中走丝切割机床编程与操作加工工艺处理方法和加工操作方案

HEATS · 发表于 2010-10-23 08:08:46

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　　引言

　　中国特有(除中国内地，没有任何国家和地区生产该类机床的厂家)的高速走丝电火花线切割机(WEDM-HS)，由于结构简单、造价低、工艺效果好，加上使用过程消耗少，自上世纪六十年代末被研制成功之后就得到飞速发展，现已成为制造业中一种必不可少工艺装备。至2004年底，全国年产量已超过3万台，约占世界电火花线切割机总产量的70%。但由于其加工质量问题未得到有效解决，而随着国外生产的低速走丝电火花线切割机(WEDM-LS)技术水平的不断提高，模具工业的发展，曾令中国人感到自豪的中国特有的WEDM-HS，如今却陷入难于发展的困境。已难于满足模具发展需要。

　　为了满足用户需要，我公司在保留快速走丝线切割机床结构简单、造价低、工艺效果好、使用过程消耗少等特点的基础上，引用国际上精密模具加工设备的先进理念及慢走丝多次切割技术(即第一次切割用较大的电规准进行高速粗切割，然后用精规准和精微规准进行第二次、第三次甚至第四、五次切割，将加工表面逐级修光，以获得较理想的加工表面质量和加工精度)，开发了能实现多次切割的智能化系统中速走丝电火花线切割机(WEDM-CS)。该机比快走丝更人性化，便捷化，适用范围更广。被越来越多的厂商所青睐。目前已在市场上销售了500余台，用户普遍反映这种线切割机的加工质量比较好。我公司生产的“中速走丝”，不仅电极丝移动速度介于“高速”与“低速”之间，而且加工质量高于“高速走丝机”，并逼近低速走丝机。

　　但由于中走丝是近几年才开始，所以很多对中走丝加工工艺还不熟悉。现结合多年的生产实践，针对中走丝切割机床编程与操作加工过程中所出现的问题及遇到的困难，总结了几点工艺处理方法和加工操作方案(仅供参考)

　　一、多次切割工艺参数设置

　　◆第一次切割任务是高速稳定切割

　　⑴脉冲参数：选用高峰值电流，较长脉宽的规准进行大电流切割，以获得较高的切割速度。

　　⑵电极丝中心轨迹的补偿量小：

　　f = 1/2φd +δ+△+ S式中，f为补偿量(mm)；δ为第一次切割时的放电间隙(mm)；φd为电极丝直径(mm)；△为留给第二次切割的加工余量(mm)；S为精修余量(mm)。在高峰值电流粗规准切割时，单边放电间隙大约为0.02mm；精修余量甚微，一般只有0.003mm。而加工余量△则取决于第一次切割后的加工表面粗糙度及机床精度，大约在0.03～0.04mm范围内。这样，第一次切割的补偿量应在0.05～0.06mm之间，选大了会影响第二次切割的速度，选小了又难于消除第一次切割的痕迹。

　　⑶走丝方式：采用高速走丝，走丝速度为8～12m/s，达到最大加工效率。

　　◆第二次切割的任务是精修，保证加工尺寸精度。

　　⑴脉冲参数：选用中等规准，使第二次切割后的粗糙度Ra在1.4～1.7μm之间。

　　⑵补偿量f：由于第二次切割是精修，此时放电间隙较小，δ不到0.01mm，而第三次切割所需的加工质量甚微，只有几微米，二者加起来约为0.01mm。所以，第二次切割的补偿量f约为1/2d+0.01mm即可。

　　⑶走丝方式：为了达到精修的目的，通常采用低速走丝方式，走丝速度为1～3m/s，并对跟踪进给速度限止在一定范围内，以消除往返切割条纹，并获得所需的加工尺寸精度。

　　◆第三次切割的任务是抛磨修光。

　　⑴脉冲参数：用最小脉宽进行修光，而峰值电流随加工表面质量要求而异。

　　⑵补偿量f：理论上是电极丝的半径加上0.003mm的放电间隙，实际上精修过程是一种电火花磨削，加工量甚微，不会改变工件的尺寸大小。所以，仅用电极的半径作补偿量也能获得理想效果。

