張 艷,劉志東,王振興,徐安陽(yáng)

(南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院,江蘇南京210016)

多次切割是在1次切割成形的基礎(chǔ)上,通過(guò)2次切割提高加工精度,3次以上切割提高表面質(zhì)量完成的。多次切割的實(shí)際修正量直接影響多次切割的尺寸精度[1],由于受加工過(guò)程中多種因素影響,多次切割的實(shí)際修正量與理論修正量存在差異。本文主要通過(guò)改變脈沖電源參數(shù)、電極絲的運(yùn)絲速度、張力、實(shí)際進(jìn)給速度和限位棒間電極絲跨距(以下簡(jiǎn)稱跨距)等來(lái)研究多次切割實(shí)際修正量的規(guī)律,為保障高速走絲電火花線切割多次切割的絕對(duì)尺寸精度提供依據(jù)。

1 多次切割實(shí)際修正量規(guī)律研究

1.1 試驗(yàn)條件

機(jī)床采用蘇州某電子技術(shù)有限公司生產(chǎn)的DK7732“中走絲”機(jī)床;電極絲:鉬絲,直徑0.2 mm;試件材料:模具鋼Cr12,厚度 25 mm;工作液:佳潤(rùn)JR3A復(fù)合乳化膏按1:45配制;運(yùn)絲系統(tǒng)上增加電極絲限位和恒張力裝置(圖1);試件對(duì)稱放置在上下限位棒之間;電極絲跨距:h=140 mm(除跨距試驗(yàn)外);切割軌跡見(jiàn)圖2;試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1。測(cè)量工具:數(shù)顯千分尺,MITUTOYO工具測(cè)量顯微鏡,UT2062B數(shù)字存儲(chǔ)示波器。在上述條件下進(jìn)行二次切割,設(shè)定第二次切割 T2的理論修正量為 δ2=60 μ m,并在第一次切割得到的切縫內(nèi)進(jìn)行多次切割,研究 T2實(shí)際修正量的規(guī)律。

表1 試驗(yàn)參數(shù)

1.2 電參數(shù)對(duì)實(shí)際修正量的影響規(guī)律

1.2.1 脈寬

在表1給定的加工參數(shù)下,只改變脈寬進(jìn)行試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)規(guī)律如圖3所示,T2的實(shí)際修正量 Δ隨著脈寬的增大而增加,說(shuō)明脈寬越大,實(shí)際修正量也越大。

圖3 脈寬對(duì)實(shí)際修正量的影響

1.2.2 平均加工電流

同樣,在其他參數(shù)不變的條件下,通過(guò)調(diào)整功率管數(shù)改變平均加工電流得到規(guī)律如圖4所示,說(shuō)明放電能量越高,加工時(shí)的蝕除量也越大。

圖4 平均加工電流對(duì)實(shí)際修正量的影響

1.2.3 脈間

從圖5可看出,脈間對(duì)實(shí)際修正量的影響并不明顯,但當(dāng)脈間增大到一定的范圍后,實(shí)際修正量會(huì)隨著平均加工電流的降低而有減小的趨勢(shì)。

圖5 脈間對(duì)實(shí)際修正量的影響

從上述電參數(shù)對(duì)實(shí)際修正量的影響規(guī)律可看出:脈寬和平均加工電流對(duì)實(shí)際修正量有較明顯的影響,而脈間對(duì)實(shí)際修正量的影響不大。

1.3 非電參數(shù)對(duì)實(shí)際修正量的影響規(guī)律

1.3.1 跨距

本試驗(yàn)所描述的電極絲跨距 h如圖 1所示。在其余加工參數(shù)都不變的情況下,跨距直接影響電極絲的空間穩(wěn)定性。跨距減小時(shí),電極絲在高速運(yùn)行時(shí)空間位置相對(duì)較穩(wěn)定,剛性也較強(qiáng),實(shí)際修正量會(huì)相應(yīng)增加(圖6)。

圖6 跨距對(duì)實(shí)際修正量的影響

1.3.2 實(shí)際進(jìn)給速度

從圖7可看出,單獨(dú)改變 T2的實(shí)際進(jìn)給速度,對(duì)實(shí)際修正量也有明顯的影響。當(dāng)實(shí)際進(jìn)給速度增大時(shí),電極絲沒(méi)有足夠的時(shí)間放電加工而導(dǎo)致實(shí)際修正量減少。

