复合走丝电火花线切割机床电极丝周边磨损研究*

2011-10-20廖剑霞陈浩东任红英

制造技术与机床 2011年10期

廖剑霞陈浩东任红英

（①湘潭大学能源工程学院，湖南湘潭 411100;②长沙矿冶研究院，湖南长沙 410007）

电火花线切割机床按电极丝走丝方式一般分为高速走丝电火花线切割机床（WEDM－HS）与低速走丝电火花线切割机床（WEDM －LS）［1－2］。高速走丝电火花线切割机床（WEDM－HS）的电极丝多采用钼丝作高速往复直线运动，一般走丝速度为7～11 m/s，电极丝的往复运动使电极丝得到重复使用，切割加工成本低，但是高速走丝线切割一般表面粗糙度Ra为5～2.5 μm，加工精度0.01～0.02 mm。低速走丝电火花线切割机床（WEDM－LS），电极丝多采用铜丝，作低速单向直线运动，一般走丝速度低于0.25 m/s，一般采取线电极连续供丝的方式，即线电极在运动过程中完成加工，因此即使线电极发生磨损，也能连续地予以补充，加工表面粗糙度Ra可达0.16 μm，加工精度0.005 mm。但是电极丝是一次性消耗用品，加工成本高。

目前出现的复合走丝型的电火花线切割机床（WEDM－CS）［3］，电极丝在进行常规往复低速直线走丝的同时还绕自身轴线作高速旋转运动，一般走丝速度为0．025 ～0．200 m/s，旋转速度600 ～3 000 r/min，以钼丝为线电极，电极丝可以反复使用，降低了加工成本。笔者通过试验证明，这种走丝方式的机床较好地综合了两类走丝方式的优点，电极丝绕自身轴线高速旋转，以此增加电极丝的运动刚性，减小加工振动，还具有电火花切割与电火花磨削的复合加工效果，与高速走丝电火花加工相比，采用复合走丝方式加工可以提高产品的加工精度。

1 电极丝磨损分析

电火花线切割加工在主切割时，电极丝的磨损很明显，造成电极丝加工面直径减小，这会影响加工工件的直线性，尤其是工件厚度较大时，将使得工件带有锥度，从而影响加工精度。线切割加工中还容易发生断丝现象，断丝的关键原因在于电火花放电在时间和空间上相对集中［4］。当加工能量较大、放电频率较高时，这种集中放电会引起较大的电极损伤，容易引起断丝。

1．1 传统走丝型电极丝的磨损情况

传统走丝电火花线切割机的加工中，电极丝因上、下两导丝轮的夹持，只能沿轴线方向作直线运动，不能旋转。当线电极切割工件后，放电点理论上呈半圆柱面分布。在实际加工过程中，这些柱面上的放电点反复放电，导致电极丝产生较大的电极磨损，通常在加工初期，放电点几乎总是交替出现于工件上下端部。电极丝切入工件后，放电点的分布由柱面分布变成直线分布［5］，电极丝产生单边磨损，如图1所示。

如果增加放电频率及放电脉冲宽度或脉冲峰值电流，这种集中放电会使电极丝严重受损，电极丝加工面直径减小较多，致使电极丝不能承受较大的能量负荷而断裂。在切割中由于工作液的因素，极易产生拉弧断丝。图2是传统快走丝型加大放电脉冲频率及能量后的电极丝单边磨损情况。

由图可以观察到，切割过程中，由于电极丝的放电磨损较大，使电极丝表面结构情况恶化，沿工件厚度方向的直径大小不一致，这会造成工件直线度变差，降低了工件的加工精度。

因此，如果能改善放电点的分布情况，避免集中放电，减小电极丝单边磨损，就有可能减小由于电极丝磨损对加工精度的影响，还有利于减少断丝几率。

1．2 复合走丝型电极丝的磨损情况

复合走丝型线切割由于电极丝存在绕自身轴线高速旋转，这种独特的走丝形式有利于改善放电点的相对集中，使电极丝的磨损情况也发生了深刻的变化。

对于复合走丝电火花线切割机的加工，其放电点的分布情况有所不同。这是由复合走丝电火花线切割机床自身特点决定的:电极丝除作低速往复直线运动外，同时还绕自身轴线高速旋转。设电极丝旋转速度为n，直径为φ，放电点在电极丝表面沿弧线移动速度用式（1）表示:

