高建，肖杰，苏伟

自贡硬质合金有限责任公司 四川自贡 643011

1 序言

在先进制造技术领域，电火花线切割加工技术发展迅速，它具有加工精度高、表面质量好等特点，为某些特殊材料和特殊形状工件的加工与制造提供了切实可行的方法。电火花线切割加工过程复杂，影响因素繁多，包括电加工参数、切削液浓度与流量、加工电极、加工材料、加工程序路径、环境温度和电极丝张紧力等。在实际生产中，既要考虑加工精度、加工表面质量和电极丝的使用寿命，还要考虑加工效率。本文主要对电加工参数和加工程序路径这两种影响因素进行分析，通过工艺试验，改善加工方式，在生产中取得了很好的效果。

2 线切割加工原理和技术特点

电火花线切割加工（Wi r e-c u t E l e c t r i c a l Discharge Machining，简称WEDM）属于特种加工的一种，它不同于传统加工技术，主要利用电能来实现对材料的加工。因此，线切割技术不受材料性能的限制，可以加工任何硬度、强度和脆性的导电材料，在现阶段的机械加工中占有很重要的地位。线切割对于硬质合金、淬火钢等精密复杂金属零件的加工有很强的优势。

线切割机床主要分为慢走丝机床、快走丝机床和中走丝机床，慢走丝机床精度达0.001mm级，表面粗糙度值Ra＜0.8μm，圆度和直线度误差都比快走丝机床小。中走丝机床并非走丝速度介于高速与低速之间，而是复合走丝，即粗加工时采用高速（8～12m/s）走丝，精加工时采用低速（1～3m/s）走丝。中走丝机床同时兼具了快、慢走丝机床的优点，加工相对稳定。

2.1 线切割加工原理

线切割加工是利用一根连续的、沿其轴线移动的细金属丝作为工具电极，基于电极丝和工件之间脉冲性放电的电腐蚀作用来蚀除多余金属，达到工件的加工要求，切割成形。线切割机床结构如图1所示，工件安装在工作台上，电极丝穿过工件或与工件保持平行状态，经导向轮由储丝筒带动做往复交替移动。数控装置按照预先设置的加工要求和加工路线发出指令，控制两台步进电动机带动工作台在X、Y两个方向上移动，合成工件要加工的轨迹。

图1 线切割机床结构

加工时，工件接在脉冲电源的正极，电极丝接在负极，在电场的作用下，电子高速撞向正极，正离子高速撞向负极，形成一个被电离的导电通道，粒子间发生无数次碰撞，在放电通道内形成瞬间局部高温，熔化或气化局部工件，由喷嘴以一定的压力向加工区喷射具有绝缘性能的切削液，将蚀除的材料带走。放电的微观过程如图2所示。

图2 放电的微观过程

2.2 线切割技术特点

线切割技术主要具有以下特点。

1）加工中不存在显著的机械切削力，无论工件硬度和刚度如何，只要是导电或半导体材料都可以加工，但无法加工非金属材料。

2）可以加工小孔和复杂形状零件，但无法加工盲孔。

3）电极丝损耗小，加工精度高。

4）通过数控编程技术对工件进行加工，可对参数进行调整，易于实现自动加工。

5）加工时产生的切缝窄，金属蚀除量少，有利于材料的再利用。

3 影响线切割加工速度的因素

线切割加工常以加工速度作为加工效率的评价指标，可以表示为单位时间内电极丝中心线在工件上经过面积的总和。影响线切割加工速度的因素主要有：加工工艺参数、工件材质、切削液浓度与流量、加工工艺路线和环境温度等。图3为各因素对工艺指标的影响。

4 加工工艺参数对加工速度的影响分析

线切割加工工艺参数是影响切割速度和精度的主要因素。工艺参数包括脉冲宽度、脉冲间隔、峰值电流、电压、变频值（进给速率）、功放管的功率、丝速和丝张紧力等。

图3 各因素对工艺指标的影响

试验采用DKB280型数控电火花线切割机床，加工范围为280mm×360mm×400mm，综合加工精度0.01mm，最大加工速度120mm2/min。电极丝采用φ0.18mm钼丝，加工材料为ZK10UF-1牌号的硬质合金，切削液浓度为10%。试验机床的加工参数界面如图4所示。

图4 DKB280型数控电火花线切割机床加工参数界面

4.1 脉冲宽度对加工速度的影响

脉冲宽度是指在工件和电极丝之间施加电压的时间，单位为μs。试验中以脉冲宽度作为可变参数，其余参数保持不变，试验数据和加工效果见表1。

图5为脉冲宽度变化对加工速度的影响曲线。由于火花放电只发生在脉冲宽度内，因此在一定范围内脉冲宽度越大，切割速度越高，但是超过一定范围，切割速度反而随着脉冲宽度的增加而减小。DKB280机床加工ZK10UF-1牌号硬质合金，在脉冲宽度为20μs时，加工速度最快。