圖7 實(shí)際進(jìn)給速度對(duì)實(shí)際修正量的影響

1.3.3 走絲速度

從圖8可看出,單獨(dú)改變走絲速度時(shí),實(shí)際修正量隨著絲速的增大而增加。多次切割的修正過(guò)程中電極絲為單邊放電,放電產(chǎn)生的爆炸力將電極絲推離加工表面。當(dāng)絲速增大時(shí),絲的剛性增強(qiáng),放電爆炸力對(duì)電極絲的推離作用減弱,實(shí)際修正量增大。

圖8 走絲速度對(duì)實(shí)際修正量的影響

1.3.4 電極絲張力

單獨(dú)改變電極絲張力后,由圖9可知:張力的改變對(duì)實(shí)際修正量沒(méi)有明顯的影響。增大電極絲張力雖可增加電極絲的剛性,對(duì)緩解加工面的腰鼓度和提高尖角切割精度有益,但對(duì)實(shí)際修正量影響不大。

圖9 電極絲張力對(duì)實(shí)際修正量的影響

綜上所述,電極絲的運(yùn)絲速度、跨距、實(shí)際進(jìn)給速度對(duì)實(shí)際修正量有明顯影響,而電極絲張力對(duì)其影響不大?？赏ㄟ^(guò)選擇較小的跨距、合適的進(jìn)給速度和較大的電極絲運(yùn)絲速度來(lái)增大實(shí)際修正量,減小其與理論修正量的差異。

2 實(shí)際修正量與理論修正量的關(guān)系

2.1 驗(yàn)證試驗(yàn)的試驗(yàn)條件

從上述對(duì)多次切割實(shí)際修正量的影響因素中,選擇有利于減小實(shí)際修正量與理論修正量差異的加工參數(shù)進(jìn)行3次切割。設(shè)定第二次切割 T2和第三次切割 T3的理論修正量分別為δ2=60 μ m和 δ3=10 μ m。電極絲跨距110 mm,工件對(duì)稱放置,電極絲張力11.5 N。試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表2,切割軌跡見(jiàn)圖2。

表2 驗(yàn)證試驗(yàn)的試驗(yàn)參數(shù)

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

(1)分別測(cè)量1次、2次和3次切割試件的厚度值 b1、b2和 b3,得出 T2實(shí)際修正量 Δ2=34 μ m,T3的實(shí)際修正量 Δ3=10 μ m。通過(guò)測(cè)量顯微鏡下的切縫寬度計(jì)算出放電間隙。圖10是顯微鏡下的切縫,可明顯看出切縫兩側(cè)由波峰和波谷相互交疊形成。測(cè)量切縫兩側(cè)波峰與波谷的中間位置得到切縫寬度 a,則放電間隙 k=(a-Φ電極絲)/2,由此方法得到的放電間隙分別是:第一次切割在平均加工電流4 A左右時(shí),單邊放電間隙k1已達(dá)到0.030 mm(未考慮切割面的腰鼓度),第二次切割在平均加工電流為1 A左右時(shí),單邊放電間隙k2為0.008 mm,第三次切割在平均放電電流為0.3 A左右時(shí),單邊放電間隙k3為0.004 mm。

