胥 宏 羅垂敏 關(guān)文勇 丁義超 張 言

(成都工業(yè)學(xué)院電加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都610031)

當(dāng)前國(guó)內(nèi)的往復(fù)走絲線切割機(jī)床中主要應(yīng)用的是常壓供液系統(tǒng)，在加工工件時(shí)，工作液會(huì)附著在高速運(yùn)行的電極絲上而被帶入放電間隙。當(dāng)被加工工件較薄時(shí)(小于50 mm)，工作液較強(qiáng)的粘附力足以伴隨電極絲進(jìn)入放電間隙而起到冷卻、絕緣與消電離的作用，而當(dāng)工件較厚時(shí)(大于60 mm)，附著在電極絲上的工作液就無(wú)法充分進(jìn)入放電間隙從而出現(xiàn)干切現(xiàn)象［1］。加工工件出現(xiàn)黑白相間條紋的現(xiàn)象就是工作液沒(méi)有充分進(jìn)入放電間隙導(dǎo)致的，而當(dāng)工件厚度加大之后，這種現(xiàn)象更加明顯。HSWEDM 加工工藝指標(biāo)沒(méi)能獲得顯著提高的主要原因是加工中的粘性蝕除產(chǎn)物未能從切縫間隙及時(shí)地排出而堵塞放電間隙，使其不能得到充分冷卻，尤其是在加工大厚工件時(shí)，會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)換向條紋甚至斷絲現(xiàn)象，這些都導(dǎo)致HSWEDM 要以十分保守的放電能量和以電極絲的高速運(yùn)行進(jìn)行冷卻來(lái)?yè)Q取長(zhǎng)時(shí)間不斷絲的連續(xù)加工，因此在這種切割條件下很難獲得較高的加工效率。與此同時(shí)，高速運(yùn)行的電極絲不斷的換向沖擊對(duì)加工的精度也造成一定的影響。

通過(guò)與低速走絲線切割噴液系統(tǒng)的比較，發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)添加輔助高壓噴液系統(tǒng)，即在工作液隨絲帶入的極間供液方式的基礎(chǔ)上，輔以高壓強(qiáng)迫沖液的方式，以提高工作液的極間進(jìn)入量和極間平均流動(dòng)速度，從而有效彌補(bǔ)工作液的損失［2］。本文在高壓噴液切割加工方面做了部分試驗(yàn)研究，并取得了一定的效果。

1 高壓噴液試驗(yàn)方案的制定

本試驗(yàn)中選用被廣泛應(yīng)用的冷作模具鋼Cr12 鋼。Cr12 的硬度和強(qiáng)度比較高且淬火變形小，因此常被用來(lái)制作模具，也正是因?yàn)槠溆捕容^高，所以用傳統(tǒng)的切割工藝很難加工，且淬火易開(kāi)裂，而電火花線切割很好地解決了這些問(wèn)題［3］。所以本試驗(yàn)選用Cr12 鋼作為被加工材料，具有較高的實(shí)用意義和代表性。試驗(yàn)在某公司生產(chǎn)的DK7732 電火花線切割機(jī)床上進(jìn)行，用直徑為Φ0.18 mm 的鉬絲作為工具電極，在相同的電參數(shù)(脈寬:64 μs，占空比1:3，功放管數(shù)6 個(gè))條件下，分別選擇在0. 1MPa，0. 2MPa，0. 3MPa，0. 4MPa，0.5MPa，0.6MPa，0.7MPa，0.8MPa，0.9MPa，1.0MPa 噴液壓力下切割厚度為50 mm，100 mm，200 mm，300 mm的Cr12 工件，再在改變運(yùn)絲速度和噴嘴距工件距離的條件下記錄加工用時(shí)和切割面積，計(jì)算其加工效率，并測(cè)量表面粗糙度值，以此作為評(píng)定加工質(zhì)量和加工效率的指標(biāo)，從而研究在不同的工件厚度、走絲速度和噴液壓力下加工的工藝規(guī)律。

本實(shí)驗(yàn)共涉及4 個(gè)參變量的控制，分別為噴液壓力、工件厚度、走絲速度和噴嘴距工件距離，分別有10個(gè)、4 個(gè)、5 個(gè)和2 個(gè)變量，理論上共需進(jìn)行400 次實(shí)驗(yàn)才能得到相應(yīng)結(jié)論，這是相當(dāng)大的工作量。這在理論上看似合理，但在實(shí)際加工中完全沒(méi)有必要，因?yàn)樵诩庸ぶ写蟛糠謱?shí)驗(yàn)參數(shù)的變化是在反復(fù)驗(yàn)證同一條結(jié)論。例如，在電參數(shù)、噴液壓力、工件厚度不變的情況下，只需驗(yàn)證噴液壓力在0.1 MPa 或0.3 MPa 條件下，噴嘴距工件距離為1 mm 和5 mm 兩種情況下切割效率的對(duì)比，即可確定噴嘴距工件距離對(duì)加工質(zhì)量的影響規(guī)律，而沒(méi)必要再去驗(yàn)證在其他噴液壓力下的切割規(guī)律。如果再結(jié)合前幾次加工實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論和線切割加工的一般規(guī)律，實(shí)驗(yàn)的次數(shù)可以大大縮減。

