本文对塞维斯数控电火花线切割加工的特点以及线切割加工中引起模具加工零件变形的各种因素作了深入分析,从实践经验中提出了一些解决途径和有效加工方法,相信对提高模具加工质量具有一定的借鉴作用。
数控线切割加工具有电火花加工的共性,金属材料的硬度和韧性并不影响其加工,电火花线切割主要用来加工淬火钢和硬质合金;当前绝大多数电火花线切割机,都采用数字程序控制,其工艺特点如下:
1.1 用来加工一般切削方法难以加工或无法加工的形状复杂的工件,如冲摸、凹凸模及外形复杂的精密零件等。
1.2 不像电火花成形加工那样要制造特定形状的工具电极,而是采用直径不等的铜丝或钼丝等作工具电极,因此切割用的刀具简单,大大降低了生产准备工时。
1.3 电极丝直径较细(0.025～0.3mm),切缝很窄,这样不仅有利于材料的利用,而且适合加工细小零件。
1.4 电极丝在加工中是移动的,不断更新(慢走丝)或反复使用(快走丝),可以完全或短时间不考虑电极丝损耗对加工精度的影响。
1.5 依靠计算机计算和控制电极丝轨迹和偏移轨迹,可方便地调整凸凹模具的配合间隙,并且依靠锥度切割功能可实现凸凹模一次加工成型。
2 线切割加工工艺
2.1 薄工件的加工
所谓薄工件,一般是指厚度在5mm以下的工作。如样板及机械零配件等,要保证这类工件的加工精度是有一定困难的。
主要原因是丝架上下导丝轮的开距是固定的,般约70mm。当切割薄工件时,在快走丝的情况下,电极丝失去了加工厚工件时应产生的
冷却液的阻尼作用,又加上火花放电的影响,因而电极丝很容易产生抖动。
另外,切割薄工件的速度快,变频进给也快,而步进电机的速度有一定的技术范围,速度太快时(指超过它承受的最高脉冲频率)会产生失步和丢步现象,这些都会影响工件的加工精度。为克服上述现象,保证薄工件的加工质量,建议采取下列措施:
2.1.1 把加工电压调至50V左右;
2.1.2 调整脉宽,使之小于10μs;
2.1.3 加工电流控制在0.2～0.3A范围内;
2.1.4 减小电极丝抖动。
如果储丝筒是直流电机拖动的,则改变电枢电压,降低转速;如果是交流电机拖动的,则在A、B、C相的任意两相中串接10～15Ω、75W线绕电阻,降低相电压,使其换向过渡时间稍为拉长,实现软换向,减少抖动;
2.1.5 在上下导轮之间加宝石夹持器;
2.1.6 如果装置夹持器有困难,也可采用辅料加厚的方法,加大厚度,使阻尼增加,从而可防止电极丝抖动。使用这种方法比较简便,而且加工电参数也不需要调整改动。
2.2 减少与防止工件的变形和开裂
有些工件切割后,尺寸总是出现明显偏差,检查机床精度、数控柜和程序都正常, 最后才发现是因为变形引起的。
2.2.1 工件变形和开裂
①切缝闭合变形
由坯料外切入后,经点A至点B、C、D、E、F,按顺时针方向再回到点A。在切完EF圆弧的大部分后BC切缝明显变小甚至闭合,当继续切割至点A时,凸模上FA与BC间平行的尺寸增大了一个切缝的宽度。
② 切缝张开变形
继续切割HG段时,凸模上的AB和HG间平行的尺寸将会逐渐变小。
③未淬火件张口变形
图3为未经淬火的工件,切割后的开口外张开,使开口尺寸增大。
④淬火工件切割后开口变小图4为切割经过淬火的材料,切割后的开口部位的尺寸变小。
⑤ 尖角处开裂
因内形尖角处没有较大的工艺圆角r,所以当切去内框体积较大时,使材料应力平衡受到严重破坏,致使尖角处因应力集中而开裂。
⑥凹模中间部位宽度变小为一个长宽比较大的窄长凹模,在切割后测量时,发现槽的中间部位变窄,这是由于图形中的长槽和小槽的应力变形所引起的。
2.2.2 改善变形与开裂原因的技术措施
①无凸模外形起点穿丝孔
当从坯料外直接切入切割凸模时,因材料应力不平衡产生变形,如张口、闭口变形, 以致影响工件加工尺寸精度。所以,在切割凸模时,应在坯料上钻出凸模外形起点穿丝孔。
②夹压方式不对
有时不便于钻凸模外形起点穿丝孔,可以改变切割路线及夹压位置,以减少或避免变形对切割工件尺寸精度的影响。若把切割路线改为A—K—J—I…按逆时针方向至B—A,由于夹压工件的位置在最后一条程序处,所在切割过程产生的变形不致影响凸模的尺寸精度。