因此，其放电点在电极丝表面呈弧线螺旋状分布。图3是复合走丝型电极丝磨损的显微镜照片，由图中可以看出，在复合走丝的线切割加工中，电极丝的旋转运动有利于放电过程中融化材料的抛出，电极丝表面的放电点分布相对均匀，放电痕平均直径增大，深度减小。改传统的高速、低速走丝型线切割机床的电极丝单边磨损为周边磨损，避免单边集中放电，减小断丝的几率。并且由于电极丝的旋转运动，使放电点迅速离开工件，有利于消除游离作用;同时还改善了排屑方式及加工液的渗透，使切屑及加工液的分解物受离心力作用迅速排出，有利于减小电极丝与工件间的拉弧现象，从而也减小了断丝几率。此外，电极丝的旋转运动还对工件具有一定的磨削作用，使加工工件表面粗糙度值减小，表面质量更好，加工精度更高。

2 电极丝刚性分析

由于电极丝是一挠性物体，在加工过程中还会呈现一定的弯曲，并且随着加工工件厚度的增加，这种现象会更严重，这就造成加工过程中的鼓形失真，出现加工滞后现象。这种滞后会引起工件形状与尺寸的误差，降低工件的直线度，影响工件的加工精度。如果能够提高电极丝的抗弯刚度，就能改善鼓形失真。

那么电极丝单边磨损和周边磨损后，抗弯刚度是否一致呢?我们假设采用有效工作长度相等、规格特性相同的电极丝材料，蚀除相同量的工件材料时，电极丝的磨损体积是相等的，因此电极丝磨损后剩余的横截面积也相等。由于抗拉强度σ=S/A（式中S为横截面上的内力，A为横截面积），这样，在相同的张力条件下，它们的抗拉强度的减小也是相同的。

由于加工是连续的，每次加工脉冲都不断地产生放电冲击力作用于电极丝，使电极丝产生振动。这种线振动与原始平衡位置不对称，放电力作用方向的振幅大于另一方向上的振幅，即宏观上线电极向后弯曲。这会引起放电点的分布不均，从而增大断丝的几率。如果想要减小断丝几率，需要提高电极丝的抗弯刚度。

图4是电极丝磨损后的断面示意图。单边磨损时，电极丝磨损后的面积A1为

式中:R是电极丝磨损前的半径。

单边磨损后断面关于Z轴对称，其形心在Z轴的位置会向下移动，根据工程力学知识可以推导形心位置由式（3）确定。

则可以推导出式（4）单边磨损横截面对Y轴惯矩Iy1为

由于截面对其形心轴的惯矩是该截面的最小惯性矩，可以求出单边磨损横截面对平行于Y轴的形心轴的惯矩Iy为

对于复合走丝加工，电极丝是周边磨损，发生磨损后电极丝横截面形状仍然为圆，其横截面积A2为

由于电极丝两种磨损后剩余面积相等，则周边磨损后电极丝半径r为

周边磨损各个方向的抗弯惯矩相等，因此其惯性矩Iy2为

电火花线切割加工常用的电极丝规格为φ0.10～0.30 mm，最常用的电极丝直径在φ0.12～0.18 mm之间，为避免断丝，一般加工所用电极丝直径减小0.03～0.05 mm时，就应更换电极丝，也就是图4中α∈（0，π/2）。根据式（5）和式（8）绘制出随α角变化时周边磨损与单边磨损惯矩比值变化趋势曲线，如图5所示。

分析曲线可知，随着电极丝磨损的加剧，复合走丝线切割加工中电极丝均匀磨损，快速走丝电极丝在放电爆炸力方向上的惯矩比值有所增加，即抗弯刚度高于快速走丝型电极丝的抗弯刚度。由此可知，复合走丝方式因电极丝自身的高速旋转增加了它的刚性，提高了加工稳定性，减小了电极丝的变形，减少了加工滞后，从而改善了被加工工件的加工速度、精度和表面粗糙度。也使得断丝的几率减小。

3 加工试验

为了减小试验条件变化带来的数据误差，加工工件试样均选用同一批次不锈钢1Cr17Mn6Ni5，直径φ120 mm，厚30 mm，以φ0.18 mm钼丝作电极丝，采用普通切割DX－1型乳化液，分别在DK7763高速走丝电火花线切割机床和复合走丝电火花线切割机床上做径向切割。使用矩形波脉冲电源，分别调节走丝速度、脉冲宽度、脉冲间隔和脉冲峰值电流等参数的大小，获得不同加工条件下工艺指标的变化。表1反映的是两种机床第一次对工件进行切割时，采用的加工参数和所获得的加工结果。