切縫寬度銅鎢合金( CuW) 兼有銅( Cu) 的高導(dǎo)熱性、鎢 (W) 的高熔點(diǎn)、低熱脹系數(shù)及耐電火花侵蝕能力強(qiáng)的特點(diǎn), 是一種高性能、低損耗的工具電極材料, 廣泛應(yīng)用于微細(xì)、精密電火花成形及硬質(zhì)合金、鈦合金等難加工材料的電火花成形加工中[ 1- 3] 。針對(duì)某些具有窄縫( 縫寬< 0. 5 mm) 、清棱清角或高縱橫比結(jié)構(gòu)的成形電極, 傳統(tǒng)切削加工顯然已不能滿(mǎn)足加工要求, 實(shí)際應(yīng)用中多采用低速走絲電火花線(xiàn)切割加割加工相對(duì)于傳統(tǒng)加工, 有助于提高貴重合金材料的利用率。
多次切割技術(shù)是低速走絲電火花線(xiàn)切割加工實(shí)現(xiàn)精密加工的主要工藝手段。其中第一次切割去除了絕大部分加工材料, 在整個(gè)加工過(guò)程中占用了大量的切割時(shí)間。同時(shí), 第一次切割加工尺寸精度的提高及表面粗糙度值的降低, 可在達(dá)到相同加工目標(biāo)的情況下減少切割次數(shù), 成倍地提高加工效率、降低加工成本。
電火花線(xiàn)切割加工過(guò)程中的電極絲運(yùn)動(dòng)軌跡相對(duì)于編程軌跡有一定的偏移量。電極絲偏移量及其自身的振動(dòng)影響著切縫的寬度尺寸, 進(jìn)而影響加工的尺寸精度, 穩(wěn)定的切縫寬度是實(shí)現(xiàn)高尺寸精度加工的前提條件。針對(duì)影響線(xiàn)切割切縫寬度的因素,研究人員分別基于正交試驗(yàn)與單因素實(shí)驗(yàn), 在方差分析與理論分析的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)開(kāi)路電壓是影響切縫寬度最顯著的因素[ 4- 5] 。Rakwal 基于正交實(shí)驗(yàn)與方差分析, 發(fā)現(xiàn)放電電容是影響切縫寬度最顯著的因素[ 6] ; Shah 通過(guò)正交試驗(yàn)與方差分析發(fā)現(xiàn), 脈沖時(shí)間與電極絲張緊力是影響切縫寬度最顯著的因素,開(kāi)路電壓與脈沖間隔對(duì)切割寬度影響較弱[ 7]; Mahapatra通過(guò)正交試驗(yàn)與方差分析發(fā)現(xiàn), 走絲速度是影響切縫寬度最顯著的因素[ 8] ?？梢?jiàn), 研究人員在影響切縫寬度的因素分析中尚未得到統(tǒng)一的結(jié)論。
在加工銅、鋼及硬質(zhì)合金等方面, 線(xiàn)切割加工工藝已日趨成熟, 但目前人們對(duì)銅鎢合金電火花線(xiàn)切割加工的研究還較匱乏。本文以銅鎢合金為加工材料, 研究了各加工參數(shù)對(duì)線(xiàn)切割加工第一次切割的切縫寬度、加工速度及表面粗糙度的影響規(guī)律, 為實(shí)際加工提供理論指導(dǎo)。
1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程
實(shí)驗(yàn)在三菱電機(jī)數(shù)控精密低速走絲線(xiàn)切割機(jī)床上進(jìn)行, 電極絲選用直徑0. 2 mm 的黃銅絲, 電介質(zhì)為去離子水, 電阻率為10 萬(wàn)8#cm, 上下噴嘴距工件距離均為0. 2 mm, 加工材料為厚度6 mm 的銅鎢合金( 質(zhì)量分?jǐn)?shù)Cu 30 %, W 70 % ) , 切割長(zhǎng)度為20mm。