　　⑶走丝方式：像第二次切割那样采用低速走丝限速进给即可。

　　二、多次切割变形问题处理方法

　　2.1凸模加工工艺

　　凸模在模具中起着很重要的作用，它的设计形状、尺寸精度及材料硬度都直接影响模具的冲裁质量、使用寿命及冲压件的精度。在实际生产加工中，由于工件毛坯内部的残留应力变形及放电产生的热应力变形，故应首先加工好穿丝孔进行封闭式切割，尽可能避免开放式切割而发生变形。如果受限于工件毛坯尺寸而不能进行封闭形式切割，对于方形毛坯件，在编程时应注意选择好切割路线(或切割方向)。切割路线应有利于保证工件在加工过程中始终与夹具(装夹支撑架)保持在同一坐标系，避开应力变形的影响。夹具固定在左端，从葫芦形凸模左侧，按逆时针方向进行切割，整个毛坯依据切割路线而被分为左右两部分。由于连接毛坯左右两侧的材料越割越小，毛坯右侧与夹具逐渐脱离，无法抵抗内部残留应力而发生变形，工件也随之变形。若按顺时针方向切割，工件留在毛坯的左侧，靠近夹持部位，大部分切割过程都使工件与夹具保持在同一坐标系中，刚性较好，避免了应力变形。一般情况下，合理的切割路线应将工件与夹持部位分离的切割段安排在总的切割程序末端，即将暂停点(支撑部分)留在靠近毛坯夹持端的部位。

　　下面着重分析一下硬质合金齿形凸模的切割工艺处理。

　　一般情况下，凸模外形规则时，线切割加工常将预留连接部分(暂停点，即为使工件在第1次的粗割后不与毛坯完全分离而预留下的一小段切割轨迹线)留在平面位置上，大部分精割完毕后，对预留连接部分只做一次切割，以后再由钳工修磨平整，这样可减少凸模在中走丝线切割上的加工费用。硬质合金凸模由于材料硬度高及形状狭长等特点，导致加工速度慢且容易变形，特别在其形状不规则的情况下，预留连接部分的修磨给钳工带来很大的难度。因此在中走丝线切割加工阶段可对工艺进行适当的调整，使外形尺寸精度达到要求，免除钳工装配前对暂停点的修磨工序。?由于硬质合金硬度高，切割厚度大，导致加工速度慢，扭转变形严重，大部分外形加工及预留连接部分(暂停点)的加工均采取4次切割方式且两部分的切割参数和偏移量(Offset)均一致。第1次切割电极丝(钼丝)偏移量加大至0.15—0.18mm，以使工件充分释放内应力及完全扭转变形，在后面3次能够有足够余量进行精割加工，这样可使工件最后尺寸得到保证。

　　具体的工艺分析如下：

　　(1)预先在毛坯的适当位置用穿孔机或电火花成形机加工好Φ1.0—Φ1.5mm穿丝孔，穿丝孔中心与凸模轮廓线间的引入切割线段长度选取5—10mm。

　　(2)凸模的轮廓线与毛坯边缘的宽度应至少保证在毛坯厚度的1/5。

　　(3)为后续切割预留的连接部分(暂停点)应选择在靠近工件毛坯重心部位，宽度选取3—4mm(取决于工件大小，)。

　　(4)为补偿扭转变形，将大部分的残留变形量留在第1次粗割阶段，增大偏移量至0.15—0.18mm。后续的3次采用精割方式，由于切割余量小，变形量也变小了。

　　(5)大部分外形4次切割加工完成后，将工件用压缩空气吹干，再用酒精溶液将毛坯端面洗净，凉干，然后用粘结剂或液态快干胶(通常采用502快干胶水)将经磨床磨平的厚度约0.3mm的金属薄片粘牢在毛坯上，再按原先4次的偏移量切割工件的预留连接部分(注意：切勿把胶水滴到工件的预留连接部分上，以免造成不导电而不能加工)。

　　2.2凹模板加工中的变形分析

　　在线切割加工前，模板已进行了冷加工、热加工，内部已产生了较大的残留应力，而残留应力是一个相对平衡的应力系统，在线切割去除大量废料时，应力随着平衡遭到破坏而释放出来。因此，模板在线切割加工时，随着原有内应力的作用及火花放电所产生的加工热应力的影响，将产生不定向、无规则的变形，使后面的切割吃刀量厚薄不均，影响了加工质量和加工精度。针对此种情况，对精度要求比较高的模板，通常采用4次切割加工。第1次切割将所有型孔的废料切掉，取出废料后，再由机床的自动移位功能，完成第2次、第3次、第4次切割。a切割第1次，取废料→b切割第1次，取废料→c切割第1次，取废料→……→n切割第1次，取废料→a切割第2次→b切割第2次→……→n切割第2次→a切割第3次→……→n切割第3次→a切割第4次→……→n切割第4次，加工完毕。这种切割方式能使每个型孔加工后有足够的时间释放内应力，能将各个型孔因加工顺序不同而产生的相互影响、微量变形降低到最小程度，较好地保证模板的加工尺寸精度。但是这样加工时间太长，穿丝次数多，工作量大，增加了模板的制造成本。另外机床本身随加工时间的延长及温度的波动也会产生蠕变。因此，根据实际测量和比较，模板在加工精度允许的情况下，可采用第1次统一加工取废料不变，而将后面的2、3、4次合在一起进行切割(即a切割第2次后，不移位、不拆丝，紧接着割第3、4次→b→c……→n)，或省去第4次切割而做3次切割。这样切割完后经测量，形位尺寸基本符合要求。这样既提高了生产效率，又降低人工，因此也降低了模板的制造成本。

