楊振步,張建榮

(上海大量電子設(shè)備有限公司,上海 201108)

隨著模具工業(yè)的發(fā)展,精密模具制造的比重愈來愈大,迫切要求電火花線切割加工不僅要速度快,而且要有尚佳的加工表面質(zhì)量和較高的加工精度。為滿足廣大用戶需要,單向(低速)走絲電火花線切割機(jī)床在20世紀(jì)60年代就采用了多次切割技術(shù),即第一次切割用較大的電規(guī)準(zhǔn)進(jìn)行高速粗切割,然后逐步采用精規(guī)準(zhǔn)和精微規(guī)準(zhǔn)進(jìn)行第二次、第三次甚至第四次切割修光,以獲得理想的加工表面質(zhì)量和加工精度。低速走絲電火花線切割機(jī)床采用多次切割技術(shù)的結(jié)果表明,多次切割是解決線切割加工速度與加工表面質(zhì)量矛盾、獲得較高綜合工藝效果的有效辦法。

幾乎就在低速走絲電火花線切割機(jī)床推廣應(yīng)用多次切割技術(shù)的同時(shí),有關(guān)技術(shù)人員也在高速走絲機(jī)床上進(jìn)行了大量的多次切割試驗(yàn),雖取得了不少研究成果,但直至20世紀(jì)末,仍無一家在生產(chǎn)中真正得到應(yīng)用。難于在商品化電火花線切割機(jī)床上實(shí)現(xiàn)多次切割的主要原因是:在電極絲高速移動(dòng)的情況下,運(yùn)絲系統(tǒng)工作不穩(wěn)定,電極絲的空間形位變化異常,使前后二次切割的空間位置無法重疊,加上高速走絲的往返切割條紋明顯,要推廣應(yīng)用多次切割技術(shù)十分困難。

上海大量電子設(shè)備有限公司經(jīng)過幾年的努力,于2002年5月在第九屆中國國際模具技術(shù)和設(shè)備展覽會(huì)上展出了能實(shí)現(xiàn)無條紋切割和多次切割的商品化TP系列高速走絲電火花線切割機(jī)床。3次切割后的尺寸差 Δ≤0.006 mm,加工表面粗糙度 Ra≤1μm,其加工質(zhì)量明顯高于其他高速走絲電火花線切割機(jī)床,并接近于一般的低速走絲電火花線切割機(jī)床,從而引起了眾多制造商和用戶的注意。此類機(jī)床后來逐步被用戶稱之為“中走絲”機(jī)床。而所謂的“中走絲”機(jī)床,并非走絲速度介于高速走絲與低速走絲之間,而是指加工質(zhì)量介于高速走絲與低速走絲之間。

嚴(yán)格來說,把那些能實(shí)現(xiàn)無條紋切割和多次切割的電火花線切割機(jī)床稱之為“中走絲”是不夠科學(xué)的。被廣大用戶稱為“中走絲”的TP系列電火花線切割機(jī)床與其他高速走絲機(jī)床的結(jié)構(gòu)基本一樣(圖1),走絲速度也是2～11 m/s,走絲的形式仍為往復(fù)雙向走絲。所不同的僅僅是應(yīng)用了某些自主開發(fā)的專利技術(shù),能實(shí)現(xiàn)無條紋切割和多次切割,使電火花線切割加工質(zhì)量有顯著提高。

圖1 TP40-C型“中走絲”電火花線切割機(jī)床

1 “中走絲”機(jī)床多次切割的工藝效果

1.1 明顯提高電火花線切割加工質(zhì)量

上海大量電子設(shè)備有限公司開發(fā)生產(chǎn)的“中走絲”電火花線切割機(jī)床,切割質(zhì)量明顯高于有關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)要求(表1)。通過對40 mm厚的Cr12工件進(jìn)行正八棱柱(對邊距28 mm)的加工試驗(yàn),經(jīng)比較可得出如下結(jié)論:

(1)能進(jìn)行多次切割的高速走絲電火花線切割機(jī)床,其制造精度都較高,所以加工誤差和表面質(zhì)量都能高于國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

(2)能進(jìn)行多次切割的電火花線切割機(jī)床,都裝有電極絲導(dǎo)向裝置,使電極絲運(yùn)行穩(wěn)定,有助于減小工件縱剖面上的尺寸差。

(3)二次切割后,不僅能提高加工表面質(zhì)量,而且可解決一次切割時(shí)的材料變形影響,提高加工精度。

(4)由于多次切割時(shí)的精修參數(shù)都較小,最終加工表面質(zhì)量都較好。

表1 高速走絲線切割加工質(zhì)量比較

1.2 保證一定的切割速度

在開發(fā)高速走絲電火花線切割機(jī)床多次切割技術(shù)的初期,人們較關(guān)心加工精度和加工表面質(zhì)量,而忽視切割速度。那時(shí)的平均切割速度一般在15～20 mm2/min,用戶普遍希望能進(jìn)一步提高。

本公司在改進(jìn)高頻脈沖電源、跟蹤進(jìn)給控制方式及線切割工作液之后,線切割總平均速度又有了很大提高,試驗(yàn)時(shí)3次切割的總平均切割速度已達(dá)30mm2/min以上,4次切割的加工表面粗糙度值可達(dá) Ra 0.8μm以下。

2 現(xiàn)代制造需要清潔生產(chǎn)

隨著模具技術(shù)的發(fā)展,在精密模具制造過程中引入了各種各樣的先進(jìn)制造技術(shù)和理念。不少用戶對高速走絲電火花線切割機(jī)床加工過程中的工作液四處飛濺及乳化液油水分離后的污染表現(xiàn)出難以容忍的態(tài)度,期待高速走絲電火花線切割機(jī)床加工也能實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)。