圖10 切縫的測(cè)量

(2)用數(shù)字存儲(chǔ)示波器檢測(cè)得到第二次切割和第三次切割時(shí)極間放電電壓、電流波形分別如圖11和圖12所示。

2.3 結(jié)果分析

(1)以往認(rèn)為高速走絲電火花線切割單邊放電間隙通常在0.010 mm左右[2],而本次試驗(yàn)中一次切割的單邊放電間隙達(dá)到了0.030 mm。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是:首先,傳統(tǒng)的高速走絲電火花線切割以乳化液為工作介質(zhì),加工時(shí)的平均放電電流一般在2.5 A左右[3]。而本試驗(yàn)采用具有良好洗滌性的復(fù)合工作液為工作介質(zhì),平均加工電流在4 A左右,且在復(fù)合工作液條件下正常放電的比例大,能量利用率高,用于正常放電的能量大,隨之產(chǎn)生的切縫增大,放電間隙也較大。其次,放電間隙的測(cè)量方法存在差異。傳統(tǒng)測(cè)量方法是用普通千分尺測(cè)量工件厚度來(lái)折算切縫或放電間隙的,電極絲按圖13的切割軌跡加工得到塊1,L是程序中預(yù)先設(shè)置的距離,用普通測(cè)量千分尺測(cè)量塊1的厚度 d,計(jì)算得到放電間隙k=(L-d-φ電極絲)/2。由于線切割的表面是由一個(gè)個(gè)的放電凹坑堆積而成的,在顯微鏡下觀察塊1的兩側(cè)也呈現(xiàn)出波峰與波谷相互交疊的形貌,用普通測(cè)量千分尺測(cè)量的是切塊兩側(cè)波峰與波峰的距離(如d),而準(zhǔn)確的測(cè)量方法是測(cè)量切塊兩側(cè)波峰與波谷的中間位置的距離(如d′)。由圖14可看出d＞d′,相應(yīng)計(jì)算得到的放大間隙增大,而多次切割后加工表面較均勻,表面粗糙度值較小,此時(shí)采用千分尺測(cè)量切塊厚度的誤差較小,得到的值相對(duì)準(zhǔn)確。

綜合考慮上述影響因素可知,復(fù)合工作液條件下大能量切割并在顯微鏡下觀察得到的切縫寬度,要比傳統(tǒng)條件下的切縫寬度大得多,放電間隙也大于傳統(tǒng)條件下的放電間隙。

(2)該試驗(yàn)中設(shè)置的理論修正量δ=δ2+δ3=70 μ m,由試驗(yàn)結(jié)果得到的實(shí)際修正量 Δ=Δ2+Δ3=44 μ m,理論修正量與實(shí)際修正量的差值是 δ-Δ=70-44=26(μ m)。又由上述試驗(yàn)結(jié)果知:第一次切割放電間隙k1=30 μ m,第三次切割放電間隙k3=4 μ m,則 k1-k3=26 μ m 。由此可知 ,第一次切割放電間隙與第三次切割放電間隙的差值,剛好等于理論修正量與實(shí)際修正量的差值。同樣,從圖15也可看出,實(shí)際修正量與理論修正量的關(guān)系是:δ-Δ=k1-k2+k2-k3=k1-k3。證明第一次切割放電間隙k1遠(yuǎn)大于第三次切割放電間隙k3,是導(dǎo)致實(shí)際修正量與理論修正量產(chǎn)生差異的原因。因此,在考慮第一次切割放電間隙與最后一次切割放電間隙差異的情況下,實(shí)際修正量與理論修正量是吻合的。在實(shí)際設(shè)置多次切割理論修正量時(shí),應(yīng)根據(jù)實(shí)際修正量的要求,考慮第一次切割放電間隙與最后一次切割放電間隙的差異,設(shè)置合理的理論修正量,以達(dá)到需要的絕對(duì)尺寸精度。

圖15 3次切割電極絲的軌跡

(3)采用洗滌性良好的復(fù)合工作液作為放電介質(zhì),能較好地改善極間狀態(tài),促進(jìn)穩(wěn)定加工。從示波器采集到的波形可看出,多次切割的放電過(guò)程呈現(xiàn)出間隙放電的典型特征——放電—擊穿—延遲[4],因此,多次切割從宏觀而言應(yīng)處于間隙放電狀態(tài)。

3 結(jié)束語(yǔ)

由上述的試驗(yàn)和分析可知:

(1)多次切割實(shí)際修正量受放電能量、運(yùn)絲速度、實(shí)際進(jìn)給速度等因素的影響較明顯,可通過(guò)適當(dāng)增加放電能量、提高運(yùn)絲速度、降低進(jìn)給速度等措施來(lái)提高實(shí)際修正量。

(2)采用復(fù)合工作液作為放電介質(zhì)時(shí),得到的放電間隙要大于傳統(tǒng)意義上的放電間隙;在考慮第一次切割與最后一次切割放電間隙差異的情況下,多次切割的實(shí)際修正量與理論修正量是相吻合的。

(3)基于復(fù)合工作液多次切割的極間狀態(tài)良好,采集到的波形體現(xiàn)了電極絲在多次切割過(guò)程中間隙放電的特征。

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