　　2.3凹模板型孔小拐角的加工工艺

　　由于选用的电极丝(钼丝)直径越大，切割出的型孔拐角半径也越大。当模板型孔的拐角半径要求很小时(如R0.07—R0.10mm)，则必须换用细丝(如Φ0.10mm)。但是相对粗丝而言，细丝加工速度较慢，且容易断丝。如果将整个型孔都用细丝加工，就会延长加工时间，造成浪费。经过仔细比较和分析，我们采取先将拐角半径适当增大，用粗丝切割所有型孔达到尺寸要求，再更换细丝统一修割所有型孔的拐角达到规定尺寸。但更换Φ0.10mm的细丝需重新找正中心，重新找正中心的坐标值与原中心坐标值相差应大约在0.02mm左右。

　　三、多次切割加工中工件余留部位的处理

　　随着世界范围内模具工业新技术、新材料和新工艺的发展，为了增强模具的耐磨性，人们广泛使用各种高强度、高硬度和高韧性的模具材料，这对提高模具的使用寿命极为有利，但它给电火花线切割工件余留部位加工后所带来的技术处理造成不便。来处理工件余留部位的加工问题，这样才能保证工件余留部位的表面质量和表面精度。特别是在塑料模、精密多工位级进模的生产加工过程中，能保证得到良好的尺寸精度，直接影响模具的装配精度、零件的精度以及模具的使用寿命等。由于加工工件精度要求高，因此在加工过程中若有一点疏忽，就会造成工件报废，同时也会给模具的制造成本和加工周期带来负面影响。对于高硬度、高精度和高复杂度、且加工表面为非平面的小工件来说，采用多次切割加工的方法处理工件余留部位的切割任务显得更为重要。

　　A处理方法与技巧

　　对于线切割工件余留部位切割的多次加工，首先必须解决被加工工件的导电问题，因为在高精度线切割加工中，线电极的行走路线可能需要沿加工轨迹往复行走多次，才能保证被加工工件具有较高表面粗糙度和表面精度，这时线切割加工是靠工件余留部位起到导电作用以保障电加工正常进行。但在进行工件余留部位的切割加工时，若第一次切割即切下工件余留部位，将会导致被切割部分与母体分离，以致导电回路中断，无法进行继续加工，所以从线切割加工的条件性和延续性考虑，必须使工件余留部位即便在多次切割的情况下也能保持与母体之间正常导电的要求。

　　为了实现上述目的，操作工人力图营造人为环境和条件来满足导电要求，即当工作人员在操作电火花线切割机遇到切割工件余留部位时，可采用在被切割部分和母体之间粘铜片和在切割间隙中塞铜片的处理方法来造成人为的定位条件和导电条件，使是火花加工得以继续进行，其具体做法与技巧如下：

　　(1)在被切割部分与母体材料之间粘贴连接铜片。其目的是使工件余留部分在切割时与母体材料相连固定，保证线切割有良好的定位条件，从而保障工件有优异的加工质量，这可依照以下步骤进行：

　　①首先根据加工工件的大小把薄铜片(厚度根据线电极情况和加工部位形状而定)剪成长条形，然后折叠，井保证折叠部分一长一短。

　　②然后把铜片折叠的弯曲部分用小手锤锤平，并用什锦锉修理成楔形；

　　③再把经以上处理的铜片塞到线电极加工所形成的缝隙里，同时在工件该部分的表面滴上502胶水(即环氧树脂瞬时快干胶)。由于切割时，电火花线切割机冲水使工件所受压力较大，若单纯用铜片塞紧来保证导电和固定，容易产生以下问题：(a)铜片塞得太松，担心固定不可靠、导电不稳定；(b)铜片塞得太紧，又担心损伤工件表面、破坏形位公差，所以采用502胶水来保证被切割部分与母体材料固定；

　　④在将铜片塞进加工部位时，应注意是：用502胶水粘贴连接铜片时应远离工件余留部件处，以免502胶水渗到，造成绝缘。此外粘贴连接铜片的位置应考虑对称分布，且应保证同时塞紧，避免工件发生偏移，以致影响工件加工质量。保证被切割工件余留部位形状的正确性和精度的可靠性。

