如图1所示的A-A段，使电极丝最大滞后点达到程序点A，然后辅加A的回退程序A-A。接着再执行原程序，便可割出清角。减弱加工条件，降低喷淋压力，有利于提高拐角精度。图1 拐角加工误差示意图a电极丝向后挠曲 b理论上的拐角c实际加工出的拐角Agie公司在拐角精度处理方面拥有称为Pilot的专利技术，它利用一套光学系统测量电极丝受力时的弯曲变形量，由CNC系统进行补偿，其分辨率为2m，采样频率为每秒15次，这样不仅提高了角度的加工精度，而且使加工速度比一般的拐角对策提高了60。在拐角切割控制加工上，W J Hsue、S S Lu等在控制策略上有新的成果，他们提出了“放电角”的概念，并利用此概念分析了常见拐角加工的材料去除率，指出在拐角切割且当保持恒速伺服进给时，材料蚀除量是在不断发生变化的，因此在切割拐角时，向放电间隙输入的放电能量要与材料的蚀除量相一致，否则拐角的切割由于过多的放电能量而形状精度下降。在控制放电能量的同时，他们还对电极丝的张力进行控制，当切割拐角时增加电极丝张力来改善由于电极丝弯曲而使精度下降的现象，研究中的实验结果表明这种全面控制策略取得相当好的加工精度。2.3 加工面平面度误差加工面平面度误差产生的原因可能是电极丝线速度过低，加工时损耗大，形成上下切割尺寸不同，如图2所示。也可能高压水喷淋不当，上下压力及流量不同。喷淋状况不同，排屑及冷却效果也不同。此外，导丝模及导丝板松动以及电极丝张力过低也会引起加工面平面度误差。对此应采取的措施是增加送丝速度，增加电极丝张力，调整上下喷淋的压力及流量，定期检查导丝模及导丝板的工作状况、防止导丝模与导丝板松动。图2 电极丝送进速度低产生误差示意图1.电极丝 2.工件2.4 鼓形误差鼓形误差分为正鼓形与逆鼓形2种，如图3所示。减小正鼓形的对策是减小伺服基准电压Vso2次加工的Vs减少12，3次加工的Vs减少1，减少加工量。减小逆鼓形的对策是加大伺服基准电压Vs，增大加工量。多次切割加工，电极丝的偏移量逐步减小，加工条件也依次减弱，鼓形误差也能减小。图3 正鼓形与逆鼓形a正鼓 b逆鼓2.5 工件歪斜加工歪斜主要是工件内应力经电加工后释放使工件变形。为了提高加工精度，可先进行预加工，使工件内应力释放，然后确认工件平行度，再做精加工。对于形状复杂的零件，为了尽量释放内应力，应该先加工最大的形状。若条件允许，边部尺寸适当留大一些较好，以便耐受内部应力，使变形减小。加工路线对工件变形也有影响，切割时先沿非固定边加工为好，变形较小，如图4所示。从工艺上考虑，应制作合理的工艺孔、槽，以便于应力对称均匀、分散地释放。凸模及凹模应采用封闭切割。图5所示为由外向内顺序的切割路线，通常在加工凸模类零件时采用。方案a存在严重变形，不可用；方案b存在较小变形，为可用方案；方案c有工艺孔，电极丝不从坯件的外部切入，应力得到均匀分散的释放，变形很小，为最好方案。图4 切割路线a错误的切割路线 b正确的切割路线图5 切割方案a不正确方案 b可用方案 c最好方案3 加工表面缺陷分析及对策（1）加工面上附着黄铜，黄铜是切割后附着在加工面上端的黄色异物。其防备方法有以下几种：用加自来水的方法使工作介质水阻降至23万cm，这样放电加强，黄铜附着就会减少；把伺服电压Vs上调1020V，或将辅助电源电压调节至2030V；上侧喷淋减弱，下侧喷淋加强；检查导电板是否磨损，若已磨损则应移动一位值，使导电板与电极丝 接触良好；用喷嘴靠近加工时，把上喷嘴上升1mm左右，加工条件适当减弱；检查极间连线是否松脱。（2）模具产生裂纹，模具易产生裂纹的条件是脉冲宽度较宽与电流较大，脉宽越宽，电流越大，产生裂纹的概率也越高。此外电极放电集中在一点，甚至发生电弧放电，产生裂纹的概率也高。工作液中的电蚀产物液渣等常导致集中放电，所以应当保持工作液的清洁。线切割加工时，工作液电阻率减小会引起电解，会使工作表面形成一层电解变质层，使硬度下降，增大加工面产生微裂纹的倾向。为克服电解变质层的影响，国外厂商推出无电解电源，消除了电解变质层，减少裂纹，提高表面硬度。此外，无电解电源在加工铝、黄铜、钛合金等材料时，工件的氧化情况也有很大的改善。为了预防裂纹和变形，要慎重选择加工条件，加工速度不宜过高。对于大型、壁厚、形状复杂、厚度不均的模具零件，采用多次加工。大型零件热处理的残留应力较大，线切割时材料中的内应力平衡