表1 噴距對(duì)比加工參數(shù)表

從表1 中4 組數(shù)據(jù)的對(duì)比中發(fā)現(xiàn)，噴嘴離工件距離越近加工的質(zhì)量就越好，這在理論上也是成立的，當(dāng)噴嘴距工件的距離越近時(shí)，噴液壓力的損失就越少，進(jìn)入放電間隙的距離就越深，大大改善切割環(huán)境，自然能更好地提高加工效率和改善表面粗糙度，圖1 為高壓噴液加工示意圖。

2 高壓噴液條件下加工工藝的規(guī)律

為了更加直觀地觀察不同參數(shù)的選取對(duì)加工的影響規(guī)律，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)有選擇地進(jìn)行圖表化，先將相同加工電參數(shù)、運(yùn)絲速度(10 m/s)下，不同工件厚度和噴液壓力條件時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行圖表化，如圖3、圖4 所示。

從圖2 和圖3 中可以看出:①在相同加工電參數(shù)的條件下，切割效率和加工表面粗糙度值都會(huì)隨著工件厚度的增加而降低，這可反映出采用高壓噴液方式確實(shí)能起到提高切割效率和減小表面粗糙度值的大趨勢(shì);②在加工不同厚度工件時(shí)的切割效率開(kāi)始都會(huì)隨著噴液壓力的增加而大幅提高，但當(dāng)噴液壓力增大到一定程度再繼續(xù)增加時(shí)，加工切割的效率反而會(huì)逐漸下降，表面粗糙度值則相反，開(kāi)始時(shí)都會(huì)隨著噴液壓力的增加而較快減小，而當(dāng)噴液壓力增大到一定程度再繼續(xù)增加時(shí)，反而又逐漸增大;③工件的厚度不同，在達(dá)到最大切割效率時(shí)噴液壓力也有所差別，在加工50 mm 厚的工件切割效率達(dá)到最大值時(shí)的噴液壓力為0.3 MPa，加工100 mm、200 mm、300 mm 厚的工件切割效率達(dá)到最大值時(shí)的噴液壓力分別為0.4 MPa、0.5 MPa和0.6 MPa，所需的噴液壓力稍微有所上升，這反映出工作液進(jìn)入不同厚度工件的難易程度有所不同，工件厚度增加，噴液壓力也有相應(yīng)的小幅提高;④在加工不同厚度工件時(shí)，對(duì)切割效率的提升程度有所不同，對(duì)50 mm、100 mm、200 mm、300 mm 厚工件的提升幅度分別為17.7%、18.3%、19.2%、19.7%，可見(jiàn)噴液式冷卻方式對(duì)大厚工件切割效率的提升作用更加明顯;⑤在加工表面粗糙度方面，增大噴液壓力對(duì)較薄工件的提升效果更加明顯，原因是加工工件厚度的增加有效抑制了電極絲振動(dòng)的幅度，提高了加工的穩(wěn)定性。除此之外，以往在加工工件厚度超過(guò)60 mm后，在較高能量切割下，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)黑白相間的換向條紋，但在高壓強(qiáng)噴射下，切割表面粗糙度較好，往復(fù)切割中的加工條紋也消失不見(jiàn)，可見(jiàn)工作液能較充分地進(jìn)入到放電間隙，從而起到良好的絕緣和冷卻作用。

對(duì)圖2 和圖3 的分析發(fā)現(xiàn)，工作液采用高壓噴射方式確實(shí)能顯著提高電火花線切割機(jī)床的加工效率，其主要作用機(jī)理是改善了放電區(qū)域內(nèi)極間的工作環(huán)境，工作液能較充分地進(jìn)入放電間隙，從而起到壓縮放電通道和消電離的作用;而出現(xiàn)切割效率先升后降和表面粗糙度值先降后升的現(xiàn)象主要是因?yàn)楫?dāng)噴液壓力過(guò)大之后，工作液泡沫化現(xiàn)象嚴(yán)重，使工作液進(jìn)入放電間隙的體積下降，再加上高壓強(qiáng)的工作液對(duì)電極絲的擾動(dòng)，使得加工反而變得不太穩(wěn)定，從而出現(xiàn)如圖2 所示先升后降的現(xiàn)象。

再將相同加工電參數(shù)、工件厚度(100 mm)，不同運(yùn)絲速度和噴液壓力條件下的數(shù)據(jù)進(jìn)行圖表化，如圖4、圖5 所示。

從圖4 和圖5 中可以看出:①剛開(kāi)始時(shí)，不同走絲速度的電極絲切割效率都會(huì)隨著噴液壓力的增加而升高，達(dá)到一定值后再增加壓強(qiáng)，效率反而下降，表面粗糙度值則有相反的規(guī)律，會(huì)隨著噴液壓力的不斷增加而先減小后增大;②從圖4 中可以看出，相同噴液壓力對(duì)不同走絲速度的影響效果不同，噴液壓力的增加對(duì)低速走絲切割效率的提升更加明顯，對(duì)高速走絲作用的效果則沒(méi)有那么明顯;③不同走絲速度的切割效率在0.7 MPa 噴液壓力下較為接近，而后又快速下降，且走絲速度越慢下降得越快;④不同走絲速度的表面粗糙度值對(duì)噴液壓力增加所表現(xiàn)出的敏感度不同，噴液壓力從0.1 MPa 到0.4 MPa 變化時(shí)，走絲速度越快則表面粗糙度值變化率越快，對(duì)但噴液壓力從0.6 MPa到1.0 MPa 變化時(shí)，走絲速度越慢，表面粗糙度值變化率越快，即對(duì)噴液壓力的改變?cè)矫舾小?/p>