　　(2)在被切割部分与母体材料之间填充导电铜片。把经折叠、剪齐、锤平和修锉的薄铜片填充在线电极加工形成的缝隙里，并使铜片和缝隙壁紧密贴合。填充此铜片的目的是为了导电，因为前面粘贴连接铜片时用了502胶水，而502胶水是不导电的。为了实现导电要求，故采用填充导电铜片的方法，填充导电铜片时同样应注意铜片的对称布置以及铜片应同时加紧，并且不能塞得过紧以免划伤工件的表面。不管是粘贴连接铜片还是填充导电铜缝隙的形状。都应该把小铜片制成圆弧形，而且还应该用金相砂布打磨被锤过的铜片表面，以保证铜片表面光滑以避免划伤工件已加工过的表面。

　　B结论

　　在采用电火花线切割机加工高硬度、高精度和高复杂度的小型工件时，按照上述方法和步骤进行线切割加工中工件余留部位的精密切割，是一种行之有效的方法，它所提出的步骤和技巧，经济简便、实用可行，从而为改善和提高精密线切割加工的质量和效率探索出新的途径。

　　四、加工工艺的分析

　　电火花线切割加工是实现工件尺寸加工的一种技术。在一定设备条件下，合理的制定加工工艺路线是保证工件加工质量的重要环节。电火花线切割加工模具或零件的过程，一般可分以下几个步骤。对图样进行分析和审核分析图样对保证工件加工质量和工件的综合技术指标是有决定意义的第一步。

　　4.1对图样进行分析和审核

　　分析图样对保证工件加工质量和工件的综合技术指标是有决定意义的第一步。以冲裁模为例，在消化图样时首先要挑出不能或不易用电火花线切割加工的工件图样，大致有如下几种：

　　⑴表面粗糙度和尺寸精度要求很高，切割后无法进行手工研磨的工件；⑵窄缝小于电极丝直径加放电间隙的工件，或图形内拐角处不允许带有电极死板井架放电间隙所形成的圆角的工件；⑶非导电材料；⑷厚度超过丝架跨距的零件；⑸加工长度超过x，y拖板的有效行程长度，且精度要求较高的工件。

　　在符合线切割加工工艺的条件下，应着重在表面粗糙度、尺寸精度、工件厚度、工件材料、尺寸大小、配合间隙和冲制件厚度等方面仔细考虑。

　　4.2编程注意事项：

　　1)冲模间隙和过渡圆半径的确定

　　⑴合理确定冲模间隙。冲模间隙的合理选用，是关系到模具的寿命及冲制件毛刺大小的关键因素之一。不同材料的冲模间隙一般选择在如下范围：

　　软的冲裁材料，如紫铜、软铝、半硬铝、胶木板、红纸板、云母片等，凸凹模间隙可选为冲材厚度的10%—15%。硬质冲裁材料，如铁皮、钢片、硅钢片等，凸凹模间隙可选为冲裁厚度的15%—20%。这是一些线切割加工冲裁模的实际经验数据，比国际上流行的大间隙冲模要小一些。因为线切割加工的工件表面有一层组织脆松的熔化层，加工电参数越大，工件表面粗糙度越差，熔化层越厚。随着模具冲次的增加，这层脆松的表面会渐渐磨去，是模具间隙逐渐增大。合理确定过渡圆半径。为了提高一般冷冲模具的使用寿命，在线线、线圆、远远相交处，特别是小角度的拐角上都应加过渡圆。过渡圆的大小可根据冲裁材料厚度、模具形状和要求寿命及冲制件的技术条件考虑，随着冲制件的曾厚，过渡圆亦可相应增大。一般可在0.1—0.5㎜范围内选用。对于冲件材料较薄、模具配合间隙较小、冲件又不允许加大的过渡圆，为了得到良好的凸凹模配合间隙，一般在图形拐角处也要加一个过渡圆。因为电极丝加工轨迹会在内拐角处自然加工出半径等于电极丝半径加单面放电间隙的过渡圆。

　　2)计算和编写加工程序

　　编程时，要根据配料的情况，选择一个合理的装夹位置，同时确定一个合理的起割点和切割路线。起割点应取在图形的拐角处，或在容易将凸尖修去的部位。切割路线主要以防止或减少模具变形为原则，一般应考虑使靠近装夹着一边的图形最后切割为易。

　　3)对尺寸精度要求高、凸凹模配合间隙小的模具，必须要用薄料试切，从事切件上可检查其精度和配合间隙。如发现不符合要求，应及时分析，找出问题，修改程序直至合格后才能正式加工模具。这一步骤是避免工件报废的一个重要环节。【MechNet】

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