慢走丝电火花切割加工过程中影响因素与表面质量提高方法脱扣器

本文介绍了慢走丝电火花切割加工过程中影响表面质量的人为因素、机床因素、切割材料因素、电极丝因素，同时阐述了如何提高慢走丝电火花加工的表面质量。

1、引言

一项先进加工技术的普及，离不开设备、人员、辅助工装材料的一同进步，慢走丝电火花切割加工作为一种特种加工技术更是如此。近年来，随着我国航空航天、舰船制造、军工、高铁、汽车、微电子、工业机器人、医疗器械等精密机械加工工业的快速发展，为这些行业提供高精密部件的慢走丝电火花机的应用也越来越普及。但是在操作者使用的过程当中，由于技术和理念上的不同，经常会出现使用方面的问题。

2  慢走丝电火花加工技术简介

电火花加工是利用浸在工作液中的两极间脉冲放电时产生的电蚀作用蚀除导电材料的特种加工方法，又称放电加工或电蚀加工，英文简称EDM（Electrical DischargeMachining），工业生产时，电火花切割加工工艺是通过在被加工部件和电极丝之间的区域生成电火花来电蚀加工部件的金属，并且通过电极丝沿自身轴向方向的移动或者是加工部件沿电极丝径向方向平移来电腐蚀加工出按规定要求形状的工件。

根据走丝速度的不同，又分为低速走丝和高速走丝两种（也有分为高、中、低3种的），低速走丝加工也叫慢走丝加工，慢走丝线切割机所加工的工件表面粗糙度和加工精度比高速线切割机的质量好。众所周知的原因，高速走丝线切割机是采取线电极高速往复供丝的方式，线电极的直径随着加工的时间逐渐变小，工件加工尺寸精度难以保证，因此慢走丝切割的表面品质比高速走丝的切割表面品质高一个等级。但是再先进的加工方式，如果人为操作不当、选材不当或者是工艺参数设计不当，同样会影响最后的加工质量。

对慢走丝切割加工品质有直接影响的因素主要涉及操作人员水平、慢走丝机床性能、切割工件材料、电极丝种类和品质等方面。本文从影响加工表面品质的机理着手，同时根据笔者在实际走访线切割用户过程中的体会，并结合作者对电极丝材料的研究成果，提出如何通过调整上述因素来改善或者是提高电火花切割后的表面品质，以指导用户正确的使用慢走丝电火花线切割机床，创造更大的价值。

3  慢走丝电火花线切割表面质量的影响因素

3.1  人为因素的控制与改善

人为因素的控制与改善主要包括加工工艺的确定和加工方法的选择，这可以通过以下几点来实现：

（1）合理安排切割刀路。该措施的指导思想是尽量避免破坏工件材料原有的内部应力平衡，防止工件材料在切割过程中因在夹具等的作用下，由于切割路线安排不合理而产生显着变形，致使切割表面质量下降。例如：工件与其夹持部分的分离应安排在最后，使加工中刚性较好。

如图1所示，图1a为错误的切割路线，图1b为正确的切割路线。

图1  刀路编排

（2）正确选择切割参数。对于不同的粗、精加工，其丝速和丝的张力应以参数表为基础作适当调整，为了保证加工工件具有更高的精度和表面质量，可以适当调整线切割机丝的张力、丝速。虽然制造慢走丝机床的厂家提供了适应不同切割条件的相关参数，但由于工件的材料、所需要的加工精度以及其他因素的影响，使得操作人员不能完全照搬书本上介绍的切割条件，而应以这些条件为基础，根据实际需要作相应的调整。例如沙迪克机器若要加工厚度为43mm的工件，而有部分机床加工条件表中找不到对应的加工参数，这种条件下，可以根据材料实际厚度选择机器工艺参数列表中最接近的厚度参数（如选择40mm加工参数），再适当的修改精加工时丝的张力、丝速和丝径补偿值。

（3）采用贴面加工。为了使工件达到高精度和高表面质量，根据工件厚度及时调整丝架高度，使上喷嘴与工件的距离尽量靠近，这样就可以避免因上喷嘴离工件较远而使线电极振幅过大影响加工工件的表面质量。

