提高快走丝线切割加工表面质量的工艺研究

2013-12-23李一华黄艳松马永清丰莉

机械工程师 2013年11期

李一华，黄艳松，马永清，丰莉

（1.海军驻株洲某军代室，湖南株洲412002；2.中航工业南方公司，湖南株洲412002）

1 引言

线切割加工是电火花线切割加工的简称，它是用线状电极（钼丝或铜丝）靠火花放电对工件进行切割［1］，线切割采用细金属丝作工具电极，无需制作成型工具电极，可加工各种复杂型面，能够大大降低制造成本、缩短生产周期，被广泛应用于航空发动机零部件制造中。线切割按机床类别分为快走丝线切割与慢走丝线切割，快走丝线切割是电极丝作高速往复运动，走丝速度为8～10m/s，加工表面粗糙度为Ra5.0～2.5，最佳可达Ra1.0；慢走丝线切割是电机作低速单向运动，一般走丝速度低于0.2m/s，加工表面粗糙度可达到Ra2.5，最佳可达Ra0.2［2］。快走丝线切割机床结构简单、操作方便、使用成本低，且加工效率高，拥有良好的性价比，但快走丝线切割机床的振动较大，电极丝抖动也大，电极在往返运动中的损耗都影响着其加工精度，在使用上受到一定的限制。因此，如何提高快走丝线割加工表面质量是急需研究的课题。

图1 进气导叶片线切割加工部位

图2 加工后表面锯齿状形貌×5

某型航空发动机进气导向叶片叶身上下边的表面粗糙度要求为Ra3.2（如图1 所示），采用快走丝线切割加工方法，但在试制过程中发现该产品线切割后表面存在锯齿状形貌（如图2 所示），导致粗糙度达不到设计要求，影响了产品质量。本文以该产品为例，通过分析线切割加工表面质量影响因素，对电参数进行调整，并提出加工过程的具体控制措施，经试制表明，可有效保证生产效率和产品加工表面质量。

2 表面质量影响因素分析

影响电火花切割表面加工质量主要有电参数、走丝速度、电极丝张力、进给速度及工作液等。

2.1 电参数选择分析

放电峰值电流、脉冲宽度及脉冲间隔是快速走丝线切割加工的主要电参数。增大放电峰值电流可以提高切割速度，但会导致表面粗糙度增大、加工精度下降，甚至出现断丝。增大脉冲宽度可以使单位时间内放电能量增大，提高线切割加工的速度，同样导致表面粗糙度变差，并加快电极丝的损耗。减小脉冲间隔，脉冲频率将提高，即单位时间内放电次数增多，平均电流增大，从而提高了切割速度，但脉冲间隔不能过小，否则会影响电蚀产物的排出和火花通道的消电离，导致加工稳定性变差和加工速度降低，甚至断丝。由此可见，增大放电峰值电流、脉冲宽度，减小脉冲间隔都能使切割速度提高，但会降低产品表面质量，因此，必须在保证产品表面质量的前提下，适当调整电参数使产品质量与生产效率达到平衡。

2.2 走丝速度

提高走丝速度不仅有利于脉冲结束时放电通道迅速消电离，而且可以将工作液带入厚度较大工件的放电间隙中，有利于排屑。在一定范围内，增大走丝速度可以提高加工速度，但增大到一定程度后，反而会降低加工速度，主要原因是丝速再增大，排屑条件虽然仍在改善，但蚀除作用基本不变，且储丝筒一次排丝的运转时间减少，使其在一定时间内的正反向换向次数增多，非加工时间增多，从而降低了加工速度。走丝速度太大还会引起电极丝的振动加强，使产品表面的直线度和光洁度下降。

2.3 电极丝张力

电极丝张力大时，电极丝的振幅及抖动变小，切缝宽度变窄，进给速度加快，因此能够提高加工速率、增强加工的稳定性，保证产品表面质量。但受电极材料强度的限制，电极丝张力不能无限度增大，否则将出现断丝。

2.4 进给速度

正常情况下，线切割过程中进给速度与蚀除速度大致相等。进给速度过高，即电极丝进给的速度明显高于蚀除速度，则放电间隙会越来越小，甚至发生短路，造成加工不稳定，影响产品表面质量。进给速度太慢，即电极丝的进给速度明显落后蚀除速度，则电极丝与工件之间的距离会越来越大，造成开路，降低加工速度。由此可见，在线切割加工中调节进给速度虽然本身并不具有提高加工速度的能力，但能够保证加工的稳定性，提高产品表面质量。

