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数控电火花线切割在上海铝合金挤压模具加工中的应用

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数控电火花线切割在上海铝合金挤压模具加工中的应用

发布日期:2016-05-18 00:00 来源:http://www.8fly.cn 点击:

电火花线切割加工是在电火花加工基础上发展起来的一种新的工艺形式,它是利用移动的细金属丝作为工具电极,在金属丝与工件间通以脉冲电流,利用脉冲放电的电腐蚀作用对工件切割加工的.数控线切割加工零件的精度,适应平面复杂形状零件的加工,具有应用灵活,加工周期短,节约材料等特点。 

数控电火花线切割在上海铝合金挤压模具加工中的应用

目前在新产品的研制和开发中,大量采用数控线切割技术来直接切割铝型材挤压模具零件,缩短研发周期。然而,再先进的机床,如果没有重视加工的工艺技术与操作技巧,没有做到工艺合理,是不能高效地加工出高质量的工件。因此在实际操作过程中必须重视有关加工技术。 


电火花加工中,加工材料的去除是靠放电时的热作用实现的,材料的可加工性主要取决于材斜的导电特性及其热学特性,如熔点、沸点(汽化点)、比热容、热导率、电阻率等,而几乎与其力学性能(硬度、强度)无关,因此适合于加工难以切削加工的材料。 放电加工中,加工工具电极和工件不直接接触,没有机械加工中的切削力,因此适宜加工低刚度工件及微细加工。上海铝合金由于可以简单地将工具电极的形状复制到工件上,因此特别适用于复杂表面形状的加工。 电火花加工是直接利用电能进行加工,而电能、电参数较机械量易于数字控制、智能控制和无人化操作。 由于电火花加工具有许多传统切削加工所无法比拟的优点,因此其应用领域日益扩大,目前已广泛应用于机械(特别是模具制造)、宇航、航空、电子、电机电器、精密机械、仪器仪表、汽车拖拉机、轻工等行业,以解决难加工材料及复杂形状零件的加工问题。加工范围可小至几微米的小轴、孔、缝,大到几米的超大型模具和零件。 


电火花线切割加工铝型材挤压模具现场 


1 数控电火花线切割加工的特点 


随着数控电火花线切割机床的普及,电火花线切割机床已逐渐从单一的冲裁模具加工向各类模具及复杂精密铝型材挤压模具和其他各类零件的加工方向转移。其应用越来越广泛。 


数控线切割加工具有电火花加工的共性,金属材料的硬度和韧性并不影响其加工,电火花切割主要用来加工淬火钢和硬质合金;当前绝大多数电火花线切割机,都采用数字程序控制,其工艺特点如下: 


①用来加工一般切削方法难以加工或无法加工的形状复杂的工件,如冲模、凹凸模及外形复杂的精密零件等。 


②不像电火花成形加工那样要制造特定形状的工具电极,而是采用直径不等的铜丝或钼丝等作工具电极,因此切割用的刀具简单,大大降低了生产准备工时。 


③电极丝直径较细,切缝很窄,这样不仅有利于材料的利用,而且适合加工细小零件。 

  

④电极丝在加工中是移动的,不断更新(慢走丝)或反复使用(快走丝),可以完全或短时间不考虑电极丝损耗对加工精度的影响。 

  

⑤依靠计算机可控制电极丝轨迹和偏移轨迹,可方便地调整凸凹模具的配合间隙,并且依靠锥度切割功能可实现凸凹模一次加工成型。 


2 数控电火花线切割加工的特点 


2.1 切割速度 


线切割加工中的切割速度是指在保证一定的表面粗糙度的切割过程中,单位时间内电极丝中心线在工件上切过的面积的总和,单位为mm2/min。 


通常快走丝线切割加工的切割速度为40~80mm2/min,将每安培电流的切割速度称为切割效率,一般切割效率为20 mm2/(min?A)。

 



2.2 薄工件的加工 


所谓薄工件,一般是指厚度在5 mm以下的工件。如样板及机械零配件等,要保证这类工件的加工精度是有一定困难的。主要原因是丝架上下导丝轮的开距是固定的,一般约70mm。当切割工件时,在快走丝的情况下,电极丝失去了加工厚工件时应产生的冷却液的阴尼作用,又加上火花放电的影响,因而电极丝很容易产生抖动。 


另外,切割工件的速度快,变频进给也快,而步进电机的速度有一定的技术范围,速度太快时(指超过它承受的最高脉冲频率)会产生失步和丢步现象,这些都会影响工件的加工精度。为克服上述现象,保证薄工件的加工质量,建议采取下列措施: 


①把加工电压调至50V左右。 


②调整脉宽,使之小于10?s。 


③加工电流控制在0.2~0.3A范围内。 


④减小电极丝抖动 


如果储丝筒是直流电机拖动的,则改变电枢电压,降低转速;如果是交流电机拖动的,则在A、B、C相的任意两相中串接10~15Ω、75W线电阻,降低相电压,使其换向过渡时间稍为拉长,实现软换向,减少抖动。 