③凹模切去的实体部分太多
面积较大的凹模,由于切去了框内较大的体积,使应力变化很大,容易产生变形,甚至开裂。对于这种凹模,应在淬火前将中部铣空,给线切割留2～3mm的余量, 这可使线切割时产生的应力减小。
④凹模尖角处易产生应力集中大框形凹模的尖角处易产生应力集中而在切割中引起开裂,应在尖角处增设适当大小的工艺圆角r,以缓和应力集中。
⑤热处理不当
钢件的残余应力随含碳量的增加而增加,高碳钢易开裂,应避免使用高碳钢作凸、凹模材料。淬火时在确保硬度的情况下,应尽可能使用较低的温度和较缓慢的加热、冷却速度,以减小产生的应力。
回火是减小淬火所产生的残余应力的重要手段,回火的效果与回火的温度、持续时间有关。对于易变形、开裂的工件,有时切割后在180～200℃下进行4h的回火,以达到减小残余应力和稳定组织的目的。
⑥由于各种原因造成的变形
有的工件在采取某些措施后,仍有一些变形,为了满足工件的精度要求,可改变一次切割到尺寸的传统习惯,改为粗、精二次切割,使粗切后的变形量在精切时被修正, 粗切为精切留的余量约0.5mm。
这种办法多用于图形复杂、易于产生变形的模具,或要求精度高、配合间隙小的模具。有时采用单点夹压来代替多点夹压,以及多次更换夹压点的方法,也可以使变形减小。
2.3 加工表面的黑白条纹
电火花切割加工时,靠近工件切缝的上、下表面会出现黑白交错的条纹。
2.3.1 产生黑白条纹的原因
采用快走丝方式时,加工钢件的表面往往会出现的黑白相间的条纹。
条纹的出现与电极丝的运动有关,电极丝进口处呈黑色,出口处呈白色。这是因为排屑和冷却条件不同造成的。
电极丝从上向下运动时,工作液由电极丝从上部带入工件内,放电产物由电极丝从下部带出。这时,上部工作液充分,冷却条件好,下部工作液少,冷却条件差,但排屑条件比上部好。
工作液在放电间隙里受高温热裂分解,形成高压的气体,急剧向外扩散。对上部蚀除物的排除造成困难,这时,放电产生的炭黑等物质将凝聚附着在上部加工表面上, 使之呈黑色。
在下部,排屑条件好,工作液少,放电产物中炭黑较少,况且放电常常是在气体中发生,因此加工表面呈白色。同理,当电极丝从下向上运动时,下部呈黑色,上部呈白色。这样,经过电火花线切割加工的表面就形成黑白交错的条纹。这是快走丝工艺的特性之一。
这种条纹一般对加工表面粗糙度略有影响。因为电极丝进口处工作液充分,放电是在液体介质中进行,而在电极丝出口处,液体少,气体多,在低压放电条件下,气体中放电间隙小,所以,进口处的放电间隙比出口处大,结果白色条纹比黑色条纹凸出几微米到几十微米。
由于加工表面两端出现黑白交错的条纹,使工件加工表面两端的表面粗糙度比中部稍差一点。当电极丝较短、储丝筒换向周期较短,或者切割较厚工件时,尽管加工结果看上去似乎没有条纹,实际上是条纹很密,互相重叠而已。
2.3.2 限制黑白条纹的措施
黑白条纹产生最根本的原因是电极丝往复运动时都放电切割加工,如果电极丝只在一个方向运动时放电,而在另外一个方向运动时不放电,就没有黑白相间的条纹。但若只在单方向运动时切割,生产率就太低了。
采用较合理的工作液喷射方式,使电极丝出口和入口处工作液供应情况尽量一致, 尤其要改善工件下部工作液的供应状况,对限制黑白条纹会有一定效果。
3 线切割中常见问题与处理措施
在数控电火花线切割中,常出现电极丝短路、断丝的现象,一般应做如下处理:短路可能是因为进给速度太快、脉冲电源参数选择不当等原因造成。
应降低进给速度,增大峰值电流,加大加工能量,同时加大电极丝的张力,减少工作液的电阻率;发生断丝的原因可能是脉冲电源参数选择不当、工作液浓度不合适、工件变形、进给速度不合适、运丝系统不正常等原因造成。
应首先检查电极丝断丝的位置并判断断丝原因,可通过减小峰值电流,降低空载电压和进给速度,减少电极丝的张力或增大冷却喷嘴的工作液流量等方法解决。
4 结论
总之,在模具零件正式线切割加工之前,通常应对切割程序与走丝路线进行验证, 确保其正确性与合理性。当切割加工结束后,不可急于拆下零件,应检查切割起始点坐标是否一致,如发现有不足之处,应及时采取相应的补救措施。