電火花線(xiàn)切割加工是一個(gè)多參數(shù)輸入、輸出的復(fù)雜過(guò)程, 影響其加工指標(biāo)的因素可分為電參數(shù)與非電參數(shù)兩類(lèi)。本文通過(guò)大量單因素實(shí)驗(yàn), 重點(diǎn)研究了伺服基準(zhǔn)電壓( VG) 、開(kāi)路電壓( VO) 、峰值電流 ( IP) 、脈沖間隔( OFF) 、電極絲張緊力(WT) 及走絲速度(WS) 對(duì)線(xiàn)切割切縫寬度、平均加工速度及切縫表面粗糙度的影響規(guī)律。其中, 各影響因素的大小并非實(shí)際值, 而是機(jī)床相應(yīng)的檔數(shù)。
實(shí)驗(yàn)中切縫寬度由工具顯微鏡測(cè)量, 對(duì)加工后的各切縫均勻間隔選取12 個(gè)位置測(cè)量, 求其均值作為最終切縫寬度; 由加工時(shí)間直接反映平均加工速度, 加工時(shí)間越長(zhǎng), 平均加工速度越慢; 表面粗糙度由探針式表面粗糙度儀測(cè)得, 各切縫表面測(cè)量2 次取均值。
2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析
2. 1 切縫寬度的影響因素分析
圖1 是電火花線(xiàn)切割加工中切縫寬度的構(gòu)成示意圖。當(dāng)電極絲與工件之間的距離達(dá)到電介質(zhì)擊穿距離時(shí), 兩極間產(chǎn)生火花放電, 同時(shí)柔性電極絲在放電力、靜電力及沖液壓力的共同作用下產(chǎn)生一定振幅的振動(dòng), 因此, 電火花線(xiàn)切割切縫主要由電極絲直徑、放電間隙、電極絲最大振幅三部分組成, 可表示為:
W= D+ 2( A+ d )
式中: W 為切縫寬度; D 為電極絲直徑; A 為電極絲最大振幅; d 為放電間隙。
低速走絲電火花線(xiàn)切割加工中的電極絲為單向走絲、單次使用, 電極絲損耗對(duì)切縫寬度變化的影響可忽略, 在不更換電極絲的情況下, 各加工參數(shù)對(duì)切縫寬度的影響主要是由于放電間隙及電極絲振幅而引起的。
圖2 是各因素對(duì)切縫寬度的影響規(guī)律曲線(xiàn)。從圖中可看出, 伺服基準(zhǔn)電壓、峰值電流、電極絲張緊力對(duì)切縫寬度的影響顯著, 而開(kāi)路電壓、脈沖間隔及走絲速度對(duì)切縫寬度影響較弱。在一定范圍內(nèi), VG與IP 的增加都會(huì)引起電極絲與工件之間平均放電能量的增加, 進(jìn)而增大放電間隙, 引起切縫寬度顯著增大; 電極絲張緊力的增加則會(huì)縮小電極絲振幅, 減小切縫寬度。反之, VG 與IP 減小, 切縫寬度減小; WT 減小, 切縫寬度增加。但是, 當(dāng)VG 過(guò)小時(shí), 切縫寬度大幅減小的同時(shí)會(huì)造成電蝕產(chǎn)物排除困難, 電極絲與工件短路頻率增加, 電極絲與工件頻繁接觸而引起斷絲, 導(dǎo)致無(wú)法加工; 當(dāng)VG 過(guò)大時(shí), 雖不會(huì)斷絲, 但電極絲與工件間出現(xiàn)開(kāi)路狀態(tài)的頻率增大,有效放電次數(shù)減少, 平均放電能量變小, 加工速度會(huì)明顯下降。當(dāng)IP 過(guò)小時(shí), 會(huì)導(dǎo)致放電能量大幅減小; 當(dāng)IP 過(guò)大時(shí), 放電能量顯著增大, 會(huì)引起電極絲斷絲現(xiàn)象, 這些都會(huì)導(dǎo)致加工速度降低。增大WT可明顯減小切縫寬度, 但WT 的極限值受電極絲可承受的最大張力限制。