所謂的清潔生產(chǎn)是一種新的創(chuàng)造性的思想,該思想將整體預(yù)防的環(huán)境戰(zhàn)略持續(xù)應(yīng)用于生產(chǎn)過程和產(chǎn)品服務(wù)中,以增加生態(tài)效率和減少人類及環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)。本公司的用戶多為國外企業(yè)和國內(nèi)三資企業(yè),清潔生產(chǎn)的愿望更加強(qiáng)烈,所以我們在開發(fā)和經(jīng)營過程中較重視產(chǎn)品的清潔生產(chǎn),主要做了以下幾方面的工作:

(1)努力提高機(jī)床的外形設(shè)計(jì)與包裝防護(hù)技術(shù),要求整機(jī)光整、大方、美觀,不允許有工作液四處飛濺和外泄的現(xiàn)象。

(2)采用水溶性工作液,它能滿足線切割加工對工作液的各項(xiàng)要求,也能獲得較好的工藝效果,加工好的工件潔白光亮。工作液使用時(shí)間長,也不存在油水分離造成的污染現(xiàn)象,使用過的廢水排放及環(huán)境污染易控制。

(3)采用環(huán)保型紙質(zhì)過濾水箱,確保輸送到加工區(qū)的工作液是清潔的(圖2)。

3 實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)控制是“中走絲”機(jī)床的發(fā)展趨勢

市場上現(xiàn)有的“中走絲”機(jī)床雖能實(shí)現(xiàn)多次切割,可獲得低于 Ra 1μm的表面粗糙度值,但數(shù)控坐標(biāo)精度不高。大多數(shù)機(jī)床所用的導(dǎo)軌、絲杠與螺母都沒有很高的精密度,機(jī)床控制也無法補(bǔ)償螺桿的螺距誤差、傳動(dòng)過程的間隙及電極損耗帶來的加工誤差,控制過程也可能發(fā)生控制信號(hào)丟失,這些都會(huì)影響線切割加工精度。

近幾年,本公司從電火花線切割機(jī)床的軟、硬件二方面入手,已開發(fā)了多項(xiàng)專利技術(shù),采用了高精度直線導(dǎo)軌、滾珠絲杠、帶光柵尺的交流伺服機(jī)全閉環(huán)控制系統(tǒng)及分段補(bǔ)償技術(shù),基本上解決了數(shù)控信息丟失、螺距與傳動(dòng)間隙引起的誤差及電極損耗等問題,機(jī)床的數(shù)控定位精度和線切割加工精度都有明顯提高,基本可滿足級進(jìn)模加工和大型模具加工需要。

例如:利用本公司生產(chǎn)的全閉環(huán)控制(或稱“雙環(huán)控制”)“中走絲”機(jī)床,在一塊 400mm×400mm×10mm鋼板上加工4個(gè)相距300 mm×300 mm的直徑10 mm的圓孔(圖3),仍采用割1修2的多次切割方法,結(jié)果不僅能保證直徑10 mm孔的表面粗糙度值Ra＜1.0μm、圓度誤差在0.006mm內(nèi),而且4孔中心距的偏差都在0.004～0.008mm內(nèi),即加工精度能控制在0.008/500 mm內(nèi)。這不僅遠(yuǎn)高于有關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)對數(shù)控高速走絲電火花線切割加工精度的規(guī)定,而且也能滿足大多數(shù)級進(jìn)模和大型模具電火花線切割加工的需要。

圖3 切割樣件

4 結(jié)束語

通過廣大科技人員和制造商的共同努力,我國已將往復(fù)(高速)走絲線切割機(jī)床推進(jìn)到一個(gè)新的歷史階段,并可達(dá)成以下幾點(diǎn)共識(shí):

(1)市場上現(xiàn)有的“中走絲”機(jī)床實(shí)質(zhì)上是一種能實(shí)現(xiàn)無條紋切割和多次切割的高速走絲電火花線切割機(jī)床,它的加工質(zhì)量明顯優(yōu)于普通高速走絲機(jī)床。

(2)“中走絲”電火花線切割機(jī)床采用多次切割技術(shù)后,其加工質(zhì)量明顯高于傳統(tǒng)高速走絲電火花線切割機(jī)床,并接近于經(jīng)濟(jì)型低速走絲電火花線切割機(jī)床,但機(jī)床的價(jià)格及其加工消耗則遠(yuǎn)低于低速走絲電火花線切割機(jī)床,因而受到廣大用戶的歡迎。

(3)現(xiàn)代制造業(yè)需要清潔生產(chǎn),重視產(chǎn)品防護(hù)包裝技術(shù),積極采用無油脂的水溶性工作液及環(huán)保過濾水箱,是“中走絲”線切割機(jī)床的發(fā)展需要。

(4)目前實(shí)現(xiàn)多次切割的的“中走絲”機(jī)床,一般只能確保小零件的加工質(zhì)量,難以保證大、中零件的加工質(zhì)量。采用交流伺服機(jī)驅(qū)動(dòng)、全閉環(huán)控制及分段補(bǔ)償技術(shù),可實(shí)現(xiàn)齒隙補(bǔ)償、螺距補(bǔ)償及絲徑補(bǔ)償,大幅提高定位精度和加工精度,這將是“中走絲”機(jī)床發(fā)展的必然趨勢。

[1] 劉志東.快速走絲線切割多次切割特性及其可行性研究[J].電加工,1990(5):10-15.

[2] 李明奇,李明輝,張建榮.高速走絲電火花線切割加工多次切割工藝的研究和應(yīng)用[J].電加工與模具,2003(4):45-47.

[3] 李明輝,楊振步,蔣文英.中走絲電火花線切割機(jī)的特點(diǎn)與發(fā)展趨勢[J].航空制造技術(shù),2011(8):32-35.