（4）合理调整水压。在精加工时，合理调整上下冲水水压是保证加工精度和加工品质的关键。

（5）工件在切割过程中要固定牢靠。当加工工件即将切割完毕时，其与母体材料的连接强度势必下降，此时要防止因加工液的冲击使得加工工件发生偏斜，一旦发生偏斜，就会产生二次放电，轻者影响工件表面品质，重者使工件报废，所以工件必须稳定，特殊情况下，需要制造专用工装。

3.2  设备因素的控制与改善

慢走丝电火花线切割机属于高精度机床，机床的维护保养非常重要，因为加工工件的高精度和高质量是直接建立在机床的高精度基础上的，因此在每次加工之前必须检查机床的工作状态，才能为获得高质量的加工工件提供工况条件。具体分析如下：

（1）工作液的作用。电火花加工时，脉冲电源的一极接工具电极，另一极接工件电极，两极均浸入具有一定绝缘度的液体介质（常用煤油或矿物油或去离子水，慢走丝线切割加工常用去离子水）中。工具电极由自动进给调节装置控制，以保证工具与工件在正常加工时维持一很小的放电间隙（0.01——0.05mm）。当脉冲电压加到两极之间，便将当时条件下极间最近点的液体介质击穿，形成放电通道。由于通道的截面积很小，放电时间极短，致使能量高度集中（10——107W／mm），放电区域产生的瞬时高温足以使材料熔化甚至蒸发，以致形成一个个电腐蚀小凹坑。在第一次脉冲放电结束之后，经过很短的间隔时间，第二个脉冲又在另一极间最近点击穿放电，如此周而复始高频率地循环下去，工具电极不断地向工件进给，它的行走的形状最终就复制在工件上，形成所需要的加工形状。与此同时，总能量的一小部分也释放到工具电极上，从而造成工具损耗。同时，由于电极丝和电介液的汽化，形成一个气泡，并且它的压力规则上升直到非常高，然后电流中断，温度突然降低，引起气泡内向爆炸，产生的动力把熔化的物质抛出被电腐蚀的不规则小坑，然后被腐蚀的材料在电介液中重新凝结成小的球体，并被电解液排走。因此工作液的维护就显得尤为重要，使用过程中要定期关注工作液电阻值的变化情况，超过限值是要停机保养或者更滑。

（2）导电块的影响。慢走丝线切割机一般在加工了40h后就必须对导电块进行清洗，有脏污时需用专用洗涤液清洗，当导电块线痕超出合理的耗损时（正常一星期），要及时调整接触位置，保证导电块跟切割线的有效接触，以确保加工工件的精度和表面质量。

（3）电极丝的抗张性。电极丝的张力对加工工件的表面质量也有很大的影响，加工表面质量要求高的工件，应在不断丝的前提下尽可能提高电极丝的张力，同时也要根据所选用电极丝的抗张力程度来选择合适的参数，具体数值可参照机床工艺表，同时也要定期的使用张力计检查机床的张力值是否正确。

（4）送丝部位的维护保养。若过线导轮转动不好则应更换，要仔细检查上、下喷嘴的损伤和脏污程度，用清洗液清除脏物，有损伤时需及时更换。还应经常检查张力轮上电极丝的运行情况，特别注意电极丝有没有打滑、跳动，张力轮损耗过大就会影响加工精度及表面质量，若有损伤，需及时更换。此外，导电块、导轮和上、下喷嘴的不良状况也会引起线电极的振动，这时即使加工面能进行良好的放电，但因电极丝振动，加工表面也很容易产生波峰或条纹，最终引起工件表面粗糙度变差。

（5）设备转动部件的影响。定期检查运转部件中轴承的晃动情况，若出现异常要立即停机保养或者找专业的维修人员进行维修，切忌带病作业。

（6）电源电压的影响。电源电压不稳定会造成电极放电的不稳定，从而引起击穿放电过程不稳定而影响工件的表面质量。同时外接电源的电压也要监测。

3.3  切割材料因素的控制与改善

为了加工出尺寸精度高、表面质量好的线切割产品，必须对所用工件材料进行细致考虑：

（1）材料特性对切割的影响。工件材料的不同，导致熔点、软化点、电性能也不同，因而即使按同样方式加工，所获得的工件表面质量也不相同，因此必须根据实际需要的表面质量对工件材料作相应的选择，同时匹配与切割材料相匹配的切割参数。