分析上面的現(xiàn)象可以得知其中的主要原因是:在切割工件時(shí)，快速運(yùn)行的電極絲對(duì)工作液具有較強(qiáng)的粘附力，且速度越快粘附力越大，工作液進(jìn)入工件的距離也越深，但絲速不可能無(wú)限制增加，當(dāng)加工工件較厚時(shí)，靠電極絲粘附力提供的工作液已經(jīng)不能滿足極間放電加工的需要，而高壓噴液正好彌補(bǔ)了放電間隙工作液不足的問(wèn)題，大大提高了加工的效率;當(dāng)噴液壓力增加到一定程度，運(yùn)絲速度的快慢已經(jīng)不再是影響切割效率提升的主要因素，從而出現(xiàn)如圖4 中壓力在0.7 MPa時(shí)各走絲速度的切割效率相差不是很多的現(xiàn)象;隨著噴液壓力的不斷增加，在加工過(guò)程中，工作液開(kāi)始大量泡沫化，進(jìn)入放電加工區(qū)域工作液的量開(kāi)始下降，切割效率隨之下降，表面粗糙度值隨之增大，工作液的不足對(duì)低速走絲的影響作用較大，因?yàn)楦咚龠\(yùn)行的電極絲可以依靠較強(qiáng)的粘附力帶進(jìn)更多的工作液，這也是壓力超過(guò)0.7 MPa 后，低速走絲切割效率和表面粗糙度值變化率較快的原因所在。

既然采用高壓供液能很好地解決極間工作液不足的問(wèn)題，那么就可以繼續(xù)加大放電能量來(lái)提升切割的效率，圖6 為走絲速度10 m/s，在只改變電參數(shù)中功放管個(gè)數(shù)和不同噴液壓力條件下切割100 mm 厚工件的加工情況。

從圖6 中可以看出，隨著功放管個(gè)數(shù)的增加，即峰值電流和放電能量的增加，切割效率均得到提高;但增大噴液壓力后，切割的效率比常壓供液有較大提升，在常壓供液的情況下，切割效率增幅隨功放管個(gè)數(shù)增加衰減得比較快，而提高供液壓力能有效減緩這一過(guò)程，從而為大能量高效切割開(kāi)辟道路。

綜上分析不難發(fā)現(xiàn)，通過(guò)采用提高工作液噴射壓力的方法，確實(shí)能提升電火花線切割機(jī)床的加工效率和表面加工質(zhì)量，尤其是當(dāng)被加工工件較厚時(shí)，它對(duì)切割效率的提升作用更加突出，利用這一特點(diǎn)可以很好地解決在大厚工件加工時(shí)因供液不足所導(dǎo)致的干切和換向條紋的產(chǎn)生。此外，通過(guò)降低走絲速度和采用適當(dāng)?shù)膰娨簤毫?，可以在切割效率沒(méi)有明顯下降的情況下，大幅提升線切割加工的表面質(zhì)量。針對(duì)高壓噴液的這一特點(diǎn)，可以將其應(yīng)用在“中走絲”線切割加工中，不僅能提升第1、第2 次粗加工階段的效率，而且對(duì)第3 次精加工效率和表面加工質(zhì)量的提升作用更為突出。為解決大厚工件加工、高精密加工和“中走絲”粗糙度與效率之間的矛盾等問(wèn)題提出了一種較好的解決方案。

3 結(jié)語(yǔ)

主要介紹了高壓噴液試驗(yàn)方案的制定過(guò)程，并且對(duì)不同厚度、不同運(yùn)絲速度以及不同放電能量下，噴液壓力的改變對(duì)切割效率和表面加工質(zhì)量的影響進(jìn)行了研究，得出了如下的結(jié)論:(1)提高噴液壓力確實(shí)能提高切割效率和改善表面加工質(zhì)量，解決了加工效率與粗糙度之間的矛盾;(2)采用高壓噴液冷卻方式，對(duì)不同厚度工件的加工性能均有較大提升，且工件較厚切割效率的提升更明顯，為大厚工件的加工提供新的途徑;(3)在不同走絲速度切割條件下，增加噴液壓力，對(duì)切割效率都有提升，但對(duì)較低速度運(yùn)行的電極絲性能的提升更加明顯，為“中走絲”的改進(jìn)提供了解決方案;(4)增加供液壓力，可以有效減緩切割效率增幅隨放電能量增加的衰減速度，從而為大能量高效切割奠定良好的基礎(chǔ)。

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