2.5 工作液

工作液的注入方式和注入方向对线切割加工精度有较大影响，目前注入方式主要有浸泡式、喷入式及浸泡喷入复合式等三种。采用浸泡式注入时，线切割加工区域流动性差，加工不稳定，放电间隙大小不均匀，很难获得理想的加工精度。喷入式注入方式是国产快走丝线切割机床应用最广的一种，其工作液以喷入这种方式强迫注入工作区域，间隙的工作液流动更快，加工较稳定，但工作液喷入时难免带进一些空气，因此，经常出现气体介质放电现象，从而影响了加工精度。在精密电火花线切割加工中，普遍采用浸泡喷入复合式的工作液注入方式。快走丝线切割使用的工作液是专用乳化液，目前使用的工作液种类较多，各有特点，但无论哪种工作液都应具有一定的绝缘性能、较好的洗涤性能、较好的冷却性能及对环境无污染、对人体无危害等特性，其中洗涤性能对加工质量影响较大。洗涤性能好的工作液，切割时排屑效果好，切割速度高，切割后表面光亮清洁，割缝中没有油污粘糊；洗涤性能不好的工作液则相反，有时切割下来的料芯被油污糊状物粘住不易取下，切割后表面也不易清洗干净［3］。

3 提高表面加工质量方法

在保证生产效率的基础上，为提高产品表面质量对线切割电参数进行了适当的调整，调整后的电参数如表1 所示，并重点在以下4 个方面进行改进，取得了显著的效果。

表1 调整后的电参数

3.1 适时调整进给速度

在加工非等截面产品表面时，受截面面积变化的影响，加工过程中应适时调整进给速度，当截面面积增加时应降低进给速度，以保持加工稳定性，避免产品出现表面质量问题。该叶片叶型两侧截面较薄，往中心逐步增厚，因此在加工时必须通过加工电流表指针的摇动情况来进行判断进给速度。当经常向下摆动，则说明是欠跟踪，此时应将进给速度适当调快；当经常向上摆动，则说明是过跟踪，就应将进给速度适当调慢；当指针来回较大幅度摇摆，说明加工不稳定，应及时停止加工，查明原因，否则易出现断丝。

3.2 适当调整工作液

图3 切下余料与本体粘接

目前，线切割加工采用的工作介质一般为含有机械油5%左右的乳化液，切割后容易出现切下余料与本体互相粘接的问题（如图3 所示），加工后必须通过煤油刷洗和敲击才能脱离。高温环境下，乳化液会分解出大量的含碳高分子化合物与金属腐蚀产物形成胶体状或颗粒状物质，该物质粘附并堆积在切缝内是切下余料与本体互相粘接的主要原因［3］。在加工过程中，该物质堆积在切缝中严重影响电蚀产物的排除，并阻挡新鲜工作介质进入切缝，直接导致正常放电不连续，甚至出现电弧放电，烧伤产品表面使加工质量恶化。

水中加入少量洗涤剂、皂片等，切割速度就可能成倍增长。这是因为水中加入洗涤剂或皂片后，工作液洗涤性能变好，有利于排屑，改善了间隙状态［3］。为此，在乳化液中加入了适量洗洁精，经多次试验，切割后的余料可自然落下，且切割后加工表面胶状蚀除物明显减少，在煤油中稍加清洗便可见金属光泽，加工表面质量明显提高。

3.3 检查导向轮及导电块的磨损情况

对于快走丝线切割，电极丝的运动轨迹主要靠导向轮和导电块来保证，由于长时间的高速磨损，容易导致导电块和导电轮上出现磨损的轨迹，如不及时调整导电块的方向或定期更换导向轮，则当磨损痕迹深度过大时，会导致电极丝在高速运动过程中振幅增大，甚至出现卡滞现象，从而影响加工表面质量，因此在每次加工前必须检查导向轮和导电块的磨损情况。

3.4 不定期重新缠绕电极丝

电极丝形状在高温情况下长期使用会发生变化，并导致滚丝筒上的电极丝缠绕力减下，从而减小电极丝的张力，因此每次加工前必须对电极丝进行重新缠绕，保证电极丝在滚丝筒上的缠绕力，确保电极丝张力的相对恒定。

4 产品试制验证

根据上述分析及改进措施，对该叶片线切割加工工艺进行了细化，调整了工艺参数，要求操作者在每批产品加工前检查导向轮、导电块的磨损情况并重新缠绕电极丝，针对产品加工批量大的特点，还规定了加工过程中定期检查的频率，确保加工质量的稳定性。为验证措施的有效性，试制了一批百余件产品，实物表面质量大幅提升，原来的锯齿状形貌波峰明显缩小，如图4 所示，采用高倍显微镜观察也未发现明显的锯齿状形貌，如图5 所示，且经检测尺寸达到设计图纸要求。