2. 2 電參數(shù)對(duì)加工時(shí)間與表面粗糙度的影響分析
圖3~ 圖6 分別是伺服基準(zhǔn)電壓、開(kāi)路電壓、脈沖峰值電流、脈沖間隔對(duì)加工時(shí)間、表面粗糙度的影響規(guī)律。從圖中可看出, IP、OFF 對(duì)加工時(shí)間與表面粗糙度影響顯著, VG 影響次之,VO 影響最弱。
IP 與OFF 是電火花線(xiàn)切割平均放電能量的決定因素。在一定的范圍內(nèi), IP 的增大與OFF 的縮小都會(huì)增大平均放電能量, 提高加工效率, 縮短加工圖5.6時(shí)間, 同時(shí)放電能量的增加也增大了單脈沖材料去除量, 使單脈沖電蝕坑變深、變大, 而線(xiàn)切割加工表面由大量電蝕坑組成, 因此, 加工表面粗糙度值會(huì)大幅增加。反之, IP 減小、OFF 增大會(huì)造成加工時(shí)間的延長(zhǎng)與表面粗糙度值的下降。IP 過(guò)大, 單脈沖放電能量顯著增加, 電極絲上分配到的能量相應(yīng)增加, 極易造成斷絲。OFF 過(guò)大, 可進(jìn)行正常加工, 但加工時(shí)間會(huì)大幅增加; 而OFF過(guò)小, 會(huì)因極間電蝕產(chǎn)物來(lái)不及排除, 引起消電離甚至斷絲, 使加工無(wú)法正常進(jìn)行。
在一定范圍內(nèi)調(diào)整VG, 電火花加工狀態(tài)變化不大, 因此對(duì)加工時(shí)間與表面粗糙度影響不明顯; 但過(guò)小的VG 易引起短路、斷絲, 過(guò)大的VG 則會(huì)造成開(kāi)路頻率增加, 這些都會(huì)明顯延長(zhǎng)加工時(shí)間, 甚至無(wú)法正常加工, 但對(duì)表面粗糙度的影響較弱。開(kāi)路電壓VO 僅對(duì)電介質(zhì)的擊穿有一定影響,對(duì)脈沖能量無(wú)太大影響, 所以其對(duì)加工時(shí)間及表面粗糙度的影響很小。
2. 3 非電參數(shù)對(duì)加工時(shí)間與表面粗糙度的影響分析
電極絲張緊力與走絲速度為兩個(gè)重要的非電參數(shù), 其變化對(duì)脈沖放電能量沒(méi)有影響, 故對(duì)加工時(shí)間與表面粗糙度影響較弱。圖7 與圖8 分別是電極絲張緊力、走絲速度對(duì)加工時(shí)間及表面粗糙度的影響規(guī)律曲線(xiàn)。從圖7 可看出, 隨著電極絲張緊力的增加, 加工時(shí)間有所縮短, 主要是因?yàn)殡姌O絲張緊力增加有助于減小切縫寬度, 在材料去除率不變的情況下, 切縫寬度減小, 加工速度增大, 加工時(shí)間縮短。
3 結(jié)論
( 1) 切縫寬度由電極絲直徑、電極絲振幅及放電間隙三部分組成。
( 2) VG、IP 與WT 對(duì)切縫寬度有顯著影響, VO、OFF 與WS 對(duì)切縫寬度影響較弱。在一定范圍內(nèi)縮小VG 和IP、增大WT 有助于減小切縫寬度。
( 3) 電加工參數(shù)中, IP、OFF 對(duì)加工時(shí)間與表面粗糙度影響顯著, VG 影響次之, VO 影響最弱。
( 4) 增加WT 會(huì)使切縫寬度減小, 在放電脈沖能量不變的情況下, 有助于減小加工時(shí)間, 提高平均加工速度。
以上實(shí)驗(yàn)及討論不僅適用于銅鎢合金, 對(duì)一般材料的線(xiàn)切割加工工藝規(guī)律也有相應(yīng)的參考價(jià)值。
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