（2）热处理后残余应力对切割精度的影响。工件材料内部残余应力对加工的影响较大，在对热处理后的材料进行加工时，由于大面积去除金属和切断加工会使材料内部残余应力的相对平衡受到破坏，从而可能影响零件的加工精度和表面质量。为了避免这些情况，应选择锻造性好、淬透性好、热处理变形小的材料。

（3）断丝对表面质量的影响。如果发生断丝势必会回到起始点，重新走丝再次进行加工，这样会使加工工件表面质量和加工精度下降，当然断丝的因素有很多，这里不作过多阐述。在加工过程中还应注意倾听机床发出的声音，正常加工的声音应为均匀的“呲、呲”声。同时，开机生产时，机床的电流表、电压表的指针应是振幅很小，处于稳定状态。

（4）切割工件的热处理状态对表面质量的影响。一般来说，没有热处理的工件切割速度快，而热处理过的工件切割速度相对较慢，对于常规的金属材料而言，热处理过后材料的电性能更加趋于一致，因此放电火花也会趋向稳定，切割表面也会更好。

（5）材料性质的优劣对表面质量的影响。如果材料在冶炼或者是熔炼过程中混入的杂质或者是氧化物过多，或者是存在大颗粒的合金化元素，同样也会引起电火花放电不稳定的现象，导致切割后表面的不光滑。如图2所示为SKD11切割断面处大颗粒的合金化元素。

图2  SKD11切割断面×

注：白色颗粒状物质为合金化元素

3.4  电极丝的种类对切割后表面光洁度的影响

人员操作、机床因素、工件材料情况是影响切割后表面质量的3个因素，属于同一类型的因素，即属于慢走丝用户能够直接控制的因素。除此之外，电极丝的种类对切割料件的表面质量影响也很大，电极丝的质量优劣及性能高低由电极丝制造商来控制，因此选择高精度的电极丝同样可以提高工件切割后的表面质量。

（1）普通黄铜电极丝。

这种电极丝是铜锌二元合金，因为受到黄铜中锌含量的限制，它的切割速度受到了制约，而随着黄铜中锌含量增多，其切割速度也会有小的提升，但它的提升速度是有限的。这种电极丝一般被现在的国内普通用户所使用，而掉铜粉、断线是这种电极丝使用过程中遇见的普遍现象。同时由于锌含量的限制，它的切割精度会受到影响。

（2）精度型镀锌电极丝。

芯材为普通黄铜，外面镀一层锌，由于锌在切割过程中的气化作用，这种电极丝的放电会比较稳定，切割表面会比普通黄铜丝光滑。国际上比较成熟的制造国家主要分布在欧洲，目前国内也有个别厂家能够生产，但是这种电极丝在使用过程中常见的问题是掉粉问题，国内外生产厂家同样面临。另一方面，这种电极丝因为表面是纯锌组成的，而纯锌的气化速度又比较快，表层的锌会在切割过程中迅速的消耗，因此这种电极丝的切割精度会比其它类别的电极丝高。

（3）速度型镀层电极丝。

芯材为普通黄铜，镀层为铜锌合金，厚度比普通镀锌电极丝的镀层要厚一些。这种镀层电极丝的速度比普通镀锌电极丝的切割速度要快一些，适合于高效率的加工，因为这种电极丝表层是铜锌合金，锌的含量不可能太高，因此切割精度比镀锌电极丝稍低。

（4）复合相型电极丝。

这种电极丝表面同时含有β相和γ相，因此又叫复合相型电极丝，这种电极丝结合速度型电极丝和精度型电极丝的优点，使切割速度和切割精度同时得到提高，这种电极丝国际上只有少数几家企业能够批量生产，我国也有企业生产，受到专利保护，市场上代表品名为BFcut、TPH。

4  结论

影响慢走丝电火花线切割加工表面质量的因素很多，但只要对其进行系统性的分析，理论联系实际，从人为因素、设备因素、材料因素、电极丝因素方面综合分析研究，一定能够加工出在特定工况条件下最理想的表面质量。

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