⑤在上下导轮之间加夹持器。 

  

⑥如果装置夹持器有困难,也可采用辅料加厚的方法,加大厚度,使阻尼增加,从而可防止电极丝抖动。使用这种方法比较简便,而且加工电参数也不需要调整改动。 


⑦减少与防止工件的变形开裂 


有些工件切割后,尺寸总是出现明显偏差,检查机床精度、数控柜和程序都正常,最后才发现是因为变形引起的。 


3 电极丝及其材料对工艺指标的影响 


3.1 电极丝的选择 


目前使用的电极丝材料有钼丝、钨丝、钨钼合金丝、黄铜丝、铜钨丝等。 


钨丝可获得较高的加工速度,但放电后丝质易变脆,容易断丝,故应用较少。钼丝比钨丝熔点低,抗拉强度低,但韧性好,在频繁的急热急冷变化过程中,丝质不易变脆、不易断丝。 


钨钼丝(钨、钼各占50%的合金) 比前两种都好,具有钨、钼两者的特性,使用寿命和加工速度都比钼丝高。 


铜钨丝有较好的加工效果,但抗拉强度差些,价格比较昂贵,来源较少,故应用较少。 


常用的电极丝材料钼的熔点为2625℃,沸点为4800℃,比铁、硅、锰、铬、铜、铝的熔点和沸点都高,而比碳化钨、碳化钛等硬质合金基体材料的熔点和沸点要低。在单个脉冲放电能量相同的情况下,用铜丝加工硬质合金比加工钢产生的放电痕迹小,加工速度低,表面粗糙度好,同时电极丝损耗大,间隙状态恶化时则易引起断丝。 


采用黄铜丝做电极丝时,加工速度较高,加工稳定性好,但抗拉强度差,损耗大。 


目前,快走丝线切割加工中广泛使用钼丝,慢走丝线切割加工中广泛使用黄铜丝。 


电极丝直径大,可采用较强的电规准进行加工,提高加工速度。同时,电极丝粗,放电产物排除条件好,能提高脉冲利用率和加工速度。若电极丝过粗,则降低了加工精度,同时使材料的蚀除量变大,加工速度也有所降低。 


若电极丝直径过小,易断丝,放电产物排除条件差,加工经常出现不稳定现象,导致加工速度降低。细电极丝的优点是可以得到较小半径的内尖角,加工精度能相应提高。 


慢走丝线切割机床,走丝速度越快,加工速度越快。因为这种走丝方式是比较平稳均匀的,电极丝抖动小,故加工出的零件表面粗糙度好、加工精度高;但丝速慢导致放电产物不能及时被带出放电间隙,易造成短路及不稳定放电现象。提高走丝速度,改善了间隙状态,进而可提高加工速度。但在一定的工艺条件下,当丝速达到某一值后,加工速度就趋向稳定。 

  

3.2 进给速度对工件表面质量的影响 


进给速度调节不当,不但会造成频繁的短路、开路,而且还影响加工工件的表面粗糙度,致使出现不稳定条纹,或者出现表面烧蚀现象。 


①进给速度过高。这时工件蚀除的线速度低于进给速度,会频繁出现短路,造成加工不稳定,平均加工速度降低,加工表面发焦,呈褐色,工件的上下端面均有过烧现象 


②进给速度过低。这时工件蚀除的线速度大于进给速度,经常出现开路现象,导致加工不能连续进行,加工表面亦发焦,呈淡褐色,工件的上下端面也有过烧现象。 


③进给速度稍低。这时工件蚀除的线速度略高于进给速度,加工表面较粗、较白,两端面有黑白相间的条纹。 


④进给速度适宜。这时工件蚀除的线速度与进给速度相匹配,加工表面细而亮,丝纹均匀。因此,在这种情况下,能得到表面粗糙度好、精度高的加工效果。 


4 关于工件变形和开裂 


①切缝闭合变形 


②切缝张开变形 


③未淬火件张口变形 


④淬火工件切割后开口就小 


⑤尖角处开裂 


⑥凹模中间部位宽度变小 


4.1 改善变形与开裂原因的技术措施 


①无凸模外形起点穿丝孔 


当从坯料外直接切入切割凸模时,因材料应力不平衡产生变形,如张口、闭口变形,以致影响工件加工尺寸精度。所以,在切割凸模时,应在坯料上钻出凸模外形起点穿丝孔。 


②夹压方式不对 


有时不便于钻凸模外形起点穿丝孔,可以改变切割路线及夹压位置,以减少或避免变形对切割工件尺寸精度的影响。 


③凹模切去的实体部分太多 


面积较大的凹模,由于切去了框内较大的体积,使应力变化很大,容易产生开裂。对于这种凹模,应在淬火前将中部铣空,给线切割留2~3mm的余量,这可使线切割产生的应力减小。 