表1 脉冲宽度试验数据

图5 脉冲宽度与加工速度的关系

4.2 脉冲间隔对加工速度的影响

脉冲间隔是指两个脉冲间无电流的时间，单位为μs，设定值为脉冲宽度的倍数。脉冲间隔越小，单位时间内放电加工的次数越多，切割速度也越高。试验中以脉冲间隔作为可变参数，其余参数保持不变，试验数据和加工效果见表2。图6为脉冲间隔变化对加工速度的影响曲线。

表2 脉冲间隔试验数据

图6 脉冲间隔与加工速度的关系

研究表明，脉冲间隔会影响切割速度和加工的稳定性。随着脉冲间隔的增大，切割速度降低。但是脉冲间隔太小，电蚀物不能及时排除，放电间隔无法恢复到所要求的绝缘程度，从而影响加工的稳定性。DKB280机床加工ZK10UF-1牌号硬质合金，在脉冲间隔为7μs时，加工效果最佳。

4.3 峰值电流对加工速度的影响

峰值电流是指火花放电时流过放电间隙的平均电流。单个脉冲放电能量计算公式为

式中，W为单个脉冲放电能量（J）；t为单个脉冲放电时间（μs）；U为电压（V）；I为峰值电流（A）。

由此可见，在电压一定的情况下，增加单个脉冲能量主要依靠加大脉冲峰值电流，而提高单个脉冲能量也就意味着提高加工速度。

试验中改变电流的大小，得到如图7所示的加工电流与加工速度的关系曲线。

由图7可见，加工速度随着加工电流的增加而提高。但试验表明，与此同时，加工表面质量在下降。当电流超过4A时，钼丝损耗严重，且易断丝。根据之前的研究，当加工电流达到2.8A时，工件表面会产生如图8所示的微裂纹。

综合加工效率和加工质量考虑，加工电流应控制在≤2A。

图7 加工电流与加工速度的关系

图8 电流2.8A时加工表面出现微裂纹（×1500）

4.4 变频值对加工速度的影响

变频值即线切割变频跟踪速度，它本身不具备提高加工速度的能力，其作用是保证加工的稳定性。当跟踪速度（进给速率）过快，超过工件蚀除速度时，有可能出现短路，使切割速度降低，工件表面质量变差；若跟踪速度太慢，极间可能形成短路，影响切割速度。加工时，电流表指针稳定，则说明变频值合适，跟踪速度和工件蚀除速度相当。若电流表经常向下摆，则说明欠跟踪，需要减小变频值，反之亦然。

虽然变频值本身不具备提高加工速度的能力，但是可以充分利用其特性来提高加工效率。加工中都会存在零吃刀的空走阶段，比如从坐标零点到接触工件开始加工，以及加工完毕回到坐标原点，都是零吃刀的空走阶段。可以将这两段路径的变频值减小，提高进给速率，缩短空走刀时间，以达到提高加工效率的目的。以公司PD-16805-M产品为例，更改空走刀的变频值，加工效率可提高10%左右。

5 加工工艺路线对加工速度的影响分析

试验对象：宽度为1.6m m的直槽。代表产品有PC-14502-M、PC-03501-M、PC-97501-M、PD-02501-M和PD-00501-M等。旧程序的加工路径如图9所示，其中实线为一次切割参数走刀，虚线为二次切割参数走刀。

图9 旧程序加工工艺路线

由图9可知，旧程序存在可以优化加工路径的情况。试验过程中先后设计了4种走刀路线，但是前3种都存在缺陷，方案1掉屑不稳定，有时候不掉屑，在第二次切割时造成短路；方案2缺少一段二次切割，加工表面质量不好；方案3加工的槽形差，槽边不规则。经过不断改进，得到了第4种优化路线方案，在保证加工质量的同时提高了加工效率。各方案的切割路线详情如图10所示。

6 结束语

针对DKB280型号线切割机床加工ZK10UF-1牌号硬质合金的试验，可得出以下结论。

1）在一定范围内增大脉冲宽度可以提高加工速度。但是如果脉冲宽度过大，则加工速度反而降低。当脉冲宽度为20μs时，加工效果最佳。

2）适当减小脉冲间隔可以提高加工速度。但是如果脉冲间隔过小，则会导致电蚀物不能及时排除和造成短路，影响加工质量。脉冲间隔为7μs最适宜。

图10 程序优化过程

3）加工电流和加工速度成正比例关系，但是电流过大会严重影响加工质量。

4）在零吃刀阶段，合理调节变频值可以节省总加工时间，达到提高加工效率的目的。

5）合理地调整加工路线也可以提高加工速度。

专家点评

线切割不受材料性能的限制，在硬质合金、淬火钢等高硬度零件的精密加工中具有不可替代的优势。当前线切割技术最大的缺点就是效率较低。文章针对影响线切割加工速度的主要因素（电加工参数和加工程序路径）进行研究，通过工艺试验和改善加工方式，在保证加工质量的同时提高加工效率。

文章的实用性很好，目标明确，结论准确，善于抓住问题的关键进行深入研究，具有很好的说服力和实际应用价值。