④凹模尖角处易产生应力集中大框形凹模的尖角处易产生集中而在切割中引起开裂,应在尖角处增设适当大小的工艺圆角R,以缓和应力集中。 


⑤热处理不当 


钢件的残余应力随含碳量的增加而增加,高碳钢易开裂,应避免使用高碳钢作凸、凹模材料。淬火时在确保硬度的情况下,应尽可能使用较低的温度和较缓慢的加热、冷却速度,以减小产生的应力。 


回火是减小淬火所产生的残余应力的重要手段,回火的效果与回火的温度、持续时间有关。对于易变形、开裂的工件,有时切割后在180~200℃下进行4H的回火,以达到减小残余应力和稳定组织的目的。 


⑥由于各种原因造成的变形 


有的工件在采取某些措施后,仍有一些变形,为了满足工件的精度要求,可改变一次切割的尺寸的传统习惯,改为粗、精二次切割,使粗切后变形量在精切时被修正,粗切为精切留的余量约0.5mm。这种办法多用于图形复杂、易于产生变形的模具,或要求精度高、配合间隙小的模具。有时采用单点夹压来代替多点夹压,以多次更换夹压点的方法,也可以使变形减小。 


5 加工表面出现的黑白纹 


电火花切割加工时,靠近工件切缝的上、下表面会出现黑白交错的条纹。 


5.1 产生黑白条纹的原因 


黑白条纹的出现与电极丝的运动有关,电极丝进口处呈黑色,出口处呈白色。这是因为排屑和冷却条件不同造成的。电极丝从上向下运动时,工作液由电极丝从上部带入工件内,放电产物由电极丝从下部带出。这时,上部工作液充分,冷却条件好,下部工作液少,冷却条件差,但排屑条件比上部好。工作液在放电间隙里受高温热裂分解,形成高压的气体,急剧向外扩散。对上部蚀除物的排除造成困难,这时,放电产生的炭黑等物质将凝聚附着在上部加工表面上。使之呈黑色。在下部,排屑条件好,工作液少,放电产物中炭黑较小,况且放电常常是在气体中发生。因此加工表面呈白色。同理,当电极丝从下向上运动时,下部呈黑色,上部呈白色。这样,经过电火花线切割加工的表面就形成黑白交错的条纹。这是快走丝工艺的特性之一。这种条纹一般对他加工表面粗糙度略有影响。因为电极丝进口处工作液充分,放电是在液体介质中进行,而在电极丝出口处,液体少,气体多,在低压放电条件下,气体中放电间隙小,所以,进口处的放电间隙比出口处大,结果白色条纹比黑色条纹凸出几微米到几十微米。由于加工表面两端再现黑白交错的条纹,使工件表面两端表面粗糙度比中部稍差一点。当电极丝较短,储丝筒换向周期较短,或者切割较厚工件时,尽管加工结果看上去似乎没有条纹,实际上是条纹很密,纯朴重叠而已。 


5.2 限制黑白纹的措施 


黑白条纹产生最根本的原因是电极丝往复运动时都放电切割加工,如果电极丝只在一个方向运动时放电,而在另外一个方向运动时不放电,就没有黑白相间的条纹。但若只在单方向运动时切割,生产率太低了。 


采用较合理的工作液喷射方式,使电极丝出口和入口处工作液供应情况尽量一致,尤其要改善工件下部工作液的供应状况,对限制黑白条纹会有一定效果。 


6 线切割中常见问题与处理措施 


在数控电火花切割中,常出现电极丝短路、断丝的现象,一般应做如下处理:短路可能是因为进给速度太快、脉冲电源参数选择不当等原因造成。 


应降低进给速度,增大峰值电流,加大加工能量,同时加大电极丝的张力,减少工作液的电阻率;发生断丝的原因可能是脉冲电源参数选择不当、工作液浓度不合适、工件变形、进给速度不合适、运丝系统不正常等原因造成。 


当首先检查电极丝断丝的位置判断断丝原因,可通过减小峰值电流,降低空载电压和进给速度,减少电极丝的张力或增大冷却喷嘴的工作液流量等方法解决。 


7 总结 

对数控电火花线切割加工的特点以及线切割加工中引起模具加工零件变形的各种因素作了深入分析,从实践经验中提出一些解决徐径和有效加工方法,相信对提高模具加工质量有一定的借鉴作用。 

总之,在模具零件正式线切割加工之前,通常应对切割程序与走丝路线进行验证,确保其正确性与合理性。另外模具加工的质量保证有至关重要的作用,控制好质量和模具的合格率是无止境的追求,要从根本找出原因,找到提升加工技术的关键是控制质量的最好方法。


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